氨法脫硫副產(chǎn)品硫酸銨的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景

艾玉春， 張永春， 寧運(yùn)旺

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部江蘇耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，江蘇南京 210014)

我國(guó)是世界上最大的燃煤消費(fèi)國(guó)，煤炭消耗量占全球總量的48.2%[1]。二氧化硫是燃煤煙氣的主要污染成分，對(duì)工業(yè)制品、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康都可產(chǎn)生危害[2]。中國(guó)曾是世界上最大的二氧化硫排放國(guó)，2006年排放量達(dá)到2 588萬(wàn)t，此后逐年下降，至2016年排放量仍超過(guò)1 800萬(wàn)t，居世界高位。隨著我國(guó)社會(huì)主要矛盾的轉(zhuǎn)變和人們對(duì)美好生活追求的需求越來(lái)越高，大幅消減二氧化硫排放量、改善環(huán)境質(zhì)量、燃煤企業(yè)安裝脫硫裝置是必然趨勢(shì)。

目前，約80%的火電廠都采用鈣法煙氣脫硫，但該法產(chǎn)生大量副產(chǎn)品脫硫石膏。由于成分復(fù)雜，重金屬含量等難以控制，大多采用堆存處理，而這個(gè)處理會(huì)產(chǎn)生二次污染，嚴(yán)重影響了該脫硫技術(shù)的生態(tài)效益[3]。氨法煙氣脫硫是一種利用氨或氨水作為脫硫劑，副產(chǎn)品為硫酸銨的脫硫技術(shù)，最早開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)70年代，90年代逐漸得到應(yīng)用。氨法脫硫工藝具有脫硫效率高、無(wú)二次污染、無(wú)廢水排放、脫硫副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著氨逃逸控制、氣溶膠控制、亞硫酸銨氧化、硫酸銨結(jié)晶等問(wèn)題的解決，已逐漸成為一項(xiàng)較為成熟的脫硫技術(shù)[4]。與鈣法脫硫技術(shù)相比，氨法脫硫除具備運(yùn)行成本低、脫硫效率高、無(wú)二次污染(無(wú)廢水和二氧化碳排放)等優(yōu)點(diǎn)外，其最大優(yōu)勢(shì)還在于副產(chǎn)品硫酸銨，由于含有作物生長(zhǎng)的必需元素氮和硫，理論上可直接用于農(nóng)林業(yè)或作為生產(chǎn)復(fù)合肥的原料。但是，作為一種特殊技術(shù)背景下的硫酸銨，其有效成分是否符合肥料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、是否會(huì)產(chǎn)生二次污染、在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景有待進(jìn)一步研究。本研究通過(guò)對(duì)氨法脫硫副產(chǎn)品硫酸銨進(jìn)行成分分析，并根據(jù)硫酸銨本身的性質(zhì)特點(diǎn)，綜合前人研究報(bào)道，嘗試對(duì)氨法脫硫副產(chǎn)品硫酸銨在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行分析，以期為相關(guān)行業(yè)提供參考。

1 硫酸銨肥料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的GB/T 535—1995《硫酸銨》中針對(duì)肥料級(jí)硫酸銨主要規(guī)定了外觀、氮含量、水分含量、游離酸含量，而對(duì)鐵、砷、重金屬、水不溶物含量未作規(guī)定，適用于由合成氨與硫酸中和所制得的硫酸銨、煉焦所制得的副產(chǎn)硫酸銨，但不適用于火電廠脫硫法或其他煙氣脫硫法生產(chǎn)的副產(chǎn)硫酸銨產(chǎn)品(表1)。

