具有中國特色的腐植酸涂層緩釋肥的作用機理與應用研究

陳紹榮 熊思健

(廣州聚凡農業科技有限公司 廣州 510650)

具有中國特色的腐植酸涂層緩釋肥的作用機理與應用研究

陳紹榮 熊思健

(廣州聚凡農業科技有限公司 廣州 510650)

我國現有的主流緩/控釋肥產品主要是參考國外技術，具有中國特色和擁有自主知識產權的緩/控釋肥產品主要有鈣鎂磷肥包裹碳銨、Luxacote(枸溶磷包裹尿素)和腐植酸涂層緩釋肥等品種。本文重點介紹了腐植酸涂層緩釋肥的作用機理及其應用研究成果。

緩/控釋肥 中國特色 腐植酸涂層緩釋肥 應用

近年來，我國控/緩釋肥料的研發與應用發展速度很快，對減少化肥用量、提高作物產量、防止面源污染等方面起了重要作用，正在成為建設現代農業的重大戰略措施。但是，這些控/緩釋肥料產品大多是跟蹤國外技術，很多產品都不太符合中國的國情，沒有自主創新知識產權。而且，技術經濟性差，產品價格昂貴，被農民稱作是“貴族肥料”，難以進入我國的大田作物(糧、棉、油等)市場。

中國科學院石家莊農業現代化研究所閻宗彪研究員帶領他的科研團隊研發了“腐植酸涂層緩釋肥”，該肥料已經在大田作物上大量推廣和應用，因其具有獨特的緩釋高效原理，增產提質效果顯著，節水節肥節工，成為緩/控釋肥市場上的一枝獨秀，是具有中國特色的新型緩釋肥料。

1 發展緩/控釋肥的戰略意義

當前我國化肥生產總量及表觀消費量均占世界第1位，是世界化肥生產大國和消費大國。我國單位面積施肥水平是世界平均水平的3倍，但是，氮肥利用率僅為發達國家平均水平的50%左右；使用環節化肥成本占農民農資成本投入的40%以上；過量施肥導致耕地土壤退化、環境污染、糧食安全等諸多問題[1]。在這種背景下，我國化肥生產在國家發展“高效、增產、環保”新型肥料政策指引下，緩/控釋肥料應運而生。

1.1 國家糧食安全的需要

2013年，我國糧食產量實現了“十連增”。為確保國家糧食安全，中央提出了“一個確保(糧食自給率穩定在90%左右，主要糧食品種自給率超過95%)、三個力爭”(力爭棉花、糖料滿足國內需求和蔬菜穩定供應)的發展定位，按2030年前后我國人口將再增加2億計算，糧食年需求量將近2億噸左右，未來17年糧食生產平均增長率需＞1%。因此，通過科技進步提高化肥利用率勢在必行。

1.2 資源節約和生態環境保護的需要

目前，化肥主要是氮素化肥，對生態環境的負面影響很大。根據氮素影響相關統計估算[2]，我國氮肥利用率為30%～35%，其余氮素通過氨揮發、硝化、反硝化、淋洗、徑流和未明確途徑而損失。損失的氮素對大氣質量造成影響的比例約為12.1%；對水體質量造成影響的比例約為7.0%。另外，氮肥生產環節要使用大量資金和投入大量能源。目前一套生產規模為5萬噸/年合成氨、80萬噸/年尿素、以煤為原料的氮肥生產裝置投資在40億元以上，行業領先的噸合成氨能耗約為5×1010GJ。控/緩釋肥料可以減少氮化肥用量，減少資金、能耗，能有效保護生態環境。因此，發展控/緩釋肥料資源節約和生態環境保護的需要。

2 發展緩/控釋肥要走中國特色之路

我們認為，當前我國緩/控釋肥料的主流產品，例如大量生產的包膜類和脲醛類緩/控釋肥，基本上是在參考國際上反應成膜生產控釋肥，如美國、德國、日本等20世紀40年代起就研究開發的有機合成微溶性氮素肥料(脲醛縮合物)技術工藝，從國際同類研究的角度來看，沒有什么技術上的重大創新點，原創技術少；研究工作不夠系統和深入，與中國的國情結合不夠。

2.1 大田作物是我國農業生產和肥料施用的主體

當前，我國農業的基本國情是糧、棉、油、糖等大田作物仍然是農業生產的主體。因此，現在和未來很長一段時間，我國緩/控釋肥產品的主供對象就是大田作物市場。而我國的緩/控釋肥主流產品因“緩/控釋材料價位高、工藝成本高”等原因，造成價格高，難以進入大田作物市場。而國外的緩/控釋肥產品價格雖然昂貴，但主要應用于非農業領域，例如草坪、花卉等，屬于高檔消費領域。

