缓释肥的研究进展及展望.pdf

绿洲农业科学与工程Oasis Agriculture Science and Engineering第9卷第1期2023年6月Vol.9 No.1Jun.2023据统计，我国每年肥料施入土壤后只有不到40%左右被农作物利用，且肥料的利用率远低于发达国家1，未被利用的肥料都通过各种方式损失掉。化肥的长期滥施，会导致土壤中氮、磷、钾等元素比例严重失调，限制作物产量的提高，易引起地表水体富营养化等生态问题。因此，探索科学合理的用肥方式，提高肥料利用率，减少肥料淋失成为各界人士越来越关注的焦点。缓释肥不仅能够为作物生长提供长效营养从而增加作物产量，而且可以减少挥发和淋溶造成的养分流失2，还能够有效改善土壤环境，应用方便，有利于调动农民的积极性，推动农业可持续高水平发展。本文对缓释肥的调控机制、制备工艺和应用现状等方面进行综述，以期为缓释肥的推广应用提供依据。1缓释肥的制备工艺1945年，脲甲醛化合物被美国工人注意到能够作为长效肥料3，由于制备技术限制，最初的缓释肥并没有具体的商业样品，只是简单地由尿素与甲醛组成的化合物。经过77年左右的研究发展和技术转化，缓释肥的制备工艺日趋多样化和专业化。目前，较为成熟的缓释肥制备工艺主要包括喷涂成型、复混挤压成型、溶液聚合成型三种方式。1.1喷涂成型喷涂成型工艺由美国研究人员最早提出，使用硫对肥料进行涂层处理，后发现硫涂层防潮性差且涂层裂纹较多，研究人员又尝试使用防水油和蜡进行密封，但后期土壤试验结果并不理想4。随后醋酸乙烯酯、丙烯酸树脂喷雾、石蜡和聚乙烯乳液涂收稿日期：2022-05-25基金项目：区域创新引导项目（2021BB008）作者简介：周旭（1993-），女，在读研究生，研究方向为生物质资源化利用。E-mail：通讯作者：刘佳（1992-），男，硕士，讲师，研究方向为生物质资源化利用。E-mail：缓释肥的研究进展及展望周旭1，周岭1，2，刘佳1，2*，张红美1，2，郭潇君1，2（1塔里木大学机械电气化工程学院/2新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300）摘要：近年来缓释肥在我国农业生产中的应用逐年广泛，使用率逐年增长，它不仅可以提高肥料的利用率，还能有效减少施肥次数，调节土壤微生物环境，省时省工，极大地方便了农作物的后期使用。本文从缓释肥应用现状、制备工艺和调控机制方面进行分析和总结，并对缓释肥可持续发展进行展望，为缓释肥的进一步开发和利用提供参考。关键词：缓释肥；缓释肥制备；缓释机制Research Progress and Summary of Slow-release FertilizerZHOU Xu1，ZHOU Ling1，2，LIU Jia1，2*，ZHANG Hong-mei1，2，GUO Xiao-jun1，2（1College of Mechanical and Electrical Engineering/2Key Laboratory of Colleges&Universities under the Departmentof Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Tarim University，Alar 843300，Xinjiang）Abstract：In recent years，the application of slow-release fertilizer in Chinese agricultural production has increased year by year.Slow release fertilizer can