表1 GB/T 535—1995《硫酸銨》內(nèi)容

注：硫酸銨做農(nóng)業(yè)用途時(shí)可不檢驗(yàn)鐵、砷、重金屬、水不溶物含量等指標(biāo)。

為解決煙氣脫硫生產(chǎn)硫酸銨無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可用的尷尬，中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)于2017年發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CPCIF 0006—2017《氨法脫硫副產(chǎn)硫酸銨》。團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)適用于火電廠脫硫法或其他煙氣脫硫法生產(chǎn)的副產(chǎn)硫酸銨產(chǎn)品，該標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)接近，并對(duì)鎘、汞、砷、鉛、鉻等重金屬含量作了規(guī)定(表2)。從標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、內(nèi)容和規(guī)定指標(biāo)值來(lái)看，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)既是對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，同時(shí)對(duì)硫酸銨產(chǎn)品質(zhì)量也提出了更高的要求。在我國(guó)社會(huì)主要矛盾已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)化，人們對(duì)美好生活的需求越來(lái)越高的今天，T/CPCIF 0006—2017《氨法脫硫副產(chǎn)硫酸銨》無(wú)疑更適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。

2 氨法脫硫硫酸銨的農(nóng)業(yè)適宜性

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物因肥料產(chǎn)生的危害(簡(jiǎn)稱(chēng)肥害)常表現(xiàn)為燒苗、萎蔫、死亡以及營(yíng)養(yǎng)失衡等，常與土壤水分含量、肥料種類(lèi)、施肥量、施肥方式以及作物生長(zhǎng)特性有關(guān)， 小面積肥害一般與施肥不當(dāng)有關(guān)，而大面積肥害常與肥料中有害物質(zhì)超出作物忍受能力有關(guān)。

表2 T/CPCIF 0006—2017《氨法脫硫副產(chǎn)硫酸銨》

肥料中有害物質(zhì)主要包括氯離子、縮二脲、游離酸、重金屬等，就硫酸銨而言，其可能的有害物質(zhì)主要是游離酸和重金屬。不同來(lái)源氨法脫硫副產(chǎn)品硫酸銨的分析結(jié)果(表3)顯示，外觀、氮含量、水分含量均符合硫酸銨相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有害物質(zhì)游離酸、重金屬(汞、鎘、鉛、砷、鉻、鎳)和縮二脲含量也遠(yuǎn)低于國(guó)家現(xiàn)行肥料標(biāo)準(zhǔn)和硫酸銨團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。表明氨法脫硫硫酸銨符合我國(guó)現(xiàn)行肥料標(biāo)準(zhǔn)要求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的適宜性。

表3 氨法脫硫硫酸銨成分分析

注：本次檢測(cè)分析選取A、B、C這3個(gè)項(xiàng)目的產(chǎn)品取樣，分別在運(yùn)行的不同時(shí)間段取樣得到樣品3個(gè)，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，表中數(shù)據(jù)為3次檢測(cè)結(jié)果的平均值；表中1～10號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目參照T/CPCIF 0006—2017《氨法脫硫副產(chǎn)硫酸銨》，11號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目參照GB/T 23942—2009《化學(xué)試劑 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法通則》，12號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目參照GB/T 22924—2008《復(fù)混肥料(復(fù)合肥料)中縮二脲含量的測(cè)定》；Hg、Cd、Pb、As、Cr、Ni的檢出限量標(biāo)準(zhǔn)分別為0.000 001%、0.000 01%、0.000 05%、0.000 1%、0.000 000 9%、0.000 05%。

3 硫酸銨作為氮肥使用的特點(diǎn)

3.1 硫酸銨是一種環(huán)保產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)

我國(guó)農(nóng)業(yè)中的主要氮肥品種是尿素，尿素是一種典型的高耗能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)物，生產(chǎn)所需原料均嚴(yán)重依賴(lài)化石能源，其中約60%、25%、15%分別來(lái)自于煤炭、天然氣、石油。煤基尿素的耗煤系數(shù)和耗電系數(shù)分達(dá)1.55 t/t、1 030 kW·h/t，氣基尿素的耗氣系數(shù)和耗電系數(shù)分別達(dá)1 000 m3/t和 900 kW·h/t，油基尿素的耗油系數(shù)和耗電系數(shù)分別達(dá)0.8 t/t和 600 kW·h/t[5]。相比較而言，氨法脫硫得到的硫酸銨是一種以清潔燃煤煙氣為主導(dǎo)技術(shù)的環(huán)保產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物，其生產(chǎn)過(guò)程無(wú)化石能源投入，無(wú)三廢排放，是一種變廢為寶、化害為利的綠色環(huán)保產(chǎn)物。

