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中微量营养元素肥料研发背景及潜力

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发布时间: 2016-01-12
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中微量营养元素肥料研发背景及潜力

于广武1,李晓冰2,孙伟3,刘金友3

[1中国科学院东北地理与农业生态研究所  2金玛(宽甸)肥业有限公司驻东北办事处 3金玛(宽甸)肥业有限公司 ]

摘要: 目前中微量元素缺乏已成为制约作物产量和品质提高的主要限制因子,中微量营养元素肥料的研发和施用已成为当务之急,势在必行。测土配方,平衡施肥的核心就是添加中微量营养元素,补充和满足作物生长发育中的需要,达到“高产、质优、环保、安全”的目的。

关键词: 中微量元素 研发背景 开发潜力 植物营养 平衡施肥 核心 中国第四次施肥革命

中国肥料的发展可以分为以下几个阶段:50年代前的有机肥施用阶段;60年代的有机肥与氮、磷化肥配合施用阶段;70年代中期以后的有机肥与氮、磷、钾的配合阶段;八十年代以后推广了钾肥,钾的施用量逐渐增加,从而使氮、磷、钾施用趋于平衡,大量元素肥料施肥问题基本解决;氮磷钾肥料的推广应用对我们国家农业增产增收起到了极其重要的作用,被农业专家称为中国肥料的三次施肥革命。90年代中期开始,微量元素硼、锌、及有益元素硅、硒等匮乏问题日益突出,现已成为许多地区作物产量和品质提高的主要养分限制因子。正在引起世界范围内土肥学界和植物营养学界的重视,对我国绿色农业的发展具有极其深远的影响,应用前景将非常广阔,所以被称为中国第四次施肥革命。
    目前中微量元素缺乏已成为制约作物产量和品质提高的主要限制因子,尤其是中量元素镁和硫;微量元素硼、锌和锰;有益元素硅和硒在土壤中和作物生长发育过程中表现出“中度缺乏”的状态,微量元素中,锌、硼缺乏最严重。在全国不同类型土壤,不同作物施用硼、镁、锌等中微量元素增产效果明显,已成为测土配方施肥中的重要措施。在肥料生产中,特别是在复混肥、BB肥和水溶性肥料生产中应重视中微量元素的添加和使用。

    在新型肥料研究开发中,中微量元素的研制与推广日益引起人们关注和重视。在我国随着氮磷钾肥料的大量施用,以及农业集约化,设施栽培农业的发展,经济作物和果蔬作物种植面积的增加,农业生产障碍日益增多,尤其是作物营养失调现象的增加,限制农作物产量和品质的进一步提高。一方面由于种植结构调整,经济作物种植面积增加,从而对作物品质和产量要求都有所提高。另一方面,氮、磷、钾类大化肥浓度越来越高,由于生产工艺的原因,导致高浓度大化肥中中微量元素含量更低,再加上有机肥施用量的减少,土壤中可利用的中微量元素更加少。因此,给土壤补充中微量元素显得尤为迫切,中微量营养元素肥料已成为测土配方、平衡施肥的核心技术。

在所有中微量元素中,我国土壤缺硼和镁最普遍。植物吸收的硼和镁主要来自土壤,土壤的含硼、镁量对植物至关重要。土壤含硼、镁量多少与成土母质、土壤类型及气候条件等有密切的关系。

    1、中微量营养元素在作物必需的营养元素中的地位

    从1640年起,人类不断探讨植物的营养元素、有益元素,最终确定了16种植物必需的营养元素,7个有益元素和5种有害重金属元素。

    到目前为止,国内外公认的高等植物所必需的营养元素有16种。它们是碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、硼、锰、铜、锌、钼和氯。 在必需营养元素中,碳和氧来自空气中的二氧化碳;氢和氧来自水,而其它的必需营养元素几乎全部都是来自土壤。在16种植物必需的营养元素中,其中6种为大量营养元素,3种为中量营养元素,7种为微量营养元素。中微量营养元素合计为10种。由此可见,中微量营养元素的重要性,其地位是不容置疑的。

    7种有益元素为:硅、钠、钴、硒、钒、镍和锗。随着科学研究的深入,现在人类已经发现了生命元素,还发现了钛、镧、铈等元素的许多特殊作用。由此,断定今后也可能发现新的植物必需的营养元素和有益元素。

