文献信息：丁文成, 何萍, 周卫. 我国新型肥料产业发展战略研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2023, 29(2): 201-219. doi: 10.11674/zwyf.2022669摘要: 肥料产业服务于农业生产，尿素、磷铵、氯化钾和复合肥等传统化肥产品的大量投入对保障粮食安全发挥了至关重要的作用。随着我国农业发展方式从资源消耗型向绿
文獻信息：丁文成, 何萍, 周衛(wèi). 我國新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2023, 29(2): 201-219. doi: 10.11674/zwyf.2022669摘要: 肥料產(chǎn)業(yè)服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尿素、磷銨、氯化鉀和復合肥等傳統(tǒng)化肥產(chǎn)品的大量投入對保障糧食安全發(fā)揮了至關重要的作用。隨著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展方式從資源消耗型向綠色可持續(xù)型轉(zhuǎn)變，發(fā)展新型高效肥料產(chǎn)業(yè)，提升肥料產(chǎn)品對糧食安全與生態(tài)環(huán)境安全的協(xié)同保障作用，是現(xiàn)階段國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的一個關鍵舉措。新型肥料類型主要有緩/控釋肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有機肥、微生物肥料等，相比于常規(guī)施肥，施用新型肥料普遍能夠提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率，增產(chǎn)率范圍為4.6%～17.5%，氮肥利用率提高16.8%～52.3%，農(nóng)田土壤氨揮發(fā)損失量可降低7.2%～50.7%，N2O排放降低8.1%～40.8%，氮淋溶損失降低16.5%～43.8%，氮徑流損失降低22.1%～45.4%。經(jīng)過幾十年的跟蹤和創(chuàng)新，我國新型肥料形成了產(chǎn)業(yè)化，新型肥料總產(chǎn)量已位居世界前列。但由于新型肥料產(chǎn)業(yè)起步晚，幾乎所有類型的新型肥料生產(chǎn)均存在原創(chuàng)核心技術缺乏，產(chǎn)品特性與農(nóng)業(yè)需求匹配性不高，施肥技術和裝備發(fā)展滯后，以及監(jiān)管體系薄弱等問題。為推動新階段新型肥料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綠色高效轉(zhuǎn)型升級，未來我國的新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略核心包括以下4個方面：1) 以農(nóng)業(yè)需求為導向，提升肥料產(chǎn)品與生產(chǎn)需求的匹配度；2) 肥料增效技術由注重養(yǎng)分供給向土壤環(huán)境、作物吸收和有效供給綜合調(diào)控發(fā)展，肥料增效材料向高效、環(huán)保和價廉方向發(fā)展，肥料產(chǎn)品向營養(yǎng)、土壤改良和抗逆等多功能發(fā)展；3) 注重最大限度地利用資源，降低能耗，通過大型肥料生產(chǎn)設備的優(yōu)化和改造，力爭實現(xiàn)新型肥料由二次加工到一次生產(chǎn)的突破，實現(xiàn)新型肥料生產(chǎn)的綠色低碳轉(zhuǎn)型；4) 建立健全肥料生產(chǎn)、銷售和使用全鏈條監(jiān)管體系，保障新型肥料產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量健康發(fā)展。
Abstract: The fertilizer industry is the backbone of agriculture. Traditional fertilizers like urea, ammonium phosphate, potassium chloride, and compound fertilizers are heavily invested and play a key role in making sure China has enough food. As China’s agricultural development shifts away from resource consumption and toward green and sustainable development, new-type and high-efficiency fertilizers capable of achieving food security and environmental security become a major demand for green agricultural development. New-type fertilizers in China include slow/controlled-release fertilizer, value-added fertilizer, water-soluble fertilizer, commercial organic fertilizer, and bio-fertilizer. Compared to traditional fertilization, applying new-type fertilizers increases crop yields and nitrogen (N) use efficiency by 4.6%?17.5% and 16.8%?52.3%, and reduces ammonia volatilization, N2O emission, N leaching, and N runoff by 7.2%?50.7%, 8.1%?40.8%, 16.5%?43.8%, and 22.1%?45.4%, respectively. After decades of research and development, China’s new-type fertilizer achieves industrialization and global leadership in production. However, this innovation was met with some limitations, including the short development period of the new-type fertilizer industry, the lack of original core technologies, the low match between fertilizer product characteristics and agricultural requirements, the lagging development of fertilizer application technology and equipment, and the need to improve administrative systems, policies, and laws. The following strategies should be focused on to achieve the transformation and upgrading of the new-type fertilizer industry towards the overall goal of green and high efficiency in the new stage: 1) bridging the gap between fertilizer properties and agricultural practices; 2) increasing fertilizer efficiency by shifting focus from nutrient supply to soil environment and crop absorption. This can be achieved by developing environmentally friendly and cost-effective additives containing plant growth stimulants and soil remediation materials; 3) maximizing resource use and reducing energy consumption during fertilizer processing and preventing new-type fertilizer production from secondary processing; 4) constructing a whole-chain supervision system covering production, marketing, and application of new-type fertilizer to ensure green production, quality retracing, and efficient use.