包膜型缓/控释肥料研究现状及其在功能农业中的应用展望*

陈冠霖， 赵其国， Danso Prince Ofori， 鲁亚普， 王张民， 尹雪斌,

(1.中国科学技术大学地球和空间科学学院 安徽合肥 230026；2.中国科学技术大学苏州高等研究院功能农业重点实验室 江苏苏州 215123；3.苏州硒谷科技有限公司/江苏省硒生物工程技术研究中心 江苏苏州 215123；4.南京恒宝田功能农业产业研究院 江苏南京 211800)

功能农业是中国科学院院士赵其国先生于2008年在《中国至2050年农业科技发展路线图》中提出的未来农业新概念，是指通过生物营养强化技术或其他生物技术手段生产出具有健康改善功能的农产品，简单地说，就是要种植出具有保健功能的农产品[1-2]。功能农业是我国农业发展的新方向，是继高产农业、绿色农业之后的第三个发展阶段(见图1)[3]。功能农业的兴起对缓/控释肥料的控释效果提出了较高的要求,其中使用的微量元素肥料等需要“精准给肥”技术的支持，而研发包膜型缓/控释功能肥料是实现微量元素“精准给肥”的重要途径，开发营养元素的缓/控释技术对于功能农业的发展大有裨益。

图1 我国农业发展的3个阶段

我国是化肥生产和施用大国，自中华人民共和国成立以来化肥施用量逐年攀升，至2015年达到最高点60 226 kt[4]，其后得益于一系列化肥减量政策的实施，现今我国化肥总施用量已呈现缓慢下降的趋势[5]。在化肥利用率方面，据农业农村部公布的数据，2019年我国水稻、玉米、小麦三大粮食作物的化肥利用率为39.2%，较2015年提高了4%[6]，但与发达国家50%～60%的化肥利用率相比仍有较大差距。我国化肥利用率低的主要原因在于施肥量超标以及施肥结构不合理[7]，使用的多为速效肥，且为保证产量常采用粗放的施肥方式，造成养分大量淋失、挥发，土壤板结，水体富营养化等不良后果。发展缓/控释肥料是提高化肥利用率、实现化肥“减量增效”的重要途径。其中包膜肥料在缓/控释肥料市场中所占比重较大，在作物产量相同的情况下，施用包膜肥料可节省施肥量30%～40%[8]。包膜型缓/控释肥料使肥料养分释放规律与作物养分吸收尽可能同步，兼具减少施肥次数、节约劳力、减轻作物病害、实现环境友好等优点，是21世纪肥料产业的重要发展方向[9]，同时也是功能农业发展的关键方向之一。

1 缓/控释肥料的概念、分类和标准

1.1 缓/控释肥料的概念

缓/控释肥料的概念分为广义概念与狭义概念。广义上，缓/控释肥料是指以各种调控机制使其养分最初释放延缓，延长植物对其有效养分吸收利用的有效期，实现养分按照设定的释放率和释放期缓慢或控制释放的肥料。

狭义上，缓释肥料与控释肥料的概念有所不同。缓释肥料又称长效肥料，国家标准《缓释肥料》(GB/T 23348—2009)中对其定义：通过养分的化学复合或物理作用，使其对作物的有效态养分随着时间而缓慢释放的化学肥料。控释肥料在化工行业标准《控释肥料》(HG/T 4215—2011)中的定义：能按照设定的释放率和释放期来控制养分释放的肥料。控释肥料是缓释肥料的高级形式，理想中的控释肥料是在不同时期的养分释放量与作物在不同生长阶段的养分需求量完美匹配的新型肥料。

张民等[10]把生物或化学作用下可分解的有机氮化合物(如脲甲醛)肥料称为缓释肥料，把对生物和化学作用等因素不敏感的包膜肥料称为控释肥料。

1.2 缓/控释肥料的分类

对于缓/控释肥料的分类存在一定的争议，本文按照养分控释方式、制备原理和工艺以及物质种类的不同将缓/控释肥料分为物理阻碍控释型肥料、微溶有机化合物肥料、微溶无机化合物肥料和稳定性氮肥四大类[11-13]。

1.2.1 物理阻碍控释型肥料

物理阻碍控释型肥料分为包膜肥料和基质复合肥料两类。包膜肥料是通过喷涂、加热等方法在肥料颗粒表面包被上一层或多层控制养分释放的、致密、低渗透性的膜材料而形成的缓/控释肥料，膜屏障减缓了水分进入肥料内核的速率，达到养分缓慢释放的目的[14-15]。通过不断研发新型复合膜材料及包被技术，包膜肥料极有可能实现肥料养分的精准控释，显著提高肥料的利用率。包膜材料的研发还可与纳米、微生物等技术结合，具有广阔的发展前景。

