几种典型缓/控释肥料的应用研究进展

作者：陈家锋

迪斯科科技集团(宜昌)有限公司

摘要：缓/控释肥料具有土壤氮元素流失率小，作物一次施肥利用率高的特点，可减少过度给肥带来的环境污染问题，相较于传统化肥在农业的可持续发展和环境保护方面具有显著的意义。本文综述了近年来较典型的缓/控释肥料的研究方向和应用现状、存在问题、未来的发展策略及解决方案，旨在为今后进一步研究缓/控释肥料提供参考。

关键词：缓/控释肥料；包膜缓释肥料；化学合成缓释肥料；沸石基缓释肥料

Research and Application Progress of Several Typical Slow-Release Fertilizers

Disco Technology Group (Yichang) Co., Ltd.

Abstract: Slow-released fertilizer has the characteristics of low soil nitrogen loss rate and high utilization rate of one-time fertilization, which can reduce the environmental pollution caused by excessive fertilizer. Compared with traditional fertilizer, it has significant significance in the sustainable development of agriculture and environmental protection. In this paper, the research direction, application status, existing problems, future development strategies and solutions of several typical slow-release fertilizers are summarized, in order to provide a reference for further research on slow-release fertilizers.

keywords: slow-release fertilizers; coated slow-release fertilizers; chemical synthesis slow-release fertilizers; zeolite-based slow-release fertilizers

长久以来，肥料在提高农作物产量方面起着非常重要的作用，据调查，植物生产所需的营养大约70%来自化肥供应[1]。我国作为人口大国和世界粮食生产的重要基地，近年来对肥料的需求更是与日俱增。然而传统肥料普遍存在利用率低、环境污染大的问题，且适用范围具有一定的局限性[2,3]，如化学肥易与土壤产生酸碱反应，造成土地酸化、板结，不利于土壤内元素平衡，且氮肥中的硝态氮易与微生物作用形成氮氧化学物，加剧温室效应，危害环境；有机肥主要是通过植物的残体或动物粪便经发酵腐熟后形成，虽可以改良土壤，但肥效缓慢，且需深耕，人力成本高；生物菌肥对土壤环境、储存和运输要求较高，效果虽明显但适用性差。

缓/控释技术最早应用于药物治疗中，采用生物手段将药物包覆，在体内缓慢释放达到适应个体吸收规律、发挥最大疗效的目的[4,5]。缓/控释肥料即利用该技术原理，通过在肥料颗粒表面包覆一层防水材料膜壳，使液态水无法通过，暂时隔离肥料颗粒与外界，使肥料在一段时间内于土壤中缓慢释放或控制其释放速率以吻合农作物生长周期。Geng[6]等通过连续7年的水稻-油菜轮作田包膜控释氮肥给药实验证实，采用缓/控释肥料后氮素平均利用率提高15.4%~38.4%，水稻和油菜年产量最大分别提高8.2%和15.5%，相同条件下可节约氮肥30%。杨兵丽[7]等采用控释化肥代替普通化肥施工，韭菜的维生素C含量和类黄酮含量分别提高6.4%和17.7%，韭菜增产率可达到20.4%。因此缓/控释肥料具有土壤氮元素流失率小，作物一次施肥利用率高的特点，可减少过度给肥带来的环境污染问题，相较于传统化肥在农业的可持续发展和环境保护方面具有显著的意义。

为了促进土壤的可持续发展，解决因化肥的过度使用带来的一系列环境富营养化、土壤退化、农业生产成本增加等问题，我国环境保护部门在2010年就发布了《化肥使用环境安全技术导则（HJ555-2010）》，规范传统化肥的使用，同时大力推广新型缓/控释肥料。由于市场的需求、政策的发布和国家的大力支持，缓/控释肥料的研究取得了较大的进展。

1 缓/控释肥料的国内外研究现状

按照包膜基体的不同，缓/控释肥料目前研究较多的方向有包膜肥料、化学合成肥料和沸石基缓释肥料等。

1.1 包膜肥料

包膜肥料一般在普通肥料表层包膜有机或无机疏水材料，待包膜破裂后肥料得到释放。包膜肥料是最早被研究的一类缓/控释肥料，也是目前商品化程度较高的一类缓/控释肥料，其研究热点在于膜材料的开发、降解。

用于缓/控释肥料的包膜在初期多用一些石油基附属产物为基材，如聚烯烃、丙烯酸、甘油酯、聚砜等。早在20世纪60年代，美国率先推出以二聚环戊二烯和丙三醇的共聚物树脂做包膜的缓/控释肥料；随后日本又研制出聚烯烃树脂包膜肥料，用于花卉、蔬菜种植。我国的中科院南京土壤研究所在20世纪60年代末也成功制备了以钙镁磷肥为包膜的缓释碳铵肥料，应用效果良好。

