可降解保水缓/控释肥研究现状及发展展望

Research Status of Degradable Water-Retaining Slow/ Controlled Release Fertilizer and Development Prospect

牛育华 Yuhua NIU , 王柯颖 Keying WANG , 罗翼 Yi LUO , 骆筱 Xiao LUO , 延小雨 Xiaoyu YAN

1 陕西科技大学，教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室陕西西安 710021 Shaanxi University of Science and Technology, Key Laboratory of Chemistry and Technology for Light Chemical Industry, Ministry of Education, Xi′an 710021, China 2 陕西农产品加工技术研究院陕西西安 710021 Shaanxi Research Insitute of Agricultural Products Processing Technology, Xi′an 710021, China 3 铜川职业技术学院陕西铜川 727031 Tongchuan Vocational and Technical College, Tongchuan 727031, China 4 西安长庆化工集团有限公司陕西西安 710018 Xi′an Changqing Chemical Group Co., Ltd., Xi′an 710018, China

摘要：

随着科技的进步和环境问题的日益加重，单纯的保水缓/控释肥已不能满足农业生产的需求，开发可降解保水缓/控释肥具有巨大的经济效益、社会效益和环境效益。概述了可降解保水缓/控释肥的概念及研究现状，介绍了可降解保水剂与肥料的复合方式，分析了可降解保水缓/控释肥的优点及目前存在的问题，并对今后的发展方向进行了展望。

关键词：

可降解; 保水; 缓/控释肥; 展望;

Abstract：

With advances of technology and deterioration of environmental quality, simple water-retaining slow/controlled release fertilizer can no longer meet the requirements of agricultural production, the development of degradable water-retaining slow/controlled release fertilizer will have huge economic benefit, social benefit and environmental benefit. The concept of degradable water-retaining slow/controlled release fertilizer and current research situation are summarized, the composite mode of degradable water-retaining agent and fertilizer is introduced, the advantages and problems existed currently are analyzed, and the future developmental direction is prospected.

Keyword：

degradable; water-retention; slow/controlled release fertilizer; prospect;

我国人口众多，粮食成为解决我国民生问题的基础。养分缺乏和水分不足是制约我国粮食生产的重要因素之一，提高肥料利用率是增加粮食产量的重要环节，发展可持续高效农业已经成为世界各国共同关注的问题，而使用保水缓/控释肥料是解决这一问题的有效途径，即农业发展“关键在水，出路在肥”^[1]。

随着科学技术的不断进步和环境问题的日益加重，单纯的保水缓/控释肥已经不能满足农业生产的需求，绿色保水缓/控释肥开始进入人们的视野，通过可降解保水缓/控释肥的制备，使农业生产进入环境友好的发展行列。

1 可降解保水缓/控释肥概念及研究现状

缓/控释肥是20世纪40年代诞生的一个新名词，以可缓释、效率高为特点发展至今。缓释肥又称长效肥，是用具体不同的材料在肥料表面包裹上所需厚度，使其满足农作物在生长期间对养分的需求，降低养分释放速率，减少肥料浪费。控释肥是一种更为先进的缓释肥料，通过更加有效的包膜材质包裹肥料，满足农作物在不同生长期对养分不同的需求量和需求速率，可更加充分地利用肥料的各个养分基团^[1]。尽管缓/控释肥的施用提高了农作物的产量，但是当肥料养分释放殆尽以后，包膜材料长期残留于土壤中必然会造成严重的生态环境污染^[2]，因此，通过物理、化学、生物等方法开发环境友好型可生物降解的保水缓/控释肥料，不仅有利于提高农作物的品质和产量，有利于减轻环境污染，而且有利于现代可持续农业的发展。

保水剂是一种能够吸水膨胀的高分子树脂，含有羧基、氨基等各种亲水基团，这些官能团通过与大分子碳链之间的适度交联而形成三维网络结构，吸水能力超强，且可以反复吸水、放水，绝大部分水分都可被植物所利用，具有调水、节水、合理用水和改善土壤结构的作用^[3]。可降解保水缓/控释肥所用的保水剂为可降解高吸水树脂，是一种功能高分子材料，可以吸收自身质量几百倍甚至上千倍的水，且在高压下仍然能够留住大部分的水。将可降解高吸水树脂与缓/控释肥结合起来，开发缓/控释效果好、环境友好的可降解保水缓/控释肥，具有巨大的经济效益、社会效益和环境效益。

