新型肥料研制技术与产业化开发Word文件下载.docx

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按照肥料组成和性质，新型肥料可分为4大类，分别为：

缓/控释肥料、商品有机肥料、生物肥料、多功能肥料。

2.1缓/控释肥料

2.1.1缓/控释肥料的概念及分类

缓/控释肥料（Slow/ControlledReleaseFertilizers,CRFs）是结合现代植物营养与施肥理论和控制释放高新技术，并考虑作物营养需求规律，采取某种调控机制技术延缓或控制肥料在土壤中的释放期与释放量，使其养分释放模式与作物养分吸收相协调或同步的新型肥料[3]。

缓/控释肥料在养分上可以按照作物所需养分进行配方设计；

在供肥上可以按照作物不同生育期对养分的要求进行控制释放；

在施肥上可以一次基施，不用追施；

在耕作上可以进行接触施肥和简化农业耕作；

在效益上，可以提高养分利用率，省工节肥，减少过多养分对环境的污染。

按照生产工艺和肥料性质，缓/控释肥料可分为包膜型（硫包膜、石蜡包膜、聚合物包膜等）、合成微溶态型（脲甲醛、草酰胺等）、化学抑制型（添加脲酶和硝化抑制剂）、基质复合与胶粘型（添加风化煤、磷矿粉）。

关于缓/控释肥料，目前还没有一个明确统一的称谓，美国植物食品管理署（AAPFCO）和国际肥料工业协会（IFA）将尿素与醛类化合物的缩合产物称为缓释肥料，包被或包裹肥料称为控释肥料，而添加抑制剂的肥料称为稳定性肥料[4,5]，在我国，则将这些肥料统称为缓/控释肥料。

其实缓释和控释有实质性的区别，缓释肥料指肥料施入土壤后肥料养分比常规水溶性肥料释放缓慢的一种肥料，控释肥料是采用控制释放技术（包膜或胶囊），利用包膜工艺调节包膜材料和性质（膜量和通透性）、配合适当比例具有不同释放时期和不同粒径大小的肥料颗粒（异粒变速），使养分释放模式和作物养分吸收模式基本匹配。

例如，对于氮素吸收，作物通常在营养生长盛期和生殖生长盛期有两个吸收高峰，所谓控释，就是要使施入土壤中的氮能在这两个时期较大能量地释放出来。

2.1.2缓/控释肥料生产技术

包膜型缓控/释肥料的生产过程如图1，主要过程有配料混合、造粒、调理、干燥、筛分、包膜、分装、测试评价，关键步骤是造粒、包膜和干燥。

造粒方法有3种，分别是挤压、团粒和料浆方法。

配料混合→造粒→调理→干燥→筛分→包膜→分装→测试评价

图1包膜型缓/控释肥料的生产过程

Fig.1Productiveprocessofcoatedslow/controlledreleasefertilizer

挤压方法指外部压力挤压原料粉末成粒，团粒方法指原料粉末在转盘或转鼓中滚动造粒，料浆方法指在造物料表面喷涂一层适宜含水量的料浆薄膜，然后使膜干燥，这样不断的涂布和干燥使颗粒加大，形成坚硬而能自由流动的颗粒。

目前大多数生产厂家采用工艺操作简单的团粒法造粒。

包膜技术主要有造粒塔喷雾法、流化床涂布法、转盘或转鼓喷涂包膜法。

造粒塔喷雾法工艺流程为：

将包膜涂层溶液加压，经喷射雾化后进入造粒塔内，雾化物与从造粒塔顶部喷洒下来的肥料颗粒逆向接触，雾化后的涂层包膜溶液即均匀地涂于肥料表面，并借助肥料自身的热量干化成膜。

流化床涂布包膜装置包括气流室、包衣室和扩大室，包衣室由中央室、外室、喷雾装置和气流分配板组成[6]。

主要流程为：

加热气流和包膜材料溶液经气流室通过气流分配板上的喷嘴进入包衣室，肥料经包膜材料溶液润湿后被热气流干燥并被上推，经过中央室上部进入外室，由于中央室与外室空间存在压力差，使肥料颗粒又循环至中央室，再一次被热气流加速推动向上，并在肥料上升过程中被干燥，这样反复通入包膜材料溶液和热空气，使包衣、干燥操作反复进行，直至肥料表面包覆上所需厚度的膜层。

