現代農業需要新型肥料

辛妍

化肥行業正面臨著一個持續性的挑戰，需要改進產品、提高使用效率，并盡量減少任何可能對環境造成的不利影響

一百年前，德國化學家Fritz Haber（他獲得了1918年諾貝爾獎）發現了合成氮肥的可行工藝。而如今，全世界有數以千萬計的農民依賴于尿素肥料滿足大陸上主要作物的氮需求。好的肥料不僅可以增加作物的產量，而且能夠改善土壤的長期質量，重新平衡土壤。但是，使用傳統化肥，可能會造成氮和磷的過度使用，從而影響環境。而在過去幾年，過度使用酸性肥料和氮過剩很明顯已經危害了我們的環境。加之面對著農產品不斷增長的需求，解決的方法只有高效肥料和高效施肥方法。例如目前已經被廣泛使用的尿素深施（Urea deep placement，UDP）法，就是一種更高效、更環保的施肥方法。使用尿素深施法的農民將尿素球放入水稻附近的土壤中，位于地表幾英寸之下，從而讓大部分的尿素氮留在植物根系附近的土壤中，能夠被更有效地吸收。該方法能增加氮利用率，其結果是作物產量的增加和污染的減少。使用尿素深施法的土地產量增加超過20%，而使用的尿素量減少了40%。

目前，化肥行業正面臨著一個持續性的挑戰，需要改進產品、提高使用效率（特別是氮肥），并盡量減少任何可能對環境造成的不利影響。這需要通過改進已經在使用的肥料，或是開發新的專用肥料各類來實現。另一方面，國際上對“綠色化”的期望和城市居民的需求都意味農民再次需要調整以適應市場。消費者希望對他們所吃的東西感覺良好，同時也想要確保環境被保護得很好，換言之，減少對化學品的依賴就是消費者想要的。例如從2013年10月1日開始，在美國馬里蘭州出售的草坪肥料要包括標簽指示，以確保每千平方英尺的總氮用量不超過0.9磅，并且其中必須至少有20%的氮是緩釋氮。另外，每千平方英尺使用的水溶性氮肥不能超過0.7磅。

肥料在環境和安全方面的負面作用

環境 全世界對化肥的需求不斷增長，為滿足需求，供給也正在增加。合成氨廠消耗了全球能源的1%。產生的碳排放量占全球總碳排放量的3%～5%，而這還不包括天然氣生產供應鏈、與生產過程相關的排放、施肥（和誤用）、工業使用尿素和其他氨產品所產生的排放。隨著行業的擴張，這些碳足跡必須要被關注。比如，考慮一個果汁生產廠的碳足跡，運輸其實只占一小部分，而30%～33%的碳排放量是完全與氮肥相關聯的。

當以煤和天然氣為原料的工廠生產氨時，會生成兩種主要副產品：熱和二氧化碳。熱的釋放量取決于使用的工藝流程，而且大多數熱量會被捕獲并重新在轉換過程中使用，從而減少工廠所需的燃料數量。但即使是高效的合成氨工廠，也會有相當多的二氧化碳產生：每生產一噸合成氨，就會排放兩噸二氧化碳。部分二氧化碳會被捕獲用于生產全世界最廣泛使用的氮肥——尿素。但合成氨廠還生產無水氨、硝銨（導致德克薩斯州爆炸的化合物）、硫酸銨、尿素硝銨溶液和其他形式的在農業和工業應用中使用的氨，而這些全部都不能使用剩余的二氧化碳，因此，剩余部分只能排入到大氣中。

除了碳排放，過多的肥料會滲入河流和湖泊。這不僅影響水體質量，還可能進入食物鏈影響人類健康。2013年初，新西蘭的牛奶中被發現有化學物質雙氰胺（DCD，也叫二聚二胺）的痕跡，由于這一污染，相關牛奶出口暫停。雙氰胺在世界范圍內的使用已經有30的歷史，它是一種復合含氮化肥中的成分。在中國的三聚氰胺事件之后，FDA將雙氰胺列入“牛奶必檢項”。在新西蘭，有兩家企業生產雙氰胺，其產品被用于大約500個牧場，占新西蘭總牧場數的4%～5%。奶粉事件之后，這兩家企業已停止生產和銷售。

