《武汉工程大学学报》  2017年06期 557-564   出版日期：2017-12-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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无机包裹型缓释复合肥料及其产业化应用


据《2016中国统计年览》数据，2015年我国共消费化学肥料（折纯）6 022万吨，化肥施用量占世界第一位；2014年我国化肥单位耕地施用量为世界平均水平的462%. 我国化肥施用量过高已成为不争的事实［1-2］. 过量施用化肥将引发一系列的问题，首先是化肥资源的过度消耗，化学肥料的原料均为不可再生的自然资源，过快消耗必将引起资源的过早枯竭，是不可持续的，其次，过量施用化肥必然导致肥料利用率的低下，不被作物吸收的化学养分流失于自然环境，产生环境污染，有关资料表明，过量施用化肥对面源污染的贡献率达40%以上，再者，过量且不平衡的施肥，引发农产品品质的下降［3］. 这些问题已引起国家的高度重视，2015年农业部公布了《到2020年化肥、农药使用量零增长行动方案》，十三五国家重点科技研究计划也将化肥农药减施作为重点研究方向. 化肥减施是在保证农作物产量不下降的条件下，减少化肥的施用量，从化肥的生产、应用不同的途径有不同的技术方案. 缓释肥料作为一种高利用率肥料，在化肥减施技术路线中有重要作用［4-5］. 缓释肥料的开发起步于发达国家，距今已超过半个世纪的历史，产品主要用于高端非农业领域. 我国缓释肥的研究起步较晚，但近二十年来，发展十分迅速，产能产量迅速扩大. 目前我国缓释肥料的实际产量已超过300万吨/年，为减少化肥施用量做出了贡献. 但我国缓释肥料的发展还存在很多不足，在肥料的消费量中所占比例还很少，究其原因，笔者认为有以下几方面的原因.首先是生产成本较高，农户接受度较低；其次是农化效果表现不均衡，农户信任度不高，这可能与推广应用研究不足有关，也可能与市场问题有关，也与粮食价格过低有关. 但尽管存在问题，也不能否认缓释肥料是化肥减施的有效路径和措施［5］. 1　无机包裹型缓释复合肥料特点无机包裹型缓释复合肥料（inorganic coated controlled release compoundfertilizer， ICCRCF）是郑州大学独创的一种缓释肥料技术路线，采用以肥料包裹肥料的工艺思路，通过改变不同肥料的空间结构及化学组成，而形成的一种具有缓释功能的复合肥料［5］. 获中国、美国发明专利［6-8］，国家技术发明奖，制定了国家化工行业标准无机包裹型复混肥料（复合肥料）［9］，并列为复合肥生产许可证实施细则中的产品单元. 1.1　ICCRCF的概念包裹型缓释复合肥料（coated controlled release compound fertilizers， CCRCF）是一种或多种植物营养物质包裹另一种植物营养物质，而形成的植物营养复合体. ICCRCF包括：ICCRCFⅠ型产品，以钙镁磷肥为主要包裹缓释材料，是一类具有适度缓效性的、低成本的、含有多种中微量元素功能性复合肥料产品［6］；ICCRCFⅡ型产品，是以二价金属磷酸铵钾盐（如磷酸铵镁）为主要缓释包裹材料的ICCRCF，其缓释性能与Ⅰ相比有大幅度提高，具有较好的缓释性能，对多数大田作物可实现一次性施肥，产品中含较高的中量元素养分［7］. Ⅱ型产品也广泛应用于高尔夫球场、景观草坪、花卉园艺等高价市场. 