摘要:当前发展低碳经济和有机、生态、高效农业,采用低碳技术生产和应用新型肥料,是肥料业界的一场革命和科技创新,也是我国发展现代农业的必然选择和国际农业高科枝竞争的重要领域。新型肥料的研制开发为化肥这一传统产业平添了新的生机,也为企业开辟了更为广阔的市场空间。近年来国内相关企业在新型肥料的研制方面已取得了重大技术进展。本文简要介绍了近期国内最新研制的生物酶活化磷肥、硝基腐植酸生态肥、多肽尿素、双酶尿素、水溶性肥料等5种新型肥料的开发进展及应用前景。
我国农业已进入高产、优质,高效、生态、安全阶段,促进农民增收,农业增效已成为农业发展的主旋律。我国政府支持新型肥料的研究是极为必要的,是促进肥料品种多元化、提高施肥效益、确保粮食安全的重要手段,对于我国农业的集约、清洁,安全生产与可持续发展具有重大的战略意义。新型肥料的发展趋势与农业发展趋势密切相关,随着人口的增长,人类对粮食和农产品需求量增多,只有加快新型肥料的发展速度,才能保证农业生产沿着高产、优质、低耗和高效的方向发展。
新型肥料是有别于传统的,常规的肥料,是指加入新材料,采用新技术、新工艺,新设备,改变原有品种或剂型而创制的提高肥料利用率,适合多种土质和作物的化肥产品。新型肥料有别于常规肥料,首先在于肥料功能拓展或功效提高,除了提供养分作用以外,还具有保水、抗寒、抗旱、杀虫,防病,除草等其他功能。其次是形态更新,是指肥料的形态出现了新的变化,除了固体肥料外,根据不同使用目的而生产的液体肥料、气体肥料、膏状肥料等。此外是新型材料的应用,其中包括肥料原料、添加剂、助剂等,使肥料品种呈现多样化、复合化、功能化、易用化和高效化。
当前金融危机余波未平,市场需求乏力,化肥行业处于尿素持续低迷,磷复肥大面积亏损的困境中,产能过剩形势严峻,产业调整刻不容缓。专家指出。从本质上说,目前的化肥产能过剩其实就是基础肥料的过剩,而随着我国农业水平的不断发展,更需要走一条复合化、专业化、精细化的肥料发展道路,基础肥料总量应该控制,在新型肥料上加大开发力度才是根本出路。各种新型肥料正在迅速发展,正曰益得到市场认可。从肥料品种到产业格局的角度,发展新型肥料将成为行业发展的大趋势。在化肥产业调整大力发展新型肥料的机遇之下,新型肥料有望突破资源和市场的双重制约。产业必将进入一个加速发展的新时期。以下介绍国内近期生物酶活化磷肥、硝基腐植酸生态肥、多肽尿素、双酶尿素,水溶性肥料等一些最新研制品种的开发及应用情况。
1 生物酶活化磷肥
生物酶活化剂是在生物酶解磷菌的基础上,加入了促进磷分解的活性有机物而制取的高效活化剂,生物酶活化剂与磷矿粉均勻混合后,即可生产生物酶活化磷肥,成为一种新型的低碳环保肥料产品。用生物酶活化剂能代替硫酸生产磷肥,可节酸降耗,与普通磷肥生产相比,其生产工艺无磷矿粉与硫酸的混合、化成过程,无需专用设备,只需普通的混合设备,整个生产过程可在一个密闭的搅拌混合设备中完成,没有任何固、液、气态的污染物产生,且磷矿粉和活化剂对设备没有腐蚀。不仅降低了生产成本。简化了生产过程,而且还能充分开发我国难以利用的中低品位磷矿,大大扩充我国的有效磷资源库。这种生物酶活化剂还可以用于现有磷铵、过磷酸钙,钙镁磷肥等各种磷肥的生产。使其利用率大幅度提高,一般可节肥20%,高者达30%,而肥效不减。与过磷酸钙、钙镁磷肥等传统磷肥相比,活化磷肥肥效高而生产成本大大降低。磷活化技术具有突出的减碳效果,不仅可以降低磷肥生产中的能耗物耗,还可以大幅度提高磷的利用率。
