科学家研发新型氮肥，只需要一半的肥料即可达到相同的施肥效果

化肥能增加产量，但也会导致水体过度施肥，硝酸盐污染地下水。一种更经济、更环保的新型氮肥或能解决这个问题。新型氮肥是将石膏和尿素一起研磨，形成比普通肥料溶解更慢的晶体。因此，只有植物可以吸收的氮才能释放出来， 这可以保护土壤和水并节省尿素。


为了能够以最佳方式生长，植物需要某些营养物质，尤其是氮和磷。因此，化肥的使用有助于现代农业实现高产。但特别是氮肥正日益成为一个环境问题：因为普通肥料释放氮的速度比植物吸收它的速度快，所以过量的氮会留在土壤中。


平均而言，这些植物只使用了一半引入的氮，其余的被雨水冲走，最终进入湖泊、河流和地下水。这导致水体过度施肥、沿海海域的低氧死区和饮用水中的高硝酸盐含量。



机械化学代替试管


现在一种新型的氮肥现在带来了希望。萨格勒布 Ruder Boskovic 研究所的 Ivana Brekalo 及其同事开发并测试了一种替代生产方法。到目前为止，普通肥料中的氮成分——氨或尿素——已经使用 Haber-Bosch 工艺生产，这是一种极其耗能的方法。


在进一步的化学过程中，这些基本材料然后与钙、钾或其他矿物成分结合。纯尿素用作肥料时，其微生物降解释放大量氨气和二氧化碳。因此，除非它与抑制剂混合，否则它的使用受到管制。


Brekalo 和她的团队现在正在寻找一种生产含尿素但对环境友好的肥料的方法，并采用了一种古老的技术：机械化学。来自汉堡的德国电子同步加速器 DESY 的合著者 Martin Etter 解释说：“几千年来，我们一直在研磨东西，比如用谷物做面包。”


鲜为人知的是，化学反应也可以通过研磨、振动或压缩等机械过程触发。科学家们现在已将其用于他们的新肥料。为此，将石膏和尿素一起精细研磨，直到它们形成固体化合物。


较慢的释放，较少的过量


该团队使用 DESY 的 X 射线源 PETRA III 来研究所得粉末的成分。分析表明，机械化学加工产生了一种共晶体——一种晶体，其中两种起始材料形成交替的结构单元。“您可以将共晶体视为由乐高积木制成的东西，”Etter 解释道。“你有两种类型的岩石，你用这两种岩石形成一个重复的图案。”



结果是一种结晶氮肥，它只来自研磨，不含化学副产品。同时，它具有特别有利的特性：共晶体在水中的溶解度比尿素低 20 倍，因此在土壤条件下至少 90 天内几乎均匀释放。


对于农业使用，这意味着与传统尿素肥料相比，共晶肥料释放氮的速度和剂量都更慢。植物只能获得尽可能多的肥料，因为它们可以吸收和代谢。虽然迄今为止尿素肥料和其他氮肥中近 50% 的氮未被使用并被冲走，但这种新型肥料已被完全利用。因此，您只需要一半的肥料即可达到相同的施肥效果 - 这可以保护水体和地下水，同时也可以节省原材料。


“将尿素材料的效率提高 50% 意味着必须通过 Haber-Bosch 工艺生产更少的尿素，并减少与之相关的问题，例如对天然气的需求，” 来自美国利哈伊大学的合著者 Jonas Baltrusaitis 解释道。作为下一步，研究人员计划将他们的工艺扩大到工业规模。