天然產物及其改性物制備緩控釋肥料包膜劑的研究進展

黃連根　吳彬琳　何政　張凱凱　翁景崢

【摘要】天然產物及其改性物制備而成的緩/控釋肥料是非常有潛力的緩/控釋肥品種之一，是未來環境友好型緩/控釋肥料的主流趨勢。本文簡要介紹了天然產物及其改性物制備的緩/控釋肥料的概念。闡述了天然產物緩/控釋肥料的類型及其相關研究，并對未來發展進行了展望。

【關鍵詞】天然產物；天然產物改性物；緩/控釋肥料

引言

化肥在農業生產中具有無比重要的位置，在發展中國家55%的糧食增產歸功于化肥的使用。然而，肥料在實際使用中普遍存在利用率低的問題。利用率低下的其主要原因是氮肥在土壤中通常以硝酸鹽和氨的形式存在，因其分別具有的水溶性和揮發性，導致在雨水的沖刷下和光照下使得氮肥非常容易流失。這不僅造成嚴重的環境污染，還使得經濟效益大打折扣。而緩控釋肥料以其利用率高，減少氮對環境的污染的優點，成為近年來研究的熱點。緩釋肥料可分為三類即是1.包硫尿素（SCU）；2.合成聚合物包膜肥料；3.天然產物包膜肥料；其中包硫尿素（SCU）其養分釋放的機制是裂解方式（“Fail2ure”Mechanism），在較短時間內迅速釋放大部分養分，余下養分（20%～50%）需要很長時間才能釋放出來（尤其是包硫很厚的肥料），稱之為“拖尾效應”，這種模式和植物的需肥規律難以匹配，因而難以達到理想的控釋效果。而合成聚合物包膜肥料其養分釋放機制主要是擴散作用（Diffusion Mechanism），雖然相較包硫尿素（SCU）其緩/控釋效果好但是當肥料釋放完后會有大量的難以降解的有機物殘留，這嚴重的造成了環境的污染。而天然產物及其改性物制備的緩/控釋肥料其通過控制天然有機物在環境中的降解速率以達到控制肥料進入環境和被植物吸收的速率，從而達到既不污染環境，又能夠有效的控制肥料的釋放從而提高肥的料利用率。

本文就由天然有機物及其改性物制備而成的緩/控釋肥料進行了分類及其相關研究的闡述。天然產物及其改性包膜肥料是由如松香、腐殖酸、木質素、天然橡膠、纖維素、殼聚糖、淀粉等一系列天然產物將其改性，添加入一些無機物或者有機聚合物制備而成的緩/控釋肥料。其不僅具有良好的緩/控釋效果，而且易于降解，不對土壤造成殘留。

一、天然產物及其改性物包膜肥料的類型及其相關的研究

（一）松香制備緩/控釋肥料

朱鴻杰等以松香的無水乙醇溶液為粘結劑，凹凸棒石粘土作為內包層，石蠟作為外層，采用熔融噴霧包膜的方法制備一種緩釋包膜尿素。通過掃描電鏡（SEM）分析得出，尿素內部形成一層以松香和凹凸棒石粘土為內包層的均勻膜，根據水浸泡試驗和抗壓強度測定表明，添加凹凸棒石粘土增加了包膜層的強度，松香粘結劑有利于增強膜的致密性與牢固性。緩釋效果理想的樣品初期釋放率（24h）≤15%，28d累積的釋放率≤75%。

篩選3.2～4.0 mm的尿素顆粒，在包衣中預熱，用無水乙醇作為有機溶劑，將熔融的松香乙醇混合液直接噴涂到尿素顆粒表面，添加過0.15mm篩的凹凸棒石粉末，轉速控制在60—70r/min，轉鼓傾角45°，噴槍氣壓7kg/cm2，重復此步驟數次（少量多次），形成內包膜層；使用噴槍向轉鼓中噴入經加熱熔融的石蠟，形成石蠟外層包膜，制得松香一凹凸棒石一石蠟復合包膜尿素緩釋氮肥。