基质复合肥料是将肥料与可降低其溶解性的物质混合，通过键合、粘结作用制成的缓/控释肥料，常用的载体物质包括有机高分子聚合物、改性草炭、有机质等。

1.2.2 微溶有机化合物肥料

微溶有机化合物肥料是将肥料营养元素通过共价键或离子键直接或间接连接到预先合成的聚合物上，形成含有氮、磷或钾的微溶有机化合物。此类肥料中较为常见的有脲甲醛、异丁叉二脲、丁烯叉二脲、草酰胺等。脲甲醛是最早实现商品化的缓释氮肥，由于其成本是普通肥料的3～8倍，主要应用于蔬菜、苗圃、花卉和高尔夫草坪等，难以在大田作物中推广应用[16]。

1.2.3 微溶无机化合物肥料

微溶无机化合物肥料通常采用化学合成方法制得，可在物理、化学或微生物作用下缓慢释放养分[17]。此类肥料主要包括一些微溶性盐，如磷酸镁铵、磷酸钾铵、偏磷酸铵以及部分酸化的磷矿等。微溶无机化合物肥料的生产成本低且缓释效果较好，其缺点在于初期养分释放速率较慢，难以满足作物生长初期对养分的需求[18]。

1.2.4 稳定性氮肥

常见的脲酶抑制剂有醌类、多羟酚类、重金属类、磷酰胺类等；常见的硝化抑制剂有乙炔、双氰胺、3,4-二甲基吡唑磷酸盐、2-氯-6-三氯甲基吡啶等[20]。

Fan等[21]根据养分释放控制方式不同，将缓/控释肥料分为扩散型、侵蚀或化学反应型、膨胀型、渗透型四大类。

1.3 缓/控释肥料的标准

2007年，我国化工行业标准《缓控释肥料》(HG/T 3931—2007)发布并实施。该标准规定了作为缓/控释肥料应同时符合以下3个要求：在25 ℃时，24 h养分释放率不超过15%，28 d累积养分释放率不超过75%，在养分释放期的累积养分释放率不低于80%。

2 包膜型缓/控释肥料的类别及研究进展

包膜型缓/控释肥料是缓/控释肥料中发展最为迅速的，根据包膜材料的不同可分为无机包膜肥料和有机包膜肥料两大类。

2.1 无机包膜肥料

常见的无机包膜材料有硫黄、磷酸盐、硅藻土、滑石粉、钙镁磷肥、沸石等[22]。此类包膜材料来源广泛，生产成本低，可降解，环境友好且具备改善土壤结构的功效，其缺点是弹性差、较脆，形成连续的膜较为困难，故其缓控释性能不理想，可通过减小无机材料的粒径提高其缓控释效果[23]。

硫包衣尿素是无机包膜肥料中的标志性产品，也是包膜肥料中开发时间最早、工艺最成熟、用量最大的品种，早在20世纪60年代由美国田纳西流域管理局国家肥料发展中心研制成功[24]，与之类似的还有包硫氯化钾、包硫磷酸二铵等。硫包衣尿素在实现氮素缓释的同时，还提供了作物生长所需的中量营养元素硫。由于硫包膜硬且脆，硫包膜肥料在使用过程中易破损而失去缓控释效果，因此常采用石蜡作为密封剂，或采用聚合物材料进行二次包膜以提高其缓控释性能[13]。硫包衣尿素价格低廉、工艺成熟，适合于在大田中推广应用，也是美国、欧洲、日本等国家化肥市场中重要的品种，但长期使用可能导致土壤酸化。

另一种典型的无机包膜肥料是钙镁磷肥包裹型肥料。许秀成等[25]先后研制出以钙镁磷肥、部分酸化磷矿、金属磷酸铵钾盐为包裹层，以氮肥等为核心的肥包肥型缓释肥料，在控制氮素释放的同时，包裹层含有的钙、镁、硅等元素也起到促进作物生长、改善土壤结构的作用。包裹型肥料是以肥料包裹肥料，包裹层质量占肥料总质量的30%～80%。该肥包肥型缓/控释肥料的研发属国际首创，注册商标Luxecote,已在国内外市场推广销售。

