控释肥料研究现状、存在问题及对策

2014-08-12刘海林林钊沐罗微华元刚郑国亮王龙宇

热带农业科学 2014年5期

刘海林++林钊沐++罗微++华元刚++郑国亮++王龙宇

摘要综述控释肥料的定义及与缓释肥料的区别，分析控释肥料包膜材料、包膜工艺研究现状，指出控释肥料研究和产业化中存在的问题，提出对策，并对今后控释肥料研究发展进行展望。

关键词控释肥料；包膜材料；包膜工艺

分类号 S145.5

我国作为世界第一肥料消费国，肥料消费总量约占世界肥料消费总量的三分之一[1-2]，然而在肥料投入量上升的同时我国肥料利用率却维持在相对较低水平，并且养分流失严重。有研究表明，我国主要粮食作物的氮肥利用率变幅在10.8%～40.5%，平均为27.5%[3]，而磷肥利用率则更低；另外，氮肥容易通过挥发、淋溶等途径损失，每年我国消费的氮肥中接近45%因上述途径而损失[4]，不仅造成经济损失，而且对环境产生严重污染。因此，如何提高肥料利用率，减轻施肥对环境造成的污染，同时保持粮食稳产高产一直是我国乃至世界农业的研究重点与热点。

目前，提高肥料利用率有效措施之一即从改变肥料本身特性着手[5-7]，通过使用新材料、新工艺、新技术赋予常规肥料新功能和新特性，制备新型肥料，如缓/控释肥料、水溶性肥料、功能性肥料、微生物肥料等。控释肥料作为新型肥料之一[5-8]，不仅能够调节植物-土壤系统中养分的有效性，而且养分供应与作物营养需求相吻合[9-10]，具有提高养分利用率，增加作物产量，减少养分流失，减轻施肥对环境造成的污染，节省劳动成本等优势[9-13]。

20世纪60年代以来，美国、日本等发达国家就已陆续进行控释肥料的研制和工业化生产，而且发展迅速，形成了诸多控释肥料品牌，在世界范围内享有较高知名度，如NuticoteR 、OsmocoteR 、PolyonR 、PlantacoteR 、ApexGoldR 、MulticoteR 、ESNR 等，广泛用于园林景观植物栽培和育苗等经济价值高的领域[14]。而我国控释肥料研制起步较晚，自20世纪90年代才受到我国农业、肥料制造业及相关领域的高度关注[6]。近年来，我国控释肥料无论是在包膜材料筛选及合成，还是在包膜工艺研制上，均有较多创新突破，而且在产量、质量以及推广应用上均取得了较大发展。鉴于控释肥料优势明显，且加快发展控释肥料对我国农业生产意义重大。

1 控释肥料定义和概念

控释肥料与缓释肥料最大区别在于是否具有明确的养分供应速度和肥效期。控释肥料是通过包膜层控制养分释放速率和肥效期，在产品设计到生产制造过程中已具有明确养分供应速度和肥效期，其养分供应速度和肥效期主要受温度和包膜厚度影响，受土壤微生物活性、土壤湿度等影响甚微[13，15]。缓释肥料则只是起到延长肥料养分有效时间，但没有固定的肥效期，养分供应速率和肥效期与土壤理化性质、微生物活性密切相关[10，16]。

控释肥料生产商美国Scotts公司将控释肥料定义为：能够控制养分供应速度的肥料。国际肥料发展中心在其编写的《肥料手册》中，将控释肥料定义为：肥料中的一种或多种养分在土壤溶液中具有微溶性，以使它们在作物整个生长期均有效，理想的这种肥料应当是肥料养分释放速度与作物养分需求相吻合；其肥料的微溶性可以是肥料本身所具有的特性或通过包膜可溶性肥料颗粒获得。美国植物养分管理署和国际肥料工业协会则将包膜和包裹肥料统称为控释肥料。樊小林等[6]综合国内外相关控释肥料的概念和内涵提出：控释肥料应是采用聚合物包膜，可定量控制养分释放数量和释放期，使养分供应与作物各生育期需肥规律吻合的包膜复合肥和包膜尿素。它是将包膜技术和控释技术有机结合，使用流化床等工艺对常规肥料颗粒进行表面包膜处理形成包膜层，利用包膜层对水分和养分的进入、输出具有阻滞作用[17]，达到控制养分供应速度和释放期的目的。正是由于养分供应速度和肥效期的可控性，克服了常规肥料的缺点，使得研制及推广应用控释肥料对于农业的可持续发展意义重大。