由于生产成本和工艺的原因，学者们从20世纪90年代开始研究利用淀粉、纤维素、木质素、壳聚糖等天然高分子材料为包膜。Iftime[8]采用壳聚糖包膜尿素制备了保水保肥的缓释肥料，其土壤吸水持水能力高达154%，土壤中氮含量增加了一倍，作物增产70%。Bindra[9]将壳聚糖与微量铁元素结合应用于番茄种植试验中，铁还原酶活性降低20%，极大程度上解决了植物的缺铁现象。邓小楠[10]等采用聚乳酸包膜尿素制备缓释肥料，使60d累计释放量为80%。

由于自身结构的原因，大部分的天然高分子含有亲水基团，且具有微孔，很难直接作为膜材料，因此可以将其进行改性和化学修饰后再包膜。Corradini[11]用壳聚糖和聚甲基丙烯酸进行交联反应，利用其与N、P、K元素之间的静电作用增强包膜肥料颗粒的稳定性，达到控释效果。吕莎莎[12]等以玉米淀粉为原料，通过双氧水氧化降解和环氧氯丙烷交联改性制备了可用于包膜尿素的缓释肥料，结果表明，经过改性后淀粉基包膜材料的吸水率从190%降为84%，20%的改性淀粉包膜用量下尿素的初期溶出率为34.2%，微分溶出率为8.3%，效果最优。Rotondo[13]以天然木质素为原料，经甲醛羟基化后与酚醛树脂交联，制备了复合涂层，可用于磷酸钙的缓释。Ni[14]等以天然黏土、乙基纤维素薄膜和羧甲基纤维素钠/羟乙基纤维素水凝胶为基础，研究其对氮肥（尿素、硫酸铵、氯化铵）的缓释作用，结果表明该体系能有效减缓氮素的释放，第一阶段释放周期为1~5d，完全释放周期为20d，而且1%的包膜肥料用量可使土壤在施肥4周后水分维持在15.5%，有效提高了水的利用效率，延长灌溉周期。

1.2 化学合成缓释肥料

化学合成缓释肥料主要是指通过共价键或者离子键将化学成分键合到高分子聚合物上，需要通过土壤中的微生物或者酶的水解作用使化学键断裂，缓慢释放出养分的一类肥料。目前商品化的脲甲醛、异丁叉二脲、丁烯叉二脲、聚磷酸铵、草酰胺等都属于化学合成缓释肥料，其中脲甲醛的应用范围最广，其销售量约占全部缓控释肥料的一半。Christianson[15]等研究表明，脲醛肥料可以减少37%的氮损失。Mohammadi-Khoo[16]采用改性纤维素与尿素交联，体系在蒸馏水、自来水和0.9%的NaCl溶液中均表现出良好的溶胀性能。潘贝贝[17]等采用多聚甲醛与尿素反应制备了脲甲醛缓释肥，通过工艺优化得到的最佳产物活性指数达到72.88%，氮转化率达到74.99%。曹广峰[18]将转鼓蒸汽造粒复合肥生产工艺与脲甲醛生产工艺进行有机结合，开发出养分释放周期可达120d的脲甲醛缓释复合肥。

由于早期的化学合成缓释肥料多以尿素为主要原料，养分含量不能完全满足作物的营养需求，研究人员开始着手于改进聚合工艺引入磷和钾元素。Cheng[19]等以尿素、甲醛、磷酸二氢钾为原料，制备了N、P、K含量分别为21.4%、10.0%、6.5%的多营养化学合成型缓释肥。Li[20]等以尿素、磷酸二氢钾、甲醛、醋酸纤维素为原料，通过溶液聚合的方法，成功制备了一种麦秆半互穿网络聚合物水凝胶为基础的缓释肥料，该产品在pH值范围为6~9时的保水性能优异；Xiang[21]等以脲醛、聚磷酸铵和无定型硅胶为原料，利用氢键的相互作用和良好的相容性，通过挤压法制备缓释肥料，盆栽试验表明，该体系能显著提高油菜的氮素利用率。

