案例描述
本成果历时10年的艰苦研发过程，通过教育部组织的技术鉴定并获国家发明专利保护，并得到国家科技部2010年度农业科技成果推广项目支持。该技术以低成本、长效缓释、生态环保、高效利用与节约磷钾资源为特色，分别在北京、山东、浙江、江苏、福建、辽宁、海南、进行了有机蔬菜、粮油作物、果树茶叶、花卉林木等方面的应用，取得了可喜的效果。现在正式向社会推广，造福国家和人民。
特色：
降低农民施肥成本长效缓释；支撑有机农业促进生物资源综合利用；避免水溶性磷肥对水环境污染；节约磷矿资源
一、项目背景
1.1 农产品有机化与健康食品的需要
现代高效农业离不开肥料的使用。然而，化学肥料的大量使用导致了严重的土壤酸化板结以及对地表水系的生态破坏，在回归自然、农产品有机化的全球大趋势中，有机肥料则成为关键的源头。
近年来，世界上有机农业所占比例越来越高，各国都相继颁布了相关法律法规，多数国家规定只有通过有机认证的农产品才允许进口。人们对农产品的需求在悄悄的改变，温饱问题解决以后，人们更加重视食品的安全、口感、健康和环保。而直接关系生态环境、食品安全、身体健康的关键因素就是农产品种植所必须的肥料、农药等生产资料。因此，在食品安全革命的背后是一场肥料、农药等农资和种植技术的革命。2002年4月，农业部和国家质量监督检验检疫总局发布了《无公害农产品管理办法》，随后又出台了相关标准；当年7月，国务院又发布了《关于在全国范围内开展无公害食品行动计划》的纲领性文件，对食品生产所采用的肥料、农药、土质等作了全新的规定，并逐渐成为全社会的共同要求和必然趋势。一个全新的、有着巨大潜力的朝阳产业和新型项目——有机农业所必备的生产资料——高效生物活性有机肥的时代来临了。
近年来，国家加大了对农业的投入，大部分的省份加大了农业补贴的力度。同时，农产品的销售价格大幅上扬，农民收入增加了，生产积极性高涨。然而，由于长期施用化肥、农药使土壤板结、肥力下降，还造成了环境污染，影响了农业的可持续性发展。另一方面，包括化肥在内等农业生产资料价格大幅上涨，使农产品生产成本上升。因此农民急需寻找一种能部分或全部替代常规化肥、改良土壤、优质高效、价格实惠的新型肥料。
近年来，以施用有机肥料为主而生产的绿色食品深受广大消费者的青睐，绿色食品的生产增加了有机肥料的需求。对应4000多亿元的化肥销售总额，生物有机肥仅占2%左右，约74亿元。由于生物有机肥的诸多优势逐步被人们认可，加上国家政策的倾斜，生态有机肥将成为未来农业生产的必需品。据有关部门预测，未来5年内，我国生物有机肥市场将以每年5％的速度增长，2015年预计将超过1500亿元的产值。从而给高效生物有机肥的生产创造了巨大的市场空间和商业机会。
目前，由于人们认识上的误区以及技术手段所限，有机肥中磷、钾元素的补充仍然延用磷酸铵、硫酸钾等常规化学肥料，对肥料的全面有机化形成了技术障碍。
清华大学与合作者经过十年潜心研发，富磷钾无机有机复合肥突破了非水溶性磷肥制备的技术瓶颈，为有机农业的发展奠定了补充磷钾元素的技术基础。
1.2解决磷资源短缺与传统磷肥环境问题的需要
磷，是人类赖以生存且不可替代的资源，而作为农业生产基本物质的磷肥消耗了80%的优质磷矿资源。我国耕地面积占世界的9%，养活了20%的人口，使用了全世界30%以上的化肥，仍造成70%的土壤缺磷。在大力使用速效化肥创造粮食生产奇迹的同时，也引发了水污染、土壤板结、磷石膏堆放等一系列环境问题。特别是磷肥工业仍以酸法制备水溶性化学磷肥为主，2006年以来，我国每年使用化学磷肥1100万吨（按照纯P2O5计量），而生产与使用酸法水溶性磷肥已导致一系列环境与资源问题：