    研究表明,对这23种植物营养元素,人类应根据土壤状况和作物需要量合理、均衡的施用,不能偏废,更不能偏爱,实现农业生产及农产品的安全、环保、优质、高产、高效。

5种有害重金属元素:汞、镉、铅、砷、铬。耕地土壤点位超标率为19.4%,主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。林地点位超标率为10.0%,草地点位超标率为10.4%,未利用地点位超标率为11.4%;土壤镉超标率7.0%,镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%,其中镉重度污染点位比例为0.5%。

由于重金属难以降解,导致重金属对土壤的污染基本上是一个不可完全逆转的过程。土壤污染一旦发生,仅仅依靠切断污染源的方法很难恢复。镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。

    2、土壤急需补充中微量营养元素

    据统计,全世界缺乏微量元素的土壤达25亿hm2。窗体顶端

    目前在国外,,美国、俄罗斯、日本、德国、法国、澳大利亚、比利时、新西兰、芬兰、瑞士、波兰、朝鲜、捷克、斯洛伐克、菲律宾、柬普赛、越南、韩国、印度等30多个国家都大规模生产和广泛应用硼、锰、锌、铜、铁等微肥来补偿种高产作物造成的土壤中微量元素养分的缺乏,以促使作物对氮、磷、钾常量元素养分的有效吸收。联合国粮农组织 1982年土壤调查总结了30多个国家的情况后指出,微量元素营养缺乏比一般预想的更广泛。美国多次全国性土壤中微量元素调查发现30多个州缺锰,44个州缺硼、43个州缺锌。澳大利亚土壤缺微量铜、锌、钼总面积达3亿hm2。

    在我国,自1978年以来,中国科学院南京土壤所对全国土壤微量元素锌、硼、锰、钼、铜、铁的含量做了调查。调查结果表明,我国大部分地区都存在不同程度的微量元素缺乏。土壤中微量元素处于“中度缺乏”的状态,当作物的正常生长代谢己受到了缺乏微量元素影响时,施用微肥能改变作物微量营养状况并可促进生长,提高产量。根据全国第二次土壤普查数据,结果显示南方酸性土壤,硼、镁、钙、钼的含量都非常缺乏,北方碱性土壤也缺铁、锌、锰、钙等中微量元素。我国缺少微量元素铁、铜、钼、硼、锰、锌的耕地分别占5%、6.9%、21.%、46.8%、34.5%和51.5%。

    在所有微量元素中,中国土壤缺硼最普遍。全国耕种土壤缺硼面积多达5—10亿亩,主要分布于东南部地区(长江中下游)和黄土高原、华北平原、淮北平原。据有关资料,我国土壤全硼量范围在0-500毫克/千克之间,平均64毫克/千克。我国土壤全硼量大致分布规律由北向南、由西向东呈逐渐降低的趋势。我国缺硼土壤主要分布于南方红壤区,北方一些省(自治区、市)也有相当面积的土壤硼素不足。南方红壤有效硼含量最底,变幅为痕迹量至0.58毫克/千克,平均0.14毫克/千克。西北地区黄土母质发育的几种土壤,虽全硼量高,但有效硼含量较底,平均含量0.29毫克/千克。内陆盐土和滨海土水溶态硼含量最高达23毫克/千克。根据全国第二次土壤普查数据,贵州、四川、湖北、湖南、安徽、江苏、江西、云南、河南、陕西、广东、福建、广西、吉林、河北、山东、山西等耕地缺硼比例均大于60%。作为油菜、棉花、花生、果树、蔬菜等高需硼经济作物的主要生产地,缺硼严重地限制各地农业生产的发展,缺硼已成为妨害作物产量及品质提高的主要限制因子。

    作物的生长发育需要吸收各种营养,但是决定作物产量的是土壤中那个相对含量最小的有效植物生长因素,产量在一定限度内随着这个因素的增减而相应的变化。因存在这个限制因素,即使继续增加其他营养成分也难以提高作物的产量。近100多年来氮磷钾化肥的施用量急剧增加,而随作物带走的中微量元素养分却没有得到系统的补给,尤其是我国自从80年代大量进口美国磷酸二铵之后,加之高磷肥料的大量施用,致使全国土壤中磷积累过剩,pH值下降,土壤酸化程度加剧,造成南方酸性土壤愈加酸化,北方碱性土壤亦逐渐被酸化,东北黑土区土壤pH值已由垦荒前的7.5下降至6.5。土壤中氮不足、磷过剩、钾极缺,镁、硅、硼和锌急需补充。所以目前缺乏中微量元素地区的作物、土壤越来越广泛,问题也越来越严重。

