缓控释肥的研究进展及展望

杨俊英

(天脊煤化工集团股份有限公司,山西 长治 047507)

化肥在农业生产中发挥着重要作用,据联合国粮农组织统计,化肥对粮食生产的贡献率达到40%左右,然而普遍存在的问题是肥料利用率不高,与发达国家50%～60%利用率相比,国内肥料利用率仅为30%～40%,磷肥利用率甚至不足20%。肥料利用效率低,不仅会造成资源浪费、经济损失,而且会引起土壤酸化、盐碱化、板结等问题,导致土壤肥力下降、质量退化、生产力降低,还会引起周围地下水、河流等水体氮磷富营养化[1]。因此,如何提高肥料的利用率,避免化肥对土壤、农作物及人类健康产生“毒害”,已成为当代科技工作者的研究重点。

缓控释肥具有提高肥料利用率、减少肥料施用量与施肥次数、提高经济效益、改善农作物品质、减轻环境污染等优点,已成为21世纪化肥产业发展的重要方向。

1 缓控释肥的概念

广义上讲缓控释肥是指通过物理、化学与生物等手段,调控肥料中养分释放速率,满足农作物生长期营养需求的一种新型肥料。狭义上讲缓控释肥包含缓释肥与控释肥,缓释肥也称长效肥料,是指肥料施入土壤后转化成可被植物吸收成分的速度低于普通肥料,但肥料的释放速率与作用时间难于控制,受施肥方法与自然环境的影响较大。控释肥是缓释肥的高级形式,是指通过人为调控养分的释放速度,使其同农作物对营养需求基本保持一致,从而达到增效的目的。

2 缓控释肥的分类及研究进展

按照养分释放机理不同,可将缓控释肥分为物理包膜型、化学型以及稳定型等三大类。

2.1 物理包膜型

物理包膜型缓控释肥是一种采用加热、喷涂等物理手段制备的拥有“核壳式结构”的肥料。其一般是以高浓度水溶性养分为内核,于表面包裹一层或若干层具备缓控释性能的膜材料,从而减缓水分渗入内核的速率,起到缓释的作用。包膜肥的缓控释效果主要由外层包膜材料性质决定,依据膜材料不同可划分为无机包膜型肥料与有机包膜型肥料。

2.1.1 无机包膜型肥料

常用的无机包膜材料主要是硫黄、硅藻土、钙镁磷肥、生物炭等[2-3],具有来源广泛、制备成本低、易降解、环境友好、可改善土壤结构等优点,主要存在弹性差、易脱落、缓控释效果不太理想等问题。

沈秀丽等人[4]为考察不同粒径生物炭包膜处理对尿素缓释性能的影响,制得3种生物炭包膜尿素缓释肥:C-1缓释肥是以0.15 mm生物炭粉包膜,C-2缓释肥的内外层分别以0.15与0.25 mm生物炭粉包膜,C-3缓释肥的内中外层依次以0.15,0.25,0.425 mm生物炭粉包膜。结果显示,三层包膜处理的缓释效果最好,使用不同粒径生物炭粉组成三层包壳,可以调控膜层生物炭的孔隙结构与孔径,减缓水分渗入与养分流出速度,提高缓释性能,为生物炭缓释肥研究应用提供一个了新的方向。

孙仁贵[5]在稻壳炭化过程加入黏结剂,增加活性炭的吸附性,在酸溶液中与膨润土、土霉素药渣作用,形成稳定的稻壳粉末活性炭复合膨润土包膜材料,通过膨化使得颗粒肥拥有无数小孔,溶解过程中,水分能沿着小孔迅速渗入到中心,达到快速溶解,同时,包膜可避免尿素颗粒直接与种子接触,减弱对种子发芽的影响。

2.1.2 有机包膜型肥料

常用的有机包膜肥料包含天然高分子包膜型肥料与合成高分子包膜型肥料两大类。

2.1.2.1 天然高分子包膜型肥料

壳聚糖、淀粉、纤维素、海藻酸钠、腐殖酸等[6-7]常被用作天然高分子包膜材料,具有廉价易得、生物相容可降解、易于成膜的特点,但由于自身结构限制,直接用作制造肥料包膜存在缓释性能不太理想等问题,往往需通过物理或化学改性来提高其性能。