肥料是作物生產(chǎn)的物質(zhì)基礎，全球每年化肥農(nóng)用消費量在2億t (N+P2O5+K2O養(yǎng)分量)左右[1]，對糧食增產(chǎn)的貢獻率達40%以上[2]，在保障全球糧食安全方面發(fā)揮著不可替代的作用。尤其是近年來食品短缺人口比例大幅度提高，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估算，全球食品短缺人口總數(shù)為7.2～8.1億[3]，全球糧食安全正面臨嚴峻挑戰(zhàn)，更亟需依賴肥料的高效施用以支撐作物高產(chǎn)。我國是世界最大的化肥生產(chǎn)國和消費國，氮肥、磷肥和鉀肥的生產(chǎn)量分別占全球總量的26%、30%和14%，消費量分別占23%、21%和26%[1]，其中氮肥和磷肥產(chǎn)業(yè)不僅滿足國內(nèi)需求，而且為全球肥料供應提供了重要支撐。1980年至2020年，我國糧食單產(chǎn)和總產(chǎn)分別從2734 kg/hm2和3.2億t增長到5734 kg/hm2和6.7億t，而農(nóng)用化肥用量從1269萬t增長到5251萬t[4]，化肥的投入在糧食增產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。全國化肥試驗網(wǎng)開展的5000多個肥效試驗證明，我國化肥的增產(chǎn)率在50%左右[5]。然而，傳統(tǒng)肥料養(yǎng)分利用率低，過量施肥導致土壤退化、大氣和水體污染以及生物多樣性降低等問題[6-11]，對生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生了巨大威脅。因此，傳統(tǒng)化肥產(chǎn)品和施肥技術難以實現(xiàn)糧食安全與生態(tài)環(huán)境安全的協(xié)同，發(fā)展新型肥料產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。新型肥料研發(fā)是運用有效養(yǎng)分高效化產(chǎn)品創(chuàng)新的理論與技術，將傳統(tǒng)氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥等產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級，使其營養(yǎng)功能得到提高或使之具有新的特性和功能，或通過開發(fā)新資源、利用新理論、新方法和新技術等，開發(fā)肥料新產(chǎn)品類型，以實現(xiàn)穩(wěn)定高效、綠色增產(chǎn)、環(huán)境友好等目標[12]。當前，新型增效肥料主要包括緩/控釋肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有機肥、微生物肥料等產(chǎn)品類型。近年來，在全球尺度開展的多項Meta分析研究表明，相比于傳統(tǒng)化肥施用，不同類型的新型肥料可以在增加作物產(chǎn)量的同時，提高肥料利用率，減少養(yǎng)分損失[13-16]。盡管如此，目前市售各類新型肥料產(chǎn)品的施用效果仍存在較大不確定性，這主要是由于很多新型肥料產(chǎn)品的農(nóng)藝原理研究不足，其養(yǎng)分高效化程度依然有待提高，加之產(chǎn)品研發(fā)技術和養(yǎng)分配方未與不同類型農(nóng)作物、土壤或氣候的差異化需求實現(xiàn)精準匹配，制約了新型肥料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。新型肥料相對于傳統(tǒng)肥料而言是相對的概念，是長期處于發(fā)展過程之中的肥料，因此亟需調(diào)研新形勢下我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求和新型肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，為新型肥料的研發(fā)應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供方向。近年來，我國化肥產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級取得了積極進展，新型肥料產(chǎn)品研發(fā)水平有了明顯提高，但仍存在技術創(chuàng)新不足、資源消耗和環(huán)境排放較高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與農(nóng)業(yè)需求匹配度不高、產(chǎn)品發(fā)展方向不夠明確等問題。本文立足農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的國家重大需求和國際肥料科技前沿，通過對我國新型肥料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、總體水平和最新進展進行總結(jié)和分析，重點闡述緩/控釋肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有機肥、微生物肥料等主要新型肥料技術的創(chuàng)新與突破，闡明制約我國肥料產(chǎn)品高效應用的技術瓶頸和肥料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關鍵問題，提出適應我國養(yǎng)分資源稟賦特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)實需求的肥料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的技術途徑與對策建議。
1.1 傳統(tǒng)肥料過量施用造成資源浪費和環(huán)境污染
我國大宗化肥消費結(jié)構(gòu)的90%以上依然是傳統(tǒng)化肥產(chǎn)品，如尿素、磷銨、氯化鉀和復合肥等[12]，其中氮和磷養(yǎng)分利用率相對較低，且易損失到大氣和水體中造成環(huán)境污染。酰胺態(tài)氮肥(尿素)在氮肥消費中占比達64%，氮素易氨揮發(fā)損失，導致我國主要糧食作物(小麥、玉米和水稻)的氮肥利用率僅有26%～37%[17]。我國磷肥利用率僅有10%～20%[18-19]。磷酸二銨、磷酸一銨在磷肥中占比分別為44%和41%，由于其水溶性磷含量較高，施入土壤后易與鈣、鎂、鐵等結(jié)合形成難溶性鹽，導致磷素的有效性降低。鉀肥品種以氯化鉀和硫酸鉀為主，占比達83%，鉀肥利用率也僅有40%～50%[19]。傳統(tǒng)化肥施用模式下肥料養(yǎng)分利用率低，作物高產(chǎn)建立在肥料高投入的基礎上，通過過量施肥以保證作物養(yǎng)分充足供應的現(xiàn)象普遍存在。我國農(nóng)田氮肥和磷肥的平均施用量分別為N 191 kg/hm2和P2O5 73 kg/hm2，是世界平均水平的2.6和2.4倍[1]。因此大量化肥養(yǎng)分積累在土壤中或損失到環(huán)境中，造成了資源浪費和環(huán)境污染。我國農(nóng)田每年約有760萬t活性氮、21萬t磷以及1.3億t溫室氣體(以CO2計)排放到大氣和水體環(huán)境中(圖1)[20-25]，成為地表水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽超標、PM2.5形成以及全球變暖的重要來源，高產(chǎn)施肥的環(huán)境矛盾突顯。傳統(tǒng)肥料的局限性越來越突出，全面建立新型高效肥料產(chǎn)品體系，推動傳統(tǒng)肥料產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然要求。1.2 新型肥料是實現(xiàn)化肥減量增效的有效途徑
新型肥料的研制生產(chǎn)不僅包括養(yǎng)分增效技術和生產(chǎn)工藝創(chuàng)新，還充分考慮與農(nóng)藝措施發(fā)展匹配融合，因而是更加優(yōu)質(zhì)、高效和環(huán)保的肥料產(chǎn)品。當前我國新型肥料產(chǎn)品類型主要包括緩/控釋肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有機肥、微生物肥料等，其通過優(yōu)化養(yǎng)分供應、強化根系吸收、增強作物抗逆、調(diào)節(jié)體內(nèi)代謝等過程，獲得更高的肥料養(yǎng)分效率，協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護的矛盾。依據(jù)生產(chǎn)工藝和用途，新型肥料產(chǎn)品養(yǎng)分的高效機理不盡相同。緩/控釋肥通過減緩或控制養(yǎng)分釋放速率，最大限度的實現(xiàn)養(yǎng)分供應與作物不同生長階段養(yǎng)分需求協(xié)同，從而提高肥料的利用率并降低各種途徑的養(yǎng)分損失[26]。根據(jù)養(yǎng)分緩釋原理的不同，可將緩/控釋肥細分為包膜肥料、穩(wěn)定性肥料、脲醛類肥料等。增值肥料是將腐殖酸、海藻酸、氨基酸等生物活性增效載體與傳統(tǒng)化學肥料科學配伍，通過綜合調(diào)控“肥料–作物–土壤”系統(tǒng)改善肥效[27]。