（二）腐殖酸制備緩/控釋肥料

腐植酸廣泛存在于風化煤褐煤中，是一種天然大分子芳香族羥基羧酸的混合物，所具有的多種活性基團（羧基酚羥基醇羥基甲氧基等）賦予其多種功能，如酸性親水性陽離子交換9性絡合能力及較高的吸附能力等。陳劍秋等通過一系列實驗測定結果表明：生產時的溫度顯著影響其控釋效果，70℃和80℃條件下制得的產品養分控釋性能好；風化煤的粒度也是影響其釋放率的關鍵因素，粒度越大，肥料養分釋放越陜；黏結劑與風化煤質量比越大，肥料養分釋放速率越慢；黏結劑對腐植酸緩控釋肥養分釋放控制的貢獻率大于風化煤。

生產設備為如圖1所示的轉鼓流化床。

（三）殼聚糖制備緩/控釋肥料

殼聚糖包膜內質緩釋肥料是傳統緩釋肥料更新換代產品，是一種由內質型緩釋肥與包膜型控釋肥技術相結合而成的新型緩釋肥料，以控制肥料養分釋放、流失和揮發為切入點根據作物生長的不同階段對養分的需求，為大田作物生長提供適時、適量的養分。

采用中國科學院合肥物質研究院網捕控失技術、高塔熔體造粒復混肥料工藝技術與轉鼓包膜技術相結合，最終生產出不同包膜厚度、不同釋放速率的殼聚糖包膜內質緩釋肥料，即具有速效+中效+長效功能的內緩外控型復混肥料。

（四）魔芋灰分制備緩/控釋肥料

魔芋灰分是魔芋加工廢棄物，含有大量的葡甘聚糖，具有低溫吸水溶脹形成凝膠的特性，因此可以采用固體狀態與肥料組分混合壓片，片劑在施放到田間后再吸水溶脹形成凝膠，實現保水和對肥料養分釋放的控制。凹凸土作為固體粘接劑可有效防止片劑吸水崩解，同時具有一定的吸附肥料養分的能力。向天勇等以魔芋加工廢棄物魔芋灰分和凹凸土為原料，控制總用量在6%左右，魔芋灰分/凹凸土比例為1/1、1/2、1/3，與KH2P04、KCl（P205/K20為11/18）充分混勻壓片制成緩釋肥。120d時，土壤養分累積釋放量在72%～87%，大量釋放時段集中在60～120d，符合作物的常規需肥規律；灰分中葡甘聚糖通過吸水溶脹實現對肥料養分的包埋吸附，10%用量以內，其用量與包埋吸附能力呈正相關；凹凸土可有效延長緩釋肥藥片的崩解時間，在旱地土壤上，還可以通過空間阻斷增強藥片的緩釋能力。

（五）淀粉/聚乙烯醇共混物制備緩/控釋肥料

聚乙烯醇（PVA）的結構與淀粉有一定的相似性，即分子中含有多個游離羥基，兩者共混是制備兼具良好使用性能與可生物降解材料的有效途徑之一。高速攪拌是實現淀粉與PVA溶液共混的良好方法，可明顯提高淀粉/PVA共混薄膜的力學性能、透明性、耐水性及生物降解性。

喬遷等以玉米淀粉、土豆淀粉、聚乙烯醇（pva）為原料，在交聯劑甲醛和增塑劑甘油的作用下，通過溶解、糊化、再交聯等工藝過程，制得肥料包膜料液，用此料液制備了包膜尿素。將包膜尿素進行土壤降解實驗，發現該膜在土壤中完全降解時間為45d左右。此包膜材料緩釋性能良好，具有成本低、可生物降解、無環境污染等特點。

展望

盡管目前緩/控釋肥在世界范圍內已經漸漸的走上正軌而且不少產品控釋的效果也取得了較好的結果，但是目前還存在著一定的問題，而這些問題正是制約其推廣的關鍵因素。而最主要的問題就是成本和環境污染問題。而天然產物廣泛存在，來源容易且渠道廣泛，再者由其制備的肥料易于降解，并不會殘留于土壤中。且其對肥料良好的緩/控釋效果使得肥料利用率大大提高，這對于降低成本、拓寬天然產物的市場具有重要的作用。目前緩/控釋肥料，大規模用于農業生產并不多見。所以，緩/控釋肥料的生產要根據中國國情，博彩眾長，將物理化學和生物的方法相結合，研發具有高效、低成本、易于降解的緩/控釋肥料來解決難以大規模推廣的這一現狀。因此，這需要更多的科學研究人員的探究。