腐植酸在肥料产业中的应用

腐植酸在肥料产业中的应用

1肥料总量及利用率低,导致“四水”肥料投资占所有农业材料投资的1.2%。综观国内外研究结果,20世纪粮食单产的1/2、总产的1/3来自化肥的贡献。如果停止施用化肥,全球作物产量将立即减产50%。肥料是保障粮食安全的战略物资。中国占世界10%的耕地消费了世界1/3的肥料,单位面积施肥量是世界平均的3倍。据预测,我国2030年化肥需求量在6600万t(折纯)以上,在目前化肥产量的基础上,需再增加2500万t化肥供应量,国家需增加投资约1550亿元,农民购买化肥需增加1000亿元开支,社会、经济所付代价巨大。2030年要使全国1亿hm2耕地平均施肥水平达660kg/hm2,是很难的,也是土壤、环境难以承受的。未来肥料研究的重点应当是如何提高肥料效率与利用率,而不是继续大幅度提高施肥水平。所以,更新观念,打破传统,力争在未来30年,我国肥料产业实施质量替代数量的发展战略,化肥供应量力争控制在5000万t以内,在不增加或少量增加化肥用量的前提下,提高肥料利用效率,保障我国的粮食安全。2世界现代肥料产业的发展历程化学肥料的生产和推广应用,为现代农业的生产、发展和保障人类粮食安全奠定了物质基础。然而,化肥的低利用率和由此带来的高环境风险,一直是困扰全球的重大问题。世界各国都在积极探索提高肥料利用率、寻求遏制环境污染的方法和途径。20世纪以来,世界现代肥料产业经历了3次变革:20世纪60年代之前,主要生产单质低浓度化肥;60~80年代,发达国家发展高浓度化肥和复合肥;最近20年,以改善肥料养分释放特性为主要特征的肥料创新研究成为肥料研究与开发的热点。2.1研制新型缓/控释肥料,提高肥料利用率以肥料养分的缓释、控释作为改性增效的重点,研制缓释、控释肥料。缓/控释肥料的最大特点是力求做到养分释放和供应与作物吸收同步,简化施肥技术,实现一次性施肥,肥料损失少,利用率高,环境友好。世界各国都逐渐认识到提高肥料利用率的最有效措施之一是研制新型缓/控释肥料。20世纪80年代以来,美国、日本、欧洲、以色列等发达国家和地区将研制缓/控释肥料作为提高肥料利用率的重要途径,力求从改变化肥自身的特性来大幅度提高肥料利用率。缓/控释肥料被誉为是21世纪肥料产业发展的一个重要方向。2.2肥料养分处理混合的性能改进2.2.1复合混肥料技术研究,提高我国肥料的国际竞争力进入20世纪60年代以来,发达国家非常重视研究和发展复合(混)肥料。复合(混)肥料所占比重反映了一个国家化肥工业的技术水平,复合(混)肥料的发展已经成为衡量一个国家化肥工业发展水平的重要标志。目前发达国家复合(混)肥料中氮、磷、钾养分消费量占到总量的70%~80%,而我国只有30%。中国是世界肥料消费第一大国,中国的肥料市场一直是发达国家竞争的焦点之一。开展复合(混)肥料技术研究,促进肥料产业技术升级和增强国际竞争力,是当前推动我国肥料产业发展的重要方面。目前,复合(混)肥料生产中,不仅N、P、K大量营养元素复合(混)增效,而且中微量元素也参与其中。另外,将不同形态的养分诸如尿基氮、铵态氮、硝态氮按不同比例合理复合(混),来调节复合(混)肥养分的释放与供应模式,也成为肥料复合(混)增效的重要措施。造粒工艺一直是复合(混)肥生产的技术关键,在原有团聚、挤压造粒的基础上,发展到氨化工艺、高塔工艺等造粒技术,使肥料的内在和外观品质得到了很大的提升。