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綠色智能肥料：從原理創(chuàng)新到產業(yè)化實現(xiàn)

來源：泰然健康網時間：2024年12月31日 18:50

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中國農業(yè)大學張福鎖院士團隊在《土壤學報》期刊上發(fā)表題為“綠色智能肥料：從原理創(chuàng)新到產業(yè)化實現(xiàn)”的綜述文章，為工農業(yè)綠色轉型提供了一些創(chuàng)新思路。

導讀

肥料作為糧食安全的物質基礎，在支撐我國糧食產量、農產品品質、人類營養(yǎng)健康等方面發(fā)揮了至關重要的作用。邁入新時代，在全國社會經濟特別是工農業(yè)綠色轉型的大好形勢下，肥料創(chuàng)新面臨著協(xié)同實現(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)制新學術思路，提出了綠色智能肥料的理論框架、關鍵科學問題、研發(fā)路徑以及未來突破的重點，為多學科交叉創(chuàng)新、工農融合全產業(yè)鏈綠色發(fā)展的解決方案設計與實現(xiàn)提供借鑒，旨在推動我國化肥產業(yè)綠色轉型升級，支撐農業(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。氮肥和磷肥的產能、產量及消費量均居世界首位，實現(xiàn)了自給有余；鉀肥生產躍居世界第四，自給率大幅提升。我國化肥產業(yè)在滿足國內需求的前提下，為全球化肥供應做出了巨大貢獻，提升了我國在化肥生產領域的國際地位。然而，在新形勢下，我國化肥產業(yè)綠色轉型遲緩、發(fā)展相對滯后，與農業(yè)需求匹配度低，已無法滿足“碳達峰、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）從產業(yè)發(fā)展的角度看，亟需工農融合創(chuàng)新化肥產業(yè)體系；3）創(chuàng)新綠色智能肥料是破解化肥產業(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)調控原理，采用大數(shù)據(jù)智能算法進行有針對性的定向匹配設計，應用先進綠色制造工藝生產的具有作物根際效應激發(fā)、養(yǎng)分精準匹配和礦產資源全量利用的一類新型高品質肥料，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；施用后具有能高效挖掘作物的生物學潛力、與根系“對話”激發(fā)根際效應、響應氣候和土壤條件、精準匹配作物需求的智能特點。綠色智能肥料不僅具有更好增產提質和培肥土壤作用，而且是引領工農全鏈條融合與化肥產業(yè)綠色轉型的重要切入點。

圖1 綠色智能肥料的主要構成因素與五大內涵

1）作物：生物感知，根肥互饋

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

2）土壤：環(huán)境應答，精準釋放

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，自主調節(jié)養(yǎng)分釋放的強度，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控，更要注重根際微域的智能響應和反應。

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現(xiàn)與作物需求的高度匹配。為了實現(xiàn)養(yǎng)分利用效率的最大化，需要考慮新型肥料產品的養(yǎng)分供應與根系發(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。肥料施用需要結合機械化精準施用裝備，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

綠色智能肥料產品中的綠色主要是從產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養(yǎng)分資源的利用強度和效率，強調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，既可以直接將礦產資源中各種養(yǎng)分一次性保留在肥料產品中，也可以通過延長產業(yè)鏈，將各種副產品中養(yǎng)分資源通過二次或多次加工制成新的肥料產品，提高養(yǎng)分資源利用效率。低耗低排是指肥料產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)境負效應低。最終實現(xiàn)綠色低碳、全量利用。

5）產品：精準配伍，工業(yè)實現(xiàn)