生物酶活化技术的研制成功顺应了全球性的低碳经济发展的需求,突破了国内外的经典技术框架,在常温常压的温度条件下即可生产活化磷肥,这与目前国内外通用的强酸、高温煅烧等激烈反应条件有很大区别。活化磷肥的生产过程既可免除强酸、高温煅烧的高能(碳)耗物耗,又可获得适度、均衡的水溶性,不用对过高的水溶性进行缓释处理,因而可以减少对环境污染而提高肥料利用率。与钙镁磷肥、磷矿粉,过磷酸钙、磷铵相比,生物酶活化磷肥水溶性磷动态释放特性非常明显,靠需求拉动释放,从而大大提高磷的利用率。是一种长效缓释的肥料。这种活化态肥料不仅在生产环节具有节碳低能效果,而且在使用环节也有节碳环保效果。
用生物酶活化剂生产的生物酶活化磷肥与普通磷肥相比,其优势非常明显,通过添加生物酶来提高肥料的利用率,减少了对环境造成的污染。同时有效减缓或逆转磷与土壤中的钙,铝、铁等发生沉淀反应,避免土壤中磷浓度大起大落的波动,在植物生长期内维持磷的供求平衡,从而提高其利用率,也避免普通磷肥施用过多的游离酸而造成农田板结。
近年来,中国农业科学院德州实验站与华南农业大学开展的肥效对比试验表明,施用生物酶活化磷肥的地块,作物产量和品质明显优于施用过磷酸钙,可使小麦增产9.4%、大豆增产15.4%～32.2%,水稻增产10%,甘蔗增产30.9%,辣椒增产4.6%～8.8%、菠萝增产2.9%～8.1%,西瓜增产22.7%。尤其是在甘蔗,西瓜等将碳水化合物转化为糖类的作物上,生物酶活化磷肥的施用效果更为明显。
为进一步研究发展和推广应用生物酶活化剂及低碳环保肥料生物酶活化磷肥生产技术,北京中农瑞利源高科技发展有限公司、中国农业科学院德州实验站、华南农业大学新肥料资源研究中心、国家钙,镁、磷、复合肥技术研究推广中心四家单位近期共同成立了中国首家肥料低碳技术研发中心。目前北京中农瑞利源高科技发展有限公司与华南农业大学新肥料资源研究中心已经联合开发成功生物酶高科技产品生物酶活化剂,并推出了采用生物酶活化剂技术生产的新型活化磷肥产品,生产成本比普通磷铵每吨低280元左右,市场竞争力强,是传统磷铵的升级换代的理想产品。目前该肥料已获得中国专利和美国、俄罗斯等国际专利,并荣获第十六届全国发明展览会金奖。
以生物酶活化剂为载体生产的生物酶活化磷肥,现已分别在湖北吉顺磷化有限公司、钟祥福林化工厂、湖北农乐化肥有限公司相继投产,年总产能达到30万吨。同时此项技术也与湖北龙祥磷化工有限公司,湖北金明珠化工有限公司等企业达成合作意向,届时将形成年产50万吨的生产规模。
2 硝基腐植酸生态肥
21世纪是绿色革命时代,开发及生产绿色生态肥料至关重要,近年来,经过众多的科研机构和腐植酸生产企业的共同努力,利用腐植酸类肥料改良土壤、提高化肥肥效已取得了很大的进展。腐植酸在农业上的科学合理应用及腐植酸产品开发与生产,是我国发展有机一无机复混肥料切实可行的途径。实践表明,腐植酸生产的复合肥在提高化肥利用率,改良土壤,增加作物的抗逆性能和改善农产品质方面的作用逐步
受到人们重视,腐植酸绿色生态肥以实现农作物目标产量的同时追求肥料投入的最经济为目的,彻底改变传统肥料配伍观念、施肥应用模式,被称为是第三代化肥。
