绿色智能肥料：从原理创新到产业化实现
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中国农业大学张福锁院士团队在《土壤学报》期刊上发表题为“绿色智能肥料：从原理创新到产业化实现”的综述文章，为工农业绿色转型提供了一些创新思路。
导读
创制绿色智能肥料的必要性
过去40 年，我国化肥总量保持快速增长。氮肥和磷肥的产能、产量及消费量均居世界首位，实现了自给有余；钾肥生产跃居世界第四，自给率大幅提升。我国化肥产业在满足国内需求的前提下，为全球化肥供应做出了巨大贡献，提升了我国在化肥生产领域的国际地位。然而，在新形势下，我国化肥产业绿色转型迟缓、发展相对滞后，与农业需求匹配度低，已无法满足“碳达峰、碳中和”和绿色发展的新需求。1）从历史演变的角度看，创新绿色智能肥料成为必然选择；2）从产业发展的角度看，亟需工农融合创新化肥产业体系；3）创新绿色智能肥料是破解化肥产业绿色发展瓶颈的突破口。
绿色智能肥料的概念与原理创新
1.绿色智能肥料的概念与内涵
绿色智能肥料是指根据作物-土壤-环境相匹配的植物营养调控原理，采用大数据智能算法进行有针对性的定向匹配设计，应用先进绿色制造工艺生产的具有作物根际效应激发、养分精准匹配和矿产资源全量利用的一类新型高品质肥料，具有养分高效、低碳环保，低排无废、资源全量利用的绿色特点；施用后具有能高效挖掘作物的生物学潜力、与根系“对话”激发根际效应、响应气候和土壤条件、精准匹配作物需求的智能特点。绿色智能肥料不仅具有更好增产提质和培肥土壤作用，而且是引领工农全链条融合与化肥产业绿色转型的重要切入点。
图1 绿色智能肥料的主要构成因素与五大内涵
1）作物：生物感知，根肥互馈
作物根系或土壤微生物可以强烈感知养分的供应，作物根系、根际效应与肥料能产生互馈增效作用，并通过根际生命共同体的级联放大效应最大化肥料的功能。
2）土壤：环境应答，精准释放
作物生命活动受环境条件的显著制约。低温条件下作物的生长发育速度显著降低，其养分吸收量和吸收速度均显著下降；土壤含水量显著影响根系发育以及养分迁移，几乎所有养分的有效性均受到土壤含水量的影响，对于硝态氮、磷、钾尤其如此。绿色智能肥料可根据环境条件的变化，自主调节养分释放的强度，以便与作物营养需求相匹配。既注重考虑对土壤障碍因素的调控，更要注重根际微域的智能响应和反应。
3）时空：动态匹配，供需协同
绿色智能肥料需要从时间与空间上实现与作物需求的高度匹配。为了实现养分利用效率的最大化，需要考虑新型肥料产品的养分供应与根系发育、作物需求在时间、空间尺度上的动态匹配，同时也需要考虑土壤环境对养分转化、损失与植物生长速率的影响。另一方面，养分主要通过根系被作物吸收，但随着作物不断生长，其根系在土壤内的分布不断发生变化，同时，不同养分在土壤中的移动特征存在很大差异。肥料施用需要结合机械化精准施用装备，将养分施用在根系分布区域，提高其空间有效性。
4）绿色：低耗低排，全量利用
绿色智能肥料产品中的绿色主要是从产品全生命周期中资源利用和环境排放两个维度来考量的。全量利用指的是矿产养分资源的利用强度和效率，强调尽量保留原料中各种养分并高效利用；在原料开采和肥料制造过程中要求主要养分损失少，利用率高，其他养分如中微量元素也要通过各种途径加以利用，既可以直接将矿产资源中各种养分一次性保留在肥料产品中，也可以通过延长产业链，将各种副产品中养分资源通过二次或多次加工制成新的肥料产品，提高养分资源利用效率。低耗低排是指肥料产品全生命周期中能源消耗和环境排放要低，首先在原料开采和产品制造过程中能耗低，温室气体和各种废弃物排放少；同时在肥料施用后养分利用效率要高，有利于作物对养分的高效利用，土壤残存少，环境负效应低。最终实现绿色低碳、全量利用。
