我國緩/控釋肥的制備及應用研究進展

范 妮

(陜西學前師范學院 化學與化工系，陜西 西安 710100)

1 緩/控釋肥

1.1 定義

化肥的養分通過各種調控機理緩慢釋放，或者按照預設的釋放速率控制釋放的肥料統稱為緩/控釋肥[2]。

緩釋肥是一種化學營養物質釋放速度遠小于速溶性肥料的化肥，對植物的營養起到長效機制，緩釋肥種類大多數為氮肥。當其被施入土壤時，肥料會在生物作用以及化學作用下被逐漸分解，里面的氮素會逐漸釋放，能夠滿足作物對于氮素的需求。常見的緩釋肥料有硫衣尿素、微溶性氮肥和穩定性肥料[3]。土壤的類型、pH值、水分含量、微生物代謝活動及灌溉水量等因素將對肥料養分的釋放產生一定影響，養分釋放與作物營養需求在大多數情況下很難達到一致。

采用聚合物包膜顆粒肥料，通過聚合物降解程度調控化學養分的釋放速度，促使養分釋放速度與農作物不同生長時期需肥量達到一致，這種肥料稱為控釋肥，類型大多為復合肥或全營養肥[3]?？蒯尫试陬w粒肥料表面包裹上的厚度不一的膜具有多孔網絡結構，當控釋肥料施入土壤后，水分從包膜層上的通道進入內層后，核芯中的肥料溶解，養分通過多孔網絡結構的通道釋放出來。通常當環境溫度上升的時候，植物對養分的需求會加大。作物首先會吸收控釋肥顆粒外部的養分，當膜外側的養分濃度下降時，膜內外產生濃度差，傳質推動力加大，加快肥料釋放速度；環境溫度降低，植物生長速度減慢，甚至出現休眠情況，控釋膜內外的濃度差減少，傳質推動力減小，養分釋放速度隨之變慢甚至直接降為零。因此控釋肥主要通過包裹顆粒肥料的多孔網絡通道數量、曲折程度及環境溫度兩個方面對養分進行有效控制釋放，使其肥料利用率達到最優化。因此控釋肥料可以認為是緩釋肥料的升級形式，但許多研究者包括美國作物營養檢查官協會都對緩釋肥和控釋肥未進行嚴格區分，通常同時使用二者。

1.2 緩/控釋肥料制備

1.2.1 緩釋肥制備 通過查閱相關文獻，緩釋肥主要有硫衣尿素、脲甲醛類肥料及穩定性肥料。

硫衣尿素生產關鍵技術是在高壓條件下將預熱處理的尿素用熔融后的硫磺噴涂，通過聚合物密封尿素包裹硫磺時產生的空隙[5～6]。優點：硫本身是植物生長不可缺少的營養元素，用硫包裹肥料可以起到一舉兩得的效果；同時此加工工藝相對簡單，生產成本較樹脂包裹肥料低。缺點：過多施入硫元素會破壞土壤原有菌群微生物平衡，同時會加速土壤酸化。

尿素和甲醛在一定條件下反應得到有機微溶性緩釋氮肥脲甲醛。尿素和甲醛在pH值2—11的范圍內以縮合反應生成羥甲基脲，羥甲基脲在酸性條件下與過量尿素繼續發生反應，生成分子鏈長度不等的甲基脲混合物[7]。此肥料施入土壤后，土壤微生物分解此肥料，并釋放氮素，通過分子鏈長短決定肥效起作用的時間。優點：工藝生產簡單，生產成本低。缺點：生產過程中反應工藝條件較難控制，導致產品緩釋效果不夠穩定。

在氮肥和復合肥生產過程中，按照一定的工藝條件添加脲酶抑制劑、硝化抑制劑或氨穩定劑生產穩定性肥料[8]。脲酶抑制劑有磷胺類、酚醌類及雜環類，硝化抑制劑中雙氰胺(DCD)是目前應用最廣泛的一種抑制劑。優點：生產工藝相對簡單，通過在化肥中添加一定量的抑制劑，能夠延緩肥料養分水解，有效延長肥料肥效。缺點：由于過多的水會降低抑制劑的濃度，使得緩釋效果下降，因此不適合施入到水多的土壤中。

