可降解保水緩/控釋肥研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望*

牛育華，王柯穎，羅 翼，駱 筱，延小雨

(1.陜西科技大學，教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室 陜西西安 710021；2.陜西農產品加工技術研究院 陜西西安 710021； 3.銅川職業(yè)技術學院 陜西銅川 727031；4.西安長慶化工集團有限公司 陜西西安 710018)

可降解保水緩/控釋肥研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望*

牛育華1，2，王柯穎1，3，羅 翼4，駱 筱1，延小雨1

(1.陜西科技大學，教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室 陜西西安 710021；2.陜西農產品加工技術研究院 陜西西安 710021； 3.銅川職業(yè)技術學院 陜西銅川 727031；4.西安長慶化工集團有限公司 陜西西安 710018)

隨著科技的進步和環(huán)境問題的日益加重，單純的保水緩/控釋肥已不能滿足農業(yè)生產的需求，開發(fā)可降解保水緩/控釋肥具有巨大的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。概述了可降解保水緩/控釋肥的概念及研究現(xiàn)狀，介紹了可降解保水劑與肥料的復合方式，分析了可降解保水緩/控釋肥的優(yōu)點及目前存在的問題，并對今后的發(fā)展方向進行了展望。

可降解；保水；緩/控釋肥；展望

我國人口眾多，糧食成為解決我國民生問題的基礎。養(yǎng)分缺乏和水分不足是制約我國糧食生產的重要因素之一，提高肥料利用率是增加糧食產量的重要環(huán)節(jié)，發(fā)展可持續(xù)高效農業(yè)已經成為世界各國共同關注的問題，而使用保水緩/控釋肥料是解決這一問題的有效途徑，即農業(yè)發(fā)展“關鍵在水，出路在肥”[1]。

隨著科學技術的不斷進步和環(huán)境問題的日益加重，單純的保水緩/控釋肥已經不能滿足農業(yè)生產的需求，綠色保水緩/控釋肥開始進入人們的視野，通過可降解保水緩/控釋肥的制備，使農業(yè)生產進入環(huán)境友好的發(fā)展行列。

1 可降解保水緩/控釋肥概念及研究現(xiàn)狀

緩/控釋肥是20世紀40年代誕生的一個新名詞，以可緩釋、效率高為特點發(fā)展至今。緩釋肥又稱長效肥，是用具體不同的材料在肥料表面包裹上所需厚度，使其滿足農作物在生長期間對養(yǎng)分的需求，降低養(yǎng)分釋放速率，減少肥料浪費?？蒯尫适且环N更為先進的緩釋肥料，通過更加有效的包膜材質包裹肥料，滿足農作物在不同生長期對養(yǎng)分不同的需求量和需求速率，可更加充分地利用肥料的各個養(yǎng)分基團[1]。盡管緩/控釋肥的施用提高了農作物的產量，但是當肥料養(yǎng)分釋放殆盡以后，包膜材料長期殘留于土壤中必然會造成嚴重的生態(tài)環(huán)境污染[2]，因此，通過物理、化學、生物等方法開發(fā)環(huán)境友好型可生物降解的保水緩/控釋肥料，不僅有利于提高農作物的品質和產量，有利于減輕環(huán)境污染，而且有利于現(xiàn)代可持續(xù)農業(yè)的發(fā)展。

保水劑是一種能夠吸水膨脹的高分子樹脂，含有羧基、氨基等各種親水基團，這些官能團通過與大分子碳鏈之間的適度交聯(lián)而形成三維網(wǎng)絡結構，吸水能力超強，且可以反復吸水、放水，絕大部分水分都可被植物所利用，具有調水、節(jié)水、合理用水和改善土壤結構的作用[3]?？山到獗Ｋ?控釋肥所用的保水劑為可降解高吸水樹脂，是一種功能高分子材料，可以吸收自身質量幾百倍甚至上千倍的水，且在高壓下仍然能夠留住大部分的水。將可降解高吸水樹脂與緩/控釋肥結合起來，開發(fā)緩/控釋效果好、環(huán)境友好的可降解保水緩/控釋肥，具有巨大的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

