楊俊英

(天脊煤化工集團股份有限公司,山西 長治 047507)

化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用,據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,化肥對糧食生產(chǎn)的貢獻率達到40%左右,然而普遍存在的問題是肥料利用率不高,與發(fā)達國家50%～60%利用率相比,國內(nèi)肥料利用率僅為30%～40%,磷肥利用率甚至不足20%。肥料利用效率低,不僅會造成資源浪費、經(jīng)濟損失,而且會引起土壤酸化、鹽堿化、板結(jié)等問題,導(dǎo)致土壤肥力下降、質(zhì)量退化、生產(chǎn)力降低,還會引起周圍地下水、河流等水體氮磷富營養(yǎng)化[1]。因此,如何提高肥料的利用率,避免化肥對土壤、農(nóng)作物及人類健康產(chǎn)生“毒害”,已成為當代科技工作者的研究重點。

緩控釋肥具有提高肥料利用率、減少肥料施用量與施肥次數(shù)、提高經(jīng)濟效益、改善農(nóng)作物品質(zhì)、減輕環(huán)境污染等優(yōu)點,已成為21世紀化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

1 緩控釋肥的概念

廣義上講緩控釋肥是指通過物理、化學(xué)與生物等手段,調(diào)控肥料中養(yǎng)分釋放速率,滿足農(nóng)作物生長期營養(yǎng)需求的一種新型肥料。狹義上講緩控釋肥包含緩釋肥與控釋肥,緩釋肥也稱長效肥料,是指肥料施入土壤后轉(zhuǎn)化成可被植物吸收成分的速度低于普通肥料,但肥料的釋放速率與作用時間難于控制,受施肥方法與自然環(huán)境的影響較大?？蒯尫适蔷忈尫实母呒壭问?是指通過人為調(diào)控養(yǎng)分的釋放速度,使其同農(nóng)作物對營養(yǎng)需求基本保持一致,從而達到增效的目的。

2 緩控釋肥的分類及研究進展

按照養(yǎng)分釋放機理不同,可將緩控釋肥分為物理包膜型、化學(xué)型以及穩(wěn)定型等三大類。

2.1 物理包膜型

物理包膜型緩控釋肥是一種采用加熱、噴涂等物理手段制備的擁有“核殼式結(jié)構(gòu)”的肥料。其一般是以高濃度水溶性養(yǎng)分為內(nèi)核,于表面包裹一層或若干層具備緩控釋性能的膜材料,從而減緩水分滲入內(nèi)核的速率,起到緩釋的作用。包膜肥的緩控釋效果主要由外層包膜材料性質(zhì)決定,依據(jù)膜材料不同可劃分為無機包膜型肥料與有機包膜型肥料。

2.1.1 無機包膜型肥料

常用的無機包膜材料主要是硫黃、硅藻土、鈣鎂磷肥、生物炭等[2-3],具有來源廣泛、制備成本低、易降解、環(huán)境友好、可改善土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點,主要存在彈性差、易脫落、緩控釋效果不太理想等問題。

沈秀麗等人[4]為考察不同粒徑生物炭包膜處理對尿素緩釋性能的影響,制得3種生物炭包膜尿素緩釋肥:C-1緩釋肥是以0.15 mm生物炭粉包膜,C-2緩釋肥的內(nèi)外層分別以0.15與0.25 mm生物炭粉包膜,C-3緩釋肥的內(nèi)中外層依次以0.15,0.25,0.425 mm生物炭粉包膜。結(jié)果顯示,三層包膜處理的緩釋效果最好,使用不同粒徑生物炭粉組成三層包殼,可以調(diào)控膜層生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)與孔徑,減緩水分滲入與養(yǎng)分流出速度,提高緩釋性能,為生物炭緩釋肥研究應(yīng)用提供一個了新的方向。

