全荣
本文介绍了以钢铁渣为原料的肥料的发展史以及肥料管理法规定的肥料标准，并对高炉渣和钢渣作为肥料原料进行了比较，阐述了其所含的有效成分，此外还介绍了从2009 年开始的钢渣作为肥料用途显著扩大的研发案例。
1 前言
根据日本钢铁渣协会2012 年度渣利用的统计数据，高炉渣用于土建的为139 万吨，用于水泥的为1822 万吨，用于道路路基材料的为334 万吨。钢渣用于土建的为347 万吨，用于水泥的为53 万吨，用于道路路基材料的为26 万吨。此外，用于肥料和土壤改良的高炉渣为16 万吨，钢渣相对较少为10 万吨。需要说明的是，文中的钢渣是指转炉炼钢渣。钢铁渣用于肥料和土壤改良可以将钢铁渣的化学性优势运用于植物的生长和农业生产，是环境和谐型用途。根据肥料管理法的官方标准规定，不管是作为普通肥料注册还是作为特殊肥料申报，作为肥料都是可以商品化的、具有特色的钢铁渣用途。
2 钢铁渣作为肥料的研究
2.1 以钢铁渣为原料的肥
料发展史和肥料管理法钢铁渣的肥料用途最初是以欧洲为中心开始的。1878 年英国开发了托马斯转炉炼钢法。之后，在德国托马斯转炉炼钢法得到发展。1882 年德国的瓦格纳报告用托马斯转炉炼钢法产生的钢渣制成磷酸肥料。托马斯转炉炼钢法产生的渣经粉碎后制作的磷酸肥料“托马斯磷肥”对植物的生产效果好，非常普及。到了20 世纪60 年代，德国“托马斯磷肥”的年产量达到了250 万吨。1918年日本钢管的川崎厂引进了托马斯转炉炼钢法，开始生产“托马斯磷肥”，之后托马斯转炉炼钢法并没有普及。从70 年代中期起，德国开始使用可以供给植物所需的三大元素氮(N)、磷(P)、钾(K)的NPK 复合肥，“托马斯磷肥”的产量急剧减少。现在，已经小再生产“托马斯磷肥”。
日本第二次世界大战后使用各种各样的肥料，包括没有效果的肥料。为了监督这种状况，1950年实施了肥料管理法。在肥料管理法中，将该法律制定前作为肥料使用的、农户用五种感官可以期待肥效的肥料，作为特殊肥料认定。特殊肥料中有鱼粉、米糠、堆肥等。以钢铁渣为原料的肥料含有铁物质，被作为特殊肥料认定。特殊肥料(含铁)被规定为褐铁矿、矿渣、铁粉和岩石风化物，含铁分10%以上的物质。
肥料管理法中除规定了特殊肥料之外，还重新规定了普通肥料。普通肥料虽然是官方明确规定的肥料，但还是作为特殊肥料以外的肥料定义。普通肥料中有氮肥、磷酸肥、钾肥、石灰肥、苦土肥、硅酸肥、锰肥等标准。以钢铁渣为原料的普通肥料，目前有矿渣硅酸质肥料、副产石灰肥、矿渣磷酸肥的标准(见表1-表3)。
在以钢铁渣为原料的肥料中，最具代表性的是“矿渣硅酸质肥料”。1955 年，盛产水稻的日本在世界首次设定了硅酸肥料的标准。60 年代，其矿渣硅酸质肥料的年产量达到了100 万吨以上。
这时作为矿渣硅酸质肥料的原料使用的是高炉渣。以高炉渣为原料的矿渣硅酸质肥料现在使用“ケィヵル”的商品名。但是与德国的“托马斯磷肥”一样，进入70 年代，以高炉渣为原料的矿渣硅酸质肥料的生产量急剧减少。根据2012 年度钢铁渣协会的统计数据，用于肥料和土壤改良的高炉渣和钢渣合计为26 万吨。
2.2 以高炉渣为原料的肥
料和以钢渣为原料的肥料对比钢铁渣分为高炉渣和钢渣。表4 是高炉渣和钢渣的典型组成。高炉渣作为矿渣硅酸质肥料的原料，年使用量约16 万吨。钢渣作为矿渣硅酸质肥料、副产石灰肥料、矿渣磷酸肥料和特殊肥料的原料，年使用量约10 万吨。钢渣与高炉渣相比，SiO2 的组成偏低。但是，钢渣含有的SiO2多是容易被植物利用的有效硅酸来源。因此，可以期待钢渣比高炉渣更有效地向植物供给硅酸。
