緩/控釋和穩定性肥料技術創新驅動化肥行業科技發展
——“新型肥料的研制與高效利用”專刊序言

楊相東，張 民

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081；2 土肥資源高效利用國家工程實驗室/山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018）

化肥主要以磷礦、鉀鹽和煤等石化原料制備而成，從原料的采集、破碎、篩選，到化學分解與合成，進而形成化肥產品的過程中，匯集了眾多技術。依靠這些技術，化肥工業為農業生產提供了充足的養分，為社會發展做出了巨大貢獻。建國以來，我國化肥工業從零開始，經過70年的發展，集聚幾代人的心血，逐步發展成為全球化肥生產和使用第一大國。我國化肥產業的發展歷程就是化肥制備技術與我國國情相結合，不斷創新、突破和推陳出新的過程。上世紀50年代，僅有幾家以硫酸銨為主的氮肥廠，談不上化肥工業。60～80年代，著力解決煤氣化制備合成氣并生產氨氣、碳銨和尿素的問題，解決磷礦粉、普鈣、磷酸銨的利用問題[1]。與此同時，為了應對缺少化肥的問題，我國農業科研工作者積極研究有機肥、綠肥和微生物菌劑在增加土壤養分方面的作用[2]，研究我國氮、磷、鉀化肥的肥效演變及其對農業的增產效益[3]。80年代以后，隨著基礎工業的發展，化肥生產的各項技術飛速發展。到目前，我國化肥產品類型極大豐富，擁有全球先進的化肥制造技術。這一切均得益于肥料科學技術的持續創新和發展，因此，可以說我國肥料科技創新是促進我國肥料工業和農業發展的驅動力。

依靠持續的科技投入，我們不但解決了基于中國國情的原料與生產工藝問題，還在養分復合、配方和專用等領域做出了重大貢獻[4]。“十五”以來的4個五年計劃期間，國家連續20年設置了肥料科技攻關項目，圍繞化肥提質增效的國家重大需求，開發了一批新型肥料。正是這些新型肥料的技術創新，使得我國肥料科技逐步走到世界前列。當前，舉國上下高度重視科技創新能力對行業和產業核心競爭力的支撐作用，因此，我國肥料科技創新何去何從不但關系到當前的農業可持續發展和生態文明建設，還關系著肥料行業在我國社會經濟發展中的未來國際競爭力。

隨著農業的快速發展，在重視化肥產品質量的同時，更加注重產品使用效率。目前我國正在推行化肥減施增效，以達到提高養分利用率的目標。為了保障《到2020年化肥使用量零增長行動方案》的科學推進，“十三五”啟動了“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發”重點專項，其中“新型緩/控釋肥料與穩定性肥料研制”項目圍繞價廉質高的包膜材料、新型綠色包膜工藝和規模化包膜設備，進行高性能包膜緩/控釋肥料新產品創制和應用；圍繞脲酶抑制劑、硝化抑制劑協同增效技術，創制高效穩定性肥料。

緩/控釋肥料和穩定性肥料一直是化肥研究的一個重要方向。控釋肥料(controlled-release fertilizer)是指能按照設定的釋放率(%)和釋放期(d)來控制養分釋放的肥料[5]，用半透性膜包裹速效性化肥顆粒制成，能使速效養分在施入土壤后緩慢地釋放出來以延長其肥效期[6]。緩/控釋肥需要包覆有機或無機材料的膜層，膜材料包括硫磺、磷礦粉、橡膠、塑料、樹脂等，有機聚合物膜材因能更有效的控釋養分的釋放，逐漸成為研究和使用最多的包膜材料[7]。穩定性肥料(stabilized fertilizer)是指經過一定工藝加入脲酶抑制劑和(或)硝化抑制劑，施入土壤后能通過脲酶抑制劑抑制尿素的水解，和(或)通過硝化抑制劑抑制銨態氮的硝化，使肥效期得到延長的一類含氮肥料[8]。脲酶抑制劑有氫醌、N-丁基硫代磷酰三胺、鄰苯基磷酰二胺、硫代磷酰三胺等，硝化抑制劑有吡啶、嘧啶、硫脲、六氯乙烷、雙氰胺等。

1961年，Boller利用多元醇與二元脂肪酸或環氧樹脂能發生聚合反應的原理，在肥料顆粒表面制備聚合膜層，最早開發了樹脂包膜緩/控釋肥料[9]。Hansen也在1961年、1965年申請了利用多羥基化合物或植物油制備醇酸樹脂包膜控釋肥料的技術專利[10-11]。隨后，日本窒素公司于1974年在美國申請的專利中介紹了生產聚烯烴包衣肥料的方法[12]。此外，Thompson[13]、Tsunehisa[14]、Donida[15]等分別使用聚偏二氯乙烯、聚丙苯和聚丙烯酸系乳液制備聚合物乳液包膜肥料。Blank[16]、Goertz和William[17]、Geiger等[18]使用植物油開發了聚氨酯包膜緩/控釋肥料。