not only improve the utilization rate of fertilizer，but also can effectively reduce fertilization times，regulatingsoil microbial environment，save time and labor，great convenience for later use.This paper analyzes and summarizes the applicationstatus，preparation technology and regulation mechanism of slow-release fertilizer，and the sustainable development of slow-releasefertilizer is prospected，it provides reference for further development and utilization of slow-release fertilizer.Key word：Slow release fertilizer；Preparation of slow-release fertilizer；Mechanism of slow-release fertilize绿洲农业科学与工程9卷覆也被应用到缓释肥涂层工艺中5。缓释肥喷涂成型一般分为两种，一种是将涂层材料制成溶液形式，用高压喷涂装置将涂层材料溶液喷涂于肥料颗粒表面形成均匀的包衣。宫涛等6采用喷涂成型制备出聚氨酯预聚体与扩链剂比例为7.5：1，包覆量为7.23%的聚氨酯包膜缓释肥，肥料初溶率为 10%12.5%，肥颗粒的表面光滑度、均匀度和耐磨性能优于日本产包膜肥。毛美琴等7的研究中发现，包膜乳液分多次雾化喷涂于肥料颗粒表面能形成致密均匀的膜状物，制得涂层膜固体质量分数为10%的缓释肥，能够提高土壤的保水性能和持水性能，涂层材料的质量分数是肥料缓释性能的重要指标。另一种喷涂成型工艺是将肥料颗粒置于圆盘造粒机、流化床装置等转鼓包膜设备中，在肥料滚动的过程中喷入粘结剂，同时缓慢加入包膜材料。但由于受喷涂溶液浓度和包覆材料粒度以及转动设备参数的影响，在实际制备缓释肥时，肥料的物理表观差异较大，因而会影响其缓释效果。2013 年王剑8采用流化床转鼓包膜设备通过将颗粒尿素加热至40后喷洒粘结剂的同时将稻壳碳加入，制得生物质炭包裹缓释肥料。土柱淋溶试验结果表明占肥芯质量20%的生物炭包裹量缓释效果最佳。吕娟9等在采用圆盘造粒机进行缓释肥制备时发现，在圆盘造粒机盘倾角为50，粘结剂浓度为 50%，炭粉粒径为100目筛时，肥料的抗压性能和缓释性能最强。沈秀丽10等使用圆盘造粒装置制备生物炭包膜缓释肥时发现，采用粒径为 0.15mm，0.25mm 和0.425mm的生物炭作为内层、中层和外层对肥料进行 包 裹 制 备 的 缓 释 肥，抗 压 强 度 达 到 20.4048.00N，肥料颗粒表面光滑，切面孔隙为致密且结构丰富的层状结构，且吸水倍率较小。因此，在进行喷涂制肥时，应注意合理选择制备材料工艺参数。1.2复混挤压成型复混挤压是将肥料与缓释材料充分混合均匀或者加入一定比例的粘结剂，放入挤压模具中，使用螺杆手动挤压或者给定压力值，经过挤压成型，成品的形状随制肥机具模具的变化而变化。2019年Ye等11的研究中使用两种混合制作工艺。一是将可降解聚酯与尿素按1：2的比例熔融混合后烘干粉碎，筛分制成0.92mm和24mm两部分缓释肥料。另一种是将可降解聚酯和尿素混合加入到120的台式自循环双螺杆挤出机，熔融后直接挤压成直径为 3mm 的实心肥料柱型。