3.2 硫酸銨是一種多元速效肥料，其價(jià)值被嚴(yán)重低估

尿素是目前含氮量最高的氮肥(含氮46.2%)，施入土壤后，須經(jīng)過(guò)脲酶水解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮后才能被作物吸收利用，一般需要3～5 d。而硫酸銨除含氮外，還含作物生長(zhǎng)所必須的養(yǎng)分——硫，其中純品硫酸銨[(NH4)2SO4]含硫24.2%。硫在作物生長(zhǎng)發(fā)育及代謝過(guò)程中具有重要的生理功能，如硫是植物體內(nèi)含硫蛋白質(zhì)的重要組成分，并參與某些生物活性物質(zhì)如硫胺素、輔酶A、乙酰輔酶A等的組成，硫還能促進(jìn)豆科植物形成根瘤和增加固氮能力，缺硫條件下植物的正常生長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)重受阻，甚至枯萎、死亡，因此，硫又被稱(chēng)為是繼氮、磷、鉀之后第4位植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素。另外，硫酸銨施入土壤后可立即解離為NH4+和SO42-，均是作物可吸收利用的速效態(tài)。

值得注意的是，我國(guó)市場(chǎng)上硫酸銨的價(jià)格可能被嚴(yán)重低估。在美國(guó)，正是由于硫酸銨含氮和硫2種養(yǎng)分元素，硫酸銨的實(shí)物價(jià)格一直與尿素相當(dāng)；如果不考慮硫，單以氮計(jì)算，硫酸銨中氮元素價(jià)格是尿素中氮元素價(jià)格的2倍以上。而在我國(guó)，以純氮計(jì)算，市場(chǎng)上尿素單價(jià)約為2 100元/t，折合成純氮價(jià)格為4.5元/kg，硫酸銨的單價(jià)約為600元/t，折合成純氮價(jià)格為2.8元/kg，硫酸銨中氮元素價(jià)格反而只有尿素中氮元素價(jià)格的一半左右。以我國(guó)市場(chǎng)上相同組分的復(fù)合肥來(lái)計(jì)算硫酸鉀中硫的價(jià)值，2017年至今山東地區(qū)45%氯基復(fù)合肥價(jià)格2 015.3元/t，45%硫基復(fù)合肥價(jià)格2 238.2元/t，相當(dāng)于純硫的價(jià)格為3.49元/kg[=(2 238.2-2 015.3)÷(0.15×32÷94÷0.8)÷1 000，其中0.8為硫酸鉀中的硫所占比例的經(jīng)驗(yàn)值]，即硫酸銨中硫的價(jià)值約838元/t。我國(guó)硫酸銨價(jià)值嚴(yán)重低估，合理價(jià)格應(yīng)為1 500～1 650元/t。

3.3 使用硫酸銨可以減少氮肥損失，提高氮肥利用率

化肥是糧食的“糧食”，但全球每年用于糧食生產(chǎn)的氮肥只有10%被人類(lèi)直接消費(fèi)，大部分未使用的氮?jiǎng)t廣泛地分散到環(huán)境中，最終匯入地表水體，成為主要的面源污染源[6]。由此造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化和地下水硝酸鹽超標(biāo)，直接威脅人類(lèi)飲水安全[7]。自1993年以來(lái)，我國(guó)一直是世界第一化肥消費(fèi)國(guó)。但化肥的大量施用、加上使用不合理等問(wèn)題，致使肥料的不科學(xué)管理對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了不良影響?！兜谝淮稳珖?guó)污染源普查公報(bào)》指出，農(nóng)業(yè)污染源(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“農(nóng)業(yè)源”)污染物排放對(duì)水環(huán)境的影響較大，其化學(xué)需氧量排放量占化學(xué)需氧量排放總量的43.7%；農(nóng)業(yè)源(包括種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè))也是總氮排放的主要來(lái)源，其排放量占排放總量的 57.2%。要從根本上解決我國(guó)的水污染問(wèn)題，必須最大限度地提高肥料的氮素利用率，最大限度地減少氮從農(nóng)田向環(huán)境的排放[8]。