2 控释肥料包膜材料研究现状

包膜材料作为控释肥料的重要组成部分，选择适宜的包膜材料是控释肥料研制的首要任务[18]，而且包膜材料物理性能的优劣将直接影响控释肥料的养分释放率及肥效期，同时包膜材料价格也将直接影响控释肥料价格，所以在控释肥料研发时既要考虑包膜材料的物理性能，又要考虑包膜材料价格和生物降解性[19]。因此，控释肥料包膜材料筛选是从原材料价格、生产工艺、控释效果、环境因素4个方面出发[20]，最终目的为挑选控释效果好、价格低、包膜工艺简单、无污染的环境友好型包膜材料[21]。

目前，国内外作为包膜材料的聚合物主要分为人工合成高分子材料、天然高分子材料（包括半合成高分子材料），两种材料各有优缺点。应用于控释肥料的天然高分子材料主要有木质素[22]、竹炭[23]、壳聚糖[24]、松香[25]、明胶[26]、淀粉[27-29]等。天然高分子材料具备资源优势，价格便宜，生产过程无有毒溶剂，易被微生物降解，对环境无污染，但其控释效果较差，肥效期太短[27-28]，一般均小于30 d，不能满足作物生长期对养分的需求[29]。人工合成高分子材料在控释肥料中应用最为广泛，其优点在于对土壤条件不敏感，对养分控释效果优良；缺点在于价格较天然高分子材料高，包膜工艺更为复杂，多数人工合成高分子材料需要使用有机溶剂溶解，且在土壤中降解速度很慢，容易造成环境污染。但考虑到控释质量，市场上控释肥料所使用的包膜材料多为人工合成高分子材料，主要包括聚烯烃、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、醇酸树脂等。

1964年，美国ADM公司采用二环戊二烯和丙三醇酯共聚开发出高分子聚合物包膜控释肥料，并首先在世界上实现控释肥料产业化生产，商业名为OsmocoteR [30]。另外，加拿大Agrium公司的PolyonR 、ESNR 和以色列海尔法的MulticoteR 以及德国Aglukon的PlantacoteR 均是采用聚氨酯作为包膜材料，日本窒素-旭化成株式会社的NuticoteR 、MeisterR 采用聚烯烃作为包膜材料[14]。可见，国外控释肥料包膜材料及工艺主要分为三类：第一，以日本窒素-旭化成株式会社的NuticoteR 为主要代表，利用热塑性树脂（聚烯烃，聚氯乙烯和共聚物）作为包膜材料，热塑性树脂具有很高的不透水性，主要是以乙烯-醋酸乙烯酯和表面活性剂为调节剂控制养分释放速度，并通过添加无机矿物粉末减轻温度的影响；第二，以美国Scotts公司的OsmocoteR 为代表，其将二环戊二烯和丙三醇酯溶解于脂肪族烃溶剂中共混聚合包膜形成热固性树脂包膜控释肥料，主要是通过膜层厚度调控养分释放模式；第三，以PolyonR 为代表，利用连续转鼓包膜工艺将两种反应单体在肥料表面反应形成聚氨酯膜层。endprint

我国控释肥料研制生产与国外相比虽起步较晚，但经过“九五”、“十五”、“十一五”大量科研资金投入和一批科研工作者的辛勤努力，控释肥料研制已取得很大进步。综合国内包膜控释肥料研究现状，樊小林等[6]认为，目前国内树脂包膜材料可分为以下4种：（1）水溶性树脂，即水基聚合或水基交联聚合树脂；（2）溶剂型热塑性烯烃类树脂；（3）醇酸树脂；（4）核芯肥料表面或原位反应成膜类树脂。

水溶性树脂作为包膜材料具有无需溶剂，环保安全等优点，但是一般水溶性树脂的水渗透性较强，而且包膜过程中使用水稀释，肥料处于高湿环境中可能导致肥料溶解和表面再结晶，导致肥料光滑程度降低，影响包膜质量。另外，由于含水量高，需要延长肥料流化加热时间，能量消耗增加。

