腐植酸在肥料產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

腐植酸在肥料產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

1肥料總量及利用率低,導(dǎo)致“四水”肥料投資占所有農(nóng)業(yè)材料投資的1.2%。綜觀國內(nèi)外研究結(jié)果,20世紀糧食單產(chǎn)的1/2、總產(chǎn)的1/3來自化肥的貢獻。如果停止施用化肥,全球作物產(chǎn)量將立即減產(chǎn)50%。肥料是保障糧食安全的戰(zhàn)略物資。中國占世界10%的耕地消費了世界1/3的肥料,單位面積施肥量是世界平均的3倍。據(jù)預(yù)測,我國2030年化肥需求量在6600萬t(折純)以上,在目前化肥產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,需再增加2500萬t化肥供應(yīng)量,國家需增加投資約1550億元,農(nóng)民購買化肥需增加1000億元開支,社會、經(jīng)濟所付代價巨大。2030年要使全國1億hm2耕地平均施肥水平達660kg/hm2,是很難的,也是土壤、環(huán)境難以承受的。未來肥料研究的重點應(yīng)當是如何提高肥料效率與利用率,而不是繼續(xù)大幅度提高施肥水平。所以,更新觀念,打破傳統(tǒng),力爭在未來30年,我國肥料產(chǎn)業(yè)實施質(zhì)量替代數(shù)量的發(fā)展戰(zhàn)略,化肥供應(yīng)量力爭控制在5000萬t以內(nèi),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,保障我國的糧食安全。2世界現(xiàn)代肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程化學(xué)肥料的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、發(fā)展和保障人類糧食安全奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。然而,化肥的低利用率和由此帶來的高環(huán)境風(fēng)險,一直是困擾全球的重大問題。世界各國都在積極探索提高肥料利用率、尋求遏制環(huán)境污染的方法和途徑。20世紀以來,世界現(xiàn)代肥料產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了3次變革:20世紀60年代之前,主要生產(chǎn)單質(zhì)低濃度化肥;60~80年代,發(fā)達國家發(fā)展高濃度化肥和復(fù)合肥;最近20年,以改善肥料養(yǎng)分釋放特性為主要特征的肥料創(chuàng)新研究成為肥料研究與開發(fā)的熱點。2.1研制新型緩/控釋肥料,提高肥料利用率以肥料養(yǎng)分的緩釋、控釋作為改性增效的重點,研制緩釋、控釋肥料。緩/控釋肥料的最大特點是力求做到養(yǎng)分釋放和供應(yīng)與作物吸收同步,簡化施肥技術(shù),實現(xiàn)一次性施肥,肥料損失少,利用率高,環(huán)境友好。世界各國都逐漸認識到提高肥料利用率的最有效措施之一是研制新型緩/控釋肥料。20世紀80年代以來,美國、日本、歐洲、以色列等發(fā)達國家和地區(qū)將研制緩/控釋肥料作為提高肥料利用率的重要途徑,力求從改變化肥自身的特性來大幅度提高肥料利用率。緩/控釋肥料被譽為是21世紀肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。2.2肥料養(yǎng)分處理混合的性能改進2.2.1復(fù)合混肥料技術(shù)研究,提高我國肥料的國際競爭力進入20世紀60年代以來,發(fā)達國家非常重視研究和發(fā)展復(fù)合(混)肥料。復(fù)合(混)肥料所占比重反映了一個國家化肥工業(yè)的技術(shù)水平,復(fù)合(混)肥料的發(fā)展已經(jīng)成為衡量一個國家化肥工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。目前發(fā)達國家復(fù)合(混)肥料中氮、磷、鉀養(yǎng)分消費量占到總量的70%~80%,而我國只有30%。中國是世界肥料消費第一大國,中國的肥料市場一直是發(fā)達國家競爭的焦點之一。開展復(fù)合(混)肥料技術(shù)研究,促進肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級和增強國際競爭力,是當前推動我國肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方面。