2.2 有机包膜肥料

常见的有机包膜肥料可分为天然高分子包膜肥料和合成高分子包膜肥料两大类。

2.2.1 天然高分子包膜肥料

天然高分子包膜肥料所用的包膜材料主要包括木质素、淀粉、壳聚糖、腐殖酸、纤维素、天然橡胶、植物油脂、海藻酸钠等。天然高分子材料具有来源广泛、成本低廉、易于降解、环境友好等优点，但受自身结构的限制，若直接用于肥料的包膜则其缓/控释性能较差，因此常需经过物理、化学改性后使用[26]。

王德汉等[27]对取自造纸厂废液的木质素进行改性处理，得到的低黏度、高固含量的液体与氯化钾复混制成木质素钾肥，在提高农用钾肥利用率的同时高效利用了工业废弃物，将该木质素钾肥用高岭土等黏土包膜还可制备新型的缓控释钾肥。陈强等[28]以壳聚糖、淀粉、聚乙烯醇为原料，通过共混、交联制备出可降解壳聚糖包膜材料，其性能优于纯壳聚糖膜，用该膜制备的包膜肥料具有良好的缓释效果。Riyajan等[29]制备改性淀粉/天然橡胶复合材料并将其用于控释尿素的包膜中，结果表明该包膜材料在土壤中易降解，且具备良好的控释、保水性能。杜加银等[30]以植物油脂为包膜材料制备包膜尿素，结果表明该包膜尿素可显著提高氮肥利用率，用其处理的黑麦草氮肥表观利用率高达70%～80%。Melaj等[31]以黄原胶、壳聚糖及硝酸钾为原料，通过直接压缩法制成片剂，结果表明该片剂可在土壤中存留42 d以上，可用作控释肥料的包膜材料。姜安龙等[32]向溶有尿素和海藻酸钠的水溶液中滴入溶有与尿素含量相同的CaCl2溶液，制得海藻酸钠包裹的尿素水凝胶小球，结果表明该缓释尿素肥料的养分释放速率比纯尿素颗粒的降低了约300倍。

2.2.2 合成高分子包膜肥料

合成高分子包膜肥料所用的包膜材料通常为聚烯烃类、树脂类等，如聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇、醇酸树脂、脲醛树脂等，此类材料的优点是易于成膜，受外界土壤环境影响较小，隔水能力强，缓控释效果较好。其缺点在于生产成本较高，且大多难以降解，包膜材料易残留于土壤中而造成污染。因此，开发缓控释性能好、对环境友好、可降解的包膜材料仍为研究的热点。

赵聪等[33]制备出以水溶性聚合物聚丙烯酸乳液为主要成分的包膜材料，用其包裹可溶性氮磷钾复合肥，结果表明该包膜材料可有效控制复合肥的养分释放，且当包衣乳液中交联剂的用量由1%(质量分数，下同)增加至2%后，包膜表面结构明显改善，肥料疏水、控释性能显著增强。Treinyte等[34]用聚乙烯醇、甘油、磷石膏、角质粉等制成包膜材料，其中含有磷、氮、钙、钾、硫等多种营养元素，制得的包膜肥料显示出良好的力学性能且对植物根系的发育有相当积极的促进作用。王海燕[35]以聚乳酸为包膜材料包膜氮磷钾复合肥，经理化性能及缓释性能测定，证明其成膜良好，24 h养分释放率为3.4%，28 d累积养分释放率为45.1%，符合行业标准HG/T 3931—2007中的要求；包膜材料聚乳酸是可完全生物降解的环境友好型材料，可在微生物作用下缓慢分解为CO2和H2O。贾传秀[36]在聚氨酯中分别掺入可降解的纳米蒙脱土(MMT)和具有超强耐水性的纳米聚四氟乙烯(PTFE)进行改性，合成聚氨酯基纳米复合包膜材料，取得了良好的疏水、控释效果，给包膜材料的深入研究提供了新的思路。王文科等[37]以脲醛树脂、矿物油为原料制备内层包裹剂，以吸水树脂为原料制备外层包裹剂，然后对肥料进行双层包膜，结果表明该双层包膜肥料可起到保肥和缓控释的双重作用。

3 包膜型缓/控释肥料存在的问题及发展方向

3.1 包膜材料生产成本较高

包膜肥料难以在大田中推广应用的重要原因是价格高，通常为普通肥料的2～4倍，究其原因是包膜材料生产成本较高以及制造工艺流程较复杂。因此，开发来源广泛、成本低廉的包膜材料成为重要的研究方向。如能将某些生产、生活中的废弃物经提取、处理制成包膜材料用于肥料包膜，也可有效降低生产成本。包膜肥料生产成本的降低是其在大田中推广应用的必要条件。