1.2　ICCRCF的生产工艺与缓释机理ICCRCF采用肥料包裹肥料的工艺原理，主要目标是实现氮肥的缓释，以颗粒状氮肥（尿素、硝铵）为核心，采用枸溶性磷肥或含有植物营养成分的固体缓释剂作为包裹缓释材料，固体缓释剂与含有植物营养成分的反应性液体黏结剂，在包裹过程产生化学反应，生成细小的水不溶性化合物，从而形成致密的包裹层，实现氮肥的缓释；同时，这种水不溶性化合物也是一种植物营养物质，含丰富的磷、镁、氮/钾，它可以被植物根系分泌的弱酸所溶解而为植物所吸收，是一种枸溶性肥料. 通过改变包裹工艺及配方可对其缓释性能进行调整. 包裹过程中产生的化学能可将系统中的水分干燥，实现无干燥生产. ICCRCF的原料工艺流程如图1所示：ICCRCF采用无机材料作为缓释包裹层，为亲水性物质，与传统有机聚合物包膜材料相比，水分更容易穿透包裹层而溶解核心氮肥，更适合于大田作物使用. ICCRCF在水中的累计溶出率曲线如图2所示. 由图2可知，ICCRCF中的氮在水中48 h可溶出90%左右，普通复混肥料中的氮通常会在5 min之内全部溶解，说明ICCRCF具有较好的缓释性能. 尽管和聚合物包膜尿素初期溶出率相比高了很多，但在大田环境下，考虑到土壤的吸附、缓冲作用，产品中的氮在48 h内缓慢进入土壤，可大幅度提高土壤对氨离子的交换量，而被土壤交换的氮，存储于土壤中可减少流失，缓慢供应作物吸收. 应用ICCRCF多年的效果，也证明了它可持续向作物有效供应养分90 d~120 d［10］.其中磷的形态有2种，所含水溶性磷包裹在产品最外层，溶出较快，可满足作物前期需求；大部分磷以枸溶形态存在，在水中较难溶解，需由作物根系分泌的弱酸溶解吸收，利用率高. 1.3　无机包裹型缓释复合肥料的特点ICCRCF作为新型缓释肥料产品，在技术和产品上体现出与传统包膜缓控释肥料不同的特点，主要表现在下面几个方面. 1.3.1　完全植物营养　ICCRCF采用的包裹材料均为植物营养物质，通过改变不同特性肥料的空间结构及利用原料之间的化学反应，实现核心氮肥的缓释功能，磷作为缓释材料和配方成分，也具有缓释性. CCRCF产品中，无人为加入任何有机聚合物，产品的所有元素构成均为植物必需的营养元素. 包裹肥料的产品结构示意图如图3所示，表1为无机包裹肥料养分结构分解，同时含有多种中微量元素，使产品的养分更全面均衡［7，11］. 1.3.2　均一的释放特性　聚合物包膜缓控释肥料，以有机高分子材料作为包膜层，产品强调缓释性能，要求初期释放率低，在向终端用户供应时，通常要掺入较多数量的普通肥料，以掺混肥料的形态出现，来满足作物前期的养分需求［12-13］. 如前文所述，ICCRCF前期释放率较高，且在生产过程中完成了复合化，以作物专用复合肥的形式供应终端用户，不需与其他任何肥料掺混，即可满足作物的需肥要求，尤其适合大田作物施用［10］. 包裹肥料每粒产品中均含有不同型态的主要营养元素及中量元素养分，每粒肥料均具有相同的释放性能及养分构成，避免了掺混肥料在运输和施肥过程中养分偏离问题. 1.3.3　同步实现产品的缓释化和复合化　ICCRCF在实现核心氮肥缓释功能的同时，也实现了产品的复合化，即缓释肥的生产过程和复合肥的生产过程合二为一，简化生产过程，节约了生产成本. 而传统的包膜缓释肥料将尿素进行包膜，然后与磷肥或钾肥或普通复合肥进行掺混，得到缓释复合（混）肥料，向用户供应，或生产出一定养分配比的氮磷钾复合（混）肥料，再用聚合物进行包膜形成缓控释复合肥料［14-15］. 1.3.4　实现无干燥生产工艺　包裹肥料生产过程中，充分利用原料间的化学反应能，实现生产过程中无干燥，节约能源. 