孫仁貴[5]在稻殼炭化過程加入黏結(jié)劑,增加活性炭的吸附性,在酸溶液中與膨潤土、土霉素藥渣作用,形成穩(wěn)定的稻殼粉末活性炭復(fù)合膨潤土包膜材料,通過膨化使得顆粒肥擁有無數(shù)小孔,溶解過程中,水分能沿著小孔迅速滲入到中心,達到快速溶解,同時,包膜可避免尿素顆粒直接與種子接觸,減弱對種子發(fā)芽的影響。

2.1.2 有機包膜型肥料

常用的有機包膜肥料包含天然高分子包膜型肥料與合成高分子包膜型肥料兩大類。

2.1.2.1 天然高分子包膜型肥料

殼聚糖、淀粉、纖維素、海藻酸鈉、腐殖酸等[6-7]常被用作天然高分子包膜材料,具有廉價易得、生物相容可降解、易于成膜的特點,但由于自身結(jié)構(gòu)限制,直接用作制造肥料包膜存在緩釋性能不太理想等問題,往往需通過物理或化學(xué)改性來提高其性能。

李沁園等人[8]將天然高分子海藻酸鈉與殼聚糖作為載體,利用烷基硅烷改性,合成了用于封裝尿素的疏水海藻酸鈣@殼聚糖微球,相比于未進行疏水改性原始微球,其溶脹率降低了52%,說明其在土壤中對外界鹽環(huán)境的抵御能力得到了大幅提升,有望擴展海藻酸鈣用作緩釋肥包膜材料的應(yīng)用空間。

陸賀港等人[9]利用添加三偏磷酸鈉改善三贊膠性能,增大其塑性,提升其形成薄膜在肥料表面的附著能力,再結(jié)合乙基纖維素,獲得一種三贊膠@乙基纖維素雙層包膜緩釋肥。開展淋溶試驗,雙層包膜肥的N、P、K釋放率分別降低45.72%,72.40%,76.97%,顯示雙層包膜緩釋肥能顯著降低養(yǎng)分釋放速度,為低成本的三贊膠在肥料領(lǐng)域應(yīng)用給出了理論支撐。

趙貴哲等人[10]采用無機纖維素粉末、丙烯酸、丙烯酰胺、尿素、甲醛等原料,制得一種纖維素基吸水保水型可生物降解緩控釋肥,相比于現(xiàn)有肥料,其可顯著改善土壤的吸水保水能力,含有氮、磷、鉀三種營養(yǎng)元素,可提高農(nóng)作物產(chǎn)量,改善農(nóng)作物品質(zhì)。

2.1.2.2 合成高分子包膜型肥料

合成高分子材料制備簡單,包膜厚度易于控制,能較好地調(diào)控養(yǎng)分釋放速度,且材料性質(zhì)穩(wěn)定,不易受土壤環(huán)境的影響,使得肥料能夠維持穩(wěn)定的緩釋效果,占據(jù)包膜緩釋肥五成以上市場份額。

常見的聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂等合成高分子材料不易分解,殘留于土壤中易造成環(huán)境污染。故開發(fā)可降解、環(huán)境友好型包膜材料成為科研工作者的研究重點。

彭弋旻等人[11]使用苯酐聚酯多元醇、大豆油聚醚多元醇、谷氨酸、丙烯酸樹脂、異氰酸酯等為原料,合成一種含氨基酸的生物可降解聚氨酯緩控釋肥包衣材料,實現(xiàn)聚氨酯能在300 d內(nèi)被土壤微生物降解,進而成為微生物的養(yǎng)分,且含有的谷氨酸、枸杞多糖、小麥胚芽蛋白,都能促進土壤微生物的活性。

江東等人[12]提供了一種緩釋肥料的制備方法,以聚乳酸、聚己內(nèi)酯、三氯甲烷、尿素等為原料,通過靜電紡絲制備納米殼核結(jié)構(gòu)的緩釋肥料。相比于普通緩釋肥料,其緩釋時間延長了40 d,保證了肥料的充分利用,且具有一定的抗酸堿和耐高溫的能力。該方法可以通過調(diào)整聚合物與尿素濃度來生產(chǎn)滿足不同農(nóng)作物生長需求的肥料,采用天然可降解的聚乳酸和聚己內(nèi)酯,可避免污染環(huán)境。

