近日，中国农业大学张福锁院士团队在《土壤学报》期刊上发表题为“绿色智能肥料：矿产资源养分全量利用的创新思路与产业化途径”的综述文章。

导读

肥料是工农业绿色发展的纽带，是支撑绿色转型发展的重要物质。新时期我国工业和农业绿色发展均面临着生产环境代价大、资源利用效率低等重大挑战，尤其是肥料生产过程中产生了大量的养分资源无法实现高效利用。为更好解决工农业发展所面临的关键问题，文章提出了矿产资源养分全量利用思路与产业化途径，着重介绍了矿产资源养分全量利用的基本概念与内涵、利用策略和产业化途径，以期为工农交叉融合创新的绿色智能肥料产业发展提供解决方案，促进科技创新解决产业关键问题，为创新绿色智能肥料与推动化肥产业绿色转型升级提供战略支撑。

主要内容

绿色智能肥料新理念强调绿色化和智能化，矿产资源的养分全量利用、强调低排绿色生产是其主要特征，废弃的矿产资源中的钙镁硅等按照作物的需求聚合在新型肥料中，形成具有针对性的高效利用途径。矿产资源的养分全量利用打破了原有传统的湿法磷酸工艺流程，创造性从矿产资源源头实现匹配农业需求的新型矿质养分聚合提取工艺，形成生产绿色智能肥料的新路径。矿产资源的养分全量利用突出了多学科交叉创新、工农融合全产业链绿色发展的解决方案，是促进资源高效可持续利用和工农全链条绿色发展的重大战略需求，也是土壤学、植物营养学、化工、农学、可持续发展等多学科交叉、联合攻关的重大命题，对于推动我国化肥产业绿色转型升级，支撑农业绿色发展具有重大的理论和实践意义。

文章基于绿色智能肥料的创新理念，就磷矿养分资源最大化利用，提出了矿产资源养分全量利用的基本概念与内涵（图1）、利用策略和产业化途径（图2），并提出了未来应该重点发展的方向，以期为工农交叉融合创新的绿色智能肥料产业发展提供解决方案的思考与讨论，促进科技创新解决产业关键问题，为推动化肥产业绿色转型升级提供战略支撑。

矿产资源养分全量利用的概念与内涵

强调工业端供应价值与农业端需求价值在目标上保持一致性匹配，即矿产资源可供应养分与农业生产所需求养分匹配，实现对矿产资源养分的均衡利用。

强调工业端养分资源生产过程与农业需求在全过程上的匹配性，即从资源开采到农业应用需求的全程匹配管理，全程高效利用，对每一个环节所产副产资源或废弃物的高效利用。

强调工业端生产过程的绿色属性，即全链条生产环节对养分资源的高效利用、低碳排放、低废弃物或副产物产生，提高资源利用效率，保护生态环境，实现绿色发展。

强调工业端与农业端的养分资源互补，即矿产资源中的中微量元素养分与氮磷钾养分间的互补，强化传统氮磷钾肥料的增产增效作用，利用中微量和有益元素养分提高资源利用效率，智能匹配农业生产养分资源需求短板，实现养分协同互补增效。

强调工业端副产资源在农业端的循环利用，即矿产资源工业利用中副产物或伴生资源中养分资源的农业应用。

图1 矿产资源养分全量利用的五大内涵

Fig. 1 Five major connotations of full use of mineral nutrient resources

矿产资源全量利用的策略

从矿产资源直接生产肥料，养分资源全量利用是绿色智能肥料生产技术与工艺创新的核心，免去了中间制造与加工环节，同时能够有效减少或避免产生副产物或废弃物，是绿色智能肥料创制的难点，需要设计匹配的农业生产应用场景及养分资源需求、摸清资源特性及其养分活化技术、反应参数与工艺条件、改进现有工艺装备等，通过技术创新突破卡点。

即通过均衡性、互补性和再用性原则，将各环节的养分资源充分利用起来，生产高品质绿色智能肥料，实现全量利用（图2）；需要依据农业生产中土壤-作物-气候系统特点，针对性地设计养分资源需求，并与工业生产过程各环节产生的养分资源互补匹配利用，强调在针对特定应用场景下的绿色智能肥料中充分利用这些养分资源，有效增强对现有工艺环节产生的副产物/废弃物的循环利用，消耗现有堆存或产生的养分资源。

即养分资源的中间品制造，再与目标应用场景所需的其他肥料原料进行加工制造形成绿色智能肥料（图2）。农业生产应用场景有着多样化需求，而工业生产并不能直接满足这些所有需求，或者工业生产技术无法实现在现有工业装置下实现一步合成，通过中间品制造作为绿色智能肥料创新的重要一环，能够实现对矿产养分资源有目标性的活化与利用，满足养分资源智能匹配需求，有效解决资源不能直接利用或利用难度大等关键问题。

即将矿产中伴生养分资源作为肥料的伴侣掺混使用，满足低成本、低生产工艺技术需求（图2）。在现有工艺技术下，存在着磷与部分中微量元素之间的化学沉淀反应、部分原料间共存时物理性状变差等问题，限制了伴生养分资源添入肥料中的可能性，或无法满足与土壤-作物-气候系统的匹配性要求，作为伴侣型产品可与主要氮磷钾肥料产品掺混施用，有效避免或减少生产环节存在的难点，实现养分按需设计、按需供应，同时降低生产成本与技术要求。

