养分资源综合管理及化肥产业持续发展

.页眉.PAGE页脚..第八届国产高浓度磷复肥产销会议材料第八届国产高浓度磷复肥产销会议材料养分资源综合管理及化肥产业持续发展张福锁张卫峰范明生曹一平引言近年来，中国经济快速增长和人民生活水平大幅度提高消耗了大量的资源并造成了极大的环境负担。2005年中国GDP总量达到18.4万亿人民币，1998-2005年平均增长速度达到9.2%，这是中国经济第六个高速增长年，据估计，按照目前的经济增长速度在2015-2020年间，中国的GDP总量占全球的比重将会由目前的4%增长到17%。同时，中国人民的生活发生了很大的变化，25年间，我国城乡居民储蓄增长了近200倍，城市居民居住面积增长了6倍，彩色电视机拥有量增长了8倍，到2005年，人均肉、蛋、奶的占有量达到59.22kg、22.02kg、21.91kg，与25年前相比，分别增长了3.74倍、6.45倍、14.07倍。畜牧业的发展给粮食生产带来极大压力，按照目前的人口基数和增长速度，2030年人口将达到14.5亿，粮食需求达到6.4亿吨。为了提高农业综合生产能力，中国政府采取了加大化肥投入力度的方式，由此导致中国化肥生产量和消费量的大幅度增长，近五年生产量年均增长7%，消费量增长5%，到2005年化肥消费量达到4766.2万吨，占世界消费量30%。化肥的生产和施用伴随着资源消耗和环境污染，中国目前能源年消耗量达到22.3亿吨标煤，化肥生产占综合能源消耗的5%，磷矿石年消耗量超过1亿吨，占国有富矿资源储量的10%，资源紧缺已经成为限制我国经济发展的关键因素。同时，环境压力增大，我国二氧化碳排放量已经达到7.8亿吨(2000年)，居于世界第二位，而且预计在2020年左右达到15.7亿吨，农田系统是温室气体排放的主要来源。其他与氮以上问题的发生是养分资源在社会经济体系中循环速度加快所至，为了作物生长，我们投入了大量的化学肥料，而由于生活燃料、其他经济用途导致作物秸秆中的养分无法完全还田，食品（包括动物）生产过程中养分资源无序排放较多，由于成本所至这些资源也未能还田，而在家庭消费体系中，生活垃圾等含有大量养分资源的物质未能回收利用。上游资源的大量投入和下游各环节的大量排出导致资源浪费和环境污染。中国需要构建新的养分资源综合管理模式，需要从农田、动物生产、食品加工、生活消费几个方面统筹规划，切实做好源头调节、中间控制、末端管理的综合技术，这就需要政府、企业、农民、科学家的共同努力，这也是中国植物营养学家义不容辞的责任。为了有效解决社会中养分管理的大问题，中国农业大学资源与环境学院以农业部“948”项目为平台，从农田、畜牧、家庭消费和环境养分多个方面入手，利用5年的时间探索了养分资源综合管理各个环节、提出了提高养分利用效率的技术和管理途径。本文将重点介绍化肥产业及农田养分资源综合管理方面的研究结果。1养分资源综合管理的概念与内涵养分资源综合管理（IPNM或INM）是由联合国粮农组织（FAO）、国际水稻所（IRRI）和一些西方国家于20世纪90年代提出的，它的目标是综合施用各种植物养分，使产量的维持或增长建立在养分资源高效利用与环境友好，同时又没有牺牲后代土壤生产力的基础上。张福锁等将养分资源综合管理概括为：养分资源综合管理是从农业生态系统论的观点出发，协调农业生态系统中养分投入与产出平衡、调节养分循环与利用强度，实现养分资源高效利用，使生产、生态、环境和经济得到协调发展(范明生等，2003)。养分资源综合管理是传统的施肥理念在概念、内涵和目标等方面的拓展。