表4 所示钢渣的组成是转炉渣的组成。钢渣有铁水预处理渣和转炉渣。铁水预处理渣也有SiO2含量超过20%的，可作为硅酸肥料的原料利用。比较表4 中高炉渣和钢渣的组成可知，钢渣中除含有Ca、Si 外，还含有Mg、Mn、Fe、P 等肥料的有效成分。高炉渣中Al 含量高。Al 容易与土壤中的磷酸结合，是阻碍植物吸收磷酸的元素。所以，最好用以钢渣为原料的肥料。图1 和图2 是日本钢铁渣协会统计的分别用于肥料、土壤改良的高炉渣、钢渣的年使用量的变化。从图1 可以看出，2008-2012 年度每年用于肥料、土壤改良的高炉渣用量在15 万吨左右。图2 显示，2010 年度用于肥料、土壤改良的钢渣量约为6.9 万吨，经过连续两年增加，到2012年度已增加至10.3 万吨。也许是因为以钢渣为原料的肥料的有用性正处于被认识的阶段。
2.3 钢铁渣含有的肥料有效成分
在说明肥料有效成分之前，先要注意肥料组成的表示法。在肥料组成中，习惯用许多肥料的有效元素来表示氧化物组成。例如，Ca 作为CaO，Si 作为SiO2，Mg 作为MgO，P 作为P2O5 表示组成。但是对于Mn 和Fe，是用元素的含量表示组成。而CaO 读为石灰，SiO2 读为硅酸，MgO读为苦土，P2O5 读为磷酸。化学上这种读法不能说正确，但已习惯采用这种肥料组成表示的特殊性。
硅酸(SiO2)的效果:硅酸在以钢铁渣为原料的肥料中是最主要的有效成分。例如有报告指出，在收获量6t/ha 的水田中，水稻的氮吸收量是100-120kg/ha，而硅酸的吸收量达到1000-1200kg/ha，为氮吸收量的10 倍。水稻是需要吸收大量硅酸的植物，如果硅酸被水稻的根部吸收，在水稻的茎和叶的表层形成硅化细胞(由玻璃质组成的细胞)，组成坚硬的硅化细胞壁，有助于细胞群的有序排列，使茎和叶生长健壮，提高向光性，促进光合成，有抑制植物病原菌感染的效果。还有报告指出，硅酸关系到稻米的品质和味道。如上所述，像水稻种植一季，每公顷约吸收1 吨的硅酸。有学者指出日本许多水田土壤有可能陷入硅酸不足。除了水稻之外，需要硅酸的植物还有甘蔗、玉米、小麦和大麦等。
石灰(CaO)的效果:石灰(CaO)因碱性对酸性土壤有中和的效果。此外，碱性对抑制士壤病害也有效。而且钙强化植物的根部，对促进植物吸收钾起重要作用。
苦土(MgO)的效果:苦土(MgO)也是碱性，对改良酸性土壤有效。镁是叶绿素的构成元素，可促进光合作用。磷酸(P2O5)的效果:磷(P)是植物必须的三要素之一，如果没有磷，植物就不能生长。磷可以促进植物的生长、根的延伸、开花和结果。锰(Mn)的效果:锰(Mn)关系到叶绿素的生成，促进光合作用。铁(Fe)的效果:铁(Fe)将土壤中的硫化氢转化为无害化的硫化铁，有减轻对植物根部危害的效果。还关系到叶绿素的生成，促进光合作用。
2.4 研究开发的案例
2.4.1 硅化细胞的形成和芝麻叶枯病的抑制效果
水稻的叶、穗和茎出现芝麻状斑点，严重时会使水稻枯死。近年来，在日本主要水稻产地新渴县，芝麻叶枯病成为问题。硅酸肥料由于硅化细胞的形成，可期待有抑制芝麻叶枯病的效果。因此，新渴县农业综合研究所和千叶大学共同研究，通过施用以钢渣为原料的硅酸肥料，调查了对抑制芝麻叶枯病的效果。在土壤中以lt/ha 施用钢渣为原料的硅酸肥，观察到随着芝麻叶枯病斑点的减少，水稻叶子表面形成更多硅化细胞。与不施用以钢渣为原料的硅酸肥相比，几乎未发现芝麻叶枯病的病原菌。
2.4.2 磷酸肥料的效果确认和肥料注册
鹿岛厂的铁水预处理脱磷渣含磷酸(P2O5)约5%。在鹿岛厂资源能源部的协作下，购入该厂的脱磷渣试料，进行了肥料管理法规定的分析，分析结果全部满足表3 中矿渣磷酸肥料的标准。并通过种植小松菜试验了脱磷渣作为磷酸肥料的效果，结果显示添加脱磷渣肥料的小松菜长势壮于未添加的。因此，将鹿岛厂脱磷渣作为磷酸肥料鹿岛1 号，于2013 年6 月25 日进行了肥料注册。
