我国缓/控释肥的制备及应用研究进展

范 妮

(陕西学前师范学院 化学与化工系，陕西 西安 710100)

1 缓/控释肥

1.1 定义

化肥的养分通过各种调控机理缓慢释放，或者按照预设的释放速率控制释放的肥料统称为缓/控释肥[2]。

缓释肥是一种化学营养物质释放速度远小于速溶性肥料的化肥，对植物的营养起到长效机制，缓释肥种类大多数为氮肥。当其被施入土壤时，肥料会在生物作用以及化学作用下被逐渐分解，里面的氮素会逐渐释放，能够满足作物对于氮素的需求。常见的缓释肥料有硫衣尿素、微溶性氮肥和稳定性肥料[3]。土壤的类型、pH值、水分含量、微生物代谢活动及灌溉水量等因素将对肥料养分的释放产生一定影响，养分释放与作物营养需求在大多数情况下很难达到一致。

采用聚合物包膜颗粒肥料，通过聚合物降解程度调控化学养分的释放速度，促使养分释放速度与农作物不同生长时期需肥量达到一致，这种肥料称为控释肥，类型大多为复合肥或全营养肥[3]。控释肥在颗粒肥料表面包裹上的厚度不一的膜具有多孔网络结构，当控释肥料施入土壤后，水分从包膜层上的通道进入内层后，核芯中的肥料溶解，养分通过多孔网络结构的通道释放出来。通常当环境温度上升的时候，植物对养分的需求会加大。作物首先会吸收控释肥颗粒外部的养分，当膜外侧的养分浓度下降时，膜内外产生浓度差，传质推动力加大，加快肥料释放速度；环境温度降低，植物生长速度减慢，甚至出现休眠情况，控释膜内外的浓度差减少，传质推动力减小，养分释放速度随之变慢甚至直接降为零。因此控释肥主要通过包裹颗粒肥料的多孔网络通道数量、曲折程度及环境温度两个方面对养分进行有效控制释放，使其肥料利用率达到最优化。因此控释肥料可以认为是缓释肥料的升级形式，但许多研究者包括美国作物营养检查官协会都对缓释肥和控释肥未进行严格区分，通常同时使用二者。

1.2 缓/控释肥料制备

1.2.1 缓释肥制备 通过查阅相关文献，缓释肥主要有硫衣尿素、脲甲醛类肥料及稳定性肥料。

硫衣尿素生产关键技术是在高压条件下将预热处理的尿素用熔融后的硫磺喷涂，通过聚合物密封尿素包裹硫磺时产生的空隙[5～6]。优点：硫本身是植物生长不可缺少的营养元素，用硫包裹肥料可以起到一举两得的效果；同时此加工工艺相对简单，生产成本较树脂包裹肥料低。缺点：过多施入硫元素会破坏土壤原有菌群微生物平衡，同时会加速土壤酸化。

尿素和甲醛在一定条件下反应得到有机微溶性缓释氮肥脲甲醛。尿素和甲醛在pH值2—11的范围内以缩合反应生成羟甲基脲，羟甲基脲在酸性条件下与过量尿素继续发生反应，生成分子链长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，并释放氮素，通过分子链长短决定肥效起作用的时间。优点：工艺生产简单，生产成本低。缺点：生产过程中反应工艺条件较难控制，导致产品缓释效果不够稳定。

在氮肥和复合肥生产过程中，按照一定的工艺条件添加脲酶抑制剂、硝化抑制剂或氨稳定剂生产稳定性肥料[8]。脲酶抑制剂有磷胺类、酚醌类及杂环类，硝化抑制剂中双氰胺(DCD)是目前应用最广泛的一种抑制剂。优点：生产工艺相对简单，通过在化肥中添加一定量的抑制剂，能够延缓肥料养分水解，有效延长肥料肥效。缺点：由于过多的水会降低抑制剂的浓度，使得缓释效果下降，因此不适合施入到水多的土壤中。