目前,復(fù)合(混)肥料生產(chǎn)中,不僅N、P、K大量營養(yǎng)元素復(fù)合(混)增效,而且中微量元素也參與其中。另外,將不同形態(tài)的養(yǎng)分諸如尿基氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮按不同比例合理復(fù)合(混),來調(diào)節(jié)復(fù)合(混)肥養(yǎng)分的釋放與供應(yīng)模式,也成為肥料復(fù)合(混)增效的重要措施。造粒工藝一直是復(fù)合(混)肥生產(chǎn)的技術(shù)關(guān)鍵,在原有團聚、擠壓造粒的基礎(chǔ)上,發(fā)展到氨化工藝、高塔工藝等造粒技術(shù),使肥料的內(nèi)在和外觀品質(zhì)得到了很大的提升。2.2.2化學(xué)肥料養(yǎng)分的優(yōu)化有機無機復(fù)合(混)肥是肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的新秀,逐漸被產(chǎn)業(yè)界所重視。通過有機物料與化學(xué)肥料的復(fù)合(混),來調(diào)節(jié)優(yōu)化化學(xué)肥料養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、釋放和供應(yīng)模式,從而達到提高肥料養(yǎng)分利用率的目的,是有機無機復(fù)合(混)增效的重要機制。有機無機復(fù)合(混)肥料兼有有機肥料和無機肥料的雙重功效,不僅可以培肥地力和改善作物產(chǎn)量品質(zhì),通過“以有機促無機”提高養(yǎng)分利用率,而且也是消納有機廢棄物資源的重要途徑,是我國未來肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。2.2.3國外配方肥料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式根據(jù)作物的需肥規(guī)律、土壤的養(yǎng)分狀況和供肥特性以及氣候特點等,發(fā)展配方肥料和作物專用肥料,也是實現(xiàn)肥料增效的重要途徑,受到國內(nèi)外的高度重視。目前國際上配方肥料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式主要包括歐洲國家的大配方模式和美洲國家的BB肥小配方模式。我國配方肥料的發(fā)展,考慮到幅員遼闊,氣候、土壤和種植制度復(fù)雜多樣,以及小農(nóng)戶經(jīng)營等特點,應(yīng)當加強區(qū)域配肥技術(shù)研究,走區(qū)域配方肥料發(fā)展的技術(shù)模式,研發(fā)不同生態(tài)區(qū)域的專用配方肥料,協(xié)調(diào)區(qū)域養(yǎng)分投入與產(chǎn)出平衡,保證作物持續(xù)高產(chǎn),減少養(yǎng)分損失和環(huán)境污染,最大限度地提高肥料養(yǎng)分利用率。2.3第二、二氟當季利用磷在土壤中移動性差,且易與土壤中的Fe3+、Al3+、Ca2+等金屬離子生成難溶性磷酸鹽類而失去其有效性,造成當季利用率非常低。因此,研究速效磷肥防固定改性技術(shù)以及土壤無效、緩效性磷素的解吸促釋技術(shù),成為磷肥增效研究的重要方向。2.4生態(tài)肥料的發(fā)展趨勢,主要有機溶劑和配方設(shè)計通過肥料制作技術(shù)創(chuàng)新,不斷拓展肥料的新功能,使肥料功能升級,提高肥料養(yǎng)分利用率,也是21世紀新型肥料發(fā)展的重要方向之一。研究開發(fā)將作物營養(yǎng)與其他限制作物高產(chǎn)的因素相結(jié)合的多功能性肥料,生產(chǎn)符合生態(tài)肥料工藝學(xué)的要求,施用技術(shù)凝聚農(nóng)學(xué)、土壤學(xué)、信息學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)先進技術(shù),可大幅度提高肥料的效率。這些功能性肥料主要包括:具有改善水分利用率的肥料、根際肥料、根系空間伸展調(diào)控肥料、作物抗倒伏肥料、防治雜草肥料、防病蟲害肥料等。3腐植酸在促進肥料工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化中的作用和地位3.1腐植酸與化肥腐植酸主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成,在自然界廣泛存在于泥炭、褐煤和風(fēng)化煤中,是一種多價酚型芳香族化合物與氮化合物的縮聚物,相對分子量幾萬到幾百萬,結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜,含有酚羥基、羥基、醇羥基、醌羥基、烯醇基、磺酸基、胺基、游離的醌基、半醌基、醌氧基、甲氧基等多種活性官能團。