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綠色智能肥料：從原理創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月31日 18:50

云天化綠色智能肥料創(chuàng)新平臺文獻(xiàn)方分享

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張福鎖院士團(tuán)隊(duì)在《土壤學(xué)報》期刊上發(fā)表題為“綠色智能肥料：從原理創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)”的綜述文章，為工農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供了一些創(chuàng)新思路。

導(dǎo)讀

肥料作為糧食安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，在支撐我國糧食產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、人類營養(yǎng)健康等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。邁入新時代，在全國社會經(jīng)濟(jì)特別是工農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的大好形勢下，肥料創(chuàng)新面臨著協(xié)同實(shí)現(xiàn)糧食安全、資源高效、環(huán)境友好、營養(yǎng)健康、綠色低碳的巨大挑戰(zhàn)。為破解這一重大難題，本文提出了綠色智能肥料概念與產(chǎn)業(yè)化途徑，通過系統(tǒng)闡述土壤-植物-微生物-肥料-環(huán)境之間的協(xié)同原理，構(gòu)建了匹配土壤、匹配作物、匹配氣候環(huán)境條件的綠色智能肥料創(chuàng)制新學(xué)術(shù)思路，提出了綠色智能肥料的理論框架、關(guān)鍵科學(xué)問題、研發(fā)路徑以及未來突破的重點(diǎn)，為多學(xué)科交叉創(chuàng)新、工農(nóng)融合全產(chǎn)業(yè)鏈綠色發(fā)展的解決方案設(shè)計與實(shí)現(xiàn)提供借鑒，旨在推動我國化肥產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級，支撐農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

創(chuàng)制綠色智能肥料的必要性

過去40 年，我國化肥總量保持快速增長。氮肥和磷肥的產(chǎn)能、產(chǎn)量及消費(fèi)量均居世界首位，實(shí)現(xiàn)了自給有余；鉀肥生產(chǎn)躍居世界第四，自給率大幅提升。我國化肥產(chǎn)業(yè)在滿足國內(nèi)需求的前提下，為全球化肥供應(yīng)做出了巨大貢獻(xiàn)，提升了我國在化肥生產(chǎn)領(lǐng)域的國際地位。然而，在新形勢下，我國化肥產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型遲緩、發(fā)展相對滯后，與農(nóng)業(yè)需求匹配度低，已無法滿足“碳達(dá)峰、碳中和”和綠色發(fā)展的新需求。1）從歷史演變的角度看，創(chuàng)新綠色智能肥料成為必然選擇；2）從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，亟需工農(nóng)融合創(chuàng)新化肥產(chǎn)業(yè)體系；3）創(chuàng)新綠色智能肥料是破解化肥產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展瓶頸的突破口。

綠色智能肥料的概念與原理創(chuàng)新

1.綠色智能肥料的概念與內(nèi)涵

綠色智能肥料是指根據(jù)作物-土壤-環(huán)境相匹配的植物營養(yǎng)調(diào)控原理，采用大數(shù)據(jù)智能算法進(jìn)行有針對性的定向匹配設(shè)計，應(yīng)用先進(jìn)綠色制造工藝生產(chǎn)的具有作物根際效應(yīng)激發(fā)、養(yǎng)分精準(zhǔn)匹配和礦產(chǎn)資源全量利用的一類新型高品質(zhì)肥料，具有養(yǎng)分高效、低碳環(huán)保，低排無廢、資源全量利用的綠色特點(diǎn)；施用后具有能高效挖掘作物的生物學(xué)潛力、與根系“對話”激發(fā)根際效應(yīng)、響應(yīng)氣候和土壤條件、精準(zhǔn)匹配作物需求的智能特點(diǎn)。綠色智能肥料不僅具有更好增產(chǎn)提質(zhì)和培肥土壤作用，而且是引領(lǐng)工農(nóng)全鏈條融合與化肥產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要切入點(diǎn)。

