化肥產品創新驅動產業轉型升級

趙秉強，袁 亮

（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）

肥料(fertilizer)是以提供植物養分為主要功效的物料。化學肥料(chemical fertilizer)簡稱為化肥[又稱無機肥料(inorganic fertilizer)或礦物肥料(mineral fertilizer)]，是由提取、物理和(或)化學工業方法制成的，標明養分呈無機鹽形式的肥料(硫黃、氰氨化鈣、尿素及其縮締合產品，習慣上歸為無機肥料)(GB/T 6274—2016)。化學肥料產品創新是建立豐富產品體系和推動產業發展的動力。從理論上歸納，化肥產品創新主要包括無效養分有效化和有效養分高效化兩個過程。

無效養分有效化產品創新以植物礦質營養學說為主要理論依據，其目標是將肥料資源中難以被植物吸收利用的無效養分形態，轉化為容易被植物吸收利用的有效養分形態。根據植物必需營養元素及其有效吸收形態理論，針對養分資源的性質，采用不同的工藝技術方法，創制化肥新產品，為植物提供有效養分。自1843年John Lawes在英國建立了世界上第一個過磷酸鈣磷肥廠起，過去的170多年間，建立了以合成氨和濕法磷酸為代表的現代化肥產業技術體系和化肥無效養分有效化產品體系，為世界農業發展和糧食安全做出了巨大貢獻。總體來看，20世紀70年代以前，化肥產品創新以無效養分有效化過程為主。化肥有效養分高效化產品創新的目標是化肥產品養分不僅可以被植物吸收利用，而且要實現高效利用。化肥有效養分高效化產品創新是以植物營養與施肥理論為基礎，以農業綠色增產為目標，通過多途徑調控、多學科交叉、多策略集成，實現產品功能化、高效化、綠色化。20世紀70年代以來，化肥有效養分高效化產品創新日益受到重視，其理論、產業技術和產品體系不斷豐富和發展。

植物礦質營養學說的創立開啟了化肥無效養分有效化產品創新過程，建立了現代化肥產業；植物營養與施肥理論的發展為化肥有效養分高效化產品創新奠定了理論基礎，綠色高效肥料產業不斷發展壯大。化肥產品創新驅動化肥產業不斷轉型升級使化肥產業經歷了初始化肥階段(化肥產業1.0時代)、低濃度化肥階段(化肥產業2.0時代)、高濃度化肥階段(化肥產業3.0時代)，不久將全面迎來綠色高效化肥階段(化肥產業4.0時代)。

1 初始化肥階段：化肥產業1.0時代

最初級的化肥階段可定義為“初始化肥”階段，產品主要有草木灰、骨粉或磷礦粉等，其養分濃度低，且有效性較差，屬于原始或初始“化肥”。初始化肥階段是化肥產業的初級階段，可視為“化肥產業1.0時代”，這一階段持續時間很長，幾乎貫穿了整個傳統農業時期。

草木灰是植物燃燒后的殘灰，含有大量元素磷、鉀及中微量元素鈣、鎂、鐵等，因其含氧化鈣和碳酸鉀，故呈堿性。早在我國西周時期(公元前11世紀至公元前8世紀)，人們已認識到腐爛的植物或草木灰有利于植物生長。14世紀初葉，王禎在《農書·糞壤篇》中把草木灰列為一大類農家肥料[1]。草木灰的主要成分是碳酸鉀，故通常被認為是鉀肥的一種，是中國傳統農業中普遍施用的一種肥料，不僅補充鉀素，還可補充磷、鈣、硅及其他中微量元素，并具有土壤調理的功能。直至20世紀70年代，由于我國化肥短缺，廣大農村仍有使用草木灰肥田的習慣，用作基肥、追肥、蘸根或葉面噴施。迄今，秸稈發電燃燒后剩余的灰燼，經處理后依然被用作肥料或土壤調理劑。

