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BSM CHEMICAL CO.,LTD

来自BASF的答案:技术可以开启高效使用氮肥的新时代吗?(连载3)

2016-06-27
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AgroPages世界农化网独家稿件,未经许可,不得转载!

技术可以开启高效使用氮肥的新时代吗?近期,来自BASF的三位肥料专家Markus Schmid博士、 Wolfram Zerulla博士、Gregor Pasda博士应AgroPages世界农化网之邀,分享了他们对这一问题的专业解读。正如前文(连载二)所述,脲酶抑制剂和硝化抑制剂都是减少氮肥损失提高肥料利用率的有效工具。它们被认为是最好的管理实践,并且可以为农民创造越来越多的价值。


第三部分:氮肥抑制剂所蕴含的技术

脲酶抑制剂力谋士Limus®-整合两种活性成分的优点
 
为减少尿素对氨排放的负面影响,新技术应该在帮助农民减少氮肥使用量同时简化氮肥施用的方式方法。
 
尿素是一种高浓缩经济有效的氮肥。但尿素本身不能被作物根系直接吸收,必须转为铵根离子(NH4+)和硝酸根离子(NO3-)后才可被作物吸收。
 
在上述转化过程中,很容易生成碱性复合氨。特别是在施用大、小颗粒尿素时更为明显(见图1和图2)。因为pH值的不断上升,预示着土壤中氢氧根离子(OH-)浓度的不断提升,继而打破氨(NH3)分子和铵根离子(NH4+)间的动态平衡,化学反应便会向着气态氨及水的方向转化(见图1中红色箭头),而气态氨(NH3)非常容易挥发。
 
图1:尿素在土壤中转化为可被作物吸收氮素营养的过程



图2:施用尿素后土壤pH值变化


 
脲酶在将尿素转变为氨分子的过程中扮演催化作用,而脲酶抑制剂则通过降低脲酶活性推迟尿素转化为氨的时间,这进一步拓宽了雨水将尿素溶解带入土壤的窗口期。由于土壤自身的阳离子交换作用,尿素中的氮将以铵根离子的形式得以保存。
 
管理氨排放的关键在于如何优化含有尿素肥料的效用。巴斯夫最近开发的力谋士Limus®便是这样一款产品,该产品整合了两种活性成分以便有效减少因氨挥发造成的氮素损失。
 
力谋士Limus®包含的两种活性成分N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和N-苯基磷酰三胺(NPPT)可有效抑制土壤中各类形态结构的脲酶。因为单个有效成分并不能与所有脲酶的作用位点结合。而力谋士Limus®中的NBPT和NPPT则可相互配合,有效作用于不同脲酶的结合位点,阻碍脲酶和靶标底物结合,继而达到全面抑制的效果。
 
该双效活性成分是巴斯夫的专利技术,使用该技术的产品不论在实验室还是在世界各地的田间都取得了卓越的表现。研究表明,使用该技术后,仅需投入同类产品40%的用量即可达到控氮目标。此外,在相同条件下使用相同剂量的产品,力谋士的生物学表现也显著优于同类产品。大量田间试验结果表明,使用力谋士的田块相对产量提升幅度是市场上标准脲酶抑制剂NBPT的两倍。
 
当前中国过度施肥的现象并不罕见,事实上完全可以做到在不影响作物产量的情况下减少氮肥投入。这可以通过田间试验效果得以印证。图3试验结果表明,使用力谋士的冬小麦试验田在减氮20%的同时提高了作物产量。
 
图3:中国田间试验结果



脲酶抑制剂的使用同样会对时间、能源、燃料、水资源的成本控制产生积极影响,特别对水资源严重匮乏的地区更是如此。
 
在全球某些地区,农民会在使用尿素后追加灌溉使肥料溶解后进入土壤,还有一些地区,农民会直接将尿素撒播与土壤表层。而使用力谋士脲酶抑制剂几乎不需要追加其他复杂操作,便可以有效改善以上两种用肥方式的氮肥效率。
 
使用力谋士后,农民可以不再通过多次施肥的方式来减少氨挥发损失,随着该技术以更稳定持续的方式为作物提供有效的氮素,精准用肥、产量最大化的目标便可得以实现。
 
此外,巴斯夫还从可持续发展的角度研究了力谋士产品对于农业的贡献。使用巴斯夫开发的评估工具AgBalance™评估力谋士的可持续发展价值,最终得出该产品具备生态、经济、社会综合影响力。
 
在中国开展的AgBalance研究结果也显示,力谋士可以提供额外8%的可持续性能并可以有效提高氮肥使用效率。图4结果更详细的展示了该产品对温室气体排放的控制效果。
 
图4:力谋士AgBalance研究-对温室气体排放的控制效果



力谋士所蕴含的另一项独特技术在于该产品制剂。现有的脲酶抑制剂产品均可归为硫代磷酸三酰胺类化合物,该类化合物对含尿素的肥料并不稳定,在常规的制剂配方中遇高温极易迅速分解。已有农民反映他们购买的产品没有达到预定宣传效果,这是因为涂层尿素在高温下储藏时间太久而导致原有脲酶抑制剂的活性成分被分解。

