, 申建波1, 危常州2, 馬文奇3, 張衛(wèi)峰1, 黃成東1, 呂陽1, 張林1, 魯振亞1, 營浩1, 程凌云1, 江榮風(fēng)1, 屈凌波4, 侯翠紅4, 王辛龍5, 修學(xué)峰6, 馬航7    

摘要：肥料作為糧食安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，在支撐我國糧食產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、人類營養(yǎng)健康等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。邁入新時(shí)代，在全國社會(huì)經(jīng)濟(jì)特別是工農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的大好形勢(shì)下，肥料創(chuàng)新面臨著協(xié)同實(shí)現(xiàn)糧食安全、資源高效、環(huán)境友好、營養(yǎng)健康、綠色低碳的巨大挑戰(zhàn)。為破解這一重大難題，本文提出了綠色智能肥料概念與產(chǎn)業(yè)化途徑，通過系統(tǒng)闡述土壤-植物-微生物-肥料-環(huán)境之間的協(xié)同原理，構(gòu)建了匹配土壤、匹配作物、匹配氣候環(huán)境條件的綠色智能肥料創(chuàng)制新學(xué)術(shù)思路，提出了綠色智能肥料的理論框架、關(guān)鍵科學(xué)問題、研發(fā)路徑以及未來突破的重點(diǎn)，為多學(xué)科交叉創(chuàng)新、工農(nóng)融合全產(chǎn)業(yè)鏈綠色發(fā)展的解決方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供借鑒，旨在推動(dòng)我國化肥產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)，支撐農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

Green Intelligent Fertilizer: From Interdisciplinary Innovation to Industrialization Realization

ZHANG Fusuo1 , SHEN Jianbo1, WEI Changzhou2, MA Wenqi3, ZHANG Weifeng1, HUANG Chengdong1, Lü Yang1, ZHANG Lin1, LU Zhenya1, YING Hao1, CHENG Lingyun1, JIANG Rongfeng1, QU Lingbo4, HOU Cuihong4, WANG Xinlong5, XIU Xuefeng6, MA Hang7    

Abstract: As the material basis of food security, fertilizer plays an important role in supporting grain yield, agricultural product quality and human nutrition and health. Stepping into the new era, under the great situation of the national social economy, especially the green transformation of industry and agriculture, fertilizer innovation is facing the great challenge of synergistic realization of multiple objectives including food security, resource efficiency, environmental friendliness, nutrition and health, green and low carbon. In order to solve this major problem, the concept and industrialization pathway of green intelligent fertilizer were put forward in this paper. Through systematically elaborating the interactive principle of soil, plant, microorganism, fertilizer and environment, this study put forward a new academic idea for creating green intelligent fertilizer that matches soil, crops and climate and environmental conditions, and proposed its theoretical framework, key scientific issues, research and development pathways and future breakthroughs of green intelligent fertilizer. This study can provide new insights and reference for the design and implementation of holistic solutions for the green development of the whole industrial chain of multi-disciplinary cross-innovation and integration of industry and agriculture, aiming at promoting the green transformation and upgrading of China's chemical fertilizer industry and ultimately supporting the green development of agriculture.

Key words: Green intelligent fertilizer    Plant nutrition    Rhizosphere processes and regulation    Rhizosphere microbiome    High nutrient use efficiency    Environment    Green low carbon    Sustainable development    

化肥是糧食的“糧食”，是支撐糧食生產(chǎn)與食物安全、綠色生態(tài)與環(huán)境、人類營養(yǎng)與健康，提升人民生活質(zhì)量和幸福指數(shù)的戰(zhàn)略物資，是養(yǎng)活全球78億人的基本保障[1]。進(jìn)入新時(shí)代，綠色發(fā)展成為國家發(fā)展的主旋律，堅(jiān)持綠色發(fā)展是發(fā)展觀的一場(chǎng)深刻革命，迫切需要在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源高效利用和綠色低碳環(huán)保，使以往片面追求高投入、高產(chǎn)出、高消耗、高排放的傳統(tǒng)發(fā)展方式走向綠色轉(zhuǎn)型[2-3]。當(dāng)前，我國提出了2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，化肥生產(chǎn)與使用走向綠色低碳勢(shì)在必行。

化肥產(chǎn)業(yè)支撐了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但同時(shí)也是資源消耗大戶，對(duì)環(huán)境可持續(xù)性影響較大[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，化肥產(chǎn)業(yè)消耗了2%的煤炭、3%的天然氣、80%的磷礦以及60%的硫資源[5]；不合理使用化肥對(duì)農(nóng)業(yè)源氮、磷排放的貢獻(xiàn)分別達(dá)到36%和51%，對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)為24%[6]。此外，我國肥料產(chǎn)業(yè)還涉及科研、服務(wù)、流通、管理等領(lǐng)域近240萬人就業(yè)及數(shù)億終端用戶——農(nóng)民的生計(jì)，年產(chǎn)值達(dá)9 870億元，間接帶動(dòng)農(nóng)業(yè)初級(jí)產(chǎn)品增值8萬億元、農(nóng)產(chǎn)品深加工20萬億元和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性服務(wù)2 000億元[4]。由此可見，化肥產(chǎn)業(yè)涉及糧食安全、資源安全、環(huán)境安全、社會(huì)穩(wěn)定等國計(jì)民生等重大領(lǐng)域，是一個(gè)關(guān)乎“糧食-資源-能源-環(huán)境”綠色可持續(xù)的萬億級(jí)巨大產(chǎn)業(yè)。面對(duì)國家發(fā)展新形勢(shì)，變革延續(xù)40余年的傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)中工農(nóng)脫節(jié)、高耗高排、市場(chǎng)單一驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)與發(fā)展方式，轉(zhuǎn)型為工農(nóng)融合、全產(chǎn)業(yè)鏈綠色發(fā)展模式，從根本上實(shí)現(xiàn)我國化肥產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”，創(chuàng)新面向農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展需求，與土壤、作物和氣候相匹配的新一代綠色智能肥料，對(duì)于加強(qiáng)化肥工業(yè)與農(nóng)業(yè)的有效融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、資源高效、生態(tài)環(huán)境健康多目標(biāo)協(xié)同的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重大理論與實(shí)踐意義[4，7-11]。發(fā)展綠色智能肥料已成為肥料化工領(lǐng)域綠色轉(zhuǎn)型與產(chǎn)業(yè)變革的重大需求和引領(lǐng)性方向[8]。

本文通過對(duì)植物營養(yǎng)學(xué)、肥料科學(xué)及其化工工藝相關(guān)領(lǐng)域新進(jìn)展的總結(jié)和分析，系統(tǒng)剖析了基于土壤-植物-微生物-肥料-環(huán)境協(xié)同的綠色智能肥料創(chuàng)制的新學(xué)術(shù)思路，提出了多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究的核心領(lǐng)域-綠色智能肥料的基本概念、理論框架、關(guān)鍵科學(xué)問題、研發(fā)路徑、未來技術(shù)研究與突破的重點(diǎn)，以期引發(fā)對(duì)多學(xué)科交叉創(chuàng)新、工農(nóng)融合全產(chǎn)業(yè)鏈解決方案的思考與討論，推動(dòng)化肥產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的交叉融合與發(fā)展，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和第二個(gè)百年目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科技戰(zhàn)略支撐。

1 創(chuàng)新綠色智能肥料的必要性

過去40年，我國化肥總量保持快速增長。氮肥和磷肥的產(chǎn)能、產(chǎn)量及消費(fèi)量均居世界首位，實(shí)現(xiàn)了自給有余；鉀肥生產(chǎn)躍居世界第四，自給率大幅提升。我國化肥產(chǎn)業(yè)在滿足國內(nèi)需求的前提下，為全球化肥供應(yīng)做出了巨大貢獻(xiàn)，提升了我國在化肥生產(chǎn)領(lǐng)域的國際地位。然而，在新形勢(shì)下，我國化肥產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型遲緩、發(fā)展相對(duì)滯后，與農(nóng)業(yè)需求匹配度低，已無法滿足“碳達(dá)峰、碳中和”和綠色發(fā)展的新需求。