在整个涂膜过程中，肥料在循环和悬浮的条件下进行，可保证每个肥料颗粒涂膜均匀，涂膜过程中的高风速环境有利于溶剂的快速挥发，防止肥料颗粒之间相互粘连，使涂膜过程在流动状态下进行，提高生产效率。

转盘或转鼓喷涂包膜法具体过程为：

成品颗粒肥料或粉末在转盘或转鼓中滚动，用高压喷枪（含过组喷淋嘴）将包膜剂喷到肥料颗粒表面，并在后续工序肥料滚动中用调理剂（化石粉、磷矿粉、粘土等）加以调理。

大多数聚合物包膜肥料采用造粒塔喷雾法和流化床涂布法包膜，而转盘或转鼓喷涂包膜法工艺简单，用途广，既可以制备包膜型缓/控释肥，也可以制备胶结型缓/控释肥，既可以用于成品肥料包膜，也可以用于粉末肥料造粒和包膜。

现在有些生产厂家采用流化造粒包衣机，即造粒和包膜在同一设备中完成。

肥料的干燥采用干燥筒，筒内通入热风或热蒸汽使肥料干燥，肥料内含水量要低于3％，充分冷却后包装成袋。

南方湿润地区宜在肥料包装袋内加入干燥剂防止肥料结块，或者在肥料生产过程中加入表面活性剂（聚环氧乙烷、脂肪酸酯等）或矿物油防止肥料吸潮。

2.1.3缓/控释肥料产品的指标

目前，国内外并没有统一规范的缓/控释肥料评价方法，更无国家标准或行业标准，研发机构只参照国外的指标进行评价和准划。

对于缓/控释肥料产品的指标，欧洲委员会的规定是，若在25℃水溶解实验下营养释放能满足下列3条件，则该肥料称为缓释肥料：

（1）24小时释放不大于15%；

（2）28天释放不超过75%；

（3）在规定的时间内，至少有75%被释放。

而日本和美国等国提出控释肥料的指标规定是，在25℃的水中，肥料养分释放能满足下列条件，则认为该肥料是控释肥料：

（1）24小时的初级溶出率不大于40%；

（2）7天的微分溶出率为2%~4%；

（3）7天时间内，至少有80%的养分释放出来。

控释肥料与缓释肥料养分释放指标差异虽然不是很明显，但是对于不同生产企业，不同的肥料品种之间却存在着较为明显的差异。

2.1.4缓／控释肥料的产业化

目前，美国、日本、以色列、波兰及西欧均在大力发展缓控释肥料，1989年以来，控释肥料的消费量平均年递增4.0％，2000年，美国、日本和西欧控释肥料的消费量达61.5万吨，美国和西欧主要用在特种观赏园艺植物和高尔夫球场，日本主要用在蔬菜和水稻栽培上（由国家补贴）。

2004~2005年，美国和西欧的控释肥料预计分别有3.6％和5.4％的增长，从全球缓/控释肥的生产现状看，已成功实现工业化生产的品种有脲甲醛、草酰胺、硫衣包膜尿素和聚合物包膜肥料[7,8]。

国内对缓/控释肥料的研发情况见表1。

国内外采用的包膜材料主要有沥青、树脂（热固性和热塑性）、石蜡、各种聚合物（聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚酯、木质素）、脲醛、硫磺、难溶性磷肥等。

但上述包膜材料有不足之处：

一是材料价格高，比普通等养分化肥高2~8倍；

二是材料功能单一，仅限于控制养分的释放，如普通树脂和塑料只控制养分的释放时段，不具有附加功能（吸附养分、改善土壤理化性质）；

三是包膜材料在土壤中难以降解，对土壤生物及作物有潜在危害；

四是上述材料在肥料表面形成的薄膜存在残缺空洞或完全封闭，养分缓/控释作用和作物的生长需求不能完全匹配。

由此可见，胶结和包膜材料的筛选和制备是缓/控释肥料生产的关键，也是国内外学者研究的热点，改善和减免上述包膜材料的不足之处也是缓控释肥料的发展方向。

表1国内缓/控释肥料产品类型及研发单位

Table1Productivetypesandresearchdepartmentsofslow/controlledreleasefertilizerdomestic

