我國新型肥料產業現狀與發展展望

劉旭杰，嚴旖旎，單海勇，張 晉，韓 笑，劉 建

（江蘇沿江地區農業科學研究所，江蘇 南通 226012）

我國自古以來就是農業生產大國，隨著近幾十年來化學肥料的發展和普及，目前我國已成為化肥施用量全球第一的國家，施用量超過全球平均水平的3倍［1-2］。我國農業生產長期以來深陷肥料成本投入高、農業生產環境污染嚴重的困局，其根本原因是農業生產過程中肥料利用率不高［2-4］。據統計，2010年歐洲國家三大作物氮利用率為61%，美國三大作物氮利用率為52%［5］，而同時期我國氮肥利用率僅為31%左右，其中玉米的氮利用率僅為30%［6］。2015 年之后，隨著肥料“減量增效”技術研究深入，提高了肥料利用率，在減少肥料施用量的情況下糧食產量仍然每年都在增加，“減量增效”將是新型肥料研究的主要方向。

1 新型肥料產業現狀分析

新型肥料相較于傳統肥料，一般是依靠添加有效助劑，創制新配方或者開發新技術，形成具有更高肥效的新品種肥料。目前市場上較為常見的新型肥料品種包括包衣（膜）緩控釋肥、脲醛類緩控釋肥、水溶性復合肥、穩定性復合肥、海藻酸類復合肥、腐植酸類復合肥、氨基酸類復合肥、微生物復合肥、有機復合肥、中微量元素肥、土壤調節劑，以及以聚多巴胺、水凝膠、多層聚合物電解質、自降解多聚體自愈材料、納米材料等智能材料為基礎或主體的智能新型肥料［7-13］。

1.1 復合肥行業運行情況

根據中國磷復肥工業協會（以下簡稱協會）的數據，2021 年，協會統計范圍內的企業復合肥總產能為5 268 萬t，占全國復合肥總產能的26%左右；總銷量為2 703.6萬t，占全國復合肥總銷量的45%左右，遠超總產能占比；產能利用率為51.3%，比2020 年高0.9 百分點，也遠超復合肥行業平均水平（30%）；復合肥行業產能集中度越來越高［14］。我國肥料產業布局加速向農業用肥大省轉移，復合肥產業主要集中在鄂、魯、蘇、皖等地，近幾年開始向東三省、河南、新疆等地轉移或擴建產能，降低了綜合成本，提高了市場響應速度和企業的綜合競爭能力。我國肥料產業的產品結構在加速向農作物專用肥等新型肥料方向調整。近10 年間，新型肥料市場逐步擴大，各大復合肥生產企業越來越重視新型肥料的研發、生產和銷售，而且隨著我國測土工程的推進和升級，針對不同地區的專用新型肥料逐步出現在市場中，并深受廣大農戶青睞。新型肥料的研制和發展正在逐步引導整個復合肥行業產品結構發生變化。

1.2 新型肥料市場運行分析

根據協會2021 年的統計數據，受原料價格抬升影響，2021 年統計范圍內的企業新型復合肥銷售量占比約為36%，較2020 年降低2.93 百分點，各類新型肥料的市場占比如圖1所示。

圖1 2021年不同品種新型肥料的市場占有率

在統計范圍內，2021 年各品種新型肥料銷售量第一的企業都是業內的大中型肥料生產商（見表1），說明我國大中型肥料生產企業越來越重視新型肥料的研發和生產。

表1 2021年各品種新型肥料銷售量第一的企業

1.3 新型肥料產業發展趨勢

像穩定性復合肥和腐植酸類復合肥這樣，助劑成本低、肥效好的新型肥料將繼續占據新型肥料市場的主導地位。一些市場占有率較低的新型肥料，像海藻酸類復合肥、中微量元素肥和氨基酸類復合肥，由于市場同類型產品較少且利潤較高、肥效明顯，未來市場前景較好。微生物復合肥和有機復合肥，具有改良土壤、綠色環保、成本較低、利潤率高等特性，疊加國家政策導向，在未來生產技術趨于成熟后，將會很快成為新型肥料市場的主導品種，其生產工藝的研究也將成為未來肥料生產研究的主要方向。