硝基腐植酸(NHA)外观为黑褐色粉状,微溶于水,呈酸性,含有羟基,羧基,酚羟基等活性基团,是任何煤种经硝酸氧化后生成的一种高活性腐植酸的产物。在所有的煤种中,褐煤的氧化活性最高,硝酸氧化后,褐煤的腐植酸收率都明显提高。利用泥炭、褐煤,风化煤等含有腐植酸的低级别煤在硝酸作用下,其中的腐植酸被硝化和氧化,生成具有较高化学活性和生物活性的多环硝基芳香羧酸的混合物硝基腐植酸。硝基腐植酸中腐植酸含量≥45%、水分≤15%,盐基交换容量(以干基计)≥205mol/mg,可增强作物体内过氧化氢酶,多酚氧化酶的活性,刺激生理代谢,具有改变化肥特性、改良土壤结构、增强抗逆特性、改善果实质量等特性。
硝基腐植酸的生产工艺为将原料煤粉碎后与硝酸,水在反应器中混合、加热,在90℃下反应1小时左右,离心分离后过滤,将固体干燥,得NHA产品,每吨产品成本约900元。硝酸废液含有黄腐酸和各种无机盐,可用于提取黄腐酸或制造液体肥料,由于硝酸来源较少和价格高,只有在充足硝酸资源条件的地方才适于用该方法加工。此外,为节省硝酸且不排放废液,最好采用干法工艺,即固/液比不超过0.5。美国和日本采用生产硝酸过程中产生的含有HNO3蒸汽、NO2、NO,N2O4气处理低级别煤来生产硝基腐植酸、既能降低生产成本又可减少环境污染。此外,硝酸反应尾气(主要是NO和NO2)有毒性,尾气处理无疑是不可忽视的一个重要环节。除采用碱液吸收,分子筛吸附及催化还原法除掉大部分NOx后,可用泥炭+碱(氨或石灰)吸附残余尾气,获得较好的;争化效果,吸附饱和的泥炭还可用于制作肥料。
作为制备高效有机一无机复混肥的原料,硝基腐植酸对肥料有明显增效作用,如将尿素100℃下熔融后加入硝基腐植酸,混合后得到具有较好缓释性能、质量稳定的硝基腐植酸尿素。又如用硝基腐植酸生产的硝基腐植酸铵复合肥,是一种有机和无机混合的多功能复合肥料,既有有机肥料的长效性,又兼有无机化肥的速效性,还有改良土壤的特效性,是一种理想的发展绿色生态农业产品的新型肥料。这种肥料中含有腐植酸(以干基计,下同)≥10%、N≥7.2%、P2O5≥6.4%、K2O≥6.4%、水分≤15%,除富含腐殖酸铵、黄腐酸、氨基酸,多肽等水溶性有机物外,还按作物生长需要配进氮、磷、钾、微量元素,能提供农作物生长发育所需的氮、磷、钾和钙,镁、硫以及锌、锰、钼,铁等微量元素和生长刺激素,既能提高肥料的利用率,获得增产,又有改善农产品的质量,提高农业经济效益、生态效益和社会效益,在增产节肥、增收节支上,一般增产率达15%～20%,最高可达30%以上。
除可用作化肥增效剂,生产多功能高效复合肥料外,硝基腐植酸还具有广泛的应用领域,可用于土壤改良剂、水稻育秧调酸剂、石油钻井液处理剂、陶瓷泥料添加剂、混凝土减水剂、重金属吸附剂等方面。低级别煤生产硝基腐植酸及绿色生态复合肥。是变废为宝的高效利用途径,符合国家节能减排、绿色环保、矿肥结合的方针和产业政策,对于我国现行化肥企业的产品结构调整,深化有机农业、发展现代农业具有深远的战略意义,特別适合环境治理、生态农业建设、无公害农业生产,绿色环保产品和循环经济发展的需要。
3 多肽尿素