尿素是我國(guó)最主要的氮肥品種，其在水解前為酰胺分子態(tài)，不能被土壤吸附，極易隨水流失；轉(zhuǎn)化后形成的碳酸銨也易水解產(chǎn)生氨揮發(fā)損失；留存于土壤中的銨離子還會(huì)發(fā)生硝化和反硝化損失。研究表明，通過(guò)淋洗、徑流、氨揮發(fā)及硝 化-反硝化過(guò)程等各種途徑損失，尿素的(絕對(duì))損失率(氮損失量占施氮量的比例)約為52%[8]、凈損失率(因施肥導(dǎo)致的氮素?fù)p失增加量占施氮量的比例)約為35%[9]。與尿素相比，硫酸銨可立即解離為NH4+和SO42-，這2種離子均是作物可吸收利用的速效態(tài)，其中NH4+既可被土壤膠體吸附，也可被作物直接吸收利用，不存在分子態(tài)損失。另外，由于硫酸銨還含有作物生長(zhǎng)所必須的第四大元素硫，因此在不少報(bào)道中都顯示硫酸銨比尿素具有更高的氮肥利用率。如在庫(kù)布齊沙地柳枝稷上等量施氮75、150、225 kg/hm2，硫酸銨的氮肥利用率分別為33.4%、37.1%、43.8%，而尿素的氮肥利用率分別為16.4%、37.5%、15.5%[10]。施用加硫尿素可有效減少氨揮發(fā)和氮損失，顯著提高白菜和花生的氮肥利用率[11]。與施加尿素相比，在水稻上施用硫酸銨可使氮肥利用率增加3.5%～33.5%[12]。

3.4 硫酸銨在氮肥結(jié)構(gòu)調(diào)整中具有重要作用

氮肥的賦存形式多種多樣，可以是單一氮肥(如尿素、碳酸氫銨、氮溶液、液氨、硝酸銨和其他單質(zhì)氮肥)，也可以是二元肥料(如硝酸鉀、硝酸磷肥、磷酸銨、硝酸鈣和硫酸銨)，還可以是三元復(fù)合肥。新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)氮肥產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，隨著產(chǎn)量的增加，高濃度氮肥尿素成為主要產(chǎn)品，占氮肥總量的66.7%，氮肥產(chǎn)業(yè)存在產(chǎn)能過(guò)剩嚴(yán)重、氮肥品種單一、利用率低等問(wèn)題，調(diào)整氮肥結(jié)構(gòu)、該升級(jí)改造已有產(chǎn)品或者發(fā)展新產(chǎn)品是氮肥行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[13]。由于硫酸銨具有多元性、速效性、速溶性，從1980到2012年，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的硫酸銨在氮肥品種結(jié)構(gòu)中所占比例均呈上升趨勢(shì)，而我國(guó)卻呈下降趨勢(shì)(表4)?？紤]到硫酸銨具備作物生長(zhǎng)需要的硫元素，而我國(guó)有50%的土壤缺硫或潛在缺硫，且隨著高濃度肥料的使用和大氣沉降的減少，缺硫土壤面積還在逐步擴(kuò)大(見(jiàn)第4節(jié))，可見(jiàn)，硫酸銨在我國(guó)氮肥品種結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要作用。

4 硫酸銨肥料的適宜應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 硫酸銨肥料適宜于缺硫土壤上的所有作物

