論文標題：Green intelligent fertilizers—A novel approach for aligning sustainable agriculture with green development

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Maoying WANG, Lingyun CHENG, Chengdong HUANG, Yang LYU, Lin ZHANG, Zhenya LU, Changzhou WEI, Wenqi MA, Zed RENGEL, Jianbo SHEN, Fusuo ZHANG

發(fā)表時間：15 Mar 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024547

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中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展：洞察與進展

Agriculture Green Development in China: Insights and Advances

專 輯 文 章 介 紹

· 第十四篇 ·

▎論文ID

Green intelligent fertilizers—A novel approach for aligning sustainable agriculture with green development

綠色智能肥料—農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的新途徑

發(fā)表年份：2024年

第一作者：王茂瑩，程凌云

通訊作者：申建波，張福鎖

郵箱：jbshen@cau.edu.cn, zhangfs@cau.edu.cn

作者單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院

Cite this article :

Maoying WANG, Lingyun CHENG, Chengdong HUANG, Yang LYU, Lin ZHANG, Zhenya LU, Changzhou WEI, Wenqi MA, Zed RENGEL, Jianbo SHEN, Fusuo ZHANG. Green intelligent fertilizers—A novel approach for aligning sustainable agriculture with green development. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(1): 186–196 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024547

· 文 章 摘 要 ·

21世紀，中國化肥生產(chǎn)現(xiàn)狀與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展需求之間的差距日益凸顯。本文探討了肥料發(fā)展的主要階段，提出了綠色智能肥料的概念，并制定了與肥料工業(yè)和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展原則相契合的新戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略旨在通過綠色智能肥料，最大限度地發(fā)揮植物、土壤、微生物、養(yǎng)分與環(huán)境之間的協(xié)同效應(yīng)，推動工農(nóng)融合，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色轉(zhuǎn)型與發(fā)展。同時，以多學(xué)科交叉的方式，推動化肥行業(yè)向綠色化方向轉(zhuǎn)型，進而促進農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。本文旨在通過縮小化肥行業(yè)現(xiàn)狀與農(nóng)業(yè)環(huán)境需求之間的差距，提出并強調(diào)化肥生產(chǎn)與綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展相協(xié)調(diào)的必要性和可行路徑。

· 文 章 亮 點 ·

1. 綠色發(fā)展正面臨著化肥生產(chǎn)造成的環(huán)境污染和資源利用效率低的挑戰(zhàn)。

2. 綠色智能肥料的設(shè)計充分考慮了植物、土壤、微生物、養(yǎng)分和環(huán)境之間的協(xié)同作用。

3. 本文提出了符合工業(yè)和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展原則的新戰(zhàn)略。

4. 綠色智能肥料強調(diào)了將化肥生產(chǎn)與綠色農(nóng)業(yè)的需求相協(xié)調(diào)的路徑。

· Graphical abstract ·

· 研 究 內(nèi) 容 ·

▎引言

化肥是保障國家糧食安全的重要戰(zhàn)略物資。當(dāng)前，中國已成為全球最大的化肥生產(chǎn)國和消費國，化肥年產(chǎn)量和消費量均占全球總量的三分之一左右。然而，化肥的持續(xù)過量施用導(dǎo)致了養(yǎng)分利用率低和土壤養(yǎng)分盈余等問題，造成了嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。同時，全球人口不斷增長，耕地面積有限，糧食生產(chǎn)的壓力仍在加劇。因此，必須通過肥料創(chuàng)新和精準施用，提高作物生產(chǎn)力和肥料利用率，以促進農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。此外，化肥工業(yè)生產(chǎn)消耗了全國2%的煤炭、3%的天然氣、80%的磷礦和60%的硫資源。然而，在肥料生產(chǎn)過程中，很多礦產(chǎn)資源中的養(yǎng)分，如微量元素等，并未得到充分利用，這導(dǎo)致了礦產(chǎn)資源的巨大損失。

為應(yīng)對資源和環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)，本文深入探討了肥料領(lǐng)域的主要進展，并創(chuàng)新性地提出了綠色智能肥料的概念和戰(zhàn)略。通過工農(nóng)融合，推動新型肥料的開發(fā)創(chuàng)新，彌合化肥工業(yè)和農(nóng)業(yè)之間的差距，推動化肥產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。最終，期望能夠滿足農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的需求，實現(xiàn)肥料工業(yè)和農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色可持續(xù)發(fā)展。