水溶肥的特點是不論固態(tài)還是液態(tài)產(chǎn)品，其所有成分必須完全水溶，以滿足噴灌、滴灌、無土栽培、葉面施肥的需求，通過水肥一體化，實現(xiàn)少量多次施肥，獲得高肥料利用率[28]。水溶肥產(chǎn)品分為大量元素水溶肥、中量元素水溶肥、微量元素水溶肥、含腐殖酸水溶肥、含氨基酸水溶肥、有機水溶肥料等。商品有機肥是將畜禽糞便、動植物殘體、農(nóng)產(chǎn)品或食品加工的廢棄物通過工廠化加工、無害化處理制成的肥料產(chǎn)品。商品有機肥解決了傳統(tǒng)有機肥養(yǎng)分含量低，運輸困難，就地消納需要很高的環(huán)境容量等問題。施用商品有機肥可為作物提供穩(wěn)定的養(yǎng)分供應，減少養(yǎng)分的環(huán)境損失，不同程度地改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤肥力，提高作物品質(zhì)[29]。微生物肥料的主要特征是添加了具有固氮、溶磷、解鉀等功能微生物菌劑，或添加了能夠通過代謝活動產(chǎn)生刺激素的有益微生物，具有促進作物利用土壤中的低有效態(tài)養(yǎng)分，或拮抗病原微生物減少作物病害發(fā)生等功能[30]。國內(nèi)外學者對各類新型肥料產(chǎn)品的農(nóng)學和環(huán)境效應開展了大量田間試驗和Meta分析，初步明確了新型肥料在降低肥料投入，提高作物產(chǎn)量和肥料利用率，減少養(yǎng)分損失等方面的潛力(表1)。相比于等養(yǎng)分常規(guī)施肥處理，施用新型肥料能夠普遍提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率，增產(chǎn)率范圍為4.6%～17.5%，氮肥利用率提高16.8%～52.3%，農(nóng)田土壤氨揮發(fā)損失量可降低7.2%～50.7%，N2O排放降低8.1%～40.8%，氮淋溶損失降低16.5%～43.8%，氮徑流損失降低22.1%～45.4%。 值得注意的是，新型肥料實現(xiàn)其最佳增產(chǎn)減排效應依賴合理的施用方法。例如，抑制劑型緩釋肥料能夠減少氮素的氨揮發(fā)和氧化亞氮排放損失，但Fan等[41]、Li等[13]和Xia等[31]研究認為，添加硝化抑制劑的肥料促進了9%～29%的氨揮發(fā)。因此，新型肥料施用不當也存在降低作物產(chǎn)量或促進土壤養(yǎng)分環(huán)境損失的風險。因此，需要研究不同作物、土壤、氣候條件下新型肥料適宜的產(chǎn)品，有針對性地進行肥料增效技術的改良創(chuàng)新。我國新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
肥料產(chǎn)業(yè)始終伴隨著肥料產(chǎn)品的創(chuàng)新轉(zhuǎn)型升級，依據(jù)肥料產(chǎn)品的性狀，肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大致分為4個發(fā)展階段：1)初始階段，養(yǎng)分濃度低且有效性較差，主要產(chǎn)品有草木灰、骨粉或磷礦粉等；2)低濃度階段，生產(chǎn)技術簡單且養(yǎng)分含量僅在14%～25%，主要產(chǎn)品有氨水、碳銨、過磷酸鈣等；3)高濃度階段，養(yǎng)分濃度一般在40%以上，但存在養(yǎng)分易損失等缺點，主要產(chǎn)品有尿素、磷銨、氯化鉀和高濃度復合肥等；4)綠色高效階段，肥料產(chǎn)品具有養(yǎng)分高效、功能多元、環(huán)境友好等特點，代表性產(chǎn)品包括緩/控釋肥料、水溶肥料、微生物肥料等[12]。自20世紀50年代起，肥料產(chǎn)業(yè)逐漸從傳統(tǒng)肥料品種向新型肥料過渡[53]。歐美等發(fā)達國家率先開展了新型肥料產(chǎn)品的研發(fā)和在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用，美國最早研制硫包膜和聚合物包膜肥料，隨后日本、德國等相繼研發(fā)出生物易降解材料包膜、混合物包膜肥料[54-57]。德國的硝化抑制劑產(chǎn)品DMPP、美國的脲酶抑制劑產(chǎn)品NBPT等已在全球農(nóng)業(yè)中廣泛應用[58-59]。水肥一體技術最成熟、應用面積最大的是美國，以色列水溶肥市場占有率最高，達到90%[60]。全世界有70多個國家生產(chǎn)和推廣使用微生物肥料，歐美發(fā)達國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中微生物肥料的使用率在20%以上，美國和巴西大豆根瘤菌接種率達到95%以上[61-62]。我國新型肥料研發(fā)較晚，2000年以后，肥料新產(chǎn)品研究被列入國家863計劃、科技支撐計劃、重點研發(fā)計劃、成果轉(zhuǎn)化基金項目等給予重點支持。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2015年印發(fā)的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》指出，通過調(diào)整化肥使用結(jié)構(gòu)，大力推廣高效環(huán)保的新型肥料，使化肥利用率達到40%以上。同年，工業(yè)和信息化部印發(fā)的《關于推進化肥行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的指導意見》中指出要大力發(fā)展新型肥料，提出“到2020年我國新型肥料使用量占化肥總使用量的比重從不到10%提升到30%”。這些政策的實施有效促進了新型肥料技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我國已成為全球新型高效肥料研發(fā)的熱點國家。據(jù)趙秉強等[12]研究，我國當前正處于由高濃度化肥階段向綠色高效肥料階段轉(zhuǎn)變的關鍵時期，特別是隨著我國“雙碳”和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實施，推動了綠色肥料產(chǎn)業(yè)體系建設和快速發(fā)展的過程。筆者基于中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫，以“新型肥料”、“緩控釋肥”、“穩(wěn)定性肥料”、“增值肥料”、“水溶肥”、“商品有機肥”、“微生物肥料”及其它相關的24個變種主題詞進行檢索，以年代范圍2000—2022年精煉獲得24502篇相關文獻，并將所有文獻記錄導入VOSviewer軟件中進行研究領域關鍵詞聚類分析。從所有新型肥料相關研究的關鍵詞(關鍵詞共現(xiàn)頻次≥30)聚類網(wǎng)絡(圖2)中可以看出，我國緩/控釋肥的研究起步較早且研究較多，商品有機肥和微生物肥料研究側(cè)重于生物有機肥的研究，水溶肥的研究主要與水肥一體化技術結(jié)合較多，而增值肥料的研究相對較少，在新型肥料整體研究領域中尚未形成明顯的聚類。新型肥料的應用作物研究涵蓋了糧食作物、蔬菜、果樹和經(jīng)濟作物，水稻、玉米和小麥等主糧作物是主要研究對象。 新型肥料肥效研究主要集中在作物產(chǎn)量、經(jīng)濟效益和品質(zhì)指標3個方面。近年來，研究人員利用Meta分析方法對緩/控釋肥料和有機肥料的農(nóng)學和環(huán)境效應的大量研究結(jié)果開展了系統(tǒng)的整合分析，基本肯定了其作物增產(chǎn)、養(yǎng)分增效和環(huán)境減排的潛力，而對水溶肥、微生物肥料、增值肥料等的增效機理和環(huán)境效應尚缺乏系統(tǒng)研究。國內(nèi)科研機構(gòu)和肥料企業(yè)在低成本、環(huán)保型緩/控釋肥膜材和增效肥料載體研發(fā)、微生物高效菌株篩選、水溶肥核心磷原料生產(chǎn)技術等方面開展了大量基礎性和前瞻性的工作，為我國新型肥料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎。目前，我國已初步建立了新型增效肥料的理論、技術和產(chǎn)品體系，緩/控釋肥料、穩(wěn)定性肥料、脲醛類肥料、增值肥料等綠色高效肥料產(chǎn)品已經(jīng)初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2.1 緩/控釋肥料