1.2.2 控释肥制备 控释肥主要通过包裹技术进行生产。颗粒肥料在特定的设备中通过粘结剂将具有很大比表面积的无机矿物质包裹到肥料表面形成包膜型肥料。虽然肥料被包裹，但是在包膜的过程中膜层形成了许多多孔网络结构，这些蜿蜒曲折的通道可以让养分在有水分存在的情况下释放出来[9～10]。化学肥料自身的性质，用于包裹的包膜材料，土壤中水分、温度等条件共同控制肥料的释放速率，达到控制释放养分的效果。控释肥包膜技术主要用树脂包裹。根据包膜材料是否使用溶剂可将此技术分为脂溶性树脂包裹技术、水溶性树脂包裹技术及无溶剂型聚合物包裹技术。

脂溶性树脂包裹技术是将热塑性包膜材料(以聚烯烃类材料为主)溶解于有机溶剂中，在流化床反应器中将其喷涂到肥料颗粒表面，在颗粒表面形成一层包膜。当有机溶剂挥发后，膜表面会形成多孔网络结构。优点：包膜效果好。缺点：用于包膜的材料不易降解，长期用会破坏土壤生态环境，同时残留在包膜肥料中的易挥发有机溶剂会对施肥的植物及周围环境造成污染[3]。

水溶性树脂包裹技术是在流化床内将聚合物与水合成的水基高分子喷涂于肥料颗粒表面。当包膜中的水分蒸发后，聚合物在颗粒表面形成具有控释作用的膜层。优点：以水为包膜材料介质，环保安全。缺点：该技术对于聚合物包膜材料及工艺操作要求高，技术难度大[11～13]。

无溶剂型聚合物包裹技术目前比较成熟。此技术是将成膜的单体在高温条件下同时或分别喷涂在预热的肥料颗粒表面，在肥料表面单体发生反应形成具有控释作用的膜。包膜设备可以是间歇操作的流化床，也可以采用能够连续操作的转鼓设备。优点：成膜过程中不需要任何溶剂，对环境污染小，成膜工艺相对简单，生产成本低。因此是控释肥生产企业中采用较多的生产技术[14～15]。

2 缓/控释肥的应用研究进展

由于缓/控释肥料具有提高作物产量、质量，缩短作物生长周期的优点，同时还可降低养分的淋溶量和氮的挥发量，因此受到了化肥业自身的关注, 也受到了农业、工业界的热捧。

研究表明：将硫包膜尿素施于玉米作物上，当玉米成熟时与普通尿素相比，玉米对于氮吸收总量增加44. 32% ，产量增加 22.43% ；同时穗长、百粒质量比用普通尿素处理的玉米高4.65% 和8.41% 。在轻度盐碱地上应用硫包膜尿素具有降低土壤 pH 值、增强玉米植株氮素吸收利用能力的作用，同时肥料释放速度与玉米对氮素养分的吸收规律基本适宜[16]。董杰等在夏玉米上施用脲甲醛缓释肥，比常规施肥增产率高13.47%，施用减施率达20%；每亩施肥纯收益和投入产出比均最高[17]。稳定性肥料已在我国多个省份推广应用，主要施用于玉米、小麦、苹果等作物上，推广面积达0.2亿hm2，化肥投入减少了64亿元；通过一次性施肥，省时省工，减少温室气体排放，提高了生态效益[18]。

目前控释肥主要以包膜型控释肥为主。张勇等将不同包膜型控释肥施用于夏玉米作物上，总体来说控释肥较普通复合肥效果更好，特别是全降解控释肥26-8-8 复合肥料增产效果最明显，较普通复合肥产量提高了14.18%[19]。石兆军对经淀粉处理后的改性热塑性树脂包裹多元素的控释肥研究后发现，此类控释肥在地温和微生物的调节下，通过可控降解达到控制释放。另外此控释肥生产成本低，利润高，包膜剂不产生二次污染，适合于大田作物施用[20]。

不同于国际缓/控释肥料主要施用于花卉、草坪，我国缓/控释肥广泛用于大田作物。目前我国缓/控释肥在农业上的施用量大概为315万t左右，施用量达到了中国复混肥施用量的5%。包括的粮食作物有：水稻、玉米及小麦；还有棉花、辣椒、茶树、苹果及番茄等经济作物上。还有少部分施用于花卉、植物上。将缓/控释肥施用于各类作物上后，与施用普通化肥相比较，作物在肥料养分的利用率、产量上显著提高，同时植株性状及作物品质都明显改善。