目前，溶剂型热塑性烯烃类树脂在我国控释肥料生产中应用最为广泛，其包膜技术是将热塑性包膜材料溶解于有机溶剂中，在流化床中喷涂在肥料颗粒表面，并加热将溶剂挥发，在肥料颗粒表面形成致密聚合物膜层[31]。该类技术成本比较低，包膜工艺难度较小，但是该工艺在包膜过程需使用有机溶剂，且多为挥发性有毒有机物质，需要配置溶剂回收装置，增加更多成本投入以及额外能量消耗，而且现今溶剂回收技术尚不成熟，对环境污染严重。醇酸树脂包膜工艺过程中由于多数需要使用有机溶剂，因此同样存在类似的问题。

原位反应成膜类树脂是由两种或两种以上单体在肥料表面反应形成，原位反应成膜技术包膜材料以聚氨酯为主，该技术无需使用溶剂，对环境无污染，包膜均匀，膜材消耗量少。然而，原位反应成膜类聚氨酯的单体原材料主要来源于石油化工产品，随着全球石油资源大量消耗，石油资源日益短缺，价格不断上涨，人们环保意识不断提升，限制了传统聚氨酯工业发展，也使聚氨酯包膜控释肥料生产成本增加。而植物油作为聚合材料合成中最有希望的石油替代原料之一，已成为近年来的研究热点[32]。植物油资源丰富，来源广泛、价格低廉、品种繁多、可选择性强[33]，以植物油作为原料不仅可以减少包膜对环境的污染，还可以缓解聚氨酯包膜控释肥料和聚氨酯工业对石油产品的依赖性。从环保和性能方面考虑，利用植物油代替石油基原材料更具优势，更为合理。可见，植物油作为原位反应成膜技术反应单体材料优势明显，不仅可使膜层机械性能加强，膜材的生物降解性能也得以提高，具有很好发展前景。

目前，在我国植物油原位反应成膜技术已被三原圃乐特控释肥料有限公司、施可丰化工有限公司、中海石油化学股份有限公司、吉林隆源农业生产资料集团有限公司、江苏绿陵化工集团等企业用于控释肥料工业化生产。

3 控释肥料包膜工艺研究现状

控释肥料研制生产所采用的包膜工艺主要有转鼓、转盘和流化床等，而包膜工艺不同，包膜控释肥料控释性能存在差异[34]。转鼓包膜工艺难以控制包膜层的均匀性，且膜材用量大；目前，美国田纳西流域管理局研制的硫包衣尿素（SCU）[35]和以色列海尔法公司制造的Multicote[36]均为使用转鼓包膜工艺。转盘包膜过程中，颗粒表面附近的相对湿度难以控制，所以通常颗粒表面粗糙并存在缺陷和多孔隙。相比而言，流化床包膜过程中，肥料颗粒处于有序流动状态，膜材消耗量更少，包膜更为均匀[34]。

流化床包膜工艺是借助流动风力将肥料颗粒流化，能够使肥料颗粒在包膜过程中不会相互粘结，同时在肥料颗粒流化的时候将肥料表面的包膜材料干燥，肥料包衣与干燥同时完成；另外，包膜是在全封闭状态下进行，有利于回收溶剂，而且肥料颗粒是均匀有序地在喷动床或流化床内旋转，从而保证了每颗肥料包膜均匀。因此，国内外大多数肥料企业、科研单位研制生产包膜肥料多为使用流化床，流化床包衣技术在当今已是研制及生产包膜肥料的主流技术之一。

流化床包膜工艺参数与控释肥料的控释性能密切相关[34]，流化气速、床层温度、雾化压力、喷雾速率、料液质量浓度、喷嘴位置以及气体分布板是影响膜材涂覆均匀度的几个主要因素[37]，而膜材涂覆均匀度是评价颗粒肥料包膜质量的重要参数。其中，流化气速是影响流化床流化状态和流化质量最重要的因素，流化气速的大小直接影响颗粒的流化速度和方向分布以及整个床层的流化状况，从而对包膜均匀度产生影响，影响肥料的包膜质量。床层温度一般是根据物料性质（熔点，是否高温分解等性质）、流化床本身的热效率[38]、以及原位反应最佳温度等综合因素来确定，床层温度影响包膜层干燥速率或原位反应速率，从而影响控释肥料控释性能。而雾化压力对包膜质量的影响可以从料液雾化质量、雾化液滴的运动、粒径等方面来分析。另外，流化床的气体分布板的型式较多，从流化介质出口方向来分，大致可分为两类：直流型分布板和侧流型分布板。喷枪位置主要有三种：顶喷、底喷、切线喷，而顶喷一般不用于肥料包膜，喷嘴一般处于密相区较为适宜[39]。