這些活性基團的存在,決定了腐植酸的酸性、親水性、離子交換性、絡(luò)合性和較高的吸附能力、緩沖能力與催化能力。國內(nèi)外大量研究證明,腐植酸單獨作為肥料時肥效較低,而腐植酸與氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素結(jié)合則具有增強化肥的肥效、優(yōu)化養(yǎng)分釋放模式、提高肥料利用率的效果;腐植酸同時也具有刺激作物生長、改善植物品質(zhì)、改良土壤等功能。1786年Achard分離出土壤腐植酸,至今已有200余年的歷史。腐植酸用于肥料研究工作開始于1877年,前蘇聯(lián)研究人員首先發(fā)現(xiàn)腐植酸具有分解磷酸鹽的能力。1902年德國首先成功從泥炭中回收氨,并使之與含有腐植酸的物質(zhì)制成腐銨;1913年英國Bonomoley制成氨化腐植酸銨,迄今西方國家研究腐植酸肥料已有100多年的歷史。我國對于腐植酸的研究始于20世紀50年代末,主要是從泥炭利用開始的。為解決化肥供應(yīng)短缺問題,20世紀六七十年代全國掀起了利用腐植酸肥料緩解化肥供應(yīng)短缺和改良土壤的熱潮,不少科研單位、大專院校及企業(yè)對腐植酸在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、醫(yī)藥、工業(yè)和環(huán)保等方面進行了大量的研究工作。20世紀80年代以后,國內(nèi)腐植酸科學(xué)研究發(fā)展不快。1995年以后,尤其是2000年以來,腐植酸肥料的研究又開始受到產(chǎn)業(yè)界的重視,科學(xué)界也開始重視其理論和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。3.2晚第三紀褐煤我國的腐植酸資源主要分布于褐煤尤其是晚第三紀的年輕褐煤中,其次是分布于泥炭中。此外,我國分布廣泛數(shù)量巨大的風(fēng)化煤也是礦質(zhì)腐植酸的重要資源。3.2.1內(nèi)蒙古沿海地區(qū)褐煤儲量我國有豐富的褐煤資源,儲量大約為1431億t,占我國煤炭總量的17%。以內(nèi)蒙古東北部與東北3省相鄰地區(qū)的褐煤儲量為最多,達到468.7億t。大同、靈石、太原武家山、萍鄉(xiāng)麻山、云南陸良、新疆梧桐、內(nèi)蒙古公烏素、黑龍江鶴崗和七臺河等地的褐煤游離腐植酸含量都高達50%,灰分小于20%。3.2.2若爾蓋高原我國泥炭資源比較豐富,其面積約有104萬hm2,泥炭總儲量為124.8億t,相對集中分布于西南若爾蓋高原,云貴高原,東部長江中下游平原,東北興安嶺、長白山和三江平原等地區(qū)。我國泥炭資源中含有豐富的腐植酸,據(jù)不完全統(tǒng)計,泥炭資源中約有60%是屬于高腐植酸泥炭(腐植酸大于35%),30%屬于中腐植酸泥炭(腐植酸在25%~35%),低腐植酸泥炭(腐植酸在15%~25%)約占10%。3.2.3前發(fā)現(xiàn)及初步分析我國風(fēng)化煤資源分布廣,儲量大。目前,全國風(fēng)化煤資源尚未進行過系統(tǒng)調(diào)查,就目前發(fā)現(xiàn)及初步情況分析,儲量是非常豐富的,特別是山西、新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、江西、云南、四川、河南等省區(qū)儲量較大。據(jù)初步調(diào)查,山西省有風(fēng)化煤資源80億t,內(nèi)蒙古自治區(qū)有風(fēng)化煤資源50億t,新疆南湖煤田有風(fēng)化煤資源3.5億t。3.3腐植酸在提高肥料利用率和肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面的作用3.3.1腐植酸去除業(yè)尿素是氮含量最高、農(nóng)業(yè)需求量最大、使用范圍最廣的氮素化肥。施入土壤后,由于土壤脲酶和硝化細菌的作用,使尿素快速分解,通過氨揮發(fā)、硝化反硝化、淋洗等途徑大量流失。尿素氮肥的當季利用率只有35%左右,并且在土壤中存留很少,造成經(jīng)濟損失,環(huán)境污染嚴重。尿素施于土壤后,在脲酶的作用下水解為碳酸銨和碳酸氫銨,其轉(zhuǎn)化速度隨溫度的增加而加快,在10℃時約需7~10d,20℃時約需4~5d,30℃時僅需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,從而減緩損失,提高氮素利用率。研究證明,來源于泥炭、風(fēng)化煤的腐植酸能夠抑制土壤中脲酶的活性,其效果可以與國際上公認的效果較好的脲酶抑制劑二元酚和醌類如氫醌、二氨基苯磷酸鹽五氯(PPD)等媲美,而且其在土壤中易降解,無殘留,被認為是一種新型的環(huán)保型脲酶抑制劑。