肽是一种有机两性化合物,由氨基酸脱水而成,含有羧基和氨基,由三个或三个以上氨基酸分子脱水而成的肽为多肽。多肽的相对分子量在1000—3000之间,是涉及生物体内各种细胞功能的生物活性物质。肽键是氨基酸在蛋白质分子中的主要连接方式,肽键金属离子化合而成的金属蛋白酶具有很强的生物活性,酶是生物发育成长不可缺少的催化剂,因为生物体进行新陈代谢的所有化学反应,几乎都是在生物催化剂酶的作用下完成的。金属蛋白酶可以被植物直接吸收,因此可节省植物在转化微量元素中所需要的体能,大大促进植物生长发育。酶鲜明地体现了生物的识别、催化,调节等功能,可激化化肥,促进化肥分子活跃。
多肽尿素是一种淡黄色,无嗅,粒状结晶体。其制取是在尿素形成过程中,在尿液中加入金属蛋白酶、聚天冬氨酸或SOD(超氧化物歧化酶),经蒸发器浓缩造粒而成。也可以将多肽增效剂直接与熔融的尿素混合,然后在尿素造粒塔造粒。其中多肽的重量含量为0.01%～1.5%,尿素的重量含量为,98.5%～99.99%,多肽尿素的产业化生产工艺,与普通尿素生产工艺比较,无新增废水、废气、废渣排放,符合环境保护标准要求,符合国家产业政策。作为无毒、无害、无残留属环境友好型产品,多肽尿素真正实现了施肥成本降低,尿素含量不变。施肥方法不变,节约肥料、能源、水资源,提高化肥利用率、农作物产量,农作物品质和增加农民收入,在为农民提供高性能尿素的同时,也为节约国家资源,实现可持续发展打下了基础。
2002年10月,河北石家庄中农兴泰生物科技有限公司开始介入此领域研究,经科研人员多年努力,开发出超过美国的同类产品仿生多肽,申请了国家发明专利和商标,并在全国29个省作了大量田间试验。2003年,山东禹城中农润田化工有限公司与北京中农瑞利源高科技发展有限公司、中国农业科学院德州实验站联合研发了多肽尿素,专家鉴定为“国内首创、国际领先”,被誉为普通尿素的换代产品。
目前国内生产多肽尿素的厂家有山东鲁西化工,中盐安徽红四方、江苏华昌化工,河南心连心化肥,济南山东明水大化集团明泉化工等。在中国石化镇海炼油化工股份公司52万吨/年尿素生产装置,中国石油宁夏化肥厂52万吨/年尿素进口装置、中国海洋石油海南富岛天然气化肥厂52万吨/年尿素上均进行过多肽尿素工业试验,已取得成功,产品推向了市场,目前国内已有山东华鲁恒升、山东中化平原、湖北三宁化工、山东瑞星,山西晋丰,山东齐鲁一化、河北正元等多家尿素企业计划新增多肽尿素生产装置。
多肽尿素主要功能特点是智能缓释,根据作物生长需要供给养分,防脱肥防早衰,平均提高肥料利用率30%以上,并且能改善作物品质,促进蛋白质合成。果实饱满,作物增产增收20%以上。多肽尿素能与任何肥料掺混水溶性、无残渣、pH中性,解决了肥料工业与农业生产中应用的难题。经试验,施用多肽尿素,由于节省了微量元素的氧化物和盐类在植物体内的转化时间和植物体能消耗,植物一般可提前5～15天成熟,如玉米提前5天左右,棉花提前7～10天,西红柿提前10～15 天,且可以提高化肥利用率和农作物品质等。具有同量增产(与施用同量尿素相比,作物增产15%～20%),同价增效(施用80千克的多肽增效尿素与施用100千克普通尿素效果基本相同,作物产量且有所提高),提高肥效20%左右,改良上壤、改善作物品质、绿色环保、使用广泛等特点。
4 双酶尿素
