磷肥產業的挑戰與礦-肥技術鏈的創新探索

衛尤明，廖宗文，毛小云

（華南農業大學 資源環境學院，廣東 廣州 510642）

1 產業困局與磷肥有效性的思考

磷資源是短期不可再生、不可替代的有限資源。我國磷礦實物儲量僅占世界總儲量的6.2%，而各種品級未加工的磷資源量僅占世界總量的5.8%。即使未來對w（P2O5）＜12%的低品位磷礦進行開采，開采回收率以81.9%計，我國磷礦最后利用年限也僅至2188年［1-2］。磷肥產業的“無米之炊”困局日益嚴峻。日趨嚴格的環保要求，加劇了磷肥產業生產成本上升及經濟效益下滑。磷肥產業現有礦-酸-肥反應體系是一種高碳耗的激烈反應體系，面對資源短缺、環保壓力、效益低下三大挑戰，難以獲得根本突破。

有效性是構成肥料技術體系的基礎，國內外磷肥生產技術雖有不同，但都是基于高水溶性的技術體系。在這種體系下的節酸、節能等技改，都是常規體系內的量變，空間日益收窄，很難突破原體系而獲得質的躍升。礦-酸-肥技術體系下，低品位磷礦因為雜質含量高，導致硫酸被無效消耗而產生更多硫酸鈣，既增加生產成本，又影響磷肥質量和環境。雖然可通過選礦提高磷礦P2O5品位來降低硫酸消耗，但經濟、環境成本雙雙攀升。因此，我國大量低品位磷礦成為“雞肋”而難以使用。有效磷包括水溶性磷、枸溶性磷，因此各項技術都以磷礦向水溶性磷轉化為目標，除向高水溶性磷轉化之外，還有一種新的活化磷養分有效性（適度水溶）的技術。探索基于活化有效性的礦-肥無酸溫和反應體系取代礦-酸-肥反應體系具有重要意義。

2 基于活化有效性的新技術體系

2.1 突破礦-酸-肥激烈反應，構建溫和礦-肥反應體系

活化磷以活化有效性（適度水溶）取代高水溶性，以無酸活化取代強酸激烈反應，因此不會產生低品位礦無效消耗硫酸的問題，使“雞肋”成為有效資源。活化磷的制備工藝簡捷，以磷礦與活化劑研磨即可（見圖1）。活化劑主要由工農業廢棄物經物理、化學修飾等方法處理而制成，廉價易得。

圖1 活化磷制備工藝流程

活化有效性取代經典水溶有效性，原技術體系從原料（可用低品位磷礦）到工藝（省去選礦和除鎂、不用酸、不用耐酸設備等），直至質量測定方法（改靜態水溶指標為動態活化指標）的全技術鏈均發生了質的躍升。活化溫和反應體系與強酸激烈反應體系對比見表1。

表1 活化溫和反應體系與強酸激烈反應體系對比

2.2 活化有效性的優點及技術原理

有效性是技術體系形成的基礎，也是活化磷肥與常規磷肥兩種生產體系的根本區別。

長期以來各種化肥的生產，國內外都是追求高水溶性。其實化肥水溶性并不是越高越好，近幾十年來，高水溶性化肥的弊病也逐漸顯現。磷肥水溶性高，磷養分容易被水沖走流失而造成富營養化，或被土壤中鈣、鎂陽離子沉淀而失效。為此，高水溶性磷肥、氮肥還需要包膜緩釋處理加以糾正，成本升高，難以推廣。而水溶性適中的活化磷肥，養分釋放速率適當加快，可滿足農作物需要，無須再緩釋處理。活化磷有效性與高水溶性化肥的緩釋同屬控釋作用，但方向相反，活化磷有效性化肥的緩釋不是由快變慢，而是由慢變快。活化是“緩釋”的逆向創新——“促釋”。與常規磷肥“第一步高水溶，第二步緩釋”相比，活化磷肥“一步到位”無須緩釋的優勢明顯，且節能降耗［3-4］，又避免了土壤中磷濃度過高被土壤鈣、鋁、鐵、錳沉淀失效，既提高了養分利用率，又減少了養分淋溶流失而導致的水體富營養化。

