液体聚磷酸铵在农业上的应用研究进展

李文娟，曹明慧，杜鹏祥，吴会生

（中化现代农业有限公司，北京 100031）

近年来，聚磷酸铵（Ammonium polyphosphate，APP）作为一种含氮、磷的新型化学肥料，越来越受到我国化肥领域的关注。因其具有有效性高、兼容性强、螯合功能好等优势，可以用来制造液体肥料，提高磷肥利用效率，节约人工成本［1-2］。农业聚磷酸铵作为基础原料生产水溶肥，在欧美发达国家已十分普遍［3］，据统计，2016 年约2400 万吨聚磷酸铵用于农业生产，其中，美国、加拿大、俄罗斯、墨西哥的使用量分别占到全球总使用量的83%、8%、4%、4%，中国的需求量很少［4-5］。可见，聚磷酸铵是美国磷肥的主要来源之一［6］，在美国29%的磷肥来源于液体磷肥，聚磷酸铵占比最高，达17%；常规磷肥如磷酸一铵和磷酸二铵约占10%；磷酸约占2%；其它一些原料约占8%［7］。但是，目前在我国聚磷酸铵在农业上的应用刚刚起步，但随着当前我国农业生产的集约化、规模化发展趋势，以及滴灌、喷灌等节水设施农业面积的迅速扩大，研究液体聚磷酸铵在农业生产上的应用，以及研发与其高效使用相配套的水肥一体化施肥体系在我国具有巨大的应用前景。

1 聚磷酸铵简介

聚磷酸铵，是磷分子间通过共价缩合（P-P）而成的直链或支链型结构聚合物［8］，又叫作多聚磷酸铵、缩聚磷酸铵，是一种含氮、磷的聚磷酸盐。按聚合度从大到小划分，聚磷酸铵可分为高聚聚磷酸铵、中聚聚磷酸铵和低聚聚磷酸铵三种类型，其水溶性随着聚合度升高而降低。分子通式为（NH4）n+2PnO3n+1，当n为10-20 时，表现为水溶性；当n＞20 时，则难溶于水［9］。高聚聚磷酸铵是一种同时含有氮、磷两种元素的无机阻燃剂。低聚聚磷酸铵多用于农业生产，它是一种同时含有高浓度氮、磷元素的化学肥料，可以同时满足农作物对这两大必须营养元素的需求，其中的铵态氮，可被土壤胶体所吸附，不易淋失，可为作物提供更为长效的氮素来源；其中的磷源，完全水溶，可以直接被作物所吸收；氮磷还有协同吸收效应，从而提高养分利用率。此外，液体聚磷酸铵酸碱性居中，适用于各种类型的土壤，且具有螯合中微量元素的特性，施用至土壤后，可以提高土壤中微量元素的活性，提高作物对其的吸收利用率，从而起到增产提质的作用。液体聚磷酸铵，一般由正磷酸盐、焦磷酸盐和一部分三聚与四聚磷酸盐组成。液体聚磷酸铵中的正三聚磷酸盐与正磷酸盐的含量要高于固体颗粒产品。大量研究和实际肥效试验表明，液体聚磷酸铵中的聚合度分布范围越宽，作物对磷的吸收利用率越高［10］。目前，国外常用液体聚磷酸铵配比有：8-24-0、10-34-0、11-37-0、11-44-0、8-28-0 等［11-13］。

2 液体聚磷酸铵生产方式

早在20 世纪60 年代，液体聚磷酸铵开始被应用于农业生产当中。根据文献记载，美国田纳西河谷流域管理局（TVA）在20 世纪六七十年代通过热法生产工艺就生产出了聚磷酸铵液体［14～16］。我国对液体聚磷酸铵的研究最早开始于1997 年，四川大学鲁厚芳团队［17］首次公开发表论文，介绍了制备液体聚磷酸铵的工艺，他们以磷酸一铵为原料在实验室条件下成功制备了液体聚磷酸铵。但之后，我国液体聚磷酸铵产业并没有像国外一样迅速发展，直至21 世纪，我国液体聚磷酸铵的生产技术及工艺研发进入快速发展期。

