来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/5/24 18:30:28
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FASE  亮文解读:绿色智能肥料—农业绿色可持续发展的新途径

论文标题: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

发表时间:15 Mar 2024

DOI:10.15302/J-FASE-2024547

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中国农业绿色发展:洞察与进展

Agriculture Green Development in China: Insights and Advances

专 辑 文 章 介 绍

· 第十四篇 ·

▎论文ID

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

绿色智能肥料—农业绿色可持续发展的新途径

发表年份:2024年

第一作者:王茂莹,程凌云

通讯作者:申建波,张福锁

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

作者单位:中国农业大学资源与环境学院,国家农业绿色发展研究院

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世纪,中国化肥生产现状与农业绿色发展需求之间的差距日益凸显。本文探讨了肥料发展的主要阶段,提出了绿色智能肥料的概念,并制定了与肥料工业和农业绿色发展原则相契合的新战略。该战略旨在通过绿色智能肥料,最大限度地发挥植物、土壤、微生物、养分与环境之间的协同效应,推动工农融合,实现全产业链的绿色转型与发展。同时,以多学科交叉的方式,推动化肥行业向绿色化方向转型,进而促进农业的绿色可持续发展。本文旨在通过缩小化肥行业现状与农业环境需求之间的差距,提出并强调化肥生产与绿色农业发展相协调的必要性和可行路径。

· 文 章 亮 点 ·

1. 绿色发展正面临着化肥生产造成的环境污染和资源利用效率低的挑战。

2. 绿色智能肥料的设计充分考虑了植物、土壤、微生物、养分和环境之间的协同作用。

3. 本文提出了符合工业和农业绿色发展原则的新战略。

4. 绿色智能肥料强调了将化肥生产与绿色农业的需求相协调的路径。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

化肥是保障国家粮食安全的重要战略物资。当前,中国已成为全球最大的化肥生产国和消费国,化肥年产量和消费量均占全球总量的三分之一左右。然而,化肥的持续过量施用导致了养分利用率低和土壤养分盈余等问题,造成了严重的资源浪费和环境污染。同时,全球人口不断增长,耕地面积有限,粮食生产的压力仍在加剧。因此,必须通过肥料创新和精准施用,提高作物生产力和肥料利用率,以促进农业的绿色可持续发展。此外,化肥工业生产消耗了全国2%的煤炭、3%的天然气、80%的磷矿和60%的硫资源。然而,在肥料生产过程中,很多矿产资源中的养分,如微量元素等,并未得到充分利用,这导致了矿产资源的巨大损失。

为应对资源和环境的双重挑战,本文深入探讨了肥料领域的主要进展,并创新性地提出了绿色智能肥料的概念和战略。通过工农融合,推动新型肥料的开发创新,弥合化肥工业和农业之间的差距,推动化肥产业的转型升级。最终,期望能够满足农业可持续生产的需求,实现肥料工业和农业全产业链的绿色可持续发展。

▎中国肥料发展历史

(1) 一元和二元肥:20世纪30年代至60年代,化肥行业处于起步阶段,产品以氮肥为主。20世纪60年代末至80年代初进入氮磷二元肥阶段。由于平均施肥率低和生产原料难以保证,这一时期肥料发展相对缓慢。

(2) 三元复合肥:1980年以后,进入三元复合肥快速发展阶段。由于20世纪90年代化肥实行计划经济,生产销售受限,新型肥料开发较少。1999年之前复合肥以15-15-15 (N-P2O5-K2O) 为主。1999年以后实行资源市场化分配制度,化肥市场逐渐开放,产品向作物专用肥发展,但仍以高浓度产品和复合肥为主,没有精确的、有针对性的匹配区域土壤和作物。

(3) 新型肥料:根据绿色可持续发展要求,农业和化肥行业对新型肥料的需求日益增长。自2014年以来,我国新型肥料推广步伐加快。目前的新型肥料主要包括增效肥料、包膜缓控释肥、纳米肥料和生物肥料等,通过外源添加增效物质或材料应用来调节养分释放以满足植物需求,旨在实现高效化、专业化、长效化、功能化和低碳化。事实上,大部分新型肥料仍存在生产复杂、成本高和环境污染问题。

调节养分释放也可以利用土壤微生物群落和作物生物学特性,以及不同的土壤和气候特征,而不是简单地向肥料中添加外源物质。但目前并没有标准来指导这些特定技术的实施。为了符合当代农业和环境可持续性要求,迫切需要制定新的标准并探索更先进的新型肥料 (表1)。