安全 2013年4月17日，德克薩斯州的肥料混合設施發生破壞性爆炸，這無疑呼吁人們重視基于氨的肥料的生產和存儲風險。根據美國職業安全與健康管理局的報告，在1984到2006年間，美國各地的氨工廠共發生224起意外事故，造成50人死亡。根據美國國防部（Department of Defense，DOD）的數據，全球簡易爆炸裝置（improvised explosive device，IED）事件在過去兩年增加了超過42%，而它的主要成分就是看上去貌似良性的肥料。肥料中可以包含硝酸銨鈣，從中能派生出硝酸銨。當與燃料混合時，硝酸銨極具爆炸性。1995年造成168人喪生的俄克拉荷馬城爆炸事件的主要成分就是氮基化肥。2012年，有大約2000美國人在阿富汗被簡易爆炸裝置殺害或殺傷，而其中70%的裝置使用了硝酸銨基化肥。

緩釋肥料和控釋肥料

傳統肥料溶于水，當肥料溶解時營養物質會迅速分散。比如在北美，氮肥主要是無水氨、尿素硝銨（UAN）溶液或尿素。但是，如果在作物攝取之前遇到了不良（主要是濕）氣候條件，這些形式的氮就可能會丟失。因此，出現了緩釋肥料（slow release fertilizer，SRF）和控釋肥料（controlled release fertilizer，CRF）。

顧名思義，緩釋肥料是相對于傳統肥料而言，能夠將養分緩慢釋放出去的肥料。最常見的緩釋肥料一種是尿素甲醛或亞甲基尿素肥料，即主要由尿素和甲醛結合制成的肥料，是許多草坪和花園肥料的主要成分，例如淡藍三硝基甲烷。另一種是異丁基縮二脲（IBDU），也是許多草坪肥料的成分，其養分釋放取決于水分、ph值和肥料顆粒大小（較小的釋放養分更快）。

緩釋肥料的優點之一是營養物可隨著時間的推移逐漸釋放，因此能在一段較長的時間內緩慢而穩定地向植物提供養分，而這正是更適合大多數植物的施肥方式，因為這樣它們可以長得更好。雖然這意味著施肥后植物可能不會馬上有反應，但這也同時減少了過度施肥造成的燒死植物的情況發生。同時，大多數緩釋肥料在特定的（溫暖的）土壤溫度下才會釋放養分。植物根系通常是在溫暖的土壤中才最活躍，因此緩釋肥料可以在植物確實需要的時候向它們提供養分。而由于植物根系在溫暖的土壤中更積極，因此更多的肥料就會自動地被釋放。另外，使用緩釋肥料可以節省時間和金錢。這一方面是由于更長期的可用性意味使用次數更少，從而節省了人工成本和時間成本，另一方面是由于緩釋肥料受到雨淋或澆水等浸出過程而損失的肥料較少。但是緩釋肥料也有其缺點，比如釋放養分的速度較難預測，因為這主要取決于土壤中微生物的活性。

控釋肥料是不溶于水的顆粒狀肥料，它會讓養分在可控的釋放期內逐漸進入土壤中。而控釋肥料不是水溶性的，其營養成分會更緩慢地分散到土壤中。肥料或是追施到土壤中，或是在播種前混合到土壤中施用。使用控釋肥料可以減少養分損失，提高養分利用效率（NUE）。使用控釋肥料，在比常規肥料減少20%～30%（或更多）的用量的情況下，仍能保持相同的產量。在1999年，日本外務省的農業、林業和漁業部（Ministry of Agriculture， Forestry and Fishery，MAFF）就建議將常規肥料更換為較小數額的控釋肥料（Tachibana， 2007）。另外，使用控釋肥料能降低肥料燃燒事故的發生。

