緩釋／控釋肥料的研究進(jìn)展

彭　輝　陳戰(zhàn)紅　趙靜紅　張曉霞　呂　紅　李淑芬

摘要緩釋／控釋肥料已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)肥料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。文中闡述了緩釋／控釋肥料的概念及其特點(diǎn)、制備原理和途徑、緩釋／控釋材料分類及其緩釋／控釋機(jī)理和緩釋／控釋肥料養(yǎng)分釋放特征評(píng)價(jià)方法的研究概況，并展望了我國(guó)緩釋／控釋肥料的研究方向。

關(guān)鍵詞緩釋肥料控釋肥料進(jìn)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)氮肥利用率僅為30％－35％，磷肥利用率為10％-25％，鉀肥利用率為35％-50％，低于世界平均水平，僅氮肥利用率就比世界平均水平低了10-15個(gè)百分點(diǎn)。其主要原因是，我國(guó)化肥品種單一，且以低濃度單質(zhì)速溶肥料為主，氮肥中碳酸氫銨仍占48％左右，尿素約占43％左右，效果較好的復(fù)混肥只占10％左右。而且這些肥料的養(yǎng)分釋放速度太快，加快了土壤微生物對(duì)肥料的分解，也加速了養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、揮發(fā)、淋失及物理化學(xué)固定，作物來不及吸收，大部分養(yǎng)分就損失掉了。這樣不僅降低了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，電給生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)面影響。因此，如何提高肥料利用率、減少肥料養(yǎng)分流失、降低肥料對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面壓力等問題，受到越來越多國(guó)家的農(nóng)化和環(huán)境工作者的關(guān)注。緩釋／控釋肥料恰好可以解決這些難題，緩釋控釋肥料的研究逐漸成為肥料領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。

1緩釋／控釋肥料的概念

1.1緩釋肥料概念

緩釋肥料(Slow Release Fertilize縮寫為SRF)又稱長(zhǎng)效肥料、遲效肥料或緩效肥料，通常由于肥料化學(xué)成分改變或表面包涂半透水性或不透水性物質(zhì)而使其中的有效成分緩慢釋放㈣。緩釋肥料的優(yōu)點(diǎn)是比常規(guī)肥料養(yǎng)分釋放慢，養(yǎng)分損失相對(duì)較少。其缺點(diǎn)是肥料釋放養(yǎng)分的速度與作物需要不一定吻合，作物大量需要時(shí)供應(yīng)不上，作物缺少量時(shí)肥料養(yǎng)分依然釋放，造成養(yǎng)分不必要流失。

1.2控釋肥料概念

控釋肥料(Controlled Release Fertilizer縮寫為CRF)使肥料釋放養(yǎng)分的速度與作物需要養(yǎng)分的量一致，使肥料利用率達(dá)到最高，是緩釋肥料的高級(jí)形式。它是以有機(jī)肥料和無機(jī)肥料為基體，依據(jù)橫向－縱向施肥的理論，用物理化學(xué)及生物化學(xué)的手段調(diào)節(jié)和控制養(yǎng)分促釋和緩釋，通過工業(yè)制造生產(chǎn)包容平衡施肥原理和技術(shù)等農(nóng)藝措施的科學(xué)施肥技術(shù)載體。它能依據(jù)作物營(yíng)養(yǎng)的階段性和連續(xù)性等營(yíng)養(yǎng)特性，調(diào)控氮磷鉀及必要的中、微量營(yíng)養(yǎng)元素等養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度與容量，使促釋和緩釋協(xié)調(diào)，能達(dá)到供肥緩急相濟(jì)效果的控效植物營(yíng)養(yǎng)復(fù)合體。控釋肥料具有養(yǎng)分釋放與作物吸收同步，一次施入能滿足作物整個(gè)生育期的需求；揮發(fā)、淋溶、固定少；施用方便，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是控釋肥料成本高，其價(jià)格一般比常規(guī)肥料高2.5－8倍，目前僅在花卉、草坪、觀賞性植物等經(jīng)濟(jì)作物上有一定的使用量，而在玉米、水稻等大田作物上仍處在試驗(yàn)階段。