产品类型

研发单位

钙镁磷肥包裹碳酸氢铵（加脲酶、硝化抑制剂）

沈阳应用生态研究所

甲基纤维素、有机酸包膜尿素

西北农林科技大学

微米－纳米材料包膜尿素、复混肥

中国农科院土肥所

高聚物、粘土包膜尿素

中国农业大学

松节油、沸石包膜尿素

北京市农林科学院

硫黄、沥青、石蜡、树脂类包膜尿素、复混肥

山东农业大学

磷酸铵镁包膜尿素、复混肥（乐喜施）

郑州工业大学

果胶、壳聚唐包膜尿素、磷矿粉包裹碳酸氢铵

中国科学院南土所

壳聚唐包膜尿素

华东理工大学

粘土、高聚物包膜尿素

华南农业大学

桐油包裹尿素

昆明理工大学

2.2商品有机肥料

2.2.1商品有机肥料的概念及分类

　　所谓商品有机肥料，就是将有机废弃物（畜禽粪便、作物秸秆、城市垃圾和污泥等）集中进行工厂化处理，通过高温发酵除臭，消灭病毒、病菌，并通过干燥生产出有机肥，或有机－无机复混肥，包装成袋，可以就地使用，也可以较长时间贮存，远距离运输，作为一种商品进入市场[9]。

按照商品有机肥的组成可以分为：

粪便有机肥、秸秆有机肥、腐植酸有机肥、垃圾废弃物有机肥、生物有机肥（含解磷、释钾等功能性微生物和有益微生物）、复合有机肥（含粪便、秸秆、腐殖酸等多种原料）等。

2.2.2商品有机肥的生产技术

商品有机肥的生产过程如图2，主要过程有粉碎、发酵、除臭、脱水、测试评价，关键程序是发酵和除臭。

有机废弃物→粉碎→发酵→除臭→脱水→测试评价

图2商品有机肥料的生产过程

Fig.2Productiveprocessofcommercialmanure

发酵方式有堆肥、通入沼气、塔式发酵、槽式发酵等，一般认为，堆肥是发酵的首选方法，堆肥是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程，在微生物分解有机质过程中，生成大量可被植物吸收的有效氮、磷、钾等化合物，并且合成活性物质腐殖质。

根据堆肥过程中氧气的供应情况，可以分为好氧堆肥和厌氧堆肥。

厌氧堆肥是在通气条件差，氧气不足的条件下由厌氧微生物发酵堆肥，温度低，周期长（3~4个月），异味浓烈，有机物质分解不彻底；

好氧堆肥是在通气条件好，氧气充足的条件下借助好氧微生物的生命活动降解有机质。

通常好氧堆肥堆体温度高，一般在50℃~65℃，故亦称为高温堆肥，周期为1个月左右，有机物质分解彻底。

由于高温堆肥可以最大限度地杀灭病原菌、虫卵及杂草种子，同时将有机质快速地降解为稳定的腐殖质，转化为有机肥，目前，多采用高温好氧堆肥发酵。

除臭有物理、化学和生物方法[10]，物理除臭指加入10％~15％的风化煤或沸石粉；

化学除臭药液选用亚硫酸氢钠和甘油混合水溶液等化学氧化剂作除臭剂，喷淋除臭。

其原因为亚硫酸氢钠可与醛类臭味物质生成结合体，但亚硫酸氢钠在高温环境下稳定性差，易分解，加入少量甘油（亚硫酸钠用量的3％左右）可提高其热稳定性，除臭效率较好；

生物除臭指在有机物料中加入1％的马粪、5％的5406菌剂、硫化细菌菌剂等，其中马粪主要作用是发酵，5406菌剂起到除臭作用。

在生产过程中，采用综合方法除臭效果极显著。

在商品有机肥的生产中，发酵和除臭过程同时进行，大多数厂家生产复合有机肥。

具体过程为：

粪便、垃圾或污泥中加入破碎的有机物料（如秸秆）、除臭剂、功能性微生物（分解纤维素、木质素的菌剂等）等，进行高温堆肥发酵，在发酵起始，调节堆肥物料的含水量、C/N比。

含水量一般为55％~65％，水分含量过低，不利于微生物的生长，水分含量过高，则易堵塞料堆中的空隙，影响通气，导致厌氧发酵，并且堆体温度提升慢。

起始C/N应为25~30:

