我國緩/控釋肥的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

范 妮

(陜西學(xué)前師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，陜西 西安 710100)

1 緩/控釋肥

1.1 定義

化肥的養(yǎng)分通過各種調(diào)控機(jī)理緩慢釋放，或者按照預(yù)設(shè)的釋放速率控制釋放的肥料統(tǒng)稱為緩/控釋肥[2]。

緩釋肥是一種化學(xué)營養(yǎng)物質(zhì)釋放速度遠(yuǎn)小于速溶性肥料的化肥，對(duì)植物的營養(yǎng)起到長效機(jī)制，緩釋肥種類大多數(shù)為氮肥。當(dāng)其被施入土壤時(shí)，肥料會(huì)在生物作用以及化學(xué)作用下被逐漸分解，里面的氮素會(huì)逐漸釋放，能夠滿足作物對(duì)于氮素的需求。常見的緩釋肥料有硫衣尿素、微溶性氮肥和穩(wěn)定性肥料[3]。土壤的類型、pH值、水分含量、微生物代謝活動(dòng)及灌溉水量等因素將對(duì)肥料養(yǎng)分的釋放產(chǎn)生一定影響，養(yǎng)分釋放與作物營養(yǎng)需求在大多數(shù)情況下很難達(dá)到一致。

采用聚合物包膜顆粒肥料，通過聚合物降解程度調(diào)控化學(xué)養(yǎng)分的釋放速度，促使養(yǎng)分釋放速度與農(nóng)作物不同生長時(shí)期需肥量達(dá)到一致，這種肥料稱為控釋肥，類型大多為復(fù)合肥或全營養(yǎng)肥[3]?？蒯尫试陬w粒肥料表面包裹上的厚度不一的膜具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)控釋肥料施入土壤后，水分從包膜層上的通道進(jìn)入內(nèi)層后，核芯中的肥料溶解，養(yǎng)分通過多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通道釋放出來。通常當(dāng)環(huán)境溫度上升的時(shí)候，植物對(duì)養(yǎng)分的需求會(huì)加大。作物首先會(huì)吸收控釋肥顆粒外部的養(yǎng)分，當(dāng)膜外側(cè)的養(yǎng)分濃度下降時(shí)，膜內(nèi)外產(chǎn)生濃度差，傳質(zhì)推動(dòng)力加大，加快肥料釋放速度；環(huán)境溫度降低，植物生長速度減慢，甚至出現(xiàn)休眠情況，控釋膜內(nèi)外的濃度差減少，傳質(zhì)推動(dòng)力減小，養(yǎng)分釋放速度隨之變慢甚至直接降為零。因此控釋肥主要通過包裹顆粒肥料的多孔網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)量、曲折程度及環(huán)境溫度兩個(gè)方面對(duì)養(yǎng)分進(jìn)行有效控制釋放，使其肥料利用率達(dá)到最優(yōu)化。因此控釋肥料可以認(rèn)為是緩釋肥料的升級(jí)形式，但許多研究者包括美國作物營養(yǎng)檢查官協(xié)會(huì)都對(duì)緩釋肥和控釋肥未進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，通常同時(shí)使用二者。

1.2 緩/控釋肥料制備

1.2.1 緩釋肥制備 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，緩釋肥主要有硫衣尿素、脲甲醛類肥料及穩(wěn)定性肥料。

硫衣尿素生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)是在高壓條件下將預(yù)熱處理的尿素用熔融后的硫磺噴涂，通過聚合物密封尿素包裹硫磺時(shí)產(chǎn)生的空隙[5～6]。優(yōu)點(diǎn)：硫本身是植物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，用硫包裹肥料可以起到一舉兩得的效果；同時(shí)此加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較樹脂包裹肥料低。缺點(diǎn)：過多施入硫元素會(huì)破壞土壤原有菌群微生物平衡，同時(shí)會(huì)加速土壤酸化。