2.2 我國農民科學用肥觀念淡薄，喜歡簡單實用的高效施肥技術

由于我國農民多家庭經營，生產規模偏小，機械化水平低，加上農民勞動者科學文化水平不高，他們要求的是把相關的實用技術集成起來，使復雜的規程、操作簡單化、實用化。腐植酸涂層緩釋肥是一種既簡單實用又相容互補的最佳物化載體，幫助農民達到一季作物施用一次肥，每畝地只要施肥“一袋子”的目的，實現既高產又優質，被河北、山東、河南、江蘇等地區的農民戲稱為“傻瓜技術”，深受農民消費者的青睞。

2.3 我國農田面源污染嚴重

由于長期大量生產和施用甚至過量施用化肥，導致了我國農田的大面積面源污染，嚴重威脅糧食安全和人類健康。國內許多廠家生產的樹脂薄膜控/緩釋肥，固然提高了化肥利用率，減少了化肥施用量，但是其中大多數的包膜原料短時間內難以降解，會對土壤產生二次污染。

3 腐植酸涂層緩釋肥是具有中國特色的新型高效緩釋肥

筆者長期跟蹤了腐植酸涂層緩釋肥產品的研發、完善和實踐應用，匯總、梳理了該產品的創新機理及其在大田作物中的應用[3～5]。

3.1 理論創新，團絮結構與膜反應

我國研發的緩/控釋肥主流產品主要應用非親水性物理材料包膜或應用低水溶性的有機無機材料，或生化抑制劑等手段，控制(限制)肥料產品中有效養分(主要又是氮養分)的溶出釋放；而腐植酸涂層緩釋肥則是利用親水性材料，以腐植酸為載體，通過包膜物質的水溶漲形成的大分子團絮結構來增強對溶出養分的吸附，并通過調節包膜厚度和改性包膜資料來控制養分的水溶出，這就是嶄新的“膜反應”與“團絮結構”的緩釋高效理論。

(1)團絮結構。

第一，“團絮結構”，主要是涂布在肥料顆粒表面的涂液物質，可以促使包膜吸水后膨脹，在土壤中，形成大分子三維網絡結構，成為開放式的“養分庫”，極大地增強對有效養分的吸附作用，從而有效地減少有效營養成分的淋溶或揮發損失。由于網絡結構內外可移動離子濃度的梯度差異，促使肥料中的有效養分可以逐步釋放出來，達到緩釋高效的目的。

第二，腐植酸涂層緩釋肥的涂膜薄而輕，如氮涂劑，一般僅占尿素重量的0.3%左右，涂膜不會明顯降低尿素的有效含氮量。而樹脂、硫磺等包膜緩控釋肥其膜重一般占尿素總量的10%左右，使尿素的有效含氮量下降到36%左右。由于尿素出廠時的含氮量一般都是46.3%～46.4%，腐植酸涂層緩釋肥的有效含氮量仍可保持在46%左右。

第三，腐植酸涂層緩釋肥使用的涂層成膜材料屬親水性的有機無機復合膠體，施入土壤中后，會迅速大量吸收水分膨脹，并和土壤團粒中的有機無機物質結合，形成大分子三維網絡結構，緊緊地包圍在肥料粒子表面，使肥料粒子中的有效營養成分被牢牢吸附，大大減少其淋溶、滲透或揮發損失。特別是由于其吸水性良好，能充分、高強度地吸收土壤團粒間及團粒內的各種水分，減少水分蒸發。這些水分可以被作物根系吸收，從而增強作物的抗旱能力。2008年，罕見的的秋冬大旱，使得河南、河北、山東等省小麥嚴重減產，而使用了腐植酸涂層緩釋肥后，只需澆1次拔節水，就可實現高產豐收。河北日報以“一肥一水超千斤”的通欄標題報道了這種肥料增產節水的優越性，就充分說明了這一點。

第四，腐植酸涂層緩釋肥的涂層材料本身是營養物質，資源立足于國內，而且成本低、用量少，不在土壤中殘留，綠色環保。涂層材料是膜反應的主要物質，取決于國內資源，有特定的有機物與無機物合成工藝。其中的“N1涂液”、0.5%用量即可均勻涂布于表面，在少量催化劑條件下，與尿素反應形成尿基絡合金屬鹽，使成膜物質牢固包裹于尿素顆粒表面，形成僅占尿素總重量0.2%～0.3% 的橙黃色或金黃色包裹膜，有效改善了尿素的理化性質，在抑制脲酶活性、氨揮發、反硝化作用、防淋失方面，均能表現明顯的緩釋增效功能。更為重要的是，涂層涂液降解仍是作物可以吸收利用的養分，無殘留、無污染，安全環保，屬于綠色環保肥料。