一般作物當(dāng)季生長(zhǎng)需從土壤中吸收10～15 kg/hm2純硫，隨著作物產(chǎn)量的提升，作物從土壤中攜出的硫含量呈增加趨勢(shì)，因此為滿足作物正常生長(zhǎng)，須要不斷向土壤補(bǔ)充硫。土壤硫主要通過(guò)施肥和大氣沉降補(bǔ)充，在過(guò)去的幾十年中，由于高濃度無(wú)硫肥料的使用比例增加，導(dǎo)致通過(guò)施肥補(bǔ)充土壤硫越來(lái)越少，二氧化硫排放量逐年降低導(dǎo)致通過(guò)大氣沉降補(bǔ)充土壤硫變少，使得全球范圍內(nèi)土壤缺硫面積呈擴(kuò)大趨勢(shì)[14-16]。土壤缺硫分布較廣的地區(qū)有澳大利亞、新西蘭、南美、北美以及非洲和亞洲的熱帶地區(qū)[17]。我國(guó)早期土壤缺硫主要分布在浙、贛、閩北、滇中、鄂、桂等地的丘陵山區(qū)[17-18]，近年來(lái)，我國(guó)有很多省和地區(qū)出現(xiàn)缺硫現(xiàn)象，如中部地區(qū)的山東[19]、河北[20]、河南[21]、安徽[22]、江西[16]、湖北[23]和東北的黑龍江[24]等。劉崇群等報(bào)道，我國(guó)南方10省土壤缺硫(有效硫含量小于12 mg/kg)占比26.5%[25]；而據(jù)國(guó)際硫研究所調(diào)查，早在2005年中國(guó)就有30%以上的土地缺硫，20%土壤潛在缺硫[26]；近年來(lái)，隨著我國(guó)作物產(chǎn)量持續(xù)提高，高濃度無(wú)硫肥料的使用比例持續(xù)增加以及二氧化硫排放量持續(xù)降低，我國(guó)缺硫土壤面積進(jìn)一步擴(kuò)大。即使根據(jù)2005年的缺硫土壤比例和2016年我國(guó)耕地面積(1.35億hm2)計(jì)算，我國(guó)現(xiàn)階段缺硫耕地面積約為0.40億hm2，潛在缺硫面積約 0.27億hm2，總?cè)绷蛎娣e約0.67億hm2。

表4 1980—2012年中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮肥結(jié)構(gòu)比較

在缺硫土壤上，作物施用硫肥有明顯增產(chǎn)效果。在缺硫地區(qū)施用硫肥，可以大幅提高作物產(chǎn)量。在我國(guó)南方丘陵山區(qū)，硫肥對(duì)我國(guó)水稻的增產(chǎn)幅度為5%～20%；美國(guó)玉米增產(chǎn)幅度為8%～28%，棉花為14%～44%；加拿大小麥增產(chǎn)幅度為38%～58%、油菜為29%～39%、花生為17%～22%[27]；印度水稻平均增產(chǎn)率為29%[14]。合理施用硫肥，1 kg硫肥可增加8 kg大豆、368 kg甘蔗，還可以平衡作物養(yǎng)分，促進(jìn)養(yǎng)分的吸收，提高肥料利用效率，使一般氮肥利用率提高4.0%～39.2%，磷肥利用率提高5.4%～10.5%[14]。

4.2 硫酸銨特別適宜于喜硫作物

施用硫肥可以促進(jìn)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，但對(duì)不同作物的效應(yīng)不同，如有些作物缺硫可影響外觀品質(zhì)、增加硝酸鹽含量，而對(duì)某些蔬菜如洋蔥、大蒜的含硫氨基酸和風(fēng)味物質(zhì)含量有直接影響，把這些品質(zhì)、風(fēng)味與含硫有機(jī)物密切相關(guān)且本身對(duì)硫的吸收量較大的作物，稱(chēng)為喜硫作物。常見(jiàn)的喜硫作物有含蘿卜硫素的十字花科蔬菜(結(jié)球甘藍(lán)、花椰菜、四季蘿卜等)、含硫代葡萄糖苷的十字花科作物(油菜)、含硫蛋白的豆科作物(大豆)和百合科作物(洋蔥、大蒜)。

大量報(bào)道顯示，在喜硫作物上施用硫肥比一般作物具有更明顯的增產(chǎn)效果。如在我國(guó)南方，喜硫作物油菜施用硫肥可增產(chǎn)5.9%～36.8%，非喜硫作物水稻施用硫肥增產(chǎn) 2.1%～20.0%[22，25，28-29]。陳防等報(bào)道，1988年以來(lái)湖北全省29個(gè)硫肥試驗(yàn)中有21個(gè)施硫增產(chǎn)，其中喜硫作物油菜和蠶桑分別增產(chǎn)16.5%、17.6%，非喜硫作物早稻、晚稻、甘薯施硫后分別增產(chǎn)13.8%、9.0%、11.2%[23]。