在概念上，其核心特征是“养分资源”和“综合管理”；在内涵上它不仅强调肥料的重要性，也注重各种养分资源的综合利用，在调控理念上由传统施肥的肥料均衡施用向农田生态系统养分循环的动态管理转变；在目标上，养分资源综合管理的目标是协调高产、资源高效和环境保护，而不是单纯的追求高产。养分资源综合管理既是养分管理的理论，也是养分管理的技术。但是由于西方发达国家和大多数发展中国家在养分资源利用上面临的问题不同，其养分资源综合管理的策略也有所不同。西方发达国家的养分资源综合管理策略主要是针对高投入农业带来的环境污染和农产品质量下降问题，强调减少肥料投入，增加养分再利用，减少养分损失，保护环境。但是在非洲等发展中国家，则由于肥料施用不足，管理不善使土壤肥力严重退化，粮食安全问题也面临极大挑战，因此非洲国家的养分资源管理策略主要是增加养分投入，减少养分损失，提高产量和维持土壤肥力。我国与发达国家类似，但是我国面临更大的困难，不象西方的发达国家可以在牺牲作物产量前提下而强调生态环境保护；我国仍然必须走高产出的路子，必须在保证农产品数量的同时，强调资源高效利用和环境保护。2我国农田养分资源综合管理目标与主要策略2.1农田养分资源综合管理的目标：高产高效和环境友好中国农田养分资源综合管理的主要目的应该是提高粮食产量的同时达到资源高效。中国粮食安全依靠单产提高，其中化肥贡献最大。从1949年到2003年，中国粮食总产增加了2.2倍，其中粮食单产增加了3.2倍，而播种面积减少了10%，可见粮食单产提高在中国粮食总产提高中的作用。据测算，化肥对中国粮食生产的贡献率最大，为29.76%，灌溉次之，为23.33%，其它措施的贡献均低于15%。“要增产就要增加化肥投入”已经成为许多政府官员和农民的共识，为保证未来粮食单产提高，许多人寄希望于增加化肥投入，而实际上目前中国农户化肥投入量不足和过量并存。据2000年全国22个省(n>10000)的农户施肥量调查表明，施氮量超过250kg·hm-2的农户，水稻为33.6%、小麦为26.4%、玉米为30.8%；施肥量低于150kg·hm-2的农户，水稻为32.3%/小麦为35.0%、玉米为34.9%；施氮量在150~250kg·hm-2的农户，水稻为34.2%小麦为39.1%、玉米为34.3%。说明我国农户施肥水平相差较大。我们对全国2000-2005年1333个试验的结果分析表明，目前我国水稻、小麦和玉米三大作物氮、磷、钾肥料的平均利用率分别为27.5%、11.6%和31.5%。与上世纪80年代相比，目前我国主要粮食作物的氮肥利用率下降了7.5个百分点，磷肥和钾肥利用率分别下降了3.4~8.4和3.5~18.5个百分点。我国目前的养分效率明显低于欧美发达国家（欧美国家氮磷钾利用率分别为50-57%，15-20%和20-60%）。随着肥料利用率下降，我国单位肥料养分的粮食生产力也在下降，目前我国化肥的粮食生产能力为8-10kg/kg，而欧美发达国家可达11-24kg2.2农田养分资源综合管理主要策略2.2土壤、肥料（化肥和有机肥）和环境养分是农田生态系统中养分的三大来源。土壤是植物最直接的养分资源库，植物需要的各种矿质养分都能或多或少地从土壤中得到；以各种方式进入土壤的养分都会成为土壤养分资源的一部分。肥料是人工补充植物养分的物质，按来源分为有机肥料和化肥。有机肥料主要来源于动植物及其残体，城市废弃物等，目前,我国的有机肥资源，如秸秆，城市废弃物、畜牧生产的废弃物等都没有得到充分的利用。比如：据农业部2000年统计资料，我国每年秸秆资源总量达5.5亿吨，含N、P2O5、K2O分别为493.9、156.7、982.5万吨，总养分为1633.2万吨，其中N素养分还田率仅为47.3%。