表1 常规肥料与绿色智能肥料的区别

▎绿色智能肥料的创新策略与途径

绿色智能肥料是基于作物、土壤和环境相匹配的植物营养优化原理,利用大数据智能算法进行定向供需匹配,通过强化作物生物学潜能,激发根肥互馈效应,同时利用先进的绿色制造技术,充分利用矿产资源的新型肥料,具有全产业链高效、低碳、资源全量利用的特点。

(1) 强化作物生物学潜力,激发根肥互馈效应

绿色智能肥料可以利用植物根系和土壤微生物的传感作用,促进根系、微生物和养分之间的协同效应,最大限度地发挥肥料养分功能。例如,通过控制肥料铵硝比来调控根际效应以促进养分吸收。智能肥料利用植物信号机制的途径,一是提取和鉴定可以修饰根系并吸引有益微生物的植物信号分子;二是识别胁迫条件下产生的根际信号分子,为智能肥料中传感器的设计提供信息。将这些信号分子整合到肥料中,实现养分的智能调控和精准释放 (图1)。

图1 养分精准释放的智能肥料创制途径。

(2) 智能感知土壤环境,实现养分精准释放

温度和水分等环境条件显著影响作物生长和养分吸收。绿色智能肥料根据环境条件的变化,以低排放和充分利用矿质养分的方式,利用温敏或水敏等智能材料,自主调节水分和养分的吸收与释放,满足作物特定的营养需求。此外,也可以根据土壤pH和根系分泌物等的变化调节养分释放,通过智能环境应答来确保精确的养分输送。

(3) 养分释放动态匹配作物需求

作物对养分的需求在不同生长阶段差异很大,绿色智能肥料必须在时间和空间上动态匹配作物营养需求以提高养分利用率。施肥时间和空间分布必须考虑土壤条件及其对养分转化、损失和植物生长速率的影响。速缓效养分结合不仅能满足作物生长前期对养分的迫切需求,还能在后期缓慢释放养分,实现作物全生育期的养分供应。根系形态和生理学的动态变化以及养分流动性的不同,突出了在空间上局部施肥的重要性。局部施肥可以促进根系增殖和根际相对强烈的酸化,增加根系与养分的接触面积并活化调动养分,而这可通过机械化的精确定位施肥来实现。

(4) 充分利用矿产资源和工业副产物,创制资源环境成本低的绿色肥料

肥料的绿色侧重于产品整个生命周期的资源利用和环境排放。通过创新先进的绿色制造工艺,保留和高效利用原矿资源,最大限度地减少矿质养分损失;工业副产品可采用二次工艺将有益元素转化为新的肥料产品,做到低能耗、低排放和最少废弃物产生。然而,由于精确配方和工业制造的复杂性,将这些知识应用于肥料生产受到一定阻碍。例如,磷肥中的磷酸根与钙镁沉淀降低了养分有效性,这给复合肥生产带来了挑战。因此,绿色智能肥料的创新技术包括分层造粒和螯合等,通过养分隔离等手段减少养分退化,提高肥料利用率。

绿色智能肥料的生产可行性及其显著效果已在水稻、澳洲坚果、玉米和马铃薯等作物上得到证明。例如,绿色智能澳洲坚果肥是基于澳洲坚果多年生的养分需求规律及其排根特性而设计,通过磷养分的速缓结合及其对排根的激发效应,结合不同氮形态促根,使澳洲坚果在减量施肥35%的条件下增产20%。

图2 工农融合的绿色智能肥料技术突破。

· 结 论 ·

绿色发展是新时期的国家发展趋势,新型农业绿色投入品的研发具有重要意义。为了改变当前高浓度、高水溶、高污染肥料产品的现状,发展绿色智能肥料已成为推动化肥工业和农业全产业链绿色转型的关键。这需要通过多学科交叉创新以及工农融合的全产业链绿色发展策略来实现(如图2所示)。在农业方面,应明确具体的肥料需求,包括养分的比例、形态及其他特性等。为满足这些需求,应制定一套规范,该规范应以作物、土壤和气候条件的动态传感与监测为指引,同时充分利用先进的大数据智能算法来提供决策支持。同时,化肥行业应通过加强工艺创新和技术突破,来满足日益增长的农业化肥需求。通过工农融合的方式,对整个产业链进行同步、系统的分析,确保与未来绿色可持续农业的发展趋势保持一致。

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