骨粉和磷礦粉是由動物骨骼和磷礦經研磨、粉碎而制成的磷肥，加工工藝簡單。骨粉和磷礦粉是一種難溶性磷肥，磷含量(P2O5)因原料不同而有所差異，通常為20%～30%，肥效緩慢而持久。世界上最早的磷肥是骨粉，中國早在漢朝(公元前100年)就已知骨粉肥田；在歐洲，Hunter于1775年提議利用骨頭作肥料，到19世紀30年代前后，在蘇格蘭等地建立了骨肥制造廠，骨粉在英國、德國、前蘇聯等國家開始廣泛應用[1]。骨粉主要作基肥施用，第一年的肥效相當于過磷酸鈣的60%～70%[2]。我國曾對磷礦粉施用開展過大量而細致的研究，磷礦粉的肥效取決于磷礦的活性、施用土壤的性質和作物類型[3]。中國科學院南京土壤研究所采用以施用過磷酸鈣或鈣鎂磷肥的產量為100，中等供磷強度的磷礦粉的產量為基準，以平均相對增產百分數的方法，將植物對磷礦粉中磷的吸收能力劃分成3種類型：1)吸收能力強的植物，蘿卜、油菜、蕎麥、苕子、豌豆和蝴蝶豆等熱帶綠肥，磷礦粉第一年的相對肥效在70%～80%；2)吸收能力中等的植物，大豆、飯豆、紫云英、花生、豬屎豆、田菁、玉米、馬鈴薯、芝麻和胡枝子等，相對肥效在40%～70%；3)吸收能力弱的植物，谷子、小麥、黑麥、燕麥和水稻等，相對肥效在15%～30%[1]。

目前，草木灰、骨粉/磷礦粉等傳統古老的肥料已逐漸被化學鉀肥和速效磷肥所替代，在生產中已經很少見到。

2 低濃度化肥階段：化肥產業2.0時代

化肥產業升級的第二個階段是“低濃度化肥”階段，產品主要有氨水、碳銨、硫銨、過磷酸鈣、鈣鎂磷肥等，養分含量大多在14%～25%，一般不超過30%，屬于低濃度化肥。低濃度化肥的生產技術相對簡單，20世紀80年代以前，我國化肥產業水平處于低濃度化肥階段，這一階段可稱為“化肥產業2.0時代”。

碳酸氫銨(NH4HCO3)簡稱碳銨，含氮量17%左右，是用氨水吸收二氧化碳制成的。我國是世界上唯一的碳銨生產國，因碳銨制造工藝簡單、投資少、建廠快，根據國情，我國曾于20世紀50年代中期提出大力發展小氮肥戰略，1965年成功建立了碳化法合成氨流程制碳酸氫銨新工藝[4]，并迅速推廣應用，使碳銨在20世紀70、80年代，一度成為我國氮肥的主導品種，最高產量曾達到1013.8萬t (1996年，折純)，占氮肥總產量的50%左右。但是，碳銨因性質不穩定，極易揮發損失，從20世紀90年代開始，逐漸被濃度高、性質穩定的尿素所替代。據中國氮肥工業協會統計，2018年我國碳銨產量不到100萬t (純N)，實物量500萬t，僅占氮肥總產量的2.3%。

氨水(N 14%～17%)也曾是我國20世紀60、70年代重要的氮肥品種，但因其性質不穩定、有腐蝕性、儲運和施用不便等問題，后來逐漸被碳銨替代，現已很少見到。

硫酸銨(N 20%～21%)和氯化銨(N 24%～25%)多產自其他化工行業的副產品，專門生產硫酸銨和氯化銨產品的企業不多。硫酸銨主要由煉焦、石油、有機合成等行業的回收氨，經硫酸中和制得。氯化銨通常是聯合制堿(蘇打)工業的副產品。我國20世紀70、80年代化肥短缺時期，硫酸銨和氯化銨大都單獨施用，但目前主要用作復合肥生產的輔助原料。據中國氮肥工業協會統計，2018年我國氯化銨和硫酸銨產量分別占到氮肥總產量的5.3%和7.6%。