2緩釋／控釋肥料的制備原理和途徑

2.1物理方法制備緩釋／控釋肥料原理和途徑

2.1.1物理包被法

物理包被法是指在水易溶性或緩釋性顆粒肥料外表面包裹上一層滲透擴(kuò)散阻滯層，來減緩或控制肥料養(yǎng)分的溶出速率，即包膜(裹)緩釋／控釋肥料。硫衣尿素(SCU)、涂層尿素、Luxuriance(樂喜施)等都屬于這一類，而且硫衣尿素肥料的研制和開發(fā)還奠定了物理方法研究緩釋／控釋肥料的基礎(chǔ)。

2.1.2整體分散法

整體分散法是將肥料均一地分散、吸附于控釋材料中，形成多孔網(wǎng)狀體系，肥料養(yǎng)分隨著控釋材料對(duì)肥料養(yǎng)分的解吸或控釋材料的溶蝕或降解釋放出來。整體分散法生產(chǎn)的緩釋肥料被稱為基質(zhì)型緩釋肥料，包括固體基質(zhì)肥料、固液態(tài)基質(zhì)肥料和膠粘肥料。基質(zhì)型緩釋／控釋肥料的緩釋／控釋系統(tǒng)可以由親水或疏水材料以及生物降解型材料構(gòu)成，其養(yǎng)分釋放機(jī)理可以是擴(kuò)散控制型，也可以是物理化學(xué)控制型。

2.1.3混合法

混合法是將肥料增效劑(脲酶抑制劑、硝化抑制劑、保鉀劑和磷素活化劑等)均勻地分散混合到肥料中去，通過調(diào)節(jié)肥料在土壤中的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，來實(shí)現(xiàn)緩釋／控釋肥效果。如緩釋碳銨(添加改良的DCD)和緩釋尿素(添加HQ)等。

2.2化學(xué)方法制備緩釋／控釋肥料原理和途徑

化學(xué)合成緩釋／控釋肥料是將直接或間接地通過共價(jià)或離子鍵連接到預(yù)先形成的聚合物上，構(gòu)成一種新型組合物。其所含養(yǎng)分的釋放速度取決于聚合物鍵的性質(zhì)、立體化學(xué)結(jié)構(gòu)、疏水性、降解難易程度和交聯(lián)程度等。化學(xué)合成緩釋／控釋肥料可分為合成緩釋性有機(jī)氮肥、合成緩釋性無機(jī)氮肥和尿素改性的其它產(chǎn)品三類。

2.2.1合成緩釋性有機(jī)氮肥

合成緩溶性有機(jī)氮肥如脲甲醛(NU)、脲乙醛(CDU)、異丁叉二脲(IBDu)和草酰胺等，這類肥料在土壤中的轉(zhuǎn)化主要取決于環(huán)境因子。如土壤性質(zhì)、溫度和微生物活性，還取決于肥料本身的理化性質(zhì)，粉狀肥料的氮素釋放速度比顆粒狀的要快的多。

2.2.2合成緩釋性無機(jī)氮肥如磷酸銨鎂和磷酸銨鉀是目前已經(jīng)投入生產(chǎn)的兩種重要無機(jī)磷酸銨化合物。

2.2.3尿素改性的其它產(chǎn)品如硫代尿素、甘脲(亞異丁基二脲)等。這些肥料N的利用率可達(dá)66％-75％。

3緩釋／控釋材料及其緩釋／控釋機(jī)理

硝化抑制劑、脲酶抑制劑、磷素活化劑、肥料改性物質(zhì)、肥料包膜材料、載體材料等材料都不同程度地對(duì)肥料起著緩釋／控釋效果，都屬于緩釋／控釋材料的范疇。這些材料的緩釋／控釋機(jī)理各不相同。