2003年中国畜禽粪便总产生量约为31.9亿吨，纯养分氮量为1390万吨，据估计随着畜牧业的进一步发展，畜禽粪便总产生量将达到43亿吨左右，其中的氮磷养分量将分别达到1800万吨和500万吨，但我国畜禽粪便还田率不到50%。由于植物秸秆和动物粪便中的养分未能有效还田，因此化肥成为农田养分的主要补充者。另外，环境养分也能够通过大气干湿沉降、灌溉水、生物固氮等途径进入植物生产系统。生物固氮是我国农田养分维持的主要途径，而据各地试验资料显示，干湿沉降和灌溉水已经成为部分地区农田生态系统重要的养分来源。如在山东寿光蔬菜体系中，灌溉水带入的氮高达180-250kg/ha.a。另据报道，近20年来我国农田生态系统中湿沉降输入的氮素数量呈显著增加的趋势，雨水氮的数量从80年代初的10-12kg/ha.a，增加到目前的20-30kg/ha.a。印度旁者普（Punjab）水稻—小麦种植体系的灌溉水中S、K含量最高分别能达到882公斤/公顷,因此，针对我国化肥过量施用，而忽视了对其他养分资源的利用现状，系统地开展我国主要生态区作物生产体系环境养分定量化评价以及各种养分资源的综合利用技术是农田养分资源综合管理的主要策略之一。2.2.发挥生物自身潜力，从生物学途径来提高养分资源利用效率也是养分资源综合管理研究与应用的一个重要方面(张福锁等，1995)。通过常规育种或遗传工程等手段对于提高养分资源利用效率，减少环境污染不仅完全可行，而且潜力巨大。例如，英国洛桑实验站早在1952-1967年间的研究就表明：在施肥量长期维持在144千克氮/公顷的情况下，由于采用高产高效品种，使春小麦的氮肥利用率由35%提高到65%，因品种差异造成的肥料利用率变异高达24%-82%；张福锁等的研究报告也表明，小麦、玉米等作物在长期定位施肥条件下，由于品种改善可使肥料利用率提高20%-30%。而通过基因工程等手段成功改良作物营养遗传性状有很多报道。如：黑麦铜营养效率较高的特性通过染色体工程技术转移到小麦上，形成小黑麦，小黑麦的这一特性再转移到小麦上，从而提高了小麦的铜营养效率；基因突变体技术在作物营养性状的改良方面也已得到广泛应用，Kneen和Lakue就曾用1%甲基磺酸乙酯处理豌豆（sparkle）种子一小时后得到一个单基因突变体E107。其体内铁的浓度可以是sparkle的50倍以上（张福锁，1996）。生物固氮是提供人类所需氮素的最重要来源，约占全球固氮量的3/4。通过这一途径可以开辟氮肥新肥源，减少农业对工业氮肥的依赖，减少氮肥污染，保护生态环境。研究已经证明，由于豆科植物能够通过根瘤菌直接从大气中固定氮，所以豆科与禾本科轮作或间作时，禾谷类作物能吸收腐烂的豆科作物的根与根瘤释放的氮，而减少氮肥施用30%。豆科绿肥也是重要的有机肥源。但是人类关于固氮的研究，直到二十世纪八十年代才取得了三项有划时代意义的进展：即，证实生物固氮作用只限于原核类微生物；共同固氮基因（nif）的发现；nif在细菌间的转移及对其位置、数目、结构和功能方面的深入了解（尤崇杓，1995）。当前，它仍处于现代科学发展的前沿。其研究目标可归纳为：第一，发掘新的固氮资源和高效固氮体系的建立；第二：将固氮基因和与其相关的基因或固氮生物引入非豆科植物，特别是农作物，实行自我供氮（陈廷伟，1994）。这些目标的实现不仅将提高养分资源的利用效率，必然对农业发展产生巨大的推动作用。2.2.3综合运用减少养分损失、高产、建立养分资源综合管理体系也要综合应用各种农作技术。