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特肥主题活动:增值尿素的现状与未来

摘要:

综述了国内近期硫包衣尿素、多肽尿素等7种增值尿素的研制开发及应用概况,并对我国增值尿素肥料产业未来的发展提出了一些建议。

关键词:

增值尿素;多肽尿素;硫包衣尿素;腐植酸尿素;思考

目前,我国农业消费的尿素2000多万吨/年(纯氮),通过挥发、淋洗和径流等途径损失掉的尿素氮肥达到1000万吨,折合尿素2100多万吨,直接经济损失450亿元[1],不仅造成能源与资源的巨大浪费,而且对环境造成极大威胁。据统计,2012年,我国氮肥(折纯量,下同)的产量达4947万吨,其中,尿素的产量为3003.8万吨,占氮肥总产量的60.7%。尿素产能已明显供大于求,但投资过热、产品产能趋于过剩的情况仍在继续发展,导致传统尿素逐渐失宠,为调整氮肥企业产品结构,提高市场竞争力,开发产能高、成本低、利用率高、损失少、增产效果好、环境友好的增值尿素新产品,无论在节约资源、实现农业生产与生态协调发展、节本增效和节能减排等方面,均具有重要的意义。

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近期国内尿素生产企业陆续推出了多种具有广阔发展前景的增值尿素产品,使尿素具有缓释的特性,肥效延长,利用率提高,实现产品绿色环保、质量国际化和规格多样化,为氮肥和尿素这一传统产业平添了新的生机,成为未来肥料发展的主要方向之一。同时也为企业开辟了更为广阔的市场空间,增强了行业可持续发展能力。

1、增值尿素的概念

增值尿素(Value-addedUrea)[2]是在基本不改变尿素生产工艺的基础上,增加简单设备,向尿液中直接添加增效剂所生产的增值尿素产品。增效剂是指利用多肽、海藻和腐植酸等天然物质经改性获得的、可以提高尿素氮肥利用率的物质。增值尿素产品具有产能高、成本低、效果好的特点。增值尿素产品应符合以下原则:含氮量不低于46%,符合尿素产品国家标准;可建立添加增效剂的增值尿素质量标准,具有常规的可检测性;增效剂微量高效,添加量在0.5‰-5‰之间;工艺简单,成本低。

2、增值尿素的现状

2.1硫包衣尿素

硫包衣尿素,又称为涂硫尿素或包硫尿素,英文名sulfurcoatedurea,简称SCU,外观为黄色球状颗粒。该技术是1961年由美国田纳西流域管理局国家化肥中心首次开发,并于1967年正式商业生产的一种增值尿素。硫包衣尿素兼顾缓释氮肥和硫肥的功效,通过在尿素外面包裹硫磺,聚合微晶蜡密封剂而制成的,肥料近中性,是一种优良的可实现对尿素缓慢释放的增值氮肥。

2005年,加拿大纽格乐公司(Nu-Gro)与汉枫集团于2004年11月签订协议,将SCU的生产工艺加以改进用于江苏汉枫缓释肥料有限公司。这是我国直接引进的首个SCU技术,在引进的基础上,又增加了工艺控制程序,调节养分释放,可以减少氮淋溶或以氨的形态挥发,含高浓度氮30%-40%,含硫10%-30%。硫本身也是一种中量的植物营养元素。目前市场有售的包硫尿素(7天内)其溶解率为40%~60%。

目前,我国已有山西丰喜肥业集团、山东金正大、山东汉枫明化有限公司和汉枫缓释肥料(江苏)有限公司等多家企业生产这种硫包衣缓释尿素,在国内市场呈现出良好的发展前景。硫包衣尿素比普通尿素具有缓控释作用,肥效期延长,氮的利用率能提高等优势,而且可以给土壤补充硫素,提高农作物产量,在一定程度上提升农作物的品质。对于我国30%的缺硫耕地正好解决了耕地和农作物缺硫的瓶颈问题[3]。

据统计,硫包衣尿素已在黑龙江、山东、河北、河南、山西等多地市场广开销路。黑龙江省农委组织专家对硫包衣尿素示范项目的田间鉴评结果表明,在施用300kg/hm2硫包衣缓释尿素且不追肥的情况下,玉米产量为1.21吨,相比普通尿素可增产6.1%。袁隆平主持的国家杂交水稻工程技术中心的超级杂交稻节氮高产试验中也取得了增产10%的效果。