充分利用磷矿资源的要求。磷矿资源是非可再生资源，近几年来，全球的高品位磷矿资源储量急剧下降，作为磷肥原料的磷矿品位逐年降低。据IFA统计数据显示,世界磷矿石折P2O5后含量降低,1999年为31.41%,而2006年为31.04%,品位下降了0.4个百分点,对于大吨位磷矿石来说,磷矿品位下降,不仅是有效磷含量的降低,而且还会导致磷矿加工成本的上升。磷矿资源大国已开始有意识地减少磷矿开采，以保证国内磷肥企业的可持续性发展。据统计资料显示，1999年世界磷矿石出口量为3278万吨,2006年为2965万吨,矿石出口下降了9.5%,年均复合降低1.42%个百分点。世界磷矿出口减少，供需趋紧,价格上升。我国拥有资源储量为178.6亿吨，其中储量11.8亿吨，基础储量31.7亿吨，居世界第二位，仅次于摩洛哥，中以中低品位为主，P2O5平均含量不足17％，富矿储量仅占6.6%。国土资源部已把磷矿列为不能满足国民经济发展需要的矿种之一。利用微晶化纳米粉体加工技术和生物发酵技术可以充分利用我国的中低品位磷矿资源制成生物磷肥，保障磷肥供应，平抑磷肥价格。
低碳清洁化磷肥生产的需要。首先，酸法生产化学磷肥的杂质含量影响用酸量的多少，关系到生产的成本和工艺复杂性，杂质含量高的磷矿甚至造成生产中断。故酸法磷肥生产直接使用的磷矿粉一般是品位28%以上、杂质含量低的优质磷矿。因此普遍存在用富弃贫的现象。选矿产生的含磷低于10%的尾矿和生产过程产生的磷石膏堆积成山，不仅占用大量土地资源，也给周围安全带来威胁有些磷矿，甚至品位较高的磷矿，因选矿难度大而没得以利用。其次，磷肥生产产生大量的废水废气也污染周围环境。再次，酸法生产过磷酸钙和磷铵的耗酸量巨大。2008年我国生产磷铵（MAP+DAP）类肥料总计740万吨 P2O5，共耗用优质磷矿近2800万t，耗硫酸2100万t。我国缺少硫磺资源，用硫磺燃烧制备硫酸需要大量进口硫磺；国内用硫铁矿燃烧法制硫酸从开采、运输到冶炼，都会带来不容忽视的污染问题，有些地区还会带来酸雨危害。微晶化纳米粉体加工过程是纯物理过程，没有“三废”排放，能耗低；生物发酵过程消耗工农业废弃物，变废为宝、清洁环境的工艺。
解决土壤面源污染、优化土壤环境的新思路。近几年的研究表明，农田过量使用化肥是造成河流湖泊等水体富营养化的主要原因，而磷是水体富营养化的决定因素。水溶性磷肥施加到田间后磷酸根极易随灌溉或雨水流失。大量磷元素随农田进入河流湖泊，形成藻类繁衍基础物质的富磷化面源污染。太湖流域每年每亩农田施用化肥34公斤左右（约1/3的磷肥）。约30亿立方米“回流水”携带大量由化肥产生的氮磷污染物，从而造成太湖流域大面积出现蓝藻。水溶性化学肥料刚施入土壤后，造成局部浓度过高，会毒害作物根系和土壤微生物；之后又在环境因子作用下挥发、流失或沉淀，造成肥料利用率降低，磷为2—25％，氮为30—60％，钾为30—60％。生物磷肥是利用微晶化磷矿粉结合生物发酵制造而成，由于主要养分形态为非水溶性态，在土壤物理的、化学的和生物的因素作用下缓缓释放，不但根系土壤环境，发酵产生的有机酸还能促进土壤团粒结构的形成，刺激作物生长。施用非水溶性磷肥减少了磷的流失，从而降低环境水体富营养化的风险。
可结合农作物秸秆与畜禽粪便的循环利用实施。我国每年产生各类农作物秸秆约6.5亿吨，畜禽粪便产生量约20亿吨，是工业废弃物的3倍。随着种植和畜牧养殖业的发展，农业废弃物数量还在增加。农业废弃物不但污染农村环境，还易引起火灾。利用农业废弃物制造生物磷肥，不但净化农村环境，而且变废为宝，成为优质肥料，是农业物质循环利用的一条新途径。
农业科技发展的新提示。我国农业专家李振声院士多年来从事磷高效基因型作物品种的选育工作，利用改良作物品种提高作物对非水溶性磷素的吸收能力，并取得巨大成功。这也启示我们，非水溶性磷也是作物吸收利用的重要磷源。许多农业专家研究表明，改性磷矿粉在北方石灰性土壤上也具有明显效果。非水溶性的磷代替高消耗高污染的水溶性磷肥在实践上是可行的。