圖1 綠色智能肥料的主要構(gòu)成因素與五大內(nèi)涵

1）作物：生物感知，根肥互饋

作物根系或土壤微生物可以強(qiáng)烈感知養(yǎng)分的供應(yīng)，作物根系、根際效應(yīng)與肥料能產(chǎn)生互饋增效作用，并通過根際生命共同體的級聯(lián)放大效應(yīng)最大化肥料的功能。

2）土壤：環(huán)境應(yīng)答，精準(zhǔn)釋放

作物生命活動受環(huán)境條件的顯著制約。低溫條件下作物的生長發(fā)育速度顯著降低，其養(yǎng)分吸收量和吸收速度均顯著下降；土壤含水量顯著影響根系發(fā)育以及養(yǎng)分遷移，幾乎所有養(yǎng)分的有效性均受到土壤含水量的影響，對于硝態(tài)氮、磷、鉀尤其如此。綠色智能肥料可根據(jù)環(huán)境條件的變化，自主調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放的強(qiáng)度，以便與作物營養(yǎng)需求相匹配。既注重考慮對土壤障礙因素的調(diào)控，更要注重根際微域的智能響應(yīng)和反應(yīng)。

3）時空：動態(tài)匹配，供需協(xié)同

綠色智能肥料需要從時間與空間上實(shí)現(xiàn)與作物需求的高度匹配。為了實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分利用效率的最大化，需要考慮新型肥料產(chǎn)品的養(yǎng)分供應(yīng)與根系發(fā)育、作物需求在時間、空間尺度上的動態(tài)匹配，同時也需要考慮土壤環(huán)境對養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、損失與植物生長速率的影響。另一方面，養(yǎng)分主要通過根系被作物吸收，但隨著作物不斷生長，其根系在土壤內(nèi)的分布不斷發(fā)生變化，同時，不同養(yǎng)分在土壤中的移動特征存在很大差異。肥料施用需要結(jié)合機(jī)械化精準(zhǔn)施用裝備，將養(yǎng)分施用在根系分布區(qū)域，提高其空間有效性。

4）綠色：低耗低排，全量利用

綠色智能肥料產(chǎn)品中的綠色主要是從產(chǎn)品全生命周期中資源利用和環(huán)境排放兩個維度來考量的。全量利用指的是礦產(chǎn)養(yǎng)分資源的利用強(qiáng)度和效率，強(qiáng)調(diào)盡量保留原料中各種養(yǎng)分并高效利用；在原料開采和肥料制造過程中要求主要養(yǎng)分損失少，利用率高，其他養(yǎng)分如中微量元素也要通過各種途徑加以利用，既可以直接將礦產(chǎn)資源中各種養(yǎng)分一次性保留在肥料產(chǎn)品中，也可以通過延長產(chǎn)業(yè)鏈，將各種副產(chǎn)品中養(yǎng)分資源通過二次或多次加工制成新的肥料產(chǎn)品，提高養(yǎng)分資源利用效率。低耗低排是指肥料產(chǎn)品全生命周期中能源消耗和環(huán)境排放要低，首先在原料開采和產(chǎn)品制造過程中能耗低，溫室氣體和各種廢棄物排放少；同時在肥料施用后養(yǎng)分利用效率要高，有利于作物對養(yǎng)分的高效利用，土壤殘存少，環(huán)境負(fù)效應(yīng)低。最終實(shí)現(xiàn)綠色低碳、全量利用。

5）產(chǎn)品：精準(zhǔn)配伍，工業(yè)實(shí)現(xiàn)