2.2多肽尿素

多肽尿素,又称聚天冬氨酸尿素,是以仿生多肽为核心的增效尿素产品,其中添加的一种水溶性多肽聚天冬氨酸因含有肽键和羧基等活性基团,对土壤中的阳离子具有极强的螯合、分散、吸附等作用,可以强化作物对氮、磷、钾及中微量元素的全面吸收,从而提高肥料利用率,增加作物产量,改善作物品质,减少环境污染。

多肽尿素是一种淡黄色、无嗅、粒状结晶体。其制取是在尿素形成过程中,在尿液中加入金属蛋白酶、聚天冬氨酸或SOD(超氧化物歧化酶),经蒸发器浓缩造粒而成。也可以将多肽增效剂直接与熔融的尿素混合,然后在尿素造粒塔造粒。多肽尿素的产业化生产工艺,与普通尿素生产工艺比较,无新增废水、废气、废渣排放,符合环境保护标准要求,符合国家产业政策。

多肽尿素的开发、生产与聚天冬氨酸的研发密切相关。1950年,聚天冬氨酸首次合成成功以来,美国、日本、德国对此研究最为活跃。国内从1996年开始介入聚天冬氨酸领域的研究,随后利用聚天冬氨酸作为氮肥增效剂成功开发了多肽尿素[4]。2007年开始批量上市,成为发展最快的新型肥料之一。国内数十家大型尿素企业相继推出了聚能尿素、金质肽尿素、智能肽尿素、聚能网尿素等多肽尿素产品,多肽尿素的产量已近百万吨。

多肽尿素主要功能特点是智能缓释,根据作物生长需要供给养分,防脱肥防早衰,平均提高肥料利用率30%以上,并且能改善作物品质,促进蛋白质合成,果实饱满,作物增产增收20%以上。多肽尿素还可促进作物根系发达、植株健壮,改善农作物品质[5]。

2.3双酶尿素

双酶尿素是在普通尿素中加入了金属多肽酶(即主酶)和非金属酶(即辅酶)加工而成的一种高科技含量的颗粒状增值尿素【6】,相当于多肽尿素的升级产品。

主酶即多肽金属蛋白酶,辅酶即非金属生物酶。在作物生长新陈代谢的过程中,在酶的催化参与下,主酶和辅酶二元协同互补,相辅相成,同时存在时才能起更好的作用,如果二者各自单独存在时均无催化作用。作物可以自我合成内源双酶,当外源双酶的主酶和辅酶同时补充或替代时,作物便可以更有效加快新陈代谢,而多肽尿素只补充外源主酶仍靠植物的内源辅酶起作用。当作为外源的尿素中同时加入了具有催化和调控功能的双酶主酶和辅酶后,作物便会节省自我合成双酶所需要的时间和能量,这样不仅能加快作物的生长和成熟过程,而且还大量节省为提供作物自我合成双酶所消耗的化肥量,提高了肥料中各种养分的利用率,并能够激活土壤中被固化的氮、磷、钾等多种养分被作物重新吸收利用,真正实现了节肥增效的效果。

目前,我国已经建立起包括中国农业大学、山东农业大学等一批科研机构及多家企业的双酶双螯合技术研发与产业化生产体系,其关键技术已达到或者处于国际领先水平。

双酶尿素适用广泛,在提高作物产量和改善作物品质方面作用明显。中国农科院德州实验站在禹城市安仁镇赵集村“郑单958”夏玉米上进行肥效试验,同时与附近农田设置大田进行对比示范,实验结果显示,与普通尿素相比,在等量施肥的情况下,玉米能增产6.6%。施用双酶尿素作物品质也有了较大改善,表现为小麦面筋增加,水果蔬菜中果糖、氨基酸等含量提高,口感好,色泽美,耐贮存。