4.3 硫酸銨可用于生產(chǎn)低氯或硫基肥料

氯也是作物生長(zhǎng)的16種必需元素之一，但有些作物在氯離子吸收較多時(shí)不利于糖轉(zhuǎn)化為淀粉，從而造成作物產(chǎn)量或品質(zhì)降低，如煙草、桃樹(shù)、葡萄、馬鈴薯、甘薯、甜菜、柑橘、甘蔗、西瓜、茶葉、櫻桃、咖啡、香蕉、火龍果、芒果、菠蘿、獼猴桃、油桃、木瓜、山竹、榴蓮、哈密瓜、油用牡丹、榨菜、荔枝、山藥、芝麻、石斛、黨參、人參等，通常稱(chēng)這些植物為忌氯植物。因此，為防止氯對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，忌氯作物一般使用低氯肥料或不含氯的硫基肥料。由于氯一般通過(guò)氯化銨、氯化鉀或以氯化銨、氯化鉀為原料生產(chǎn)的復(fù)混肥投入，而在肥料原料的選擇上可以硫酸銨替代氯化銨、以硫酸鉀替代氯化鉀，因此硫酸銨在忌氯植物上有更廣的應(yīng)用前景。

4.4 硫酸銨可用于生產(chǎn)復(fù)合氮肥

氮肥形態(tài)主要包括酰胺態(tài)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，多種形態(tài)的氮肥混合使用可發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，提高氮肥利用率。尿素是含氮量最高的氮肥品種，其氮的形態(tài)為酰胺態(tài)，含氮量較低的小品種氮肥氯化銨和硫酸銨的氮肥形態(tài)為銨態(tài)氮。因此，利用尿素與氯化銨或硫酸銨生產(chǎn)復(fù)合氮肥，不但可以在氮肥形態(tài)上協(xié)同、而且還可以在氮素含量上協(xié)同，產(chǎn)生中濃度氮肥新品種，為作物生產(chǎn)提供更多的氮肥選擇品種。近年來(lái)出現(xiàn)的脲銨氮肥就是一種較好的復(fù)合氮肥，根據(jù)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 4214—2011《脲銨氮肥》，其含氮量大于26%，發(fā)展脲銨氮肥可綜合利用各種副產(chǎn)氮肥資源，提高資源利用效率，還可起到節(jié)能減排，顯著提高氮肥利用率作用。

5 我國(guó)農(nóng)業(yè)中硫酸銨需求預(yù)測(cè)

5.1 土壤硫的補(bǔ)充途徑

除硫酸銨及其制成品外，我國(guó)耕地土壤硫的補(bǔ)充途徑還有過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀以及含硫尿素和灌溉水帶入，由于灌溉水帶入的硫與徑流帶出的硫基本平衡，含硫尿素使用量極少，本研究在預(yù)測(cè)時(shí)予以忽略。

農(nóng)用硫酸鉀含硫量為21%左右，主要用于忌氯作物如蔬菜、果樹(shù)、煙草、薯類(lèi)等，據(jù)《中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒2015》計(jì)算，在1.35億hm2耕地中，忌氯作物總種植面積0.27億hm2，占耕地面積的20%。過(guò)磷酸鈣含硫9%左右，適用于所有耕地土壤和作物，目前我國(guó)過(guò)磷酸鈣產(chǎn)量?jī)H維持在100萬(wàn)t/年左右[30]，通過(guò)過(guò)磷酸鈣投入到1.35億hm2耕地的純硫?yàn)?9萬(wàn)t/年左右。

5.2 從土壤硫素平衡預(yù)測(cè)我國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)硫酸銨的理論需求