目前，關于可降解保水緩/控釋肥的研究已經有所報道。馬來西亞學者對改性木質素與天然木薯淀粉的混合包裹進行了研究，并通過紅外和黏度測試，得出木質素與木薯淀粉最佳的質量配比為1∶9，同時通過材料在土壤中不同的半衰期指數(shù)證明包膜厚度對緩釋效果的影響很大[4]。張玉龍等[5]用聚乙烯醇-淀粉作交聯(lián)劑，并與硅藻土共混制備出可降解且價格低廉的包覆材料，經紅外光譜分析，該材料可與氮肥包覆并形成了新的化學鍵，提高了緩釋性。杜建軍等[6]利用可降解的天然分子殼聚糖與吸水樹脂結合制備了可生物降解的包膜材料，從而得到既具有保水功能又具有保肥功能的包膜材料。徐浩龍[7]用膠磷礦、淀粉與丙烯酸鹽進行共聚，并加入過硫酸鉀和N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯(lián)劑和引發(fā)劑，制備出具有保水性的緩釋包膜材料。陳強等[8]把殼聚糖等天然產物通過共混、交聯(lián)作用，制備出可生物降解的緩釋包膜材料，并通過力學性能、相容性等指標的測定，發(fā)現(xiàn)其具有良好的降解性能與吸水性能，效果優(yōu)于純殼聚糖。這些合成物質均具有緩釋效果與保水保肥特性，并且具有一定的可生物降解性。

2 可降解保水劑與肥料的復合方式

可降解保水劑與肥料復合的方式主要有4種類型。

2.1 混合復配型可降解保水肥料

混合復配型可降解保水肥料是直接將可降解的保水劑與普通肥料按設定比例混合，然后通過物理加工的形式，即雜糅制粒、圓盤造粒等制得可降解保水肥料，是制備保水肥料最簡單的工藝方法。此法的優(yōu)點是制備工藝簡單、生產成本低，缺點是制備的保水肥料緩釋性能較差，而且在結合度方面也不如其他方法牢固。葉云等[9]用吸水率大于400倍的淀粉接枝丙烯酸鈉，然后將保水劑與尿素、微量元素共混制備了保水長效復合肥，并以盆栽蔬菜與水果為對象，試驗驗證了該肥具有一定的抗旱性能。

2.2 物理吸附型可降解保水肥料

物理吸附型可降解保水肥料是將可降解保水劑放入可溶性肥料溶液中，形成富含肥料養(yǎng)分的水溶膠或水凝膠，也可將富含營養(yǎng)的水溶膠和水凝膠烘干后使用。此法的優(yōu)點是制備工藝簡單、肥料養(yǎng)分種類及濃度可控，缺點是養(yǎng)分含量受保水劑表面電荷和結構的影響較大，即受保水劑吸鹽水性能影響較大。Liang R.等[10]制備了小麥秸稈-聚丙烯酸保水劑，并通過物理吸附的方法制備了保水劑-尿素水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)：保水劑負載的尿素量與尿素溶液濃度有關，尿素溶液濃度越高，進入保水劑內部網(wǎng)狀結構的尿素分子就越多，在干燥過程中水分揮發(fā)而尿素被固定下來；施入土壤后，保水劑先吸水膨脹成水凝膠，尿素隨即溶解，隨保水劑內部水分與土壤溶液之間的動態(tài)交換而緩慢釋放。