2 我國新型肥料工藝發展和創新概況

2.1 新型肥料工藝發展現狀

各類新型肥料主要是顆粒肥或者粉狀肥料，區別在于配方、有效成分的制備和成型以及包衣工藝。各類包衣（膜）緩控釋肥主要區別在于包衣材料不同，但都主要用于實現對肥料養分釋放速率的控制，有的還兼顧補充作物生長后期需要的養分。脲醛類緩控釋肥主要是通過尿素和醛類化合物在酸性溶液中溶解，在催化劑作用下發生加合反應生成固體肥料，最后進行中和、造粒和包衣，工藝流程較為成熟，需要用到強酸，對生產裝備耐腐蝕性能要求較高。水溶性復合肥一般是將產品直接或溶于水中后噴灑在作物葉面或土壤表面，省去了開溝深施的過程，施用簡單方便，效果顯著，其主要工藝過程為溶解→除雜→濃縮→晶化→過濾，與其他肥料生產工藝差異較大。穩定性復合肥是一種具有長效性和環境適應性的新型復合肥，一般采用干式工藝生產，反應溫度較高。腐植酸類復合肥是我國新型肥料中研發較早的一種，其生產工藝包括干式工藝和濕式工藝，干式工藝一般是將無機養分加熱到熔融態和腐植酸礦物發生絡合反應，最后冷卻、造粒；濕式工藝一般先將腐植酸處理成溶液或者凝膠態，再混合、烘干、造粒。海藻酸類復合肥、氨基酸類復合肥、有機復合肥、微生物復合肥都屬于有機-無機復混肥，生產工藝過程和腐植酸類復合肥類似，只是有機成分及其處理和混合工藝存在區別。

2.2 新型肥料生產工藝創新

近幾年新型肥料在肥料配方、造粒工藝以及包衣技術等方面都取得了一些創新成果。肥料配方上的創新，主要通過結合農作物生物學方面的研究成果，在傳統肥料中添加一些有效助劑，形成新的配方，科學提高作物產量。肥料造粒是新型肥料走向產品化的關鍵一步，在不損失營養成分的基礎上，將肥料制作成形態和效果都穩定的產品。造粒工藝方面的創新，主要表現為對擠壓造粒技術、濕法造粒技術、噴霧干燥造粒技術、真空造粒技術、凝結造粒技術等傳統且成熟造粒技術的微創新，重點在于根據新配方尋找新的關鍵工藝參數，進而形成適用于特定新型肥料的造粒工藝。包衣技術的創新是通過新材料和新包衣工藝，實現肥料緩釋、控釋和靶向釋放等功能。

2.2.1 肥料配方創新

新型肥料配方創新涉及營養元素的組合、生物學因素、環境友好性等。目前在配方上的創新成果主要有微生物肥料整合、定制化營養配方、緩控釋肥技術、有機廢棄物再利用等。

微生物肥料整合指的是將有益微生物整合到肥料中，大量活菌可以幫助植物吸收養分，提高作物的耐受性，改善土壤結構，抑制病原菌，促進作物生長和提高作物品質［15］。目前微生物肥料按照產品形態可分為菌劑類和菌肥類。菌劑類包括根瘤菌劑、固氮菌劑、溶磷菌劑、光合菌劑、硅酸鹽菌劑、菌根菌劑、促生菌劑、有機物料腐熟菌劑、生物修復菌劑，菌肥類主要包括將目的微生物經工業化生產增殖后與營養物質復合制成的復合微生物肥料，以及將目的微生物經工業化增殖后與以動植物殘體等有機物為來源并經無害化處理的有機物料復合而成的生物有機肥。微生物對植物的作用主要依賴于他們產生的次級代謝產物，但關于有益微生物、次生代謝物、土壤性質、植物寄主之間的互作機制目前還沒有一個被廣泛認可的研究結果。

定制化營養配方一般指的是利用現代技術，根據具體植物的需求和具體地域的土壤特性定制肥料的營養成分。通過土壤分析和植物需求，可以調整氮、磷、鉀等元素的比例，提高肥料效益。研究發現玉米增產率與土壤中鋅元素的含量呈正相關，合理施用含鋅的肥料能增強玉米的抗病性，提高產量和光合作用，同時還能提高玉米穗的品質［16］。定制化營養配方必須與測土工作一起構成一個測土配方肥的技術體系，相較于成品肥料過程更加復雜，農民和散戶的接受程度不高，但隨著高標準農田的建設和相關技術不斷推廣和創新，定制化營養配方肥仍然是將來必不可少的一類肥料。