作物對養(yǎng)分的偏好已被諸多研究所證實，但由于精準配伍的難度及工業(yè)制造上的復雜性，有關理論在肥料科學領域的應用非常少。在某些情況下，肥料的生產加工過程也可能會使初始養(yǎng)分配伍發(fā)生飄移，改變肥料產品中的養(yǎng)分配方。綠色智能肥料通過優(yōu)化工業(yè)設計，尤其是通過造粒工藝、螯合等技術創(chuàng)新，使中量元素肥料在肥料顆粒中與水溶性磷肥實現(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)新綠色生產工藝，實現(xiàn)肥料產品中養(yǎng)分形態(tài)的精準配伍和高穩(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。在復合肥料生產中，集成鈣鎂與大量營養(yǎng)元素，避免發(fā)生沉淀反應，采用“物理隔離”原理是破解這一難題的重要途徑，在復合肥料顆粒中水溶性磷與鈣鎂成分實現(xiàn)空間隔離、穩(wěn)定共存。按照這一原理設計的復合肥料既能“智能地”避免肥料成分之間的不利反應，又能均衡地釋放作物需要的養(yǎng)分，滿足這些設計目標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反應，而且能在使用時形成穩(wěn)定的懸浮液，不需要采用絡合等手段保持其穩(wěn)定性，納米級的MgO、CaO還可以實現(xiàn)跨膜吸收。（3）敏感材料與靶向調控。當前，工業(yè)制造與學術界在努力探索pH 敏感、溫度敏感、特定物質（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用于肥料制造領域，可實現(xiàn)在響應特定環(huán)境條件下肥料養(yǎng)分的智能釋放，使綠色智能肥料技術達到分子調控水平。

綠色智能肥料的創(chuàng)新設計需要與土壤特性和作物需求有機結合，通過根層調控技術充分發(fā)揮其功效，促進植物根系生長，強化根際養(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，設計的綠色智能肥料應當與特定的土壤理化性質相匹配，在此基礎上，通過各種其他農學管理措施，如施用土壤調理劑、微生物制劑、生物刺激素等，優(yōu)化土壤結構-養(yǎng)分供應-生物過程之間的關系，強化肥沃根層、蓄水保肥、生物活力，增強土壤健康與整個系統(tǒng)的彈性，實現(xiàn)根層養(yǎng)分供應與高產群體的匹配，提高系統(tǒng)的可持續(xù)生產能力（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)新與產業(yè)化思路

綠色智能肥料創(chuàng)新與產業(yè)化需要圍繞提質增效、產業(yè)升級和綠色發(fā)展這一總體目標，通過理論基礎研究的知識創(chuàng)新與工農融合支撐的產品創(chuàng)新兩大抓手，綠色智能肥料產品的創(chuàng)制要按照“元素協(xié)同工藝增效”、“精準配伍材料創(chuàng)新”和“生物互作級聯(lián)放大”三步走策略，產業(yè)化中重點做好“四個匹配”，首先是工業(yè)生產過程與作物生產過程的匹配，其次是肥料產品特性與作物根系響應的匹配，第三是肥料產品與根際生命共同體提升的匹配，最后是工農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?；?，實現(xiàn)肥料養(yǎng)分供應與土壤、作物和氣候的匹配，而在這種養(yǎng)分配比中，為防止養(yǎng)分效應退化的問題，需要進行工藝創(chuàng)新，實現(xiàn)養(yǎng)分增效。

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

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控根系擴展空間、強化根際效應提升活化能力，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）。調控作物根層的養(yǎng)分形態(tài)與精準供應能有效耦合根系、根際、生物互作等過程，逐級放大效能，實現(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)新與產業(yè)化發(fā)展前景

綠色智能肥料創(chuàng)新和產業(yè)化必將成為化肥產業(yè)發(fā)展的新方向，是工農融合全產業(yè)鏈綠色發(fā)展的總抓手及未來化肥產品創(chuàng)新的重點，也是促進肥料產業(yè)減少生產過程碳排放，產品使用過程中實現(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研究內容（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、云計算等新一代數(shù)字技術應用在智能肥料創(chuàng)制、精準應用與產業(yè)發(fā)展等方面，構建集智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠程傳輸、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時建模，創(chuàng)新數(shù)據(jù)驅動的綠色智能肥料技術體系，實現(xiàn)區(qū)域標準化與精準化，實現(xiàn)從傳統(tǒng)要素驅動為主向科技創(chuàng)新驅動為主的轉變。