1.1 從歷史演變的角度看，創(chuàng)新綠色智能肥料成為必然選擇

傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)模式難以保障糧食安全與綠色發(fā)展的協(xié)同?；适羌Z食安全的壓艙石，對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)50% ~ 55%。長期以來，發(fā)展化肥產(chǎn)業(yè)一直作為實(shí)現(xiàn)糧食安全的重要國策，促進(jìn)了我國化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展，化肥生產(chǎn)量與消費(fèi)量分別占到世界的30%和25%。目前，我國化肥產(chǎn)能過剩，主要以合成氨工藝為主生產(chǎn)高濃度的化學(xué)氮肥，而農(nóng)業(yè)施用不合理，導(dǎo)致氮素年盈余量達(dá)1 900萬噸[12]，肥料養(yǎng)分在土壤中過度積累，糧食產(chǎn)量與養(yǎng)分效率僅實(shí)現(xiàn)了最大潛力的50%[13]。高濃度氮肥的過量施用，導(dǎo)致1980s—2000s年間農(nóng)田土壤pH平均下降0.5個(gè)單位[14]，酸化面積增加了1.2億畝（1 hm2=15畝），總計(jì)達(dá)2.9億畝；導(dǎo)致農(nóng)田活性氮損失達(dá)892萬噸/年，約占化學(xué)氮肥投入的1/3，其中氨排放貢獻(xiàn)了大氣PM2.5的10% ~ 18%?；钚缘獡p失相關(guān)的環(huán)境及人類健康損害成本高達(dá)2 800億元/年。與此同時(shí)，氣象災(zāi)害、疫情突發(fā)、市場(chǎng)波動(dòng)、糧食安全與化肥產(chǎn)業(yè)脆弱性等問題凸顯。由于全球大宗商品價(jià)格上漲的帶動(dòng)，以及異常氣候頻發(fā)導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)消費(fèi)增加，2020年10月以來化肥價(jià)格快速上漲，到2022年年初，尿素價(jià)格同比上漲近1倍，磷酸一銨價(jià)格增長91%，氯化鉀價(jià)格增長190%。為此，中央財(cái)政2022年再次為種糧農(nóng)民一次性補(bǔ)貼資金200億元。盡管各種補(bǔ)貼發(fā)揮了重要作用，但農(nóng)民的總收益還是難以得到維持，出現(xiàn)了顯著下降的趨勢(shì)。因此，傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)以生產(chǎn)高濃度養(yǎng)分為主的發(fā)展模式，已經(jīng)難以保障糧食安全和綠色發(fā)展的協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

化肥產(chǎn)業(yè)高耗高排，難以滿足“碳達(dá)峰、碳中和”和“綠色發(fā)展”的新需求?；十a(chǎn)業(yè)的自身屬性決定其成為重要的“碳排放”源，在諸多產(chǎn)業(yè)中排名前五?；十a(chǎn)業(yè)資源消耗大，由于我國天然氣供給嚴(yán)重不足，是全球唯一依賴于煤炭為原料的主要化肥生產(chǎn)國，其碳排放因子較天然氣高出50%。而我國的氮磷化肥農(nóng)業(yè)當(dāng)季利用效率在全球仍處較低水平，每年氮、磷資源僅有14%、22%最終被消費(fèi)利用。我國化肥生產(chǎn)與運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及養(yǎng)殖等多個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生了大量的碳排放，碳排放量總量達(dá)15.2億噸/年，占全國溫室氣體排放總量的15%，遠(yuǎn)高于土壤碳固定的2.3億噸/年，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，任務(wù)艱巨。

由此可見，傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)模式難以保障糧食安全與綠色發(fā)展的協(xié)同，創(chuàng)新綠色智能肥料成為必然選擇[9]。

1.2 從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，亟需工農(nóng)融合創(chuàng)新化肥產(chǎn)業(yè)體系

缺乏工農(nóng)融合的化肥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系，難以支撐化肥產(chǎn)業(yè)“綠色革命”。我國化肥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不足，研發(fā)投入和動(dòng)力缺乏，產(chǎn)業(yè)集中度低，雖然擁有3 000多家生產(chǎn)企業(yè)，但關(guān)鍵技術(shù)裝備創(chuàng)新、研發(fā)合作平臺(tái)、創(chuàng)新引領(lǐng)人才等普遍缺乏，在全球及全國能達(dá)到引領(lǐng)性的企業(yè)數(shù)量極少。行業(yè)過度競爭，全行業(yè)利潤率長年低于5%，企業(yè)虧損面長期高達(dá)30%以上，很多化肥企業(yè)依靠化工產(chǎn)品支撐，化肥變成了“副業(yè)”，如當(dāng)前鋰電池領(lǐng)域磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使得高品質(zhì)磷資源的需求和消耗不斷增長，在一定程度上擠壓了磷復(fù)肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，使磷復(fù)肥的生產(chǎn)工藝也發(fā)生了改變，企業(yè)不得不考慮使用較低品質(zhì)的磷資源進(jìn)行肥料生產(chǎn)，使高濃度、高水溶性磷復(fù)肥產(chǎn)品生產(chǎn)受到影響。由于專業(yè)的工農(nóng)融合隊(duì)伍很少，農(nóng)民購肥及如何施肥基本由肥料銷售者基于利潤最大原則進(jìn)行推薦，而忽視了知識(shí)密集型的肥料創(chuàng)新本身，極易出現(xiàn)施肥量大、肥料與農(nóng)業(yè)需求不匹配的現(xiàn)象。此外，我國肥料管理缺乏法律法規(guī)約束，主要依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部相關(guān)部門開展有限的管理工作，其力度和效果受到很大局限。而工業(yè)部門主導(dǎo)的肥料標(biāo)準(zhǔn)、行政許可法規(guī)等成為管理主體，嚴(yán)重弱化了肥料的農(nóng)業(yè)和環(huán)境資源屬性，是導(dǎo)致產(chǎn)品匹配度差、應(yīng)用效率低、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大的關(guān)鍵因素。因此，亟需打造適應(yīng)綠色發(fā)展要求、工農(nóng)高度融合的化肥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系。

1.3 創(chuàng)新綠色智能肥料是破解化肥產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展瓶頸的突破口

化肥產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展依賴于化肥產(chǎn)品的創(chuàng)新。長期以來，工業(yè)生產(chǎn)主導(dǎo)著我國化肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，化肥產(chǎn)品是否匹配農(nóng)業(yè)需求被忽視。近年來，我國化肥工業(yè)開始轉(zhuǎn)型，如云南云天化股份有限公司與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)合作，2015年成立了云天化植物營養(yǎng)學(xué)院、云天化國際植物營養(yǎng)研究院和云天化農(nóng)業(yè)研究中心，工農(nóng)融合極大推動(dòng)了面向農(nóng)業(yè)需求的化肥生產(chǎn)，并且農(nóng)業(yè)需求開始推動(dòng)化肥產(chǎn)品創(chuàng)新，提出了主要作物種植區(qū)的肥料大配方，推動(dòng)了作物專用肥生產(chǎn)與應(yīng)用。此外，生長刺激素、肥料增效劑等產(chǎn)品開始應(yīng)用于化肥工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[15-19]。然而，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)來看，在資源全量化利用和化肥產(chǎn)品匹配土壤、作物和氣候方面并沒有取得理論和技術(shù)上的根本性突破。在資源利用和工業(yè)生產(chǎn)端，仍然以追求高濃度氮磷鉀養(yǎng)分為主要目標(biāo)，忽視了中微量元素和枸溶性磷等養(yǎng)分形態(tài)的全量化利用，造成大量工業(yè)廢渣排放；在產(chǎn)品應(yīng)用端，多是以水溶、大量元素等肥料為主，產(chǎn)品功能單一，強(qiáng)調(diào)給土壤和作物提供養(yǎng)分，沒有主動(dòng)利用各種養(yǎng)分調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的潛力，忽視了作物本身對(duì)養(yǎng)分的主動(dòng)應(yīng)答、吸收和反饋?zhàn)饔茫陴B(yǎng)分靶向精準(zhǔn)調(diào)控方面缺乏創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新原理和技術(shù)的不足，嚴(yán)重制約了化肥產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。近年來，隨著植物營養(yǎng)和材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，綠色、智能、資源高效、低碳環(huán)保等逐漸成為化肥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，最近兩款綠色智能復(fù)合肥（澳洲堅(jiān)果和水稻專用肥）在云天化應(yīng)運(yùn)而生，正顯現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。因此，創(chuàng)新綠色智能肥料有望成為破解化肥產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展瓶頸的突破口。