图2 矿产资源养分全量利用的策略

Fig. 2 Strategies for full use of mineral nutrient resources

矿产资源全量利用产业化途径

绿色智能肥料创新的核心思想之一是能够通过先进的制造工艺或技术，有效简化生产过程，无需中间品的生产与再利用，实现对肥料生产过程所需的矿产资源养分的一步法直接合成肥料产品，即改变传统复合肥生产过程中原矿—精矿—磷酸—磷铵—复合肥（成品肥）的长链条生产工艺，直接突破创新原矿—复合肥（成品肥）的一步法工艺，生产过程不产生尾矿、磷石膏、渣酸等大量的副产物，降低生产过程的碳排放，有效提升矿产资源养分综合利用效率，将珍贵的养分资源直接合成到肥料中，为农业生产提供物资保障。我国长期大量施用氮磷钾肥料，同时受生产水平的不断提升，农业生产中中微量元素缺乏和养分失衡问题凸显，已成为影响肥效的重要短板，也是肥料产品研发的重点攻关方向，而中低品位磷矿中含有大量的钙镁等养分资源，是非常好的养分来源。

受工业生产技术因素的约束和农业生产中土壤-作物系统对养分匹配性的需求，矿产资源并不能在所有应用场景下实现一步法全量利用，需要通过中间品生产途径来实现全量利用，即根据区域农业应用场景下的土壤-作物养分资源需求，设计将磷矿中的养分资源与农业需求充分匹配，针对性活化利用矿产资源形成中间品，并与其他养分资源结合，实现工业化生产与农业高效应用。

从资源到肥料的生产与加工过程中，产生了大量的副产物。以磷肥为例，磷酸是生产磷肥及磷化工产品的重要基础原料，尤其随着新材料、新能源、新技术的发展，“精细化、高端化、高值化”已成为国内外磷化工发展的重要方向，精细磷化工产品的生产需消耗高品位磷酸，也就意味着向农用化肥生产领域供给的高品位磷酸和磷肥量将大大减少。鉴于我国主要为中低品位磷矿，在生产中高品位磷酸和精细磷化工产品的同时产生了大量的渣酸、萃余酸等副产资源。如何高效利用渣酸、萃余酸等资源创新升级新型增效磷肥产品，是满足磷化工行业转型和绿色可持续发展的迫切需求，对满足未来农业对磷肥需求和农业绿色发展也有重要战略意义。

在矿产资源加工中一般仅取用部分目标养分元素用于肥料生产，如磷矿石除富集磷资源外，一般还含有钙、镁、铁等元素中，但磷肥生产中仅磷素被用于生产肥料，其他元素多作为副产物处置，且由于生产工艺的差异，可利用元素存在于不同的副产物中。这意味着不同的副产物资源可以通过匹配掺混的方法作为可利用资源用于肥料添加，甚至是制备中微量元素肥、土壤调理剂等有效产品。在磷肥生产中，为获取高浓度、高纯度的磷酸，钙、镁等元素在磷矿浮选过程中存在于磷尾矿中，每年磷肥生产所产生的磷尾矿资源约1000万吨，具有重要的产品开发利用价值。据分析，擦洗尾矿中CaO含量可达到36%以上；而浮选尾矿中CaO、MgO含量分别在32%、16%左右。尾矿中钙镁多以碳酸盐态存在，通过与渣酸、硫酸等方法中和或部分活化等工艺，可以提高磷尾矿中有效钙镁含量达50%以上，制备钙镁等中微量元素肥，在南方地区具有重要的应用前景。此外，以磷尾矿制备的酸性土壤调理剂，可以明显提高强酸性土壤的pH及有效钙、镁含量，有效弥补石灰质土壤调理剂高钙、低镁的产品特点，还可有效解决南方酸性土壤缺镁以及长期施用石灰土壤钙、镁失衡诱发作物缺镁的问题。此外，在磷肥中添加锌、钙或镁肥，往往会因磷酸根离子与镁、锌等阳离子反应生成难（枸）溶性磷酸盐或磷酸铵盐等物质，导致部分水溶性磷、锌养分退化，降低其有效性，进而影响其农学效果。而将磷肥与含钙、镁或锌等的尾矿、黄磷渣等副产物掺混或做成掺混肥（BB肥）或伴侣型套餐肥，可以形成有效的空间隔离，补充钙、镁、硅等元素，精准匹配不同地区及作物对养分的全量需求和差异性需求。整体而言，掺混法是有效利用矿产资源废弃物，同时降低化肥加工中养分退化率，提高养分全量利用效率，开发绿色智能肥料产品的最简便途径之一，可能也是短期内矿产资源养分全量利用的最重要突破路径之一。 

展望

矿产资源全量利用研发重点与未来发展趋势应涉及以下几个方面：

矿产养分资源全量利用需要基于资源特性、利用效率、生产技术复杂程度、生产成本等多方面因素来考虑资源的潜在应用价值与经济效益，尤其是在绿色发展过程的工业生产技术应用成本、碳交易价值、资源生态效益、农业生产应用效益等，需要大力推动高生态价值兼低成本工业生产技术的产业化规模实现，既而实现对资源的高价值评估与高经济性应用。