土壤養(yǎng)分平衡普遍用于該養(yǎng)分的施肥量推薦或預(yù)測(cè)，以土壤系統(tǒng)為界，一般遵循“某種養(yǎng)分肥料投入量=作物攜出某種養(yǎng)分量”。由于農(nóng)作物中硫的含量與磷相當(dāng)，可以用磷的攜出量來(lái)估算硫的需求[17，31]。根據(jù)《2015年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和主要農(nóng)作物100 kg籽粒養(yǎng)分吸收量(表5)，可以計(jì)算出2015年我國(guó)農(nóng)作物收獲時(shí)從土壤中攜出的總磷量約405萬(wàn)t。因此，為維持土壤硫素平衡，在不考慮秸稈還田條件下，須要投入硫肥405萬(wàn)t，其中通過(guò)過(guò)磷酸鈣補(bǔ)充的硫?yàn)?萬(wàn)t，通過(guò)硫酸鉀補(bǔ)充的硫?yàn)?405-9)×20%=79.2(萬(wàn)t)；理論上通過(guò)硫酸銨補(bǔ)充硫的需求量為(405-9)×(1-20%)=316.8(萬(wàn)t)純硫，折合硫酸銨1 309萬(wàn)t。秸稈還田條件下，由于硫主要存在于含硫蛋白質(zhì)中，而秸稈中的蛋白質(zhì)含量一般只有籽粒的1/3，可粗略估計(jì)作物收獲時(shí)從土壤中攜出的硫含量總計(jì)約405×66.7%=270(萬(wàn)t)，通過(guò)硫酸銨補(bǔ)充硫的理論需求為316.8×66.7%=211.3(萬(wàn)t)純硫，折合硫酸銨873萬(wàn)t。

表5 2015年中國(guó)主要農(nóng)作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量

5.3 從土壤硫素豐缺預(yù)測(cè)我國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)硫酸銨的現(xiàn)實(shí)需求

5.3.1 我國(guó)耕地土壤中的硫 硫在自然界中分布很廣，地殼中硫的含量平均為0.06%，最多可達(dá)0.15%。我國(guó)土壤全硫含量大致在0～600 mg/kg，大多數(shù)在100～500 mg/kg，其中水稻土240 mg/kg，紅壤146 mg/kg，黃土226 mg/kg，潮土 147 mg/kg，鹽土343 mg/kg[32]，含有機(jī)質(zhì)多的土壤可以超過(guò)500 mg/kg。土壤中的硫可分為無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫兩大部分，我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)的表層土壤有機(jī)硫占85%～94%，無(wú)機(jī)硫占全硫的6%～15%，而北部和西部石灰性土壤無(wú)機(jī)硫占全硫的 39.4%～61.8%[25]。作物直接吸收的硫是無(wú)機(jī)硫，有機(jī)硫必須經(jīng)過(guò)微生物礦化為無(wú)機(jī)態(tài)(硫酸鹽)才能被作物吸收利用。

5.3.2 土壤缺硫臨界值 土壤缺硫易存在于有機(jī)質(zhì)含量低、高溫多雨地帶的土壤。判斷土壤是否缺硫一般采用臨界值方法判別。多數(shù)報(bào)道顯示，土壤有效硫臨界值在10～30 mg/kg，如泰國(guó)玉米土壤有效硫臨界值為13 mg/kg，孟加拉國(guó)水稻土壤有效硫的臨界值為12 mg/kg，印度土壤有效硫低于 10 mg/kg[28]。在我國(guó)，通常當(dāng)土壤有效硫<10～16 mg/kg時(shí)，作物有缺硫的可能，而對(duì)于大多數(shù)農(nóng)作物而言，土壤有效硫臨界值為10～12 mg/kg[33]。鄧純章等指出，一般情況下，當(dāng)土壤全硫含量在0.02%或有效硫含量在20 mg/kg以下時(shí)，施硫就有增產(chǎn)效果[29]。陜西省將土壤有效硫豐缺狀況劃分為3級(jí)：<10 mg/kg時(shí)大部分農(nóng)作物缺硫、10～20 mg/kg為需硫較多的農(nóng)作物可能缺硫、>20 mg/kg不缺硫[34]。安徽省土壤硫豐缺分為4個(gè)等級(jí)：土壤有效硫<8 mg/kg時(shí)嚴(yán)重缺，8～16 mg/kg缺乏，16～30 mg/kg潛在缺乏，>30 mg/kg為不缺[22]。貴州主要耕地土壤有效硫的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：<12 mg/kg土壤缺硫，12～24 mg/kg土壤潛在缺硫，>24 mg/kg土壤不缺硫，在有效硫含量接近或低于30 mg/kg的土壤上，水稻、玉米、小麥、泊菜和白菜施用硫肥均顯著增產(chǎn)；當(dāng)土壤有效硫含量范圍在<16、16～30、30～40 mg/kg時(shí)，作物施硫增產(chǎn)效果大于5%的試驗(yàn)個(gè)數(shù)占試驗(yàn)總數(shù)的比例分別為100%、78%、62.5%，貴州省土壤推薦施硫的土壤有效硫含量為 30 mg/kg[35]。