2.2.2化学肥料养分的优化有机无机复合(混)肥是肥料产业发展中的新秀,逐渐被产业界所重视。通过有机物料与化学肥料的复合(混),来调节优化化学肥料养分的转化、释放和供应模式,从而达到提高肥料养分利用率的目的,是有机无机复合(混)增效的重要机制。有机无机复合(混)肥料兼有有机肥料和无机肥料的双重功效,不仅可以培肥地力和改善作物产量品质,通过“以有机促无机”提高养分利用率,而且也是消纳有机废弃物资源的重要途径,是我国未来肥料产业发展的重要方向之一。2.2.3国外配方肥料的产业发展模式根据作物的需肥规律、土壤的养分状况和供肥特性以及气候特点等,发展配方肥料和作物专用肥料,也是实现肥料增效的重要途径,受到国内外的高度重视。目前国际上配方肥料的产业发展模式主要包括欧洲国家的大配方模式和美洲国家的BB肥小配方模式。我国配方肥料的发展,考虑到幅员辽阔,气候、土壤和种植制度复杂多样,以及小农户经营等特点,应当加强区域配肥技术研究,走区域配方肥料发展的技术模式,研发不同生态区域的专用配方肥料,协调区域养分投入与产出平衡,保证作物持续高产,减少养分损失和环境污染,最大限度地提高肥料养分利用率。2.3第二、二氟当季利用磷在土壤中移动性差,且易与土壤中的Fe3+、Al3+、Ca2+等金属离子生成难溶性磷酸盐类而失去其有效性,造成当季利用率非常低。因此,研究速效磷肥防固定改性技术以及土壤无效、缓效性磷素的解吸促释技术,成为磷肥增效研究的重要方向。2.4生态肥料的发展趋势,主要有机溶剂和配方设计通过肥料制作技术创新,不断拓展肥料的新功能,使肥料功能升级,提高肥料养分利用率,也是21世纪新型肥料发展的重要方向之一。研究开发将作物营养与其他限制作物高产的因素相结合的多功能性肥料,生产符合生态肥料工艺学的要求,施用技术凝聚农学、土壤学、信息学等领域的相关先进技术,可大幅度提高肥料的效率。这些功能性肥料主要包括:具有改善水分利用率的肥料、根际肥料、根系空间伸展调控肥料、作物抗倒伏肥料、防治杂草肥料、防病虫害肥料等。3腐植酸在促进肥料工业技术现代化中的作用和地位3.1腐植酸与化肥腐植酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成,在自然界广泛存在于泥炭、褐煤和风化煤中,是一种多价酚型芳香族化合物与氮化合物的缩聚物,相对分子量几万到几百万,结构组成复杂,含有酚羟基、羟基、醇羟基、醌羟基、烯醇基、磺酸基、胺基、游离的醌基、半醌基、醌氧基、甲氧基等多种活性官能团。这些活性基团的存在,决定了腐植酸的酸性、亲水性、离子交换性、络合性和较高的吸附能力、缓冲能力与催化能力。国内外大量研究证明,腐植酸单独作为肥料时肥效较低,而腐植酸与氮、磷、钾等营养元素结合则具有增强化肥的肥效、优化养分释放模式、提高肥料利用率的效果;腐植酸同时也具有刺激作物生长、改善植物品质、改良土壤等功能。1786年Achard分离出土壤腐植酸,至今已有200余年的历史。腐植酸用于肥料研究工作开始于1877年,前苏联研究人员首先发现腐植酸具有分解磷酸盐的能力。1902年德国首先成功从泥炭中回收氨,并使之与含有腐植酸的物质制成腐铵;1913年英国Bonomoley制成氨化腐植酸铵,迄今西方国家研究腐植酸肥料已有100多年的历史。