普通過磷酸鈣(single superphosphate, SSP)是低濃度(P2O512%～20%)水溶性磷肥，由磷礦粉經硫酸酸化制成。早在1842年英國人John Lawes就獲得了用硫酸和鳥糞化石生產過磷酸鈣的專利，并于1843年建廠生產過磷酸鈣商品肥料。100年后，我國于1942年在云南省昆明開始用昆陽磷礦石(P2O537.9%)生產含有效磷(P2O5) 17%的過磷酸鈣產品，它是我國第一個磷肥品種。過磷酸鈣呈酸性，不僅含有水溶性磷，還可提供硫、鈣等其他中微量元素，在我國南、北方土壤上均具有很好的增產效果，曾是我國歷史上施用量最大的磷肥品種，1998年最高產量達到476萬t (P2O5)[5]，占磷肥總產量的71.8%。但是，過磷酸鈣主要因為含磷量低，逐漸被高濃度磷銨所替代。2018年，我國普通過磷酸鈣(SSP)產量僅占磷肥總產量的3%。

熱制法生產的鈣鎂磷肥(fused calcium magnesium phosphate, FCMP)含磷(P2O5) 14%～19%，是呈堿性的枸溶性磷肥。鈣鎂磷肥不僅為作物提供磷素，還提供鈣、鎂、硅等營養元素，且具有調理酸性土壤的功能。我國是世界上鈣鎂磷肥產銷量最大的國家，最高產量(P2O5)曾達到120.5萬t (1995年)，占磷肥總產量的19.47%[6]。2000年以后，我國的鈣鎂磷肥產量逐漸下降，大量被高濃度磷肥所替代，生產企業數量由高峰時期的100多家，下降到目前的不足20家，產量(P2O5)已不足20萬t，實物產量只有100萬t左右，僅占磷肥總產量的1%。但是，在我國土壤酸化和中微量元素缺乏日趨嚴重的今天，鈣鎂磷肥調理土壤和提供中微量元素的功能開始受到人們的重視，鈣鎂磷肥產品的功能定位和作用也在悄然發生變化。

總體來講，20世紀90年代以前，我國低濃度肥料產銷量大、占主導地位，曾為我國農業生產和糧食安全做出過巨大貢獻。但是，隨著經濟發展和科技進步，碳銨、硫銨、過磷酸鈣、鈣鎂磷肥等低濃度化肥逐漸被尿素、磷銨等高濃度品種所替代，20世紀90年代開始，我國化肥產業逐漸轉型升級進入高濃度化肥時代。另外，在我國20世紀70、80年代處于低濃度化肥時期，長效碳銨、包裹型緩釋肥料、穩定性肥料等高效產品的研發也開始起步發展，為進入2000年后我國大力開展綠色高效肥料的研發奠定了良好的基礎。

3 高濃度化肥階段：化肥產業3.0時代

化肥產業發展的第三個階段是“高濃度化肥”階段，代表性產品主要有尿素、磷銨、氯化鉀和高濃度復合肥等，這些產品的養分濃度一般都超過30%，甚至超過40%，乃至50%，具有濃度高、肥效快、施用方便等優點。從20世紀90年代開始，我國化肥產業逐漸轉型進入高濃度化肥階段，這一階段可稱為“化肥產業的3.0時代”。

尿素是全球產銷量最大的氮肥品種。當前，世界上尿素占到氮肥總量(N)的50%，在我國比例更大，占到63.5% (2018年)。尿素是酰銨態氮肥，含N量≥45.0% (GB/T 2440—2017)，由合成氨和二氧化碳在高溫高壓下直接合成。尿素因顆粒大小不同，通常分為小顆粒(直徑0.85～2.80 mm)、中顆粒(直徑1.18～3.35 mm)和大顆粒(直徑2.0～4.75 mm)尿素3種，超大顆粒(直徑4.0～8.0 mm)尿素數量很少。小顆粒和中顆粒尿素大都作基肥或追肥施用，大顆粒尿素多以摻混(BB)肥的形式施用，也可直接施用。

