缓/控释肥料包衣工艺及其控释性能评价方法研究进展

苑晓辰+任奕林+魏春辉

摘要：肥料作为农作物生长所必须营养元素的重要来源，对其进行包衣不仅可以达到缓/控釋、提高其养分利用率等效果，并且可以增强肥料颗粒的强度、降低运输损失。综述了缓/控释肥料的包衣工艺及其控释性能的评价方法，提出了在实际应用中存在的问题和对策，为未来缓/控释肥料包衣工艺和控释性能的研究奠定基础。

关键词：缓/控释肥料；包衣工艺；评价方法；进展

中图分类号：S145 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）01-0011-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.01.002

Abstract： Fertilizer is an important source of necessary nutrient element for crop growth. Coated fertilizer can not only achieve the slow/controlled release and increase nutrient use efficiency but also enhance the strength of fertilizer particles and reduce transport losses. The coating technology and evaluation methods for slow-controlled release efficiency of slow/controlled release fertilizer were summarized. Furthermore，problems in practical application and corresponding solutions were introduced， which laid the foundation for the research of slow-controlled release efficiency of slow/controlled release fertilizer in the future.

Key words： slow/controlled release fertilizer；coating technology；evaluation methods；progress

中国是农业大国，耕地面积仅占全世界的9%，却养育了全世界的19%的人口[1]，这都得益于化肥的使用。化肥在所有影响农作物产量的因素中的贡献率最高，可以达到46.3%[2]。化肥的施用可以提高农作物单位产量的55%～57%，提高总产量的30%～31%[3]。虽然，中国化肥的使用较国外晚了50多年[4]，但是随着中国化肥生产技术和生产设备的快速发展，其产业规模越来越大，化肥已经走向了千家万户。近年来，中国化肥施用量呈逐年增加的趋势，从2009年的5 239.2万t上升到2014年的5 911.7万t，年均增长率达到2.4%[5]。而肥料养分的当季利用率总体不高，氮肥利用率仅为30%～35%，磷肥利用率只有10%～25%，钾肥利用率为40%～50%[6]。目前，化肥的使用类型主要是普通的快速释放型，不能根据农作物的生长规律、养分需求量进行缓慢精确释放，这不仅影响了化肥养分的使用率，造成资源浪费，而且会导致环境污染，农作物总产量得不到有效提升[7-12]。

缓/控释肥料（Slow/Controlled Release Fertilizer）是利用物理、化学、生物等技术手段，延缓、控制肥料养分在土壤中的释放速率，使其养分按照植物生长过程各个阶段的养分需求控制释放的一类肥料的总称[4，13]。如今，使肥料达到缓释目的最有效方法就是使用一种难溶于水的物质做成包膜材料对肥料进行包衣处理，这种方法生产的肥料又称缓/控释包衣肥料。经包衣后的肥料不仅可以达到提高其养分利用率[14-16]、降低温室气体排放的目的[16，17]，并且可以增强肥料颗粒的强度、减少运输过程中的损失[18，19]。本研究综述了缓/控释肥料的包衣工艺及其控释性能的评价方法，提出了在实际应用中存在的问题和对策，为未来缓/控释肥料包衣工艺和控释性能的研究奠定基础。

1 缓/控释包衣肥料工艺设备

1.1 转鼓包衣工艺

转鼓包衣工艺源自美国田纳西流域管理局（Tennessee Valley Authority，TVA）国家肥料发展中心（National Fertilizer Development，NFDC）于1961年研制的一种用熔融态的硫对尿素进行包衣的设备[20]。转鼓包衣设备的主要构成是围绕中心轴做圆周运动的圆筒，如图1所示。其工作流程为肥料颗粒在转鼓内被预热，并随着圆筒的转动不断翻滚；包衣液经进液管输送至喷头，雾化后喷涂在肥料颗粒表面；肥料颗粒经多次喷涂表面形成均匀的聚合物膜后移至转鼓出口。为了提高包衣效率，TVA设计3个相互隔离的转鼓，第一转鼓主要负责把肥料颗粒预热至一定温度，然后肥料颗粒被送入第二转鼓进行包衣，第三转鼓负责把包衣肥料加涂密封剂并冷却[21]。这种方法不仅提高了包衣层的均匀性，同时也显著提升生产效率，适用于连续大规模生产。但是转鼓包衣工艺只适合于热固性树脂包衣肥料，包衣肥料的养分控释性能主要受转鼓转速、转鼓内温度、颗粒表面性质、包衣液雾化过程、包衣层厚度的影响。

1.2 旋转包衣锅工艺

旋转包衣锅的原理和转鼓包衣工艺十分相似，如图2所示，锅体与中心轴相接，并随着中心轴的旋转而做轴向转动，锅体中的肥料颗粒受到锅内表面摩擦力、自身重力、颗粒间的撞击力等多种力的复合作用下不断翻滚，从而使雾化的包衣液在肥料颗粒表面形成完整的包衣层。