在美國，作為肥料的化學控釋產品出現于50多年前。一開始，由于相對于其他氮肥成本較高，限制了它們規模化商業作物，如玉米、高粱、小麥和油菜籽等生產中的使用，當傳統氮肥可以同樣有效時，就不會使用控釋肥料。相反，它們被更多地用于專業、高價值作物種植，如蔬菜、果園、苗圃、種子生產等。現在，由于糧食價格上漲、環境問題和一些法規，以及一些特定施肥法，比如葉面施肥，雖然控釋肥料的使用仍然有限，但它們在中耕作物中的使用已經越來越多。大多數商用中耕作物種植者使用傳統氮肥來滿足作物的氮需求，而將控釋產品作為補充。與快速釋放肥料相比，控釋肥料都相對昂貴。然而，考慮到所占用的時間和施肥次數的減少，它們的成本實際上與快速釋放肥料相當。

水溶性肥料

水溶性肥料是可溶于水、很容易被添加或浸入到土壤中的肥料。使用水溶性肥料，很容易精確地控制可提供給植物的養分數量。由于它可以迅速、完全地被植物根系吸收，因此通常可以被植物完全用光，用過的土壤中很少留下過量的未使用營養物質或毒素，從而減少了對環境的污染。除含有其他成分外，所有的化學制造肥料中都含有不同數量的氮、磷和鉀，而水溶性肥料還可能含有鎂、鈣、鉬、硫和銅等。由于其獨特的完全溶于水的能力，水溶性肥料可以通過各種方法施用，但常用于灌溉施肥和葉面噴施。尤其是當水溶性肥料進行葉面噴施時，往往會產生立竿見影的效果。

隨著經濟的快速增長，產量、食品質量和農產品需求都在增加，關于質量、效率、健康、環境保護和新農業興起的新的生態農業革命正在蓬勃發展。在這場生態革命中，激增的水溶性肥料發揮了至關重要的作用。肥料成本增加、使用方便、創新的生產方法、新產品、可用性的提高，以及微灌和機械化的灌溉系統的出現，都推動著全球水溶性肥料市場發展。而其他的一些因素還包括政府補貼、溫室效應應用的增加和高效等。在過去的幾年中，全球水溶性肥料市場呈指數級增長，而預計這種增長仍將繼續。Markets and Markets公司2013年12月發布的報告顯示，以銷售量計算，預計在2013到2018年，水溶性肥料市場的年復合增長率約為5.3%，到2018年達到925.12萬噸，銷售額達14.71億美元。歐洲是全球最大的水溶性肥料市場，其次是北美。含氮水溶性肥料占據了全球主要市場份額，其次是含磷和含鉀的水溶性肥料。對其他水溶性肥料，如含微量元素、生物刺激和生物肥料的水溶性肥料的接受度也在不斷增長。但相比于普通土壤施加肥料，水溶性肥料的季節性需求在一定程度上限制了市場增長。

相比于化學肥料，水溶性肥料在增加產量、降低勞動成本以及應用簡單等方面都被證明有顯著優勢。此外，它們比固體化學肥料的需要量更少。因此，水溶性肥料的概念被認為是緩慢增長的化肥市場中的一大商機。而其結果就是許多跨國肥料公司都參與到這類肥料的生產和銷售中。目前全球最活躍的水溶性肥料生產者包括加拿大的Agrium公司、以色列化工有限公司、埃及的Iowa肥料公司、卡塔爾肥料公司、挪威的Yara International ASA公司等。由于農民意識的提高和微灌溉面積的增加引發了對水溶性肥料的需求，因此許多主要公司都集中在亞太地區的業務擴張上。

微量元素肥料

微量元素雖然需求量小，但對植物的生長和健康相當重要，包括錳、硼、銅、鐵、氯、鉬、鋅、硒、碘和鈷等。微量元素肥料就是含有這些微量元素的肥料。作物對微量元素肥料的需求取決于它們的生物學特性和現有的可用微量元素數量。微量元素鹽、工業廢物（渣或泥漿）、玻璃肥料（鹽與玻璃的合金）和螯合物（有機物質與鋅和銅等金屬的化合物）等均可被用作微量元素肥料。目前，微量元素肥料在美國、英國、法國、瑞典、德國、波蘭、保加利亞、意大利和日本等國被廣泛使用。