    在土壤里中微量元素的缺乏日趋严重情况下,在BB肥、复混肥、水溶性肥料和长效肥中添加中微量元素肥料以及如何添加已成为现代农业能否持续增产的主要问题。

    3、植物营养急需补充中微量营养元素

    由于土壤中中微量营养元素处于一种极端缺乏或耗竭边缘状况,造成植物不能从土壤中吸收足够的中微量营养元素完成生长发育的需求,致使产量低,品质差,生长发育不良。

    植物中含量为0.1%~0.5%的元素称为中量元素,钙、镁、硫三种元素在植物中的含量分别为0.5%、0.2%、0.1%,故被列为中量元素。最近的研究发现,硅是继N、P、K之后的第四大必需元素,也列入中量元素的范围。含量介于2×10-7~2×10-4mg/kg的元素称为微量元素。

各地田间应用结果表明,中微量元素肥料在各地表现出越来越显著的施肥效果,在提高作物产量、突破增产瓶颈,提高作物抗逆能力,改善作物品质,纠正缺素现象,提高氮磷钾肥料利用效率等方面均表现出显著的施肥效应。

2002~2014年12年的中微量元素肥料试验显示,增施中微量元素肥料,各地小麦、棉花、玉米、水稻、油菜、花生等大田作物以及蔬菜、果树等经济作物均表现出显著的增产效果,平均增产在10%以上。

除增产效应外,在提高作物抗逆性、改善作物品质方面也表现出明显的效果。如黑龙江等地通过基施颗粒硼肥、锌肥,叶喷硼和锌,显著提高了水稻对稻瘟病的抗病能力,防治玉米“白苗病”;内蒙古、甘肃等地通过增施锰和锌提高马铃薯对早晚疫病的抗病能力;山东等地通过补充果蔬钙肥、铁提高果树对褐斑病的抵抗力等,各地也有通过增施微量元素肥料,尤其是海藻肥、腐植酸营养液和螯合锌等提高作物的抗逆性,如抗旱、抗寒能力增强等。
  在提高品质方面,增施中微量元素肥料的效果也越来越受到各地的重视,如小麦、水稻等籽粒蛋白质含量,果实含糖量以及硬度、着色等指标。据报道,施用果蔬钙肥使苹果的硬度平均提高,含糖量提高,使冬枣的硬度提高,使番茄的含糖量提高;施用果蔬钙肥或钼显著改善了冬枣的表光;施用螯合锌提高了小麦籽粒蛋白质含量等等。更为重要的是,通过施用铁、锌等微量元素肥料,可以直接提高作物收获物的微量元素含量,对人畜的矿物营养具有极其重要的意义。

    4、补充中微量营养元素是平衡施肥的需要

平衡施肥是指在农业生产中,综合运用现代科学技术新成果,根据作物需肥规律和需肥特点,土壤供肥性能与肥料效应,制定出系列农艺措施,保护生态环境。平衡施肥是一项综合技术,是在植物营养理论指导下,在土壤科学发展基础上,总结土壤肥料试验资料和土壤研究成果而建立的,在平衡施肥中应充分考虑土壤、肥料、植物和气候四者的关系。

    大力推广测土配方施肥技术,改变广大农户不合理的施肥方法,向广大农民普及科学施肥的理念和技术。加强和完善配方施肥中的各项技术措施,不断充实完善施肥参数,如单位产量养分吸收量、土壤养分利用率、化肥利用率等。在原来检测土壤、植物营养需求的基础上,新增水质、土壤有害物质、化肥农药污染等环境条件分析项目,优化配方施肥技术。同时,要增加有机肥在配方施肥中的比重,加大对微肥和生物肥的利用,协调大量元素与微量元素之间的关系。通过合理施肥,既保证庄稼旺盛生长,促使增强作物的抗病和防病能力,提高产品产量和品质,又节省能源,保护环境,同时减少农民负担。

平衡施肥法的核心是确定肥料品种、比例和施肥量。根据农业部“十一五”规划,全国每年测土面积将在4亿亩以上,最终达到国内总耕地面积的50%。目前测土配方施肥技术已在全国广泛开展。根据目前土壤和作物对肥料的需求,主要是增加中微量营养元素的添加和施用。在大量营养元素中主要以增加钾肥为主;在中微量营养元素中重视镁、硫、硼和锌的施用;在有益元素中主要重视硅和硒的施用。