緩控釋肥料技術主要是通過緩控釋技術的創新使肥料養分以更持久的方式釋放，減少養分流失和浪費。施用緩控釋肥料既能夠降低土壤中氮的濃度，減少氮揮發、淋失以及硝化作用的損失，提高肥料中養分的利用率，又能夠實現一季作物一次施肥基本滿足作物全生育期對養分的需求，減少了施肥次數，同時還能避免因一次性施肥過多造成的燒苗現象。目前我國市場上緩控釋肥料類型繁多，根據其生產過程可分為兩類，一種是化成型微溶有機氮化合物，主要是脲醛（尿素和醛類的縮合物）緩控釋肥料；另一種是包衣型緩控釋肥，通過造?！病繉拥裙に?，減緩和控制肥料養分的釋放速率。根據其化學組成的差異又可將其分為包裹緩控釋肥、混合緩控釋肥、縮合物或聚合物緩控釋肥、吸附緩控釋肥等。馬海生等［17］基于聚氨酯熔點低、易成型、疏水性好等特點，開發了聚氨酯緩控釋肥生產工藝，實現了聚氨酯緩控釋肥的規?；B續生產。但是，目前我國新型緩控釋肥料施用量在肥料中的占比僅為10%左右，究其原因是現有的緩控釋肥價格相較于傳統化肥更高，還需要在降低成本等方面開展相關研究。

有機廢棄物再利用指的是利用城市廚余垃圾、農業生產廢棄物等有機廢棄物制作有機肥料或者有機-無機復混肥，通過循環利用資源，實現可持續發展，減少廢棄物對環境的負擔。何雪蓮［18］利用啤酒污泥通過圓盤造粒法制備有機-無機復混肥，并針對啤酒污泥的特性對有機成分和無機成分的比例、含水率等參數進行了相應的調整。何震［19］分別使用木質素原料、生物炭與無機養分混合，制備木質素基有機-無機復混肥和生物炭基有機-無機復混肥，然后使用木質素制備緩釋膜，進行包膜，并通過靜水釋放實驗、土柱淋溶實驗、重金屬吸附實驗以及盆栽實驗測試肥料性能，最終發現木質素基緩釋肥僅在重金屬吸附能力上弱于生物炭基有機-無機復混肥，其余性能均優于生物炭基有機-無機復混肥和無機化肥。靳鵬杰［20］通過限氧熱解技術，利用市政污泥制備新型肥料，相較于無機化肥，新型肥料不但單位質量養分含量高，且具備吸附重金屬、改善土壤環境等功能。

2.2.2 造粒工藝創新

新型肥料造粒，需要根據肥料配方在傳統工藝基礎上進行微創新來適應新成分的加入，保證肥料的新成分能夠在造粒后不損失且穩定。肖光等［21］針對高塔造粒工藝生產尿基黃腐酸復合肥產品水分、強度等指標不達標的問題，改良了部分工藝參數，最終確定固態黃腐酸粒徑控制在75 μm左右或液態黃腐酸w（H2O）30%左右時產品質量最好，且采用固態法時，使用粒徑較小的黃腐酸制得的復合肥產品結塊率較低。楊皓天等［22］設計了螺旋輸送增壓方式的秸稈炭肥料制粒機，分析了秸稈炭基顆粒肥料品質與配置工藝等的影響關系，確定了秸稈炭基肥料制粒機關鍵部件的合理運行參數，并提出了技術優化思路。因此目前新型肥料造粒工藝的創新方向應當是基于傳統造粒工藝和新配方在一些關鍵工藝參數上進行適配。

2.2.3 包衣工藝創新

新型肥料包衣技術的創新基于材料技術的發展和生物學對農作物生長規律的研究。目前除了傳統的尿素包衣、硫包衣、樹脂包衣，一些以智能材料包衣為基礎的智能肥料的創新成果也非常多。多巴胺對堿性或者鹽脅迫下的植物生長有著明顯的促進和改善作用，且可以增加土壤中有效磷的含量和增強堿性磷酸酶的活性［23］。FENG 等［24］以磷酸鋅銨為肥芯，以聚多巴胺（Pdop）作為包膜材料，在包膜層表面接枝聚（N,N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯）聚合物刷（PDMAMEA），制備出具有pH 和溫度雙重感知功能的“智能”肥料MCF@Pdop-g-PDMAEMA，能夠根據土壤環境的溫度和pH 調節養分釋放速率。多層聚合物電解質（PEM）包衣材料可以感知植物發出的信號并做出響應，比如當植物缺少養分時，根系會釋放出以氨基酸、有機酸、糖和酚類為主的低分子量化合物作為信號物質，而這些信號物質可以通過PEM 擴散與膜中適體結合，引起PEM 包衣發生滲透性的變化從而釋放養分［25］。用氨基甲酸酯（PCL）與聚己內酯或聚（L-乳酸）（PLA）混合制備的自降解聚乙醛酸乙酯（PEtG）包衣材料，除了能感知植物根系附近的pH變化，還可以降解為生物毒性很低且在環境中容易代謝的乙醛酸水合物和乙醇［26］。自愈材料是一種可自動修復的智能包衣材料，其自愈的機制為解決肥料控制養分釋放曲線與作物生長曲線同步這一瓶頸問題提供了重要的理論和技術支持。自組裝自愈性生物基聚氨酯包膜尿素（SSBPCU），包衣材料利用海藻酸鈉與鈣離子反應生成海藻酸鈉凝膠的原理，在納米級材料表面形成阻塞毛孔限制水流的納米級海藻酸鈉凝膠，從而實現自愈的功能［27］。聚琥珀酰亞胺基納米材料（PSI）可以作為載體攜帶農藥、肥料和營養物質，并在常溫、pH大于7的環境下受控釋放，釋放速率隨pH升高而加快，隨官能度的提高而減慢，且毒性很小，可作為肥料和營養元素的運轉載體，適合用于特定地點的農業生產［28］。

