复合肥料配方制定的原理与应用--农田养分综合平衡法

作者简介

内容简介

第1章作物专用复合（混）肥料研究进展
　　针对某种作物特有的需肥特性，结合其生长的气候和土壤环境、种植制度、施肥技术等，研制适合该作物专属的 N∶P2O5∶K2O配方，发展作物专用复合（混）肥料，是改善肥效、提高肥料利用率的重要途径。配方是作物专用复合（混）肥料发展的核心技术。我国农业气候、土壤、作物复杂多样，农业生产以小农户经营体制为主，若为一家一户专门制定肥料配方不具可行性。因此，根据不同尺度的作物区划，研制与区域作物 -土壤-气候相匹配的肥料配方，实现区域精准配肥，走区域作物专用复合（混）肥料发展的道路，是中国农业的可行和现实选择。
　　中国农业小农户体制下施肥技术水平相对不高，将作物专用配方技术物化到复合（混）肥料产品中，引导农户正确认识、选择和施用专用肥，是提高科学施肥水平的有效途径。2000年以前，我国复合（混）肥料以国外进口的 15-15-15通用配方肥为主，随着我国作物专用肥配方研究和复合（混）肥料工艺技术的发展，复合（混）肥料逐渐由通用型向作物专用化方向发展。在国家科技项目的支持下，经过多年努力，作物专用复合（混）肥料配方制定的理论和方法逐渐建立，专用肥生产工艺技术不断创新，有力推动了我国作物专用复合（混）肥料产业的发展。目前，我国 2/3的复合（混）肥料产品是作物专用型的。尽管如此，我国作物专用复合（混）肥料配方仍存在“多、乱、杂”的问题，其规范化和科学性仍有待进一步提高。
　　1.1 作物专用复合（混）肥料产业发展
　　1.1.1复合（混）肥料发展概况
　　传统上，复合（混）肥料从制造工艺上可分为化学方法为主生产的复合肥料及物理方法为主生产的复混肥料两大类。根据国家标准《复混肥料（复合肥料）》（GB/T 15063—2009）①，复混肥料是指氮、磷、钾三种养分中，至少有两种养分标明量的由化学方法和（或）掺混方法制成的肥料；复合肥料是指氮、磷、钾三种养分中，至少有两种养分标明量的仅由化学方法制成的肥料，是复混肥料的一种。掺混肥料是指氮、磷、钾三种养分中，至少有两种养分标明量的由干混方法制成的颗粒状肥料，也称 BB肥（GB/T 21633—2008）。但时至今日，许多专家建议可不再分复合肥料或复混肥料，凡是氮磷钾在一个颗粒之中的肥料统称为复合肥料，氮磷钾不在一个颗粒之中的称为掺混肥料。但本书还是沿用传统的概念，将复合肥料和掺混肥料统称为复合（混）肥料，其中也包括氮磷钾养分不在同一颗粒中的掺混（ BB）肥料。
　　①该标准目前已废止，修订为《复合肥料》（GB/T 15063—2020）。但因本书研究成果为 2020年之前完成的，故依据标准为当时有效的标准。全书同。
　　1. 国外复合（混）肥料的发展
　　复合（混）肥料的生产和施用始于西方发达国家，大致经历了三个阶段：① 20世纪初期，粉状肥料简单掺混阶段。昀初仅由普钙、智利硝石等机械粉碎混合，后来将过磷酸钙、硫酸铵、氯化钾等以粉状形式混合起来施用。粉状肥料的掺合加工方法简单，但养分浓度低、肥效较差。②20世纪 50～60年代，复合（混）肥料规模化生产阶段。随着基础化肥工业的发展，磷铵、重过磷酸钙、尿素等高浓度化肥大量生产，利用这些基础肥料进行二次加工，复合（混）肥料的养分浓度由 20%提高至 40%左右。③20世纪 60年代以后，复合（混）肥料快速发展阶段。随着科学技术的进步，复合（混）肥料生产出现了一批成熟的工艺技术，生产装备也趋于大型化、现代化，促进了复合（混）肥料产业的快速发展（徐静安， 2000）。现阶段，西欧、北欧诸国和美国、日本等国家的化学肥料大部分通过化学合成（如磷铵等）或对氮素、磷素、钾素二次加工后，以复合（混）肥料进入农业市场。例如，英国、美国复合（混）肥料占销售化肥总量的 80%，日本和西欧国家为 60%～80%，哥伦比亚及韩国、泰国等亚洲国家也达到 70%（沈兵， 2013）。复合（混）肥料产品和工艺技术成为化肥工业的重要内容，也是衡量一个国家化肥工业发展水平的重要标志之一。
