新型缓控释肥料与稳定性肥料的创制与应用(精)/化肥和农药减施增效理论与实践丛书

第1章 缓控释肥料与稳定性肥料在农业绿色发展中的作用 世界各国都在针对普通化学肥料利用率低，使用过程中容易出现损失而污染环境等问题，纷纷研制养分缓慢或控制释放的肥料，要求肥料养分的释放规律与作物的养分吸收相同步，既可实现一次性施肥、省工高效，又可大幅度提高肥料利用率。缓控释肥料与稳定性肥料是顺应农业可持续发展需要而产生的新型肥料类型（张民，2000）。近年来，随着控制化肥用量的环境立法在世界各国越来越受重视，世界普通化肥用量出现负增长，但是缓控释肥料和稳定性肥料消费每年以高于5%的速度增长，其中包膜缓控释肥料的增长率超过10%（Trenkel，2010）。多年来，缓控释肥料与稳定性肥料的研究一直是国际农业高技术领域竞争的热点。 1.1我国农业发展及面临的压力与挑战 中国是世界*大的农业大国和人口大国，粮食问题不仅关系到14亿国民的吃饭问题，也是维护社会稳定与经济健康持续发展的重要保证。因此，粮食供应问题注定了农业在中国国民经济中的首要位置。就中国农业发展来说，中国创造了以只占世界9%的耕地养活了世界近20%人口的奇迹。然而，在新的发展时期，我国的农业生产还面临着诸多重大挑战，具体表现在以下几个方面。 1.1.1 耕地面积总量与人均耕地面积下降 改革开放以来，我国以工业经济为主要方式的国民经济得到快速发展。工业经济增长的同时占用了大量农耕地，据国土资源部（现自然资源部）提供的资料：1996～2003年，我国耕地面积已由19.5亿亩（1亩≈.666.7m2，下文同）减少到18.5亿亩，7年减少了1亿亩，平均每年约减少1429万亩，目前我国人均耕地面积只有1.43亩，不足世界平均水平的40%，2003年，全国已经有6个省的人均耕地面积低于0.8亩的警戒线。尤其在目前全球出现粮食供应紧张的情况下，要保障14亿人口的吃饭问题，在耕地总量不断减少的情况下，必须依靠提高耕地单产来实现。 1.1.2 农业面源污染等环境问题日益加剧 长期以来，因施用化学肥料与动物粪便等肥料缺乏科学性，造成了农业污染的加剧。目前，农业的面源污染已经成为环境污染的重要组成部分，农业也面临着生态环境的挑战。相关资料显示，目前中国30%以上的土地已经被酸雨污染，主要水系的40%以上已经成为劣五类水，30%以上的饮用水受到不同程度的污染，其中64%的城市地下水受到严重污染，61%的内陆湖泊富营养化，每年水污染造成的经济损失占到我国 GDP总量的1.46%～2.84%。据中国科学院南京土壤研究所对太湖流域农业面源污染的研究显示：在太湖的外部污染总量中，工业污染仅占一小部分，为10%～16%，农业面源污染所占的比例在持续上升，目前已占到59%。另据资料显示，长期对云南经济起到重要支撑作用的花卉产业，目前变成对滇池环境破坏的主要污染源，其原因就是花卉产业在生产过程中大量使用化肥造成了严重的污染。同时，化肥的施用也加剧了温室气体的排放。目前中国的 CO2排放量处于世界第二位，化肥生产与使用中产生的 CO2和氮氧化物被证明是温室气体的主要成分。此外，化肥生产和施用过程中排放的气体与粉尘对环境及人类健康的影响也正日益加剧，其中 N2O不仅可导致臭氧洞的扩大，还容易形成颗粒物导致人呼吸和视力疾病，另外， NO2容易造成酸雨，对损害人体健康和生态环境具有不可估量的影响。 1.1.3 化肥用量增加导致社会资源矛盾日益突出 化肥在农业发展和粮食增产方面起着关键性作用，而农业生产对化肥需求的不断增加，也加剧了社会资源供应之间的矛盾。化肥作为工业产品，其主要原料为煤炭、石油、天然气及钾磷矿石等，这些原料中大多都是不可再生的、人类赖以生存的社会资源。相关统计数据显示，每生产1t尿素需消耗1.5～2.0t原煤或800kg石油。