李沁园等人[8]将天然高分子海藻酸钠与壳聚糖作为载体,利用烷基硅烷改性,合成了用于封装尿素的疏水海藻酸钙@壳聚糖微球,相比于未进行疏水改性原始微球,其溶胀率降低了52%,说明其在土壤中对外界盐环境的抵御能力得到了大幅提升,有望扩展海藻酸钙用作缓释肥包膜材料的应用空间。

陆贺港等人[9]利用添加三偏磷酸钠改善三赞胶性能,增大其塑性,提升其形成薄膜在肥料表面的附着能力,再结合乙基纤维素,获得一种三赞胶@乙基纤维素双层包膜缓释肥。开展淋溶试验,双层包膜肥的N、P、K释放率分别降低45.72%,72.40%,76.97%,显示双层包膜缓释肥能显著降低养分释放速度,为低成本的三赞胶在肥料领域应用给出了理论支撑。

赵贵哲等人[10]采用无机纤维素粉末、丙烯酸、丙烯酰胺、尿素、甲醛等原料,制得一种纤维素基吸水保水型可生物降解缓控释肥,相比于现有肥料,其可显著改善土壤的吸水保水能力,含有氮、磷、钾三种营养元素,可提高农作物产量,改善农作物品质。

2.1.2.2 合成高分子包膜型肥料

合成高分子材料制备简单,包膜厚度易于控制,能较好地调控养分释放速度,且材料性质稳定,不易受土壤环境的影响,使得肥料能够维持稳定的缓释效果,占据包膜缓释肥五成以上市场份额。

常见的聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、环氧树脂、醇酸树脂等合成高分子材料不易分解,残留于土壤中易造成环境污染。故开发可降解、环境友好型包膜材料成为科研工作者的研究重点。

彭弋旻等人[11]使用苯酐聚酯多元醇、大豆油聚醚多元醇、谷氨酸、丙烯酸树脂、异氰酸酯等为原料,合成一种含氨基酸的生物可降解聚氨酯缓控释肥包衣材料,实现聚氨酯能在300 d内被土壤微生物降解,进而成为微生物的养分,且含有的谷氨酸、枸杞多糖、小麦胚芽蛋白,都能促进土壤微生物的活性。

江东等人[12]提供了一种缓释肥料的制备方法,以聚乳酸、聚己内酯、三氯甲烷、尿素等为原料,通过静电纺丝制备纳米壳核结构的缓释肥料。相比于普通缓释肥料,其缓释时间延长了40 d,保证了肥料的充分利用,且具有一定的抗酸碱和耐高温的能力。该方法可以通过调整聚合物与尿素浓度来生产满足不同农作物生长需求的肥料,采用天然可降解的聚乳酸和聚己内酯,可避免污染环境。

舒绪刚等人[13]公开了一种新型保水控释环境友好型肥料生产方法,采用废纸纤维与聚乙烯醇混合制备内层包衣,外层包衣制备成改性淀粉高吸水树脂,内外层包衣均为可降解材料,避免了环境污染;外层包衣为吸水树脂,当吸水树脂吸水后变成弹性体,保护内层包衣不在使用过程中损坏,且吸水树脂还具有保水的作用,非常适合在干旱地区推广。

2.2 化学型

化学型缓控释肥料主要是利用加成、聚合或缩聚等化学方式,使传统肥料同聚合物反应,制备的肥料通过聚合物的降解实现对养分释放的调控,以醛类缩合产物为基础,主要包含脲甲醛、异丁烯叉二脲、丁烯叉二脲、草酰胺等。该类肥料缓释性能较优,但由于高成本限制了其大规模推广,现阶段主要应用于大棚蔬菜、园艺花卉、专业草坪等领域。

脲甲醛类作为代表性产品,生产工艺以浓溶液法为主,即尿素与甲醛以浓溶液形式参与反应,产物无需固液分离而直接经催化剂固化成产品,但存在产品与生产装置间粘结性强,阻碍设备自动出料,不利于连续化生产[14],且脲甲醛类缓释肥的养分释放速率较慢,释放周期通常是1～2年,不利于农作物对养分的吸收。

向阳等人[15]以尿素颗粒与多聚甲醛粉末为原料,在常压密闭反应釜,经高温气固相缩聚合成脲甲醛缓释肥。数据显示反应产物的最高含水率仅为11.72%,甲醛转化率高达88.22%,该技术在保证产品缓释效果的前提下,不仅提升原料利用率,简化制备过程,降低生产成本,还实现设备连续化生产。