舒緒剛等人[13]公開了一種新型保水控釋環(huán)境友好型肥料生產(chǎn)方法,采用廢紙纖維與聚乙烯醇混合制備內(nèi)層包衣,外層包衣制備成改性淀粉高吸水樹脂,內(nèi)外層包衣均為可降解材料,避免了環(huán)境污染;外層包衣為吸水樹脂,當吸水樹脂吸水后變成彈性體,保護內(nèi)層包衣不在使用過程中損壞,且吸水樹脂還具有保水的作用,非常適合在干旱地區(qū)推廣。

2.2 化學(xué)型

化學(xué)型緩控釋肥料主要是利用加成、聚合或縮聚等化學(xué)方式,使傳統(tǒng)肥料同聚合物反應(yīng),制備的肥料通過聚合物的降解實現(xiàn)對養(yǎng)分釋放的調(diào)控,以醛類縮合產(chǎn)物為基礎(chǔ),主要包含脲甲醛、異丁烯叉二脲、丁烯叉二脲、草酰胺等。該類肥料緩釋性能較優(yōu),但由于高成本限制了其大規(guī)模推廣,現(xiàn)階段主要應(yīng)用于大棚蔬菜、園藝花卉、專業(yè)草坪等領(lǐng)域。

脲甲醛類作為代表性產(chǎn)品,生產(chǎn)工藝以濃溶液法為主,即尿素與甲醛以濃溶液形式參與反應(yīng),產(chǎn)物無需固液分離而直接經(jīng)催化劑固化成產(chǎn)品,但存在產(chǎn)品與生產(chǎn)裝置間粘結(jié)性強,阻礙設(shè)備自動出料,不利于連續(xù)化生產(chǎn)[14],且脲甲醛類緩釋肥的養(yǎng)分釋放速率較慢,釋放周期通常是1～2年,不利于農(nóng)作物對養(yǎng)分的吸收。

向陽等人[15]以尿素顆粒與多聚甲醛粉末為原料,在常壓密閉反應(yīng)釜,經(jīng)高溫氣固相縮聚合成脲甲醛緩釋肥。數(shù)據(jù)顯示反應(yīng)產(chǎn)物的最高含水率僅為11.72%,甲醛轉(zhuǎn)化率高達88.22%,該技術(shù)在保證產(chǎn)品緩釋效果的前提下,不僅提升原料利用率,簡化制備過程,降低生產(chǎn)成本,還實現(xiàn)設(shè)備連續(xù)化生產(chǎn)。

席瑤瑤等人[16]利用磷酸二氫鈣(MCP)、磷礦粉(PRP)與磷酸二氫銨(ADP)對脲甲醛進行改性,得到三種含氮、磷的緩控釋肥料(MCP-UF、PRP-UF、ADP-UF),處理90 d后,MCP-UF、PRP-UF、ADP-UF的氮累計釋放率分別為76.47%,78.17%和80.45%,明顯高于未改性的UF的 68.46%,表明磷酸鹽的加入能改善氮養(yǎng)分的釋放,匹配農(nóng)作物的生長需求。

劉慧等人[17]以脲甲醛與尿素為主料,輔以磷酸、磷酸一銨、硫酸鉀、三乙醇胺等,制備一種高物質(zhì)的量比脲甲醛類長效緩釋肥,通過采用高物質(zhì)的量比的方式提高脲含量,降低未反應(yīng)的游離甲醛量,植被存活率提升40%以上;緩釋肥不易結(jié)塊,緩釋時間長達半年,利用率提升30%;且該緩釋肥的降解率與溶脹率隨溫度升高而增大,致使包膜上肥料釋放孔逐漸變大,提升了肥料的釋放率,農(nóng)作物的生長速度與溫度成正相關(guān),該緩釋肥釋放特點與農(nóng)作物對營養(yǎng)元素的需求相匹配。