2 綠色智能肥料的概念與原理創(chuàng)新 2.1 綠色智能肥料的概念與內(nèi)涵

綠色智能肥料是指根據(jù)作物-土壤-環(huán)境相匹配的植物營養(yǎng)調(diào)控原理，采用大數(shù)據(jù)智能算法進(jìn)行有針對(duì)性的定向匹配設(shè)計(jì)，應(yīng)用先進(jìn)綠色制造工藝生產(chǎn)的具有作物根際效應(yīng)激發(fā)[20-25]、養(yǎng)分精準(zhǔn)匹配和礦產(chǎn)資源全量利用的一類新型高品質(zhì)肥料，具有養(yǎng)分高效、低碳環(huán)保，低排無廢、資源全量利用的綠色特點(diǎn)；施用后具有能高效挖掘作物的生物學(xué)潛力[26]、與根系“對(duì)話”激發(fā)根際效應(yīng)、響應(yīng)氣候和土壤條件、精準(zhǔn)匹配作物需求的智能特點(diǎn)。綠色智能肥料改變傳統(tǒng)給土施肥的方式，注重調(diào)節(jié)和調(diào)動(dòng)根系生長的能力，強(qiáng)調(diào)根際生命共同體養(yǎng)分高效的應(yīng)答與生物互作級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)[20，25-26]，能夠最大化作物生物學(xué)潛力，綠色智能復(fù)合肥是其產(chǎn)業(yè)化的高端物化產(chǎn)品。綠色智能肥料不僅具有更好增產(chǎn)提質(zhì)和培肥土壤作用，而且是引領(lǐng)工農(nóng)全鏈條融合與化肥產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要切入點(diǎn)。

綠色智能肥料包括五大內(nèi)涵（圖 1）：

圖 1 綠色智能肥料的主要構(gòu)成因素與五大內(nèi)涵 Fig. 1 Main components and five major connotations of green intelligent fertilizer

1）作物：生物感知，根肥互饋

作物根系或土壤微生物可以強(qiáng)烈感知養(yǎng)分的供應(yīng)，作物根系、根際效應(yīng)與肥料能產(chǎn)生互饋增效作用，并通過根際生命共同體的級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)最大化肥料的功能[20-21，23，26-28]。例如硝態(tài)氮能促進(jìn)根系伸長，而銨態(tài)氮可促進(jìn)根系分支，提高側(cè)根數(shù)量和增生能力，從而大幅度提高作物生長[29-31]。改變復(fù)合肥中的銨硝比可有效調(diào)控作物的地上部與地下根系生長。磷肥中速效與緩效磷的匹配可顯著影響植物的根系生長，如澳洲堅(jiān)果擁有一種特殊的根系——排根[32-33]，排根是低磷誘導(dǎo)形成的、像毛刷一樣由大量有限生長的小側(cè)根形成的根簇，可分泌大量檸檬酸高效活化根際土壤中的難溶性磷，提高植物對(duì)土壤磷資源的活化、吸收利用效率，而供應(yīng)過量的水溶性磷，會(huì)顯著抑制澳洲堅(jiān)果排根形成與檸檬酸分泌，甚至產(chǎn)生磷的奢侈吸收，造成植株磷毒害[33]。當(dāng)農(nóng)民施用過量的水溶性磷肥，不僅浪費(fèi)嚴(yán)重，還造成澳洲堅(jiān)果排根生長受到抑制，影響植株的正常生長，進(jìn)而降低果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)。依據(jù)澳洲堅(jiān)果自身的特點(diǎn)，在磷肥供應(yīng)中，可以使用部分難溶性磷或枸溶性磷，優(yōu)化氮肥形態(tài)，激發(fā)根系生長，強(qiáng)化根際效應(yīng)，提高地上部對(duì)養(yǎng)分資源的利用效率，形成智能養(yǎng)分促根，根系生長強(qiáng)化根土界面效應(yīng)，根際效應(yīng)激活土壤養(yǎng)分，形成根肥互饋，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[32]。

2）土壤：環(huán)境應(yīng)答，精準(zhǔn)釋放

作物生命活動(dòng)受環(huán)境條件的顯著制約。低溫條件下作物的生長發(fā)育速度顯著降低，其養(yǎng)分吸收量和吸收速度均顯著下降；土壤含水量顯著影響根系發(fā)育以及養(yǎng)分遷移，幾乎所有養(yǎng)分的有效性均受到土壤含水量的影響，對(duì)于硝態(tài)氮、磷、鉀尤其如此。綠色智能肥料可根據(jù)環(huán)境條件的變化，自主調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放的強(qiáng)度，以便與作物營養(yǎng)需求相匹配。既注重考慮對(duì)土壤障礙因素的調(diào)控，更要注重根際微域的智能響應(yīng)和反應(yīng)。如采用分子親水材料制作包膜，肥料只有在土壤含水量達(dá)到一定的閾值時(shí)才能充分吸水崩裂從而釋放養(yǎng)分[34-35]。除水分以外，土壤pH也是影響?zhàn)B分有效性的重要因素，綠色智能肥料的養(yǎng)分釋放也可依賴于土壤pH的變化[36]，甚至對(duì)根分泌物的有機(jī)酸、甚至土壤環(huán)境溫度做出反應(yīng)，通過對(duì)環(huán)境應(yīng)答的控制與調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的精準(zhǔn)釋放。

3）時(shí)空：動(dòng)態(tài)匹配，供需協(xié)同

綠色智能肥料需要從時(shí)間與空間上實(shí)現(xiàn)與作物需求的高度匹配。由于作物生長發(fā)育速率以及不同發(fā)育時(shí)期（營養(yǎng)生長與生殖生長）的動(dòng)態(tài)變化，不同時(shí)期的養(yǎng)分需求差異很大，而肥料產(chǎn)品施入土壤后，養(yǎng)分釋放規(guī)律也隨著施肥時(shí)間和空間位置的變化而改變。因此，為了實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分利用效率的最大化，需要考慮新型肥料產(chǎn)品的養(yǎng)分供應(yīng)與根系發(fā)育、作物需求在時(shí)間、空間尺度上的動(dòng)態(tài)匹配，同時(shí)也需要考慮土壤環(huán)境對(duì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、損失與植物生長速率的影響。另一方面，養(yǎng)分主要通過根系被作物吸收，但隨著作物不斷生長，其根系在土壤內(nèi)的分布不斷發(fā)生變化，同時(shí)，不同養(yǎng)分在土壤中的移動(dòng)特征存在很大差異。肥料施用需要結(jié)合機(jī)械化精準(zhǔn)施用裝備，將養(yǎng)分施用在根系分布區(qū)域，提高其空間有效性。作物根系也可通過優(yōu)化養(yǎng)分施用被定向調(diào)控，如局部施肥促進(jìn)根系增生和根際的強(qiáng)烈酸化，提高根系與肥料養(yǎng)分的接觸范圍，發(fā)揮互作增效潛力，增強(qiáng)作物對(duì)根層養(yǎng)分的活化吸收與利用效率，促進(jìn)地上部生長，良好的地上部發(fā)育又反饋增強(qiáng)根系的生長，實(shí)現(xiàn)在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)匹配，供需協(xié)同[8，26]。

