可持续农业在全球粮食生产中的关键作用
据预测，全球粮食总需求在2010年至2050年间将增长35%至56%，且受全球人口持续增长的影响，这一趋势将进一步加剧。近年来，粮食生产和分配成本的上升受到新冠疫情、俄乌冲突、气候变化及地区冲突的影响。国际货币基金组织强调，政策变革对于减少粮食不安全状况并改善肥料获取途径至关重要，尤其是在贫困国家。
合成肥料和有机肥料对于维持农业生产实践仍然至关重要。合成肥料使用从磷矿中开采的磷、从钾盐矿中开采的钾以及从大气中固定的氮，然而这些资源的提取过程能耗巨大，因此通过采矿活动和生产过程中化石燃料能源的使用，对环境产生了长期的负面影响。有机肥料包括各种动物粪便、苜蓿粉、血粉、鱼粉、木灰以及水或污水中的废弃物。作为有机肥料来源的粪便和其他废弃物体积庞大，运输用于田间施用或处理的成本高昂；但如果能在产地现场或附近进行处理，从这些废弃物中提取养分则可以省去昂贵的运输成本。
可持续农业系统涉及水、能源和养分资源的高效利用；旨在减少环境影响、保持经济实力并最大限度地减少对有限枯竭资源的依赖，从而使当代和后代都能繁荣发展。图1展示了如何从废水中回收、再利用和循环利用养分以用于肥料生产的示例。图1。
肥料中的大量营养元素就是一种有限的枯竭资源。例如，磷酸盐储量可能在未来50至100年内耗尽。此外，农业废弃物也可能对环境有害，导致作物受到药物、病原体或金属污染，并引发地表水富营养化。然而，由于这些废弃物含有大量的养分，它们也具有巨大的开发潜力。
迈向可持续农业：利用创新的机遇
“循环生物经济”一词是指通过管理生物资源来转型和管理我们的土地、粮食、健康和工业系统，从而实现与自然和谐相处的可持续福祉。通过利用可持续农业领域的创新，在开发废弃物中的养分含量以促进粮食生产并最大限度地减少环境影响方面，存在着巨大的潜力。表1总结了常用的生物、化学和物理养分回收方法。表1。近年来备受关注的潜在可持续方法包括：
- 智能纳米肥料：氮纳米肥料有望通过提高氮向植物输送的有效性并减少氮向环境的流失，从而提高氮肥利用率。这可以通过多种方式实现，包括将肥料体积减小至纳米级、在肥料中添加纳米材料，或通过封装或储存在纳米孔中形成纳米复合结构，以控制养分的释放。
- 生物炼制厂：与利用农作物作为原料的第一代生物炼制厂相比，第二代生物炼制厂利用残余物和废弃物流。生物质通过酶和微生物利用各种转化平台转化为液体燃料和化合物。
- 生物炭 （木炭）：虽然生物炭的使用在碳封存方面是一个相对较新的概念，但这种类似木炭的物质历史可追溯至2000年前的亚马逊盆地，当时人们认为将炭化生物质添加到土壤中可以改善土壤质量和肥力。对枯死植物或落叶等有机物进行厌氧热解，是一种生产稳定碳形式的清洁且节能的方法。
- 绿色氨：这是利用可再生能源、氮和水，使氨的生产实现100%可再生且零碳的过程。近年来，包括Air Products、Siemens、OCP、thyssenkrupp和Grupo Fertiberia在内的大型企业已经实现了利用水电解提供氢气的绿色氨合成项目的商业化。
- 鸟粪石： 鸟粪石，也称为磷酸铵镁（MAP），是一种晶体，其中Mg2+、(NH4)+和PO43-以1:1:1的摩尔比或化学计量比例结合。它既可以单独使用，也可以与其他废弃物衍生产品、微生物接种剂或传统无机肥料混合制成复合肥料。其高养分含量和缓释特性使其成为商业肥料生产极具吸引力的候选材料。
表1. 废弃物养分回收常用工艺概述
肥料研究与养分回收领域的可持续农业趋势
The CAS Content Collection™ is an expert-curated resource that was used to evaluate methods of nutrient recovery and the concepts driving innovation and therefore maintaining our circular bioeconomy. A broad fertilizer search retrieved 121,213 patents and 125,228 journal publications over the 2001–2021 period (Figure 2). Journal-related topics focused on the effects of fertilizers on crop plant growth, biological responses, and soil fertility were studied, with some focusing on processes of recovery of nutrients for fertilizers and nutrients as pollutants that cause the eutrophication of receiving waters, or agricultural wastes and soils containing pollutants. Patent-related topics focused on organic substances and processes associated with fertilizer nutrient recovery, fertilizer formulations, and biowaste topics such as manure, ashes, and fermentation.