我国对于腐植酸的研究始于20世纪50年代末,主要是从泥炭利用开始的。为解决化肥供应短缺问题,20世纪六七十年代全国掀起了利用腐植酸肥料缓解化肥供应短缺和改良土壤的热潮,不少科研单位、大专院校及企业对腐植酸在农业、林业、养殖业、医药、工业和环保等方面进行了大量的研究工作。20世纪80年代以后,国内腐植酸科学研究发展不快。1995年以后,尤其是2000年以来,腐植酸肥料的研究又开始受到产业界的重视,科学界也开始重视其理论和产业化技术研究。3.2晚第三纪褐煤我国的腐植酸资源主要分布于褐煤尤其是晚第三纪的年轻褐煤中,其次是分布于泥炭中。此外,我国分布广泛数量巨大的风化煤也是矿质腐植酸的重要资源。3.2.1内蒙古沿海地区褐煤储量我国有丰富的褐煤资源,储量大约为1431亿t,占我国煤炭总量的17%。以内蒙古东北部与东北3省相邻地区的褐煤储量为最多,达到468.7亿t。大同、灵石、太原武家山、萍乡麻山、云南陆良、新疆梧桐、内蒙古公乌素、黑龙江鹤岗和七台河等地的褐煤游离腐植酸含量都高达50%,灰分小于20%。3.2.2若尔盖高原我国泥炭资源比较丰富,其面积约有104万hm2,泥炭总储量为124.8亿t,相对集中分布于西南若尔盖高原,云贵高原,东部长江中下游平原,东北兴安岭、长白山和三江平原等地区。我国泥炭资源中含有丰富的腐植酸,据不完全统计,泥炭资源中约有60%是属于高腐植酸泥炭(腐植酸大于35%),30%属于中腐植酸泥炭(腐植酸在25%~35%),低腐植酸泥炭(腐植酸在15%~25%)约占10%。3.2.3前发现及初步分析我国风化煤资源分布广,储量大。目前,全国风化煤资源尚未进行过系统调查,就目前发现及初步情况分析,储量是非常丰富的,特别是山西、新疆、内蒙古、黑龙江、江西、云南、四川、河南等省区储量较大。据初步调查,山西省有风化煤资源80亿t,内蒙古自治区有风化煤资源50亿t,新疆南湖煤田有风化煤资源3.5亿t。3.3腐植酸在提高肥料利用率和肥产业技术方面的作用3.3.1腐植酸去除业尿素是氮含量最高、农业需求量最大、使用范围最广的氮素化肥。施入土壤后,由于土壤脲酶和硝化细菌的作用,使尿素快速分解,通过氨挥发、硝化反硝化、淋洗等途径大量流失。尿素氮肥的当季利用率只有35%左右,并且在土壤中存留很少,造成经济损失,环境污染严重。尿素施于土壤后,在脲酶的作用下水解为碳酸铵和碳酸氢铵,其转化速度随温度的增加而加快,在10℃时约需7~10d,20℃时约需4~5d,30℃时仅需2~3d。因此,抑制土壤中脲酶的活性,可以降低尿素在土壤中的水解速度,从而减缓损失,提高氮素利用率。研究证明,来源于泥炭、风化煤的腐植酸能够抑制土壤中脲酶的活性,其效果可以与国际上公认的效果较好的脲酶抑制剂二元酚和醌类如氢醌、二氨基苯磷酸盐五氯(PPD)等媲美,而且其在土壤中易降解,无残留,被认为是一种新型的环保型脲酶抑制剂。陆欣等试验认为,腐植酸施用后的2~40d内,对脲酶活性的抑制效果与对苯二酚的效果相同或优于对苯二酚,且腐植酸处理的玉米子粒产量比用对苯二酚处理的增产10.3%。腐植酸从尿素溶液中固定N(非交换吸附)是由腐植酸大分子的外围部分(桥键)实现的,不涉及腐植酸核部分,但能形成牢固吸附(主要为化学吸附)。腐植酸与化学氮肥发生反应形成腐植酸铵,其解离度比NH4HCO3弱,更稳定,因此,它可使氮素挥发、淋失显著减少。