磷酸銨是目前生產中最常用的高濃度磷肥品種，主要包括磷酸一銨(MAP)和磷酸二銨(DAP)。世界上磷酸銨占磷肥產量(P2O5)的47% (2017年)，在我國則占到85% (2018年)，比例更高。根據磷銨國家標準(GB/T 10205—2009)，磷酸一銨因生產工藝(料漿法和傳統法)和劑型(顆粒和粉狀)不同，氮(N)含量≥7.0%，磷(P2O5)含量≥41.0%。在我國，磷酸一銨直接施用的較少(約占10%)，主要用作生產復合肥(約占70%)或摻混肥(約占20%)的原料。磷酸二銨也因生產工藝(料漿法和傳統法)不同，氮(N)含量≥13.0%，磷(P2O5)含量≥38.0%。在我國，磷酸二銨以直接施用為主(約占65%)，摻混肥施用為輔(約占35%)。

重過磷酸鈣(triple superphosphate, TSP)是由磷酸分解磷礦制成的高濃度(P2O540%～50%)磷肥。1872年，德國首先用濕法磷酸生產含磷(P2O5) 43%～45%的重過磷酸鈣；1907年，美國在南卡羅來納州查爾斯頓建成年產5000 t重過磷酸鈣廠，首先實現商業化生產。我國于1976年在廣西柳城磷酸鹽化工廠建成5萬t/年熱法重過磷酸鈣裝置[4]，開始生產重過磷酸鈣。2005年我國重過磷酸鈣產量約48萬t(P2O5)，占全國磷肥總產量的4.3%；到2018年，我國重過磷酸鈣(TSP)產量接近70萬t (P2O5)，仍然占磷肥總產量的4%左右。

硝酸磷肥(nitric phosphate, NP)是由硝酸分解磷礦，經氨中和制得的含氮(N 13%～26%)、磷(P2O512%～20%)的復合肥料。由于硝酸磷肥受生產工藝復雜、成本高等因素的影響，在我國的產業規模一直不大。1989年我國硝酸磷肥產量僅2.1萬t (實物)，占磷肥總產量的比例很小；2005年硝酸磷肥產量62萬t (實物)，占磷肥總產量的0.6%。近年來，磷銨副產品磷石膏帶來的環境壓力逐漸增大，我國鼓勵發展硝酸磷肥。

氯化鉀(MOP，K2O含量60%左右)、硫酸鉀(SOP，K2O含量50%左右)是我國最主要的鉀肥品種。2017年，我國鉀肥產量718萬t (K2O)，氯化鉀和硫酸鉀分別占到鉀肥總產量的76.2%和21.0%。我國鉀肥資源不足，鉀肥50%依賴進口。

復合肥料是指氮、磷、鉀3種養分中，至少有兩種養分標明量的由化學方法和(或)摻混方法制成的養分在同一個顆粒中的肥料(GB/T 15063—2020)；摻混肥料是指氮、磷、鉀3種養分中，至少有兩種養分標明量的由干混方法制成的顆粒狀肥料，也稱BB肥(GB/T 21633—2008)。國家標準中，復合肥料規定了N+P2O5+K2O高濃度(≥40.0%)、中濃度(≥30.0%)、低濃度(≥25.0%) 3類養分含量規格產品(GB/T 15063—2020)，摻混(BB)肥料規定N+P2O5+K2O養分含量≥35.0% (GB/T 21633—2008)。實際生產中，復合肥、BB肥的養分含量多≥40%，甚至超過50%。高濃度復合肥用量小，便于機械化施肥，尤其方便一次性施肥。復合肥在發達國家起步早，早在1850年，美國已有氮、磷二元復混肥料出售[1]，目前發達國家肥料復合化率已經超過70%。我國復合肥產業發展起步于20世紀80年代，目前復合肥比例占到40%。作物專用復合肥成為復合肥料發展的重要方向。2000年以來，我國作物專用復合肥料配方制定的理論方法及靈活配方肥料生產技術逐步建立，推動我國復合肥走上了作物專用化道路[7-9]。