农业生产是一个多种因素综合作用的复杂体系，在生产实践中单一的某项技术很难实现高产，资源高效和环境保护的目标。这些农作技术可分为3类：1，免耕、梯田、覆盖、间作和生物固氮等能够改变田块的物理环境，改善土壤性质和结构，阻止养分淋失和侵蚀损失的措施；2，条施、深施、肥料表施盖土，稻田以水带氮能减少养分损失的施肥技术；3、高产栽培，节水等技术。比如：在成都平原的一个长期定位试验的研究中：水稻覆盖旱作栽培技术每年节约灌溉水90%以上（Liuetal.,2005），地膜覆盖提高了水稻产量12.5%和系统生产力（水稻+小麦）10.6%，而在麦秸覆盖条件下，系统生产力能够维持，水稻地膜或麦秸覆盖旱作也能维持或提高土壤的肥力。总之，从单一走向综合，从单学科研究走向多学科的综合研究是实现高产，高效和环境保护的必然选择。3化肥产业发展的一些策略3.1化肥产业面临的问题化肥是我国养分循环体系中的主要来源，其中化肥供应了人类蛋白质需求量的40%，化肥在中国已经提供了种植业体系中75%的氮素来源。充足的化肥供应需要强大的化肥产业来支持。自20世纪六十年代，中国政府采取一系列措施大幅度提高了化肥的生产能力，至2005年，中国化肥产业现价总产值达到2409亿，再加上流通环节增值，全行业总产值约2800-3000亿元，总产量已经达到5177.86万吨（N：3575.9；P：1124.9；K：232.7分品种的产量来自于协会统计数据，总产量来自于2006国家统计年鉴，两者略有差异），占世界生产总量的30%，氮肥和磷肥产量已经居于世界第一位。形成了上游磷硫原料生产商135家、化肥生产商1924家，批发商超过3000家，零售商超过20万家的庞大群体。但是庞大的化肥产业并没有形成健康发展的局面，导致全国化肥供应体系效率较低、能源与资源消耗大、过度竞争严重、市场调节乏力，进而影响了化肥合理使用，导致养分循环经济性差。根据我们的计算目前我国化肥产业仍有20%的企业长期亏损，全行业资产负债率超过60%，90%的氮肥企业合成氨能耗超过国际平均水平（1.33吨标煤/吨氨），磷肥和钾肥生产成本普遍高于国际先进水平，氮肥产业国际竞争力排名第9名、磷肥产业国际竞争力排名第4。3.2化肥产业管理策略研究需要加强化肥产业的低效率发展主要来自于管理不当，尤其是我国化肥生产、销售和施用整个链条严重脱节，产业的发展无法通过市场与农业需求紧密联合，导致产品结构不合理，产品平均养分含量低于36%，复合肥产量仅12%，养分供应极度不平衡，在区域间表现更为明显。解决产业的问题需要通过调控来实现，自2003年国家通过一系列工作来加强宏观调控的力度，2003到2005年，国家商务部委托中国农业大学等单位开展了“中国磷肥产业国际竞争力研究”课题，揭示了磷肥产业发展问题及提高竞争力的策略，但国内外化肥产业频繁变化，跟踪研究不够。2004年国家发展与改革委员会委托中咨公司等单位开展了中国肥料产业调控政策研究，但产业发展处于转折阶段，调控政策仍未理顺。同年，中国交通部委托中国交通规划院开展了中国肥料运输调控体系研究，但化肥运输统一协调系统仍未建立。进入2005年国家发展与改革委员会委托石油化工规划院等单位开展了“中国肥料十一五规划”研究，但化肥产业发展的主导方向仍值得思考。2005年下半年，中华供销合作总社委托中国农业大学资源与环境学院开展了“中国肥料战略储备项目研究”，其科学依据已经明确，但是操作层面苦难重重。这些研究刚刚起步，今后仍然需要进一步完善中国肥料管理体制，实现肥料生产、运输、销售使用各环节的高效调控。3.3明确化肥需求加强产业指导我国化肥产业发展需要立足于国内市场供应，这是我国特殊的国情决定的：人多、地少、粮食供应持续偏紧、资源缺乏等等。