1.3 沸石基缓释肥料

沸石基缓释肥料是以沸石为载体，利用其良好的吸附和离子交换性能，达到对氮肥、磷肥和钾肥不同程度的缓释作用。Huang[22]等以(NH4)2SO4为氮源，研究了天然斜发沸石对沙土中氮浸出的影响，结果表明，在最高施氮量为93kg/hm3时，经斜发沸石改性后的沙土中NO3-和NH4+的浸出量分别比未改性前降低86%和99%，且改性沙土浸出液中的NO3-浓度不超过10mg/L，有效缓解了氮肥中氮流失的问题，为提高氮利用率提供了新思路。夏桂敏[23]等研究了天然斜发沸石对水灌溉稻田的节水减肥效应，结果表明，改性后土壤中钾肥的积累时效性显著提高，植株地上部分钾素积累幅度达到9.69%~23.79%，水稻增产率达到8.7%~23.3%。除此之外，改性沸石可以增加营养元素含量并提高缓释性能。Tsintskaladze[24]等采用高温熔融法对天然斜发沸石进行改性，使其富含N和P，成功用于洋葱和大蒜等作物生长。白玉超[25]等将沸石进行铵化和低温活化处理后用于玉米定植盆栽实验，结果表明，在添加量为5%时，玉米磷素利用率比对照组提高了34.45%~45.53%。与天然沸石相比，合成沸石如纳米沸石具有纯度更高、粒径可控、比表面积大、离子吸附和交换能力更强的优势，是一种很好的缓释肥料载体。贺章咪[26]等研究表明，纳米沸石能显著提高油麦菜植株的维生素C、氨基酸和还原糖含量，同时降低硝酸盐含量，与不施沸石相比，产量最高增加3.3倍。Khan[27]等通过共沉淀法将Na、P、K、Ca、Mg和S元素浸渍到经硅酸钠和硫酸铝预处理后的沸石中制备纳米沸石颗粒并用于莴苣土培实验，结果表明各元素的释放周期长于商品化学肥料。

2 缓/控释肥料应用存在的问题

虽然近年来缓/控释肥料的研究取得了很大的进展，然而，我国国土面积广阔，气候复杂，各地农作物差异性大，其推广和发展还是存在较大问题：

1、价格昂贵。目前商品化的缓/控释肥料其包膜原料多来源于石油基附属物，本身成本就高，且生产工艺复杂，虽然药效比普通肥料高出5倍以上，但成本差额不足以覆盖大众农作物的种植收益，其应用范围受到限制；而且由于我国地域广阔，气候复杂，长途运输过程中可能会造成包膜破裂，增加运输维护成本；

2、二次污染。某些用于缓/控释肥料的包膜可能会在药效释放后残留于土壤中，无法真正做到有效降解，长此以往不利于农业的可持续发展，其对环境的污染也存在不确定因素，这与国家大力提倡的绿色生态建设政策相悖，而缺少政策支持，企业在是否大规模生产上也持观望态度；

3、品种单一。目前学者们对于缓/控释肥料的研究多集中在氮肥上，而对于一些缺少磷、钾及其他微量元素的土壤改性研究相对较少，相应的可商品化的缓/控释肥料就更少了；另外由于可选择性少，同一种缓/控释肥料在不同地区使用效果差异大，降低了用户的采购热情。

3 缓/控释肥料发展策略及解决方案

3.1 推进缓/控释肥料配施使用以降低成本

单一的化肥施用无法完全满足农作物的生长全过程，且由于我国地域辽阔，土壤内环境更是复杂，为了实现增产降本，可以合理采用肥料配施。如缓/控释肥料，尤其是化学合成缓/控释肥料稳定性好，性能优良，但价格相对较高，且过长的释放周期并不适用于短生长周期作物；传统有机肥价格低廉，来源广泛，秸秆、沼液渣、细菌渣等都可以作为有机肥料，提供化学合成缓/控释肥料降解所需的微生物，因此可以考虑将化学合成缓/控释肥料与有机肥配施。孙会峰[28]等以花优14为材料，研究了秸秆与缓释尿素配施对水稻产量及氮素吸收利用率的影响，结果表明：经配施处理后水稻的有效穗数和干粒重明显增加，产量增幅达12.3%~17.8%，氮素吸收利用率从28.7%~40.%提高到71.6%~77.6%。张富鑫[29]等研究了缓释肥配施生物有机肥对结球甘蓝生长生理、产量及品质的影响，结果表明：配施处理后甘蓝的紧实度、单球质量、产量、叶绿素总量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、维生素C含量、经济效益、肥料贡献率都有不同程度的增加或改善，同时其硝酸盐含量降低34.6%，粗纤维含量降低2.21%，效果良好。

除此之外，针对不同的地域环境，缓释肥还可与其他肥料配施作用。胡迎春[30]等研究了缓释肥配施对黄土高原春玉米产量的影响，结果表明：与常规全尿素施肥相比，氮肥减量20%下的缓释肥和尿素7：3配施处理后，春玉米干物质质量、地上部分氮素累积量、土壤铵态氮质量分数、籽粒品质虽无明显差异，但土壤中的硝态氮质量分数提高，因节肥而产生的平均利润为11122元/hm2，同比增加189元/hm2，基本实现减氮增效目标。董晓亮[31]针对滨海盐碱地土壤盐分较高的情况，对水稻采用缓释肥与无机肥配施试验，结果表明，配施可以减少20%的氮素用量，且穗肥不追施任何氮素处理时，水稻的生长指标、稻米的食味值显著提高，并且成本显著降低。