而王微等12在2020年的研究中则是利用旋涡混合器将粉碎的尿素与稻壳炭粉按比例混合，并加入不同浓度的淀粉粘结剂，制成球状炭肥颗粒。可以看出，复混聚合型缓释肥相较于包膜型缓释肥，制备工艺更加简单易操作。1.3溶液聚合成型溶液聚合是高分子保水缓释肥制备中应用较为广泛的工艺，即采用半互穿网络技术将肥料与缓释材料同时加热融合烘干后破碎。2012 年 Zhong等13就采用溶液聚合工艺将磷矿粉与熔融的磺化玉米淀粉/聚丙烯酸溶液混合，制备了包埋型农用高吸水性树脂缓释肥料，肥料中的磷与SO3和COO进行化学融合，磷矿可以很好地悬浮和稳定，以嵌入共聚物的交联网络。而Li等14采用的溶液聚合方式制备的缓释肥中，磷酸氢二钾是以化合物独立形式存在于聚合物中，尿素则是与丙烯酸生成自缩合产物存在肥料中。除简单的包埋与聚合外，离子交联也逐渐发展成重要的保水缓释肥制取工艺。2020年Shen等15的研究中采用溶液聚合工艺，利用羧甲基纤维素钠的离子交联和可聚合-环糊精（MAH-CD）、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA）、丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）的自由基聚合，制备了双网络新型保水缓释肥料（WSF），且羧甲基纤维素钠和Al3+之间形成金属-羧酸盐配位键而使肥料表面形成致密的离子交联化合物肥料能够有效减少水分渗透。现如今溶液聚合工艺因其较高的肥料负载效率成为保水缓释肥的主要制备工艺，但在聚合工艺中，大量化学物质的加入使缓释肥的成本提升，且聚合物在土壤中也存在降解时间等问题而影响农作物的后期种植。2缓释肥的调控机制缓释肥料主要是通过各种机制延缓肥料养分释放速率，延长释放周期，为作物整个生长周期提供充足的养分。主要有物理阻隔、化学抑制、疏水改性、溶液聚合工艺制备，目的均是提高肥料利用率，减少养分淋失。物理阻隔是在肥料表面附着一层或者多层阻隔肥料快速释放的材料，涂覆层可以延缓水分进入肥芯和胁迫养分扩散的速率。Yu等16的石蜡包衣421期周旭等：缓释肥的研究进展及展望缓释肥研究中发现，当石蜡层的数量从2增加到 3时，第28天的尿素释放率从97%下降到23%。当包衣次数增加到4层时，尿素释放率在第28天下降到18%，但成本增加了54%。因此为降低成本可使肥料表面尽可能光滑均匀、孔隙数量最少能够有效减少水分对涂层的侵蚀。化学抑制是在肥料涂层表面加入脲酶或硝化抑制剂，氮作为重要的植物营养元素，只有硝酸根离子形式容易被植物利用17。因此，在施肥时配施硝化抑制剂能够减缓肥料离子化从而使土壤氮素供应保持在较高水平18。在赵婉伊等19的研究发现，加入脲酶和硝化抑制剂的缓释肥在中性土中，氮素累积释放量相较于对照降低幅度分别是30.81%56.12%和30.37%55.84%。因此可以看出硝化抑制剂能够减缓氮素的硝化，从而减少氮素的淋失提高氮素的利用率。疏水改性是针对生物质缓释材料研发的新型调控机制，即采用物理或化学方法处理生物质材料，使其对水分具有排斥性。近年来，生物材料成为炙手可热的缓释载体，2021年有研究发现利用生物炭与蒙脱土之间的范德华力可以有效抑制养分淋失20，且生物炭具有高比表面积，可以起到双重抑制作用。但生物基涂层往往具有亲水性，因此疏水改性也成为重要的缓释机制备受关注。Ma等21通过测量肥料的水接触角发现，在缓释肥的制备中加硅氧烷后具有良好的疏水性能够有效排斥水进入包覆层，且能够减少微孔来减缓氮的释放。改性后肥料涂层壳层结构更加致密，可以有效减缓水分对肥料的侵蚀从而减缓养分释放，为解决生物基缓释材料的应用提供了一种有效的解决办法。