4）綠色：低耗低排，全量利用

綠色智能肥料產(chǎn)品中的綠色主要是從產(chǎn)品全生命周期中資源利用和環(huán)境排放兩個(gè)維度來考量的。全量利用指的是礦產(chǎn)養(yǎng)分資源的利用強(qiáng)度和效率，強(qiáng)調(diào)盡量保留原料中各種養(yǎng)分并高效利用；在原料開采和肥料制造過程中要求主要養(yǎng)分損失少，利用率高，其他養(yǎng)分如中微量元素也要通過各種途徑加以利用，既可以直接將礦產(chǎn)資源中各種養(yǎng)分一次性保留在肥料產(chǎn)品中，也可以通過延長產(chǎn)業(yè)鏈，將各種副產(chǎn)品中養(yǎng)分資源通過二次或多次加工制成新的肥料產(chǎn)品，提高養(yǎng)分資源利用效率。低耗低排是指肥料產(chǎn)品全生命周期中能源消耗和環(huán)境排放要低，首先在原料開采和產(chǎn)品制造過程中能耗低，溫室氣體和各種廢棄物排放少；同時(shí)在肥料施用后養(yǎng)分利用效率要高，有利于作物對(duì)養(yǎng)分的高效利用，土壤殘存少，環(huán)境負(fù)效應(yīng)低。最終實(shí)現(xiàn)綠色低碳、全量利用。

5）產(chǎn)品：精準(zhǔn)配伍，工業(yè)實(shí)現(xiàn)

作物對(duì)養(yǎng)分的偏好已被諸多研究所證實(shí)，但由于精準(zhǔn)配伍的難度及工業(yè)制造上的復(fù)雜性，有關(guān)理論在肥料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常少。硝酸鹽對(duì)多數(shù)作物既是一種良好的氮源，同時(shí)也是營養(yǎng)信號(hào)物質(zhì)，在調(diào)節(jié)地上、地下部發(fā)育及激素響應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。因此對(duì)很多作物而言，采用銨硝搭配往往優(yōu)于單一氮素形態(tài)的肥料效果。由于磷酸根離子與鈣、鎂等金屬離子易發(fā)生沉淀反應(yīng)，從而降低養(yǎng)分的有效性和肥料的水溶性，因此，在復(fù)合肥生產(chǎn)中，如何高效實(shí)施中微量元素肥料的復(fù)合一直是肥料行業(yè)的難點(diǎn)之一。在某些情況下，肥料的生產(chǎn)加工過程也可能會(huì)使初始養(yǎng)分配伍發(fā)生飄移，改變肥料產(chǎn)品中的養(yǎng)分配方。綠色智能肥料通過優(yōu)化工業(yè)設(shè)計(jì)，尤其是通過造粒工藝、螯合等技術(shù)創(chuàng)新，使中量元素肥料在肥料顆粒中與水溶性磷肥實(shí)現(xiàn)分隔，使磷素與中量元素共存，從而提高鈣鎂缺乏地區(qū)（通常是酸性土壤）肥料的整體利用效率；如通過原位螯合中微量元素實(shí)現(xiàn)磷與中微量元素的協(xié)同，創(chuàng)制含中微量元素低pH的水溶性磷酸一銨，從而適應(yīng)北方硬水條件下的堿性缺素土壤，提高磷與中微量元素的利用率。通過創(chuàng)新綠色生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)肥料產(chǎn)品中養(yǎng)分形態(tài)的精準(zhǔn)配伍和高穩(wěn)定性。

2.2 綠色智能肥料的創(chuàng)新原理

綠色智能肥料的創(chuàng)新在于“綠色”與“智能”。因此，綠色智能肥料要求在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)端盡量利用原料中對(duì)植物有益的各種養(yǎng)分，最大限度地減少能源消耗和工業(yè)三廢排放，實(shí)現(xiàn)綠色工業(yè)制造。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用端，肥料養(yǎng)分的供應(yīng)要匹配土壤和作物，符合植物營養(yǎng)需求規(guī)律，提供多種營養(yǎng)元素，并能提高肥料所含各種養(yǎng)分的吸收利用效率，減少肥料在土壤中的殘留以及向水體、大氣的排放。

綠色智能肥料的創(chuàng)新有賴于對(duì)植物營養(yǎng)生物學(xué)規(guī)律、肥料在土壤中轉(zhuǎn)化和遷移規(guī)律的深入理解和創(chuàng)造性應(yīng)用等知識(shí)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)理論突破；也取決于工農(nóng)融合肥料制造工藝和新材料的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。主要?jiǎng)?chuàng)新途徑有：（1）養(yǎng)分分隔與共存。在復(fù)合肥料生產(chǎn)中，集成鈣鎂與大量營養(yǎng)元素，避免發(fā)生沉淀反應(yīng)，采用“物理隔離”原理是破解這一難題的重要途徑，在復(fù)合肥料顆粒中水溶性磷與鈣鎂成分實(shí)現(xiàn)空間隔離、穩(wěn)定共存。按照這一原理設(shè)計(jì)的復(fù)合肥料既能“智能地”避免肥料成分之間的不利反應(yīng)，又能均衡地釋放作物需要的養(yǎng)分，滿足這些設(shè)計(jì)目標(biāo)需要肥料制造工藝的不斷創(chuàng)新。（2）納米微粒與穩(wěn)定懸浮。研究表明，MgO、CaO等材料制成納米顆粒后，不僅能避免其與大量元素的化學(xué)反應(yīng)，而且能在使用時(shí)形成穩(wěn)定的懸浮液，不需要采用絡(luò)合等手段保持其穩(wěn)定性，納米級(jí)的MgO、CaO還可以實(shí)現(xiàn)跨膜吸收[37-38]。（3）敏感材料與靶向調(diào)控。當(dāng)前，工業(yè)制造與學(xué)術(shù)界在努力探索pH敏感、溫度敏感、特定物質(zhì)（根分泌物如黃酮、類黃酮）敏感的包覆材料[39-42]。一旦這些材料成果應(yīng)用于肥料制造領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)在響應(yīng)特定環(huán)境條件下肥料養(yǎng)分的智能釋放，使綠色智能肥料技術(shù)達(dá)到分子調(diào)控水平。

綠色智能肥料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要與土壤特性和作物需求有機(jī)結(jié)合，通過根層調(diào)控技術(shù)充分發(fā)揮其功效，促進(jìn)植物根系生長，強(qiáng)化根際養(yǎng)分活化能力，大幅度提高植物根系對(duì)養(yǎng)分的利用效率，在時(shí)空上滿足高產(chǎn)群體不同階段的養(yǎng)分需求。土壤是綠色智能肥料發(fā)揮最大作用效力的場(chǎng)所，設(shè)計(jì)的綠色智能肥料應(yīng)當(dāng)與特定的土壤理化性質(zhì)相匹配，在此基礎(chǔ)上，通過各種其他農(nóng)學(xué)管理措施，如施用土壤調(diào)理劑、微生物制劑、生物刺激素等，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)-養(yǎng)分供應(yīng)-生物過程之間的關(guān)系，強(qiáng)化肥沃根層、蓄水保肥、生物活力，增強(qiáng)土壤健康與整個(gè)系統(tǒng)的彈性，實(shí)現(xiàn)根層養(yǎng)分供應(yīng)與高產(chǎn)群體的匹配，提高系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)能力（圖 2）。