席瑶瑶等人[16]利用磷酸二氢钙(MCP)、磷矿粉(PRP)与磷酸二氢铵(ADP)对脲甲醛进行改性,得到三种含氮、磷的缓控释肥料(MCP-UF、PRP-UF、ADP-UF),处理90 d后,MCP-UF、PRP-UF、ADP-UF的氮累计释放率分别为76.47%,78.17%和80.45%,明显高于未改性的UF的 68.46%,表明磷酸盐的加入能改善氮养分的释放,匹配农作物的生长需求。

刘慧等人[17]以脲甲醛与尿素为主料,辅以磷酸、磷酸一铵、硫酸钾、三乙醇胺等,制备一种高物质的量比脲甲醛类长效缓释肥,通过采用高物质的量比的方式提高脲含量,降低未反应的游离甲醛量,植被存活率提升40%以上;缓释肥不易结块,缓释时间长达半年,利用率提升30%;且该缓释肥的降解率与溶胀率随温度升高而增大,致使包膜上肥料释放孔逐渐变大,提升了肥料的释放率,农作物的生长速度与温度成正相关,该缓释肥释放特点与农作物对营养元素的需求相匹配。

2.3 稳定型

稳定型缓释肥料主要是依靠添加硝化抑制剂与脲酶抑制剂来减少氮肥的流失。硝化抑制剂可减缓土壤中铵态氮转化为硝态氮的速率,起到氮素缓释的效果,主流工业化的硝化抑制剂有双氰胺、2-氯-6-(三氯甲基)吡啶、3,4-二甲基吡唑磷酸盐等。脲酶抑制剂能抑制土壤中脲酶活性,延缓尿素水解为NH3过程,降低NH3的挥发损失,常用的脲酶抑制剂有重金属类、醌类、多羟酚类等。但硝化抑制剂与脲酶抑制剂存在价格高、毒性较大、不利于降解等问题,在大规模应用上还有待进一步提高。

聂云鑫等人[18]以黄瓜为作物,考察脲酶硝化双抑制剂对土壤养分含量、土壤酶活性的影响,结果显示,与复合肥相比,施加含脲酶硝化双抑制剂的缓释肥后,土壤中脲酶活性降低了8.15%,过氧化氢酶、磷酸酶、蔗糖酶活性依次增加了14.3%,16.6%,24.6%,有利于促进过氧化氢的分解、提高易溶性营养物质含量,增加黄瓜作物对氮磷钾元素的吸收,黄瓜产量增加59.1%。

3 存在问题与展望

3.1 存在问题

缓控释肥发展主要存在以下问题:

1)价格偏高,由于膜材料生产成本偏高、生产工艺流程相对复杂等因素,致使缓控释肥价格是普通肥料的2～3倍[19],严重阻碍了缓控释肥在大田生产领域的推广应用。

2)环境污染,常用的聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、环氧树脂等包膜材料不易降解,其残留会造成土壤污染。硫包衣肥料若过度施用,肥料中硫素会影响土壤原有微生物菌落平衡,进而加速土壤酸化进程。

3)产品类型单一,由于氮肥是农业生产中用量最大的品种,且氮素在土壤中存在易淋溶、挥发等问题,现阶段缓控释肥的研究重点集中在氮元素上,致使缓控释肥产品类型相对单一。

3.2 展望

发展缓控释肥对推动我国化肥用量零增长与农业绿色低碳高质量发展具有重大意义。未来缓控释肥的研究与发展可从以下五方面入手:

1)在技术方面,可对缓控释肥的生产工艺进行优化、改进,对生产设备进行改造,推进节能降耗,进而降低缓控释肥的生产成本。

2)在材料方面,优先开发来源广泛、价格低廉、可生物降解的复合型材料,可重点开展生物基包膜材料的研究。

3)在产品种类方面,应扩展至磷元素、钾元素及微量元素的缓控释研究,必要时可针对土壤类型与农作物种类研制不同类型的缓控释肥,做到精准施肥。

4)在政策与资金方面,需要政府部门出台促进缓控释肥发展的相关政策,可采用税收减免或是政府补助等措施,引导化肥企业加大技术研发投入,鼓励化肥企业与高校及科研院所开展技术合作,通过技术创新降低生产成本。

5)在推广方面,需要政府及化肥企业加大缓控释肥的推广力度,让广大农户充分了解到施用缓控释肥的优势,有能力的化肥企业可以在全国各省建设试验田,引导农户科学施肥。