2.4.3 利用钢渣对海啸损毁农田进行土壤改良
东日本大地震使许多农田被海啸损毁，宫城县有约15000 公顷，福岛县约5900 公顷农田受灾。以钢渣为原料的肥料含CaO 多，通过海水使吸附在土壤颗粒的钠离子(Na+)与肥料供给的钙离子(Ca2+)交换，期待促进除盐。此外，海啸堆积土中因黄铁矿(FeS2)氧化，产生硫酸使土壤酸性化。这时，有望用以钢渣(含有CaO)为原料的肥料的碱性来抑制黄铁矿(FeS2)的氧化，从而改良土壤的pH 值。有研究者于2012 年4 月在福岛县相马市的海啸损毁水田的酸性化土壤中，施用以钢渣为原料的肥料，试验栽培了水稻。图3 是施用以钢渣为原料的肥料前后的水田土壤中pH 值的变化。通过在酸性化pH=4 的水田土壤中施用以钢渣为原料的肥料，土壤改良为适合栽培水稻的pH 值(约5.5)。水稻顺利生长，收获与常年一样。
在2012 年度实施的土壤改良和水稻试验栽培结果的基础上，修复海啸损毁农田的项目被作为福岛县相马市的项目，由东京大学、相马市、JA 相马于2013 年度开始实施。2013 年度约40公顷海啸损毁农田平均5t/ha 施用以钢渣为原料的肥料，进行了水稻种植，获得了与灾前相同的稻米收获量。2014 年度相马项目继续实施，计划修复约200 公顷的海啸损毁农田。与相马项目不同，作为日本钢铁协会的生产发展项目，由东北大学多元物质科学研究中心，野外环境研究中心利用钢渣修复海啸损毁农田的研究也于2014 年以宫城县内为中心开始实施。
2.4.4 作为堆肥利用
家禽畜粪便形成的堆肥可以作为含有N、P 的肥料利用。在家禽畜粪便中混合钢渣，制或除含有N、P 外，还含有Ca、Si、Mg、Mn、Fe 等成分的堆肥。在牛粪中混合15%的钢渣与不混合钢渣制堆肥的试验中，在距堆肥表面20cm 深处测定的温度变化示于图4。混合钢渣时，温度约上升到70℃，而不混合钢渣时只上升到58℃。每10 天进行翻动时，温度暂时下降，但其后再次上升。混合钢渣时，堆肥内部温度保持在65-70℃，所以认为短时期可以堆肥化。图5 是将制作的堆肥用于小松菜后，堆肥腐熟度的调查结果。
根据用于小松菜的堆肥腐熟度的试验结果，在牛粪中混合钢渣制作的堆肥发芽率在80%以上，判定可用于作物的栽培。图6 是施用在牛粪中混合钢渣的堆肥和不混合钢渣的堆肥以及不使用堆肥时，卷心菜栽培试验的结果。结果表明使用混合钢渣制作的堆肥时，收获量最高。根据上述结果，明确了钢渣与家禽畜粪便混合可以作为堆肥利用。
2.5 钢渣用于肥料的问题
以钢铁渣为原料的肥料几乎不含植物必须的元素N、K，P 的含量也低，所以必须与含N、P、K 的复合肥和堆肥一块使用。农户在考虑肥料成本和施肥所花费人力和时间时，优先考虑的是成本低的肥料。这是以钢铁渣为原料的肥料需要克服的不利因素。
例如，水稻需要大量的Si，有报告指出日本水田土壤的硅酸含量低，期待以硅酸对植物供给能力高的钢渣为原料的肥料的普及。此外，对钢渣含有的Si、Ca 以外的Mn、Fe、Mg 等有效成分，如果发现新的功效，就有可能开拓新的用途。
最后，在钢铁渣的肥料用途中，应该注意的一点是有害金属的检测。矿渣硅酸质肥料、矿渣磷酸肥料的肥料标准的名称用矿渣表示。有可能存在是否含有害重金属的担心。为了确立作为肥料的可信赖性，必须遵守肥料管理法规定的有害金属的标准和公害对策基本法规定的土壤环境标准。
3 结语
钢渣中含有Si、Ca、P、Mg、Mn、Fe 等各种肥料有效成分。除了原来作为肥料使用的硅酸肥和石灰肥之外，还有作为磷酸肥料注册的肥料。因水稻需要大量的Si，所以作为硅酸肥普及，而且对改良酸性土壤等也有效。钢渣除单独作为肥料使用外，还可以与家禽畜粪便等混合作为堆肥使用，促进家禽畜粪便的有效利用，有望给植物提供多种肥料的有效成分。