经过半个多世纪的快速发展，我国已经形成了巨大的产业群体，氮肥产量在上世纪90年代末即已经能够满足国内需求，磷肥产量在2006年左右也达到1200万吨以上，与需求基本吻合，唯有钾肥供应处于不足状态，估计年缺口在400万吨K2O。但这些年我国化肥产量却仍以高速发展，氮肥工业协会统计显示，自2005年-2007年短短的三年间尿素新建装置增加的产能达1065万吨，加上现有装置自然增长，累计净增产能1340万吨，产能增幅达32.2%,到今年底全行业尿素产能达到5500万吨。2007年至2010年预计还有428万吨能力的新装置投产，届时国内企业新建尿素装置产能比2004年增加1165万吨，其它氮肥品种如碳酸氢铵产能会保持在较为稳定的程度，而氯化铵会增长到250万吨（产量达到200万吨）；2010年氮肥生产总能力将从2005年的3700万吨增长到4300万吨，估计合成氨产量会达到5550万吨。而同期氮肥需求增长幅度可能仅为3.6～7.5%，2010年过剩产能将达到1170万吨。大幅度增长的氮肥产能使得国内外企业将目光瞄准出口，我国尿素出口这些年处于波动状态中，2004年出口量达到390万吨以后国家采取了高额出口关税限制的措施，2005和2006两年出口量有所降低，但2007年在国际价格不断飙升而国内价格持续低迷的状态中，尿素出口又一次抬头，估计2007年尿素出口会创新高，至少会达到500万吨。据磷肥工业协会公布，2006年我国磷肥产量达到1213万吨，估计2007年全国磷肥产量将达到1376万吨以上，同比增长超过10%以上，2010年产量将达到1500万吨。磷肥生产已经远超过磷肥需求，据估计我国磷肥需求最高量为1250万吨左右。近两年磷肥产量的增长主要受国际出口的影响，主要是磷酸二铵和磷酸一铵，但受高额关税的影响，磷酸二铵的出口受阻，磷酸一铵的出口大幅度增长。另一方面，磷酸一铵的产量大幅度增长也受复合肥生产的拉动，在二铵等产品价格不断增长的同时复合肥价格一直在低位运行，这促使了复合肥的快速发展，同时拉动了上游原料的生产。磷酸一铵需求增长的同时、我国硫磺和钾盐的需求同步增长，据估计2007年我国硫磺进口量可能会达到1000万吨以上，增长10%以上，而硫磺价格可能会持续在200美元/吨的高价位运行，甚至受国际硫磺供应紧张局势的影响，价格会更高。氯化钾进口量估计会达到700万吨以上，但价格可能会在240美元/吨以上的高价位运行。整个行业氮肥和磷肥的过剩以及迅猛发展的出口给我们产生了一个错觉，认为中国化肥大量出口的时期到来了，众多企业也在积极与政府部门协商，希望能够降低关税，处理过剩的产品来换取企业长远发展能力。对于这个问题，站在国家的角度，放开出口限制的可能性较小，因为我国化肥需求的形势仍不明了，短期之内化肥需求的变动可能会导致整个供需平衡发生变化。2004和2005年我国钾肥需求的大量增长（2005年比2003年增长56%）是我们始料未及的，结果导致2006年钾肥价格大幅度坚挺，从110美元/吨上涨到了220美元，几乎翻了一番。需求形势的大幅度波动可能会发生在氮肥和磷肥上，2000年以来我国蔬菜和水果的出口大幅度增长带动了国内蔬菜和水果播种面积大幅度增长，其中蔬菜面积年增长近2.6%，果树面积年增长超过5%。而同时粮食供应形势持续趋紧，我国已从小麦、水稻的净出口国变成净进口国，油料进口量也不断增加。粮食安全的问题给我们的启示是，中国人口众多，粮食供应偏紧的趋势将长期存在，不容忽视。