尿素和甲醛在一定條件下反應(yīng)得到有機(jī)微溶性緩釋氮肥脲甲醛。尿素和甲醛在pH值2—11的范圍內(nèi)以縮合反應(yīng)生成羥甲基脲，羥甲基脲在酸性條件下與過量尿素繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，生成分子鏈長度不等的甲基脲混合物[7]。此肥料施入土壤后，土壤微生物分解此肥料，并釋放氮素，通過分子鏈長短決定肥效起作用的時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)：工藝生產(chǎn)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn)：生產(chǎn)過程中反應(yīng)工藝條件較難控制，導(dǎo)致產(chǎn)品緩釋效果不夠穩(wěn)定。

在氮肥和復(fù)合肥生產(chǎn)過程中，按照一定的工藝條件添加脲酶抑制劑、硝化抑制劑或氨穩(wěn)定劑生產(chǎn)穩(wěn)定性肥料[8]。脲酶抑制劑有磷胺類、酚醌類及雜環(huán)類，硝化抑制劑中雙氰胺(DCD)是目前應(yīng)用最廣泛的一種抑制劑。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，通過在化肥中添加一定量的抑制劑，能夠延緩肥料養(yǎng)分水解，有效延長肥料肥效。缺點(diǎn)：由于過多的水會(huì)降低抑制劑的濃度，使得緩釋效果下降，因此不適合施入到水多的土壤中。

1.2.2 控釋肥制備 控釋肥主要通過包裹技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。顆粒肥料在特定的設(shè)備中通過粘結(jié)劑將具有很大比表面積的無機(jī)礦物質(zhì)包裹到肥料表面形成包膜型肥料。雖然肥料被包裹，但是在包膜的過程中膜層形成了許多多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些蜿蜒曲折的通道可以讓養(yǎng)分在有水分存在的情況下釋放出來[9～10]?；瘜W(xué)肥料自身的性質(zhì)，用于包裹的包膜材料，土壤中水分、溫度等條件共同控制肥料的釋放速率，達(dá)到控制釋放養(yǎng)分的效果?？蒯尫拾ぜ夹g(shù)主要用樹脂包裹。根據(jù)包膜材料是否使用溶劑可將此技術(shù)分為脂溶性樹脂包裹技術(shù)、水溶性樹脂包裹技術(shù)及無溶劑型聚合物包裹技術(shù)。

脂溶性樹脂包裹技術(shù)是將熱塑性包膜材料(以聚烯烴類材料為主)溶解于有機(jī)溶劑中，在流化床反應(yīng)器中將其噴涂到肥料顆粒表面，在顆粒表面形成一層包膜。當(dāng)有機(jī)溶劑揮發(fā)后，膜表面會(huì)形成多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：包膜效果好。缺點(diǎn)：用于包膜的材料不易降解，長期用會(huì)破壞土壤生態(tài)環(huán)境，同時(shí)殘留在包膜肥料中的易揮發(fā)有機(jī)溶劑會(huì)對(duì)施肥的植物及周圍環(huán)境造成污染[3]。

水溶性樹脂包裹技術(shù)是在流化床內(nèi)將聚合物與水合成的水基高分子噴涂于肥料顆粒表面。當(dāng)包膜中的水分蒸發(fā)后，聚合物在顆粒表面形成具有控釋作用的膜層。優(yōu)點(diǎn)：以水為包膜材料介質(zhì)，環(huán)保安全。缺點(diǎn)：該技術(shù)對(duì)于聚合物包膜材料及工藝操作要求高，技術(shù)難度大[11～13]。

無溶劑型聚合物包裹技術(shù)目前比較成熟。此技術(shù)是將成膜的單體在高溫條件下同時(shí)或分別噴涂在預(yù)熱的肥料顆粒表面，在肥料表面單體發(fā)生反應(yīng)形成具有控釋作用的膜。包膜設(shè)備可以是間歇操作的流化床，也可以采用能夠連續(xù)操作的轉(zhuǎn)鼓設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)：成膜過程中不需要任何溶劑，對(duì)環(huán)境污染小，成膜工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低。因此是控釋肥生產(chǎn)企業(yè)中采用較多的生產(chǎn)技術(shù)[14～15]。