根据锅底的深浅不同，旋转包衣锅可分为浅型包衣锅和深型包衣锅。浅型包衣锅容量小，但是使用方便；深型包衣锅相比浅型包衣锅容量大，但是片床较薄，肥料颗粒容易黏在锅底。根据中心轴与水平面夹角α大小的不同，旋转包衣锅又可分为水平型包衣锅和倾斜型包衣锅。水平型包衣锅（α=90°）锅底呈水平状态，锅底中部的肥料颗粒在随着锅体不断旋转的过程中，其所受到的离心力大于保持圆周运动所需的向心力，颗粒会逐渐向锅体边缘移动，最后导致其在锅体边缘堆积、黏结，不利于后续颗粒的包覆；倾斜型包衣锅（0°<α<90°）相比水平型而言克服了以上缺点，但由于中心轴为倾斜式，工作中轴的磨损更为严重，不能长时间连续生产，所以局限于小批量包衣，只适合于实验室中对包衣工艺的研究。endprint

1.3 流化床包衣工艺

流化床包衣过程中被包覆的肥料颗粒在加热空气的浮力下处于流化状态，即肥料颗粒似流体样运动，颗粒不停的飘动翻滚，这种运动状态为“沸腾状”[22]，此状态下颗粒不规则运动，颗粒间可以相互短暂接触，操作弹性大。流化床包衣工艺流程如图3所示，被包覆的肥料颗粒经送料系统进入物料床，被过滤后的空气经过空气加热器的作用温度上升，热空气沿着管道进入物料床的底部，在热空气的作用下，原先处于静止的肥料颗粒被转变成流化态，形成肥料颗粒在物料床内的旋回运动，当肥料颗粒上升到一定温度之后，包衣液经高压喷枪雾化为微小液滴并不断喷洒在肥料颗粒上，随着热风的作用和物料在物料床中的循环流动，最终形成表面覆盖均匀的包衣肥料。

与旋转包衣锅相比，肥料颗粒在流化床中运动更加剧烈，颗粒间相互作用的剪切力更大，直径太大的颗粒容易碎裂，所以流化床包衣工艺更适合于微小颗粒（直径2～4 mm）的包衣。加拿大高校The University Of British Columbia（UBC）将流化床技术运用于尿素包衣过程中，研发了一种适用于尿素包衣的UBC包衣工艺[21，23]，该工艺是对美国TVA工艺的改进，其设备的核心部件为流化床喷动包膜柱。经过试验发现以流化床为核心的UBC工艺较以转鼓为核心的TVA工艺生产出的包衣肥料控释效果更显著。

2 缓/控释包衣肥料控释性能的评价方法

2.1 水中溶出率法

水中溶出率法是指用水或一定浓度的盐溶液浸提包膜控释肥，以计算一定时间内养分的溶出量，是评价缓/控释肥养分释放特性的常用方法[24]。Oertli等[25]最早采用磷酸盐水溶液浸提的方法测定无机肥料的养分释放率。随后Shavit等[26]、Trinh等[27]也提出通过测定肥料浸提液离子浓度的方法来评价缓控释肥料的控释性能。在国内，杨越超等[28]研究了4种不同包膜控释肥在25 ℃水中浸提的养分释放规律和100 ℃快速浸提化学方法测定结果的拟合方程，结果显示100 ℃快速浸提电导率法可以简单快速的测出包膜控释肥养分释放率，为实验室快速测定缓/控释肥料养分释放速率提供了科学依据。

在缓/控释肥料养分浸提的过程中，试料与水的比例一般为1∶20，也可根据肥料种类的不同而做相应的调整。其养分溶出率最常用的表示方法有初期养分释放率（Initial release rate of nutrient）和累积养分释放率（Cumulate release rate of nutrient）。

2.1.1 初期养分释放率[29] 缓/控释肥料在25 ℃静水中浸提24 h的养分释放量占养分总量的质量分数。其计算公式由式（1）表示：

式中，ν1为缓/控释肥料初期养分释放率；ω1为25 ℃下浸提24 h测定的养分释放质量分数；ω为缓/控释肥料中总养分的质量分数。

2.1.2 累计养分释放率[29] 缓/控释肥料在25 ℃静水中浸提一段时间内的连续养分释放量占养分总量的质量分数。其计算公式由式（2）表示：

式中，νt为缓/控释肥料累计养分释放率；t为养分释放期；ωt为25 ℃下浸提一段时间内测定的养分释放质量分数；ω为缓/控释肥料中总养分的质量分数。

国内外对缓/控释肥料的评价标准有一定的差异，欧洲标准委员会规定缓控释肥料的要求为①初期养分释放率（25 ℃静水中浸提24 h的养分释放量占养分总量的质量分数）不大于15%；②28 d累计养分释放率不超过75%；③养分释放期的累计养分释放率至少75%[30]。中国《缓释肥料国家标准》（GB/T 23348-2009）规定缓释肥料的要求为①初期养分释放率小于等于15%；②28 d累计养分释放率小于等于80%；③养分释放期的累计养分释放率大于等于80%[29]。