5.3.3 我國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)硫酸銨的現(xiàn)實(shí)需求 由于土壤、作物產(chǎn)量水平等不同，不同國(guó)家對(duì)硫肥的推薦用量也不同。馬常寶報(bào)道，英國(guó)施硫量(純硫)為15～25 kg/hm2；北美地區(qū)一般作物推薦施硫量(純硫)11～22 kg/hm2，谷類(lèi)作物推薦施硫量(純硫)17～34 kg/hm2，豆科作物推薦施硫量(純硫)44～56 kg/hm2；中國(guó)糧食作物推薦施硫量為20～40 kg/hm2，豆科作物、油料作物和蔬菜等喜硫作物施硫量(純硫)為30～60 kg/hm2[14]。本研究按照純硫保守推薦用量30 kg/hm2對(duì)我國(guó)硫酸銨的農(nóng)業(yè)投入量作如下預(yù)測(cè)：缺硫(含潛在缺硫)土壤耕地面積共0.67億hm2，其中通過(guò)過(guò)磷酸鈣補(bǔ)充的硫(純硫)約為4.5萬(wàn)t，按照30 kg/hm2補(bǔ)充量計(jì)算其補(bǔ)充面積僅為0.001億hm2，幾乎可以忽略不計(jì)；由于忌氯作物占比 23.5%，剩余0.67億hm2缺硫土壤中約有0.51億hm2為非忌氯作物須要通過(guò)硫酸銨補(bǔ)充硫，按照30 kg/hm2計(jì)算其補(bǔ)充量為153萬(wàn)t，相當(dāng)于632萬(wàn)t硫酸銨。

5.4 從發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)硫酸銨氮肥的使用比例預(yù)測(cè)我國(guó)農(nóng)業(yè)未來(lái)對(duì)硫酸銨的需求

我國(guó)土壤增施氮肥總能使作物獲得顯著而穩(wěn)定的增產(chǎn)[35]，在因施用化肥增產(chǎn)40%～50%中[36]，施氮的增產(chǎn)率約占化肥增產(chǎn)率的60%～70%[37]。近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)氮肥(純氮)的消費(fèi)基本維持在3 300萬(wàn)t[38]。氮肥品種中，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的硫酸銨氮肥占有率呈增加趨勢(shì)，為5.9%～13.6%(表4)。以歐美發(fā)達(dá)國(guó)家硫酸銨氮肥占有率平均值9.75%預(yù)測(cè)，我國(guó)硫酸銨直接作為氮肥(純氮)的需求為 321.75萬(wàn)t，折硫酸銨1 518萬(wàn)t。

考慮到硫酸銨具有非常好的溶解性，是液態(tài)氮肥的良好原料，而液態(tài)氮肥在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家氮肥占有比例為14.9%～23.3%，平均為19.1%[38]。由于除硫酸銨外，表4中尿素、磷酸銨、硝酸鉀、硝酸(銨)鈣、液氨也是配制氮溶液的原料，故按照硫酸銨在液態(tài)氮溶液占有1/6預(yù)測(cè)，硫酸銨作為液態(tài)氮肥用量為3 300×0.191×(1/6)÷0.21=500(萬(wàn)t)(21.2%為硫酸銨的純品含氮量，一等品及優(yōu)等品的含氮量均為21%)。因此，從發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)硫酸銨氮肥的使用比例預(yù)測(cè)我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)對(duì)硫酸銨的需求為1 330+500=1 830(萬(wàn)t)。