繼20世紀30年代Rotini提出存在土壤脲酶之后，Cornad指出有些物質施入土壤可以抑制脲酶活性，1971年Bromner等篩選出苯醌和氫醌類化合物作為脲酶抑制劑，隨后大量的脲酶抑制劑被證實，但目前只有幾種脲酶抑制劑得以商品化應用[19]。20世紀60年代初，美國道化公司研究的西吡 [2-氯-6-(三氯甲基)-吡啶] 具有很好的硝化抑制作用[20]，至今研究的具有類似作用的化合物有150種以上，但是真正商品化的很少。

上世紀70年代，我國針對碳銨易損失的問題，開發了包裹型碳銨，隨后又開發了鈣鎂磷礦粉包裹尿素。到本世紀初，全面進入緩/控釋和穩定性肥料的技術研究領域，針對各種包膜材料、工藝開展了大量的研究，在較短的時間內，逐步形成了學科齊全和產業興旺的局面。緩/控釋和穩定性肥料研究已經走過了半個多世紀的歷程，在作用機理、材料、產品、工藝、設備、評價、標準等方面做出了卓有成效的工作，在取得了長足發展的同時，我們還應該清醒的認識到，該領域還存在許多技術難題[6]。到2019年，該類肥料產量僅為1500萬噸左右，僅占全球化肥用量的6%，在農業生產中還未發揮其應有的作用。其核心問題主要表現在成本高、性能不穩定及生產工藝和設備規模小等方面。基于當前的技術現狀，“新型緩/控釋肥料與穩定性肥料研制”項目匯聚了8個重點研發計劃課題，36家科研院所和企業，近100人的研究隊伍，進行科技攻關。項目執行以來，在科學研究、技術開發和產品應用等方面取得了一系列的創新性成果。為了促進研究成果的應用，特組織本期專刊進行報道。

一般認為，只有高分子材料才能夠制備性能優良的控釋肥料，但是高分子材料價格普遍偏高，因此采用作物秸稈液化、改性纖維素、回收植物油、高分子材料復合等技術研制新型膜材，已成為降低包膜肥料成本的關鍵技術。采用納米顆粒(如納米SiO2、蒙脫土)對高分子材料(如聚乙烯醇、聚氨酯)進行復合改性，有望在控釋性能提升方面取得突破，本期優選了兩篇相關論文，對當前的最新研究成果進行報道。

低分子量有機酸簡單易得，對土壤-植物-養分有著一些特定的功能，常被用作活性物質與磷、鉀結合促進其養分利用效率。最近的研究表明，小分子有機酸對水稻種子萌發和幼苗生長均有著很好的效果，低分子量有機酸(如檸檬酸、草酸)對肥料和土壤磷素具有很好的活化作用，含氨基酸銅基的葉面肥對芹菜產量、品質有一定的提升。針對該研究熱點，本期選擇了2篇試驗研究論文和1篇Meta分析的論文對相關研究進行報道。

包膜肥料控釋膜層結構和孔隙性質直接影響其養分釋放速率，但是該領域的研究一方面受到研究手段的限制，另一方面還因為包膜材料和工藝技術的差異使得膜層結構特征各異，因此該方面的研究進展較緩慢。聚乙烯包膜控釋肥料一般采用噴霧相轉化法制備，目前對其特定的結構特征的研究取得了一些新的結果，本期也選擇了1篇論文相關進展進行報道。

緩/控釋肥料的農田施用技術和效益評價一直是研究的熱點。最近的研究關注到黃腐酸、秸稈與控釋尿素配合使用具有很好的協同增效作用；另外在評價控釋尿素對氨揮發、N2O排放等阻控氮素損失的領域也有新的研究結果。本期選擇了2篇相關最新研究論文對此進行相關報道。

另外，含抑制劑的穩定性肥料是一種養分高效產品，在農業生產中應用很廣，其參與的土壤氮素轉化過程也有很多深入研究。目前硝化抑制劑對稻田土壤N2O排放、硝化和反硝化細菌的抑制作用研究有新的突破，本期專刊也給予了關注。

本期專刊主要側重于對“十三五”國家重點研發計劃項目“新型緩/控釋肥料與穩定性肥料研制”中緩/控釋肥料和穩定性肥料在新型肥料創制、田間施用技術、作用機理及效果評價等方面的一些最新研究進展。在新型肥料創制過程中，我國科技工作者在復合肥、水溶性肥料、生物有機肥等方面均有一些新的和突破性的研究成果，為肥料的持續科技創新發揮著作用，形成“百家爭鳴、百花齊放”的局面，希望在以后的報道中有所側重。

最后，感謝為本期專刊積極供稿的科研工作者，希望在此基礎上更進一步在緩/控釋肥料與穩定性肥料研制和應用領域做出更加卓有成效的工作。通過堅實的肥料科技創新，引領化肥產業發展，滿足未來農業對化肥的需求。