新型尿素發展現狀及前景

陳全德，王 濤，余永德

(四川瀘天化股份有限公司 四川瀘州 646300)

尿素是我國化學氮肥的主要品種，約占氮肥消費總量的65%。尿素因活性強、損失途徑多，所以利用率較低。國內外大量研究表明，未被作物利用的氮肥基本上不能在土壤中直接殘留。我國農田氮肥的利用率在30%左右，明顯低于發達國家50%～60%的水平，每年通過揮發、淋洗和徑流等途徑損失的尿素高達20 000 kt以上，不僅浪費大量能源，而且對環境也造成極大的威脅，如何提高氮肥利用率成為亟待解決的問題[1]。

針對尿素在實際應用過程中存在的諸多問題，國內許多科研機構、生產企業已投入大量的資源研究、開發、生產尿素增效劑和新型尿素，并取得了可喜的成果。

1 新型尿素分類

新型尿素是在基本不改變當前尿素生產工藝的基礎上，通過增加簡單的設備，向尿液中直接添加增效劑或在尿素顆粒外表面噴涂增效劑后得到的尿素產品。新型尿素主要可以分為緩釋尿素、穩定性尿素、聚合氨基酸尿素、含微量元素尿素和增值尿素等五大類。

1.1 緩釋尿素

緩釋尿素最大的特點是力求做到養分釋放與作物對養分的吸收同步，簡化施肥技術，實現一次性施肥滿足作物整個生長期的需要，肥料損失少，提高了氮素利用率，對環境友好。緩釋尿素主要是包膜尿素，即在尿素外表面包裹一層或多層滲透擴散阻滯層來緩解和控制尿素溶解釋放。其包膜材料分為無機物和有機物兩類，無機類包膜材料有硫黃、硅酸鹽、磷礦粉、石膏、鈣鎂磷酸鹽、膨潤土等；有機類包膜材料有屬于天然高分子聚合物類的天然橡膠、纖維素、木質素、淀粉、甲殼素等，也有人工合成的樹脂、表面活性劑等。市場上常見的包膜尿素有硫包衣尿素、樹脂包膜尿素、聚氨酯包膜尿素、植物油包膜尿素、聚乳酸包膜尿素等。楊天悅[2]、李玉等[3]研究表明，包膜尿素在降低尿素淋溶損失、提高氮肥利用率、保證土壤有效氮持續供應等方面有良好的效果。但包膜尿素存在以下幾個問題：①制孔技術還不成熟；②營養釋放與作物吸收不能完全同步；③容易給土壤帶來污染；④成本較高，產業化難度大。

1.2 穩定性尿素

穩定性尿素是通過一定工藝，在尿素造粒過程中加入一定劑量的脲酶抑制劑、硝化抑制劑或二者的組合劑生產的新型尿素。抑制劑可以緩解尿素水解，控制硝態氮的形成，使氮養分在土壤中保持更長的時間，提高有效性。脲酶抑制劑是指能夠抑制土壤中脲酶活性，延緩尿素水解的一類化學制劑。脲酶是土壤中能催化尿素水解的專一性水解酶，脲酶抑制劑控制尿素水解的機理主要體現在兩個方面，一是巰基的氧化降低脲酶活性，二是爭奪配位體降低脲酶活性。目前常用的脲酶抑制劑為有機化合物類，主要為氫醌(HQ)、正丁基硫代磷酸三胺(NBPT)、苯基磷酰二胺(PPDA)、硫脲等。硝化抑制劑是指一類能夠抑制銨態氮轉化為硝態氮的生物轉化過程的化學物質。硝化抑制劑通過減少硝態氮在土壤中的生成和累積，從而減少氮肥以硝態氮形式的損失及對生態環境的影響。目前工業化生產的硝化抑制劑主要有2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(又稱氮吡啶，CP)、雙氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)，此外還有脒基硫脲(ASU)、2-甲基-4,6-雙(三氯甲苯)均三嗪(MDCT)、2-磺胺噻唑(ST)等[4-6]。王靜等[7]、張素萍等[8]、楊煥煥等[9]使用穩定性尿素分別對水稻、玉米、小麥開展田間試驗，結果表明穩定性尿素能有效提高氮素的利用率，延長肥效期，省時省工，節肥增產；對環境友好，可有效減輕因施肥造成的環境污染。但穩定性尿素生產工藝相對復雜，存在相應的技術難點，特別是脲酶抑制劑和硝化抑制劑添加工藝，目前只有德國巴斯夫公司和美國科氏工業集團擁有成熟的添加工藝，加入的脲酶抑制劑和硝化抑制劑在熔融尿液中不分解，能保持活性。添加脲酶抑制劑和硝化抑制劑的穩定性尿素在歐美應用廣泛，但在國內因工藝和成本原因還沒有得到很好的推廣應用。