另在Yu等22的纳米大豆蛋白微胶囊缓释肥研究中，将戊二醛预先加入到缓释涂层中，大豆蛋白微胶囊中释放出的蛋白质与戊二醛反应，形成可以修复缓释涂层表面微孔的蛋白质树脂，从而达到延缓养分释放的目的。这种自我修复机制作为新型控释机理成为人们研究的热点。溶液聚合工艺制备的肥料其缓释机制更是多种多样。例如离子间的化合反应，分子间的静电作用或者范德华力的作用。Salimi23等的研究中就发现天然碳纳米粒子可以与生物基缓释肥料中的聚合物含氧基团之间形成氢键而收缩，尿素被截留在聚合物的网络中，从而延缓了尿素的释放速率。Ni24等将膨润土、有机聚合物和尿素熔融制成三维晶格结构的缓释肥，在对肥料的理化特性分析后发现，缓释材料之间没有化学反应，主要是通过物理作用改变了尿素的晶格结构的致密性，从而延长了其释放速率。Chen等25的缓释农药研究中发现，席夫碱与甲基丁香酚的静电作用和-作用是延长缓释时间的主要原因。综上所述，在溶液聚合工艺中，肥料缓释过程中也会存在多种机制协同作用。3缓释肥的应用现状从缓释肥在农业发达国家第一次研制成功到如今在世界各地广泛应用，缓释肥也从最初简单的抑制阻隔肥料养分释放发展成为改善土壤微环境、修复污染土壤、降低土壤温室气体排放同时使农作物增产等多功能于一体的环境友好型肥料，并应用于蔬果林粮等各类农作物。3.1土壤环境改良3.1.1提高土壤微生物活性作为农业大国，同时也是化肥使用大国，耕层土壤恶化一直是人们关心的重要问题。从20世纪70年代起，国内开始逐步接触并使用缓释肥料。到21世纪初，缓释肥在国内呈现规模化应用发展。时至今日，缓释肥对于我国耕地的改良作用有目共睹。在胡可等26研究中发现，缓释肥与菌剂配合施用，土壤真菌数量比纯化肥对照高出23.26%，土壤磷酸酶活性也显著高于对照处理。在冯军等27的研究中，通过磷酸脂肪酸（PLFA）方法对土壤微生物多样性进行测定发现，降雨不同条件下，缓释肥减量施用配合土壤覆盖措施更利于土壤微生物生长，缓释肥的施加能显著增加土壤细菌、真菌和放线菌等的生物多样性，且能够有效维持微生物群落结构的稳定性。除此之外，缓释肥对于土壤中过氧化氢酶、脲酶、脱氢酶活性也有显著的提升作用28。3.1.2减少土壤养分流失减少土壤营养元素流失、提高肥料利用率一直是改善土壤环境最重要的措施。大量的试验研究表明，缓释肥可以通过自身材料优势或者配合高效保水耕作方式27来提高土壤的持水性，从而减少由于径流造成的养分流失29，并将大部分氮、磷和有机质等养分保持在040cm耕层土壤中30。在刘春阳等31的研究中，速效肥与缓释肥按比例混施的高山43绿洲农业科学与工程9卷茅草土壤中，060cm土层硝态氮累积量占0100cm土层总量的60%左右。张守仕等28的研究显示，施用增氧型袋控缓释肥的土壤，铵态氮含量提高了120%，速效磷和速效钾含量维持在较高水平，且浓度稳定。Chen32等试验结果表明，与普通肥料相比，缓释肥可减少氨挥发（24.69%29.54%）、减少氮素地表径流损失（20.05%25.37%）和淋失（21.86%38.05%）。3.1.3重金属污染土壤修复近年来，化学农药和有机肥料的应用使土壤中Cu、Cd、Cr、Zn等重金属含量明显增加，且会随着农作物迁移进入人体，对人体器官造成损伤。2018年有研究表明，在生物降解高分子缓释肥处理后的土壤中，Cu、Zn、Cd 的有效态含量显著低于对照33；Obieze等34利用一些生态友好、营养丰富的农业和工业废弃物配制无毒可再生且可生物降解的材料包衣缓释肥，能够有效修复石油污染的土壤，提高土壤肥力。张继宁等35的研究中发现包衣缓释肥对种植蔬菜的土壤中有效态镉含量有明显的的降低作用。2021年一项角蛋白基生物质缓释肥淋溶实验表明，缓释肥可抑制土壤中约 90.80%的 Cr3+29。