2.3 化學反應型可降解保水肥料

化學反應型可降解保水肥料是直接利用聚合反應使肥料通過吸附、包埋等方式進入聚合物基質中，或肥料分子與聚合物單體通過共聚進入聚合物分子中，肥料與親水聚合物成為完全一體化的物質。此法具有保水性好、養(yǎng)分含量高、水肥作用密切等優(yōu)點，既提高了保水肥料的養(yǎng)分含量，還可引入新的養(yǎng)分控釋機制，改善保水肥料的緩釋性能，但養(yǎng)分供應量受保水劑化學組成和結構的影響較大。Rahman M. H.等[11]通過共價聚合反應，在過硫酸鉀作引發(fā)劑合成的聚丙烯酸基質中加入尿素，得到了含氮質量分數(shù)24.76%的聚合尿素，在種有辣椒的土壤中施用10 d后，土壤氮含量明顯高于普通尿素組，且土壤中氮含量隨時間緩慢降低，至種植期結束仍可檢測到部分殘留氮，而普通尿素組的土壤氮含量在短時間內迅速降低并接近于零。

2.4 核殼包覆型可降解保水肥料

核殼包覆型可降解保水肥料是以可降解保水劑作為包覆材料，然后通過物理或化學的方法將其包覆于肥料顆粒外層。在此種復合方式中，可降解保水劑作為包覆肥料的膜材料使用，既能保證肥料的高效性，還能保持可降解保水劑的完整內部結構和保水性能，即最大限度地發(fā)揮了肥料的肥效，還充分發(fā)揮了保水劑的保水保肥功能。包膜的方式可分為保水劑單層包膜和復式包膜，單層包膜肥料主要是靠吸水劑吸水溶脹后對養(yǎng)分的阻礙和吸附作用而起到緩釋效果；復式包膜肥料往往依靠內膜對于肥料表面的附著黏結，阻礙水分內擴，進而防止養(yǎng)分迅速釋放。肖強等[12]用水基成膜法分別對氮、磷、鉀肥進行包膜，所制得的丙烯酸酯類包膜肥表面光滑、厚實、均一，與速效肥相比，氮素累積溶出率達到50%所需時間延長了37 d。

3 可降解保水緩/控釋肥的優(yōu)點

3.1 有效緩解肥料浪費

肥料主要成分是氮、磷、鉀，需要從煤礦、磷礦、鉀礦中提取，但我國礦產資源有限，特別是鉀肥年進口量達幾百萬噸，低的肥料利用率造成巨大的經濟損失?？山到獗Ｋ?控釋肥可以實現(xiàn)肥料中各種營養(yǎng)元素的緩慢釋放，從而減少肥料的使用量，提高肥料的利用率。

3.2 保護生態(tài)環(huán)境

未被農作物吸收的化肥不僅增加農業(yè)生產成本，而且導致了嚴重的環(huán)境問題。我國化肥的平均施用量超過了440 kg/hm2，是全球化肥平均施用量的3倍。據(jù)中國科學院南京土壤研究所的研究結果，我國每年流失到江河中的氮是1 200 kt，滲透到地下水中的氮是500 kt，通過黃河、長江、珠江水系排入大海中的氮在1 200 kt以上[13]，這其中大量的氮主要來自于農業(yè)。而施用可降解保水緩/控釋肥可提高肥料利用率，減輕過量施肥對土壤和水質的破壞。

3.3 促進作物生長

可降解保水緩/控釋肥可同時向作物提供生長所需的養(yǎng)分和水分，具有“水肥互促”效應，可使水和肥的效應都達到最大化；緩釋可以減少因淋溶或隨地表徑流從土壤中損失的養(yǎng)分；可降解保水劑所吸收的水分能夠供植物吸收利用，為植物的生長創(chuàng)造良好的營養(yǎng)環(huán)境[14]。利用可降解保水緩/控釋肥的保水與緩釋功能，可將其作為植物生長的促進劑、苗木移植的保水劑、植物出苗的保護劑等，還可增加作物體內葉綠素的含量、葉片的面積，從而提高農作物的產量和改善農作物的質量。