1.2.2 控釋肥制備 控釋肥主要通過包裹技術進行生產。顆粒肥料在特定的設備中通過粘結劑將具有很大比表面積的無機礦物質包裹到肥料表面形成包膜型肥料。雖然肥料被包裹，但是在包膜的過程中膜層形成了許多多孔網絡結構，這些蜿蜒曲折的通道可以讓養分在有水分存在的情況下釋放出來[9～10]?；瘜W肥料自身的性質，用于包裹的包膜材料，土壤中水分、溫度等條件共同控制肥料的釋放速率，達到控制釋放養分的效果?？蒯尫拾ぜ夹g主要用樹脂包裹。根據包膜材料是否使用溶劑可將此技術分為脂溶性樹脂包裹技術、水溶性樹脂包裹技術及無溶劑型聚合物包裹技術。

脂溶性樹脂包裹技術是將熱塑性包膜材料(以聚烯烴類材料為主)溶解于有機溶劑中，在流化床反應器中將其噴涂到肥料顆粒表面，在顆粒表面形成一層包膜。當有機溶劑揮發后，膜表面會形成多孔網絡結構。優點：包膜效果好。缺點：用于包膜的材料不易降解，長期用會破壞土壤生態環境，同時殘留在包膜肥料中的易揮發有機溶劑會對施肥的植物及周圍環境造成污染[3]。

水溶性樹脂包裹技術是在流化床內將聚合物與水合成的水基高分子噴涂于肥料顆粒表面。當包膜中的水分蒸發后，聚合物在顆粒表面形成具有控釋作用的膜層。優點：以水為包膜材料介質，環保安全。缺點：該技術對于聚合物包膜材料及工藝操作要求高，技術難度大[11～13]。

無溶劑型聚合物包裹技術目前比較成熟。此技術是將成膜的單體在高溫條件下同時或分別噴涂在預熱的肥料顆粒表面，在肥料表面單體發生反應形成具有控釋作用的膜。包膜設備可以是間歇操作的流化床，也可以采用能夠連續操作的轉鼓設備。優點：成膜過程中不需要任何溶劑，對環境污染小，成膜工藝相對簡單，生產成本低。因此是控釋肥生產企業中采用較多的生產技術[14～15]。

2 緩/控釋肥的應用研究進展

由于緩/控釋肥料具有提高作物產量、質量，縮短作物生長周期的優點，同時還可降低養分的淋溶量和氮的揮發量，因此受到了化肥業自身的關注, 也受到了農業、工業界的熱捧。

研究表明：將硫包膜尿素施于玉米作物上，當玉米成熟時與普通尿素相比，玉米對于氮吸收總量增加44. 32% ，產量增加 22.43% ；同時穗長、百粒質量比用普通尿素處理的玉米高4.65% 和8.41% 。在輕度鹽堿地上應用硫包膜尿素具有降低土壤 pH 值、增強玉米植株氮素吸收利用能力的作用，同時肥料釋放速度與玉米對氮素養分的吸收規律基本適宜[16]。董杰等在夏玉米上施用脲甲醛緩釋肥，比常規施肥增產率高13.47%，施用減施率達20%；每畝施肥純收益和投入產出比均最高[17]。穩定性肥料已在我國多個省份推廣應用，主要施用于玉米、小麥、蘋果等作物上，推廣面積達0.2億hm2，化肥投入減少了64億元；通過一次性施肥，省時省工，減少溫室氣體排放，提高了生態效益[18]。

目前控釋肥主要以包膜型控釋肥為主。張勇等將不同包膜型控釋肥施用于夏玉米作物上，總體來說控釋肥較普通復合肥效果更好，特別是全降解控釋肥26-8-8 復合肥料增產效果最明顯，較普通復合肥產量提高了14.18%[19]。石兆軍對經淀粉處理后的改性熱塑性樹脂包裹多元素的控釋肥研究后發現，此類控釋肥在地溫和微生物的調節下，通過可控降解達到控制釋放。另外此控釋肥生產成本低，利潤高，包膜劑不產生二次污染，適合于大田作物施用[20]。

