几种典型缓/控释肥料的应用研究进展

Research and Application Progress of Several Typical Slow/Controlled Release Fertilizers

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2022.06.003

陈家锋 Jiafeng CHEN

迪斯科科技集团〔宜昌〕有限公司湖北宜昌 443200 Disco Technology Group 〔Yichang〕 Co., Ltd., Yichang, Hubei 443200, China

摘要：

缓/控释肥料具有养分流失少、作物一次施肥利用率高的特点，可减少过度施肥带来的环境污染问题。概述了近年来包膜肥料、化学合成缓/控释肥料、沸石基缓释肥料的研究和应用现状。针对缓/控释肥料价格昂贵、存在二次污染、品种单一等问题，提出了推进缓/控释肥料配施，发展环境友好型生物基包膜材料，拓展新的生产技术等发展策略及解决方案。

关键词：

缓/控释肥料; 包膜肥料; 化学合成缓/控释肥料; 沸石基缓释肥料; 研究进展;

Abstract：

Slow/controlled release fertilizers have the characteristics of less nutrient loss and high utilization rate of crop one-time fertilization, which can reduce the environmental pollution caused by excessive fertilization. The research and application status of coated fertilizers, chemically synthesized slow/controlled release fertilizers and zeolite based slow release fertilizers in recent years are summarized. Aiming at the problems of high price, secondary pollution and single variety of slow/controlled release fertilizers, development strategies and solutions such as promoting the combined application of slow/controlled release fertilizers, developing environmental friendly bio-based coated materials and expanding new production technologies are proposed.

Keyword：

slow/controlled release fertilizer; coated fertilizer; chemically synthesized slow/controlled release fertilizer; zeolite based slow release fertilizer; research progress;

化肥在提高农作物产量方面起着非常重要的作用，据调查，植物生长所需的营养约70%来自化肥的供应^[1]。但传统肥料普遍存在利用率低、环境污染严重等问题，适用范围具有一定的局限性^[2-3]。如化学肥料易与土壤发生酸碱反应，造成土壤酸化、板结，不利于土壤内元素平衡，且氮肥中的硝态氮易与微生物作用生成氮氧化合物，加剧温室效应，危害环境；有机肥主要是通过植物的残体或动物粪便经发酵腐熟后形成，虽可以改良土壤，但肥效缓慢，且需深耕，人力成本较高；微生物菌肥对土壤环境、储存和运输要求较高，效果虽明显，但适用性较差。

缓/控释技术最早应用于药物治疗，采用生物手段将药物包覆，在体内缓慢释放达到适应个体吸收规律、发挥最大疗效的目的^[4-5]。缓/控释肥料即利用上述原理，在肥料颗粒表面包覆一层防水材料膜壳，液态水无法通过，肥料颗粒与外界暂时隔离，使肥料养分于一段时间内在土壤中缓慢释放或控制其释放规律与农作物对养分吸收相一致。Geng等^[6]通过连续7年的水稻－油菜轮作田包膜控释氮肥施肥试验，证实施用控释肥料后，氮素平均利用率提高15.4%~38.4%，水稻、油菜产量最大提高幅度分别为8.2%、15.5%，相同条件下可节约氮肥30%。杨兵丽等^[7]采用控释化肥代替普通化肥，韭菜的维生素C、类黄酮含量分别提高6.4%、17.7%，韭菜增产率达到20.4%。因此，缓/控释肥料具有土壤养分流失率低、作物一次施肥利用率高等特点，可减少过量施肥带来的环境污染问题，相较于传统化肥在农业可持续发展和环境保护方面具有显著的意义。

为了促进农业的可持续发展，解决因化肥过量施用带来的水体富营养化、土壤退化、农业生产成本增加等问题，我国在2010年就发布了行业标准《化肥使用环境安全技术导则》(HJ 555—2010)，在规范传统化肥使用的同时，大力推广新型缓/控释肥料。在市场需求、政策发布和国家大力支持下，我国缓/控释肥料的研究取得了较大的进展。

1 国内外缓/控释肥料的研究现状

目前研究的缓/控释肥料，按照基体的不同，分为包膜肥料、化学合成缓/控释肥料和沸石基缓释肥料等。

1.1 包膜肥料

一般在普通肥料表层包覆有机或无机疏水材料制备包膜肥料，待膜层破裂后养分得到释放。包膜肥料是最早被研究的一类缓/控释肥料，也是目前商品化程度较高的一类缓/控释肥料，其研究热点在于膜材料的开发和降解。

初期用作包膜的基材多为石油的附属产品，如聚烯烃、丙烯酸、甘油酯、聚砜等。20世纪60年代，美国率先推出由二聚环戊二烯与丙三醇共聚产物进行包膜的缓/控释肥料；随后日本研制出聚烯烃树脂包膜肥料，用于花卉、蔬菜种植。我国中国科学院南京土壤研究所在20世纪60年代末也成功制备了以钙镁磷肥包膜的缓释碳酸氢铵肥料，应用效果良好。