部分类型的产品由于原料配比及原料选型的不同，可能需要轻度的干燥，但相比普通复混肥料生产过程，干燥负荷大幅度降低. 1.3.5　便于肥料功能的扩展　包裹肥料的生产条件温和，包裹层占产品原料的比例较高，根据需要可在包裹层的不同位置加入植物生长调节剂、除草剂、杀虫剂、杀菌剂等，实现肥料的功能化，降低农业生产过程中的劳动力成本. 2　ICCRCF产业化及产品应用效果ICCRCF自1983年开始研发，已超过30年的历史，已有国内外多家企业进行实施. 济南乐喜施肥料有限公司是目前最大的ICCRCF生产企业，在实施过程中对生产工艺、原料不断进行优化，单线实现10万吨的生产能力. Ⅰ型包裹肥料的肥效试验是在包裹肥料列入国家“七五”重点科技攻关项目时，由原化工部科技局作为单独项目委托中国农业科学院土壤肥料研究所进行，由该所王少仁副研究员、夏培桢农艺师主持，在山东陵县、江西赣州、四川绵阳及山西等地布点，对不同作物进行了肥效对比试验，并采用N15同位素示踪技术，对氮肥的利用率进行了测定. 证明Ⅰ型包裹肥料的氮肥利用率比同等养分混合肥料提高7.74%. 连续两年在不同作物上的实验证明，同等养分情况下，包裹肥料Ⅰ型产品增产幅度在4.76%～32.9%之间［16-17］. Ⅱ型包裹肥料自1995年开发，前期产品主要供应国外市场，用于高尔夫球场草坪、市政草坪等非农业市场，美国分销商在美国不同地区进行了大量的应用试验，证明其产品的缓释缓性能及施肥效果达到甚至超了当时美国同类市场中主流产品的效果，并在美国高尔夫用肥市场连续多年销售，产品同时销往澳大利亚、日本、东南亚等国家和地区，证明了该产品的优良肥效，累计出口近万吨. Ⅱ型包裹肥料产品在销往国外的同时，面向国内大田作物进行了不断的肥效试验和推广应用［18-19］，2008年起，济南乐喜施肥料有限公司对Ⅱ产品进行了产业化，产品推广应用至东北、华北、华中多个省份，表现出了明显的节肥及增产效果，针对不同作物的情况如下. 2.1　玉米上的肥效1997年在河南某农场进行6.7公顷夏玉米的试用，总养分施入量为常规施肥的2/3，其中氮肥施用量仅为常施肥的40%，按当年肥料价格，肥料费用比常规施肥高93 元/公顷，但节约中期追肥费用120 元/公顷，玉米产量比常规施肥增加9.6%［20］（如表2所示）. 与施用常规化肥的传统施肥方式比较，缓释复混肥料可作为基肥一次性使用，故其具有省工省时和环境友好的特点［21］. 2009年起，济南乐喜施肥料有限公司Ⅱ型产品在东北地区（吉林、辽宁、黑龙江）用于春玉米的施肥，推荐施肥量为当地常规施肥量的80%，表现出良好的肥效，在东北及华北地区的玉米施肥中大批量应用至今，持续表现出优良的肥效，在东北地区年销售产品2 万吨以上. 2012年济南乐喜施肥料有限公司在辽宁省朝阳市建平县喀喇沁镇进行了241.5公顷春玉米的膜下滴灌一次施肥推广示范，亩施Ⅱ型产品40 kg（合总养分18.4 kg），实现平均产量13 500 kg/ha. 而当地农民习惯施肥以20 kg磷酸二铵作基肥，25 kg尿素作追肥（合总养分24.3 kg），平均产量9 750 公斤/公顷. 2013年起，在河北省夏玉米上推广密植减肥应用推广应用，每亩施用Ⅱ型产品40 kg，与当地农民习惯施用普通复合肥料60 kg~70 kg相比，增产幅度达5%~15%. 2.2　水稻上的应用效果1999年，中国科学院南京土壤研究所谢建昌研究员在江苏粟阳进行了水稻的肥效试验，试验结果表明，施用包裹型缓控释肥料，氮、磷、钾的肥料利用率分别比常规施肥提高12.82%、7.5%、17.06%. 