中国化肥生产消耗的标准煤为1亿 t，占据全国总产量的5%，其中无烟煤和天然气的消耗比例分别为13%和31%；消耗硫资源为69%，而且目前中国的硫资源已无法满足化肥生产的需要，进口量已经占到世界硫黄贸易量的20%；每年中国进口氯化钾达700万 t，占世界钾盐贸易量的33%以上。 根据国家能源局公布的数据，中国人均煤炭、石油、天然气仅分别为世界平均水平的60%、10%、5%，我国查明的磷矿储量仅可开采45年，钾矿资源更是长期依赖进口。化肥工业不但成为社会资源的重要消耗工业，而且这些社会资源具有不可再生性，同时随着农业生产对化肥需求的不断增长，将使社会能源与经济发展的矛盾不断加剧。 通过上述分析可以看出，化肥长期施用会造成其增产作用逐步弱化，这必然会引起化肥单位面积使用量的增加，过量施用又会造成肥料的报酬递减，从而使农民单位面积种植成本不断上升。同时，随着化肥原料、石油、煤炭、电、天然气价格高涨，必会带动化肥价格的上升。另外，随着大批农村劳动力进城务工，造成农业生产劳动力大量减少。目前，我国农村实行家庭联产承包责任制方式的生产模式，大批的农村劳动力走出农村到城市务工，过去一直被忽视的种植劳动力成本问题被核算起来，加之农业种植与进城务工之间的收益反差，使农村耕地无人可种、无人可管、无人可收的问题日益显现。 传统农业生产过程中产生的农业面源污染问题，也已经成为目前环境污染的重要“元凶”，我国农业生态环境面临着严峻挑战（黄摘，2008）。农业更面临生产成本不断上升的巨大压力。目前，包括化肥在内的各种生产资料价格的不断上涨，造成农业生产成本的整体上升，使我国农业面临巨大的压力。 1.2 化肥在农业可持续发展中的作用 在讨论中国农业发展问题时，我们经常谈到的是，我国以仅占世界9%的耕地养活了世界近20%的人口。同时，也必须注意一个重要的事实：我国也消耗了超过世界总产量30%的化肥。化肥的科学合理使用已经成为研究农业可持续发展必须高度关注的大问题。 化肥作为一种工业经济的产物，从诞生之初就在粮食增产中起到了重要作用。联合国粮食及农业组织（FAO）的资料显示，在发展中国家，化肥在粮食单产增加中的作用可达55%～57%，对总产的贡献率可达30%～31%。在中国，全国化肥试验网的大量试验结果（林葆和李家康，1989）表明，化肥在提高水稻、玉米、棉花单产上的贡献率为40%～50%，提高小麦、油菜等作物单产上的贡献率可达50%～60%，提高大豆单产上的贡献率近20%。从上述数据可以看出，被称为“人类粮食的粮食”的化肥在中国粮食生产与粮食安全中的作用是巨大的，可以把化肥工业作为解决中国人吃饭问题的基本物质保障。 同时，化肥也是人类营养结构改善的重要保证。著名能源、环境科学家 Smil（2011）研究认为：化肥提供了人类所需氮素的近45%，而我国这一比例达到60%以上。传统农业中生物固氮仅能提供氮素120～150kg/hm2，每公顷土地只能提供200kg蛋白质，养活6～7个素食者；而一些发达国家每公顷可生产600～800kg蛋白质，养活20～30人。虽然我国农作物单产水平低，但考虑复种指数为150%，实际上我国耕地全年蛋白质产量高于发达国家，达到660～929kg/hm2，因此我国耕地只占世界的9%却能养活近20%的世界人口。在中国人口持续增加和耕地面积不可能增加的情况下，提高单位面积耕地的产量也就成为解决国人生存问题的唯一选择，因此施用化肥也就成为提高产量的重要措施。 另外，化肥产业发展也关系着农业增产、农民增收。据国家发展和改革委员会统计，中国水稻、小麦、玉米三大作物平均生产成本为363元/亩（国家发展和改革委员会价格司，2010），净利润为15.08元/亩，其中化肥平均投入为20.29kg/亩，支出费用为84.31元/亩，占生产成本的23%，仅少于人工投入。因化肥价格的增长，三大粮食作物化肥投入增加，从而造成粮食生产利润下降，因此，化肥成为影响农业生产成本上升与农民收入增加的重要因素。 因此，化肥已成为支持农业增长的重要因素。