3.2 大力发展环境友好型生物基包膜材料降低环境污染

虽然采用缓/控释肥料可以提高氮素利用率，在达到相同产量条件下减少肥料的用量，进而减少其对土壤和环境的污染，但要想彻底解决污染问题，其根本在于使用的原料是否为环境友好型的可降解材料。Amazm[32,33]研究了海藻酸钠对土壤的保水作用，以海藻酸钠、丙烯酸、丙烯酰胺和蒙脱土为原料，通过原位自由基聚合制备了高吸水性的纳米复合材料，可用于N、P、K复合缓释肥，而海藻酸钠本身可作为土壤调理剂使用，未接枝完全的原料进入土壤也不会破环土壤内环境，是一种环境友好型包膜材料。邹洪涛[34]等采用柠檬酸、聚乙烯醇、硅藻土为原料，制备改性聚乙烯醇膜材料，自然暴露和田间埋土试验结果表明：膜材料的降解率随时间增加呈上升趋势，15d最高降解率可达到30%以上。

除此之外，针对已经造成污染的土壤，在施用缓释肥保证作物生长的同时，可以采用微生物修复环境。胡可[35]等在盆栽复垦的条件下，利用传统平板计数法与BIOLOG方法相结合研究菌剂与缓释肥配施对土壤微生物生态的影响，结果表明，菌剂与缓释肥配施能显著增加土壤细菌/真菌和放线菌的数量，提高土壤酶活性，改善土壤微生物群落均匀度，进而促进土壤微生物功能多样性。

3.3 突破现有技术壁垒拓展新的缓/控释技术用于肥料应用

现有包膜肥料的制备工艺主要有造粒塔喷雾法、流化床涂布法、转鼓或圆盘包覆法、浸润离心法等。大多数聚合物包膜肥料可采用造粒塔喷雾法和流化床涂布法，包容性强；而转盘或转鼓喷涂包膜则工艺简单，用途广泛，是制备缓/控释型肥料最常用的工艺。

近年来，学者们充分利用学科交叉优势，也开拓了一些新型制备工艺。例如，同轴静电纺丝技术一直以来在医药尤其是药物缓释方面发挥着重要作用，但用于农业的研究和报道却少见。Javazmi[36]等采用同轴静电纺丝技术制备了以去羟基丁酸酯（PHB）为壳、单层聚L-乳酸（PLLA）与化肥共混为芯的核/壳纤维，用于肥料缓/控释中，药效周期可达一个月。江东教授[37]的团队将尿素包埋在聚乳酸纤维内，采用同轴静电纺织技术制备纳米级缓释尿素纤维，结果表明，该包膜尿素28d内释放速率符合国家标准，80d内释放速率可保持80%，有助于在生长阶段持续饲喂，且该体系在126oC下热稳定性良好，为无土栽培提供了一条可行的肥料选择途径。

另外，超疏水材料由于能使膜材表面与水的接触角大于150o，近年来在纺织、药物、防水涂料等领域得到了广泛的应用与发展，但用于控释肥料领域的研究却不深入。鉴于超疏水技术可以降低材料的表面能，解决生物大分子的亲水性，使包膜材料不容易破裂，为缓/控释肥料的应用提供了一种可能。Xie[38]等采用自组装技术，用均匀分散的Fe3O4超疏水磁敏纳米粒子制备了超疏水生物聚合物包膜缓释肥料，缓释寿命超过100天。Zhang[39,40]对液化小麦秸秆、玉米芯基多元醇及蓖麻油基多元醇进行超疏水改性，制备新型生物基聚氨酯，以提高其对养分的控释性能，肥料的释放周期最大能增加460%。另外，利用自组装自修复技术对蓖麻油基多元醇进行修饰，能进一步减少生物膜材空隙和提高其疏水性能。连续3年的水稻田间试验结果表明：相较于传统控释尿素，超疏水包膜尿素的平均氮利用率可增加70-80%，产量增加15~30%。

4 展望

推进化学肥料的绿色化改造，提高养分利用率是我国未来很长一段时间的发展方向。本文综述了近年来较典型的缓/控释肥料的研究方向和应用现状、存在问题、未来的发展策略及解决方案，虽然很多技术还处于初期研究和实验室阶段，但仍可以为今后进一步研究缓/控释肥料提供参考，尽快推动其工业化进程的发展。

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