目前，关于可降解保水缓/控释肥的研究已经有所报道。马来西亚学者对改性木质素与天然木薯淀粉的混合包裹进行了研究，并通过红外和黏度测试，得出木质素与木薯淀粉最佳的质量配比为1 :9，同时通过材料在土壤中不同的半衰期指数证明包膜厚度对缓释效果的影响很大^[4]。张玉龙等^[5]用聚乙烯醇－淀粉作交联剂，并与硅藻土共混制备出可降解且价格低廉的包覆材料，经红外光谱分析，该材料可与氮肥包覆并形成了新的化学键，提高了缓释性。杜建军等^[6]利用可降解的天然分子壳聚糖与吸水树脂结合制备了可生物降解的包膜材料，从而得到既具有保水功能又具有保肥功能的包膜材料。徐浩龙^[7]用胶磷矿、淀粉与丙烯酸盐进行共聚，并加入过硫酸钾和N, N′-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂和引发剂，制备出具有保水性的缓释包膜材料。陈强等^[8]把壳聚糖等天然产物通过共混、交联作用，制备出可生物降解的缓释包膜材料，并通过力学性能、相容性等指标的测定，发现其具有良好的降解性能与吸水性能，效果优于纯壳聚糖。这些合成物质均具有缓释效果与保水保肥特性，并且具有一定的可生物降解性。

2 可降解保水剂与肥料的复合方式

可降解保水剂与肥料复合的方式主要有4种类型。

2.1 混合复配型可降解保水肥料

混合复配型可降解保水肥料是直接将可降解的保水剂与普通肥料按设定比例混合，然后通过物理加工的形式，即杂糅制粒、圆盘造粒等制得可降解保水肥料，是制备保水肥料最简单的工艺方法。此法的优点是制备工艺简单、生产成本低，缺点是制备的保水肥料缓释性能较差，而且在结合度方面也不如其他方法牢固。叶云等^[9]用吸水率大于400倍的淀粉接枝丙烯酸钠，然后将保水剂与尿素、微量元素共混制备了保水长效复合肥，并以盆栽蔬菜与水果为对象，试验验证了该肥具有一定的抗旱性能。

2.2 物理吸附型可降解保水肥料

物理吸附型可降解保水肥料是将可降解保水剂放入可溶性肥料溶液中，形成富含肥料养分的水溶胶或水凝胶，也可将富含营养的水溶胶和水凝胶烘干后使用。此法的优点是制备工艺简单、肥料养分种类及浓度可控，缺点是养分含量受保水剂表面电荷和结构的影响较大，即受保水剂吸盐水性能影响较大。Liang R.等^[10]制备了小麦秸秆－聚丙烯酸保水剂，并通过物理吸附的方法制备了保水剂－尿素水凝胶，研究发现：保水剂负载的尿素量与尿素溶液浓度有关，尿素溶液浓度越高，进入保水剂内部网状结构的尿素分子就越多，在干燥过程中水分挥发而尿素被固定下来；施入土壤后，保水剂先吸水膨胀成水凝胶，尿素随即溶解，随保水剂内部水分与土壤溶液之间的动态交换而缓慢释放。

2.3 化学反应型可降解保水肥料

化学反应型可降解保水肥料是直接利用聚合反应使肥料通过吸附、包埋等方式进入聚合物基质中，或肥料分子与聚合物单体通过共聚进入聚合物分子中，肥料与亲水聚合物成为完全一体化的物质。此法具有保水性好、养分含量高、水肥作用密切等优点，既提高了保水肥料的养分含量，还可引入新的养分控释机制，改善保水肥料的缓释性能，但养分供应量受保水剂化学组成和结构的影响较大。Rahman M. H.等^[11]通过共价聚合反应，在过硫酸钾作引发剂合成的聚丙烯酸基质中加入尿素，得到了含氮质量分数24.76%的聚合尿素，在种有辣椒的土壤中施用10 d后，土壤氮含量明显高于普通尿素组，且土壤中氮含量随时间缓慢降低，至种植期结束仍可检测到部分残留氮，而普通尿素组的土壤氮含量在短时间内迅速降低并接近于零。

2.4 核壳包覆型可降解保水肥料

核壳包覆型可降解保水肥料是以可降解保水剂作为包覆材料，然后通过物理或化学的方法将其包覆于肥料颗粒外层。在此种复合方式中，可降解保水剂作为包覆肥料的膜材料使用，既能保证肥料的高效性，还能保持可降解保水剂的完整内部结构和保水性能，即最大限度地发挥了肥料的肥效，还充分发挥了保水剂的保水保肥功能。包膜的方式可分为保水剂单层包膜和复式包膜，单层包膜肥料主要是靠吸水剂吸水溶胀后对养分的阻碍和吸附作用而起到缓释效果；复式包膜肥料往往依靠内膜对于肥料表面的附着黏结，阻碍水分内扩，进而防止养分迅速释放。肖强等^[12]用水基成膜法分别对氮、磷、钾肥进行包膜，所制得的丙烯酸酯类包膜肥表面光滑、厚实、均一，与速效肥相比，氮素累积溶出率达到50%所需时间延长了37 d。