目前，常用的生产液体聚磷酸铵的工艺有2种，分别是磷酸氨化法与磷铵尿素法。磷酸氨化法主要以磷酸或者过磷酸为磷源，与尿素、氨等氮源发生聚合反应而生产液体聚磷酸铵［18-19］。目前，我国广西越洋等企业就是将国外TVA 流程转移到国内，采用这种方法生产液体聚磷酸铵，产出的产品主要为11-37-0（液体）。而磷铵尿素法主要是通过磷酸一铵或者二铵与尿素等通过热缩合反应制备液体聚磷酸铵。

3 我国聚磷酸铵生产现状

我国聚磷酸铵制造工艺成熟，出口量大，但总体呈现产业大而不强，企业小而散的特征。而发达国家依靠“品牌+渠道”的成熟商业模式占据了聚磷酸铵产业链的高附加值环节。欧美聚磷酸铵市场趋向平稳，而国内市场空间还十分巨大。与聚磷酸铵在阻燃剂上的应用相比，聚磷酸铵在我国农业生产方面的应用仍处于起步阶段（表1），产品分固体和液体2 类，其中液体聚磷酸铵的产品规格均为11-37-0，产品多样性远不及美国。采用化工标准HG-肥料级聚磷酸铵检测方法，对不同规格的聚磷酸铵产品进行检测，结果如表2 所示。农用聚磷酸铵产品中，三聚磷酸盐占比均较少，以正磷酸盐和二聚磷酸盐为主，聚合度2.25～4.09，平均为2.64；聚合率56.74%～98.81%，平均为72.7%。

表1 我国主要农用聚磷酸铵生产企业Table1 Main enterprises of agricultural ammonium polyphosphate production in China

表2 不同规格聚磷酸铵产品分析Table2 Analysis of different ammonium polyphosphate products

4 液体聚磷酸铵在农业上的应用

4.1 聚磷酸铵在土壤中的有效性

使用聚磷酸铵要因地制宜，在不同类型的土壤上，其有效性不同。聚磷酸铵水解后的产物正磷酸盐可以被植物直接吸收［20-21］。Sutton 等［22］通过测定聚磷酸铵在不同类型土壤的水解速率发现，焦磷酸盐在土壤中水解为正磷酸盐所需的时间因土壤类型不同而不同，需要的时间在4～100 d之间，且水解速率与土壤生物活性呈正相关关系。聚磷酸铵在不同土壤类型中的固磷量大小依次为：黑土＜灰漠土＜棕壤＜栗钙土＜棕钙土＜白浆土［23］。在石灰性土壤中，高艳菊等［24］研究表明，施用聚磷酸铵与施用磷酸一铵相比，可显著增加土壤中Resin-P 与NaHCO3-P 的活性，减少NaOH-P、HCl-P 与Residue-P 中 低 活 性 磷 的 含量，且施用聚合度和聚合率越高的聚磷酸铵肥料，土壤中高活性磷（Resin-P，NaHCO3-P）的含量越高，说明聚磷酸磷肥可显著降低土壤对磷的固定作用。且施用聚磷酸铵后的土壤，有效态铁、锰、锌的含量显著增加［25］。吉冰洁等［26］研究指出，在石灰性土壤上玉米种植期间，施不同磷肥品种土壤有效磷平均含量大小为：磷酸二铵＞磷酸脲＞聚磷酸铵＞磷酸一铵＞过磷酸钙+硫酸铵＞过磷酸钙＞钙镁磷肥。杨依彬等［27］则认为，在石灰性土壤上，将磷酸盐分布较均匀的以高聚磷酸铵与磷酸一铵配合施用后，发现土壤对磷的吸附作用显著降低，土壤中磷的有效性显著提高。在砖红壤上，施用低聚聚磷酸铵也可减少土壤对磷的固定作物，提高磷的有效性，但在玉米苗期，磷酸一铵在对于长势和养分吸收的作用优于聚磷酸铵［28］。