1.3 聚合氨基酸尿素

聚合氨基酸尿素是在傳統尿素的基礎上，添加聚合氨基酸增效劑生產的新型尿素，目前主要有聚谷氨酸尿素和聚天冬氨酸尿素(又稱多肽尿素)2種。聚合氨基酸高分子化合物能起到離子泵的作用，能強化作物對氮、磷、鉀及微量元素的吸收。聚谷氨酸是生物發酵獲得的物質，聚天冬氨酸可以通過生物發酵和人工仿生合成獲得，這2種聚合氨基酸都具有長鏈蛋白質和陰離子表面活性劑等特性，可促進植物的新陳代謝，增強植物抗性；對作物所需營養成分具有極強的螯合功能和催化作用；不但能促進作物對尿素的全面吸收，提高氮肥利用率，還能富集土壤中氮、磷、鉀及微量元素供植物吸收利用，進而提高作物品質和產量。曹國強等[10]、高山等[11]、揣峻峰等[12-13]研究了聚谷氨酸尿素在大豆、水稻、小油菜上的施用效果，結果表明聚谷氨酸尿素能提高氮素的利用率，促進作物對除氮外的其他營養元素的吸收和利用，能增產增效。陳秉翼[14]、徐嘉翼等[15]、倪承凡等[16]、唐會會等[17]、王娜等[18]研究了聚天冬氨酸/鹽尿素在水稻、玉米上的施用效果，結果顯示聚谷氨酸/鹽尿素能有效提高氮素的利用率，減少氮素流失，提高產量，同時還能增強水稻、玉米的抗逆能力。

1.4 含微量元素尿素

含微量元素尿素是在傳統尿素基礎上添加植物所需的微量營養元素，如鋅、硼、銅、鐵、錳、鉬等而生產的一類新型尿素。微量元素雖然含量很低，但由于其參與植物體內的生理生化過程，因此在植物的生長發育過程中起著至關重要的作用。國內外許多研究表明，微量元素在提高氮肥利用率上有重要作用。陳永利[19]、李翀[20]、魯榮海等[21]、陳登康等[22]的研究表明，含微量元素的尿素具有以下特點：①含多種養分元素，可減輕作物缺素癥；②微量元素與尿素協同增效，可提高氮肥的利用率；③促進作物酶、蛋白質的合成，增強光合作用、新陳代謝等生理功能，從而促進作物的生長發育；④增強作物抗旱、抗寒、抗鹽堿、抗倒伏、抗病蟲害等能力，可提升農產品產量和品質；⑤微量元素隨追肥進入，可減少施肥次數，省工省時。含微量元素肥料不僅能促進作物生長，提高產量，還能改善果蔬、谷物品質，增加微量元素含量，進而提高人體膳食必需的微量元素攝入量，改善人體營養狀況[23-24]。目前市場上常見的含微量元素的新型尿素有含鋅尿素、含錳尿素、含鋅硼尿素等。

1.5 增值尿素

增值尿素是在傳統尿素的基礎上，添加腐殖酸、黃腐酸、海藻酸、核糖核苷酸、殼寡糖以及生物菌等增效劑而生產的新型尿素。通過活性增效載體與傳統尿素的科學配伍，實現對“氮肥-作物-土壤”的綜合調控，更大幅度地提高氮肥利用率。大量研究表明[25-29]，添加活性增效載體的新型尿素具有以下功能特點：①促進土壤團聚體形成，改良土壤結構，增強通透性；②降低表土含鹽量；③增加土壤有機質和有益微生物菌群；④抑制土壤中脲酶活性，減緩尿素轉化，減少氮素損失，長效補充營養，提高氮肥利用率；⑤調動作物根系主動吸收養分的能力，促進根系生長發育，增強作物對氮、磷、鉀及中微量元素的全面吸收；⑥活化土壤中的磷素及中微量元素，補充農作物生長過程中對營養元素的需求，促進作物生長，提高作物產量；⑦增強作物抗病、抗旱、抗寒能力，改善農產品品質。