5、补充中微量营养元素可提高肥料利用率

植物只能吸收能溶于水的离子态或螯合态的元素,铁(Fe)是以Fe2+或金属螯合物形态,锰(Mn)是以Mn2+或金属螯合物形态,锌(Zn)是以Zn2+或金属螯合物形态,铜(Cu)是以Cu2+或金属螯合物形态,硼(B)是以H2BO3-形态,钼(Mo)是以MoO42- 形态,氯(Cl)是以Cl-形态,钠(Na)是以Na+形态。

目前我国化肥的当季利用率氮素约为30%~35%,磷约为10%~20%,钾约为35%~50%,平均当季化肥利用率为30%左右,而发达国家达到50%~60%。其中氮的损失特别严重,水田又高于旱地。我国目前每年施用氮肥约2000万t,以平均损失45%计,则损失的肥料氮量达900万t,相当于尿素1900多万t,折合人民币380多亿元。

要提高肥料的利用率和肥效,在我国目前情况下,必须十分重视用好化肥。一方面要抓“开源”,即增加生产和适量进口,增加化肥有效供应;一方面要抓“节流”即合理施用,减少损失,提高利用率,两者不可偏废。

磷素过多还会导致植物锌、铁、镁等元素的缺乏。钾素过多一般不会对植物发生毒害作用,但钾素过多易造成钙、镁元素缺乏。钙通过改善根系生长状况,刺激微生物活性,提高钼和其他养分的吸收;铁过量降低磷肥肥效;铜过量导致植物缺铁;锰过量表现缺铁症状。

许多地方实践证明,严重地缺乏微量元素可以使许多植物发生病害症状而减产甚至颗粒无收。过去有些植物病害发生后,人们并不十分了解原因,有时错误地认为是真菌病害或细菌病害,现已证实这些病害是由于土壤中缺少某种微量元素而引起的。如缺硼引起甜菜心腐病、甘蓝型油菜只开花不结实和小麦不捻。在石灰性水稻土上,水稻“僵苗”、“缩苗”等现象就是因为土壤缺微肥引起的,通过施用微肥植株恢复正常,产量大幅度提高。禾谷类作物缺钼后,常患缺绿症。小麦、重迎茬大豆若缺锰就会生长不良、减产甚至死亡。苹果树缺铜会引起树枝枯萎,缺锌会引起叶簇病,柑橘缺锌叶子会发生斑点病并停止生长。河南农业大学在南竹北移的试验中发现,毛竹北移时往往因选地不当造成损失,如毛竹黄枯病主要是由于土壤缺铁、缺锰而引起的一种生理病害。毛竹原生长在南方酸性土壤,锰、铁含量丰富,北移后土壤偏碱,造成这些元素供应不足从而导致失败。当然,不应仅在发现上述植物病害的土壤上才施用微量元素肥料,因为土壤中稍许缺少某种微量元素是常见的,而生长在这样土壤中的植物外表不会显出受害特征,一旦发生病害就说明土壤已极端缺少某种元素,若能及早发现,及时施用必需的中微量元素肥料就能避其害,提高单位面积产量。

中微量元素还能提高植物抗病性、抗旱性、抗高温、抗低温和光照强度不足的能力及提高农作物品质。如硼肥可以使甜菜含糖量从 15%增加到 16.4%。目前国内许多研究机构和生产单位已有大量资料证明,各种作物只要施用得当,微量元素能大幅度提高作物产量和质量,群众称微量元素肥料是“用量少、花钱少、施用方便、效果好的化肥精”。
    6、补充中微量营养元素有利于低碳、生态农业的发展

“低碳农业”是以“低消耗、低污染、低排放,高品质、高效益”等“三低、两高”为特征的现代农业,彻底转变农业发展方式,合理高效利用资源和能源,建立清洁能源结构和实施清洁生产,并促进能源和资源利用技术创新、制度创新和可持续发展。