3.1硝化抑制劑

國(guó)內(nèi)外廣泛研究的硝化抑制劑有氮－吡啶、雙氰胺、氯唑靈、4－氧基三唑、2－乙基吡啶、硫代硫酸鍍、硫代硫酸鈉、脒基硫腮、硫代磷酰三胺、硫脲等材料。硝化抑制劑的作用機(jī)理是抑制硝化作用第一階段銨根離子氧化為亞硝酸根離子的主要細(xì)菌即亞硝化單孢菌的活性，從而減少亞硝酸根離子的積累，進(jìn)而控制硝酸根離子的形成，最終降低了施入土壤中的氮素?fù)p失。

3.2脲酶抑制劑

近幾年來，開始研究使用的脲酶抑制荊有N－(正丁基)磷酰三胺、硫代磷酰三胺、苯基磷酰二胺、環(huán)已基磷酰三胺、磷酰三胺、對(duì)苯二酚、P－苯、硫代吡啶、硫脲、糠醛、腐植酸類物質(zhì)、硼酸、甲醛、乙草胺、乙丙甲草胺等材料。脲酶抑制劑的作用機(jī)理是抑制尿素轉(zhuǎn)化中脲酶的活性，起到延緩尿素分解的作用，減少了尿素的分解損失，從而起到緩釋的效果。

3.3磷素活化劑

目前，研究較多的磷素活化劑如沸石、澎潤(rùn)土、糠醛渣、腐植酸類、木質(zhì)素鹽類、硅藻土、雞糞中活性有機(jī)酸類、豬糞中有機(jī)活性物質(zhì)、蘺稈中提取的活性有機(jī)物質(zhì)等材料。磷素活化劑的作用機(jī)理是將土壤中的難溶性磷分解為可被植物吸收利用的狀態(tài)，增加土壤中的有效磷素含量，降低磷肥施用量，提高磷肥利用率。

3.4肥料改性物質(zhì)

肥料改性物質(zhì)有甲醛、草酸、乙醛、丁烯又醛、硝酸、磷酸等材料。肥料改性物質(zhì)的作用機(jī)理是通過化學(xué)方法改變了肥料的性質(zhì)，降低改性后肥料在土壤中的溶解速度，減少了肥料的流失量，提高了肥料利用率。

3.5肥料包膜材料

目前，得到廣泛研究和應(yīng)用的肥料包膜材料有阿拉伯膠、明膠、海藻酸鈉、腐植酸類、淀粉類、面粉、纖維素、焦油、橡膠、乳膠、石蠟、瀝青、油類、羥甲基纖維素鈉、乙基纖維素、聚乙烯、聚苯乙烯、脲甲醛樹脂、聚乙烯醇磷酸脲、聚乙烯醇縮醛、L－乳酸聚合物、聚乙烯醇、聚丙烯、聚氯基甲酸酯、木質(zhì)素磺酸鈉、聚乙二醇、醋酸纖維、硬脂酸、硫磺、鈣鎂磷肥、氧化鎂等材料。肥料包膜材料的作用機(jī)理是通過包膜材料在肥料表面形成膜的透性，減少肥料在土壤中的物理化學(xué)生物的分解作用，達(dá)到植物需要多少養(yǎng)分肥料就分解多少的目的，進(jìn)而達(dá)到緩釋／控釋的效果。

3.6載體材料

可利用的載體材料有玻璃、珍珠巖、沸石、延展性蛭石、明膠、淀粉、聚丙烯酰胺、聚乳酸、甲殼糖、丁苯橡膠、瀝青、石蠟、海泡石等材料。載體材料的作用機(jī)理是通過其材料本身的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)肥料的吸附作用，減少了肥料在土壤中的損失，提高了肥料利用率。

4緩釋／控釋肥料養(yǎng)分釋放特征評(píng)價(jià)方法

4.1水溶出率法

水溶出率法又分為7天靜止水溶出率法、水浸法、水溶出率法等方法。歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)對(duì)評(píng)判緩釋／控釋肥料作了如下說明：若肥料養(yǎng)分在25℃的水中24小時(shí)釋放量不大于15％及28天釋放量不超過75％和在規(guī)定時(shí)間內(nèi)至少75％被釋放，則該肥為緩釋／控釋肥料。試驗(yàn)證明通過上述方法試驗(yàn)肥料浸入水中測(cè)得養(yǎng)分釋放期不能代表作物表現(xiàn)的肥效期，所以該方法在評(píng)價(jià)肥效期時(shí)有待進(jìn)一步改進(jìn)。