5）产品：精准配伍，工业实现
作物对养分的偏好已被诸多研究所证实，但由于精准配伍的难度及工业制造上的复杂性，有关理论在肥料科学领域的应用非常少。在某些情况下，肥料的生产加工过程也可能会使初始养分配伍发生飘移，改变肥料产品中的养分配方。绿色智能肥料通过优化工业设计，尤其是通过造粒工艺、螯合等技术创新，使中量元素肥料在肥料颗粒中与水溶性磷肥实现分隔，使磷素与中量元素共存，从而提高钙镁缺乏地区（通常是酸性土壤）肥料的整体利用效率；通过创新绿色生产工艺，实现肥料产品中养分形态的精准配伍和高稳定性。
绿色智能肥料的创新在于“绿色”与“智能”。
主要创新途径有：（1）养分分隔与共存。在复合肥料生产中，集成钙镁与大量营养元素，避免发生沉淀反应，采用“物理隔离”原理是破解这一难题的重要途径，在复合肥料颗粒中水溶性磷与钙镁成分实现空间隔离、稳定共存。按照这一原理设计的复合肥料既能“智能地”避免肥料成分之间的不利反应，又能均衡地释放作物需要的养分，满足这些设计目标需要肥料制造工艺的不断创新。（2）纳米微粒与稳定悬浮。研究表明，MgO、CaO 等材料制成纳米颗粒后，不仅能避免其与大量元素的化学反应，而且能在使用时形成稳定的悬浮液，不需要采用络合等手段保持其稳定性，纳米级的MgO、CaO还可以实现跨膜吸收。（3）敏感材料与靶向调控。当前，工业制造与学术界在努力探索pH 敏感、温度敏感、特定物质（根分泌物如黄酮、类黄酮）敏感的包覆材料。一旦这些材料成果应用于肥料制造领域，可实现在响应特定环境条件下肥料养分的智能释放，使绿色智能肥料技术达到分子调控水平。
绿色智能肥料的创新设计需要与土壤特性和作物需求有机结合，通过根层调控技术充分发挥其功效，促进植物根系生长，强化根际养分活化能力，大幅度提高植物根系对养分的利用效率，在时空上满足高产群体不同阶段的养分需求。土壤是绿色智能肥料发挥最大作用效力的场所，设计的绿色智能肥料应当与特定的土壤理化性质相匹配，在此基础上，通过各种其他农学管理措施，如施用土壤调理剂、微生物制剂、生物刺激素等，优化土壤结构-养分供应-生物过程之间的关系，强化肥沃根层、蓄水保肥、生物活力，增强土壤健康与整个系统的弹性，实现根层养分供应与高产群体的匹配，提高系统的可持续生产能力（图2）。
图2 绿色智能肥料在土壤-植物系统综合管理中的作用示意图
绿色智能肥料的创新与产业化思路
绿色智能肥料创新与产业化需要围绕提质增效、产业升级和绿色发展这一总体目标，通过理论基础研究的知识创新与工农融合支撑的产品创新两大抓手，绿色智能肥料产品的创制要按照“元素协同工艺增效”、“精准配伍材料创新”和“生物互作级联放大”三步走策略，产业化中重点做好“四个匹配”，首先是工业生产过程与作物生产过程的匹配，其次是肥料产品特性与作物根系响应的匹配，第三是肥料产品与根际生命共同体提升的匹配，最后是工农融合与全链条绿色发展的匹配（图3）。
1.元素协同，工艺增效。绿色智能肥料创新第一步是元素协同、工艺增效的策略，元素协同指的是通过大量元素适宜配比和中微量元素的添加与保活，实现肥料养分供应与土壤、作物和气候的匹配，而在这种养分配比中，为防止养分效应退化的问题，需要进行工艺创新，实现养分增效。
2.精准配伍，材料创新。我国农业已走过了仅凭单一元素化肥、氮磷钾复合肥施用即可实现增产的阶段，进入了要求营养元素协同供应、提质增效、绿色发展的新时代。这对复合肥料创新提出了更高要求。肥料成分的复杂化可能会导致肥料在制造、储存过程中不同营养元素之间发生不良的化学反应，创新与研发新材料是解决这些关键问题的重要途径。
3.生物互作，级联放大。绿色智能肥料的合理施用不仅能定向调控根系扩展空间、强化根际效应提升活化能力，而且还可以激发根际生物互作增效、级联放大的功能，高效活化利用土壤养分（图 4）。调控作物根层的养分形态与精准供应能有效耦合根系、根际、生物互作等过程，逐级放大效能，实现养分高效利用。