圖 2 綠色智能肥料在土壤-植物系統(tǒng)綜合管理中的作用示意圖 Fig. 2 Role of green intelligent fertilizer in integrated soil-plant system management

3 綠色智能肥料的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化思路 3.1 總體思路

綠色智能肥料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化需要圍繞提質(zhì)增效、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和綠色發(fā)展這一總體目標(biāo)，通過理論基礎(chǔ)研究的知識(shí)創(chuàng)新與工農(nóng)融合支撐的產(chǎn)品創(chuàng)新兩大抓手，綠色智能肥料產(chǎn)品的創(chuàng)制要按照“元素協(xié)同工藝增效”、“精準(zhǔn)配伍材料創(chuàng)新”和“生物互作級(jí)聯(lián)放大”三步走策略，產(chǎn)業(yè)化中重點(diǎn)做好“四個(gè)匹配”，首先是工業(yè)生產(chǎn)過程與作物生產(chǎn)過程的匹配，其次是肥料產(chǎn)品特性與作物根系響應(yīng)的匹配，第三是肥料產(chǎn)品與根際生命共同體提升的匹配，最后是工農(nóng)融合與全鏈條綠色發(fā)展的匹配（圖 3）。

圖 3 綠色智能肥料的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化總體思路 Fig. 3 Strategy and pathway of innovation of green intelligent fertilizer - integrating industry and agriculture towards green development of whole industry chain

3.2 綠色智能肥料的“三步走”創(chuàng)制策略 3.2.1 元素協(xié)同，工藝增效

綠色智能肥料創(chuàng)新第一步是元素協(xié)同、工藝增效的策略，元素協(xié)同指的是通過大量元素適宜配比和中微量元素的添加與?；?，實(shí)現(xiàn)肥料養(yǎng)分供應(yīng)與土壤、作物和氣候的匹配，而在這種養(yǎng)分配比中，為防止養(yǎng)分效應(yīng)退化的問題，需要進(jìn)行工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分增效。目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著氮磷鉀肥料的大量施用，中微量元素缺乏和養(yǎng)分失衡問題日漸突出，已成為影響肥料效果的重要限制因素，也是肥料產(chǎn)品研發(fā)的重點(diǎn)攻關(guān)方向，“十三五”減肥專項(xiàng)對(duì)此也開展了大量研究，取得了重要進(jìn)展，為綠色智能肥料的進(jìn)一步創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

3.2.2 精準(zhǔn)配伍，材料創(chuàng)新

我國農(nóng)業(yè)已走過了僅憑單一元素化肥、氮磷鉀復(fù)合肥施用即可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的階段，進(jìn)入了要求營養(yǎng)元素協(xié)同供應(yīng)、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展的新時(shí)代。這對(duì)復(fù)合肥料創(chuàng)新提出了更高要求。我國土壤和作物分布區(qū)域變異大，南方大量酸性土壤地區(qū)果樹、蔬菜、甚至大田作物均亟需補(bǔ)充鈣鎂營養(yǎng)，北方石灰性土壤通常缺乏微量元素鐵和鋅[43-45]。雖然在酸性土壤上可以施用石灰、鈣鎂磷肥調(diào)整土壤酸堿度、補(bǔ)充鈣鎂等，但是施用環(huán)節(jié)復(fù)雜，易產(chǎn)生副作用，采用復(fù)合肥料添加鈣鎂是更為可行的途徑。這要求對(duì)復(fù)合肥料的配方進(jìn)行精準(zhǔn)配伍，使其更符合土壤和作物營養(yǎng)需求，并采用物理隔離、納米材料等新型工藝方法制造智能型肥料[46-47]。肥料成分的復(fù)雜化可能會(huì)導(dǎo)致肥料在制造、儲(chǔ)存過程中不同營養(yǎng)元素之間發(fā)生不良的化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)新與研發(fā)新材料是解決這些關(guān)鍵問題的重要途徑。目前國內(nèi)外已經(jīng)取得一定進(jìn)展，如某些納米材料和包膜材料能自主感知環(huán)境的變化、控制養(yǎng)分的釋放[40]，但總體而言，智能型包膜材料創(chuàng)新仍然處于探索中，產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚待時(shí)日。

3.2.3 生物互作，級(jí)聯(lián)放大

綠色智能肥料的合理施用不僅能定向調(diào)控根系擴(kuò)展空間、強(qiáng)化根際效應(yīng)提升活化能力，而且還可以激發(fā)根際生物互作增效、級(jí)聯(lián)放大的功能，高效活化利用土壤養(yǎng)分（圖 4）。研究發(fā)現(xiàn)，植物可通過根系形態(tài)改變、根分泌物釋放、菌根系統(tǒng)高效活化利用土壤養(yǎng)分，它們之間存在明顯的權(quán)衡機(jī)制[27-28]。根層養(yǎng)分供應(yīng)與根系、根際養(yǎng)分效率呈“倒U型”規(guī)律：相對(duì)于根層養(yǎng)分盈余，優(yōu)化根層養(yǎng)分供應(yīng)能夠增強(qiáng)根系密度與長度、提高根際分泌物釋放與酶活性、促進(jìn)菌根效應(yīng)及菌絲生長，最大化根系高效活化利用養(yǎng)分的生物學(xué)潛力。局部養(yǎng)分供應(yīng)不僅能為根系提供礦質(zhì)營養(yǎng)，還能定向調(diào)控并提升根層微域增效功能：局部供應(yīng)的養(yǎng)分可作為信號(hào)促進(jìn)根系生長（包括根系長度、根系密度、菌根菌絲長度等），增強(qiáng)根際酸化和分泌物作用[20，48]，進(jìn)一步激發(fā)根系-微生物、微生物-微生物互作，從而形成養(yǎng)分調(diào)控的級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)，系統(tǒng)提升作物養(yǎng)分利用效率[23，25-26，49]。研究表明，局部氮、磷供應(yīng)能刺激玉米根系增生[48-49]，促進(jìn)質(zhì)子分泌降低根際pH，增強(qiáng)磷酸酶活性[20，50-52]。利用根際少量磷的起爆效應(yīng)，調(diào)控菌絲分泌物信號(hào)促進(jìn)解磷細(xì)菌與菌根真菌的協(xié)同互作[24-25]，土壤養(yǎng)分活化效率提升30%。因此，調(diào)控作物根層的養(yǎng)分形態(tài)與精準(zhǔn)供應(yīng)能有效耦合根系、根際、生物互作等過程，逐級(jí)放大效能，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分高效利用。

圖 4 根層生物互作、級(jí)聯(lián)放大示意圖 Fig. 4 Effects of root-zone biological interactions and cascading amplification for improving nutrient use efficiency

3.3 綠色智能肥料工業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)需求的匹配原則 3.3.1 工業(yè)生產(chǎn)過程與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的匹配