本次检索旨在确定可持续农业在开发氮、磷、钾作为养分来源方面的趋势，以及相关的回收工艺。
在期刊和专利中，“有机/无机小分子”、“元素”和“盐类/化合物”等物质类别均占据主导地位，其中“混合物”在专利中也十分常见。
生物工艺是养分回收最主要的方法，占期刊/专利发表总量的 66%，其次是物理方法（22%）和化学方法（12%）。
重点关注领域包括从污水处理污泥、生物炭和灰烬中回收养分。生物炭生产、鸟粪石沉淀和绿色氨合成呈现出显著的发展趋势。
专利和期刊中关于 木炭/生物炭 的主题呈现出明显的增长趋势，尽管 2019 年略有下降，但期刊论文仍保持持续增长。可持续农业相关的专利发表量自 2013 年以来有所增长，尽管年度数据存在一定波动 (图 3)。概念分析揭示了“污水处理污泥”和“粪便”与“厌氧生物消化”之间的关联。
鸟粪石 相关的发表物在研究期间大幅增加。以 [(NH4)Mg(PO4).6H2O] 形式存在的鸟粪石占据主导地位；关于钾鸟粪石 [MgK(PO4).6H2O] 的发表物极少 (图 4)，尽管一些研究表明，它可以被回收并有望作为磷酸镁肥料使用。与鸟粪石生产相关的关键概念包括“化学沉淀”、“结晶”、“污水处理沉降”和“吸附式污水处理”。
(2001–2021 年)。
绿色氨 主要在期刊论文中进行讨论，专利文献在 2020 年达到发表总量的 20%。从 2017 年到 2021 年，在催化绿色氨合成中发挥作用的物质数量呈爆发式增长；从 2017 年的不到 100 种不同物质增加到 2021 年的近 500 种。受关注的物质包括构成绿色氨合成新型催化剂的材料，例如无机材料、有机/无机小分子、元素和配位化合物 (图 5)。此外，涉及光催化或电催化氮还原的期刊论文比例从 2001 年的 1% 增长到 2021 年的 25%，凸显了该方法的快速进步。
气候适应型农业即将来临吗？
随着全球人口的激增，农业食品行业面临的压力日益增大。肥料生产和农业废弃物的积累都在造成不可逆转的环境破坏。可持续性和循环生物经济理念已成为负责任农业实践的核心原则。可持续农业原则激发了人们对开发废物处理、养分回收和能源效率集成系统的研究。
替代性的“更绿色”肥料生产工艺，如绿色氨合成以及从废物和微生物制剂中回收肥料养分，有望改变我们的粮食生产方式，并将废物转化为有价值的副产品。
养分回收工艺正逐步实现商业化，以帮助简化效率、降低成本并最大限度地减少环境影响。一些值得关注的可持续农业技术包括：
- Pearl® 和 WASSTRIP®（废活性污泥剥离以去除内部磷）技术 (加拿大 Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc.) 是用于除磷的关键工艺，用于生产 Crystal Green®，这是一种可持续回收的缓释肥料，含有磷、氮和镁。其 Root-Activated™ 释放机制可优化养分吸收并保护当地水资源，同时提高产量。
- AirPrex® (德国 CNP CYCLES GmbH) 是一种专利污泥优化工艺，可改善生物 磷 的去除效果。在 AirPrex® 反应器中，消化污泥经过处理，最终沉淀出磷酸铵镁（MAP），即鸟粪石，可用作肥料。
- RecoPhos 项目 (RecoPhos 联盟) 是一个由学术界、工业界和企业共同开展的多学科项目。其目标是利用创新反应器从污水、污泥和灰烬中回收 磷（以白磷或磷酸形式）。这项工作将为实施全功能台式反应器和中试工厂设计奠定基础。此外，还将评估 RecoPhos 工艺的经济、环境和社会影响。
- Aqua2™N 工艺（瑞典 Easymining Services 公司）可从污泥滤液中回收氮。氮经吸附并以晶体形式收集后，可直接用于肥料生产。吸附剂可循环使用。
这些举措充分证明，科学、技术与工业界的跨领域合作是应对粮食生产挑战、优化废物回收利用的必由之路。可持续农业是保障社会未来发展的可靠途径。
如需了解更多关于养分回收工艺中可持续农业趋势的信息，请参阅我们的 洞察报告。