双酶尿素是通过对原有尿素生产装置工艺和设备的改造,在普通尿素生产过程中添加了多肽金属蛋白酶、生物辅酶、双歧因子等营养成分加工而成的一种高科技含量的草绿色颗粒状尿素新产品。主酶即多肽金属蛋白酶,辅酶即非金属生物酶。在作物生长新陈代谢的过程中,在酶的催化参与下,主酶和辅酶二元协同互补,相辅相成,同时存在时才能起更好的作用,如果二者单独存在时均无催化作用。作物可以自我合成内源双酶,当外源双酶的王酶和辅酶同时补充或替代时,作物便可以更有效加快新陈代谢,而多肽尿素只补充外源主酶仍靠植物的内源辅酶起作用。当作为外源的尿素中同时加入了具有催化和调控功能的双酶主酶和辅酶后,作物便会节省自我合成双酶所需要的时间和能量,这样不仅能加快作物的生长和成熟过程,而且还大量节省为提供作物自我合成双酶所消耗的化肥量,提高了肥料中各种养分的利用率,并能够激活土壤中被固化的氮、磷、钾等多种养分被作物重新吸收利用,真正实现了节肥增效的效果。
除了能提高提高肥料利用率和肥效外,双酶尿素还具有自主生物调控功能,能根据作物生长各个过程中的不同需肥特性,自主调控各种养分的释放速度,使作物前期不疯长,后期不脱肥。并且能提高作物的抗病性、抗逆性和抵抗恶劣天气的能力,大大减少了各种灾害对作物的影响,是具有广阔发展前景的一种新型尿素产品。
双酶尿素适用广泛,可应用于小麦,玉米、水稻、棉花,豆类,油菜,瓜果,茶叶、药材、土豆,大蒜、葱、姜,花生、花卉,水产,畜牧等,在提高作物产量和改善作物品质方面作用明显。中国农业科学院德州实验站在禹城市安仁镇赵集村“郑单958”夏玉米上进行肥效试验,同时与附近农田设置大田进行对比示范,实验结果显示,与普通尿素相比,在等量施肥的情况下,玉米能增产6.60%。减量50%施用,仍能增产0.89%。施用双酶尿素作物品质也有了较大改善,表现为小麦面筋增加,水果蔬菜中果糖、氨基酸等含量提高,口感好,色泽美,耐贮存。此外,双酶尿素施用方便,可穴施、抛施、冲施、滴施,使肥料中的营养成分更好地作用于作物的根部并被吸收利用,而且还可对作物进行叶面喷施,促进光合作用。双酶尿素可提高化肥利用率20%以上,减少能源浪费和氮磷钾的流失,在一定程度上避免了因过度用肥造成的土壤板结、水系污染的弊端。
国内山东禹城中农润田化工有限公司与北京中农瑞利源高科技发展有限公司,中国农业科学院德州实验站采用低碳技术对多肽尿素产品进行技术升级, 目前已研制成功并推出双酶尿素。在产品问世之初,生产企业与中国农业科学院德州实验站、山东禹城市土肥站合作做了大量的田间试验,针对不同区域、不同土壤与不同作物上进行多点试验,为大面积示范推广提供依据。仅就中农润田生产双酶尿素28万吨/年计算,农民可减少普通尿素用量28万吨,可节省标准煤14.76万吨/年。如果全国推广双酶尿素,对于节约煤炭,减少二氧化碳排放。对减轻环境污染将起到明显的作用。
在取得了大量的试验数据后,2010年春季,中农润田公司才正式推出这一新产品,深受各地经销商欢迎。在2010年4月12日召开的“山东禹城中农润田化工有限公司双酶尿素产品推介暨全国订货会”上,农业部全国农技推广服务中心、中国氮肥工业协会,中国农业科学院等有关专家一致认为,双酶尿素的研发成功对提高肥料利用率和推动普通尿素的升级换代具有重要意义。与传统尿素相比,双酶尿素利用率高,营养全面、速效长效、绿色环保,节能低碳,从真正意义上破解了氮肥利用率低的难题,是多肽尿素的更新换代产品,符合我国农业可持续发展的要求。
5 水溶性肥料
