農業新發現


全球糧食需求的新解方-新型特種肥

全球糧食需求的新解方-新型特種肥

文/鍾啟東(企劃處)

根據聯合國2017年報告,目前全球約有76億人,預估到2030年及2050年人口將分別增加到86億及98億,而伴隨著人口的增長,人均耕地面積減少。現今,唯有增加單位作物產量,加上推動使用新技術及特種肥料,提高現有農田的生產效率,始能滿足全球不斷成長的人口糧食需求。

據中國國內一般施肥經驗,氮肥利用率僅有20%~35%,磷肥為10%~20%,鉀肥為30%~60%。肥料利用率低,不僅造成資源的巨大浪費,還對人類生存環境造成嚴重污染。

其中,特種肥(Specialty Fertilizer)則是將傳統化學肥料經物理或化學工藝,將肥料中的氮、磷、鉀等營養成分包覆後,與土壤中水分結合。從固態變成液態的過程,肥料釋放的速率與作物吸收養分的規律相吻合,在作物生長過程需要養分較多時,肥料就釋放的多,需求養分少時就釋放的少,極大限度地提高肥料利用率。特種肥相較普通肥料的科技程度高,也具有智慧型控釋的作用,因此也叫做智慧型肥料(Smart Fertilizer)。

使用特種肥料並通過其逐漸釋放養分機制,幫助農作物提升攝取營養素效率,並將氮等營養成分使用量減少15-20%,促使作物產量提高10-15%,它們正被國外越來越多農地試驗採用中。

何謂特種肥料

特種肥目前最主要產品為緩釋肥及控釋肥,據美國植物食品管理官員協會(AAPFCO)對緩釋或控釋肥料發布的一般定義(官方出版物No.57),一種含有植物營養素的肥料,藉由半透性塗層或其他化學形式,控制其遇水分解反應機構,以延遲其施用後植物吸收時間。歐洲標準化委員會(Committee   European Normalization,CEN)綜合了有關緩釋和控釋肥養分緩慢或控製釋放的釋放率,以及釋放時間的研究,提出了三項作為緩釋和控釋肥的具體標準,即在氣溫25℃的環境下:

1.肥料中的養分在24小時內的釋放率(即肥料的化學物質形態轉變為植物可利用的有效形態)不超過15%。

2.在28天之內養分釋放率不超過75%。

3.在規定時間內,養分釋放率不低於75%,以及專用控釋肥的養分釋放曲線與相應作物的養分吸收曲線相吻合。值得注意的是,在中國國內對特種肥沒有完整的官方定義,只要有別於常規肥料,普遍叫特種肥料。

特種肥料分類

控釋肥(controlled-release fertilizers, CRF)

營養素以尿素單體或N-P-K為主,以物理方式包覆高分子膜,藉由植物不同生長階段,釋出其所需營養素,其效期可達數週至數月。

緩釋肥(slow-release fertilizers, SRF)

大多數緩釋肥料是經化學反應產生的尿素衍生物,其可藉由與土壤中水解作用,緩慢轉化為游離態尿素被植物迅速吸收,其效期可達數週至數月。

硫包覆尿素(Sulfur-Coated fertilizers, SCU)

將尿素以多微孔硫磺膜包覆,一旦土壤中水分渗透塗層,可迅速釋出尿素,其效期約數週。

尿素抑制劑(Urease Inhibitors, UI)

添加一種尿素酶,可抑制尿素水解作用的物質,延長肥料營養素保留在土壤中的時間。

硝化抑制劑(Nitrification Inhibitors, NI)

添加可抑制氨態氮氧化生成為硝酸態氮的物質。

水溶肥(Water-Soluble fertilizers, WSF)

指一般固態單質肥料或混拌肥,可全部溶於水中,常用於一般施肥或滴灌(drip irrigation)系統。

特種肥料,廣義而言,是指肥料養分釋放速率緩慢,釋放期較長,可滿足作物在不同生長期所需養分。雖然緩釋肥或控釋肥有許多優點,但並不意味著適用於每一個地區,部分作物還需根據當地土質情況選擇合適的產品。

市場規模日益增長

根據Mordorintelligence公司2018年特種肥市場報告,2016年全球特種肥料市場估計為149億美元,預計到2022年將達到212億的規模,預測期內的複合年增長率為6.29%。其中,緩釋和控釋肥料是市場的主要部分,北美是營收最大的市場,亞太地區則是增長最快。而法國RAMS公司2018年在國際肥料協會(IFA)特種肥市場報告,估算2016年全球特種肥料需求為1,720萬噸(不含印度每年約2,300萬噸浸苦楝油農用尿素),以營養素(N-P2O5-K2O)估算約790萬噸,佔全球供應4.3%。

歷經70載的技術發展

1948年美國農業部K.G.Clart等人合成了世界上第一個緩釋縮合肥料尿素-甲醛(Urea formaldehyde)後,緩控釋肥料的研發經歷了一個多元化的發展過程。    

1960年以前主要是尿素-甲醛結合物緩釋肥料的初步研究。60年代後,緩釋肥的研發取得了巨大進展,研究主要集中在尿素-甲醛縮合物的生產及其應用方面,尤其研究石蠟、松香等作為包覆膜方面的應用和危害;70年代,研究方向主要由尿素-甲醛縮合物轉移至無包覆單一化合物異丁基尿素(isobutylidene-diurea ,IBDU)縮合物緩釋肥料的研究方面;80年代是緩控釋氮肥研發突飛猛進的年代,緩控釋氮肥開始走多元化道路,其研究方向也隨之擴大,主要是針對硫、聚乙烯、磷酸鎂銨等,作為包裹肥料膜材料方面及相關包裹緩釋肥料理論模型的研究。

一直到了90年代緩釋肥日趨成熟,各方面研究不斷完善細化,也對新的領域進行探索研究,其中包括對有機高分子聚合物包裹膜分解過程的研究、吸附緩釋肥料的研究等。目前,緩控釋肥料的研究主要集中在包膜新材料的研發、新型化學合成緩釋肥料合成工藝方法的研究及新型緩控釋肥料長期套用對環境影響方面的研究等。

研究表明,施用包膜控釋尿素比普通尿素能提高土壤中全氮、硝態氮、銨態氮吸收,且包膜控釋尿素可增強土壤多酚氧化酶、磷酸酶、尿素酶活性,這些酶活性與土壤養分密切相關。而一些有機可分解包膜材料的本身特性和殘留等問題,也改善土壤的物理化學性狀,影響到土壤的孔隙度與孔隙大小的分配,可增加土壤水分的有效性改善土壤的保水、釋水性能。

將成為傳統肥料的競爭產品

當前,全球肥料總體處於供過於求狀態,也受到市場競爭和環保壓力影響,肥料產品更需不斷創新。控釋肥和緩釋肥是傳統肥料的有效替代品,因為它們具有環保、節約資源和節省勞動力的特性。然而,由於它們相對於傳統肥料的高價格,在北美仍主要使用於觀賞植物、園藝和草皮。但隨著生產規模越來越大,成本將繼續下降,使其對玉米,小麥和馬鈴薯等作物更具吸引力。

然而,新型特種肥料完全符合「高效環保,低碳節能」現代發展需求,值得開發研究發展,將有助於公司未來營收及獲利穩定成長。

 



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