4.2淋溶評(píng)價(jià)法

淋溶評(píng)價(jià)法包括土柱淋溶法、土壤溶出率法和砂柱淋溶法等方法。其中土柱淋溶法考慮了養(yǎng)分離子或分子被土壤膠體吸持這一事實(shí)，與田間情況較為接近。

4.3生物培養(yǎng)法

以盆栽試驗(yàn)或大田試驗(yàn)來研究控釋肥料的養(yǎng)分釋放規(guī)律最能體現(xiàn)肥料的控釋性能。通過不同生育期的吸收量或土壤肥料養(yǎng)分殘留量、速效肥料效應(yīng)為對(duì)照，計(jì)算控釋肥料養(yǎng)分釋放量。大田試驗(yàn)受到諸多自然條件，如降水、溫度、蟲害等影響，而盆栽試驗(yàn)條件相對(duì)則易于控制。同時(shí)，不同作物、不同土壤對(duì)同一控釋肥料的反應(yīng)是不同的，很難得到一致的規(guī)律，如何確定試驗(yàn)條件還有待研究。

4.4其他評(píng)價(jià)方法

應(yīng)用電超濾技術(shù)評(píng)價(jià)肥料的釋放速率土壤培養(yǎng)法；也有把包膜肥料放在不同鹽濃度的溶液中培養(yǎng)，溶液可以攪動(dòng)或靜止，測(cè)定包膜肥料養(yǎng)分的釋放速率土壤培養(yǎng)法；廖松等土壤培養(yǎng)法采用電導(dǎo)法、好氣培養(yǎng)法和連續(xù)取樣法研究包膜控釋尿素包肥效果及其機(jī)理，發(fā)現(xiàn)該法得到的控釋尿素的供氮曲線具有一致的變化規(guī)律，并認(rèn)為用該法簡(jiǎn)單快速測(cè)定控釋肥料的供氮速度并評(píng)價(jià)其肥效；樊小林等用土壤好氣培養(yǎng)——間隙淋洗法，在恒溫條件下培養(yǎng)12周，研究控釋肥料與控釋包在土壤中的供氮情況表明，其在土壤中的供氮規(guī)律可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程描述。陳立軍土壤培養(yǎng)法應(yīng)用紅外光譜分析法快速有效同時(shí)測(cè)定復(fù)合緩釋肥中的N、P的釋放量。

5展望

我國(guó)在緩釋／控釋肥料的研究方面已經(jīng)取得很大成績(jī)，但是從緩釋／控釋肥料的推廣應(yīng)用方面的反饋信息上發(fā)現(xiàn)，在研究上仍存在諸多問題：如價(jià)位太高、養(yǎng)分釋放速率與作物吸收速率的模式不一致、養(yǎng)分釋放與肥料的肥效都缺乏全面系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。針對(duì)目前存在的問題，緩釋控釋肥料的研究重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾個(gè)方面：(1)加強(qiáng)價(jià)格低廉的緩釋／控釋材料的研究與開發(fā)，制備價(jià)格較低的緩釋／控釋肥料；(2)改進(jìn)緩釋／控釋肥料，使其養(yǎng)分釋放速率與作物的吸收速率同步；(3)定量評(píng)價(jià)從準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、快速及節(jié)省勞力并得到實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益入手；(4)完善緩釋／控釋肥料養(yǎng)分釋放特性的檢測(cè)方法，規(guī)范緩釋／控釋肥料生產(chǎn)中的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)；(5)氮肥在農(nóng)田中的損失最嚴(yán)重，目前氮肥的緩釋控釋技術(shù)研究最多，但國(guó)內(nèi)磷鉀肥料資源較缺乏，因而加強(qiáng)磷鉀肥料緩釋／控釋技術(shù)的研究也是非常必要的。