緩/控釋肥可根據(jù)作物需求規(guī)律緩慢釋放養(yǎng)分，實現(xiàn)一次性施肥滿足整個生長期的需求，是輕簡化施肥技術的重要載體[63]，已成為我國新型肥料發(fā)展的主導方向。我國緩/控釋肥技術發(fā)展主要歷經(jīng)了3個階段：第一階段是始于20世紀70年代，開始探索研究長效肥料、脲甲醛肥料等緩釋肥料；第二階段是1980—2000年期間，小規(guī)模量產(chǎn)包裹型緩釋肥和熱塑型樹脂包衣；第三階段是2000年至今，實現(xiàn)了多種緩/控釋肥產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，并出口海外[64-65]。目前我國包膜緩釋肥料技術經(jīng)過引進、集成和創(chuàng)新，整體上已達到國際先進水平，在大田作物的應用技術領域達到國際領先水平。從緩/控釋肥相關研究的關鍵詞聚類網(wǎng)絡圖(附圖1)來看，緩/控釋肥的研究主要集中在控釋肥料包膜材料的研究和穩(wěn)定性肥料的抑制劑研究上，而脲醛類緩釋肥料的研究相對較少。高效環(huán)保包膜材料研發(fā)取得了突破性進展，許秀成等[66]研制出以鈣鎂磷肥、酸化磷礦粉、磷酸銨鉀為包裹層的肥包肥型復合緩/控釋肥料，在控制核心氮素釋放的同時，包裹層含有的鉀、鈣、鎂、硅等元素也起到促進作物生長、改善土壤結(jié)構(gòu)的作用。Xie等[67]模仿荷葉特有的超疏水微納米級凸起結(jié)構(gòu)，利用磁性自組裝方法制備包覆“空氣外衣”的超疏水生物基控釋肥料，液態(tài)水不能直接浸潤其膜殼，只能以水蒸氣擴散的方式緩慢進入，其養(yǎng)分控釋期延長了約1倍，極大地增強了養(yǎng)分的全生育期供應能力。此外纖維素改性包膜材料、油脂改性包膜材料、改性水基聚合物包膜材料等的研發(fā)大幅度降低了緩/控釋肥的成本，并提高了環(huán)保性。在穩(wěn)定性肥料技術方面，研制開發(fā)出同時含有多種脲酶抑制劑和硝化抑制劑的尿素，解決了單一抑制劑作用時間短、氮肥轉(zhuǎn)化釋放過快的問題[68]。在植物源新型抑制劑的開發(fā)上取得進展，發(fā)現(xiàn)芳香植物水浸提液和水稻根系分泌物等具有良好的脲酶或硝化抑制效果，對安全、高效、環(huán)境友好、來源充足的新型抑制劑研發(fā)具有重要意義[69-70]。在生產(chǎn)工藝上，建立了無溶劑原位表面反應包衣控釋技術工藝、水基樹脂控釋等技術工藝，實現(xiàn)控釋肥生產(chǎn)過程的無溶劑、零排放，大大減少了環(huán)境污染。根據(jù)Orbit全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫獲取的不同國家專利統(tǒng)計結(jié)果，我國獲得的緩/控釋肥產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)工藝相關專利達3135項，遠超其它國家。在自動化連續(xù)化生產(chǎn)設備方面取得重大進展，創(chuàng)建了樹脂包膜、硫包膜、復合材料多層包膜工藝的控釋肥料大規(guī)模生產(chǎn)線，產(chǎn)能大幅度提升。我國已成為世界最大緩/控釋肥生產(chǎn)和消費國，樹脂包膜尿素、硫包膜尿素、包裹型肥料、有機質(zhì)包膜緩釋肥料年產(chǎn)量分別達50萬、10萬、15萬和10萬t，各類脲醛肥料年產(chǎn)量20萬t，每年應用面積約330萬hm2 (0.5億畝)，增產(chǎn)8～10億kg，節(jié)氮3～5萬t。
2.2 增值肥料
增值肥料利用有機生物活性增效載體(腐殖酸、海藻酸、氨基酸等)與氮、磷、鉀傳統(tǒng)化肥科學配伍后，通過調(diào)控肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放、轉(zhuǎn)化、移動、固定等過程，優(yōu)化肥料的供肥性，從而提高肥料利用率[27]。傳統(tǒng)腐殖酸或海藻酸肥料，以腐殖酸或海藻酸為主要原料，通過摻入無機肥料制成，但載體活性相對較低、用量大，難以與化肥大型生產(chǎn)裝置結(jié)合，存在產(chǎn)能低、成本高和產(chǎn)業(yè)化推廣難度大等問題[71-72]。趙秉強[73-74]通過腐殖酸結(jié)構(gòu)性優(yōu)化、海藻濃縮提取、氨基酸組合加工等技術，開發(fā)高活性、專用型增效載體，將增效載體添加量控制在5‰以內(nèi)，尿素、磷銨、復合肥等大型生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)與增效載體添加一次完成，突破了增值肥料生產(chǎn)普遍存在的二次加工、產(chǎn)能低、成本高的技術短板[27]。研發(fā)的增值尿素、增值磷銨和增值復合肥等產(chǎn)品具有顯著促進根系生長，抑制土壤脲酶活性，降低氨揮發(fā)損失，改善磷、鉀養(yǎng)分供應等效應[75-77]，已發(fā)展成為全球產(chǎn)量最大的綠色肥料產(chǎn)品類型，年產(chǎn)量1500萬t，應用面積約3000萬hm2 (4.5億畝)，增產(chǎn)100億kg，推動了我國綠色肥料發(fā)展由長期跟蹤國外轉(zhuǎn)向自主創(chuàng)新引領，為尿素、磷銨等大宗化肥產(chǎn)品綠色轉(zhuǎn)型升級提供科技支撐[27]。
2.3 水溶肥料
水溶肥泛指全部成分可溶于水的復合肥，可以全部是氮磷鉀化肥或中微量元素肥料，也可以是含水溶性有機小分子的肥料。水溶肥是水肥一體化技術不可或缺的肥料類型，全球水溶性肥料總消費量約為800萬t，在發(fā)達國家主要用于大田作物、園林景觀綠化植物和高爾夫球場的灌溉施肥及葉面施肥等[78]。水肥一體技術最成熟、應用面積最大的是美國，水溶肥達到化肥市場總量的40%，美國25%的玉米、60%的馬鈴薯、33%的果樹均應用了水肥一體化技術，而以色列由于缺水是水溶肥和水肥一體技術利用率最高的國家，90%以上的農(nóng)田采用灌溉施肥，溫室作物全部采用灌溉施肥系統(tǒng)[28, 78]。我國水溶肥產(chǎn)業(yè)起步于20世紀80年代中后期[79]，其發(fā)展歷程主要分為3個階段：1)初步形成階段，以溶解性及配伍性好的無機鹽類為原料配制葉面肥，養(yǎng)分種類少、濃度低、應用效果不穩(wěn)定；2)初步發(fā)展階段，隨著對葉面營養(yǎng)機理研究深入，葉面肥產(chǎn)品中開始添加中微量元素及螯合劑和表面活性劑等助劑，養(yǎng)分種類、養(yǎng)分濃度和吸收效率得到較大提升。由于節(jié)水灌溉施肥技術發(fā)展滯后，水溶肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢；3)快速發(fā)展階段，隨著噴灌、滴灌和無土栽培等技術的快速發(fā)展，帶動了水溶肥料的生產(chǎn)。在水溶肥中加入氨基酸、腐殖酸、海藻酸等有機活性物質(zhì)，水溶肥功能走向多元化。從近20年水溶肥相關研究的關鍵詞聚類網(wǎng)絡圖(附圖2)也可以看出，我國的水溶肥研究中大量元素水溶肥、中微量元素水溶肥、氨基酸水溶肥、腐殖酸水溶肥以及有機水溶肥各領千秋。張從軍等[80]利用粗磷酸螯合處理形成的磷酸一銨溶液，與尿素、氯化鉀、硫酸鎂溶液以及腐殖酸溶液等配伍，制備了含海藻酸提取物的大量元素全水溶性液體肥料。豆亞妮等[81]利用微生物發(fā)酵技術從糠醛渣中提取腐殖酸，通過與大量、中量、微量元素化合物進行鰲合，制成螯合態(tài)腐殖酸水溶肥。隨著我國各類水溶肥料產(chǎn)品及其檢測標準陸續(xù)頒布，水溶肥料登記產(chǎn)品數(shù)量快速增加，水溶肥相關專利申請達3148項。據(jù)中國化工信息中心統(tǒng)計，我國水溶肥料年產(chǎn)量約410萬t，水溶肥及水肥一體技術的推廣應用面積約1000萬hm2 (1.5億畝)，主要應用于西北的棉花、玉米和馬鈴薯，華北的蔬菜、玉米和小麥，西南的馬鈴薯、蔬菜和水果等作物上。在水溶肥生產(chǎn)工藝技術上，突破了磷酸氨化過程復合螯合和固體肥料級聚磷酸銨(APP)聚合分布可控制備與工藝，創(chuàng)制了原位螯合水溶性磷酸一銨和肥料級固體APP等產(chǎn)品，具有成本低、溶解度高、螯合能力強、配伍性好等特點。雖然在國內(nèi)高端水溶肥市場中，來自以色列、美國等國的進口產(chǎn)品仍占據(jù)較高的市場份額，但隨著我國水溶肥和水肥一體技術的持續(xù)推進，進口水溶肥市場占有率正在逐步減少[28]。
2.4 商品有機肥
有機肥原料來源豐富，包括畜禽糞尿、農(nóng)業(yè)廢棄物、沼液沼渣、海洋養(yǎng)殖業(yè)廢棄物、泥炭、綠肥、工業(yè)廢棄物、餐廚垃圾等，其替代化肥的潛力巨大。以畜禽糞尿為例，我國畜禽糞尿總量達31.6億t，所含氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)養(yǎng)分資源總量分別達到1478萬、901萬和1454萬t，如果按75%還田，考慮養(yǎng)分損失后，其養(yǎng)分輸入量分別占氮、磷和鉀肥用量的34%、80%和57%[82]。新型商品有機肥技術主要包括無害化處理技術、快速發(fā)酵技術、除臭技術、有機無機肥配伍技術、造粒工藝等。商品有機肥克服了有機肥原料養(yǎng)分含量低、運輸成本高、施用量大等缺點，提升了農(nóng)民使用的意愿，促進了商品有機肥的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。基于有機肥相關研究的關鍵詞聚類網(wǎng)絡圖(附圖3)分析，近年來商品有機肥研究主要聚焦生物有機肥、有機無機復合/混肥等高效有機肥產(chǎn)品研發(fā)和應用，研究重點關注了有機替代實現(xiàn)化肥減量增效，生物有機肥優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)緩解連作障礙的機理等。最具代表性的當屬沈其榮等提出的全元生物有機肥產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有滿足當季作物養(yǎng)分需求、顯著抑制土壤酸化、有效調(diào)控土壤微生物區(qū)系、持久性提高土壤肥力等功能，實現(xiàn)了作物當季高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、持續(xù)保育土壤的雙重目標，在生物有機肥與土壤熏蒸聯(lián)合防控土傳病害綜合技術方面取得突破，對防治黃瓜、西瓜和香蕉等作物枯萎病效果顯著[83-84]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》、《畜禽糞污資源化利用行動方案(2017—2020年)》等相關政策的出臺，推動了我國有機肥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。目前，全國有機肥生產(chǎn)企業(yè)約3700家，有機肥相關專利數(shù)達到2萬余項。商品有機肥施用量為957萬t，其中精制有機肥318萬t，有機無機復混肥料422萬t，生物有機肥151萬t[85]。