這種理論實現了控緩釋技術的縱向創新，主要包括延遲溶解、擴散控制、溶出控制3個要素，通過選用大顆粒尿素、磷酸銨和粉狀鉀肥造粒，來實現延遲溶解；通過包膜物質的水溶漲形成的大分子團絮結構來增強對溶出養分的吸附作用；通過調節包膜厚度和改性包膜材料，來控制養分的水溶出。養分控制釋放的幾種形式，見圖1。

圖1 養分控制釋放的幾種形式Fig.1 Several forms of nutrient controlled release

(2)膜反應。

“膜反應”是指利用與肥料顆粒表面有較強的親和力以及具有成膜特性的新型涂層材料，分別涂布在氮肥、磷肥和鉀肥顆粒的表面形成單層或多層半滲透膜層。這種膜層在尿素顆粒中使用，涂膜阻礙劑對土壤脲酶活性產生抑制作用，從而提高氮素養分利用率。同時，通過單層處理(生產涂層尿素)，包膜重量僅占尿素總重量的0.2%～0.3%，可提高氮利用率6%～8%；也可以進行多層處理，多次涂布，生產涂復尿素；也可增加膜層厚度，降低涂層材料的水溶性，形成不同時間氮素養分釋放的產品。

3.2 技術創新，控氮、促磷、保鉀

國內眾多緩/控釋肥主流產品大都對氮、磷、鉀養分實行全包裹的技術，而且多是單向控制(抑制養分溶出)。腐植酸涂層緩釋肥則是一種雙向調控促控結合的新技術工藝，針對氮、磷、鉀等養分的各自特性，采取不同的技術工藝，開發出了三個不同系列的涂層溶液，分別處理氮、磷、鉀單質肥料顆粒，同時以BB肥形式生產腐植酸涂層緩釋肥。

氮，實行緩釋處理，并在涂層涂液中加入一定的中微肥營養元素。磷，在涂液中適當添加對磷具有活化作用的物質，增強磷的“活性”，促進作物對磷養分的吸收。鉀，則在粉狀鉀肥造粒過程中添加腐植酸材料和噴涂能有效減少其淋溶損失和提高作物中后期生長的供鉀能力的材料。

3.3 工藝創新，低成本，易推廣

腐植酸涂層緩釋肥采用包膜工藝、造粒工藝和摻混工藝，原材料均為國產，價廉易得。因此，附加成本少，肥料技術經濟性好，比常規BB肥工藝成本一般增加3%～5%(一般每噸增加成本50～80元左右)，可以在一般復合肥設備上改造，也可以組配成套設備。一套年產10萬噸涂層緩釋肥生產線(含6萬噸鉀肥造粒能力)主設備投資在200萬元左右，投資少、效益高。因此，腐植酸涂層緩釋肥不僅適合大中型肥料企業使用，也適用于農業技術部門推廣。在美國，50公里半徑內就建有一個配肥站；在中國，我們可以在每個縣建一個測土施肥工廠，為農民提供“一袋子服務”技術，讓農民真正享用上“傻瓜技術”。

4 腐植酸涂層緩釋肥在大田作物中的應用

20世紀90年代以來，中科院石家莊農業現代化研究所閻宗彪團隊，歷經二十多年的試驗示范及大田作物推廣，使腐植酸涂層緩釋肥在小麥、玉米、棉花、水稻、甘蔗等大田作物的應用面積已經近1000萬公頃，增產節肥效益已超過1000億元，并獲得了國家科技進步二等獎，主要在東北、河北、云南、江蘇以及黃淮海平原，推廣成效顯著。

(1)小麥。

2005-2007年，在河北省成安縣、欒城縣及元氏縣等地，分別建立了千畝、萬畝小麥腐植酸涂層緩釋肥示范樣板共計18處。據專家測產，腐植酸涂層緩釋肥小麥平均產量為594.8千克/畝，比常規施肥增產14.87%。

2007年，河北省人民政府、省農業廳組織了百萬畝小麥高產示范，核心技術就是“良種小麥一水一肥超千斤”集成技術，其中的一肥就是一袋子(50kg)腐植酸涂層緩釋肥。

2008年6月6日，河北省小麥百萬畝專家團測產驗收了元氏縣大孔村200公頃示范田，腐植酸涂層緩釋肥小麥平均產量為600.25千克，比常規施肥對照增產15.38%。