2.4腐植酸尿素

腐植酸尿素(UHA)【7】是腐植酸(HA)经过活化在少量介质参与下,与尿素包裹反应生成腐脲络合物,是一种市场前景广阔、发展绿色安全健康食品的首选肥料。

国内外生产腐植酸尿素的工艺大致有以液氨、甲醇、乙醇或丙酮等作溶剂的溶剂法、尿素100℃下熔融后加入腐植酸的热融法、将腐植酸直接包裹在尿素颗粒上的包裹法等3种方法。20世纪60年代日本和前苏联开发过溶剂法和熔融法生产腐植酸尿素的工艺,并建成工业试验装置。

腐植酸(HA)是一类大分子天然有机弱酸。依其分子量从小到大依次划分为黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸,一般统称其为腐植酸。黄腐酸溶于水,棕腐酸溶于碱,黑腐酸溶于焦磷酸盐,这也是鉴定腐植酸成分的重要依据。生产腐植酸类产品的主要原料是褐煤、风化煤、泥炭以及各种植物发酵物质。因其分子链中含有多种活性基团,故其性质也是多方面的。

农田试验表明UHA有显著的尿素氮增效作用及增产效果。与施用等氮量尿素相比,腐植酸尿素可使冬小麦增产8.1%~13.2%,夏玉米增产9.1%~15.7%,棉花增产6.2%~17.5%,蔬菜增产15.7%~29.7%,果树增产10.7%~14.2%。氮肥利用率比普通尿素提高了15%~19%[8]。连续使用腐植酸尿素后,土壤有机质比使用尿素高,土壤容重比使用尿素低,能培肥土壤,增强农业发展后劲。

2.5稳定性尿素

稳定性尿素是指经过一定工艺加入脲酶抑制剂和(或)硝化抑制剂,施入土壤后能通过脲酶抑制剂抑制尿素的水解,和(或)通过硝化抑制剂抑制铵态氮的硝化,使肥效期得到延长的尿素,是在传统尿素中加入氮肥增效剂来延长肥效期这样一类产品的统称。

脲酶抑制剂是对土壤脲酶活性有抑制作用的化合物或元素的总称[9]。它通过对脲酶催化过程中的巯基发生作用,从而延缓土壤中尿素的水解速度,减少氨向大气中挥发损失。20世纪30年代,Rotini报道了土壤脲酶的存在,60年代对脲酶抑制剂的研究开始,到1971年Bromner等人从130多种化合物中筛选出效果较好的脲酶抑制剂为苯醌和氢醌类化合物。目前,世界肥料市场上已经申请专利并应用于农业生产的脲酶抑制剂有几十种,但只有NBPT和HQ已经得到了实际应用。

硝化抑制剂是能够抑制土壤中亚硝化细菌微生物活性的一类物质的总称。它进入土壤后能够抑制土壤中亚硝化、硝化、和反硝化作用,从而阻止NH4+-N向NO3--N的转化过程。氮肥更长时间以NH4+-N形式保存在土壤中,供作物吸收利用,这不仅提高了肥效,还减少了NO3--N淋溶和反硝化造成的其他损失[10]。自美国20世纪50年代中期开展人工硝化抑制剂研究以来,硝化抑制剂就得到了许多国家的广泛关注。以吡唑、吡啶、噻唑和酰胺类化合物等为主的硝化抑制剂不断被开发应用,其中应用最广泛的是70年代美国开发的2-氯-6-(三氯甲基)吡啶和80年代推广的双氰胺(DCD)。1999年德国批准BASF公司生产一种名为3,4-Dimethylpyrazolphosphate(DMPP)的硝化抑制剂。经几年的田间试验表现出较好的效果,但是较高的价格限制了其的大面积推广,国内的武志杰等研究了DMPP及其改性物质DMP、DMPZP等抑制剂的室内效果和田间效果。

稳定性尿素技术具有肥效期长、养分利用率高、平稳供给养分,增产效果明显。目前全国有30多家企业生产销售,已在东北、中原、西南、西北及长江流域等22个省进行了应用,生产的稳定性专用肥有60多个品种,应用作物涉及玉米、水稻、大豆、小麦、棉花等30多种,平均每亩增产165.25千克,增产率达14.7%。