▎中國肥料發(fā)展歷史

(1) 一元和二元肥：20世紀30年代至60年代，化肥行業(yè)處于起步階段，產(chǎn)品以氮肥為主。20世紀60年代末至80年代初進入氮磷二元肥階段。由于平均施肥率低和生產(chǎn)原料難以保證，這一時期肥料發(fā)展相對緩慢。

(2) 三元復(fù)合肥：1980年以后，進入三元復(fù)合肥快速發(fā)展階段。由于20世紀90年代化肥實行計劃經(jīng)濟，生產(chǎn)銷售受限，新型肥料開發(fā)較少。1999年之前復(fù)合肥以15-15-15 (N-P2O5-K2O) 為主。1999年以后實行資源市場化分配制度，化肥市場逐漸開放，產(chǎn)品向作物專用肥發(fā)展，但仍以高濃度產(chǎn)品和復(fù)合肥為主，沒有精確的、有針對性的匹配區(qū)域土壤和作物。

(3) 新型肥料：根據(jù)綠色可持續(xù)發(fā)展要求，農(nóng)業(yè)和化肥行業(yè)對新型肥料的需求日益增長。自2014年以來，我國新型肥料推廣步伐加快。目前的新型肥料主要包括增效肥料、包膜緩控釋肥、納米肥料和生物肥料等，通過外源添加增效物質(zhì)或材料應(yīng)用來調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放以滿足植物需求，旨在實現(xiàn)高效化、專業(yè)化、長效化、功能化和低碳化。事實上，大部分新型肥料仍存在生產(chǎn)復(fù)雜、成本高和環(huán)境污染問題。

調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放也可以利用土壤微生物群落和作物生物學(xué)特性，以及不同的土壤和氣候特征，而不是簡單地向肥料中添加外源物質(zhì)。但目前并沒有標準來指導(dǎo)這些特定技術(shù)的實施。為了符合當(dāng)代農(nóng)業(yè)和環(huán)境可持續(xù)性要求，迫切需要制定新的標準并探索更先進的新型肥料 (表1)。

表1 常規(guī)肥料與綠色智能肥料的區(qū)別

▎綠色智能肥料的創(chuàng)新策略與途徑

綠色智能肥料是基于作物、土壤和環(huán)境相匹配的植物營養(yǎng)優(yōu)化原理，利用大數(shù)據(jù)智能算法進行定向供需匹配，通過強化作物生物學(xué)潛能，激發(fā)根肥互饋效應(yīng)，同時利用先進的綠色制造技術(shù)，充分利用礦產(chǎn)資源的新型肥料，具有全產(chǎn)業(yè)鏈高效、低碳、資源全量利用的特點。

(1) 強化作物生物學(xué)潛力，激發(fā)根肥互饋效應(yīng)

綠色智能肥料可以利用植物根系和土壤微生物的傳感作用，促進根系、微生物和養(yǎng)分之間的協(xié)同效應(yīng)，最大限度地發(fā)揮肥料養(yǎng)分功能。例如，通過控制肥料銨硝比來調(diào)控根際效應(yīng)以促進養(yǎng)分吸收。智能肥料利用植物信號機制的途徑，一是提取和鑒定可以修飾根系并吸引有益微生物的植物信號分子；二是識別脅迫條件下產(chǎn)生的根際信號分子，為智能肥料中傳感器的設(shè)計提供信息。將這些信號分子整合到肥料中，實現(xiàn)養(yǎng)分的智能調(diào)控和精準釋放 (圖1)。

圖1 養(yǎng)分精準釋放的智能肥料創(chuàng)制途徑。

(2) 智能感知土壤環(huán)境，實現(xiàn)養(yǎng)分精準釋放

溫度和水分等環(huán)境條件顯著影響作物生長和養(yǎng)分吸收。綠色智能肥料根據(jù)環(huán)境條件的變化，以低排放和充分利用礦質(zhì)養(yǎng)分的方式，利用溫敏或水敏等智能材料，自主調(diào)節(jié)水分和養(yǎng)分的吸收與釋放，滿足作物特定的營養(yǎng)需求。此外，也可以根據(jù)土壤pH和根系分泌物等的變化調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放，通過智能環(huán)境應(yīng)答來確保精確的養(yǎng)分輸送。