由于生产成本和工艺的原因，从20世纪90年代开始研究利用淀粉、纤维素、木质素、壳聚糖等天然高分子材料作为包膜材料。Iftime等^[8]采用壳聚糖包膜尿素制备了具有保水保肥功能的控释肥料，可使土壤持水能力达154%、氮含量增加1倍，作物增产70%。邓小楠等^[9]采用聚乳酸包膜尿素制备控释肥料，得到释放周期为4个月的聚乳酸包膜尿素，在田间试验中28 d和124 d的养分释放率分别为4.1%和80%。

由于自身结构的原因，大部分的天然高分子含有亲水基团，且具有微孔，很难直接用作膜材料，因此需将其改性和化学修饰后再进行包膜。Corradini等^[10]用壳聚糖和聚甲基丙烯酸进行交联反应，利用反应产物与氮、磷、钾元素间的静电作用增强包膜肥料颗粒的稳定性，以达到控释效果。吕莎莎等^[11]以玉米淀粉为原料，通过过氧化氢氧化降解与环氧氯丙烷交联改性制备了可用于包膜尿素的包膜材料，结果表明：改性后的淀粉基包膜材料，吸水率从190%降至84%；用量为20%时，包膜尿素的初期溶出率为34.2%，微分溶出率为8.3%，效果较优。Rotondo等^[12]以天然木质素为原料，经甲醛羟基化后与酚醛树脂交联，制备了复合涂层，可用于磷酸钙的控释。Ni等^[13]以天然黏土、乙基纤维素薄膜和羧甲基纤维素钠/羟乙基纤维素水凝胶为基础，研究其对氮肥(尿素、硫酸铵、氯化铵)的缓释作用，结果表明：该体系能有效减缓氮素的释放，第一阶段释放周期为1~5 d，完全释放周期为20 d；1%的包膜肥料可使土壤在施肥4周后水的质量分数维持在15.5%，有效提高了水的利用效率，延长了灌溉周期。

1.2 化学合成缓/控释肥料

化学合成缓/控释肥料主要是指通过共价键或者离子键将化学成分键合到高分子聚合物上，需要通过土壤中的微生物或者酶的水解作用使化学键断裂，缓慢释放出养分的一类肥料。目前商品化的脲甲醛、异丁叉二脲、丁烯叉二脲、聚磷酸铵、草酰胺等都属于化学合成缓/控释肥料，其中脲甲醛的应用范围最广。Christianson等^[14]的研究表明，脲醛肥料可以减少37%的氮损失。Mohammadi-Khoo等^[15]采用改性纤维素与尿素交联，体系在蒸馏水、自来水和质量分数0.9%NaCl溶液中均表现出良好的溶胀性能。潘贝贝等^[16]采用多聚甲醛与尿素反应制备了脲甲醛缓释肥，通过工艺优化得到的最佳产物的活性指数达到72.88%，氮转化率达到74.99%。曹广峰^[17]将转鼓蒸汽造粒复合肥生产工艺与脲甲醛生产工艺进行有机结合，开发出养分释放周期可达120 d的脲甲醛缓释复合肥。

由于早期的化学合成缓/控释肥料多以尿素为主要原料，不能完全满足作物对其他养分的需求，研究人员开始着手改进聚合工艺，引入磷、钾元素。Cheng等^[18]以尿素、甲醛、磷酸二氢钾为原料，制备了氮、磷、钾质量分数分别为21.4%、10.0%、6.5%的多营养化学合成型缓释肥。Li等^[19]以尿素、磷酸二氢钾、甲醛、醋酸纤维素为原料，通过溶液聚合的方法，成功制备了一种以麦秆半互穿网络聚合物水凝胶为基础的缓释肥料，该产品在pH为6~9时保水性能优异。Xiang等^[20]以脲醛、聚磷酸铵和无定型硅胶为原料，利用氢键的相互作用和良好的相容性，通过挤压法制备缓释肥料；盆栽试验表明，该体系能显著提高油菜的氮素利用率。