陸欣等試驗認為,腐植酸施用后的2~40d內(nèi),對脲酶活性的抑制效果與對苯二酚的效果相同或優(yōu)于對苯二酚,且腐植酸處理的玉米子粒產(chǎn)量比用對苯二酚處理的增產(chǎn)10.3%。腐植酸從尿素溶液中固定N(非交換吸附)是由腐植酸大分子的外圍部分(橋鍵)實現(xiàn)的,不涉及腐植酸核部分,但能形成牢固吸附(主要為化學(xué)吸附)。腐植酸與化學(xué)氮肥發(fā)生反應(yīng)形成腐植酸銨,其解離度比NH4HCO3弱,更穩(wěn)定,因此,它可使氮素揮發(fā)、淋失顯著減少。國內(nèi)試驗證明,等氮量的碳酸銨和腐植酸銨比較可見,氮素揮發(fā)損失由13.1%降到2.04%,肥效從20多天延長到60d以上。發(fā)揮腐植酸在改變氮素的轉(zhuǎn)化和釋放模式等方面的作用,通過研制新型腐植酸緩釋氮肥,改善現(xiàn)有化學(xué)氮肥的氮素利用率,促進我國氮肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級,具有十分重要的戰(zhàn)略意義。3.3.2腐植酸對土壤磷的作用腐植酸對磷肥作用主要表現(xiàn)在腐植酸對速效磷的保護方面,減少土壤對速效磷的固定,促進磷肥的吸收利用。腐植酸對土壤磷的增效作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)絡(luò)合作用。磷肥在酸性土壤中很容易與土壤中的Fe3+、Al3+固定,生成不溶性Fe、Al磷酸鹽。腐植酸中的活性功能團通過與土壤中的Fe3+、Al3+反應(yīng)生成絡(luò)合或螯合物從而減少或避免了Fe3+、Al3+對磷的固定。在堿性土壤中,磷很容易與土壤中的Ca2+、Mg2+(一般為CaCO3)作用轉(zhuǎn)化成磷酸三鈣而被固定。腐植酸可以與Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等離子絡(luò)合而促使磷酸三鈣向磷酸二鈣和磷酸一鈣轉(zhuǎn)化。2)離子交換吸附。腐植酸的陰離子在土壤礦物極性吸附中與磷酸根離子有競爭作用,可減少磷酸根離子被礦物質(zhì)吸附。腐植酸可以通過其很強的負電性發(fā)生同晶代換,將被吸附的磷酸根離子從土壤礦物中取代出來。在這些過程中還伴有腐植酸與磷酸根離子形成可溶性螯合物,減少土壤對磷的固定。3)膠體包被作用。腐植酸是一種性能很好的有機膠體,在Fe(OH)3、Al(OH)3等的表面形成一種保護膜,減輕鐵鋁氫氧化物對磷酸根離子的吸附。4)增加磷酸鹽移動性。磷肥利用率低的原因之一是磷在土壤中擴散速度很慢,移動距離短,與根系接觸困難。試驗證明,添加腐植酸可使磷在土壤中移動距離增加1倍。腐植酸對根系的刺激作用增加了根系與磷肥接觸面積,有助于提高磷肥利用率。另外,腐植酸又具有促進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產(chǎn)品,促進磷肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級,大幅度提高磷肥養(yǎng)分利用率,應(yīng)當引起科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。3.3.3土壤鉀素的分布腐植酸對鉀的增效作用,主要表現(xiàn)在腐植酸酸性功能團吸收和貯存鉀離子,既可以防止土壤鉀素隨水流失,又可以避免黏土礦物對鉀的固定。另外,腐植酸中的某些組分及一些低分子腐植酸對含鉀硅酸鹽、鉀長石等含鉀礦物有一定溶蝕作用,可緩慢分解而增加鉀的釋放,提高土壤有效鉀含量的水平。3.3.4治療微肥中微量元素的應(yīng)用土壤中的微量元素及無機微肥多因難溶于水而難被作物吸收,化學(xué)螯合微肥因螯合劑昂貴而難為農(nóng)民接受,HA類物質(zhì)作為一種來源廣、價廉的天然螯合劑與微量元素螯合后易被作物吸收。國內(nèi)HA-Zn及HA-Fe在應(yīng)用中取得很好效果。使用HA-Zn同ZnSO4比較表明,Zn利用率可提高34%左右。HA-Fe防治果樹、大豆缺鐵性黃葉病比單獨使用FeSO4·7H2O效果好,其價格要比EDTA-Fe便宜得多。近年來,國內(nèi)外各種微肥使用腐植酸類物質(zhì)改善和提高微量元素利用率的研究發(fā)展很快。隨著研究的深入,腐植酸在微量元素肥料、葉面肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級中將發(fā)揮越來越大的作用。3.3.5腐植酸對作物幼苗生長和土壤微生物活性的影響腐植酸是一種有機膠體,在土壤中可促進團聚體的形成,有助于改善土壤結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱狀況。腐植酸的酸性功能團可中和鹽堿土的堿性,其