力谋士制剂开发的目标就是为脲酶抑制剂活性成分提供一个长期稳定的环境,特备针对于固体尿素类产品(详见图5)。同类常规脲酶抑制剂产品一般只能在低温条件下维持产品活性,而力谋士则可在高温条件下使有效成分活性至少维持一年。

图5:不同脲酶抑制剂用于尿素的稳定性试验结果




此外,力谋士的配方还可确保尿素涂层快速干燥,从而使处理后的尿素颗粒不至于因涂层不均而受到挤压破碎的影响。以上特性都有助于肥料混拌商及加工商在尿素涂层、储藏、运输过程中不出现质量问题,并保证肥料处理设备的高吞吐量。

力谋士可有效的补偿尿素及尿素硝酸铵肥料的不利特性,在保证硝酸铵效果的同时不损失原有的产品优势(尿素:含氮量高,价格便宜。尿素硝酸铵:可与农药混合,使用方便)。力谋士因同时含有两种活性成分以及独特的制剂配方而成为脲酶抑制剂技术的典范,同时该产品也将成为未来市场发展的基准标杆。

DMPP(二甲基吡唑磷酸盐)-硝化抑制剂类产品的基准标杆

硝化抑制剂遵循的原则是,如果氮肥以铵根离子(NH4+)的形式被带负电荷的土壤颗粒吸附,那么就可以避免硝酸根离子(NO3-)的淋失。硝化抑制剂通常用在有机肥料如液体粪肥、铵肥、尿素类肥料中而不用于硝态氮肥。(在此背景下,尿素被认定为一种铵源氮肥)。硝化抑制剂是适当的使用与有机肥料,如液体肥料,铵或尿素为基础的肥料,但不硝酸盐肥料(尿素被视为在这方面作为一个铵源)。

硝化抑制剂主要抑制亚硝化细菌(Nitrosomonas ssp.)的代谢活性,该细菌负责铵态氮向硝态氮转化的过程(见图6)。

图6:硝化抑制剂的机理模式图



DMPP(3, 4-二甲基吡唑磷酸盐)是目前市场上最有效的硝化抑制剂之一,每公顷使用0.5-1.5公斤便可让铵态氮维持稳定4-10周。该使用剂量并不会灭杀亚硝化细菌本身,而是有效并且针对性的抑制这些细菌的代谢活性(抑菌作用)来发挥作用。

DMPP可以有效的减少硝态氮淋失而不会伴随抑制剂自身的淋失。在沙壤土盆栽试验条件下,通过过量浇水创造氮肥淋失条件,检测淋溶液中的氮肥量。在试验中,分别使用ASN(硝硫铵)、ASN(硝硫铵)+DMPP(3, 4二甲基吡唑磷酸盐)、ASN(硝硫铵)+DCD(双氰胺)三种方式处理盆栽菠菜,并在施肥后7天、18天、22天过度浇水三次,浇水量分别为10mm、10mm、20mm(见表1)。

表1 使用不同消化抑制剂处理盆栽菠菜后硝态氮淋溶检测结果(Zerulla et al. 2001)



不同地点的渗漏计检测试验均表现出相似的结果。如果在高温下试验,结果会更加显著(SERNA et al. 2000).

DMPP同样可以显著减少一氧化二氮(N2O)的排放,而不会对土壤甲烷吸附能力产生负面影响。使用稳定性肥料可能在减少氮损失的同时为作物提供临时性的铵态氮,继而促进了作物高产。这也为农民灵活选择施肥时间、节省施肥次数(减少工作量)提供了更多可能。

市场上常见的硝化抑制剂产品除了巴斯夫在1990年代开发的DMPP外,还有其他两种产品。一种是陶氏化学的氯甲基吡啶类(Nitrapyrine)产品N-Serve®,其有效成分2-氯-6-三氯甲基吡啶。该产品于1962年投放美国市场(GORING 1962)。另一种是DCD,有效成分为双氰胺,该产品在上世纪80年代早期在欧洲多个国家进行市场销售(SOLANSKY 1982)。

虽然这些化合物有着各自有的优点,但同时他们也拥有一些不利特性。

氯甲基吡啶类(Nitrapyrine)化合物蒸汽压较高,导致该化合物难以和固体肥料长期结合。此外,该化合物有效成分保持活性的时间长短依然于温度高度相关。因此,长期以来N-Serve仅限于在无水氨类产品上使用,通常在冬季前用于氨肥上。氯甲基吡啶属于有机氯类化合物,相关环保组织对该物质环境和毒理学关注与日俱增。此外,该物质还因具有腐蚀性和爆炸性而需要谨慎操作(TRENKEL2010)。虽然目前新配方已经对上述问题做了改进,但主要市场依然局限于美国。

DCD(双氰胺)类产品通常活性成分效用较低而导致产品用量较大,因此该产品在性价比方面难以自圆其说。DCD本身在土壤中移动性较强,在高降雨条件下,很容易和已经结合的铵盐分离而造成预定肥效难以得到保障。(TESKE and MATZEL 1988)。在某些气候条件下,DCD可能会对作物造成伤害,通常这种伤害不会造成作物减产,但对于某些作物如叶菜类,会造成叶缘坏死从而影响农产品的市场销售。(REEVES and TOUCHTON 1986)。
 

 

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