2.3 穩(wěn)定型

穩(wěn)定型緩釋肥料主要是依靠添加硝化抑制劑與脲酶抑制劑來減少氮肥的流失。硝化抑制劑可減緩?fù)寥乐袖@態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的速率,起到氮素緩釋的效果,主流工業(yè)化的硝化抑制劑有雙氰胺、2-氯-6-(三氯甲基)吡啶、3,4-二甲基吡唑磷酸鹽等。脲酶抑制劑能抑制土壤中脲酶活性,延緩尿素水解為NH3過程,降低NH3的揮發(fā)損失,常用的脲酶抑制劑有重金屬類、醌類、多羥酚類等。但硝化抑制劑與脲酶抑制劑存在價格高、毒性較大、不利于降解等問題,在大規(guī)模應(yīng)用上還有待進一步提高。

聶云鑫等人[18]以黃瓜為作物,考察脲酶硝化雙抑制劑對土壤養(yǎng)分含量、土壤酶活性的影響,結(jié)果顯示,與復(fù)合肥相比,施加含脲酶硝化雙抑制劑的緩釋肥后,土壤中脲酶活性降低了8.15%,過氧化氫酶、磷酸酶、蔗糖酶活性依次增加了14.3%,16.6%,24.6%,有利于促進過氧化氫的分解、提高易溶性營養(yǎng)物質(zhì)含量,增加黃瓜作物對氮磷鉀元素的吸收,黃瓜產(chǎn)量增加59.1%。

3 存在問題與展望

3.1 存在問題

緩控釋肥發(fā)展主要存在以下問題:

1)價格偏高,由于膜材料生產(chǎn)成本偏高、生產(chǎn)工藝流程相對復(fù)雜等因素,致使緩控釋肥價格是普通肥料的2～3倍[19],嚴重阻礙了緩控釋肥在大田生產(chǎn)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

2)環(huán)境污染,常用的聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂等包膜材料不易降解,其殘留會造成土壤污染。硫包衣肥料若過度施用,肥料中硫素會影響土壤原有微生物菌落平衡,進而加速土壤酸化進程。

3)產(chǎn)品類型單一,由于氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用量最大的品種,且氮素在土壤中存在易淋溶、揮發(fā)等問題,現(xiàn)階段緩控釋肥的研究重點集中在氮元素上,致使緩控釋肥產(chǎn)品類型相對單一。

3.2 展望

發(fā)展緩控釋肥對推動我國化肥用量零增長與農(nóng)業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。未來緩控釋肥的研究與發(fā)展可從以下五方面入手:

1)在技術(shù)方面,可對緩控釋肥的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化、改進,對生產(chǎn)設(shè)備進行改造,推進節(jié)能降耗,進而降低緩控釋肥的生產(chǎn)成本。

2)在材料方面,優(yōu)先開發(fā)來源廣泛、價格低廉、可生物降解的復(fù)合型材料,可重點開展生物基包膜材料的研究。

3)在產(chǎn)品種類方面,應(yīng)擴展至磷元素、鉀元素及微量元素的緩控釋研究,必要時可針對土壤類型與農(nóng)作物種類研制不同類型的緩控釋肥,做到精準施肥。

4)在政策與資金方面,需要政府部門出臺促進緩控釋肥發(fā)展的相關(guān)政策,可采用稅收減免或是政府補助等措施,引導(dǎo)化肥企業(yè)加大技術(shù)研發(fā)投入,鼓勵化肥企業(yè)與高校及科研院所開展技術(shù)合作,通過技術(shù)創(chuàng)新降低生產(chǎn)成本。

5)在推廣方面,需要政府及化肥企業(yè)加大緩控釋肥的推廣力度,讓廣大農(nóng)戶充分了解到施用緩控釋肥的優(yōu)勢,有能力的化肥企業(yè)可以在全國各省建設(shè)試驗田,引導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)施肥。