現(xiàn)代肥料的工業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)需求脫節(jié)的弊端日益凸顯?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的目標(biāo)是“提質(zhì)增效、綠色發(fā)展”，在注重綠色增產(chǎn)增效的同時(shí)，要提高農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展；而且我國經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，土壤養(yǎng)分肥力快速提升，許多地區(qū)土壤出現(xiàn)“富營養(yǎng)化”，加劇了環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。而傳統(tǒng)的肥料工業(yè)生產(chǎn)仍然在追求“高純度、高濃度”，忽視了礦產(chǎn)資源養(yǎng)分的全量利用、高濃度單一化的產(chǎn)品不能與土壤和作物需求相匹配，難以滿足綠色增產(chǎn)增效、營養(yǎng)健康、高質(zhì)量發(fā)展的新需求。綠色智能肥料要求工業(yè)生產(chǎn)過程與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程匹配，針對(duì)不同作物生產(chǎn)方式，需要考慮以下技術(shù)路線：（1）糧食作物生產(chǎn)。在優(yōu)化NPK配比的基礎(chǔ)上，結(jié)合中微量元素添加，走資源全量化利用路線，不強(qiáng)調(diào)高濃度、全水溶的肥料，注重養(yǎng)分速效與緩效的協(xié)同；在我國東北特定條件下，玉米生產(chǎn)以一次性施肥為主，迫切需要研發(fā)非水溶性、多養(yǎng)分元素共存、控釋增效、養(yǎng)分供需匹配、適用于機(jī)械化施肥裝備的新型制造工藝和造粒技術(shù)。（2）經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)。通常采用水肥一體化技術(shù)，這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程要求高端的水溶性綠色智能肥料，強(qiáng)調(diào)“高濃度、水溶性、均衡營養(yǎng)、配伍高穩(wěn)定性”的工業(yè)生產(chǎn)要求，以及針對(duì)水肥一體化設(shè)備的適用性?？梢?，化肥工業(yè)生產(chǎn)需要研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的新需求，及時(shí)調(diào)整研發(fā)思路和革新生產(chǎn)工藝，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程需要為化工生產(chǎn)提出新的課題，二者相互促進(jìn)與融合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的匹配。

3.3.2 肥料產(chǎn)品特性與作物根系響應(yīng)的匹配

肥料產(chǎn)品中的養(yǎng)分總量、元素形態(tài)對(duì)作物根系的生長均具有深刻影響，應(yīng)依據(jù)根層養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度與根系根際效率的關(guān)系原理，破解高投入體系中生物學(xué)潛能不能充分發(fā)揮的難題。利用定向設(shè)計(jì)的肥料產(chǎn)品，優(yōu)化根層養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度能最大化根系與根際高效活化利用養(yǎng)分的生物學(xué)潛力，適宜的根層養(yǎng)分強(qiáng)度調(diào)控可使玉米根長增加40%，菌根養(yǎng)分吸收貢獻(xiàn)率提高3倍。利用根系對(duì)養(yǎng)分的覓食（Root foraging）原理，根層局部養(yǎng)分供應(yīng)能提升根系與根際微域的增效功能，并通過級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)激發(fā)根際互作潛能，如局部硝酸鹽信號(hào)可以誘導(dǎo)玉米側(cè)根增長1倍~1.5倍，氮吸收效率提高25%[53]；局部銨磷供應(yīng)能刺激玉米根系增生30%，促進(jìn)質(zhì)子分泌導(dǎo)致根際pH下降1~2個(gè)單位[50]，磷酸酶活性增強(qiáng)50%[20]。因此為了最大化發(fā)揮根系響應(yīng)的效果，需要根據(jù)不同作物根系生物學(xué)特征，設(shè)計(jì)與之相匹配的智能型專用肥料產(chǎn)品。

3.3.3 肥料產(chǎn)品與根際生命共同體系統(tǒng)提升的匹配

作物對(duì)養(yǎng)分的高效利用是一個(gè)從土壤到作物從微生物到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多界面互作的系統(tǒng)過程。任何單一過程的研究均無法破解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，也就難以從整體上大幅度提高作物養(yǎng)分效率?！案H生命共同體”是將“植物-根系-根際-菌絲際-土體及其微生物”連接在一起的自上而下能量流與自下而上養(yǎng)分流形成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)[54]。根系作為植物吸收養(yǎng)分的主要器官，將地上和地下連為一體；根際則是控制植物-土壤互作界面物質(zhì)、能量流動(dòng)和信息交換的樞紐；菌絲際及其他微生物進(jìn)一步拓展了植物吸收利用土壤養(yǎng)分的范圍與功能。在“根際生命共同體”系統(tǒng)中，植物將光合產(chǎn)物輸送到地下，驅(qū)動(dòng)了地下多樣化生命過程的運(yùn)轉(zhuǎn)。光合產(chǎn)物一部分用于支撐根系生長及其生理活動(dòng)，另一部分以根分泌物的形式釋放到根際環(huán)境中，顯著地改變根際土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，招募和供養(yǎng)微生物，使根際成為植物-微生物、微生物-微生物互作最活躍的熱點(diǎn)區(qū)域，成倍提升植物對(duì)土壤養(yǎng)分的活化與利用效率。根外菌絲和其他土壤微生物又將根際范圍擴(kuò)展上百倍，并能從距離根系很遠(yuǎn)的土體、以及根系難于進(jìn)入的微團(tuán)聚體內(nèi)把養(yǎng)分捕獲并傳輸給植物。由此可見，控制養(yǎng)分高效利用的是根際生命共同體系統(tǒng)，綠色智能肥料的研發(fā)應(yīng)著眼于對(duì)整個(gè)共同體系統(tǒng)的改善與優(yōu)化，而不是僅僅單一地促進(jìn)根系或者微生物生長。開發(fā)肥料產(chǎn)品的靶向性協(xié)同調(diào)控、優(yōu)化根際生命共同體系統(tǒng)將是未來綠色智能肥料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化的重要引領(lǐng)性方向。

3.3.4 工農(nóng)融合與全鏈條綠色發(fā)展的匹配

綠色智能肥料產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，需要工農(nóng)全鏈條與綠色發(fā)展的融合與匹配。首先需要工業(yè)和農(nóng)業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的深度融合，農(nóng)業(yè)方面根據(jù)作物、土壤和氣候等提出對(duì)肥料產(chǎn)品養(yǎng)分配比、形態(tài)和特性的需求，并通過大數(shù)據(jù)智能算法進(jìn)行產(chǎn)品定向設(shè)計(jì)；工業(yè)方通過工藝創(chuàng)新最大程度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配伍并達(dá)到智能化釋放，再進(jìn)一步反饋給農(nóng)業(yè)方進(jìn)行修正和效果驗(yàn)證；同時(shí)工業(yè)方提供各種礦產(chǎn)原料、副產(chǎn)品及廢棄物資源等給農(nóng)業(yè)方進(jìn)行養(yǎng)分資源特征研究，工業(yè)方進(jìn)行肥料產(chǎn)品物料的選配創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的全量高效利用；雙方同時(shí)從全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行系統(tǒng)分析，找到降耗減排、綠色增效的卡口，通過關(guān)鍵技術(shù)突破，優(yōu)選綠色智能肥料產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑；最后共同根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)條件進(jìn)行綠色智能肥料的產(chǎn)業(yè)化。

3.4 綠色智能肥料的工藝革新

綠色智能肥料從制造和產(chǎn)品工藝而言，可以分成兩部分：綠色智能肥料材料創(chuàng)制與綠色智能肥料產(chǎn)品制造。

3.4.1 綠色智能肥料材料創(chuàng)制

綠色智能肥料材料創(chuàng)制是肥料產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵，其材料可以是撬動(dòng)根際生命共同體、強(qiáng)化生物互作的信號(hào)物質(zhì)或微生物，也可以是智能響應(yīng)土壤環(huán)境條件的敏感型材料，還可以是來自于自然界或工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的低成本具有綠色環(huán)境屬性的物質(zhì)或資源。

1）生物信號(hào)物質(zhì)或微生物制劑。綠色智能肥料的創(chuàng)新原理本質(zhì)在于深入理解根際生命共同體互作過程中的物質(zhì)產(chǎn)生與合成、微生物的生命活動(dòng)規(guī)律，以及這些物質(zhì)或微生物在作物生長過程中所起到的核心調(diào)控作用[54]。因此，有必要利用現(xiàn)代生物合成學(xué)、新材料合成、生物源材料提取等手段，在系統(tǒng)理解根際生命共同體調(diào)控原理與技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新合成技術(shù)與有效降低合成成本，制備新型高效生物信號(hào)物質(zhì)，或者重組土壤微生物群落[55]，將理論與技術(shù)以產(chǎn)品的方式落地應(yīng)用。