水溶性肥料(Water Soluble Fertilizer,WSF)是一种可以完全迅速地溶于水的多元复合肥料,更容易被作物吸收,而且其吸收利用率相对较高。水溶性肥料可以含有作物生长所需要的氮、磷、钾、钙、镁、硫以及微量元素(添加的微量元素主要有硼,铁,锌,铜,钼,其中以添加螯合态微量元素最优)等全部营养元素,由于根据作物生长所需要的营养需求特点科学的配方,不会造成肥料的浪费,使得其肥料利用率差不多是常规复合化学肥料的2～3倍。水溶性肥料不但配方多样而且使用方法十分灵活,一般有滴灌、喷灌和无土栽培,土壤浇灌,叶面施肥三种。更为关键的是水溶性肥料还可以应用于喷滴灌等设施农业,实现水肥一体化,达到省水省肥省工的效能,其效益是显而易见的。
因为水溶性肥料具有使用方法简单、使用方便,营养全面等特点。在世界得到了广泛的应用。在国外,被广泛用于温室中的蔬菜和花卉、各种果树以及大田作物的灌溉施肥,园林景观绿化植物的养护。高尔夫球场,以及家庭绿化植物的养护。在国内,由于其高价位影响了农民的接受和使用。但近年来由于我国花卉业和观赏园艺的飞速发展。也已经被广大专业种植者用于盆花、草花,鲜切花种植及一些高尔夫球场等。在一些大型的种植业农场,安装喷滴灌设施等现代化灌溉设备后,要达到水肥一体化,则必须施用水溶性肥料。
国内直到2007年开始,相关企业才开始关心国际上已经普遍使用的全水溶性肥料,并且开始有了初步的技术研究和产品开发,我国农业部也已经开始水溶性肥料的登记批准。水溶性肥料的种类主要有通用型、高氮型、高磷型,硫磷酸铵型,硝基磷酸铵型等。国内生产厂家有陕西巨川富万钾股份有限公司、深圳市芭田生态工程股份有限公司、上海永通化工有限公司、山东粮源生物有机肥有限公司、武汉格林凯尔农业科技有限公司、河北萌帮水溶肥料有限公司,南京加农和信植物保护有限公司等。
水溶性肥料并不是几种营养元素通过简单的物理混配就可以生产,而是采用化学合成方法生产。要实现全化学反应,必须在生产系统的液相中进行化学反应。然而,单一物质的溶液容易掌握,存在两相、三相甚至更多相的循环溶液,在低温冷却结晶的过程中就会出现共结晶现象,也就是产品在析出过程中实际形成了较为复杂的复盐,直接导致产品氮磷钾的养分出现波动,不会按照设想的配比析出产品。化学反应合成的水溶性肥料相对于简单物理混配的产品,具有外观好、品相均匀,纯白结晶的特点,可以真正确保100%全水溶。
国内近年来关于水溶性肥料的生产专利很多,申请号/专利号200910130413公开了一种水溶性肥料及其生产方法,特别是一种水溶性腐植酸多元固体肥料及其生产方法,所述的肥料主要由水溶性腐植酸,水溶性氮肥、水溶性磷肥、水溶性钾肥、水溶性络合微量元素配制而成,与现有技术相比,该发明的水溶性腐植酸多元固体肥料能够降低运输及包装成本,在使用中能快速溶解而不易结块,随水施用,针对性强,同时具有养分含量高、营养全,水溶性好,有机无机结合,肥料功效高和利用率高的优点。产品氮的利用率可达60%、磷的利用率可达30%、钾的利用率可达60%～70%,比常规施肥利用率提高10%以上。
随着我国农业的集约化、规模化发展,水资源的进一步匮乏,以及大型农场不断涌现,滴灌,喷灌节水设施农业面积迅速扩大,已经有越来越多的政府部门,专家学者、技术推广和农业从业者认识到水溶性肥料和水溶性肥料产业的重要性。水溶性肥料是符合更加环保、更加可持续发展的新一代肥料,发展前景广阔,也将成为我国肥料工业和产业未来的重点发展课题与研究项目。