4 可降解保水緩/控釋肥現(xiàn)存的問題

4.1 緩/控釋性能的調控

目前，雖然對可降解保水緩/控釋肥的研究已初見成果，但是依然存在一些問題，如保水劑吸水膨脹后空隙增大，使得養(yǎng)分極易流出，導致緩/控釋效果大大降低。這可以通過調整包膜的厚度、對包膜材料進行改性等方式對養(yǎng)分釋放速率進行調控，或者采用雙層包膜的方法來促進其緩釋性能的發(fā)揮。

4.2 生產成本的降低

雖然可降解保水緩/控釋肥的研究越來越多，但應用尚處于初級階段，其原因是受包膜材料價格、勞動力成本和工藝設備等多方面因素的影響，可降解保水緩/控釋肥的價格一般為常規(guī)速效肥的3～5倍[17]，當前只能在小范圍內推廣，大多用于花卉、草地、園林景觀等高經濟回報植物的種植中。因此，研究低成本、緩釋性好的可降解保水緩/控釋肥是目前研究的重點。

4.3 評價體系的統(tǒng)一

目前，雖然對可降解保水緩/控釋肥的研究越來越多，但沒有固定的評價體系，大多是根據(jù)原料進行分類歸總，對其生產過程中可能對環(huán)境影響的分析比較少，對其吸水倍率的測定方式也沒有統(tǒng)一的標準[16]。因此，應通過系統(tǒng)研究可降解保水緩/控釋肥在土壤中的肥效，盡快建立統(tǒng)一的肥效和吸水倍率測定方法，為在不同農田生態(tài)環(huán)境條件下不同農作物對營養(yǎng)的需求提供科學的參考依據(jù)。

5 可降解保水緩/控釋肥的發(fā)展方向

(1)將中微量元素、大量元素、殺蟲劑、除草劑等與可降解吸水樹脂復配，使保水類農用物資多元化、多功能化、多重化，即多種功能的保水肥料是未來發(fā)展的方向之一。

(2)改變高吸水樹脂的組成并設計出其與肥料更簡易實用的結合方法，進一步優(yōu)化養(yǎng)分緩釋模式以適應作物對養(yǎng)分的需求規(guī)律。

(3)提高吸水性聚合物的離子保持能力和生物降解速率，控制鹽分的不利影響。

(4)完善可降解保水型控釋肥料的評價體制，加強養(yǎng)分釋放機理和釋放速率、肥料性能及質量檢驗方法等方面的理論與實踐的研究。

(5)由于不同作物生長時的需肥規(guī)律不盡相同，要求可降解保水緩/控釋肥具有不同的緩釋性能[20- 22]，但到目前為止，還沒有專門針對某種作物專用的可降解保水緩/控釋肥。因此，開發(fā)專用的可降解保水緩/控釋肥也是今后發(fā)展的方向之一。

[1] 景旭東，林海琳，閻杰.新型緩釋/控釋肥包膜材料的研究與展望[J].安徽農業(yè)科學，2015(2)：139- 141.

[2] 吳平，谷樹忠.我國土壤污染現(xiàn)狀及綜合防治對策建議[J].發(fā)展研究，2014(4)：8- 11．

[3] 金秋，李潮海.吸水保水功能高分子在緩釋肥料上的應用[J].農業(yè)科學研究，2015(4)：58- 63.

[4] ARIYANTI S, MAN Z, BUSTAM M A. Improvement of hydrophobicity of urea modified tapioca starch film with lignin for slow release fertilizer[J]. Advanced Materials Research，2012，626：350- 354.

[5] 張玉龍，鄒洪濤，虞娜.以有機無機涂膜材料包裹尿素研制緩釋肥料的研究[J].土壤通報，2005(2)：198- 201.

[6] 杜建軍，廖宗文，王新愛，等.高吸水性樹脂包膜尿素的結構特征及養(yǎng)分控/緩釋性能[J].中國農業(yè)科學，2007(7)：1447- 1455.

[7] 徐浩龍.淀粉/聚丙烯酸/膠磷礦緩釋肥包膜材料的制備及性能研究[J].湖南農業(yè)科學，2012(7)：62- 64.