2）環(huán)境響應(yīng)敏感型材料。土壤是植物生長與肥料養(yǎng)分傳輸?shù)慕橘|(zhì)，土壤的特性及養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化是影響肥料利用效率的關(guān)鍵點(diǎn)之一，肥料養(yǎng)分對(duì)土壤環(huán)境的變化響應(yīng)很敏感，如土壤pH、溫度、濕度等。制備環(huán)境響應(yīng)敏感型材料是目前新材料科學(xué)的前沿，大量研究證明了新材料的潛在應(yīng)用價(jià)值，尤其是綠色、低成本、可生物降解的材料[56]。針對(duì)植物對(duì)養(yǎng)分需求特性，設(shè)計(jì)合成能夠精準(zhǔn)控制溫度、pH的響應(yīng)型高分子材料、高吸水性/納米多孔道材料（如高吸水性樹脂、金屬-有機(jī)骨架材料、分子篩、層狀氫氧化物等），將這些具有環(huán)境敏感特性的材料通過官能團(tuán)自組織、靶向敲除等手段進(jìn)行表面物理化學(xué)性質(zhì)的改性，強(qiáng)化材料對(duì)溫度、濕度、pH的敏感性[57-61]，從而具有更強(qiáng)的養(yǎng)分保持和釋放的能力，成為智能型肥料的主要載體[41-42，62]。但目前尚無成熟的工藝，有關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與創(chuàng)新亟待加強(qiáng)。

3）綠色環(huán)境屬性的物質(zhì)或資源。目前許多化肥尤其是以磷鉀為主的肥料的生產(chǎn)高度依賴于不可再生礦產(chǎn)資源，需要在用好礦產(chǎn)資源的同時(shí)，充分挖掘來自于自然界或工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量低成本的伴生或副產(chǎn)物資源，如磷礦開采與磷肥生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物對(duì)于土壤而言是良好的養(yǎng)分資源，甚至含有調(diào)控植物生長的有益物質(zhì)。在納米材料方面，可以將難溶性原料納米化，與水溶性H2PO4-的反應(yīng)活性顯著下降，實(shí)現(xiàn)多元素共存?；?。納米粒子可以實(shí)現(xiàn)跨膜運(yùn)輸，提高根系的吸收能力。納米材料作為包膜材料制成的肥料具有很高的膠體穩(wěn)定性和優(yōu)良吸附性能，肥料施入土壤后，在一定程度上能感知土壤中的濕度和通氣狀況，有效控制肥料的釋放，從而達(dá)到蓄肥、保肥的目的，實(shí)現(xiàn)在關(guān)鍵作物生長時(shí)期，肥料養(yǎng)分供得上、保得住。近年來，能感應(yīng)作物根際信號(hào)的包膜材料也在快速發(fā)展中，韓國學(xué)者發(fā)現(xiàn)以木質(zhì)素-鐵-羥基磷灰石構(gòu)成的超分子結(jié)構(gòu)材料，對(duì)根系釋放的有機(jī)酸高度敏感，在根際酸度增強(qiáng)時(shí)這種材料制成的包膜開始分解并釋放出養(yǎng)分，可以顯著提高肥料的利用率[63]。智能型包膜材料創(chuàng)新以及產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用亟待加強(qiáng)。

3.4.2 綠色智能肥料制造工藝

綠色智能肥料是鏈接化肥工業(yè)革命與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的紐帶，也是工農(nóng)融合綠色發(fā)展的抓手，其制造工藝要在現(xiàn)化工業(yè)革命與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新需求的基礎(chǔ)上不斷變革與發(fā)展，面向雙碳和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)，闖出一條綠色化、高效化、智能化的發(fā)展之路，綠色智能肥料產(chǎn)品的創(chuàng)制與產(chǎn)業(yè)化，迫切需要顛覆性的肥料生產(chǎn)工藝創(chuàng)新與技術(shù)突破。

1）原料共伴生資源全量化利用工藝。綠色智能肥料產(chǎn)品創(chuàng)制強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)原料的綠色低碳生產(chǎn)、高效活化和全量利用技術(shù)，大幅提升礦產(chǎn)資源的肥料化效率。例如，磷礦原料中富含磷、鈣、鎂、硅等多種營養(yǎng)元素，但多為難溶性或低活性養(yǎng)分，基于不同土壤-氣候-作物需求，需要?jiǎng)?chuàng)新磷礦產(chǎn)資源中養(yǎng)分綠色、高效、智能活化與半活化生產(chǎn)技術(shù)[64]，并通過新的工藝技術(shù)手段，如作物信號(hào)調(diào)控物質(zhì)的協(xié)同增效，來強(qiáng)化作物自主活化、吸收養(yǎng)分的能力，實(shí)現(xiàn)磷礦資源養(yǎng)分的高效、全量利用，突破當(dāng)前磷化工發(fā)展的瓶頸。研究表明，采用螯合、聚合和生物質(zhì)活化/半活化原位調(diào)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)磷與中微量元素[65]、多種磷素形態(tài)以及有機(jī)碳與磷的協(xié)同利用與增效，或采用高溫活化技術(shù)綜合利用尾礦和渣酸，實(shí)現(xiàn)鈣、鎂、硅、磷等的協(xié)同利用，形成磷礦養(yǎng)分全量化利用原位技術(shù)體系，創(chuàng)制含中微量元素的水溶性磷酸一銨、“原位二銨”、肥料級(jí)聚磷酸銨、聚磷酸鈣鎂、有機(jī)磷銨等綠色增效肥料產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過原位活化工藝創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分與作物信號(hào)調(diào)控物質(zhì)協(xié)同是未來的重要方向。

2）氮肥低碳生產(chǎn)合成與增效工藝。氮是作物所需礦質(zhì)營養(yǎng)中，唯一通過化學(xué)合成形成肥料產(chǎn)品的元素。常規(guī)的合成氨工藝能耗很大，而在常溫常壓下或利用清潔能源（風(fēng)能、太陽能等）產(chǎn)生的“綠氨”創(chuàng)新工藝被認(rèn)為是傳統(tǒng)Haber-Bosch合成氨工藝的替代方案，如常溫常壓下的電化學(xué)合成、高效催化劑等，這類方法關(guān)鍵在于新型催化劑的研發(fā)以及工藝技術(shù)優(yōu)化[66-68]。這類創(chuàng)新的“綠氨”技術(shù)將會(huì)以全新的、綠色的方式養(yǎng)活和驅(qū)動(dòng)世界。另一方面，合成氨主要用來生產(chǎn)主要的氮肥產(chǎn)品-尿素，目前雖有硝化抑制劑、脲酶抑制劑和硫包衣等包膜材料等途徑可以一定程度實(shí)現(xiàn)尿素中氮養(yǎng)分的緩/控釋放[69-70]，但仍缺乏更高效、環(huán)保、價(jià)廉的新材料或助劑，實(shí)現(xiàn)肥料產(chǎn)品對(duì)環(huán)境條件的智能響應(yīng)、氮素養(yǎng)分的精準(zhǔn)釋放，動(dòng)態(tài)匹配作物氮素需求，進(jìn)一步創(chuàng)新更價(jià)廉、更高效、更安全的雙抑制劑等氮肥增效劑，以及相應(yīng)的保護(hù)劑研制與生產(chǎn)工藝創(chuàng)新，這些仍是未來氮肥產(chǎn)品創(chuàng)制的重要方向。