1.3 沸石基缓释肥料

沸石基缓释肥料是以沸石为载体，利用沸石良好的吸附和离子交换性能，达到对氮肥、磷肥和钾肥不同程度的缓释作用。Huang等^[21]以硫酸铵为氮源，研究了天然斜发沸石对沙土中氮浸出的影响，结果表明：在最高施氮量为293 kg/hm²时，经斜发沸石改性后的沙土中NO₃^-和NH₄⁺的浸出量分别比改性前降低86%和99%；改性沙土浸出液中的NO₃^-质量浓度不超过10 mg/L，有效缓解了氮流失的问题，为提高氮利用率提供了新思路。夏桂敏等^[22]研究了天然斜发沸石对水灌溉稻田的节水减肥效应，结果表明：改性后土壤中钾肥的积累时效性显著提高，植株地上部分第二年钾素积累幅度达到9.69%~23.79%，水稻增产率达到8.7%~23.3%。此外，改性沸石可以增加营养元素含量并提高缓释性能。Tsintskaladze等^[23]采用高温熔融法对天然斜发沸石进行改性，使其富含氮和磷，成功用于洋葱、大蒜等作物的种植。白玉超等^[24]将沸石进行铵化和低温活化处理后用于玉米定植盆栽试验，结果表明：当添加质量分数为5%的改性稻壳、改性沸石时，玉米磷素利用率比对照组提高了34.45%~45.53%。与天然沸石相比，合成沸石如纳米沸石具有纯度更高、粒径可控、比表面积较大、离子吸附和交换能力更强等优势，是一种很好的缓释肥料载体。贺章咪等^[25]的研究表明，纳米沸石能显著提高油麦菜植株的维生素C、氨基酸和还原糖的含量，同时可降低硝酸盐的含量，与不施沸石相比，产量最高增加3.3倍。Khan等^[26]通过共沉淀法将钠、磷、钾、钙、镁、硫等元素浸渍到经硅酸钠和硫酸铝预处理后的沸石中制备纳米沸石颗粒，并用于莴苣土培试验，结果表明各元素的释放周期长于商品化学肥料。

2 缓/控释肥料应用存在的问题

虽然近年来缓/控释肥料的研究取得了很大的进展^[27]，但我国国土面积广阔，气候复杂，各地种植的农作物差异性较大，缓/控释肥料的推广和发展仍存在较大的问题。

(1) 价格昂贵。目前商品化的缓/控释肥料的包膜原料多为石油的附属产品，本身成本较高，且生产工艺复杂，虽然肥效比普通肥料高出5倍以上，但成本差额不足以覆盖大众农作物的种植收益，应用范围受到限制；此外，由于我国地域广阔，长途运输过程中可能会造成包膜破裂，增大了运输维护成本。

(2) 二次污染。某些缓/控释肥料的包膜材料可能在肥料养分释放完毕后残留于土壤中，无法真正做到有效降解，不利于农业的可持续发展，对环境的污染也存在不确定因素，这与国家大力提倡的绿色生态建设政策相悖，再加上缺少政策支持，企业在大规模生产上持观望态度。

(3) 品种单一。目前对于缓/控释肥料的研究多集中在氮肥上，对于那些缺少磷、钾及其他微量元素的土壤改性研究相对较少，相应的可商品化的缓/控释肥料就更少；另外，由于可选择性少，同一种缓/控释肥料在不同地区使用的效果差异较大，降低了用户的采购热情。

3 缓/控释肥料发展的策略及解决方案

3.1 推进缓/控释肥料配施

施用单一品种的化肥无法完全满足农作物生长全过程对养分的需求，加上我国地域辽阔，土壤环境复杂，为了实现增产降本，可以合理采用肥料配施的措施。如缓/控释肥料，尤其是化学合成缓/控释肥料的稳定性好、性能优良，但价格相对较高，且过长的养分释放周期并不适用于短生长周期的作物；传统有机肥价格低廉、来源广泛，秸秆、沼液渣、菌渣等都可以作为生产有机肥料的原料，可以提供化学合成缓/控释肥料降解所需的微生物，因此可以考虑将化学合成缓/控释肥料与有机肥配施。孙会峰等^[28]以杂交水稻为试验对象，研究了秸秆与缓释尿素配施对水稻产量及氮素吸收利用率的影响，结果表明：经配施处理后，水稻的有效穗数和千粒质量明显增加，产量增幅达13.4%~17.8%，氮素吸收利用率从28.7%~40.2%提高至71.6%~77.6%。张富鑫等^[29]研究了缓释肥配施生物有机肥对结球甘蓝生长生理、产量及品质的影响，结果表明：配施处理后，甘蓝的紧实度、单球质量、产量、叶绿素总量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、维生素C含量、经济效益、肥料贡献率等都有不同程度的增加或改善；硝酸盐含量降低34.6%，粗纤维含量降低2.21%，效果良好。

除此之外，针对不同的地域环境，缓/控释肥还可与其他肥料配施。胡迎春等^[30]研究了缓释肥配施对黄土高原春玉米产量的影响，结果表明：与常规全尿素施肥相比，氮肥减量20%的缓释肥与尿素7 ∶3配施处理后，春玉米干物质质量、地上部分氮素累积量、土壤铵态氮质量分数、籽粒品质等虽无明显差异，但土壤中的硝态氮含量增加，因增产和节肥而产生的平均利润为11 122元/hm²，与常规全尿素施肥相比，利润增加189元/hm²，基本实现减氮增效的目标。董晓亮等^[31]针对滨海盐碱地土壤盐分含量较高的情况，对水稻采用缓释肥与无机肥配施试验，结果表明：配施可以减少20%的氮素用量，且穗肥不追施任何氮素处理时，水稻的生长指标、稻米的食味值显著提高，成本显著降低。