如果放开化肥出口，国内生产形势略有变化，则很快可以出现供不应求的局面，我国化肥需求波动的幅度已经从上世纪90年代的100万吨养分/年提高到目前的400-600万吨养分，这是因为施肥量较大，即使播种面积小幅度变化也会导致需求总量的大幅度变化，另外，工业需求以及林业、牧业、渔业需求都在增长，因此化肥需求的变动空间迅速放大。而现在氮磷肥过剩的产量也仅在400-600万吨，如果放开出口可能无法应对突然增长的需求。另外，放开化肥出口可能会带来更多的其他问题，国际市场的不规则波动会导致国内市场价格失去控制，在我国农业补贴尚不完善的情况下，农户无法接受价格的巨变，有可能会导致种植业结构的变化，从而影响粮食安全。任何产品的供应和需求应该保持在供应略大于需求的状态，这是自然规律，而对于化肥这种农业生产必须品来说，保证充足的供应是国家发展的需要，产能增长大于需求增长属于正常情况。因此，在目前的情况下，国家和企业应该保持产能的发展，但是应该控制产量，根据市场需要调节产品结构，例如磷酸二铵的需求已经比较明确，控制二铵产量增长是必须的。但是复合肥发展是我国化肥发展的主导方向，保证磷酸一铵、硫磺和氯化钾等原料的供应是当务之急。但复合肥发展的方向需要进一步明确，要加快复合肥配方标准化和科学化的建设工作，避免配方不合理带来的原料需求突增，尤其是要慎重对待氮和钾的配比。3.4加强复合肥料品种开发策略图1中国专用肥及施肥套餐开发思路解决中国化肥产业发展问题和农田养分资源综合管理问题的共性关键之一是化肥品种的优化，而复混肥（含复合肥）代表着中国化肥产品的主要方向，其具体产品的发展策略值得注意。如何在养分资源综合管理理念中实现复混肥产品的优化，进而推进养分资源高效利用的农田生产系统发展需要结合我国的国情。在以复混肥为媒介的技术推广手段上，我国与国外应有所不同：欧美发达国家以农场为经营基本单元，其养分资源综合管理主要依据养分的流动与循环原理进行，目标是充分利用农场内部的养分资源，提高资源效率，减少其对环境的不良影响。农场养分资源综合管理计划重点是①确定获得理想产量需投入的养分量及养分施用的时间，用农艺措施来提高养分利用效率；②应用非商品肥料时，要确定其养分价值和有效养分量；③明确豆科植物的对土壤中氮素的贡献；④尽量应用土壤植株测试技术。我国以农户为基本生产单位，功能与国外的农场类似，理论上解决农户的养分资源优化管理是实现养分资源高效利用的重要途径，但现阶段我国农户经营规模小、产业结构单一、经济效益低，因此还难以推广应用国外农场养分管理的方法。根据我国的特点，综合分析发现区域和农田养分管理技术重点在于研究和推广系列专用肥，并根据农户和区域的种植特点提供各种施肥套餐。图1中国专用肥及施肥套餐开发思路专用肥和施肥套餐的研究和应用状况：目前市场上的专用肥名目繁杂、种类巨多，基本上涵盖了我国大部分的种植作物，也应用到了我国各个地区。但是体现出的问题是：⑴品牌繁多，但是品牌寿命短，劣质品牌太多，优质品牌少；⑵我国目前的专用肥大部分由小型企业生产，大型企业仍然以提供传统的磷酸铵、尿素、基础三元复合肥为主，很少加入到提供精量专用肥的行列中；⑶技术水平差，大部分专用肥从工艺到使用效果与通用肥没有区别；⑷缺乏肥料立法、市场监管不力，劣质专用肥坑农害农时有发生；⑸专用肥配套的农化服务技术支持和推广乏力，使用中未能发挥专用肥的优点；⑺最重要的是研究机构不能提供真正适合于中国土壤、作物、农业发展需要的系列专用肥工艺配方和施用技术。我们通过资料整理分析，逐步掌握了主要作物的生长和营养特点，再通过全国58个实验点的田间试验，希望提供适合于全国主要作物的系列专用复合肥配方和使用方法，