改革开放以来，我国化肥产业发展迅速，不但品种从*初的以氮肥为主发展到多种元素混合的复合肥料，化肥总产量与消费量也不断攀升（图1-1）。改革开放40年来，我国粮食总产量大幅度增长，从1978年的3.35亿 t，增长到2007年的5.016亿 t，增长了约60%；而我国化肥年总消费量则由1978年的596万 t（折纯，下同）增长到2013年的5912万 t，增长了近892%。这既说明我国的化肥消费量增长速度大大超过了粮食产量的增加，从某个方面也显示出化肥生产效率和化肥对农业增产的支撑作用已明显下降。 图1-1 中国化肥消费量与粮食总产量和化肥生产效率变化曲线图 化肥过量使用已成为推动农业成本持续上升的重要因素。近年来，随着农资、水、劳动力成本的不断上升，我国农业生产投入也不断攀升，已经成为一个典型的高投入行业。 1.3 我国化肥产业发展现状与存在问题 化肥作为一种工业化产品，在为人类农业生产做出巨大贡献的同时，其长期使用也带来了诸多问题。 **，传统化肥养分利用率低下。目前，我国的氮肥当季利用率仅为35%左右，磷肥当季利用率不足20%，钾肥的当季利用率也在40%以下，而在一些施肥量高的蔬菜或果树种植区，化肥的养分利用率甚至低于10%。每年就此白白流失的化肥就达1100万 t，直接造成的浪费就达1000亿元，仅损失的氮肥价值就达400亿元。化肥养分利用率的低下造成了我国化肥消耗量远远超过世界平均水平。目前，中国耕地面积占世界不足9%，却消费了超过世界化肥总产量的30%，单位面积使用化肥量是世界平均水平的3倍多。 第二，化肥污染成为农业面源污染的重要来源。化肥生产技术与使用技术水平低下，不仅造成了巨大的经济浪费，而且更严重的是对生态环境造成了严重破坏。每年流失的高达1100万 t的化肥大量残留或者释放到土地、大气，进入地下水或通过地表水进入江、河、湖泊中，成为主要的面源污染源，威胁着人类的身体健康与食品安全。中国科学院南京土壤研究所对太湖流域农业面源污染的研究结果显示：在太湖的外部污染总量中，工业污染仅占一小部分，为10%～16%，农业面源污染所占比例持续上升，目前已占到59%。另据调查，云南省经济主要支柱产业—花卉产业目前已经成为造成滇池污染的主要因素，原因就是花卉产业在生产过程中使用的大量化肥造成了严重污染。 第三，化肥工业的不断膨胀加大了国家投资、农民投入的压力。由于化肥生产原料消耗了大量的资源，持续增长的化肥产量必将加剧社会能源的供应矛盾。不仅如此，化肥产量需求的不断增长加大了国家对该产业的投资压力（张福锁，2007）。同时，因近来国际石油等原料的大幅涨价，不断攀升的化肥价格也造成农民的农业生产成本大幅提高，从而会严重挫伤农民种植的积极性。 在农业生产成本持续上升的各种因素中，化肥大量使用占农业生产成本上涨的主要部分。化肥的长期施用，造成农业增产作用逐步弱化，从而引起农业单位面积化肥施用量增加，过量施用又会造成肥料的报酬递减，使农民的单位面积种植成本不断上升，造成农业发展压力的进一步加大。仍以小麦为例，每亩总投入为466元，其中：化肥投入185元、耕地25元、播种13元、种子60元、耙地13元、浇水100元、收割50元、农药和除草剂20元。目前，化肥支出约占农业生产中全部生产性物质支出的50%。 1.4 缓控释肥料与稳定性肥料在农业中的作用 农业是国民经济的基础，化肥作为重要的农业生产资料，对粮食增产的贡献率在40%以上，是直接关系到国家全局的重大战略问题。国内外化肥工业发展经历了单质肥料、复合肥料到以缓控释肥料为主要代表的新型肥料的发展历程。近20年来，缓控释肥料作为一种新型环保肥料，受到各方面的广泛关注。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确将“环保型肥料”列入农业科技发展的优先主题。解决现代农业发展中的肥料问题，必须在提高肥料利用率、减少化肥用量、减少环境