3）綠色低碳（環(huán)保）的復(fù)合肥生產(chǎn)工藝。目前復(fù)合肥料生產(chǎn)工藝技術(shù)，如料漿法、高塔造粒、熔體造粒法、團(tuán)粒法工藝技術(shù)，均是基于高濃度、造粒特性較好的NPK肥料原料（如磷銨）等進(jìn)行產(chǎn)品的二次加工生產(chǎn)，較少涉及中微量元素及助劑的添加，造粒相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)連續(xù)化，但存在能耗高、損失大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、配方與農(nóng)業(yè)需求匹配度低等制約綠色可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題；綠色智能復(fù)合肥料產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)需通過技術(shù)創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)的用原料肥進(jìn)行二次加工思路，轉(zhuǎn)向以礦產(chǎn)原料直接活化加工和造粒，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分有效化、加工低碳化及產(chǎn)品可商業(yè)化的有機(jī)結(jié)合，兼顧養(yǎng)分精準(zhǔn)配伍、增效物質(zhì)或助劑添加，結(jié)合新材料應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低廢低排低耗的智能化肥料加工和生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)。如將容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致失活的肥料原料分層造粒，實(shí)現(xiàn)不同元素在肥料顆粒中相對(duì)空間隔離，是現(xiàn)階段綠色智能肥料新途徑，如“肥包肥”技術(shù)將鈣、鎂、鋅以多層噴布的方式造粒，實(shí)現(xiàn)單一顆粒中磷、鉀與中量元素的共存[71]。盡管如此，在某些條件限制的情況下，綠色智能肥料生產(chǎn)工藝也需借鑒現(xiàn)有復(fù)合肥料的生產(chǎn)工藝，堅(jiān)持綠色低碳發(fā)展，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，注重資源綜合利用，保證安全和環(huán)保生產(chǎn)，提高成品率，有效減少返料循環(huán)，避免肥料成分不均勻、物性差等問題，分階段實(shí)現(xiàn)智能化復(fù)合肥料的升級(jí)換代。

4 綠色智能肥料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景

綠色智能肥料創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化必將成為化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向，是工農(nóng)融合全產(chǎn)業(yè)鏈綠色發(fā)展的總抓手及未來化肥產(chǎn)品創(chuàng)新的重點(diǎn)，也是促進(jìn)肥料產(chǎn)業(yè)減少生產(chǎn)過程碳排放，產(chǎn)品使用過程中實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段之一。因此，圍繞綠色智能肥料創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，在“雙碳戰(zhàn)略”和“綠色發(fā)展”新的形勢(shì)下，未來還需要抓好以下重點(diǎn)研究內(nèi)容（圖 5）：

圖 5 綠色智能肥料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展藍(lán)圖 Fig. 5 Development blueprint for green intelligent fertilizer innovation and industrialization

1）大數(shù)據(jù)智能化：建立基于我國區(qū)域數(shù)字土壤、數(shù)字作物與數(shù)字環(huán)境相匹配的大數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)，為區(qū)域綠色智能肥料大配方提供支撐。將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代數(shù)字技術(shù)應(yīng)用在智能肥料創(chuàng)制、精準(zhǔn)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面，構(gòu)建集智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、智能分析和自動(dòng)化控制一體化的綠色智能肥料大數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)，將綠色智能肥料參數(shù)在動(dòng)態(tài)變化條件下自動(dòng)更新并實(shí)時(shí)建模，創(chuàng)新數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的綠色智能肥料技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化與精準(zhǔn)化，使來自土壤、肥料和環(huán)境的動(dòng)態(tài)養(yǎng)分供應(yīng)與高產(chǎn)作物養(yǎng)分需求在數(shù)量上匹配、在時(shí)間上同步、在空間上耦合，既滿足作物養(yǎng)分需求，又不會(huì)造成養(yǎng)分過量累積而向環(huán)境中遷移，為區(qū)域綠色智能肥料大配方提供支撐。結(jié)合自動(dòng)控制、傳感器、農(nóng)機(jī)裝備等，構(gòu)建區(qū)域場(chǎng)景方案自動(dòng)決策系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)賦能作業(yè)裝備，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)要素驅(qū)動(dòng)為主向科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)為主的轉(zhuǎn)變。

2）綠色智能新工藝：加快綠色礦山建設(shè)和低碳零排制造工藝與信息智能技術(shù)的融合，推動(dòng)綠色智能肥料制造工藝創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。重構(gòu)化肥生產(chǎn)工藝技術(shù)體系，探索從原料直接合成肥料產(chǎn)品的新技術(shù)新工藝，減少資源損失與能源消耗；大力發(fā)展綠色低碳清潔生產(chǎn)技術(shù)，如常溫常壓合成氨、磷資源全量低耗利用等；破解化肥工藝生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)需求不匹配的難題，建立低碳綠色高效新工藝，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分配比與形態(tài)配伍精準(zhǔn)工業(yè)生產(chǎn)，強(qiáng)調(diào)中微量養(yǎng)分、生物活性物質(zhì)等的功能及其活性高效保持，匹配區(qū)域氣候-土壤-作物系統(tǒng)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件對(duì)綠色智能肥料產(chǎn)品的需求。

3）綠色智能產(chǎn)品精準(zhǔn)應(yīng)用：結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化數(shù)字技術(shù)，科學(xué)合理布局產(chǎn)品適宜生態(tài)區(qū)域與土壤-作物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品時(shí)空動(dòng)態(tài)決策分配與智能管理；著重創(chuàng)新現(xiàn)代化肥料施用機(jī)械與裝備（如農(nóng)業(yè)大機(jī)械、水肥一體化設(shè)備、無人機(jī)等）、作物根際/根層生物高效調(diào)控相配套的綠色高效施用技術(shù)；建立綠色智能肥料產(chǎn)品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系與施用技術(shù)體系，指導(dǎo)產(chǎn)品落地應(yīng)用。

4）新型綠色化肥產(chǎn)業(yè)體系：建立面向農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的化肥生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)和人才培養(yǎng)的新型綠色化肥產(chǎn)業(yè)體系。重構(gòu)農(nóng)業(yè)需求導(dǎo)向-適用產(chǎn)品革新-制造工藝革新-銷售服務(wù)革新的全產(chǎn)業(yè)鏈模式，利用“綠色原料”、采用“綠色工藝”、生產(chǎn)“綠色產(chǎn)品”。建立我國自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營和管理的綠色產(chǎn)業(yè)體系。融合數(shù)字、信息與智能技術(shù)，建立綠色智能新型化肥的技術(shù)創(chuàng)新與支撐體系。

5）科技自主創(chuàng)新體系：根據(jù)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展新需求，全面改革化肥工業(yè)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)工業(yè)和農(nóng)業(yè)全鏈條的充分融合，通過科技自主創(chuàng)新，突破制約產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)，制訂戰(zhàn)略規(guī)劃與實(shí)施方案，促進(jìn)工農(nóng)融合、綠色轉(zhuǎn)型相關(guān)的方案落地。

6）工農(nóng)融合及綠色智能肥料政策保障機(jī)制：建立與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相適應(yīng)的綠色智能肥料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，制定工藝準(zhǔn)入、產(chǎn)品準(zhǔn)入、市場(chǎng)準(zhǔn)入、服務(wù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，銷售人員具有專業(yè)資質(zhì)要求。制定相關(guān)法律法規(guī)保護(hù)，完善環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排約束性指標(biāo)管理，全面實(shí)行排污許可制，建立健全風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制。建立我國肥料管理立法體系，實(shí)行農(nóng)田肥料投入的環(huán)境限制、提升區(qū)域管理規(guī)范，推動(dòng)化肥產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，制定激勵(lì)措施或管理政策。促進(jìn)現(xiàn)代化肥產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展，為我國乃至全球農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)提供支撐。

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