3 缓/控释肥应用中存在的问题

(1)环境问题。包膜型制备工艺是缓/控释肥重要的生产方法之一，但一些用于包膜的材料，特别是脂溶性树脂不容易降解，长期使用会破坏土壤原有的生态环境，同时残留在包膜肥料中的易挥发有机溶剂会对施肥的植物及周围环境造成污染。另外一方面硫衣尿素肥料中硫元素被过量的施入土壤，破坏土壤原有菌群微生物平衡，同时加速土壤酸化。

(2)价格偏高。由于缓/控释肥制备需要新型的膜材料、生产工艺相对复杂，造成缓/控释肥价格偏高，农民种作物的成本过高，收入减少，这将对缓/控释肥的普及推广起到一定的制约作用。

(3)生产技术薄弱。我国缓/控释肥产业发展起步较晚，因此我国在缓/控释肥生产研发关键技术上有待进一步提高，同时从事这方面的专门人才相对较少。

(4)缓/控释肥料中核芯养分相对单一，缺乏“专属”性缓/控释肥的研究。文献报道中缓/控释肥的研究主要集中在氮元素上；另外针对肥料与作物之间“一对一”的缓/控释肥的应用研究较少。

(5)推广宣传力度不够我国农民科学文化知识背景相对薄弱，因此农民对缓/控释肥产品的认知水平不高，导致缓/控释肥占肥料总消耗量的比重仅为1%，推广任务依然艰巨。

4 相应对策及建议

(1)在膜材料的选择上，寻求原料丰富，天然可降解的，环境友好的包膜材料，养分配比应趋于合理化，从而减少缓/控释肥对生态环境的破坏问题。

(2)国家应在政策、资金方面给予企业更多支持；同时从制备缓/控释肥的载体材料、生产工艺及设备、节能降耗等方面入手，降低生产成本，缩小缓/控释肥与普通肥料之间的价格。

(3)文献报道中我国缓/控释肥实验室阶段研究相对较多，但是应用方面的中试研究较少，导致科技成果产业化进程相对缓慢。应建立有效的理论研究与科技成果专业化之间的平台，同时加强交叉学科人才的培养，并充分发挥科研机构、企业之间的技术交流与科技创新，加快前沿缓/控释肥研究的产业化进程。

(4)建议开展不同类型核芯肥料的研究开发，以适用于不同农作物对不同养分的需求。不同地区土壤的成分，温度，湿度，PH值以及土壤中微生物的种类、含量都会对缓/控释肥的释放效果产生影响，因此应该充分考虑地域、土壤差异及作物种类，研究开发针对性更强的缓/控释肥产品，达到“对症”施肥的效果，提高缓/控释肥利用率。

(5)提高农民对缓/控释肥产品的认知水平。政府应该充分发挥职能部门作用，加大宣传和推广力度，定期组织缓/控释肥的科学知识普及、培训工作；另一方面企业应该设立推广服务站，为农民提供便利、有效、及时的技术咨询及上门服务。

5 结论及展望

缓/控释肥料的发展对推动我国化肥施用零增长和农业绿色可持续发展具有重要作用，并且符合我国化肥行业产品结构改革方向。在未来的发展过程中应研发原料丰富，天然可降解的，环境友好的包膜材料，特别是水溶性树脂或水基聚合包膜材料；国家在政策和资金方面给予企业更多支持，从源头降低缓控释肥产品价格；加快前沿缓/控释肥研究的科技产业化进程；开展不同类型核芯肥料的研发，使缓/控释肥的产品种类全面化，施用方式专用化；探索、推广缓/控释肥先进技术，提高农民对缓/控释肥产品的认知水平；出台优惠政策和措施，鼓励出口海外提高国际竞争力；实现上下游融合，化解上游氮肥企业过剩局面；将我国化肥产品结构向高效率、专用性、功能性发展。