由此看出缓释肥在修复重金属污染土壤，减少土壤环境效应方面具有重要意义。3.1.4降低土壤温室气体排放近年来有研究表明，氮肥减量配合增效剂与缓释肥混施在CO2、CH4等温室气体的排放和全球变暖潜能值方面具有积极效应36。在 Dong 等37的研究中，生物炭基缓释肥的施用使水稻生长季累积温室气体 CH4排放降幅达 33.4%，此影响主要是微生物学的相关机制，还有待进一步研究。Sikora等38对大白菜施用缓释肥后发现，施用108kghm-2缓释肥料能够有效减少30%温室气体（GHG）排放。在Liang等39的研究中也同样发现有机肥替代20%的氮素和缓释肥替代15%的氮素处理，在菠萝种植过程中能够增加土壤对CH4的吸收，同时减少CO2和N2O等温室气体的排放，从而降低全球变暖潜力值和温室气体排放强度。综上所述，缓释肥在降低土壤温室气体排放方面主要是作用于土壤微生物，但不同地区土质也不同，土壤微环境差异较大，因此缓释肥的应用应因地制宜。3.2农作物增产缓释肥料的增效增产作用已得到包括粮食、经济、蔬菜、果类、野生果类、饲料、药用等等农作物在内的多方面试验研究证明。2009年的一项旱薄地花生研究显示，缓释肥与鸡粪配施明显提高果实数量和增加果实重量，且每小区产量提高了58.9%40。之后在2017年研究人员发现炭基缓释肥可以减少花生营养积累期功能叶的放氧损伤，提高叶片吸光系统性能41。然而在作物不同时期施用缓释肥其作用也存在差异。王思阳等42的鲜食玉米研究中缓释肥在早期一次性施用可以增加玉米籽粒的产量，而在玉米植株的三叶期则可以增加籽粒粘度，六叶期添加缓释肥则有利于玉米籽粒的营养物质积累。因此，对于不同的作物缓释肥的施用方式和施用阶段还需进一步研究。此外，在大白菜、茄子、番茄43等蔬菜瓜果的种植研究中也发现，施用全水溶聚磷酸铵稀土缓释肥使植株株高增加约17%、植株总重增幅约69%97%、植株坐果量也明显增加，除此之外缓释肥对于果实的干物质积累量44和营养物质含量也有明显的促进作用。目前，缓释肥的应用也不仅限制于果蔬和粮食，还因缓释肥可以将土壤养分维持在一个高水平、波动小的范围而应用在一些观赏类植物的育苗45和延长花期46，树木植株的形态长成47，木材的直径和干物质积累48也会用到缓释肥。4展望近年来，中央一号文件中多次出现“化肥减量”、“有机肥”、“农林废弃物综合利用”等，乡村振兴战略下国家和政府也在积极鼓励化肥减量、化肥有机肥并施和改良型缓释肥等新型施肥方式，在保证土壤健康状况下提高肥料利用率。随着缓释肥制备工艺日趋成熟，缓释肥功能多样化，缓释肥的使用规模也将进一步增加。尽管试验研究表明缓释肥在改善土壤环境，提升肥料利用率方面潜力巨大，但也存在一定的问题：（1）随着科学技术和制作工艺的进步，缓释肥材料也逐步向着精细化方向发展，随之而来的就是远远高于普通肥料的成本，对于一些经济能力受限的农户或者效益不高的农作物种植户来说，可能更倾向于便宜的化肥。因此有必要加强既经济缓释效果又强的缓释材料的开发（2）不同类型、不同材料的缓释肥持肥能力不同，农作物的生长周期，养分需求也不同，实现精准控释、441期周旭等：缓释肥的研究进展及展望专肥专用任重道远。（3）在现有的缓释肥制备研究中缺乏关于添加在肥料中的缓释材料在土壤中的降解情况和对于土壤微环境的影响。（4）我国缓释肥的研究成果丰富，但关于缓释肥的规模化应用效果研究较少，因此加强新型缓释肥研究成果的规模化应用。参考文献（References）1阮兆英，袁文静，祁百福，等.深圳地区优化施肥对油麦菜生长和肥料利用率的影响J.广东农业科学，2021，48（5）：57-63.RUAN 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