不同于國際緩/控釋肥料主要施用于花卉、草坪，我國緩/控釋肥廣泛用于大田作物。目前我國緩/控釋肥在農業上的施用量大概為315萬t左右，施用量達到了中國復混肥施用量的5%。包括的糧食作物有：水稻、玉米及小麥；還有棉花、辣椒、茶樹、蘋果及番茄等經濟作物上。還有少部分施用于花卉、植物上。將緩/控釋肥施用于各類作物上后，與施用普通化肥相比較，作物在肥料養分的利用率、產量上顯著提高，同時植株性狀及作物品質都明顯改善。

3 緩/控釋肥應用中存在的問題

(1)環境問題。包膜型制備工藝是緩/控釋肥重要的生產方法之一，但一些用于包膜的材料，特別是脂溶性樹脂不容易降解，長期使用會破壞土壤原有的生態環境，同時殘留在包膜肥料中的易揮發有機溶劑會對施肥的植物及周圍環境造成污染。另外一方面硫衣尿素肥料中硫元素被過量的施入土壤，破壞土壤原有菌群微生物平衡，同時加速土壤酸化。

(2)價格偏高。由于緩/控釋肥制備需要新型的膜材料、生產工藝相對復雜，造成緩/控釋肥價格偏高，農民種作物的成本過高，收入減少，這將對緩/控釋肥的普及推廣起到一定的制約作用。

(3)生產技術薄弱。我國緩/控釋肥產業發展起步較晚，因此我國在緩/控釋肥生產研發關鍵技術上有待進一步提高，同時從事這方面的專門人才相對較少。

(4)緩/控釋肥料中核芯養分相對單一，缺乏“專屬”性緩/控釋肥的研究。文獻報道中緩/控釋肥的研究主要集中在氮元素上；另外針對肥料與作物之間“一對一”的緩/控釋肥的應用研究較少。

(5)推廣宣傳力度不夠我國農民科學文化知識背景相對薄弱，因此農民對緩/控釋肥產品的認知水平不高，導致緩/控釋肥占肥料總消耗量的比重僅為1%，推廣任務依然艱巨。

4 相應對策及建議

(1)在膜材料的選擇上，尋求原料豐富，天然可降解的，環境友好的包膜材料，養分配比應趨于合理化，從而減少緩/控釋肥對生態環境的破壞問題。

(2)國家應在政策、資金方面給予企業更多支持；同時從制備緩/控釋肥的載體材料、生產工藝及設備、節能降耗等方面入手，降低生產成本，縮小緩/控釋肥與普通肥料之間的價格。

(3)文獻報道中我國緩/控釋肥實驗室階段研究相對較多，但是應用方面的中試研究較少，導致科技成果產業化進程相對緩慢。應建立有效的理論研究與科技成果專業化之間的平臺，同時加強交叉學科人才的培養，并充分發揮科研機構、企業之間的技術交流與科技創新，加快前沿緩/控釋肥研究的產業化進程。

(4)建議開展不同類型核芯肥料的研究開發，以適用于不同農作物對不同養分的需求。不同地區土壤的成分，溫度，濕度，PH值以及土壤中微生物的種類、含量都會對緩/控釋肥的釋放效果產生影響，因此應該充分考慮地域、土壤差異及作物種類，研究開發針對性更強的緩/控釋肥產品，達到“對癥”施肥的效果，提高緩/控釋肥利用率。

(5)提高農民對緩/控釋肥產品的認知水平。政府應該充分發揮職能部門作用，加大宣傳和推廣力度，定期組織緩/控釋肥的科學知識普及、培訓工作；另一方面企業應該設立推廣服務站，為農民提供便利、有效、及時的技術咨詢及上門服務。

5 結論及展望

緩/控釋肥料的發展對推動我國化肥施用零增長和農業綠色可持續發展具有重要作用，并且符合我國化肥行業產品結構改革方向。在未來的發展過程中應研發原料豐富，天然可降解的，環境友好的包膜材料，特別是水溶性樹脂或水基聚合包膜材料；國家在政策和資金方面給予企業更多支持，從源頭降低緩控釋肥產品價格；加快前沿緩/控釋肥研究的科技產業化進程；開展不同類型核芯肥料的研發，使緩/控釋肥的產品種類全面化，施用方式專用化；探索、推廣緩/控釋肥先進技術，提高農民對緩/控釋肥產品的認知水平；出臺優惠政策和措施，鼓勵出口海外提高國際競爭力；實現上下游融合，化解上游氮肥企業過剩局面；將我國化肥產品結構向高效率、專用性、功能性發展。