(3) 養(yǎng)分釋放動態(tài)匹配作物需求

作物對養(yǎng)分的需求在不同生長階段差異很大，綠色智能肥料必須在時間和空間上動態(tài)匹配作物營養(yǎng)需求以提高養(yǎng)分利用率。施肥時間和空間分布必須考慮土壤條件及其對養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、損失和植物生長速率的影響。速緩效養(yǎng)分結(jié)合不僅能滿足作物生長前期對養(yǎng)分的迫切需求，還能在后期緩慢釋放養(yǎng)分，實現(xiàn)作物全生育期的養(yǎng)分供應(yīng)。根系形態(tài)和生理學(xué)的動態(tài)變化以及養(yǎng)分流動性的不同，突出了在空間上局部施肥的重要性。局部施肥可以促進根系增殖和根際相對強烈的酸化，增加根系與養(yǎng)分的接觸面積并活化調(diào)動養(yǎng)分，而這可通過機械化的精確定位施肥來實現(xiàn)。

(4) 充分利用礦產(chǎn)資源和工業(yè)副產(chǎn)物，創(chuàng)制資源環(huán)境成本低的綠色肥料

肥料的綠色側(cè)重于產(chǎn)品整個生命周期的資源利用和環(huán)境排放。通過創(chuàng)新先進的綠色制造工藝，保留和高效利用原礦資源，最大限度地減少礦質(zhì)養(yǎng)分損失；工業(yè)副產(chǎn)品可采用二次工藝將有益元素轉(zhuǎn)化為新的肥料產(chǎn)品，做到低能耗、低排放和最少廢棄物產(chǎn)生。然而，由于精確配方和工業(yè)制造的復(fù)雜性，將這些知識應(yīng)用于肥料生產(chǎn)受到一定阻礙。例如，磷肥中的磷酸根與鈣鎂沉淀降低了養(yǎng)分有效性，這給復(fù)合肥生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)。因此，綠色智能肥料的創(chuàng)新技術(shù)包括分層造粒和螯合等，通過養(yǎng)分隔離等手段減少養(yǎng)分退化，提高肥料利用率。

綠色智能肥料的生產(chǎn)可行性及其顯著效果已在水稻、澳洲堅果、玉米和馬鈴薯等作物上得到證明。例如，綠色智能澳洲堅果肥是基于澳洲堅果多年生的養(yǎng)分需求規(guī)律及其排根特性而設(shè)計，通過磷養(yǎng)分的速緩結(jié)合及其對排根的激發(fā)效應(yīng)，結(jié)合不同氮形態(tài)促根，使澳洲堅果在減量施肥35%的條件下增產(chǎn)20%。

圖2 工農(nóng)融合的綠色智能肥料技術(shù)突破。

· 結(jié) 論 ·

綠色發(fā)展是新時期的國家發(fā)展趨勢，新型農(nóng)業(yè)綠色投入品的研發(fā)具有重要意義。為了改變當(dāng)前高濃度、高水溶、高污染肥料產(chǎn)品的現(xiàn)狀，發(fā)展綠色智能肥料已成為推動化肥工業(yè)和農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。這需要通過多學(xué)科交叉創(chuàng)新以及工農(nóng)融合的全產(chǎn)業(yè)鏈綠色發(fā)展策略來實現(xiàn)（如圖2所示）。在農(nóng)業(yè)方面，應(yīng)明確具體的肥料需求，包括養(yǎng)分的比例、形態(tài)及其他特性等。為滿足這些需求，應(yīng)制定一套規(guī)范，該規(guī)范應(yīng)以作物、土壤和氣候條件的動態(tài)傳感與監(jiān)測為指引，同時充分利用先進的大數(shù)據(jù)智能算法來提供決策支持。同時，化肥行業(yè)應(yīng)通過加強工藝創(chuàng)新和技術(shù)突破，來滿足日益增長的農(nóng)業(yè)化肥需求。通過工農(nóng)融合的方式，對整個產(chǎn)業(yè)鏈進行同步、系統(tǒng)的分析，確保與未來綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢保持一致。

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