作物對養(yǎng)分的偏好已被諸多研究所證實(shí)，但由于精準(zhǔn)配伍的難度及工業(yè)制造上的復(fù)雜性，有關(guān)理論在肥料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常少。在某些情況下，肥料的生產(chǎn)加工過程也可能會使初始養(yǎng)分配伍發(fā)生飄移，改變肥料產(chǎn)品中的養(yǎng)分配方。綠色智能肥料通過優(yōu)化工業(yè)設(shè)計，尤其是通過造粒工藝、螯合等技術(shù)創(chuàng)新，使中量元素肥料在肥料顆粒中與水溶性磷肥實(shí)現(xiàn)分隔，使磷素與中量元素共存，從而提高鈣鎂缺乏地區(qū)（通常是酸性土壤）肥料的整體利用效率；通過創(chuàng)新綠色生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)肥料產(chǎn)品中養(yǎng)分形態(tài)的精準(zhǔn)配伍和高穩(wěn)定性。

2.綠色智能肥料的創(chuàng)新原理

綠色智能肥料的創(chuàng)新在于“綠色”與“智能”。

主要創(chuàng)新途徑有：（1）養(yǎng)分分隔與共存。在復(fù)合肥料生產(chǎn)中，集成鈣鎂與大量營養(yǎng)元素，避免發(fā)生沉淀反應(yīng)，采用“物理隔離”原理是破解這一難題的重要途徑，在復(fù)合肥料顆粒中水溶性磷與鈣鎂成分實(shí)現(xiàn)空間隔離、穩(wěn)定共存。按照這一原理設(shè)計的復(fù)合肥料既能“智能地”避免肥料成分之間的不利反應(yīng)，又能均衡地釋放作物需要的養(yǎng)分，滿足這些設(shè)計目標(biāo)需要肥料制造工藝的不斷創(chuàng)新。（2）納米微粒與穩(wěn)定懸浮。研究表明，MgO、CaO 等材料制成納米顆粒后，不僅能避免其與大量元素的化學(xué)反應(yīng)，而且能在使用時形成穩(wěn)定的懸浮液，不需要采用絡(luò)合等手段保持其穩(wěn)定性，納米級的MgO、CaO還可以實(shí)現(xiàn)跨膜吸收。（3）敏感材料與靶向調(diào)控。當(dāng)前，工業(yè)制造與學(xué)術(shù)界在努力探索pH 敏感、溫度敏感、特定物質(zhì)（根分泌物如黃酮、類黃酮）敏感的包覆材料。一旦這些材料成果應(yīng)用于肥料制造領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)在響應(yīng)特定環(huán)境條件下肥料養(yǎng)分的智能釋放，使綠色智能肥料技術(shù)達(dá)到分子調(diào)控水平。

綠色智能肥料的創(chuàng)新設(shè)計需要與土壤特性和作物需求有機(jī)結(jié)合，通過根層調(diào)控技術(shù)充分發(fā)揮其功效，促進(jìn)植物根系生長，強(qiáng)化根際養(yǎng)分活化能力，大幅度提高植物根系對養(yǎng)分的利用效率，在時空上滿足高產(chǎn)群體不同階段的養(yǎng)分需求。土壤是綠色智能肥料發(fā)揮最大作用效力的場所，設(shè)計的綠色智能肥料應(yīng)當(dāng)與特定的土壤理化性質(zhì)相匹配，在此基礎(chǔ)上，通過各種其他農(nóng)學(xué)管理措施，如施用土壤調(diào)理劑、微生物制劑、生物刺激素等，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)-養(yǎng)分供應(yīng)-生物過程之間的關(guān)系，強(qiáng)化肥沃根層、蓄水保肥、生物活力，增強(qiáng)土壤健康與整個系統(tǒng)的彈性，實(shí)現(xiàn)根層養(yǎng)分供應(yīng)與高產(chǎn)群體的匹配，提高系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)能力（圖2）。

