庄稼生长离不开氮肥，传统氮肥却有诸多问题待解
庄稼如欲生长良好, 便离不开氮肥, 无论那是小麦、玉米或者水稻, 又或是蔬菜、果树, 氮皆是植物实现长叶、拔节、开花以及结果必备的重要营养。往昔之时, 氮肥主要借助大型化工厂予以集中生产之后, 历经运输、储存以及销售等环节, 最终才被送至田间地头。此套体系为现代农业的发展提供了支撑, 然而却存在着生产过程能耗偏高、运输链条漫长、施肥欠缺灵活性、尿素有效利用率较低以及土壤发酸等诸多问题。
为什么空气里有氮，植物还会缺氮？
空气中大概78%都是氮气, 看上去, 氮资源相当丰富, 近乎取之不竭。然而问题是, 空气中的氮气极为“稳定”, 植物没办法直接吸收利用, 对于植物而言, 空气中的氮气恰似一袋未开封的粮食, 看得到, 却吃不着。
能够被植物真正所需的, 是像铵态氮、硝态氮那样便于吸收的形态。传统那些工业生产氮肥时, 先是要把空气中的氮气转变为氨, 接着再进一步去制成各种各样的肥料。这个过程一般而言是需要高温的, 也是需要高压以及大量能源的, 所以怎样利用一种更为清洁、更为灵活的方式将空气转化为肥料的这件事, 一直以来都是农业和化工领域所专注的重要方向。
传统制肥犹如“中央厨房”那般, 然而其与农田的距离着实太过遥远。现代氮肥工业主要借助Haber - Bosch合成氨以及氧化工艺去生产诸如硝酸铵之类的肥料。这些技术对全球粮食生产起到了支撑作用, 不过其需要在高温、高压的条件下, 且消耗大量能源, 还会致使碳排放的产生。更为关键的是, 传统氮肥一般集中于大型化工厂进行生产, 之后经由运输、储存以及施用等环节才进入到农田之中。
它适宜大规模开展生产, 然而却并非轻易能够依据作物不一样的生长阶段灵活地调整供肥量。未来的智慧农业愈发需要一种新的模式, 这种模式表现为, 在农场的附近, 按照需求来进行生产, 随着需求随时使用。
“打开空气”+“做成肥料”，农场门口产出液态氮肥
近日, 北京化工大学段雪院士所在团队, 在赵宇飞教授的率领下, 针对绿色氮肥合成这一课题，提出了一种全新思路: 借助空气以及水, 于温和状况下制作能够被植物吸收进而加以利用的液态氮肥。
这项技术核心, 能用一句话概括。它先作用于空气中的氮使其“激活”, 而后经转化成为液态氮肥。空气作为氨源加以提供, 水参与到转化进程之中, 电能为该反应给到动力支持呈现。最终所获的硝酸铵溶液内, 既有属于铵态氮的成分, 又有属于硝态氮的成分, 二者都是作物能吸收利用的关键营养形式。
有别于传统集中制肥, 此路线更着重“靠近农田”以及“贴合作物需求”, 这意味着, 往后氮肥并非必定都要从远处大型工厂运来, 而是能够于农场、温室、设施农业基地或者农业园区附近就地进行生产, 其原料为空气、水分、阳光, 借助催化之力, 最终经由水肥一体化系统输送至作物根部, 这项研究的核心, 可用一句话归纳: 将空气和水转变为植物可吸收的液态氮肥。
这一技术存在着颇为关键的那般具有重要意义的想象空间, 其重点在于有着能够去服务分布式农业生产的可能性。在未来的时日里, 小型制肥系统能够被放置在农场周边的位置, 它是以空气以及水作为原料, 依据作物生长的阶段来生产液态氮肥的。
譬如, 当作物刚刚开始出苗之际, 此时它对于氮肥的需求量相对较少, 故而能够进行少量的供应；待到了快速生长的阶段, 其叶片以及茎秆会快速地生长, 在这个时候对于氮肥的需求便会增加, 那么就能够提高肥料的供应量。如此这般, 施肥这件事就不再是“凭借经验一次性撒下去”这种方式了, 反而是更类似于给作物进行配餐的行为: 在作物什么时候有需求的时候, 就在什么时候予以供应；当它需要多少量的时候, 就供应相应多少的量。
存在着这样一种模式，它具备几个较为明显的好处。其一是能够减少因肥料长距离进行运输以及集中开展储存这一过程所产生的成本与风险, 且对于硝酸铵这类含氮的肥料来讲, 长距离运输以及集中储存还需要实施严格的安全管理, 一旦遭遇高温、受到撞击、出现污染或者管理方面存在不适当等特殊状况, 便有可能引发安全事故, 甚至存在爆炸风险。其二是能够依据作物的长势精准地供应肥料, 进而减少浪费。其三则是液态肥料更易于同滴灌、水肥一体化系统相互结合, 直接送达至植物的根部, 以此提高利用效率。
未来农业：让作物按需“吃饭”
要是在未来, 这类制肥设备跟太阳能光伏发电相结合、跟智能传感器相结合、跟水肥一体化系统相结合, 那便有希望形成更智能的农业生产方式。
作物生长状态、土壤湿度以及养分含量, 田间传感器能够予以监测, 判定作物情形的数据由系统获取, 以此判断作物究竟是否缺肥；制肥设备依据所需, 产出一定数量的液态氮肥，通过滴灌系统将其送至植物根部；施肥并非还像从前那样凭借已然积累的经验一次性撒下去, 而是如同给植物进行配餐同样的, 依据其需求供应肥料, 做到精准利用。
这套模式, 对农业生产者而言, 有望削减运输以及储存环节, 进而提升肥料利用率；对生态环境来讲, 也有益于降低因过量施肥导致的氮素流失；于未来智慧农业而言, 它给出了一条将“空气—水—电—肥料—作物生长”相联接的全新路径。
向空气中获取氮, 把水转变为肥料载体, 而后将液态氮肥输送至作物根部, 这般情形听起来仿若未来农业的景象。然而随等离子体、电催化以及智能农业技术的发展, 如此的“田边制肥站”正逐渐由科学设想迈向现实。
作者是孙秋红, 其于, 北京化工大学存在化工资源有效利用全国重点实验室, 且为在读博士生。
科学审核工作由赵宇飞、白晓觉负责, 他们来自北京化工大学化工资源有效利用全国重点实验室。
策划：林佳欣 武玥彤
支持单位：北京化工大学
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