2.2 土壤淋溶法

土壤淋溶法是指将包膜控释肥料装入内有载体的封闭过滤系统中，载体可以是聚乙烯球、泥炭、蛭石等，也可以是土壤[31]，如图4所示，用于淋洗的水从上方的进水口灌入，试料与淋洗水接触后养分溶于淋洗水中被迁移至下方的載体，载体可以模拟土壤对养分的吸收，该方法解决了水中溶出率法中由单纯的水或盐溶液浸提包膜控释肥存在的浸泡时间长、重复多、误差大的问题[32-34]。但是载体柱的长短会对其自身的保水量产生影响，从而导致测定结果不准确。Holcomb[35]采用在载体下方放置一个毛细管垫吸收淋洗水溶液，淋洗过程中淋洗液并不会立即从下方流出，因此试料中的养分离子会源源不断地向毛细管垫中渗透，通过定期提取、分析毛细管垫中养分离子的浓度，从而计算出试料中养分的溶出率。熊又升等[36]在原有的土壤柱中加入巴氏磁管，设计了一种可以对包膜控释肥料质量半定量或定量评价的改进淋溶装置。张小沁等[37]将磁力搅拌器、加热器、取样管等与淋溶柱相结合，发明一种可以定期自动取样、简单、便捷的缓控释肥料养分测定装置，解决了现有淋溶装置存在的浸提时间长、效率低、误差大等问题。刘海林等[38]将多个淋溶柱放置在一个特定的固定支架上，可以进行批量样品测定试验，为实验室测定缓控释肥料养分溶出率创造了便捷条件，提高了试验效率。

2.3 同位素示踪法

同位素示踪法是通过检测放射性核素或稀有稳定核素在作物、土壤或其他研究对象中的迁移规律来分析缓/控释肥料养分控释性能的评价方法[39]。目前，在作物营养生理研究中常用的核素有15N、32P、8H、14C以及它们的化合物。而15N具有无放射性、无衰变、易合成等优点，所以在土壤肥料性能评价方面的应用研究最为广泛。国外，Shoji等[40]应用15N同位素示踪法测定聚烯烃包膜尿素在土壤中氮元素释放特性和玉米吸收利用的关系，结果显示氮元素的释放随着时间的延长逐渐降低，而玉米对氮元素的吸收曲线呈S形。国内，赵广才等[41]最早使用15N作为示踪素研究盆栽小麦不同部位对氮素肥料的分配利用规律。强继业等[42]利用32P作为示踪素研究玉米苗期的磷素代谢规律，发现磷素在苗期玉米的根部分布最强，其次是茎和叶脉。孙宁霞等[43]利用氢氧稳定同位素示踪法对玉米生长环境中土壤水分动态变化进行研究，并得出降水量与土壤水稳定同位素的相关关系。由此可见，同位素示踪法能够对田间的实际情况进行准确、快速、真实的反映。endprint

3 包衣工艺和评价方法存在的问题及对策

1）包衣工艺设备不成熟。国内市场上存在流化床、转鼓、包衣锅等多种包衣工艺设备，类型丰富、适用广泛，但都还处于设备发展的初期，相比于西方发达国家的TVA、UBC等发展成熟的包衣机械还有很大差距，不适合规模化商业生产。因此，开发研制高效率、特色化、操作便捷的包衣设备依然是高校、企业今后的主要研究方向。

2）包衣工艺设备智能化、自动化程度低。现有的包衣工艺机械大部分都依靠人工操作、效率不高、包衣精度差、费时费力，若将计算机虚拟仪器软件技术与肥料包衣机械相结合，则可实现包衣的远程控制、连续化生产，既达到节省人力物力、提高生产效率的目的，又实现了包衣的高精度和包衣工艺设备的自动化，这种智能化、自动化的包衣技术是未来包衣工艺设备发展的主要趋势。

3）包衣工艺技术标准不统一。中国是农业大国，地形辽阔、气候条件多变，不同地区甚至同一地区不同时间段土壤对肥料的需求不尽相同，而肥料类型是影响包衣工艺设备的主要因素，肥料的多样化导致包衣工艺设备参差不齐，不利于机械设备的可持续发展。所以，国家应该根据现阶段缓控释肥料发展状况制定适合包衣工艺设备发展的相关标准。

4）养分测定技术方法有待改善。目前国内外很多高校、企业对缓控释肥料养分溶出率的测定一般使用水中溶出率法。但是水中溶出率法没有考虑到土壤环境和水环境之间的差异，用于浸提肥料的水或一定浓度的盐溶液在肥料养分溶出的过程中，由于缺少植物对养分的吸收，其离子浓度会逐渐增大，导致溶液的渗透压升高，势必会影响肥料中养分的进一步溶出，不能体现出肥料在土壤中的实际释放规律。而土壤淋溶法引入土壤因子和作物因子对其矫正，解决了水中溶出率法存在的问题，但是淋溶载体并不是真实的土壤，也只局限于实验室中测定。同位素示踪法在对控释肥的标记上价格昂贵、技术繁杂，并且需要检测相应同位素的特殊仪器设备，普通实验室中无法独立完成。因此，如何缩小实验室评价与田间评价的差异、降低同位素示踪法的技术成本、开发缓控释肥料的新型评价方法是亟待解决的问题。

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