2.6海藻酸尿素

在尿素的造粒过程中,将浓缩海藻提取液与熔融尿素溶液均匀混合,其中,浓缩海藻提取液添加量为每吨尿素10-30kg,然后在造粒塔造粒,制成海藻尿素最终产品。

海藻酸是以海藻为主要原料,利用微生物发酵的方法制备小分子的发酵海藻液增效剂。发酵海藻增效剂中含有的海藻酸、吲哚乙酸、赤霉素、萘乙酸等有机物质和生理活性物质可促进作物根系生长,提高根系活力,增强作物吸收养分的能力;可抑制土壤脲酶活性,降低尿素的氨挥发损失;发酵海藻增效液中的物质与尿素发生反应,通过氢键等作用力延缓尿素在土壤中的释放和转化过程。另外,海藻酸尿素还可以起到抗旱、抗盐碱渗透、耐寒和提高农产品品质的作用。对改善农田生态环境,缓解化肥比例失调等方面具有重要的意义。

1993年,美国的一种经过提炼加工的海藻肥被美国农业部正式确定为美国本土农业专用肥,人们才对海藻肥有了更深刻的认识。国外应用海藻肥对土豆、玉米等一系列农作物,水果和蔬菜做过对比试验,海藻肥对农作物提早成熟,提高产量和改善品质,以及在水果保鲜和抵抗病虫害等方面均产生了明显作用,可使其增产10-30%。国内海藻肥的研制起始于上世纪90年代后期,起步相对较晚,在国内肥料市场的占有率还相对较低。

2.7聚肽螯合钾尿素

尿素生产过程中添加聚肽螯合钾可生产聚肽螯合钾尿素。这样不仅使尿素本身充分提高了氮的利用率,更重要的是通过以尿素载体,利用尿素水溶性好,溶液呈中性等性质,把聚肽螯合钾迅速分配到植物根系周围。这就改变了作物根系周围溶液浓度差,促进周边各种螯合态养分向根系附近进行扩散,并且通过质流和截获的作用,促使养分吸收。

聚肽螯合钾尿素可溶解释放各种被土壤固定的微量元素,具有解磷解钾作用,可实现作物根系对土壤中难溶性物质养分的溶解和吸收。根据钾离子既是60种多酶的活化剂又是可重复利用元素的特点,能够把富集来的各种养分,加速同化运输,及时送达到作物各器官当中去。聚肽螯合钾尿素借助于多方面的协调作用达到整合土壤中各种养分,促进了养分的平衡吸收,提高了肥料综合利用率[11]。

聚氨酸即聚合氨基酸,富含多种氨基酸,是微生物发酵过程中的高活性有机分子聚合物,含带有负电荷的离子,可以快速分解和吸引土壤中的养分,具有超强亲水性和保水能力,在作物根部形成高浓度的养分环境,从而有效促进作物根系发育和加快养分吸收和转化;在与金属离子螯合时,构象从无规则卷曲变成包裹聚结状,这样结构可以延缓养分的释放,延长肥效期,从而提高肥料养分的利用率。

聚肽螯合钾是当前我国聚合氨基酸应用技术领域唯一达到国际领先水平的产品。目前在兖矿集团鲁南化肥厂等企业已成功投产,产品经长时间、多品种的农作物种植试验证明,除供给作物氮素外,聚肽螯合钾尿素还具有固氮保肥、释磷解钾、改善品质、抗病抗逆等突出特点与功效。聚肽螯合钾尿素平均利用率达到50%-60%,施肥量减少20%-30%,作物照样不减产,成为一种具有良好发展前景的新型肥料品种。

3、思考与建议

我国传统尿素用量巨大,未来尿素研究的重点应当是如何提高肥料利用率,在不增加或少量增加化肥用量的前提下,通过提高肥料利用率,保证我国的粮食安全[12]。所以,增值尿素发展有巨大潜力,我国从事增值尿素技术研究和生产的单位很多,增值尿素技术也有了长足的发展,而其发展中各种问题的存在阻碍了这一潜力的全面发挥。根据以上问题分析,就增值尿素技术发展提出以下建议。