3.2 大力发展环境友好型生物基包膜材料

虽然采用缓/控释肥料可以提高氮素利用率，在达到相同产量的条件下减少肥料的用量，进而减少其对土壤和环境的污染，但要彻底解决污染问题，其根本在于使用的原料是否为环境友好型的可降解材料。Rashidzadeh等^[32]研究了海藻酸钠对土壤的保水作用，以海藻酸钠、丙烯酸、丙烯酰胺、蒙脱石等为原料，通过原位自由基聚合制备了高吸水性的纳米复合材料，可用于制取氮磷钾复合缓释肥；海藻酸钠本身可作为土壤调理剂使用，未接枝完全的原料进入土壤也不会破环土壤内环境，是一种环境友好型包膜材料。邹洪涛等^[33]采用柠檬酸、聚乙烯醇、硅藻土为原料，制备改性聚乙烯醇膜材料，自然暴露和田间埋土试验结果表明，膜材料的降解率随时间延长呈上升趋势，15 d最高降解率可达到30%以上。

除此之外，针对已经造成污染的土壤，在施用缓/控释肥保证作物生长的同时，可以采用微生物修复环境。胡可等^[34]在盆栽复垦的条件下，利用传统平板计数法与BIOLOG方法相结合，研究菌剂与缓释肥配施对土壤微生物生态的影响，结果表明：菌剂与缓释肥配施能显著增加土壤细菌、真菌和放线菌的数量，提高土壤酶活性，改善土壤微生物群落均匀度，进而促进土壤微生物功能的多样性。

3.3 突破现有技术壁垒拓展新的缓/控释技术

现有包膜肥料的制备工艺主要有造粒塔喷雾法、流化床涂布法、转鼓或圆盘包覆法、浸润离心法等。大多数聚合物包膜肥料可采用造粒塔喷雾法和流化床涂布法，包容性较强；圆盘或转鼓喷涂包膜工艺简单，用途广泛，是制备缓/控释肥料最常用的工艺。

近年来，充分利用学科交叉优势，开拓了一些新型的制备工艺。同轴静电纺丝技术一直在医药尤其是药物缓释方面发挥着重要作用，但用于农业的研究和报道较少见。Javazmi等^[35]采用同轴静电纺丝技术制备了以聚羟基丁酸酯为壳、单层聚L-乳酸与化肥共混为芯的核/壳纤维，用于肥料缓/控释中，肥效可持续3个月。Tan等^[36]将尿素包埋在聚乳酸纤维内，采用同轴静电纺丝技术制备纳米级缓释尿素纤维，结果表明：该包膜尿素28 d内的养分释放速率不超过75%，80 d内的养分释放速率可保持在80%，符合行业标准《缓控释肥料》(HG/T 3931—2007)的指标要求^[37]，有助于在作物生长阶段持续饲喂；该体系在126 ℃下热稳定性良好，为无土栽培提供了一条可行的肥料选择途径。

另外，超疏水材料由于能使膜材表面与水的接触角大于150°，近年来在纺织、药物、防水涂料等领域得到了广泛的应用与发展，但应用于控释肥料领域的研究却不深入。鉴于超疏水技术可以降低材料的表面能，解决生物大分子的亲水性，使包膜材料不容易破裂，为缓/控释肥料的应用提供了一种可能。Xie等^[38]采用自组装技术，用均匀分散的Fe₃O₄超疏水磁敏纳米粒子制备了超疏水生物聚合物包膜缓释肥料，缓释周期超过100 d。Zhang等^[39-40]对液化小麦秸秆、玉米芯基多元醇及蓖麻油基多元醇进行超疏水改性，制备新型生物基聚氨酯，以提高其对养分的控释性能，肥料养分的释放周期最长能延长460%；另外，利用自组装自修复技术对蓖麻油基多元醇进行修饰，能进一步减少生物膜材空隙并提高其疏水性能；连续3年的水稻田间试验结果表明，相比于传统控释尿素，超疏水包膜尿素的平均氮利用率可提高70%~80%，产量增加15%~30%。

4 展望

推进化学肥料的绿色化改造，提高养分利用率是我国未来很长一段时间内的发展方向。本文综述了近年来较典型的缓/控释肥料的研究方向和应用现状、存在问题、未来的发展策略及解决方案，虽然很多技术还处于初期研究和实验室试验阶段，但仍可为今后进一步研究缓/控释肥料提供参考，以期尽快推动其工业化进程。

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