有机农业发展的好助手。随着我国农业产业化水平的提高和人们健康意识的增加，有机无公害农业在我国取得快速发展，有机农业面积已跃居世界第二位。但有机农业要求禁用化学人工合成的肥料。现在有机农业基地主要采用有机肥和骨粉补磷。有机肥含磷量低，骨粉资源不足且价格高昂。长期下去必然造成有机农业基地土壤磷的亏缺，造成作物生长不良，产品品质下降，产量和效益降低。采用天然矿质和生物发酵技术制成的生物磷肥，符合有机农业用肥要求，试验证明在实践上也是可行的，是一种质优价廉的有机农业用肥，具有广阔的发展前景。
适合国情的可持续发展之路。酸法磷肥带来的“生产环节环境负担大—优质磷矿资源短缺—水溶性磷肥流失污染水系”等一系列问题的形成是基于传统磷化工产业和化肥体系基础之上的，特别是近几年水溶性磷的产能激增，与我国主要以中低品位磷矿为主、硫资源不足的资源特点不相适应。用微晶化纳米技术和生物技术生产生物磷肥，直接利用中低品位磷矿，不耗酸，降低选矿成本，减少施肥污染，是环境友好型的低碳农业用磷途径。我国幅员辽阔，气候土壤类型众多。过磷酸钙和磷铵等对农业增产增收虽然做出巨大贡献，但并不是适合所有土壤的最佳选择。我国南北方都有土壤酸化问题，过磷酸钙含有游离酸，会加重土壤酸化。而生物磷肥可以平抑土壤酸性，改良土壤结构。水田施用非水溶性的磷更能降低肥料损失。坡地施用生物磷肥可减少翻耕，降低水土流失风险。
多年来，我们以多学科交叉合作的方式，深入探索创新材料微晶化技术，将难选的中低品位磷矿利用与农业废弃物资源生物发酵等新技术结合，形成具有独立知识产权的原创新技术，制备能够替代水溶性化学磷肥的新一代缓释性生物磷肥，已在小麦、玉米、棉花、大豆、花生、水稻、茶树、冬枣、橡胶、蔬菜、荔枝、鸭梨等作物的试验中取得了与水溶性磷和骨粉等同的效果，并正向更多作物种类试验推广。
二、产品的技术特点
“有机农业发展的肥料瓶颈—生产环节环境负担大—优质磷矿资源短缺—水溶性磷肥流失污染水系”等一系列问题的形成是基于传统磷化肥的生产和施用体系。虽然，传统磷化肥为人类生存的粮食生产做出了不可磨灭的贡献。然而，在资源短缺、环境与健康矛盾日趋尖锐的今天，需要重新考虑如何突破传统水溶性磷肥技术瓶颈，开发高效非水溶性生物磷肥。100多年前，化学家认为作物必须通过水溶性磷化合物才能吸收磷元素；而近代植物营养学家研究却发现：植物根系对磷元素的吸收，主要是靠根部分泌的生物酸缓慢分解土壤中的含磷矿物质而进行的。
我们能否找到一种在弱酸或自然状态下，能够向土壤中补充作物所需要磷元素的技术途径呢？
针对上述问题，清华大学、山东农业大学和中国农科院等单位历经10年努力，开发了“富磷钾矿物有机无机复合肥”。本产品是采用经过高能活化的磷钾矿物为主要原料，在特效菌种的作用下与有机质共同发酵处理而得到的；其特点是长效缓释、非酸化、非水溶性，后效性显著，一季使用多季有效；该肥料的使用可以优化土壤矿物组成和结构，避免了化学肥料对农产品质量及土壤酸化等不良影响，达到增产、改善品质、绿色生态的效果。
该产品的原材料来源广泛，除磷钾矿物外，发酵过程中的有机物料可以利用各地农作物秸秆、食用菌残渣、泥碳、褐煤、风化煤、糖渣、部分发酵法制作食品类的废弃物、各种炸油废弃物、沼气残留物、禽畜粪便及屠宰废弃物及生活垃圾等，能减少环境污染、净化环境、也起到生态循环作用。
该技术的研发得到了科技部农业科技成果转化项目的支持，获得多项国家发明专利，并通过教育部组织的专家技术鉴定。鉴定委员会认为，该项目总体达到国际先进水平，中低品位磷矿微晶化活化磷元素的技术达到国际领先水平。中国农科院、山东农业大学、山东林科院、海南大学的作物科学、资源环保学、土壤肥料学等方面的专家、教授参加、主持多次的大田试验、科研论证，在山东、浙江、江苏、辽宁和海南等30多种作物上推广示范使用，都取得了令人瞩目的效果。中国化工报、中国矿业报、农资导报、农民日报、粮油市场报等各大媒体专题报道，它的普及推广将为我国发展节本增效、绿色、环保的现代农业起到极大的推动作用。