2009年5月18日，中國農大教授陳倫壽、河北省小麥首席專家李晉生、河南省小麥首席專家王紹中等5位教授進行了專題測產、考察，結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥示范地小麥產量平均522.56 千克/畝，比對比的常規施肥地平均增產14.52%[6]。

(2)玉米。

2006年，在山東省膠東地區和德州地區進行了大面積示范，結果表明，與常規同含量復混肥(或BB肥)比較，腐植酸涂層緩釋肥增產23.08%～54.52%[7]。云南省紅河州蒙自市及個舊市進行的示范結果表明，腐植酸涂層緩釋肥比常規施肥田產量增長12.58%～18.08%[8]。近幾年在遼寧、吉林、黑龍江等省推廣，普遍增產15%左右。

(3)棉花。

2008年8月30日，中國農業大學陳倫壽教授、河北省農科院劉東臣、李存東教授等在河北省雞澤小寨子村示范基地測產，腐植酸涂層緩釋肥示范地平均產量328.2千克/畝，比常規對照地增產14.08%；肥料成本平均143.5元/畝，比常規對照地節約55.5元/畝。養分比較結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥處理比對照節約氮 6～9千克/畝和磷6.0千克/畝，且較對照少灌1次水[8]。2007年，煙臺眾德集團進行了100畝試驗示范，抽樣測產結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥示范地平均產量234.2千克/畝，比常規對照地增產15.71%，達顯著水平，經濟效益分析，平均增收 213 元 / 畝[9，10]。

(4)水稻。

2008年，在長江流域稻區進行了拉丁方小區試驗，結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥單產535.78千克/畝，比常規對照(等養分)處理增產23.64%[11]。

2009-2010年，在華北稻區、東北稻區的示范結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥示范田兩年分別平均增產24.01%和26.2%，其中最高田塊單產達793.30千克/畝[11]。

2011年，在云南稻區的示范結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥單產達867.17千克/畝，增產34.41%[11]。

2012年，在云南省個舊市大屯鎮新瓦房村委會3組、4組進行了400畝連片稻區示范，大約有86戶農戶實施，參試稻田248塊。研究結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥平均產量達865.51千克/畝，其中三塊稻田產量均突破了1000千克/畝，示范戶中產量最高達1080千克/畝，創超級稻高產新紀錄[11]。

(5)甘蔗。

2011年，云南金星化工公司在蒙自市文瀾鎮進行了0.13平方米示范，結果顯示，腐植酸涂層緩釋肥甘蔗產量為8031.33千克/畝，對照地甘蔗產量為5461.67千克/畝，增產48.3%，而且主莖含糖(可溶性固形物)量增加4.33%[12]。

5 結語

通過我們十多年的跟蹤研究與推廣應用，足證腐植酸涂層緩釋肥具有下列特點，符合中國國情，能夠被廣大農民青睞。

(1)腐植酸涂層緩釋肥應用親水性的有機無機合成物質涂層，創造“膜反應與團絮結構”的嶄新緩釋理論，是具有中國特色的新型高效緩釋肥料。

(2)腐植酸涂層緩釋肥技術經濟性優良，其生產成本僅比國內同類項復合肥產品高3%～4%，其他同類項控/緩釋肥產品比同類項復合肥要高出25%～30%。

(3)腐植酸涂層緩釋肥是一種新型BB肥，施用技術簡單，一次性施用，一畝田用一袋子肥料，被稱為傻瓜技術，深受農民消費者歡迎。

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The Mechanism and Application Research of Humic Acid Coating SRFs

with Chinese Characteristics Chen Shaorong, Xiong Sijian
(Guangzhou Jufan Agricultural Science and Technology Co. Ltd., Guangzhou, 510650)

The slow/controlled release fertilizer products in China are mainly using technology of abord. This kind of products with independent intellectual property rights and Chinese characteristics include Calcium-magnesia phosphate package, Ammonium bicarbonate/Luxacote (citric acid soluble phosphorus package ure )and humic acid coated slow release fertilizer. In this paper, the studies of mechanism and application of humic acid coated slow release fertilizer are introduced .

slow/controlled release fertilizer; Chinese characteristics; humic acid coated slow release fertilizer; application

TQ444.6

A

1671-9212(2014)03-0006-05

2014-05-12

陳紹榮，男，1938年生，研究員。主要研究方向：新型肥料。E-mail：xxflyjzx@163.com。