此外，磷在土壤中的移动性与有效性直接相关。众所同知，通常磷在土壤中移动距离仅有1～2 mm，且速度很慢，移动能力很低。而植物根系只有与土壤中的养分直接接触后，才能被植物吸收。因此，增加磷的移动距离，可有效提高作物对磷的吸收能力。而聚磷酸铵在土壤中的移动性就显著高于常规磷肥，Lauer［29］的研究发现，聚磷酸铵从土壤表面向下移动距离约为5 cm；在砂土中它的移动距离最远，可达6.2 cm。更有研究发现，施于土表的聚磷酸铵液体肥料，向下的移动距离可达15 cm［30］。聚磷酸铵的聚合度也与其对植物的效性密切相关［21］，以聚合度组成分布均匀的聚磷酸铵效果最佳［31］。

由于正磷酸盐易于与中微量元素发生沉淀反应，因此在应用一般水溶性磷肥产品进行肥料生产时，需将其与中微量元素分别溶解施用。而聚磷酸铵对中微量元素具有螯合作用，可以防止中微量元素形成沉淀。研究表明，在以聚磷酸铵为磷源的水溶肥中，添加2%和4%Ca2+后，其水不溶物含量为0.14%～1.14%，符合《大量元水溶肥料》NY1107-2010 国家标准。但如果以KH2PO3磷源，水不溶物均大于5%的限定值［32］。聚磷酸铵还可以与微量元素螯合，马娟等［33］研究表明，聚磷酸铵螯合Cu2+、Fe3+的量为0.2 g·g-1。

4.2 液体聚磷酸铵的应用方式

4.2.1 启动肥

土壤对磷肥的固定作用一般发生在施用后10天以内。采用种肥同播的方式将磷肥在播种时施入土壤，是有效减轻磷固定的有效措施；同时，根据不同的土壤类型，选择不同的磷肥品种可保持土壤中较高的有效磷浓度，以充分满足磷素营养临界期幼苗的健康生长［34］。磷肥作为启动肥或种肥广泛运用于农业生产中［35-37］。

但是，大多选用固体磷酸二铵为启动肥的主要原料，在国内几乎没有采用液体聚磷酸铵作为启动肥的实践。液体种肥同播技术在国外已广泛应用于农业生产中，以提高磷肥利用率，但液体聚磷酸铵对作物的肥效与配施产品、施肥位置和施肥量均与其有效性密切相关。陈小娟等指出［31］，中高聚聚磷酸铵与磷酸一铵配施后肥效可显著提高。在采用液体聚磷酸铵作为玉米启动肥时，每粒种子施用1 g 聚磷酸铵（11-37-0）最为适宜，且施用于种子侧下方4 cm 处时，可明显促进玉米的吸磷量［38］。杨依彬等［39］在大豆上的研究指出，与施用磷酸一铵的处理对比，聚磷酸铵处理可明显促进大豆对各种的吸收和累积。采用2 g 聚磷酸铵（11-37-0）种肥同播时，大豆地上部干重是对照的3.5 倍多。中化MAP 服务中心，于2019 年开始在马铃薯上采用马铃薯液体种肥同播技术，3 年来的研究表明，液体聚磷酸铵的施用位置在种薯侧下方5～8 cm 时，能显著促进根系的生长发育及对磷素的吸收（数据未发表）。

4.2.2 液体根部追肥与叶面肥

液体肥可以作为追肥和叶面肥的原料选择。与目前使用较为普遍的固体水溶肥相比，液体肥料具有更均一的特点，它不会产生因固体肥料溶解不均匀而带来的某个地点施肥过多的现象，且液体肥料肥效更高，更容易被植物吸收。液体聚磷酸铵就是一款优质的液体磷肥，亢龙飞等［40］研究表明，与其它水溶性磷肥相比，不论聚磷酸铵是以一次性施用还是分次施用，其移动性均表现最佳，且分次滴施的效果显著优于一次性施用。张皓禹等［41］研究指出，液体聚磷酸铵与磷酸一铵和磷酸脲相比，土壤对磷固定量最低，移动性较好，在20～30 cm 土深的含磷量最高，玉米干物质积累量和产量明显提高。