2）綠色智能新工藝：加快綠色礦山建設和低碳零排制造工藝與信息智能技術的融合，推動綠色智能肥料制造工藝創(chuàng)新與產業(yè)化發(fā)展。重構化肥生產工藝技術體系，探索從原料直接合成肥料產品的新技術新工藝，減少資源損失與能源消耗；大力發(fā)展綠色低碳清潔生產技術，如常溫常壓合成氨、磷資源全量低耗利用等；破解化肥工藝生產與農業(yè)需求不匹配的難題，建立低碳綠色高效新工藝，實現(xiàn)養(yǎng)分配比與形態(tài)配伍精準工業(yè)生產，強調中微量養(yǎng)分、生物活性物質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)代農業(yè)生產條件對綠色智能肥料產品的需求。

3）綠色智能產品精準應用：結合現(xiàn)代農業(yè)智能化數(shù)字技術，科學合理布局產品適宜生態(tài)區(qū)域與土壤-作物系統(tǒng)，實現(xiàn)產品時空動態(tài)決策分配與智能管理；著重創(chuàng)新現(xiàn)代化肥料施用機械與裝備（如農業(yè)大機械、水肥一體化設備、無人機等）、作物根際/根層生物高效調控相配套的綠色高效施用技術；建立綠色智能肥料產品評價標準體系與施用技術體系，指導產品落地應用。

4）新型綠色化肥產業(yè)體系：建立面向農業(yè)綠色發(fā)展的化肥生產、技術服務和人才培養(yǎng)的新型綠色化肥產業(yè)體系。重構農業(yè)需求導向-適用產品革新-制造工藝革新-銷售服務革新的全產業(yè)鏈模式，利用“綠色原料”、采用“綠色工藝”、生產“綠色產品”。建立我國自主研發(fā)、設計、制造、運營和管理的綠色產業(yè)體系。融合數(shù)字、信息與智能技術，建立綠色智能新型化肥的技術創(chuàng)新與支撐體系。

5）科技自主創(chuàng)新體系：根據(jù)農業(yè)綠色發(fā)展新需求，全面改革化肥工業(yè)技術體系，實現(xiàn)工業(yè)和農業(yè)全鏈條的充分融合，通過科技自主創(chuàng)新，突破制約產業(yè)綠色轉型升級的關鍵技術，制定戰(zhàn)略規(guī)劃與實施方案，促進工農融合、綠色轉型相關的方案落地。

圖5 綠色智能肥料創(chuàng)新與產業(yè)化發(fā)展藍圖

6）工農融合及綠色智能肥料政策保障機制：建立與農業(yè)綠色發(fā)展相適應的綠色智能肥料產業(yè)的技術與產品標準，制定工藝準入、產品準入、市場準入、服務準入標準，銷售人員具有專業(yè)資質要求。制定相關法律法規(guī)保護，完善環(huán)境保護、節(jié)能減排約束性指標管理，全面實行排污許可制，建立健全風險管控機制。建立我國肥料管理立法體系，實行農田肥料投入的環(huán)境限制、提升區(qū)域管理規(guī)范，推動化肥產業(yè)轉型升級，制定激勵措施或管理政策。促進現(xiàn)代化肥產業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展，為我國乃至全球農業(yè)現(xiàn)代化建設提供支撐。

論文題目：綠色智能肥料：從原理創(chuàng)新到產業(yè)化實現(xiàn)期刊：土壤學報發(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

文獻分享：唐濤

編輯：陳路路

網址: 綠色智能肥料：從原理創(chuàng)新到產業(yè)化實現(xiàn) http://m.u1s5d6.cn/newsview960470.html