常規磷肥生產通過強酸高溫的激烈反應工藝來實現高水溶性，活化磷肥生產則是通過溫和的反應獲得適度水溶性。其活化機制是機械化學力［5］，使磷礦（磷酸鈣）晶體結構向無定形轉化，并使難溶的磷酸鈣化學鍵向易溶的磷酸氫鍵轉化，其水溶性大幅度增加（可達100%～500%［3，6］），而且，明顯優于常規磷肥生產應用過程中有效磷大起大落的波動，減少了磷養分被土壤固定失效的損失，與農作物磷養分吸收過程處于更好的供求動態平衡。活化有效性技術不追求過高水溶性，因此無須強酸實施激烈反應，能耗大幅度下降。

2.3 活化磷肥的優點

活化磷肥生產在原料廣泛、綠色工藝和產品性能、經濟效益方面，均大大超越常規磷肥。這一技術體系的全面創新，使礦-酸-肥體系下難以解決的磷礦資源枯竭、環保節能等痛點、瓶頸問題迎刃而解，為磷肥產業升級換代，實現綠色可持續發展開拓了新技術途徑。

1） 低碳綠色工藝貫通礦-肥全鏈

活化磷肥工藝簡捷、低碳，無須硫酸，把活化劑加入磷礦粉攪拌研磨即可，全程無“三廢”排放，從開礦至肥料產品及田間肥效的低碳綠色優勢貫通礦-肥生產鏈全程。活化磷的礦-肥生產鏈與傳統礦-酸-肥生產鏈對比見圖2。

圖2 活化磷的礦-肥生產鏈優勢

隨著環保標準日益嚴格，活化磷肥的綠色低碳優勢也更加凸顯。近年來，對于一些靠近河流水源的新礦區，當地政府甚至不允許選礦筑壩排渣，不允許建硫酸廠。而無酸活化磷的低碳綠色技術為礦山實現礦肥一體化提供了有力的技術保障。

2） 肥效高效持久

全國多點試驗結果顯示，等量施肥條件下，活化磷肥效不亞于過磷酸鈣，甚至更優，作物產量增加，品質提升且生產成本下降，性價比大幅度提升［6-8］，工廠和農民雙雙受益。

除了國內磷礦的活化，對斯里蘭卡、印度、南非、埃及、哈薩克斯坦、巴基斯坦及美國的磷礦進行分析，篩選出相應的高效活化劑進行活化磷肥生產，進而對產品開展盆栽實驗，均獲成功［4，8］。在等質量施肥條件下，活化磷肥均可取得與過磷酸鈣相當或略優的效果（見表2）。

表2 施用各活化磷肥（AP）與過磷酸鈣（SP）的玉米生物量（干質量）對比 g/盆

活化磷肥的肥效優于常規磷肥，并不是因為其養分濃度高，而是其養分釋放均衡持久，與農作物吸磷處于較好的供求動態平衡。因此活化磷肥抗淋溶、抗固定力強，利用率高。常規磷肥的大起大落供肥特性與農作物對養分的需求并不匹配，故肥效受影響。活化磷肥及常規磷肥養分釋放與作物的養分吸收供求關系比較見圖3。

圖3 活化磷肥及常規磷肥磷養分釋放與作物的磷養分吸收供求關系比較

3） 經濟、環境效益大幅度提升

近十多年來，磷肥生產因礦石、能源漲價及環保壓力，其利潤空間進一步收窄。以過磷酸鈣為例，每噸利潤最高不足50 元。而活化磷肥保守利潤約150元/t，是過磷酸鈣的3倍。農民效益依作物而異，增幅一般為20%～30%。

近幾年我國磷肥年產量約P2O51 600萬t，若有1/10 常規磷肥以活化磷肥（按w（P2O5）12%計算）代替，則每年節支金額達30 億元。這對我國磷肥企業破解原料、能源和環保壓力造成的困境意義重大。

3 前景與建議

3.1 發展前景

活化磷不是在原體系內改進某些技術環節，而是從開礦、加工到肥料施用的產業鏈全程技術創新，低碳綠色，免選礦、免耗酸、“三廢”零排放，大幅度實現碳減排，肥料呈中性，不酸化土壤，養分利用率高，有利于促進藥肥雙減，減量增效。經濟、環境效益均大幅度提升，為實現低碳農業提供了新的技術支撐。