相比低濃度化肥，高濃度化肥的生產技術更為復雜，裝置大型化，自動化水平高，產能大。從20世紀90年代開始，我國低濃度化肥向高濃度化肥轉型升級的步伐加快，迄今，尿素、磷銨、氯化鉀、復合肥等高濃度化肥在我國的化肥產品結構中已占據主導地位。現階段，我國的化肥產業水平總體上處于高濃度化肥產業3.0時代。

4 綠色高效化肥階段：化肥產業4.0時代

化肥產業發展的第四個階段是“綠色高效化肥”階段。綠色高效化肥的基本特征是養分高效、綠色高產，利于“土壤-肥料-植物-環境”和諧發展。化肥有效養分高效化產品創新，將推動高濃度化肥產業綠色轉型升級。綠色高效化肥階段可稱為“化肥產業的4.0時代”。

綠色高效化肥產業4.0時代建設是一個龐大的系統工程，需從原料、制造、產品、流通和施用5個環節，全產業鏈、全生命周期構建綠色肥料產業體系[10]。1)綠色原料，首先保證制造肥料產品的原料是達到質量安全的，同時肥料資源的利用方式是可持續、綠色的，肥料制造過程中的副產品或廢棄資源應當得到合理利用。2)綠色制造，即建立低碳、環保、資源高效利用的生態工藝技術，單位肥料產品的資源消耗少、能耗低、碳排放少，生產過程綠色環保。3)綠色產品，運用有效養分高效化產品創新的理論與技術，將常規氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥、水溶肥等產品轉型升級為綠色產品，實現養分高效、綠色增產、環境友好。4)綠色流通，肥料從產地到終端用戶的流通環節少，流通過程中的碳排放少。5)綠色施用，施用技術精準高效，肥料施用對環境的負面影響小[10-11]。

我國尿素、磷銨和復合肥大宗產品占化肥用量的80%以上，是產業綠色轉型升級的重點。自20世紀50年代開始，世界許多國家都致力于開發綠色高效化肥產品[12-14]，但迄今全球綠色高效化肥占比仍不足10%。主要原因：首先，產品增效途徑單一、增產潛力小；其次，高效產品開發主要集中在氮肥品種上，磷肥及復合肥增效研究不足；第三，產業途徑多為二次加工，產能低、成本高，制約大規模產業化。因此，破解大宗化肥產品綠色轉型升級這一世界性難題，需要思路、理論、技術和產業途徑系統性創新。過去20年間，以推動大宗化肥綠色轉型升級為戰略目標，我國科學家創立了生物活性載體增效制肥技術路線，建立了“肥料-作物-土壤”綜合調控增效的化肥產品創制新理論，突破生物活性增效載體微量高效關鍵技術，發明增值肥料，建立載體與大型化肥裝置結合一體化生產綠色高效肥料的產業新途徑，開拓增值肥料新產業，年產量達1500萬t，發展成為全球最大的綠色高效肥料類型，為推動我國大宗化肥產品全面綠色轉型升級提供戰略科技支撐[15-16]。化肥綠色增值技術入選“2021中國農業農村重大新技術新產品新裝備—十大新技術”。

目前，我國緩/控釋肥料、穩定性肥料、脲醛類肥料、增值肥料等綠色高效產品已經實現產業化，年產量超過2000萬t，占農田直接施用尿素、磷銨、復合肥料的20%，每年應用面積4000萬hm2(6億畝)，作物增產1500萬t，節肥200萬t[16-20]。隨我國“雙碳”和農業綠色發展戰略的實施，高效肥料產品研發將以綠色增產為主要目標，技術途徑向系統性綜合調控發展，肥料產品功能向多元化發展，增效材料向綠色化發展，更加重視學科交叉與融合、產品研發與產業化結合和滿足農業生產對肥料產品性能的關鍵需求[21]。未來10～20年，我國綠色肥料產業體系構建將進入快車道，大宗尿素、磷銨、復合肥將大面積轉型升級為綠色高效產品，有望占農田直接施用化肥的50%以上，屆時，我國將全面迎來綠色高效化肥產業4.0時代。