3.1加强引导,提高农民对增值尿素的认识水平

目前,增值尿素在国内肥料市场的占有率还相对较低。通过多途径,多层次、多形式的宣传活动进行引导,提高农民对增值尿素技术的科学认识水平,从根本上改变农民的传统化肥观念。利用影像资料、播放新闻等传媒途径,大力宣传;在有条件的地区,可发挥农业示范基地的示范作用,以点带面;厂家可根据实际情况发起有代表性农户免费试用活动,这样农民更容易接受;各级政府相关部门和厂家可通过组织有关人员深入基层直接指导农户增值尿素施用技术。同时,替农户算经济账,以综合利用效益为诱导,农民感受到实在的效益,自然就会加入增值尿素技术应用队伍。

3.2加大科研,完善增值尿素技术体系

目前,对增值尿素的增效机理研究处于探索阶段,还不能有效指导肥料增效剂筛选及有效成分分离和提纯的研究,且生产工艺也还有待进一步优化,生产成本相对较高,导致价格一直居高不下。今后,应加强与国外同行的学术交流、技能合作和商业往来,借鉴发达国家经验,全面提升我国增值尿素的技术水平,开发出工艺简单、成本低、效果好的生产工艺技术和产品,确保农民增产增收。

3.3建立增值尿素质量技术标准

由于缺乏相应的质量标准,造成产品质量参差不齐,品牌杂乱,影响了增值尿素的行业声誉,影响了消费者对增值尿素的信赖。针对不同的增值尿素,应建立相应的质量评价方法和标准,出台严格的质量技术标准。建立一套规范的质量技术标准不仅可以规范市场,促进企业的技术进步,而且可以引导科研的方向,推动技术的进一步发展。

3.4加大政策和资金扶持力度

增值尿素是一项利国利民的事业,政府部门对企业要正确引导,积极鼓励,加大扶持力度,为企业发展创造良好条件。化肥补贴政策是我国实施的惠农政策之一,旨在鼓励农民增产增收,但也间接导致了目前化肥施用过量的现状[13-14]。因此,应调整现有的化肥补贴政策,由原先对传统化肥的补贴转为对环保型肥料的补贴,这样增值尿素具有价格优势才能被农民欣然接受。这不仅有利于抑制化肥的施量,促进增值尿素的推广,而且有利于降低农民投入成本,减少环境污染。

参考文献:

[1]赵秉强.天然增效剂助增值尿素增效、环保[J].中国农资,2013,3:24.

[2]赵秉强.发展尿素增值技术促进尿素产品技术升级[J].磷肥与复肥,2013,28(2):6-7

[3]汪家铭.硫包衣尿素面临良好的市场发展机遇[J].四川化工,2010,(6):52-52.

[4]汪家铭.多肽尿素发展概况与应用前景[J].精细化工原料及中间体,2012,(5):27-31.

[5]李峰,张国印.肥料增效剂-聚天冬氨酸概述[EB/OL].2008-02-27.http://www.Desaichem.com/manage/edit/UploadFile.].

[6]汪家铭.尿素换代产品的开发与应用[J].化学工业,2011,23(2):31-34.

[7]刘增兵,赵秉强,林治安.腐植酸尿素氨挥发特性及影响因素研究[J].植物营养与肥料学报,2010,16(1):210-215.

[8]林海涛,江丽华,刘兆辉.腐植酸尿素新型生产工艺及田间应用效果研究[J].腐植酸,2010,4,9-16.

[9]Bremner,J.M.andDouglas,L.A.Useofplasticfilmsforaerationinsoilincubationexperiments.SoilBiol.Biochem.1971,3:289-296.

[10]孙爱文,石元亮,张德生,等.硝化/脲酶抑制剂在农业中的应用[J].土壤通报,2004,35(3):357-361.

[11]汪家铭.新型尿素产品的研制开发与应用概况[J].氮肥技术,2012,03:92-97.

[12]朱兆良,金继运.保障我国粮食安全的肥料问题[J].植物营养与肥料学报,2013,19(2):259-273.

[13]刘冬梅,王育才,管宏杰.农业污染控制的经济激励手段[J].农村经济,2009(5):87-90.

[14]樊在义,杨勇,陈颖,等.海河流域农业非点源污染防治对策措施[J].农业环境与发展,2011(2):65-68.

(原帖链接:特肥主题活动:增值尿素的现状与未来

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