2 新型尿素生產工藝

在基本不改變尿素生產工藝的基礎上，對現有尿素生產裝置進行少量改造，即可實現新型尿素的生產。現有的新型尿素生產工藝主要有以下3種。

(1)向熔融尿液中添加一定比例的增效劑，再通過噴頭旋轉造粒。增效劑的添加方式有兩種，一是通過進料泵加到尿素蒸發系統的一段與二段蒸發器之間的U形管處，二是加到二段蒸發器后、造粒之前的管道中。第1種添加方式的優點是配置的增效劑添加管線短，投資少，生產的新型尿素水分含量相對較低，不易板結；缺點是會將雜質帶入系統，導致排水指標超標，造成設備腐蝕，縮短設備使用壽命。第2種添加方式的優點是增效劑沒有進入尿素生產裝置的真空系統，對設備影響小；增效劑與高溫尿液接觸時間短，結構不易被破壞，更能保證其完整性和活性。第2種添加方式的缺點是配置的增效劑添加管線長，生產的新型尿素水分含量相對較高。采用此工藝需要添加增效劑配制罐、儲罐、輸送泵及添加管線等。

(2)在尿素造粒后采用噴涂包膜的方式生產新型尿素。除了緩釋尿素中的包膜尿素采用此工藝外，一般在熔融尿液中不穩定，容易在高溫堿性條件下變性失活的含菌、酶的增效劑也采用此生產工藝。此工藝需要添加增效劑配制罐、儲罐、輸送泵、添加管線和噴涂包膜設備等。

(3)采用顆粒尿素或粉狀尿素與固體增效劑混合均勻后再擠壓造粒。

目前絕大多數企業都是采用第1種工藝生產新型尿素，而且增效劑主要在一段與二段蒸發器之間的U形管處添加。

3 新型尿素的發展及存在的問題

我國新型尿素的發展在2000年左右開始起步，但當時發展緩慢，產品品種較少，生產企業也少，市場推廣難，其效果有待驗證。2015年2月17日原農業部發布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，新型尿素由此受到了廣泛的關注，有更多的科研院所和企業投入到新型尿素的開發和生產中，新型尿素迎來了快速發展期。經過2年的發展，新型尿素得到了用戶的認可，產量逐年增長，根據相關數據統計，2017—2020年新型尿素產量分別約為2 030、2 230、2 290、2 600 kt；同時新型尿素生產企業也逐年增多，品種越來越豐富，發展趨勢良好。但新型尿素在發展中也存在以下幾個方面的問題。

(1)新型尿素產量雖然在逐年遞增，但增長幅度較小，說明推廣力度不足。

(2)個別廠商熱衷于炒作概念而輕質量，甚至制假、售假，打著“新型尿素”旗號坑農害農；業內競爭激烈，存在相互貶低、打壓等現象。這些現象嚴重影響了新型尿素的口碑，阻礙了新型尿素的推廣。

(3)部分新型尿素產品生產成本較高，性價比不高，用戶無法接受，推廣困難。

(4)我國在增效劑的基礎研究和復配技術的應用研究方面與歐美國家相比還有較大差距，新型增效劑及增效劑復配添加技術急需突破，增效劑的增效機理及使用量、安全性等的研究還需持續加強。

(5)目前不同的新型尿素主要以顏色區分，如“黃尿素”“綠尿素”“藍尿素”“黑尿素”等。實際推廣應用時應重視農用效果，因為添加色素對作物和土壤是無益的，如果是工業級色素反而會污染土壤。另外添加色素會增加生產成本，加重用戶負擔。禁止添加色素是必然趨勢，因此在推廣新型尿素時應有意識地引導經銷商、用戶樹立“去顏色”的觀念。

(6)目前除腐殖酸尿素、海藻酸尿素有行業標準，多肽尿素、聚谷氨酸尿素有地方標準外，絕大多數新型尿素都沒有國家標準、行業標準或地方標準，造成市面上新型尿素的質量良莠不齊，希望相關職能部門和行業協會加強對新型尿素的監管。

4 應用前景

眾所周知，氮肥產品中尿素活性強，損失途徑多，同質化嚴重，肥效單一。高等院校、科研機構開展的氮肥增效研究大多數都是針對普通尿素產品，通過研究增效載體、控失技術、穩定性技術助力氮肥全面改性、增效。實踐表明，通過添加生物活性增效載體、實施施肥量精準化等手段，可大幅提升氮肥產品的性能與功效。隨著“優先發展農業農村，全面推進鄉村振興”政策的落地和農業供給側改革的推進，綠色高效是農資行業未來轉型升級的主要方向，增值肥料將對我國化肥減施增效、綠色增產做出重要貢獻。在國家政策的引導下，隨著增效技術的突破與進步，新型尿素產業將會更加科學化和規范化。