4 存在问题

4.1 二次加工增加成本投入，限制推广应用

控释肥料产品都存在价格昂贵，控释效果不理想，可能带来新的环境污染等问题，限制了控释肥料大田推广应用。目前，国内包膜肥料生产成本一般要比普通肥料增加1 000多元/t，虽然与进口控释肥料相比成本已经大大降低，但是二次加工成本使得其经济效益仍不能符合实际应用要求。因此，控释肥料产品中仅有少部分应用于大田农业，大部分是应用于草坪、高尔夫球场、果树、蔬菜等领域。

4.2 包膜工艺不稳定，产品质量参差不齐

包膜材料与包膜工艺、生产设备与产业化技术要求不匹配，产能受限制，产品质量不稳定。控释肥料生产对于工艺技术要求较高，即便对于同一包膜材料，只有具备成熟稳定的包膜工艺，才能确保控释肥料的控释质量，而当前市场控释肥料的包膜材料种类众多，许多包膜工艺技术并未达到成熟稳定，质量检测手段不一，市场产品参差不齐，造成消费者难于选择，进而影响控释肥料推广应用。

4.3 控释性能调控技术未系统化，产业发展不健全endprint

控释肥料控释性能调控技术未进行系统化研究，调控技术多采用单一措施，研究思路没有突破现有技术基础，技术产业化程度不高。另外，控释肥料产业基础薄弱，企业生产管理水平和产品质量参差不齐，技术传播和产品销售中夸大效果。

5 对策

5.1 准确定位，应用科学施肥新技术

针对我国人多地少种植强度大的特点和对粮食作物持续高产的要求，控释肥料较早定位在应用大田作物[40-41]。因此，在研究过程中应着力降低生产成本，应用控释肥料科学施用新技术（控释配方肥、同步营养肥等），加速推进控释肥料产业化，严格控制控释肥料产品质量，加快推动控释肥料在大田上的应用。

5.2 包膜材料与包膜工艺配套研究

控释肥料生产关键技术在于包膜材料和包膜工艺的选择，适宜包膜材料（廉价、环保、高效）筛选以及与其配套的包膜工艺设计与控释肥料质量和生产成本密切相关，同时控释性能调控技术则是保证养分供应与目标作物养分需求规律相吻合的关键点，这两点是控释肥料研制过程中至关重要的技术要点，是技术核心所在，也是确保控释肥料控释质量，降低控释肥料生产成本，促进其大范围推广应用的关键所在。因此，在选择包膜工艺时要从包膜材料及生产成本、环境因素出发，在确定包膜工艺的同时要确定其最佳配套包膜参数，如流化速度、床层温度、雾化压力、料液质量浓度和粘度及气体分布板的均会对包膜层均匀度产生影响。

5.3 建立系统调控技术，保障控释性能

在控释肥料控释性能调控技术研究中，应针对特定包膜材料，综合密封技术、致孔技术、调节包膜厚度、改变核芯肥料成份或粒径等技术措施，建立系统调控技术，保证养分释放数量和释放速率的可控性，使养分供应与作物需肥规律相吻合。另外，政府应当加强控释肥料产业扶持力度，健全产品质量监督机制，确保产业健康、可持续发展。

综上所述，我国控释肥料产业的发展趋势为降低成本，面向大田作物。以面向大田作物生产为主要目标，开发低成本的包膜材料，并设计与之匹配的包膜工艺和生产设备，研制环境友好、高效、价廉的控释肥料，形成拥有自主知识产权的控释肥料技术平台，培养一支化工、农学、机械设备等多学科交叉的研究人才队伍。同时，广泛开展控释肥料合理施用技术研究，建立权威质量检测方法和评价标准体系。

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