高生產技術和高產栽培品種的采用對土壤養分儲備造成了巨大的壓力，導致土壤中的養分狀況極不平衡。土壤和植物中的微量元素缺乏是一個全球性的營養問題，許多國家都普遍存在，只是嚴重程度不同。缺乏微量元素會損害植物的生長，即使是沒有可見癥狀的隱性缺陷，也會給作物產量和質量造成風險。例如有研究表明，印度有40%～55%的土壤中度缺鋅，25%～30%的土壤缺硼，15%的土壤缺乏其他微量元素，而這些缺失極大地降低了作物產量。在缺乏營養的土壤中進行微量元素強化，有助于提高作物產量。例如在印度的卡納塔克邦（Karnataka State），肥料用鋅、硼和硫進行生物強化，其結果是旱地農作物的產量急劇增加：向日葵增加了345%，龍爪稷增加了230%，花生增加了240%，玉米增加了150%，大豆增加了116%，高粱增加了27%。

我們所吃的，本質上都是由土壤提供的。雖然氮對植物生長很重要，但如果過度使用，將會降低食物的營養價值。美國進行的一項研究發現，人類身體健康所需的微量元素在目前我們所消耗的水果和蔬菜中的含量急劇下降。相比于其他肥料，微量元素肥料有其獨特的優點：首先，整個微量元素的內容以螯合的形式存在，可以最大限度地提高穩定性和效率；其次，微量元素肥料可以與多種農藥兼容，從而實現罐混合，通過最小化施用數量減少噴施作業成本；再次，它可以完全溶于水，迅速、有效地被植物吸收。更重要的是，微量元素肥料不僅能促進植物代謝活動和生長，還在提高質量、大小、顏色、味道、肥料投入的利用效率、用水和抗病性等方面發揮著重要作用。比如鐵在葉綠素的形成中發揮重要作用；光合作用和呼吸作用都需要錳；鋅參與蛋白質的合成和種子的形成，促進植物生長，使植物更有活力；銅在葉綠素形成、細胞壁構建和許多其他酶機制中必不可少，它支持種子的形成和繁殖、提高含糖量，并改善蔬菜和水果的品味；鎂是促進植物快速生長的重要元素，對光合作用很重要，因為它是形成葉綠素的中心原子。最后，微量元素施肥可以有效地治療植物疾病。例如，在肥料中加入銅對易發生麥角的土壤很有效。麥角是一種生長在谷類作物上真菌疾病，當攝入時，人會發生幻覺或其他疾病。

全球最新的肥料發展案例

全球各地的研究人員和肥料生產廠商都一直致力于開發新型肥料，以滿足日益增長的肥料需求，同時盡可能地保護環境，增加安全性。

新型鉀硫肥 2014年3月，Agro-Culture液體肥料公司發布了Kalibrate，一種向土壤中施加的含硫量6%的鉀肥。Kalibrate向種植者提供了一個可以及時解決大部分營養需要的選項，它能在條耕、使用播種機，或者側面施肥時提供可用的鉀和硫。通過灌溉傳播或注入時，Kalibrate也非常有效，這使它成為基于所有土壤耕作系統的優秀鉀源。在大多數土壤環境中，施用Kalibrate將不再需要添加其他鉀肥。而它較低的凝固點和解凍后恢復使用的能力使它非常適合在北方秋季和旱季使用。

最新基肥 2014年1月，北美生產低鹽、高正磷酸鹽基肥的Nutra Flo公司推出了其最新基肥PureGradeT。PureGradeT能通過增強營養功能，推動植物的自然生長過程，增強早期幼苗發育，增強根和莖的發展以改善營養和水的吸收，改善植物健康使植物能更好應對環境壓力，從而實現植物健康最大化，使作物達到最大產能。在愛荷華州、印第安納州、俄亥俄州、密歇根州和北達科他州的超過一百個田間試驗的結果都表明，PureGradeT能始終如一地提供顯著優勢。