[8] 陳強，張文清，呂偉嬌，等.可生物降解的殼聚糖肥料包膜材料的研究[J].高分子材料科學與工程，2005(3)：290- 293.

[9] 葉云，崔英德，尹國強，等.保水長效復合肥的生產與應用[J].廣州化工，2000(4)：91- 93.

[10] LIANG R, YUAN H B, XI G X, et al. Synthesis of wheat straw- g- poly (acrylic acid) superabsorbent composites and release of urea from it[J]. Carbohydrate Polymers，2009(2)：181- 187.

[11] RAHMAN M H, DAS B K, MIAH M A J, et al. Fixation of urea to poly- acrylic acid and nitrogen release behavior of the product (polyurea): a comparison with urea and control (without nitrogen fertilizer)[J]. Asian Journal of Crop Science, 2009(1)：6- 14.

[12] 肖強，王甲辰，左強，等.有機-無機復合材料膠結包膜肥料的研制及評價[J].應用生態(tài)學報，2010(1)：115- 120.

[13] 廖宗文，賈愛萍，王德漢，等.環(huán)境友好型肥料的研制及其應用[J].廣東化工，2005(3)：28- 30．

[14] 姜安龍，易晶晶，余曉青，等.海藻酸鈉水凝膠對尿素的緩釋效果研究[J].現(xiàn)代化工，2015(7)：86- 88.

[15] 曲均峰，趙福軍，陳杰，等.脲醛緩釋肥質量測定及其在香蕉上的應用研究[J].現(xiàn)代化工，2012(4)：113- 116.

[16] HUSSAIN M R, DEVI R R, MAJI T K. Controlled release of urea from chitosan microspheres prepared by emulsification andcross- linking method[J]. Iranian Polymer Journal，2012(8)：473- 479.

[17] 趙融芳.合成型兩性水凝膠研究進展[J].現(xiàn)代化工，2010(4)：21- 25.

[18] ZHANG R B, QIU Z X, QIU H X, et al. Frontal polymerization of superabsorbent nanocomposites based on montmorillonite and polyacrylic acid with enhanced soil properties[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2013(3)：1082- 1090.

[19] LIU J, LI Q, SU Y, et al. Synthesis of wheat straw cellulose- g- poly (potassium acrylate)/PVA semi- IP- Ns superabsorbent resin[J]. Carbohydrate Polymers, 2013(1)：539- 546.

ResearchStatusofDegradableWater-RetainingSlow/ControlledReleaseFertilizerandDevelopmentProspect

NIU Yuhua1,2, WANG Keying1,3, LUO Yi4, LUO Xiao1, YAN Xiaoyu1

(1.Shaanxi University of Science and Technology, Key Laboratory of Chemistry and Technology for Light Chemical Industry, Ministry of Education, Xi′an 710021, China；2.Shaanxi Research Insitute of Agricultural Products Processing Technology, Xi′an 710021, China；3.Tongchuan Vocational and Technical College, Tongchuan 727031, China;4.Xi′an Changqing Chemical Group Co., Ltd., Xi′an 710018, China)

With advances of technology and deterioration of environmental quality, simple water- retaining slow/controlled release fertilizer can no longer meet the requirements of agricultural production, the development of degradable water- retaining slow/controlled release fertilizer will have huge economic benefit, social benefit and environmental benefit. The concept of degradable water- retaining slow/controlled release fertilizer and current research situation are summarized, the composite mode of degradable water-retaining agent and fertilizer is introduced, the advantages and problems existed currently are analyzed, and the future developmental direction is prospected.

degradable; water- retention; slow/controlled release fertilizer; prospect

陜西省農業(yè)科技創(chuàng)新資助項目(2012NKC02- 09) 作者簡介：牛育華(1962—)，女，教授，主要從事應用化學方向研究

TQ449.+1

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1006- 7779(2017)02- 0011- 04

2017- 02- 23)