圖2 綠色智能肥料在土壤-植物系統(tǒng)綜合管理中的作用示意圖

綠色智能肥料的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化思路

綠色智能肥料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化需要圍繞提質(zhì)增效、產(chǎn)業(yè)升級和綠色發(fā)展這一總體目標(biāo)，通過理論基礎(chǔ)研究的知識創(chuàng)新與工農(nóng)融合支撐的產(chǎn)品創(chuàng)新兩大抓手，綠色智能肥料產(chǎn)品的創(chuàng)制要按照“元素協(xié)同工藝增效”、“精準(zhǔn)配伍材料創(chuàng)新”和“生物互作級聯(lián)放大”三步走策略，產(chǎn)業(yè)化中重點(diǎn)做好“四個匹配”，首先是工業(yè)生產(chǎn)過程與作物生產(chǎn)過程的匹配，其次是肥料產(chǎn)品特性與作物根系響應(yīng)的匹配，第三是肥料產(chǎn)品與根際生命共同體提升的匹配，最后是工農(nóng)融合與全鏈條綠色發(fā)展的匹配（圖3）。

圖3 綠色智能肥料的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化總體思路

綠色智能肥料的“三步走”創(chuàng)制策略：

1.元素協(xié)同，工藝增效。綠色智能肥料創(chuàng)新第一步是元素協(xié)同、工藝增效的策略，元素協(xié)同指的是通過大量元素適宜配比和中微量元素的添加與?；睿瑢?shí)現(xiàn)肥料養(yǎng)分供應(yīng)與土壤、作物和氣候的匹配，而在這種養(yǎng)分配比中，為防止養(yǎng)分效應(yīng)退化的問題，需要進(jìn)行工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分增效。

2.精準(zhǔn)配伍，材料創(chuàng)新。我國農(nóng)業(yè)已走過了僅憑單一元素化肥、氮磷鉀復(fù)合肥施用即可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的階段，進(jìn)入了要求營養(yǎng)元素協(xié)同供應(yīng)、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展的新時代。這對復(fù)合肥料創(chuàng)新提出了更高要求。肥料成分的復(fù)雜化可能會導(dǎo)致肥料在制造、儲存過程中不同營養(yǎng)元素之間發(fā)生不良的化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)新與研發(fā)新材料是解決這些關(guān)鍵問題的重要途徑。

3.生物互作，級聯(lián)放大。綠色智能肥料的合理施用不僅能定向調(diào)控根系擴(kuò)展空間、強(qiáng)化根際效應(yīng)提升活化能力，而且還可以激發(fā)根際生物互作增效、級聯(lián)放大的功能，高效活化利用土壤養(yǎng)分（圖 4）。調(diào)控作物根層的養(yǎng)分形態(tài)與精準(zhǔn)供應(yīng)能有效耦合根系、根際、生物互作等過程，逐級放大效能，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分高效利用。

圖4 根層生物互作、級聯(lián)放大示意圖

綠色智能肥料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景

綠色智能肥料創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化必將成為化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向，是工農(nóng)融合全產(chǎn)業(yè)鏈綠色發(fā)展的總抓手及未來化肥產(chǎn)品創(chuàng)新的重點(diǎn)，也是促進(jìn)肥料產(chǎn)業(yè)減少生產(chǎn)過程碳排放，產(chǎn)品使用過程中實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段之一。因此，圍繞綠色智能肥料創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，在“雙碳戰(zhàn)略”和“綠色發(fā)展”新的形勢下，未來還需要抓好以下重點(diǎn)研究內(nèi)容（圖5）：

1）大數(shù)據(jù)智能化：建立基于我國區(qū)域數(shù)字土壤、數(shù)字作物與數(shù)字環(huán)境相匹配的大數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)，為區(qū)域綠色智能肥料大配方提供支撐。將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代數(shù)字技術(shù)應(yīng)用在智能肥料創(chuàng)制、精準(zhǔn)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面，構(gòu)建集智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、智能分析和自動化控制一體化的綠色智能肥料大數(shù)據(jù)支撐平臺，將綠色智能肥料參數(shù)在動態(tài)變化條件下自動更新并實(shí)時建模，創(chuàng)新數(shù)據(jù)驅(qū)動的綠色智能肥料技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化與精準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)要素驅(qū)動為主向科技創(chuàng)新驅(qū)動為主的轉(zhuǎn)變。