在肥料养分用量为常规施肥2/3的情况下，达到了相近似的产量，表明Ⅱ型为包裹型缓控.2007年，出口马来西亚的Ⅱ型ICCRCF用于水稻生产，减少了施肥量，并提高了产量，表3为马来西亚经销商提供的数据. 马来西亚农户的耕地是以块为单位计算的，每块地面积约为1.2公顷，表3的数据是每块地的用肥量及产量情况. 可以看出，总养分施入量仅为常规施肥的52%，产量仍比常规施肥略高. 2015年起，济南乐喜施肥料有限公司在我国水稻产区进行Ⅱ型CCRCF的推广示范工作，初步结果表明，对南方杂交水稻，实现每亩20 kg一次性全生育期施肥，产量超过当地农民习惯施肥（30 kg~40 kg复合肥+10 kg~20 kg氮肥两次追施）的水平；在直播稻上实现了ICCRCF作为追肥的施用模式，表现出明显的节肥、抗病害、省工、增产的效果. 2.3　小麦上的应用效果冬小麦是我国的主要作物之一，由于其越冬期长，且期间气温较低，所以小麦施肥具有一定的特殊性，包裹肥料用于小麦施肥，证明其具有节约肥料，提高氮肥利用率的特性. 中国农业大学赵荣芳、孟庆锋、陈新平、张福锁等2003年在小麦上所做的试验表明，无机包裹肥料可大幅提高氮肥利用率，增加农民收益［22］. 2006年，河南农业大学国家小麦工程技术研究中心研究了肥料缓施对小麦氮素代谢及产量的影响，结果表明氮肥在缓控条件下的释放有利于小麦的氮素代谢和高产［23］. 2016年由江苏省睢宁县种子管理站惠鹏所做的小麦试验也表现了相同结果，如表4、表5所示. 3　ICCRCF的节能减排效果3.1 　生产过程的节能减排ICCRCF生产过程中充分利用肥料原料之间的化学反应，使其在核心肥料表面生成水不溶性的致密包裹层，实现了缓释的功能，同时用化学反应的反应热，实现了产品的自干燥，生产过程中不需要干燥热源，不需蒸汽，仅需动力电35 kWh/t，生产过程综合能耗极低；生产过程中无返料（或极少返料），无液、固体废弃物产生，少量的含尘气体经净化后达标排施，所含固相物返回生产过程，对环境无污染. 2017年实施的化工行业标准HG/T 5047—2016《复合肥料单位产品能耗限额及计算办法》［24］规定了不同工艺复合肥料能耗的限定值、准入值及先进值，团粒法和塔式喷淋造粒工艺的先进值分别为17 kgce/t和14 kgce/t，而ICCRCF的实测值仅为4.5 kgce/t，仅为普通复混肥料最低能耗的1/3，大幅度降低了生产过程中的能耗及碳排放量. 3.2　ICCRCF应用于农业的节能减排效果ICCRCF可大幅度提高肥料利用率，田间试验表明及推广应用证用，采用这种肥料与常规肥料相比可节约用肥20%，即100 kg包裹型复合肥料的肥效相当于125 kg普通复混肥料的肥效，也就是说，农业上每应用1 t包裹型复合肥料，在同样产量条件下，可节约0.25 t普通复混肥料. 以常规配方20-10-10的包裹肥料进行评估，节约0.25（0.05 t N）?吨复混肥料，仅氮肥一项，相当于节约能耗0.073 t标煤，减少0.22 t的CO2排放，如果将我国2015消费6 022 万吨肥料的10%以ICCRCF替代，将可节约能耗110 万吨标煤，减少331 万吨CO2排放，节能减排的效果明显. 减少20%的化肥施用，必将大幅度减轻由于化肥流失而造成的面源污染. 综上所述，ICCRCF可大幅度提高肥料利用率，减少肥料施用量，生产过程能耗低，对环境友好的新型肥料，是在两减条件实现化肥零增长的有效技术和产品.