2.5 微生物肥料
微生物肥料不同于其他肥料類型，不以為作物直接提供養(yǎng)分為目的，主要功效是促進養(yǎng)分吸收與利用，調(diào)控作物生長，增強植株抗逆性和抗病性，改良和修復土壤功能[86-90]。微生物肥料通常利用固氮菌株加強土壤–作物體系的生物固氮能力[91-92]；利用溶磷菌株代謝產(chǎn)生的磷酸酶、核酸酶等生物酶或草酸、琥珀酸、乳酸等有機酸，分解土壤中的難溶性磷酸鹽，提高作物對土壤固定磷素的利用效率[93-94]；利用解鉀細菌分泌乙酸、酒石酸、草酸等有機酸，將難溶礦物質(zhì)中的鉀元素釋放出來，提高土壤礦物鉀的生物有效性[95-96]。有機物料腐熟劑可提高還田作物秸稈或畜禽糞肥的腐解速率，解決自然條件下腐解速度慢、肥效低等問題[97]。全世界有70多個國家生產(chǎn)和推廣使用微生物肥料，歐美發(fā)達國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中微生物肥料使用率在20%以上，美國和巴西大豆根瘤菌接種率達到95%以上[61-62]。21世紀以來我國微生物肥料技術取得了長足發(fā)展，微生物肥料使用的菌種不斷增加，功能得到拓展，施用面積逐年增加。從微生物肥料相關研究的關鍵詞聚類網(wǎng)絡圖(附圖4)來看，我國微生物肥料的研究主要集中在高效固氮、解磷以及功能性菌劑的鑒定，有機肥與功能菌株配合生產(chǎn)生物有機肥技術，“肥藥兼效型”復合微生物肥料的研究。中國農(nóng)業(yè)大學根瘤菌研究中心建成了國際上根瘤菌數(shù)量和宿主種類最多的根瘤菌資源庫，并鑒定識別了一批耐低溫鹽堿等逆境條件的菌株[98]。隨著功能菌株收集和鑒定數(shù)量的增加，多功能菌群組合技術研究逐漸深入，特別是利用高通量技術在基因組學平臺上篩選和構(gòu)建高效微生物肥料菌株手段不斷進步，促進了復合微生物肥料的開發(fā)。中國農(nóng)業(yè)科學院、中國農(nóng)業(yè)大學等單位篩選和構(gòu)建了適應不同作物秸稈類型、不同地域、不同應用條件的多個高效秸稈腐解復合菌系，為不同功能菌種的組配和協(xié)同增效提供了一條有效途徑[61]。目前，我國微生物肥料生產(chǎn)企業(yè)達3500余家，登記微生物肥料產(chǎn)品超過10000個，年產(chǎn)量約3000萬t，應用面積達3300萬hm2 (5億畝)[99]，相關專利申請達6010項。 我國新型肥料高質(zhì)量發(fā)展存在的問題
3.1 新型肥料行業(yè)起步晚，缺乏原創(chuàng)核心技術
我國各類新型肥料產(chǎn)品研發(fā)的起步階段普遍晚于發(fā)達國家30～50年。美國早在1924年就研究開發(fā)了脲醛肥料，獲得世界首個緩/控釋肥料專利[100]，荷蘭和美國科學家在19世紀90年代就完成了固氮根瘤菌的菌株純化分離和商業(yè)化應用，開創(chuàng)了微生物肥料產(chǎn)業(yè)的先河。而我國最早的緩釋肥料—碳酸氫銨粒肥直到20世紀60年代末才研制成功[100]，20世紀40年代才開始根瘤菌接種劑的研究與田間應用[30, 101]，國內(nèi)水溶肥的研究和開發(fā)相比其他新型肥料更晚，美國ECO-GREEN和英國翠苒等進口產(chǎn)品占據(jù)了國內(nèi)高端水溶肥市場的主導地位[28]。經(jīng)過幾十年的技術引進、消化吸收和自主研發(fā)，我國肥料行業(yè)在理論基礎、應用技術及生產(chǎn)工藝等方面取得了長足進步，但關鍵技術和理論幾乎全部來自歐、美、日等發(fā)達國家。目前我國生產(chǎn)的標志性包膜控釋肥類型幾乎都由國外研發(fā)。硫包膜尿素為20世紀60年代美國田納西流域管理局國家肥料發(fā)展中心研制[54]，由于工藝成熟、膜材便宜，至今依然是包膜控釋肥中生產(chǎn)量和銷售量最大的品種[57]。美國Sierra Chemical公司生產(chǎn)的Osmocote肥料是熱固性樹脂類包膜肥料的代表產(chǎn)品。日本在控釋肥料研究上的突破得益于包膜材料上的創(chuàng)新，窒素公司生產(chǎn)的Nutricote和Meister肥料是熱塑性樹脂類包膜肥料的代表產(chǎn)品，也是發(fā)展最快的緩/控釋肥料品種之一。我國肥料新產(chǎn)品多為跟蹤和模仿，缺少原創(chuàng)技術。國內(nèi)穩(wěn)定性肥料的研究和應用主要集中在抑制劑的配伍和效果，抑制劑毫無例外地使用國際上比較成熟的雙氰胺(DCD)、3, 4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)等硝化抑制劑產(chǎn)品以及N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、氫醌(HQ)等脲酶抑制劑產(chǎn)品[68]。美國、巴西是功能生物肥料技術領先的國家，我國功能生物肥料雖然發(fā)展迅速，但在功能肥料品種研究、發(fā)酵技術、高效菌種的創(chuàng)建等關鍵技術仍有一定差距。不可否認，我國各類新型肥料有自己的特點，部分產(chǎn)品在養(yǎng)分控制、肥效等方面也與國際先進水平相當，但在包膜材料、膠結(jié)材料和酶抑制劑、水溶肥添加劑等領域尚未取得重大突破，在國際上缺乏具有核心競爭力的獨創(chuàng)產(chǎn)品。發(fā)達國家的新型肥料產(chǎn)品研發(fā)集中在企業(yè)，在肥料增效新材料創(chuàng)制、大田效果試驗方面投入大量人力、物力、財力和時間，而我國肥料產(chǎn)業(yè)存在重應用、輕研究的問題，新型肥料的增效機理研究相對薄弱，農(nóng)藝原理和技術在工業(yè)生產(chǎn)端應用研究不足，產(chǎn)品往往未經(jīng)大面積試驗研究便急于推向市場，導致實際施肥效果達不到預期。這一現(xiàn)象尤以微生物肥料為重，多種微生物組合的作用機制研究嚴重欠缺，限制了相關功能菌株的挖掘和高效應用[102]。研究成果轉(zhuǎn)化階段也凸顯關鍵技術儲備不足的問題。一些肥料新產(chǎn)品在實驗室或小試設備上完成了研發(fā)和試制，并取得良好的效果，但在中試、生產(chǎn)大型化等成果轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)工藝技術不過關、產(chǎn)品質(zhì)量不達標、增效載體失活、設備不匹配等現(xiàn)象。例如穩(wěn)定性肥料主要用于生產(chǎn)復合肥，目前亟待突破氮肥抑制劑的保活添加工藝，以減輕復合肥料生產(chǎn)中因高溫導致穩(wěn)定性肥料抑制劑失活的問題。目前，我國各類新型肥料通過引進和集成創(chuàng)新實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，新型肥料產(chǎn)量已經(jīng)走在了世界的前列，但由于起步較晚，產(chǎn)品仍缺乏領先的核心技術，創(chuàng)新能力依然較弱，涉及重大自主知識產(chǎn)權(quán)的技術較少，亟待新型肥料科學的持續(xù)創(chuàng)新與突破。
3.2 肥料特性與農(nóng)業(yè)需求的多樣性匹配度不高
我國不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的資源稟賦與種植制度復雜多樣，各區(qū)域農(nóng)田管理措施的不同，加劇了與之匹配的新型高效肥料產(chǎn)品開發(fā)和高效應用的困難程度，以致某些新型肥料產(chǎn)品在不同區(qū)域土壤和作物上表現(xiàn)出差異化的應用效果。張蕾等[42]在全國7大區(qū)域的大田試驗結(jié)果表明，穩(wěn)定性肥料在不同區(qū)域的增產(chǎn)效果變異較大(5.0%～16.3%)，提出土壤養(yǎng)分含量和pH是影響穩(wěn)定性肥料肥效的主要因素。Ding等[50]的研究表明，有機肥替代化肥可以提高長江中下游和華南地區(qū)的早、中、晚稻產(chǎn)量，但對東北地區(qū)一季稻的增產(chǎn)效果不顯著，提出溫度是影響有機養(yǎng)分釋放的關鍵因素。Li等[13]在全球尺度的Meta分析發(fā)現(xiàn)，包膜緩/控釋肥在蔬菜上的增產(chǎn)率為7.1%，在水稻上的增產(chǎn)率為4.7%，而在小麥/玉米體系上無顯著增產(chǎn)效果，說明單一化的包膜養(yǎng)分控釋技術不能與所有作物的養(yǎng)分需求特征相匹配。而對于微生物肥料的施用效果，Schütz等[16]的研究表明，氣候和功能菌群是主要影響因素，干旱氣候下微生物肥料的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于大陸性氣候(20.0% vs 8.5%)。Verlinden等[43]的研究表明，腐殖酸肥料在番茄上的增產(chǎn)率為17%，但在玉米上增產(chǎn)效果不顯著，甚至有減產(chǎn)的風險。以上研究均證明，如果肥料產(chǎn)品的特性與土壤、作物條件變化或其他栽培技術更替的匹配性不足，就很難達到預期的增產(chǎn)、增效或增收效果。不同的作物養(yǎng)分需求規(guī)律不同，需要配施不同養(yǎng)分供應特性的肥料產(chǎn)品，而且需要結(jié)合特定的土壤和氣候條件才能夠高效地供應養(yǎng)分，而目前以農(nóng)業(yè)差異化需求為導向的肥料生產(chǎn)市場和供應體系并不完善，市面上新型肥料產(chǎn)品的作物和區(qū)域針對性缺乏，且缺乏科學的施用指導，導致部分肥料品種田間應用效果不佳[103]。總之，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際需求的多樣性決定了新型肥料產(chǎn)品研發(fā)和應用必須因地制宜，才能真正實現(xiàn)高產(chǎn)高效。