2 緩/控釋肥的應(yīng)用研究進(jìn)展

由于緩/控釋肥料具有提高作物產(chǎn)量、質(zhì)量，縮短作物生長周期的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可降低養(yǎng)分的淋溶量和氮的揮發(fā)量，因此受到了化肥業(yè)自身的關(guān)注, 也受到了農(nóng)業(yè)、工業(yè)界的熱捧。

研究表明：將硫包膜尿素施于玉米作物上，當(dāng)玉米成熟時(shí)與普通尿素相比，玉米對(duì)于氮吸收總量增加44. 32% ，產(chǎn)量增加 22.43% ；同時(shí)穗長、百粒質(zhì)量比用普通尿素處理的玉米高4.65% 和8.41% 。在輕度鹽堿地上應(yīng)用硫包膜尿素具有降低土壤 pH 值、增強(qiáng)玉米植株氮素吸收利用能力的作用，同時(shí)肥料釋放速度與玉米對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收規(guī)律基本適宜[16]。董杰等在夏玉米上施用脲甲醛緩釋肥，比常規(guī)施肥增產(chǎn)率高13.47%，施用減施率達(dá)20%；每畝施肥純收益和投入產(chǎn)出比均最高[17]。穩(wěn)定性肥料已在我國多個(gè)省份推廣應(yīng)用，主要施用于玉米、小麥、蘋果等作物上，推廣面積達(dá)0.2億hm2，化肥投入減少了64億元；通過一次性施肥，省時(shí)省工，減少溫室氣體排放，提高了生態(tài)效益[18]。

目前控釋肥主要以包膜型控釋肥為主。張勇等將不同包膜型控釋肥施用于夏玉米作物上，總體來說控釋肥較普通復(fù)合肥效果更好，特別是全降解控釋肥26-8-8 復(fù)合肥料增產(chǎn)效果最明顯，較普通復(fù)合肥產(chǎn)量提高了14.18%[19]。石兆軍對(duì)經(jīng)淀粉處理后的改性熱塑性樹脂包裹多元素的控釋肥研究后發(fā)現(xiàn)，此類控釋肥在地溫和微生物的調(diào)節(jié)下，通過可控降解達(dá)到控制釋放。另外此控釋肥生產(chǎn)成本低，利潤高，包膜劑不產(chǎn)生二次污染，適合于大田作物施用[20]。

不同于國際緩/控釋肥料主要施用于花卉、草坪，我國緩/控釋肥廣泛用于大田作物。目前我國緩/控釋肥在農(nóng)業(yè)上的施用量大概為315萬t左右，施用量達(dá)到了中國復(fù)混肥施用量的5%。包括的糧食作物有：水稻、玉米及小麥；還有棉花、辣椒、茶樹、蘋果及番茄等經(jīng)濟(jì)作物上。還有少部分施用于花卉、植物上。將緩/控釋肥施用于各類作物上后，與施用普通化肥相比較，作物在肥料養(yǎng)分的利用率、產(chǎn)量上顯著提高，同時(shí)植株性狀及作物品質(zhì)都明顯改善。

3 緩/控釋肥應(yīng)用中存在的問題

(1)環(huán)境問題。包膜型制備工藝是緩/控釋肥重要的生產(chǎn)方法之一，但一些用于包膜的材料，特別是脂溶性樹脂不容易降解，長期使用會(huì)破壞土壤原有的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)殘留在包膜肥料中的易揮發(fā)有機(jī)溶劑會(huì)對(duì)施肥的植物及周圍環(huán)境造成污染。另外一方面硫衣尿素肥料中硫元素被過量的施入土壤，破壞土壤原有菌群微生物平衡，同時(shí)加速土壤酸化。

(2)價(jià)格偏高。由于緩/控釋肥制備需要新型的膜材料、生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，造成緩/控釋肥價(jià)格偏高，農(nóng)民種作物的成本過高，收入減少，這將對(duì)緩/控釋肥的普及推廣起到一定的制約作用。

(3)生產(chǎn)技術(shù)薄弱。我國緩/控釋肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，因此我國在緩/控釋肥生產(chǎn)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)上有待進(jìn)一步提高，同時(shí)從事這方面的專門人才相對(duì)較少。