廢水變肥料 2013年10月，在水環境聯合會第86次年度技術展覽和會議上，大都會廢水回收區（Metropolitan Water Reclamation District）的代表稱，Stickney廢水回收廠計劃使用的一項由加拿大Ostara養分恢復技術公司開發的新技術，將廢水中的磷和氮結晶，將這些營養物質轉化為小顆粒，作為作物和草坪的肥料出售。水中所含的磷和以氨的形式存在的氮進入反應器中，與鎂混合，驅動營養物質結晶的化學反應。結晶時間在5到10天之間，這一過程可以去除90%的磷和40%氨。該技術將于2015年安裝運行，估計投資成本達3000萬美金，而投資回收期最短只需要三年。大都會廢水回收區稱，這一新技術每年大約能生產1萬～1.5萬噸的化肥，以供應庫克縣（Cook County）。晶體形式的肥料有助于遏制營養物污染。營養物污染會導致湖泊和河流的藻類大量繁殖，扼殺魚類和其他水生野生動物，破壞生態系統。保護水道是一個全球性的問題，而Ostara公司的技術正是解決這一問題的武器。它不僅能降低營養負荷，而且能保護珍貴的水道，而這是密西西比河流域的一部分。同時，隨著植物的生長，肥料緩慢分解，而不是快速溶解在水中。這將減少向地下水的滲入，也減少剩余營養物質的流出，意味著更少的肥料使用需求。

ESN智能氮 每年，玉米種植者都要面臨的挑戰是如何在最佳時間、最佳用量使用氮，以最大限度地提高玉米產量，并盡量減少養分流失。2013年3月，位于美國丹佛的Agrium Advanced Technology（AAT）公司設計了ESN智能氮，這是一種有聚合物包衣的控釋尿素肥料，能保護氮免受浸出，并根據需要提供給作物。如果農民種植前的一至兩個月在冷的土壤中使用ESN，那么氨會得到保護。當種植之后，它會釋放出來，并可作為早期追肥。因為氮的被保護，所以播種時機就靈活得多。盡管ESN可能成本比較高，但它能提高產量，施肥時間靈活，因此總體來說有一個很好的投資回報。同時，ESN可能會降低向地上水的浸入，減少揮發到空氣中的氨。

不會發生爆炸的氮肥 2013年5月，桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的工程師開發出了一種使用硫酸銨和硝酸鐵的新配方肥料。與通常在簡易爆炸裝置中使用的肥料不同，在與燃料混合時它不會被引爆，因此無法被用于制造炸彈。該肥料通過從銨離子中分離出硝酸根離子，而讓化學化合物中的爆炸性物質被中和。雖然不可能全世界都立即換成使用這種新肥料，但至少它可以作為現有的硝酸銨的補充，從而通過增加制造難度來限制簡易爆炸裝置的制造。而且，這種新型肥料配方中的鐵組分可以酸化土壤，使堿性土壤更接近中性PH值，從而大大提高作物產量，因此非常適合種植農作物。肥沃且PH值接近中性的土壤才是最好的土壤，這種新配方肥料可以通過少使用肥料來做到這一點，而且作物會長得更好。

現代農業必須在作物整個生長周期用最有效的方法提供最優量的營養，并且不會讓土壤和水資源退化。因此，我們必須選擇更平衡的施肥方案，不僅要改善土壤結構、促進植物生長，同時要提高人類健康水平，減少對環境的負面影響，讓小溪、河流和湖泊重回原始的美麗。在農業種植中，要盡量減少使用化學物質，而增加天然的微量元素和礦物質的使用。應該鼓勵在土壤中保持更多的生物，包括蚯蚓。應該定期測試農場中的土壤和牧草，以確保人類健康所需的要素都適量存在。