    国内外形态各异的低碳农业经济进行分类归纳,那么,有以下可供采纳的实用模式:一是减量、替代有害投入品的节肥模式,即秸秆还田、培肥地力、大量使用有机肥料,增加中微量元素的施用,减少化肥等化学肥料的使用量;二是立体种养的节地模式,即立体种植、养殖,充分利用土地、阳光、空气、水,进行立体种植、养殖,拓展生物生长空间;三是改进灌溉技术的节水模式,即大规模加快发展节水型农业,改造落后的机电排灌设施,采取科学的工程措施,推广作物节水灌溉技术和农作物喷灌、微喷灌、滴灌等先进技术,大幅度地提高了水资源的利用率;四是转变耕作方式的节能模式,要从改善企业管理、改革不合理的耕作方式和利用清洁能源切入,探索建立和推广集约、高效、生态农业和畜禽养殖技术,降低饲料和能源消耗;五是推广风能、太阳能和生物能的清洁能源模式,利用农村丰富的资源发展风力发电、秸秆发电、秸秆气化、沼气,以及太阳能利用技术等;六是废弃物资源化的循环经济模式,即把农业加工副产品作为原料进行综合利用,增加农产品附加值; 七是测土配方的科学养地模式,利用畜禽粪便生产生物有机无机生态肥料、给土壤“吃营养配餐”,增强土壤有机质含量和保水能力;八是培育生产无公害产品的农业生态园模式,即采用生物技术、有机肥料生产绿色产品和无公害产品的生态园,生产出无农药残留或微农药残留、让消费者放心的优质农产品。

生态农业——是指在保护、改善农业生态环境的前提下,遵循生态学、生态经济学规律,运用系统工程方法和现代科学技术,集约化经营的农业发展模式,是按照生态学原理和经济学原理,运用现代科学技术成果和现代管理手段,以及传统农业的有效经验建立起来的,能获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化农业。

    生态农业是一个农业生态经济复合系统,将农业生态系统同农业经济系统综合统一起来,以取得最大的生态经济整体效益。它也是农、林、牧、副、渔各业综合起来的大农业,又是农业生产、加工、销售综合起来,适应市场经济发展的现代农业。

生态农业是以生态学理论为主导,运用系统工程方法,以合理利用农业自然资源和保护良好的生态环境为前提,因地制宜地规划、组织和进行农业生产的一种农业。是20世纪60年代末期作为“石油农业”的对立面而出现的概念,被认为是继石油农业之后世界农业发展的一个重要阶段。主要是通过提高太阳能的固定率和利用率、生物能的转化率、废弃物的再循环利用率等,促进物质在农业生态系统内部的循环利用和多次重复利用,以尽可能少的投入,求得尽可能多的产出,并获得生产发展、能源再利用、生态环境保护、经济效益等相统一的综合性效果,使农业生产处于良性循环中。改变目前我国农业”化肥当家,农药护航”的模式为“生态当家,低碳护航”的新模式。

    7、中微量营养元素肥料已成为营销的突破口

    长期以来,农药和化学肥料的滥用,导致农产品质量下降,土壤板结,土壤、空气和水污染严重,生态环境恶化。因此发展新型肥料,尤其是中微量营养元素肥料,保护生态环境,是我国乃至世界肥料生产的必然趋势,具有广阔的发展前景和市场机会。随着世界贸易一体化进程的加快,中国农产品正在大量走出国门,世界的有机化潮流为中国提供了市场和机遇。因此,迫切要求新型肥料产业快速发展,来满足有机农产品的需要。农业部也十分注重:“无公害农产品”、“绿色农产品”、“有机农产品”的发展。目前为止,累计批准了4000个商品为绿色产品,建立了1000个无公害农产品基地,为新型肥料的发展提供了广大的潜在市场。

    中微量营养元素肥料已成为中国肥料发展中不能缺少的重要因素,农民信得过的卖点。一些复合肥企业已经对产品同质化带来的营销困境,寻找到了突破口,这个突破口正是微量元素给复合肥带来的新契机。如山东的史丹利和金正大等大型复合肥企业,根据土壤、作物和市场的需要重新调整配方和生产工艺,添加镁、锌、硼等中微量元素开发新产品投放市场。硼、锌等微量元素对作物良好效果,成为复合肥销售的新卖点。前几年,微量元素主要是用做专用肥,经过试验,微量元素在普通复合肥上一样可以提升复合肥的内在品质。微量元素作为复合肥的新卖点,不是进行重概念而轻实质的炒作,而是实实在在的品质提升给农民带来实惠。

 

——来源:全国第19届新型肥料技术及新工艺推介研讨会论文资料汇编(2014)


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