图4 根层生物互作、级联放大示意图
绿色智能肥料创新与产业化发展前景
绿色智能肥料创新和产业化必将成为化肥产业发展的新方向，是工农融合全产业链绿色发展的总抓手及未来化肥产品创新的重点，也是促进肥料产业减少生产过程碳排放，产品使用过程中实现碳中和的重要手段之一。因此，围绕绿色智能肥料创新和产业化，在“双碳战略”和“绿色发展”新的形势下，未来还需要抓好以下重点研究内容（图5）：
1）大数据智能化：建立基于我国区域数字土壤、数字作物与数字环境相匹配的大数据智能系统，为区域绿色智能肥料大配方提供支撑。将大数据、物联网、云计算等新一代数字技术应用在智能肥料创制、精准应用与产业发展等方面，构建集智能监控、数据采集、远程传输、智能分析和自动化控制一体化的绿色智能肥料大数据支撑平台，将绿色智能肥料参数在动态变化条件下自动更新并实时建模，创新数据驱动的绿色智能肥料技术体系，实现区域标准化与精准化，实现从传统要素驱动为主向科技创新驱动为主的转变。
2）绿色智能新工艺：加快绿色矿山建设和低碳零排制造工艺与信息智能技术的融合，推动绿色智能肥料制造工艺创新与产业化发展。重构化肥生产工艺技术体系，探索从原料直接合成肥料产品的新技术新工艺，减少资源损失与能源消耗；大力发展绿色低碳清洁生产技术，如常温常压合成氨、磷资源全量低耗利用等；破解化肥工艺生产与农业需求不匹配的难题，建立低碳绿色高效新工艺，实现养分配比与形态配伍精准工业生产，强调中微量养分、生物活性物质等的功能及其活性高效保持，匹配区域气候-土壤-作物系统和现代农业生产条件对绿色智能肥料产品的需求。
3）绿色智能产品精准应用：结合现代农业智能化数字技术，科学合理布局产品适宜生态区域与土壤-作物系统，实现产品时空动态决策分配与智能管理；着重创新现代化肥料施用机械与装备（如农业大机械、水肥一体化设备、无人机等）、作物根际/根层生物高效调控相配套的绿色高效施用技术；建立绿色智能肥料产品评价标准体系与施用技术体系，指导产品落地应用。
4）新型绿色化肥产业体系：建立面向农业绿色发展的化肥生产、技术服务和人才培养的新型绿色化肥产业体系。重构农业需求导向-适用产品革新-制造工艺革新-销售服务革新的全产业链模式，利用“绿色原料”、采用“绿色工艺”、生产“绿色产品”。建立我国自主研发、设计、制造、运营和管理的绿色产业体系。融合数字、信息与智能技术，建立绿色智能新型化肥的技术创新与支撑体系。
5）科技自主创新体系：根据农业绿色发展新需求，全面改革化肥工业技术体系，实现工业和农业全链条的充分融合，通过科技自主创新，突破制约产业绿色转型升级的关键技术，制定战略规划与实施方案，促进工农融合、绿色转型相关的方案落地。
图5 绿色智能肥料创新与产业化发展蓝图
6）工农融合及绿色智能肥料政策保障机制：建立与农业绿色发展相适应的绿色智能肥料产业的技术与产品标准，制定工艺准入、产品准入、市场准入、服务准入标准，销售人员具有专业资质要求。制定相关法律法规保护，完善环境保护、节能减排约束性指标管理，全面实行排污许可制，建立健全风险管控机制。建立我国肥料管理立法体系，实行农田肥料投入的环境限制、提升区域管理规范，推动化肥产业转型升级，制定激励措施或管理政策。促进现代化肥产业稳定健康发展，为我国乃至全球农业现代化建设提供支撑。
原文链接：https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.P.20220426.1756.005.html
文献分享：唐涛
编辑：陈路路
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