3 可降解保水缓/控释肥的优点

3.1 有效缓解肥料浪费

肥料主要成分是氮、磷、钾，需要从煤矿、磷矿、钾矿中提取，但我国矿产资源有限，特别是钾肥年进口量达几百万吨，低的肥料利用率造成巨大的经济损失。可降解保水缓/控释肥可以实现肥料中各种营养元素的缓慢释放，从而减少肥料的使用量，提高肥料的利用率。

3.2 保护生态环境

未被农作物吸收的化肥不仅增加农业生产成本，而且导致了严重的环境问题。我国化肥的平均施用量超过了440 kg/hm²，是全球化肥平均施用量的3倍。据中国科学院南京土壤研究所的研究结果，我国每年流失到江河中的氮是1 200 kt，渗透到地下水中的氮是500 kt，通过黄河、长江、珠江水系排入大海中的氮在1 200 kt以上^[13]，这其中大量的氮主要来自于农业。而施用可降解保水缓/控释肥可提高肥料利用率，减轻过量施肥对土壤和水质的破坏。

3.3 促进作物生长

可降解保水缓/控释肥可同时向作物提供生长所需的养分和水分，具有“水肥互促”效应，可使水和肥的效应都达到最大化；缓释可以减少因淋溶或随地表径流从土壤中损失的养分；可降解保水剂所吸收的水分能够供植物吸收利用，为植物的生长创造良好的营养环境^[14]。利用可降解保水缓/控释肥的保水与缓释功能，可将其作为植物生长的促进剂、苗木移植的保水剂、植物出苗的保护剂等，还可增加作物体内叶绿素的含量、叶片的面积，从而提高农作物的产量和改善农作物的质量。

4 可降解保水缓/控释肥现存的问题

4.1 缓/控释性能的调控

目前，虽然对可降解保水缓/控释肥的研究已初见成果，但是依然存在一些问题，如保水剂吸水膨胀后空隙增大，使得养分极易流出，导致缓/控释效果大大降低。这可以通过调整包膜的厚度、对包膜材料进行改性等方式对养分释放速率进行调控，或者采用双层包膜的方法来促进其缓释性能的发挥。

4.2 生产成本的降低

虽然可降解保水缓/控释肥的研究越来越多，但应用尚处于初级阶段，其原因是受包膜材料价格、劳动力成本和工艺设备等多方面因素的影响，可降解保水缓/控释肥的价格一般为常规速效肥的3~5倍^[17]，当前只能在小范围内推广，大多用于花卉、草地、园林景观等高经济回报植物的种植中。因此，研究低成本、缓释性好的可降解保水缓/控释肥是目前研究的重点。

4.3 评价体系的统一

目前，虽然对可降解保水缓/控释肥的研究越来越多，但没有固定的评价体系，大多是根据原料进行分类归总，对其生产过程中可能对环境影响的分析比较少，对其吸水倍率的测定方式也没有统一的标准^[16]。因此，应通过系统研究可降解保水缓/控释肥在土壤中的肥效，尽快建立统一的肥效和吸水倍率测定方法，为在不同农田生态环境条件下不同农作物对营养的需求提供科学的参考依据。

5 可降解保水缓/控释肥的发展方向

(1) 将中微量元素、大量元素、杀虫剂、除草剂等与可降解吸水树脂复配，使保水类农用物资多元化、多功能化、多重化，即多种功能的保水肥料是未来发展的方向之一。

(2) 改变高吸水树脂的组成并设计出其与肥料更简易实用的结合方法，进一步优化养分缓释模式以适应作物对养分的需求规律。

(3) 提高吸水性聚合物的离子保持能力和生物降解速率，控制盐分的不利影响。

(4) 完善可降解保水型控释肥料的评价体制，加强养分释放机理和释放速率、肥料性能及质量检验方法等方面的理论与实践的研究。

(5) 由于不同作物生长时的需肥规律不尽相同，要求可降解保水缓/控释肥具有不同的缓释性能^[20-22]，但到目前为止，还没有专门针对某种作物专用的可降解保水缓/控释肥。因此，开发专用的可降解保水缓/控释肥也是今后发展的方向之一。

ckwx 参考文献

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