2）綠色智能新工藝：加快綠色礦山建設(shè)和低碳零排制造工藝與信息智能技術(shù)的融合，推動綠色智能肥料制造工藝創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。重構(gòu)化肥生產(chǎn)工藝技術(shù)體系，探索從原料直接合成肥料產(chǎn)品的新技術(shù)新工藝，減少資源損失與能源消耗；大力發(fā)展綠色低碳清潔生產(chǎn)技術(shù)，如常溫常壓合成氨、磷資源全量低耗利用等；破解化肥工藝生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)需求不匹配的難題，建立低碳綠色高效新工藝，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分配比與形態(tài)配伍精準(zhǔn)工業(yè)生產(chǎn)，強(qiáng)調(diào)中微量養(yǎng)分、生物活性物質(zhì)等的功能及其活性高效保持，匹配區(qū)域氣候-土壤-作物系統(tǒng)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件對綠色智能肥料產(chǎn)品的需求。

3）綠色智能產(chǎn)品精準(zhǔn)應(yīng)用：結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化數(shù)字技術(shù)，科學(xué)合理布局產(chǎn)品適宜生態(tài)區(qū)域與土壤-作物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品時空動態(tài)決策分配與智能管理；著重創(chuàng)新現(xiàn)代化肥料施用機(jī)械與裝備（如農(nóng)業(yè)大機(jī)械、水肥一體化設(shè)備、無人機(jī)等）、作物根際/根層生物高效調(diào)控相配套的綠色高效施用技術(shù)；建立綠色智能肥料產(chǎn)品評價標(biāo)準(zhǔn)體系與施用技術(shù)體系，指導(dǎo)產(chǎn)品落地應(yīng)用。

4）新型綠色化肥產(chǎn)業(yè)體系：建立面向農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的化肥生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)和人才培養(yǎng)的新型綠色化肥產(chǎn)業(yè)體系。重構(gòu)農(nóng)業(yè)需求導(dǎo)向-適用產(chǎn)品革新-制造工藝革新-銷售服務(wù)革新的全產(chǎn)業(yè)鏈模式，利用“綠色原料”、采用“綠色工藝”、生產(chǎn)“綠色產(chǎn)品”。建立我國自主研發(fā)、設(shè)計、制造、運(yùn)營和管理的綠色產(chǎn)業(yè)體系。融合數(shù)字、信息與智能技術(shù)，建立綠色智能新型化肥的技術(shù)創(chuàng)新與支撐體系。

5）科技自主創(chuàng)新體系：根據(jù)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展新需求，全面改革化肥工業(yè)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)工業(yè)和農(nóng)業(yè)全鏈條的充分融合，通過科技自主創(chuàng)新，突破制約產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵技術(shù)，制定戰(zhàn)略規(guī)劃與實(shí)施方案，促進(jìn)工農(nóng)融合、綠色轉(zhuǎn)型相關(guān)的方案落地。

圖5 綠色智能肥料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展藍(lán)圖

6）工農(nóng)融合及綠色智能肥料政策保障機(jī)制：建立與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相適應(yīng)的綠色智能肥料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，制定工藝準(zhǔn)入、產(chǎn)品準(zhǔn)入、市場準(zhǔn)入、服務(wù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，銷售人員具有專業(yè)資質(zhì)要求。制定相關(guān)法律法規(guī)保護(hù)，完善環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排約束性指標(biāo)管理，全面實(shí)行排污許可制，建立健全風(fēng)險管控機(jī)制。建立我國肥料管理立法體系，實(shí)行農(nóng)田肥料投入的環(huán)境限制、提升區(qū)域管理規(guī)范，推動化肥產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，制定激勵措施或管理政策。促進(jìn)現(xiàn)代化肥產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展，為我國乃至全球農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)提供支撐。

論文題目：綠色智能肥料：從原理創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)期刊：土壤學(xué)報發(fā)表時間：2022.04作者：張福鎖通訊作者：張福鎖

原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.P.20220426.1756.005.html

文獻(xiàn)分享：唐濤

編輯：陳路路

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