3.3 新型肥料施肥技術與裝備有待提升
高效施肥技術在測土配方施肥、精準施肥、輕簡智能施肥等方向取得了長足進展[104-106]。這些推薦施肥技術主要以傳統(tǒng)化學肥料為研究對象，針對不同作物提出了施肥量、施肥時期和施肥位置等關鍵施肥技術參數(shù)，是基于傳統(tǒng)肥料產(chǎn)品的養(yǎng)分供應特征開展的系統(tǒng)研究。相比于傳統(tǒng)化肥產(chǎn)品，新型肥料通過控制養(yǎng)分釋放和轉(zhuǎn)化過程或通過功能微生物促進土壤養(yǎng)分釋放等方式提高了養(yǎng)分利用效率，因此其養(yǎng)分供應過程存在較大變異，傳統(tǒng)的高效施肥技術并不能完全套用在新型肥料上。在施肥技術難以匹配不同肥料養(yǎng)分的差異化供應特征的情況下，很多新型肥料產(chǎn)品并沒有發(fā)揮出增產(chǎn)效果，還直接增加了農(nóng)民在化肥方面的支出，降低了農(nóng)民的認同感和購買使用意愿。與新型肥料特性相匹配的施肥技術仍待發(fā)展完善，如果不能持續(xù)突破各類新型肥料的高效施肥技術瓶頸，施肥技術將成為新型肥料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的障礙。機械化施肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢，通過機械深施、滴灌施肥、種肥同播等機械化、自動化、智能化施肥方式達到科學精準施肥，是節(jié)約勞力、保肥增效的關鍵措施。歐美等發(fā)達國家由于工業(yè)起步早，對施肥機械的研究較系統(tǒng)深入，針對肥料種類和特性的不同，形成了一套完整的施肥機械裝備體系，主要分為固態(tài)化肥施肥機、固態(tài)廄肥施肥機、液態(tài)化肥施肥機、液體廄肥施肥機等[107]。我國施肥機械化發(fā)展比較迅速，從撒肥機到智能變量施肥機，從粗放的施肥方式到精細化作業(yè)，我國的施肥機械化有了長足的進步和發(fā)展[108-109]。然而，目前整個肥料的生產(chǎn)和施用過程仍是肥料生產(chǎn)適應施肥機械的模式為主，肥料產(chǎn)品與施肥機械、農(nóng)藝間的匹配嚴重不足。不同肥料的劑型包括顆粒狀、粉狀、液態(tài)狀等，當前我國施肥機械化技術和裝備的整體水平能夠滿足以顆粒狀為主的傳統(tǒng)化肥的施肥作業(yè)要求，對于顆粒狀的包膜肥、穩(wěn)定性復合肥、脲醛肥料、增值肥料等新型肥料也基本能夠滿足其施肥作業(yè)需求。然而，對于粉狀、液態(tài)狀等其他性狀的新型肥料產(chǎn)品，在機械化施肥裝備的研發(fā)和應用的過程中仍存在很多困難和瓶頸。對于微生物肥料，特別是一些農(nóng)用微生物菌劑，如根瘤菌菌劑、光合細菌菌劑、有機物料腐熟劑等，其產(chǎn)品多是粉狀形態(tài)，而適用于粉狀肥料的相關配套施肥裝備的研發(fā)在國內(nèi)仍處于起步階段，由于缺乏合適的施肥機械目前仍以人工撒施為主。我國有機肥施用機械化普及度不高，農(nóng)家肥的施用基本還停留在人工撒施階段[110]。由于有機肥養(yǎng)分含量低，產(chǎn)品密度小，即使加工成精制商品有機肥，其等養(yǎng)分投入下的體積仍是復合肥的30倍左右，因此常規(guī)施肥裝備難以用于商品有機肥的機械化施肥作業(yè)，而且有機肥粉狀的肥效要優(yōu)于顆粒，但是缺少專業(yè)的施肥機械，也不得不做成顆粒便于人工撒施，這也是導致有機肥施用效率降低和成本投入增加的主要原因[111]。我國水溶肥相對于國外使用時間較晚，相應的施肥裝備發(fā)展歷程較短，但由于近年來經(jīng)濟作物和設施農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，水肥一體化技術裝備處于快速發(fā)展階段，目前智能化和數(shù)字化的水肥一體化裝備還十分欠缺，難以根據(jù)作物生長發(fā)育期與氣象要素的關系判斷養(yǎng)分需求，做到實時精準供肥，以降低肥料投入成本，另外，利用低空無人機搭載水溶肥進行作物關鍵生育期追肥也是發(fā)揮水溶肥優(yōu)勢的關鍵發(fā)展方向，但目前市場規(guī)模較小，具有較大發(fā)展空間。近年來，施肥裝備技術研究多集中在機械深施、種肥同播、變量施肥等熱點技術方面，而這些研究大多只局限于關鍵技術或關鍵部件方面，針對整體施肥裝備統(tǒng)籌考慮的較少，更缺少針對不同新型肥料特性在生產(chǎn)中成熟可用的機具[107]。因此，亟需開展面向未來農(nóng)業(yè)肥料新產(chǎn)品和施肥技術的前瞻性施肥機械和裝備研究。
3.4 肥料監(jiān)管薄弱，市場發(fā)展混亂
肥料作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，其質(zhì)量和安全關系重大。長期以來，我國肥料養(yǎng)分含量不足、有毒有害物質(zhì)超標、隨意添加違規(guī)成分、隱性風險成分不可預見、假冒偽劣產(chǎn)品屢禁不止、包裝標識不規(guī)范、故意夸大宣傳等產(chǎn)品質(zhì)量及安全問題屢見不鮮。通過對全國7個區(qū)域236個商品有機肥生產(chǎn)企業(yè)開展隨機調(diào)查和取樣，分別對有機質(zhì)、總養(yǎng)分、酸堿度及含水量技術指標進行了檢測和統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，整體有機肥質(zhì)量技術指標合格率僅為20.3%[112]。然而，我國尚無一部專門規(guī)范和指導肥料生產(chǎn)經(jīng)營和使用行為的法律法規(guī)，這與我國作為世界最大的肥料生產(chǎn)國和消費國的地位極不相稱。農(nóng)業(yè)部門開展肥料執(zhí)法監(jiān)管的法律依據(jù)薄弱，有關依據(jù)只有農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2000年發(fā)布的《肥料登記管理辦法》，其為規(guī)范肥料行業(yè)的發(fā)展做出了貢獻。但是，肥料登記管理制度法律地位不高，只對肥料新產(chǎn)品進行登記管理，對存在質(zhì)量問題的假劣肥料無法進行管理，對肥料價格、肥料市場調(diào)劑指導等更無依據(jù)實施管理，導致肥料管理和執(zhí)法處于一種半空白狀態(tài)。因此，迫切需要提高肥料登記管理的法律定位，推進肥料立法，從而規(guī)范肥料市場，推動肥料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。我國肥料的生產(chǎn)、流通、進口分別歸屬不同部門監(jiān)管，各監(jiān)管部門職責存在交叉和空白，由于缺乏信息共享平臺和協(xié)同配合的聯(lián)動工作機制，導致肥料監(jiān)管力度不足。同時我國肥料產(chǎn)業(yè)標準尚未形成統(tǒng)一完善的標準體系。由于相關的監(jiān)管部門根據(jù)各自需求制定相關的標準，各自發(fā)布了多項國家標準和行業(yè)標準，如國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會主管的GB和GB/T系列國家標準，工業(yè)和信息化部主管的HG/T化工行業(yè)標準，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布的NY/T農(nóng)業(yè)行業(yè)標準，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局主管的SN/T出入境行業(yè)檢驗檢疫標準等。目前關于緩/控釋肥料、水溶肥料、穩(wěn)定性肥料、脲醛肥料、腐殖酸肥料、有機–無機復混肥料等一系列新型肥料的國家標準、行業(yè)標準已經(jīng)陸續(xù)頒布實施，但是由于標準的制定部門不同，部分標準存在交叉、重復甚至不一致的情況。比如腐殖酸類肥料有8個產(chǎn)品9個標準，各標準中的術語、定義及計算方法均存在不一致情況。而且一些新型肥料相關標準尚未完善，如水溶肥廣泛運用于水肥一體技術，但目前與水溶肥配套的滴灌系統(tǒng)技術標準缺失。標準缺少或不統(tǒng)一等問題阻礙了新型肥料產(chǎn)品生產(chǎn)、流通和使用的有效監(jiān)管，不利于新型肥料產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。