1，过低使微生物生长繁殖受到抑制，使发酵过程缓慢，以致降解不完全；

过高，成品肥利用价值低，施用时发生氮饥饿现象，争夺土壤中的氮素。

在堆肥发酵过程中，影响堆肥质量的主要参数为含水量、pH值、温度和含氧量。

堆肥过程中的含水量控制在50%-60%为最佳，pH值的适宜范围为6.5~7.5，因为这是微生物（尤其是细菌和放线菌）生长最合适的酸碱度，常见畜禽粪便的pH值都在6~8的范围内，因而在堆肥前一般不需要调节pH值。

如果发酵过程中pH过高或者过低，可加入人粪尿、石灰或者采取通风措施调节。

在堆肥过程中，随着微生物活动的加剧，当微生物降解有机物产生的热量大于堆肥的热耗时，堆肥的温度就上升，若不加控制，温度可达75℃~80℃，因此温升是反映微生物活动剧烈程度的最好参数，而最佳温度为55℃~60℃。

堆肥过程中温度变化为：

开始堆肥时温度和自然温度一样，在中温微生物的作用下，经1天达到40℃~50℃，高温微生物开始活动，经5天左右，温度达到60℃，当温度超过60℃时微生物活动受到抑制，调节的办法是增加通风量。

我国国家标准规定在50℃~55℃以上要维持1周左右，以达到杀灭病原菌、杂草种子的目的。

堆肥内空气的含氧量为8%~15%，当低于8%时，好氧微生物活动降低形成厌氧状态易产生恶臭，并降低堆肥的品质，通过翻推通风调节。

2.2.3商品有机肥产品的指标

腐熟度是查看高温堆肥发酵效果的首选指标[11]，腐熟度指通过微生物的作用，堆肥产物对环境无害，农田施用后不影响作物的生长和土壤耕作的能力。

腐熟度的定量指标主要有物理指标（颜色、气味、温度、粒度）、化学指标（养分含量、C/N比、NH3+-N/NO3--N比、阳离子交换能力、有机质腐殖化程度、重金属含量、pH值等）、生物指标（病原体存在与否、杂草种子、植物种子发芽率等）。

近几年的研究发现，不同堆置时期特征酶的种类和活性变化趋势也可以反映堆肥腐熟过程。

腐熟好的堆肥，表观特征为：

整体呈茶褐色或黑色（生成腐殖质），没有恶臭味，具有土壤的霉味，不再吸引蚊蝇。

质地疏松，手捏之成团，松之即散。

草茎树叶之类用手一拉即断，温度自然降至常温，由于真菌的生长部分呈白色或灰白色。

对产品的化学和生物指标等均有行业标准规定。

总之，产品要达到“三化”标准，分别是均质化（任何部位抽样检查均符合质量标准）、无害化（对农作物、人体、畜禽、环境无害）、腐殖化（合成腐殖质）。

2.2.4商品有机肥的产业化

上世纪90年代中期，商品有机肥作为一种正式的商品进人了市场。

商品有机肥以其肥效长、供肥稳、肥害小、异味小、易运输、易施用、以及无机肥不可替代的有机营养等优点，有力推动了蔬菜、果树、花卉等种植业的发展。

近几年来，随着人们对果蔬产品质量要求的不断提高和对绿色无公害农业产品的渴望，加之农业产业化的发展，商品有机肥的研究与开发得到了长足进展。

发达国家十分重视研究工厂化处理畜禽粪便技术，包括快速发酵技术、除臭技术、发酵养分保全技术、发酵设备、有机肥制作的工艺设备与技术等[12]。

目前，国外在有机肥发酵工艺、技术和设备上已日趋完善，基本上达到了规模化和产业化水平。

日本畜禽粪便堆肥化已实现工厂化，研制的卧式转筒式和立式多层式快速堆肥装置，发酵时间约1~2周，具有占地少、发酵快、质地优等特点。

俄罗斯研制的有机发酵装置，生产率达到每天生产100吨有机肥。

美国BIOTEC2120高温堆肥系统，由10个大型旋转生物反应器组成，通过微生物发酵在72小时内可处理1000多吨畜禽粪便或垃圾，使之成为优质有机肥料，这种技术对高湿物料具有特殊的功效[13]。