(4)緩/控釋肥料中核芯養(yǎng)分相對(duì)單一，缺乏“專屬”性緩/控釋肥的研究。文獻(xiàn)報(bào)道中緩/控釋肥的研究主要集中在氮元素上；另外針對(duì)肥料與作物之間“一對(duì)一”的緩/控釋肥的應(yīng)用研究較少。

(5)推廣宣傳力度不夠我國農(nóng)民科學(xué)文化知識(shí)背景相對(duì)薄弱，因此農(nóng)民對(duì)緩/控釋肥產(chǎn)品的認(rèn)知水平不高，導(dǎo)致緩/控釋肥占肥料總消耗量的比重僅為1%，推廣任務(wù)依然艱巨。

4 相應(yīng)對(duì)策及建議

(1)在膜材料的選擇上，尋求原料豐富，天然可降解的，環(huán)境友好的包膜材料，養(yǎng)分配比應(yīng)趨于合理化，從而減少緩/控釋肥對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞問題。

(2)國家應(yīng)在政策、資金方面給予企業(yè)更多支持；同時(shí)從制備緩/控釋肥的載體材料、生產(chǎn)工藝及設(shè)備、節(jié)能降耗等方面入手，降低生產(chǎn)成本，縮小緩/控釋肥與普通肥料之間的價(jià)格。

(3)文獻(xiàn)報(bào)道中我國緩/控釋肥實(shí)驗(yàn)室階段研究相對(duì)較多，但是應(yīng)用方面的中試研究較少，導(dǎo)致科技成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對(duì)緩慢。應(yīng)建立有效的理論研究與科技成果專業(yè)化之間的平臺(tái)，同時(shí)加強(qiáng)交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)，并充分發(fā)揮科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)之間的技術(shù)交流與科技創(chuàng)新，加快前沿緩/控釋肥研究的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

(4)建議開展不同類型核芯肥料的研究開發(fā)，以適用于不同農(nóng)作物對(duì)不同養(yǎng)分的需求。不同地區(qū)土壤的成分，溫度，濕度，PH值以及土壤中微生物的種類、含量都會(huì)對(duì)緩/控釋肥的釋放效果產(chǎn)生影響，因此應(yīng)該充分考慮地域、土壤差異及作物種類，研究開發(fā)針對(duì)性更強(qiáng)的緩/控釋肥產(chǎn)品，達(dá)到“對(duì)癥”施肥的效果，提高緩/控釋肥利用率。

(5)提高農(nóng)民對(duì)緩/控釋肥產(chǎn)品的認(rèn)知水平。政府應(yīng)該充分發(fā)揮職能部門作用，加大宣傳和推廣力度，定期組織緩/控釋肥的科學(xué)知識(shí)普及、培訓(xùn)工作；另一方面企業(yè)應(yīng)該設(shè)立推廣服務(wù)站，為農(nóng)民提供便利、有效、及時(shí)的技術(shù)咨詢及上門服務(wù)。

5 結(jié)論及展望

緩/控釋肥料的發(fā)展對(duì)推動(dòng)我國化肥施用零增長和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要作用，并且符合我國化肥行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改革方向。在未來的發(fā)展過程中應(yīng)研發(fā)原料豐富，天然可降解的，環(huán)境友好的包膜材料，特別是水溶性樹脂或水基聚合包膜材料；國家在政策和資金方面給予企業(yè)更多支持，從源頭降低緩控釋肥產(chǎn)品價(jià)格；加快前沿緩/控釋肥研究的科技產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；開展不同類型核芯肥料的研發(fā)，使緩/控釋肥的產(chǎn)品種類全面化，施用方式專用化；探索、推廣緩/控釋肥先進(jìn)技術(shù)，提高農(nóng)民對(duì)緩/控釋肥產(chǎn)品的認(rèn)知水平；出臺(tái)優(yōu)惠政策和措施，鼓勵(lì)出口海外提高國際競(jìng)爭(zhēng)力；實(shí)現(xiàn)上下游融合，化解上游氮肥企業(yè)過剩局面；將我國化肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向高效率、專用性、功能性發(fā)展。