　　当前，发达国家复合（混）肥料产业发展衍生出两种主要模式，即化学法复合肥模式和物理法掺混肥模式（沈兵， 2013）。化学法复合肥模式以欧洲发达国家为代表。欧洲发达国家近年来的化肥消费总量呈下降趋势，但其单位面积施肥量（ N+P2O5+K2O）仍然较大，化肥复合化率较高，氮、磷、钾肥复合率分别达到 21%、87%和 67%。物理法掺混肥（BB肥）模式以美国为典型代表。主要是散装高浓度掺混肥，其成本低，养分配比（N∶P2O5∶K2O）可依据田块土壤养分特征、作物需肥规律灵活调控，实现精准配肥到田块。目前，美国有 6000多家掺混肥企业，占二次加工肥料企业的 90%，每家企业年产掺混肥 300～50 000 t（沈兵，2013）。
　　2. 国内复合（混）肥料的发展
　　我国复合（混）肥料的施用始于 20世纪 50年代，但当时用量很少。 20世纪 80年代后，复合（混）肥料施用量增长速度加快（杨业新等， 2012；张福锁等， 2007）。1980年全国复合（混）肥料施用量仅为 27.2万 t，肥料复合化率 2.14%；到 2000年复合（混）肥料施用量达到 918万 t，是 1980年的 33.8倍，复合化率达到 22.1%；2012年我国复合（混）肥料施用量 1990万 t，复合化率为 34.1%（图 1-1）。统计资料表明，我国肥料复合化率逐年提高，但不同地区复合（混）肥料施用量相差较大，河南、山东、安徽、吉林、河北、陕西和湖北的复合（混）肥料施用量占全国施用总量的 50%以上（图 1-2）。
　　20世纪 50年代，我国湿法磷酸、热法磷酸、磷铵（MAP/DAP）、硝酸磷肥及重过磷酸钙等复合（混）肥料产品试验成功， 1966年**个年产 3万 t DAP工业化生产装置在中国石化集团南京化学工业有限公司建成。80年代后，通过技术引进和自主创新相结合，建成了如铜陵化学工业集团有限公司、中国-阿拉伯化肥有限公司等 11套大、中型 DAP生产装置；依靠自主创新，建设料浆浓缩工艺年产 3万 t DAP装置 73套、年产 6万 t DAP装置 2套。1979年起，氯化铵 -磷铵系、氯化铵 -过磷酸钙系、尿素 -过磷酸钙系、尿素-磷铵系、硝酸铵 -过磷酸钙系等多种复合（混）肥料在上海化工研究院研发成功（徐静安，2000）。90年代后，国内复合（混）肥料产业受到国外进口复合（混）肥料的冲击，加之 1998年国家农资政策市场化改革，化肥企业调整思路，大规模发展高浓度复合（混）肥料，高塔熔融工艺、低温转化氢钾工艺等复合（混）肥料生产工艺技术应运而生，快速发展。
　　图 1-1 我国 1978～2012年复合（混）肥料施用量注：数据来自国家统计局年度数据
　　图 1-2 我国 2012年复合（混）肥料用量部分省份所占比例
　　注：数据来自国家统计局年度数据
　　新中国成立以来，我国化肥由单质肥料向复合（混）肥料发展，复合（混）肥料由低浓度向高浓度、由通用型向专用型发展，生产工艺呈现团粒法、熔融造粒法、料浆法、掺混法等多元化发展（沈兵， 2013；杨业新等， 2012）。据中国磷复肥工业协会统计，目前我国获得生产许可证的复合（混）肥料企业有 4000多家，年产能约 2亿 t（实物量）。
　　从化肥管理的角度看，新中国成立以来，我国复合（混）肥料产业经历了由计划经济向市场经济发展的转变（沈兵，2013）。1998年国家化肥流通市场化改革以前，化肥实行统购统销，计划管理； 1998年之后，国家政策放开化肥市场，肥料产业市场化大发展，民营肥料企业如雨后春笋般涌现，肥料产业快速发展。
　　1.1.2 作物专用复合（混）肥料的发展
　　1. 作物专用复合（混）肥料产业发展概况