施肥主體存在利益矛盾，農(nóng)民施肥關心收益，而國家關注糧食安全和生態(tài)環(huán)境保護。因此，需要通過肥料科技創(chuàng)新，大力發(fā)展養(yǎng)分效率高、環(huán)境友好型的肥料，將農(nóng)民利益和國家利益統(tǒng)一起來。隨著農(nóng)業(yè)資金投入的大幅增加和農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營進程加快，對肥料產(chǎn)品和施肥技術提出了新的要求，這也是肥料產(chǎn)業(yè)技術進步和創(chuàng)新發(fā)展的新機遇和挑戰(zhàn)[113]。為推動新型肥料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，肥料產(chǎn)品研發(fā)將以綠色增產(chǎn)為主要目標，在滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對肥料產(chǎn)品性能的關鍵需求的基礎上，肥料增效技術途徑向高效化、專用化、功能化、精準化和低碳化等方向綜合發(fā)展，更加重視學科交叉與融合、產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)結(jié)合[114]。
4.1 肥料研發(fā)應用以農(nóng)業(yè)需求為導向
傳統(tǒng)肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展由工業(yè)生產(chǎn)主導，主要關注產(chǎn)品規(guī)模及養(yǎng)分濃度等問題，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分結(jié)構(gòu)單一、與作物–土壤–氣候匹配性差、養(yǎng)分利用效率低，難以高效地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求，導致環(huán)境污染、耕地質(zhì)量下降、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低等問題。隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織的改革與完善，適應農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的肥料將會成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向[19]。農(nóng)業(yè)的需求特征與不同區(qū)域土壤、種植體系、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、施肥技術與裝備以及經(jīng)濟社會發(fā)展條件等因素密切相關，因此肥料的供應需求也呈多元化。1)我國氣候環(huán)境、土壤類型、作物種類、種植模式復雜多樣，區(qū)域尺度變異性大，要求肥料養(yǎng)分供應規(guī)律與其匹配。糧食作物生產(chǎn)可在優(yōu)化大量元素配比的基礎上結(jié)合中微量元素添加，走資源全量化利用路線，且注重養(yǎng)分速效與緩效的協(xié)同。設施栽培的蔬菜瓜類、重要經(jīng)濟作物及西北嚴重干旱缺水的大田糧油作物生產(chǎn)適用水肥一體化技術，要求配施“高濃度、水溶性、均衡營養(yǎng)、配伍高穩(wěn)定性”的新型水溶性肥料產(chǎn)品。同時，肥料供應需要適應區(qū)域特點，例如東北地區(qū)的玉米等糧食作物生產(chǎn)以機械化一次性施肥為主，迫切需要研發(fā)非水溶性、多養(yǎng)分元素共存、養(yǎng)分釋放周期長且適用于機械施肥裝備的新型緩/控釋肥料品種，而且緩/控釋肥包膜材料的設計和研發(fā)需要滿足旱田和水田等不同土壤條件。西北、東北等干旱寒冷區(qū)域在有機物料還田情況下，應重視研發(fā)應用具有抗旱、耐低溫特性的有機物料腐熟菌劑等特色微生物菌劑產(chǎn)品[99]。北方石灰性土壤通常缺乏微量元素鐵和鋅，而南方酸性土壤通常缺乏中量元素鈣和鎂等[115-116]，另外一些農(nóng)產(chǎn)品有特殊著色要求，針對新型肥料配方設計就需要大量、中量及微量元素協(xié)同配伍，并針對性地添加氨基酸、海藻酸和腐殖酸等生物活性物質(zhì)，實現(xiàn)肥料產(chǎn)品全面高效化和專用化。2)施肥方式和施肥技術的發(fā)展呈現(xiàn)多元化，如側(cè)深施肥、種肥同播等機械施肥，基于飛防技術的噴霧施肥，用于滴灌、噴灌等的水肥一體化施肥等，要求肥料產(chǎn)品的性狀、溶解性、顆粒強度、粒徑等各方面特性與之相匹配，滿足肥料施用過程中的一些關鍵需求，如種肥同播不燒苗、一次性施肥不脫肥、管道化施肥溶解快、機械化施用不堵管等。作物機械側(cè)深施肥需要肥料硬度達到特定標準，機械化收獲作業(yè)對肥料產(chǎn)品促進作物抗倒伏、集中成熟等有特殊要求，水肥一體化技術要求水溶肥溶解度達到要求，且肥料酸堿性和灌溉水的酸堿性匹配[103]。當前新型肥料產(chǎn)品相關特性的研發(fā)尚滯后于快速發(fā)展的農(nóng)業(yè)施肥方式和施肥技術[117]，需要進一步探索和完善。3)面向未來農(nóng)業(yè)需求開展前瞻性肥料研發(fā)。充分考慮未來國家需求、農(nóng)業(yè)需求、農(nóng)民需求、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體制變化、氣候變化、肥料資源狀況，以及可能面對的制約國家糧食安全和生態(tài)安全的重大生產(chǎn)問題，開展更加高效、更加增產(chǎn)的肥料新產(chǎn)品研發(fā)，極端氣候條件、逆境條件下的肥料及施肥技術研究，將信息技術、智慧農(nóng)業(yè)技術融入到新產(chǎn)品、新技術、新裝備研發(fā)，為未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科技儲備。
4.2 肥料增效技術實現(xiàn)“養(yǎng)分–土壤–作物–環(huán)境”系統(tǒng)的綜合調(diào)控
化肥特別是氮、磷肥投入經(jīng)過幾十年連續(xù)增長，我國農(nóng)業(yè)已走過了僅憑施用單一元素化肥或常規(guī)復合肥增產(chǎn)增收的階段，進入了多營養(yǎng)元素協(xié)同供應提質(zhì)增效、綠色發(fā)展的新時代，這對肥料產(chǎn)品的創(chuàng)新提出了更高要求[118]。因此，新型肥料功能需要不斷拓展，通過產(chǎn)品創(chuàng)新融入更多的增效途徑，實現(xiàn)“養(yǎng)分–土壤–作物–環(huán)境”系統(tǒng)的綜合調(diào)控。
4.2.1 營養(yǎng)功能從提高單一養(yǎng)分的有效性向大、中、微量元素綜合調(diào)控轉(zhuǎn)變
我國緩/控釋肥多是以氮元素為核心的肥料，鉀肥或者復合肥中鉀的緩/控釋研究相對較少，未來緩/控釋肥不僅調(diào)控氮素釋放，也要注重其他大、中、微量元素增效的調(diào)控技術[119]。微生物肥料既要提升主流的固氮、溶磷、解鉀菌劑的效果，也要研發(fā)鈣、鎂、鐵、硅等難溶性養(yǎng)分的活化菌劑，如生物硅肥等，通過改善土壤養(yǎng)分的均衡供應實現(xiàn)肥料提升作物品質(zhì)的潛力[99]。
4.2.2 產(chǎn)品創(chuàng)新從單純注重養(yǎng)分濃度調(diào)控向同時注重改善土壤環(huán)境和根系吸收拓展
新型肥料的效應由養(yǎng)分濃度、土壤環(huán)境和根系吸收能力3個主要因素決定。新型肥料產(chǎn)品研發(fā)不僅要優(yōu)化肥料養(yǎng)分供應，而且要重視改善土壤環(huán)境，活化土壤固持養(yǎng)分，強化根系主動吸收養(yǎng)分的能力。作物可通過根系形態(tài)改變、根分泌物釋放、菌根系統(tǒng)高效活化利用土壤養(yǎng)分。通過深入理解根際生命共同體互作過程中的物質(zhì)產(chǎn)生與合成、微生物的生命活動規(guī)律，以及關鍵微生物或物質(zhì)在作物生長過程中所起到的核心調(diào)控作用[120-122]，明確功能菌種及組合應用后對土壤理化性質(zhì)和生物肥力的影響，構(gòu)建其與土壤環(huán)境的耦合評價技術，并在此基礎上研發(fā)和應用新型生物有機肥、微生物菌劑或復合微生物肥料，招募土壤中有益微生物構(gòu)建功能高效穩(wěn)定的菌群結(jié)構(gòu)，培肥土壤、改善土壤養(yǎng)分供應結(jié)構(gòu)，提升土壤質(zhì)量和健康。優(yōu)化腐殖酸類、海藻酸類、氨基酸類等增效載體與氮、磷、鉀等化肥配伍技術，通過調(diào)控肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放、轉(zhuǎn)化、移動、損失、固定等過程，進一步優(yōu)化肥料的供肥性，提高肥料利用率。另外，利用一些特定材料對土壤環(huán)境變化(如土壤pH、溫度、濕度等)下形狀、滲透速率、識別性能和釋放性能等自身性質(zhì)響應敏感的特點，利用養(yǎng)分分隔與共存、納米微粒與穩(wěn)定懸浮、敏感材料與靶向調(diào)控等技術，研發(fā)環(huán)境響應敏感型智能肥料，從而控制肥料養(yǎng)分根據(jù)土壤環(huán)境變化和作物不同的生長階段來智能精準釋放[123-127]。
4.2.3 肥料產(chǎn)品功能從養(yǎng)分供應向調(diào)控“營養(yǎng)、調(diào)理、植保”多元化發(fā)展