1） 活化技術的擴展運用

活化技術在磷肥領域的擴展有兩方面，一方面是擴展用于常規磷肥的活化增效，生產活化磷銨、活化過磷酸鈣、活化鈣鎂磷肥系列產品；另一方面是擴展至其他原料，如骨粉、白肥（飼料磷酸鈣副產品）的活化。

活化磷肥除營養功能之外，還可以鈍化土壤中鎘，大幅度降低鎘污染土壤上作物中鎘含量，降幅達50%左右［9］。

此外還可以擴展應用于其他礦物和尾礦的開發。例如用鉀長石生產活化鉀［10］，用硅砂生產活化硅［11］；用綜合活化技術使尾礦的硅、鎂、鈣同時活化以生產土壤改良劑，補充多種中微量元素［6］，有利于連礦渣也“吃干榨盡”，實現綠色開發，全面高效利用礦山資源。活化技術不僅用于固體肥，還可取代磷銨用于懸浮液體肥生產，具有抗土壤固定，節支增效等明顯優點。

2） 國際合作

東南亞和非洲國家的磷肥多依賴進口，成本遠高于中國。其中一些國家有磷礦而無磷肥生產，該地區應用活化磷的效益比中國更高。用外國廉價低品位磷礦及高鎂磷礦資源，生產活化磷系列產品的技術合作陸續開展。近年來，隨著“一帶一路”的推進，活化磷技術在國際合作中有進一步發展。

華南農業大學十多年來承擔的商務部的“發展中國家環境友好型肥料”國際培訓班工作，均驗證了活化磷的明顯肥效。在發展中國家和發達國家都可利用當地廉價低品位磷礦和高鎂磷礦資源，以活化技術的獨特優勢開拓廣闊的國際市場。華南農業大學與美國佛羅里達大學合作完成的項目表明，施用活化磷的處理生物產量甚至優于等質量過磷酸鈣處理10%以上［4］。與巴基斯坦信德農業大學合作承擔的廣東省科技計劃項目也獲得類似結果。

3.2 發展建議

1） 克服創新的阻力——思維定勢

技術創新要突破原有技術，必然會與原有的思維定勢產生沖突。如果不能克服長期形成的思維定勢阻力，技術創新就無從談起。活化磷在研究過程中，遇到的強大阻力是“高濃度”的片面觀點，其表現有兩種形式。

一是追求高濃度而忽略養分利用率。其實，肥效高低同時取決于養分濃度及其利用率，并不是濃度越高肥效一定越好。高濃度更應該注意養分利用率，否則高濃度會造成高污染。活化磷肥之所以有高肥效，不是因為它的水溶性有多高，而是因為它養分釋放均衡而持久，減少了淋溶和固定的損失，養分利用率更高。

二是只看一兩種養分而忽略其他養分。如磷銨是含氮、磷的高濃度肥料，而鈣鎂磷肥則被視為低濃度肥料。其實，鈣鎂磷肥的3種養分總含量與磷銨相比并不低，而且還有豐富的硅，是多元高濃度肥料。只按磷含量的評價很片面，不利于正確評價和開發礦物資源。鈣鎂磷肥在國外，例如日本、韓國、巴西，肥效很好，售價也較高。而且國內一些企業做了大量工作，證明鈣鎂磷肥在土壤改良、防病促長、抗土壤重茬等方面有顯著的效果［2］。同樣道理，被丟棄的尾礦雖然磷、鉀含量不高，但是硅、鈣含量很高，各種養分總量不低，而且原料豐富，成本低，也是有開采價值的礦物資源。

2） 制定與創新配套的政策

長期以來，創新肥料產品進入市場往往受到原有政策的限制。普通肥料管理辦法對于創新肥料技術成果轉化是難以逾越的障礙。尤其是顛覆性創新的肥料，在肥料登記目錄中根本不存在，往往被拒之門外。從技術突破到實現產業化是重要的跨越，而市場準入則是實現這一跨越的關鍵。因此，急需建立新型肥料進入市場的配套政策，開辟促進創新的綠色通道。有必要參考經濟特區，建立一個有配套政策的肥料創新示范特區。設立進入特區的相應門檻（例如國家項目、鑒定、獲獎）政策，在特定區域進入市場，開展活化磷肥等新型肥料的試驗、示范、推廣及科普工作。在經過一段實踐后，逐步向周邊地區輻射，做到以點帶面，既積極又穩妥地推進。