　　作物专用复合（混）肥料是根据土壤和气候特点，针对具体作物的需肥规律，研制针对该种作物的专用复合（混）肥料配方，以单质肥料或二元复合肥料为基础原料，利用复合（混）肥料生产装备，通过造粒、干燥等工艺技术而生产的氮磷钾多元素复合（混）肥料（张洪昌和赵春山， 2010；李春花， 2001；邢淑敏， 1996）。与通用型复合（混）肥料（ 15-15-15配方）相比，作物专用复合（混）肥料专肥专用、针对性强，肥效更佳。复合（混）肥料作物专用化是实现精准配肥、养分协同增效，提高科学施肥水平，推动化肥减施增效和农业绿色发展的国家重大需求。近年来，我国作物专用复合（混）肥料产业迅速发展，对提高科学施肥技术水平、促进农业增产增收、保护生态环境和推动农业绿色发展发挥了重要作用。
　　在国外，复合（混）肥料发展之初，以通用型配方为主，其养分（氮磷钾）含量和配比主要考虑工业生产的方便性、可行性，或者利用单质肥料配制成养分完全、比例平衡的掺混肥料（李春花， 2001）。随着复合（混）肥料工艺技术的进步和农业需求的发展，世界各国逐步重视研制更适合作物 -土壤-气候特点的专用型复合（混）肥料配方，生产更具针对性、专用化的复合（混）肥料产品。从作物专用复合（混）肥料产业发展模式看，美国发展掺混型专用肥模式，根据作物营养需求和土壤养分特点，利用颗粒状的基础原料进行灵活调配生产专用型 BB肥料。欧洲主要是化学法复合肥料产业模式，如俄罗斯 EuroChem公司利用磷酸、硫酸与氨反应中和液再添加钾肥工艺，生产出无氯 -高磷钾复合肥料 12-15-15产品；挪威 Yara公司生产配方 12-11-18的高钾型专用复合肥料；德国 BASF公司生产 16-10-17、14-8-30、25-5-10等系列专用配方复合肥料等。
　　在我国，尽管大规模工业化生产作物专用复合（混）肥料的时间相对较晚（ 2000年以后），但我国很早就已经开始重视研究氮、磷、钾及中微量元素配合施用的效果，开展全国肥效田间试验研究。1936年开始的地力测定研究，包括 14个省份水稻、玉米、小麦、油菜、棉花等不同作物的 156个肥效试验；1958年第二次全国化肥网试验，包括 25个省份 351个田间试验； 1981年第三次全国化肥网肥效试验，规模更大、范围更广，包括 29个省份，完成氮、磷、钾化肥肥效、用量与配比试验 5086个，并根据不同区域土壤养分状况、作物布局特征、施肥水平和化肥肥效田间试验数据，提出不同区域氮、磷、钾化肥适宜的用量和比例（中国农业科学院土壤肥料研究所， 1986）。1998年以前，我国化肥由国家统购统销，实行计划管理，化肥企业生产与科研院所研究脱节较为严重，企业不掌握土壤养分特点、作物需肥特征等，加之受复合（混）肥料生产技术的限制，我国的高浓度复合（混）肥料配方以通用型 15-15-15为主，作物专用复合（混）肥料配方较少，且养分浓度低，如李钟琦（ 1986）由基础肥料尿素 -碳铵-普钙-氯化钾研制的小麦专用复合（混）肥料总养分（ N+P2O5+K2O）含量约为 20%，张振信（ 1989）用碳铵 -过磷酸钙-硫酸钾 -硫酸锌混配而成的甘薯专用复合（混）肥料养分含量只有 21.5%～27.9%。
　　2000年以后，随着国家农资市场化政策的实施，在复合（混）肥料生产技术引进的基础上，通过自主创新，以中国 -阿拉伯化肥有限公司为代表的大型化肥企业率先开始研究和生产高浓度作物专用复合（混）肥料。1999年，中国 -阿拉伯化肥有限公司独创“延伸平衡法”，研制出“ 16-16-8”等系列用于不同区域、不同作物的高浓度专用复合（混）肥料配方（沈兵， 2013）。山东鲁西化工集团股份有限公司、山东红日集团有限责任公司、湖北洋丰集团股份有限公司、云南红河磷肥厂等大中型化肥企业也开始生产高浓度作物专用复合（混）肥料。目前，我国作物专用复合（混）肥料几乎涵盖全国主要农业区域、土壤类型和作物，年产量超过 4000万 t（实物量）。
　　2. 作物专用复合（混）肥料生产工艺
　　作物专用复合（混）肥料生产工艺主要有掺混法、