改性天然高分子包膜在缓控释化肥中的研究进展

王让军 ，张少飞 ，2

（1.陇南师范高等专科学校，甘肃 成县 742500；2.功能有机分子化学国家重点实验室，兰州大学化学化工学院，甘肃 兰州 730000）

化肥的合理使用对于农作物的增收有重要的意义，化肥被广泛应用在园艺和农牧业等领域。目前，我国使用的化肥多是速效化肥，养分容易淋失、挥发，固定利用率很低，造成了极大的资源浪费和严重的环境污染[1]，缓控释化肥是解决这一问题的一种重要手段，近年来它的研发受到了化工界的重视[2]。一般认为，缓释化肥是指化肥施入土壤后转变为植物有效态养分的释放速率比速溶性肥料小，控释肥料是指以各种调控机制，使养分释放按照设定的释放模式与作物吸收养分的规律相一致[3]。

包膜法制备缓控释化肥是一种主要的技术，按照包膜的材料可以分为无机包膜和有机包膜[4-5]。其中，通过高分子材料制备的包膜是缓控释化肥研究最多的一类方法，它是指具有一种核壳结构的缓控释化肥，核是由高浓度的复合肥料构成，壳是由具有缓控释的高分子材料构成，通过化学修饰，制备出与肥料相适合的高分子材料[6]。天然高分子由于具有来源广泛，可降解，价格低廉等特点，通过将天然高分子改性制备成缓控释化肥的包膜。本研究总结了改性天然高分子用于缓控释化肥包膜的种类，并对其应用和发展前景进行了展望。

1 改性天然高分子包膜的种类

自然界中大量存在的高分子称为天然高分子，在生物界中有淀粉、纤维素、木质素、壳聚糖、天然橡胶、海藻酸盐和动植物胶等。由于天然高分子自身结构的限制，大多数很难直接用作缓控释的包膜，因此需要经过化学或物理的改性后使用。

1.1 改性淀粉

由于原淀粉的稳定性、溶解性、机械性能较差，不能直接用于缓控释的包膜。一般通过酯化和交联可以提高其耐水性能，然而改性后的淀粉由于重结晶后易碎裂，因此需要加入塑化剂提高包膜的稳定性。Han等[7]制备了一种可生物降解的淀粉和聚乙烯醇共混包膜，通过加入甲醛可以使淀粉和聚乙烯醇发生交联，这种包膜可以用于肥料的缓控释。Niu等[8]制备了淀粉聚乙烯基醋酸纤维素包膜，通过包覆尿素表明可以达到24 h的缓释。Lü等[9]制备了交联的羧甲基淀粉和黄原胶缓控释包膜，研究表明这种包膜减小了营养素的损失，提高了水的使用效率。

1.2 改性纤维素

天然纤维素由于本身结构的缺陷不能直接用于肥料的包裹，通过醚化反应改性制备的乙基纤维素具有较强的疏水性和成膜性能，可以用于缓控释包膜。Susana等[10]通过乙基纤维素对硝酸铵肥料颗粒包覆，加入塑化剂癸二酸二丁酯或邻苯二甲酸二丁酯改性后其释放时间延长。Ni等[11]制备了乙基纤维素为内层和交联的聚丙烯酸-丙酰胺为外层的双层缓/控释包膜，研究表明，这种包膜具有一定的缓释尿素的作用，并且具有保水性和对环境无污染。Bortolin等[12]合成了一种聚丙烯酰胺，甲基纤维素含钙蒙脱土复合水凝胶缓控释肥料包膜，研究发现，蒙脱土的加入增加了尿素负载量，增加了对水的吸附速率，具有很好的缓释化肥能力。

1.3 改性木质素

木质素来源广泛、价格低廉，是仅次于纤维素的第二大可再生天然高分子材料。Wang等[13]通过改性的木质素用于钾肥的缓控释，通过盆栽实验发现这种肥料的加入不仅减少了钾肥的损失，而且促进了番茄和玉米的生长。Mulder等[14]对比四种商业用的木质素，发现苏打亚麻木质素有较好的成膜性能，加入增塑剂后两周内保持包膜的完整性，经过烯基琥珀酸酐交联后能降低养分的释放速率。Peng等[15]通过聚氨酯交联醋酸木质素制备了一种水凝胶，试验表明这种水凝胶可以用于缓控释化肥的包膜。

1.4 改性壳聚糖

Corradini等[16]制备了壳聚糖/聚甲基丙烯酸复合包膜包裹NPK肥料，通过红外光谱发现壳聚糖纳米粒子与N、P、K元素之间存在静电作用，这种静电作用提高了相互的稳定性，这种包膜可以用于缓控释化肥的包裹。Wu等[17]制备了具有三层包覆的缓控释化肥，核心为氮磷钾复合肥，内层为壳聚糖，外层为聚丙烯酸-丙烯酰胺的包膜，不仅其吸水率提高了70倍，而且具有很好的缓释肥料的性能。Tongsai等[18]通过戊二醛交联聚乙烯基乙醇和壳聚糖制备了缓控释化肥水凝胶包膜，这种方法增加了包膜的膨胀率，提高了缓控释化肥的能力。

1.5 其他改性天然高分子

天然橡胶具有良好的力学性能，但是它暴露在空气中时降解速率较慢，Riyajan等[19]通过淀粉接枝改性天然橡胶，然后将其应用在缓释尿素肥料的包膜中，结果表明：这种包膜在土壤中容易降解，具有良好的缓释和保水性能。Liu等[20]制备了一种新型的改性钙离子海藻酸胶囊，这种胶囊可以用于细菌肥料的控制释放。Melaj等[21]将黄原胶、壳聚糖和KNO3制备成片剂，这种片剂可以在土壤中保持42 d以上，可以用于控释肥料的包膜。

2 总结与展望

随着近年来化肥在现代农业中的开发应用，缓控释化肥的研究是提高化肥利用率、改善土壤土质、适应植物生长营养元素需求的较理想方法。天然高分子具有可再生、可降解、对环境无污染、廉价等特点，将天然高分子通过改性可用于肥料的包膜。然而，改性天然高分子包膜的研究还存在以下几个问题：（1）改性方法单一，肥料释放率低；（2）肥料养分释放的速率与作物的生长规律不一致；（3）控释肥料养分不全，大多数研究以控释氮肥为主，很少研究磷钾肥等复合肥缓控释；（4）对缓控释的机理研究较少，肥料养分释放出后的去向还缺乏系统的研究；（5）不同高分子包膜的肥料释放机理不同，因此不同的作物转移吸收也有很大差异。随着改性高分子包膜缓控释肥料的深入研究，相信上述问题会逐渐解决。改性天然高分子包膜缓控释化肥是一类环境友好型肥料，它有着广阔的发展和应用前景，必将在未来化肥领域占有重要的地位。

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