表2国内商品有机肥料产品类型及研发单位

Table2Productivetypesandresearchdepartmentsofcommercialmanuredomestic

秸秆、禽畜粪便进行生物发酵生产有机肥、有机复混肥

北京神农采禾生物科技有限公司

有机废物（畜禽粪便）和草炭腐植酸经微生物发酵生产生物有机肥

黑龙江省伊春市星光生物有机肥开发有限公司

风化煤提取腐植酸生产腐植酸有机肥

山西省新绛县财吉腐植酸有限公司

畜禽粪便经多种有益微生物快速发酵、腐熟、除臭、干燥而成

石家庄市茂园生物有机肥厂

城市生活垃圾、畜禽粪便、秸秆进行生物发酵而成

山东宝来利来生物工程研究院

城市生活垃圾、秸秆，经微生物发酵而成

广州能源研究所下属公司博罗垃圾厂

鸡粪、高活性天然腐植酸及纤维物质发酵而成

云南晨环生态有机肥厂

中国是传统有机肥生产和使用大国，但真正对有机肥进行系统研究始于20世纪50、60年代，重点是总结农民传统经验，完善有机肥积、制、保、用技术。

目前，我国部分复混肥厂家已开始生产商品有机肥，原料主要是草炭、风化煤、秸秆和畜禽粪便，生产规模小，效率低，污染较严重，生产技术还处于起步阶段，发酵技术、除臭技术、关键设备等还有待完善。

表2列出了国内部分代表性商品有机肥的研发单位及产品。

2.3生物肥料

2.3.1生物肥料的概念及分类

生物肥料又名细菌肥料、菌肥、生物肥料、接种剂、农用微生物产品等，从产生发展至今已有100年的历史，但真正从工业化生产进入市场形成商品，只是近几十年的事情。

不同的发展阶段，付予生物肥料不同的名称，从“根瘤菌剂”到“菌肥”，再到“微生物肥料”，现在，国际上对广泛用于农业生产的菌肥统称为“生物肥料”。

所谓生物肥料是一类以微生物生命活动及其产物导致农作物得到特定肥料效应的微生物活体制品，在这种效应的产生中，活微生物起关键作用[14]。

生物肥料具有生产成本低、效果好、不污染环境，施后不仅增产，而且能提高农产品品质和减少化肥用量，在农业可持续发展中占有重要地位。

生物肥料的种类很多，按照产品中特定微生物的种类可分为细菌肥料（如根瘤菌肥、固氮菌肥）、放线菌肥料（抗生菌类）、真菌肥料（VA菌根真菌）等；

按照产品作用机理可分为根瘤菌类肥料、固氮菌类肥料、溶磷菌类肥料、解钾菌类肥料、硅酸盐细菌类肥料等；

按照产品中微生物种类的多寡又可分为单一生物肥料、复合生物肥料。

生物肥料剂型多样，可以是液态、固态或膏状（加入基质载体）。

2.3.2生物肥料的生产技术

生物肥料的生产包括微生物的培养（图3A）和肥料的生产（图3B）2个过程。

微生物的培养包括培养、提纯、鉴定、复壮、发酵；

肥料生产包括有机物料（基质载体）烘干灭菌、投放微生物、搅拌、评价。

影响产品质量的几个关键步骤是微生物的提纯、鉴定、复壮、发酵。

A、微生物原种→平板培养→摇床培养→提纯→鉴定→复壮→发酵

B、有机物料→烘干灭菌→投放微生物→搅拌→产品→评价

图3生物肥料的生产过程

Fig.3Productiveprocessofbio-fertilizer

生物肥料产品的质量关键是菌种，菌种必须认真鉴定和提纯，防止动植物检疫对象、传染病病原体的混入，还要经过严格的性能鉴定，如固氮菌的固氮能力的鉴定，根瘤菌的侵染能力、结瘤能力和固氮能力的鉴定等，只有提纯选育出具有良好性能的菌株生产的菌肥，在生产上才能发挥出增产的效果。

一个优良的菌株在长期传代过程中会发生变化，如固氮菌的固氮能力下降，糖化菌的糖化能力下降，解磷菌的解磷能力下降等等，因此生产上必须经常检查菌株的活性，对衰退菌株及时处理才能保证产品的质量。