国内试验证明,等氮量的碳酸铵和腐植酸铵比较可见,氮素挥发损失由13.1%降到2.04%,肥效从20多天延长到60d以上。发挥腐植酸在改变氮素的转化和释放模式等方面的作用,通过研制新型腐植酸缓释氮肥,改善现有化学氮肥的氮素利用率,促进我国氮肥产业技术升级,具有十分重要的战略意义。3.3.2腐植酸对土壤磷的作用腐植酸对磷肥作用主要表现在腐植酸对速效磷的保护方面,减少土壤对速效磷的固定,促进磷肥的吸收利用。腐植酸对土壤磷的增效作用主要表现在以下几个方面:1)络合作用。磷肥在酸性土壤中很容易与土壤中的Fe3+、Al3+固定,生成不溶性Fe、Al磷酸盐。腐植酸中的活性功能团通过与土壤中的Fe3+、Al3+反应生成络合或螯合物从而减少或避免了Fe3+、Al3+对磷的固定。在碱性土壤中,磷很容易与土壤中的Ca2+、Mg2+(一般为CaCO3)作用转化成磷酸三钙而被固定。腐植酸可以与Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等离子络合而促使磷酸三钙向磷酸二钙和磷酸一钙转化。2)离子交换吸附。腐植酸的阴离子在土壤矿物极性吸附中与磷酸根离子有竞争作用,可减少磷酸根离子被矿物质吸附。腐植酸可以通过其很强的负电性发生同晶代换,将被吸附的磷酸根离子从土壤矿物中取代出来。在这些过程中还伴有腐植酸与磷酸根离子形成可溶性螯合物,减少土壤对磷的固定。3)胶体包被作用。腐植酸是一种性能很好的有机胶体,在Fe(OH)3、Al(OH)3等的表面形成一种保护膜,减轻铁铝氢氧化物对磷酸根离子的吸附。4)增加磷酸盐移动性。磷肥利用率低的原因之一是磷在土壤中扩散速度很慢,移动距离短,与根系接触困难。试验证明,添加腐植酸可使磷在土壤中移动距离增加1倍。腐植酸对根系的刺激作用增加了根系与磷肥接触面积,有助于提高磷肥利用率。另外,腐植酸又具有促进土壤磷酸酶活性的作用,有利于提高磷肥利用率。利用腐植酸在磷肥增效中的作用,研制系列新型腐植酸磷肥新产品,促进磷肥产业技术升级,大幅度提高磷肥养分利用率,应当引起科学界和产业界的高度重视。3.3.3土壤钾素的分布腐植酸对钾的增效作用,主要表现在腐植酸酸性功能团吸收和贮存钾离子,既可以防止土壤钾素随水流失,又可以避免黏土矿物对钾的固定。另外,腐植酸中的某些组分及一些低分子腐植酸对含钾硅酸盐、钾长石等含钾矿物有一定溶蚀作用,可缓慢分解而增加钾的释放,提高土壤有效钾含量的水平。3.3.4治疗微肥中微量元素的应用土壤中的微量元素及无机微肥多因难溶于水而难被作物吸收,化学螯合微肥因螯合剂昂贵而难为农民接受,HA类物质作为一种来源广、价廉的天然螯合剂与微量元素螯合后易被作物吸收。国内HA-Zn及HA-Fe在应用中取得很好效果。使用HA-Zn同ZnSO4比较表明,Zn利用率可提高34%左右。HA-Fe防治果树、大豆缺铁性黄叶病比单独使用FeSO4·7H2O效果好,其价格要比EDTA-Fe便宜得多。近年来,国内外各种微肥使用腐植酸类物质改善和提高微量元素利用率的研究发展很快。随着研究的深入,腐植酸在微量元素肥料、叶面肥料产业技术升级中将发挥越来越大的作用。3.3.5腐植酸对作物幼苗生长和土壤微生物活性的影响腐植酸是一种有机胶体,在土壤中可促进团聚体的形成,有助于改善土壤结构,调节土壤水、肥、气、热状况。腐植酸的酸性功能团可中和盐碱土的碱性,其