肥料包衣工藝根據包衣設備，一般分為滾筒包衣工藝和流化床包衣工藝。滾筒包衣裝備是在滾筒中心放置噴頭，肥料顆粒滾動時均勻地包裹上鑄膜液；流化床包衣裝備則是利用顆粒流化現象制作流化床，然后混入鑄膜液。經過多年的創新和發展，無論是滾筒包衣工藝還是流化床包衣工藝相關工藝都根據肥料特點做了許多細分，但近幾年相關的創新較少?？偟膩碚f滾筒包衣工藝適合顆粒較大的肥料，流化床包衣工藝更適合小顆粒的肥料。

3 我國新型肥料創新發展的目標及途徑

在“綠水青山就是金山銀山”的綠色發展理念指導下，新型肥料成了化肥“減量增效”工程的排頭兵。近十年來我國新型肥料的市場和產業不斷擴大，但現有新型肥料研發、生產工藝改進和創新還僅僅是從肥料本身著手，近幾年也有結合土壤、微生物等領域的趨勢與案例，但與先進栽培技術以及新型農機結合不緊密，依舊存在著許多不足［29-30］。

3.1 創新發展目標

將肥料與田間生產的耕、種、管、收等環節看作一個整體，充分結合育種、栽培、農機等相關領域的最新技術，研究和開發能夠為農業生產“減量增效”，且質優價廉的環境友好型肥料產品。

3.2 創新發展途徑

首先，應該優化和改進現有工藝，提高肥料生產效率，降低生產成本和環境污染，降低新型肥料的市場價格，進一步擴大新型肥料的市場。比如料漿法可利用一些像磷酸等原料發生反應時釋放的熱量來快速烘干；團粒法可以通過粉塵回收技術創新，利用某些原料的低溫共溶（熔）機制，形成團粒法和料漿法優勢互補的新技術，提高生產效率，降低排放。

其次，需要開發低碳綠色新工藝。一是產品研發要以“減量增效”為首要目標，兼顧針對不同作物的營養平衡。也可適當考慮增加功能性物質，使用綠色智能材料等，全面提升產品質量，實現肥料產品的高效利用。二是要盡可能縮短生產工藝流程，盡量做到無“三廢”排放，降低生產成本和污染物處理成本。三是要因地制宜，針對不同的土壤性質，優化產業結構，實現專肥專用。

最后，要廣泛結合農業生產過程中其他學科的創新成果。目前，我國新型肥料配方、材料成型工藝技術積累較為豐富。業內普遍認為，新型肥料生產工藝的創新關鍵點在新材料上面；也有研究表明在施用同樣肥料的情況下，先進的耕作方式也可以顯著提高肥料利用率，在此基礎上最成功的肥料、農藝、農機三者相結合的創新成果就是側深施肥技術和側深施肥機，目前已廣泛應用到水稻、小麥生產中。因此，肥料產業的創新也需要拓寬思路，和精準施肥、保護性耕作及秸稈還田等農藝結合起來。比如結合精準施肥，要求肥料不再以小顆粒的形態施用，而應該以肥料塊或者肥料球的形態施用在作物根系附近；結合保護性耕作，要求肥料塊或肥料球的養分要能滿足作物一個生長周期內全部所需，且能緩慢甚至是根據作物的不同生長期智能釋放，減少動土，保護耕地；結合秸稈還田，要求肥料配方能將秸稈進行二次利用，或者是肥料在釋放養分過程中能夠加速還田的秸稈腐解，使秸稈能在作物生長后期提供養分。此外將肥料做成球或塊狀可以減少肥料的表面積，減少受潮結塊情況［31］。

4 展望

未來，在市場驅動下農業生產各環節的新技術必然要通過多學科的融合才能碰撞出新的火花，我國新型肥料生產工藝的創新工作也應當走出研究配方和新材料的舒適圈，和育種、農藝、農機等相互融合，從產品形態、施用方式、專種專用、專土專用以及秸稈二次利用等方面著手，開發出真正服務我國“三農”事業的好產品。