另外，菌株必须隔一定时间检查性能并进行复壮，最合适的复壮方法是回归到自然环境中去培养，因为生产菌肥的菌株无论是固氮菌、根瘤菌还是磷细菌、钾细菌都是土壤中的微生物，在土壤中更能强壮旺盛地生长和繁殖，也可以用土壤浸提液进行复壮，而人工培养容易退化。

发酵要根据各种菌种的生长繁殖条件控制温度、湿度和pH值，一般菌种发酵温度为25℃~38℃，pH值为5~8.5。

目前，微生物肥料的剂型除草炭载体粉剂外，还有液体剂型、冻干剂型、矿油封面剂型、颗粒剂型等，以适应不同条件。

为了使生物肥料接种时不致散落，可以使用粘着剂羧甲基纤维素、硅酸镁、丙烯－丙烯酰胺、接枝淀粉等，提高接种效果的营养添加剂技术也不断发展。

2.3.3生物肥料产品的指标

生物肥料的核心是肥料中特定的具有活性的微生物必须达到一定的数量和纯度，符合国家标准和要求，纯度和数量低于标准，则不能称为生物肥料[15]。

含有基质载体的生物肥料一般标准为：

有效活菌数≥0.2亿／g，有机质含量（以干基计）≥25％，水分含量≤30％（粉剂）、≤15％（颗粒），pH值5.5~8.5，粪大肠菌数≤100个／g，肥料有效期≥6个月；

生物肥料产品中As、Cd、Pb、Cr、Hg含量指标应符合国家行业标准；

若产品中加入无机养分，应标明产品中总养分含量，以（N+P2O5+K2O）总量表示。

2.3.4生物肥料的产业化

世界上最早的生物肥料是1895年德国推出的“Nitragin”根瘤菌接种剂，到20世纪30年代美国、澳大利亚、英国等国家都有了根瘤菌接种剂产业。

随着化肥环境问题的出现，以及无公害农业的发展，生物肥料在最近20多年里发展较快，研究领域不断拓宽，溶磷、解钾等生物肥料新产品不断问世。

目前至少有70多个国家生产、应用和推广生物肥料，并制定了产品技术标准和质量监督体系，目前，全世界生物肥料年产量超过1000万吨。

从国内外的实践应用报道来看，根瘤菌肥料应用历史最长、效果稳定、应用广泛，尤其PGPR（根际促生菌）的促生防病研究成为近10年研究热点，其研究主要集中在假单胞菌类，该类群能够抑制多种植物病害特别是土传病害。

研究范围主要包括有效根部定殖、抗生作用、根际营养竟争、诱导植物抗性和分泌降解病原微生物的酶等。

加拿大研制出“根瘤菌＋PGPR”复合菌肥，巴西的PGPR制剂已是小麦、玉米等作物的重要肥料。

随着分子生物学的渗人，对促生防病遗传性状分析，采用遗传工程手段加以改良，英、美等国已经成功构建表达Prn基因的菌株，并成功导人HCN基因簇，获得提高生防活性的菌株。

另外，新型秸秆腐熟菌剂、土壤与环境污染修复菌剂等的研发也发展很快。

国内基本形成了微生物肥料产业，在国家农业部登记的产品种类有13个，全国约有450个生物肥料企业，年产量超过200万吨，生物肥料由单一功能向复合功能发展，由单一接种剂向复合生物肥料转变，由无芽抱菌种生产向芽抱菌种发展，由单一菌种向复合菌种转化（不局限于根瘤菌）等。

然而生物肥料要进入土壤，其有效性的外部因素是土壤条件和环境因素。

当生物肥料施入土壤后,土壤为休眠的微生物提供了复苏的条件，但微生物能否繁殖和旺盛代谢，取决于土壤的pH值、湿度、温度和通气性等条件以及养分含量（微生物与作物之间将会竞争养分）；

加之，微生物和作物品种、土壤类型之间的关系也比较复杂；

化肥品种和配比也会对微生物的生存产生影响，甚至产生负面作用；

另外有关生产工艺、装备、安全性等都有待进一步研究加以解决。

因此，笔者认为生物复合物作为肥料的发展方向无疑是正确的，但要进行大规模生产和推广应用尚需时间。