当肥料用于叶面喷施时，叶面肥原料的选择要充分考虑其盐分指数，且稀释倍数越小越好，聚磷酸铵的盐分指数只有20，而农民常用的磷酸二铵为29，显然，聚磷酸铵更加适合作为叶面肥的磷源。加之，聚磷酸铵对微量元素的螯合作用，使其越来越多运用于叶面肥的生产当中。王连祥等［42］研究表明，喷施以聚磷酸铵为主要磷源的水溶肥料（180-200-120+B 和Zn）后，西瓜藤蔓生长明显得到促进，西瓜叶片变大，光合面积增加，从而西瓜中心糖度显著提升，与对照相比产量增加了10.26%。叶喷聚磷酸铵液体肥料还能改善水稻群体表现，植株健壮程度、分蘖能力及受光态势均显著提升，增产7.01%。岳焕芳等［43］将聚磷酸铵运用于番茄的种植，番茄叶绿素含量增加，光合作用加强，番茄生长加速，产量提高了12.64%。陶金铭等［44］提出，在玉米生产中，当使用液体聚磷酸铵为磷源时，其用量为75～90 kg·hm-2时最为合理，采用这种方式，磷肥减施率可达15%～20%。

4.2.3 液体聚磷酸铵应用注意事项

磷酸铵在储存、运输、生产、应用时需要考虑到温度和pH 对其有效性的影响［7，48-49］。一般生产情况下，环境pH 越低，聚磷酸铵水解越快。因此，在国外聚磷酸铵多被生产为弱酸性，将pH 值控制在6.8 左右。在我国液体聚磷酸铵产品的pH 值一般在8～9 之间，以保证产品在运输储存过程中的质量稳定性［50］。此外，温度对其水解性的影响也不可忽视，在15 ℃以下，水解非常慢；15～30 ℃，有轻微水解；大于30 ℃，水解加快。

5 展望

我国是全球最大的磷矿石生产国，发展聚磷酸铵产业上游原料资源丰富。近年来，受国际环境及疫情影响，磷矿价格不断攀升，在我国传统磷肥行业正在面临巨大的挑战。而液体聚磷酸铵以其在农业生产中高效及多功能的特点，必将成为炙手可热的增效型肥料新产品［18］。随着在农业领域，液体聚磷酸铵的需求越来越大，开发优质低价且满足市场需求的液体磷肥产品越来越迫切。

5.1 高效低成本工艺生产技术研发

加强聚磷酸铵生产工艺的技术创新，加快磷肥企业生产工艺的转型升级，以提高液体聚磷酸铵产品稳定性及持续供应能力。同时，加快推进供给侧结构性改革，积极与农业应用端开展产能合作，建立农用液体磷酸铵生产及加工标准，降低成本，有效提高农业领域应用的质量和效益。

5.2 打通从生产企业至田间地头的运输环节

合理布局聚磷酸铵生产企业，在全国重点农产品生产区域，统筹规划建设聚磷酸铵贮存库和以聚磷酸铵为原料的液体肥生产厂。根据区域农业生产特点，合理布局分销网络，在以小农种植为主的地区，鼓励经销商建立小型储库，以液体加肥站的形式开展业务；在农业规模化集约化发展较好的地区，建设专业化农业服务公司或组织，解决液体肥在运输、贮藏和存放时对特定设备的需求问题，如中化现化农业位于内蒙古的MAP 服务中心，拥有1000 m3的液体肥运输和储存功能，可以为周边种植户提供液体肥的配送服务。

表3 聚磷酸铵在不同作物上应用汇总Table 3 Summary of application of ammonium polyphosphate in different crops

5.3 建立科学施肥技术服务体系

以产品复合化、使用简单化为根本原则，一方面，通过生物类技术研究增强液体聚磷酸铵的功能性及对作物的有效性，包括其在不同土壤中的转化特性、作为原料肥的增产效果，以及与农药、菌肥、功能助剂的配合效果等；另一方面，通过工程业技术的研究，开发与该类产品施用相配套农业机械，建立全方位、多层次的精准施用体系。同时，借鉴发达国家在液体聚磷酸铵应用中技术和经验，开发适用于不同作物生产的综合解决方案。