肥料新產(chǎn)品賦予其改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、增強作物抗逆能力、保護和改良土壤等功能，是新型肥料產(chǎn)品功能拓展的重要趨勢。集約化、商品化為導向的作物生產(chǎn)對土壤的利用強度高于以往，肥料產(chǎn)品的提質(zhì)增產(chǎn)作用，不僅需要提供充分的養(yǎng)分供應，還需要健康的土壤和活躍的植物次生代謝，才能在高產(chǎn)的同時，提升需要的產(chǎn)品品質(zhì)。已有研究發(fā)現(xiàn)，一些有機物料的添加可賦予肥料產(chǎn)品額外的功能，提高作物對旱、冷、熱、酸、堿、鹽、病、蟲、連作障礙等的抗逆能力。例如，腐殖酸、氨基酸、海藻酸等生物活性物質(zhì)可影響植物生長的原生代謝和次生代謝過程，對養(yǎng)分的有效性有雙向調(diào)控效應，通過與常規(guī)肥料配伍，既調(diào)控作物生長環(huán)境，又改善作物的養(yǎng)分吸收、同化和利用狀況。把固氮和活化土壤養(yǎng)分的菌劑與生防促生菌劑復合，開發(fā)具有三效合一的“肥藥兼效型”復合微生物肥料，緩解連作引起的土傳病害。
4.2.4 研發(fā)綠色環(huán)保肥料增效材料，降低環(huán)境風險
隨著我國可持續(xù)農(nóng)業(yè)的推進，在滿足肥料產(chǎn)品關鍵性能的前提下，減少肥料中具有潛在環(huán)境副作用的成分，應成為新型肥料研發(fā)的主攻方向之一。現(xiàn)有一些緩/控釋肥、商品有機肥等新型肥料產(chǎn)品因缺乏綠色環(huán)保的原料、增效材料或助劑存在一定環(huán)境污染風險。例如，包膜肥料中的有機高分子聚合物是土壤微塑料污染的重要來源，聚合物塑料微膠囊粒徑小、難以清除，長期施用導致微塑料在土壤中大量累積[128]。聚合物包膜過程中添加的芳香烴類有毒溶劑在肥料中不可避免的有殘留，進入土壤后會緩慢降解釋放。長期施用硫包膜肥料會引起硫在土壤中的殘留累積，可能造成土壤酸化[129]。采用無害化處理不完全的原料生產(chǎn)的商品有機肥，不同程度地存在重金屬、抗生素、微塑料污染風險[130-133]。因此，加強肥料原料的無害化處理技術攻關，重視安全、環(huán)保、可降解的天然/植物源材料(如植酸類、海洋生物提取物、氨基酸類、微生物發(fā)酵代謝物等)，以及新型改性天然高分子材料(如油脂改性、纖維素改性材料等)等高效、環(huán)保、價廉的肥料增效劑研發(fā)，是新型肥料綠色發(fā)展和應用的關鍵突破點。
4.3 新型肥料生產(chǎn)技術工藝體系向綠色低碳轉(zhuǎn)型
綠色高效新型肥料產(chǎn)品的創(chuàng)制與產(chǎn)業(yè)化，不僅是我國“雙碳”戰(zhàn)略和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的要求，也是新型肥料推廣的重要基礎。高效、低碳、環(huán)保的新型肥料制造技術體系，需要整個化肥生產(chǎn)周期的材料環(huán)保化、加工低碳化及產(chǎn)品可商業(yè)化的有機結(jié)合。首先，研究生產(chǎn)原料的綠色低碳生產(chǎn)、高效活化和全量利用技術，以大幅提升礦產(chǎn)資源的肥料化效率。例如，嘗試利用太陽能、風能、海洋能等清潔能源為主的“綠氨”技術生產(chǎn)新型肥料的核心氮養(yǎng)分，實現(xiàn)合成氨的低碳或零碳排放[134-135]。創(chuàng)新中、低品位磷礦養(yǎng)分的全量化綜合利用技術，采用高溫活化技術綜合利用磷尾礦和渣酸，創(chuàng)制含中微量元素的水溶性磷酸一銨、肥料級聚磷酸銨、聚磷酸鈣鎂、有機磷銨等綠色新型肥料產(chǎn)品[118]。突破低品位固體鉀礦資源的加工和利用技術以及有機鉀肥生產(chǎn)技術，利用鉀長石、霞石、白云母等非水溶性鉀資源制取鉀鹽。其次，針對肥料增效材料或助劑的合成加工，或與原料肥反應過程中存在的產(chǎn)品能耗和污染排放增加等問題，研究更價廉、更高效、更安全的生產(chǎn)工藝，具體到緩/控釋肥，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的無溶劑、低排放和零排放是包膜材料和工藝創(chuàng)新發(fā)展的重要方向[136]。再次，新型肥料的生產(chǎn)多為傳統(tǒng)氮肥、磷肥、鉀肥或復合肥的二次加工，存在能耗大、資源浪費、成本高、產(chǎn)能低等問題，制約了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化[12]，亟需通過技術創(chuàng)新，對傳統(tǒng)肥料大型生產(chǎn)裝置進行改造升級，兼顧養(yǎng)分精準配伍，增效劑或助劑添加，結(jié)合新材料應用，將新型肥料的生產(chǎn)由常規(guī)的原料肥二次加工轉(zhuǎn)向礦產(chǎn)原料的直接活化加工，構(gòu)建低廢、低排、低耗的智能化肥料加工和生產(chǎn)等關鍵技術體系。趙秉強團隊通過研發(fā)微量高效載體，利用大型化肥生產(chǎn)裝置，成功地一次性生產(chǎn)出含海藻、氨基酸等活性成分的增效尿素，由于避免了二次加工，該產(chǎn)品突破了新型肥料產(chǎn)品產(chǎn)能低、成本高的技術短板，全面推動了尿素、磷銨、復合肥等大宗化肥高效化和產(chǎn)品綠色升級[27]。最后，優(yōu)化提升現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化技術工藝，研發(fā)智能化自動控制系統(tǒng)及生產(chǎn)設備控制單元、設備密封技術等，開發(fā)連續(xù)化自動控制工藝和設備，建立連續(xù)化、自動化、智能化、標準化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術體系。
4.4 加強新型肥料統(tǒng)一監(jiān)管體系建設
新型肥料生產(chǎn)、銷售和使用環(huán)節(jié)都需要科學合理的監(jiān)管體系。首先，要推進新型肥料立法工作，建立科學統(tǒng)一的新型肥料產(chǎn)業(yè)技術標準，明確肥料監(jiān)管部門職責，加強肥料生產(chǎn)經(jīng)營管理和違法處罰。其次，完善新型肥料使用登記與備案制度，完善登記肥料品種目錄清單，建立負面清單制度，嚴格登記要求。再次，加強新型肥料監(jiān)管機制建設，從產(chǎn)、供、銷、用等方面建立全鏈條監(jiān)管機制，推動監(jiān)管執(zhí)法向基層延伸，重點加強無害化生產(chǎn)監(jiān)管，整治無證肥料生產(chǎn)經(jīng)營主體流竄造假售假，提高不法企業(yè)與商販的違法成本，建立不同部門之間信息共享和溝通機制，開展聯(lián)合監(jiān)管、聯(lián)合執(zhí)法、聯(lián)合懲戒，做到肥料監(jiān)管工作不越位不失位。最后，探索新型肥料生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)銷報備制度和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)主體肥料施用報備制度，建設肥料生產(chǎn)、銷售、儲存、出口、施用等全鏈條大數(shù)據(jù)信息共享與監(jiān)管平臺，嘗試建立肥料產(chǎn)品的追溯監(jiān)管體系，加大政府主管部門對新型肥料生產(chǎn)和使用的調(diào)控力度。通過全方位強化完善肥料監(jiān)管體系，規(guī)范新型肥料技術發(fā)展方向和產(chǎn)品質(zhì)量水準。總之，推動新型肥料產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展，需要以我國特色農(nóng)業(yè)需求為導向，根據(jù)不同區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，系統(tǒng)分析作物、土壤、氣候及施肥技術裝備等對肥料產(chǎn)品養(yǎng)分配比、形態(tài)和特性的需求，通過大數(shù)據(jù)智能算法進行產(chǎn)品定向設計，聚焦全面營養(yǎng)、減量增效、土壤改良、環(huán)保友好的多元化功能性肥料研發(fā)，重視學科間深度交叉融合，將植物營養(yǎng)、栽培、育種、植保、生理、微生物、化工、材料等多學科綜合增效技術策略融入到肥料產(chǎn)品中，增強其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的匹配性，不斷提升產(chǎn)品應用效果、拓展產(chǎn)品功能。加強新型肥料生產(chǎn)過程中高效低耗、綠色環(huán)保、低碳低排的原料開發(fā)和技術應用，促進肥料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，綜合各種肥料的優(yōu)點，因地制宜制定合適的施肥方案，推動高效肥料新產(chǎn)品落地，實現(xiàn)作物高產(chǎn)、土壤培肥、環(huán)境保護和資源可持續(xù)利用協(xié)調(diào)發(fā)展。加強新型肥料生產(chǎn)、銷售和使用全鏈條統(tǒng)一監(jiān)管體系建設，為新型肥料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量健康發(fā)展保駕護航。來源：植物營養(yǎng)與肥料學報微信公眾號，作者：丁文成, 何萍, 周衛(wèi)