3.2 包膜工艺不成熟

国内生产包膜肥料所用的工艺设备多为流化床、转鼓、包衣锅等，虽然种类多样且适用广泛，但设备智能化、自动化程度低，包膜精度差，与美国田纳西流域管理局等的成熟包膜工艺相比仍有较大差距，尚处于包膜工艺发展的初级阶段。实现包衣设备自动化、智能化、特色化、高效化是今后的主要研究方向，通过不断完善生产工艺流程，既可节约劳动力、降低生产成本，又可提高包衣精度，提升缓/控释肥料的品质。

3.3 评价方法及标准不完善

目前国内外评价缓/控释肥料的方法一般采用水中溶出率法，但该方法并未考虑实际土壤环境与水环境间的差异，且所用肥料与水的比例不够规范，不同企业采用的比例也不相同。另外，用于不同环境的缓/控释肥料的评价方法也应有所不同，如旱田与水田的环境差异很大，施于旱田和施于水田的缓/控释肥料的评价方法不应完全相同。寻找与田间评价差距较小、成本低廉、测定快速、适用于不同环境的系列评价方法是今后的研究重点。

3.4 缺少环境效应评价

目前对使用缓/控释肥料的环境效应评价方面的研究较少。施用缓/控释肥料虽可提高肥料养分利用率，但对于一些难降解的聚合物包膜材料，其残留会对土壤造成污染，硫包衣肥料的硫残留易造成土壤酸化等。因此，发展环境友好型包膜材料是未来的趋势，其中天然高分子材料来源广泛且可降解，研发新型改性天然高分子包膜肥料有望为缓/控释肥料行业带来新的突破。

4 包膜型缓/控释肥料在功能农业中的应用展望

微量元素的缓/控释技术是功能农业的关键科学技术之一。鲁亚普等[38]利用淀粉、聚醚多元醇与二异腈酸酯反应得到淀粉改性聚氨酯，其具备良好的生物降解性和环境友好性，施于土壤后，随着淀粉改性聚氨酯的降解，肥芯颗粒逐渐暴露，从而实现缓释作用，相较于普通硒肥，其硒元素利用率可提高37%以上。殷海荣等[39]将粉煤灰、磷矿渣、玻璃、珍珠岩、浮石粉、火山灰与硝酸钾混合、球磨、过筛后移入发泡窑中发泡，成丸制得球形多孔基质，将富硒矿粉、磷酸氢二铵、硅酸钾放入混料机中混合得到富硒肥料料浆并与多孔基质混合造粒即得到多孔缓释硒肥。与普通肥料相比，多孔缓释硒肥的肥效更高且兼具缓释、透气、保水的作用。研发具备良好控释效果的包膜材料，对于降低功能肥料成本、节约资源具有重要意义；发展具备优良控释能力，能够适时、适量地释放作物所需特定营养元素的“智慧功能肥料(Smart Functional Fertilizer)”是缓/控释肥料在功能农业领域的发展趋势，未来可实现对于多种微量元素的控释，在节约资源、减轻污染的同时，大幅提高功能农产品的品质。

缓/控释功能肥料未来的研究重点：①加强对不同种类、不同形态的微量元素释放规律的研究，建立相关的养分释放数学模型，做到微量元素的释放与作物的吸收规律相匹配，实现作物对于微量营养元素的“随需随取”；②加强对各微量元素之间协同作用、拮抗作用等方面的研究，并以此作为理论基础发展多功能微量元素肥料；③优化包膜工艺，发展智能化、自动化生产工艺以提高包膜的精密程度与完整性；④制定微量元素肥料的缓控释标准，探究适用于评价功能肥料微量元素释放性能的评价方法。

2021年是我国“十四五”化肥使用量零增长行动的关键之年，虽然我国缓/控释肥料方面的研究起步较晚，存在的问题还很多，但依靠众多科研工作者的不懈努力，我国缓/控释肥料研发正向着实现精准控释、成本低廉、种类多样、环境友好的目标稳步迈进。

致谢：

本文的完成得到山西省重点研发计划重点项目(201703D211001-01-02)、山西省农谷建设科研专项(SXNGJSKYZX201706)、广西科技重大专项(桂科AA17202010)、广西创新驱动发展专项资金项目(桂科AA17202019、桂科AA17202026、桂科AA17202027、桂科AA17202019-2)、中国富硒产业研究院富硒产业全产业链专项研发计划(2020FXZX02-02)的支持，特此感谢！