包膜控释肥料研究进展*

肖晨星, 高璐阳, 马志明, 夏远鸣

(新洋丰农业科技股份有限公司 湖北荆门 448000)

近几十年来,我国在农业生产上取得了举世瞩目的成就——仅用世界9%的耕地养活了世界上20%的人口[1],2021 年实现农业生产总值78 339.51 亿元, 占当年国民生产总值的6.85%[2]。 人们对于食物、服装和许多日常生活必需品需求的快速增长带动了农业的迅速发展,但不可忽视,重量不重质的发展为社会带来了极大的负面影响,不合理的化肥、农药和不可降解农膜的使用带来了严重的农业面源污染[3]。

我国农业生产用肥以传统肥料为主,其局限性在于养分释放速率较快,容易因挥发、浸出和地表径流而流失。 因此,控制肥料流失水平,最大限度地保留土壤养分,提高肥料利用效率,降低环境污染,一直是肥料改良的核心问题[4]。 缓/控释肥能够以可控方式释放营养成分,延长养分释放持续时间并控制养分释放速率与植物的生长周期相匹配[5]。 缓/控释肥是目前用于现代农业的新型肥料,能够减少营养物质挥发到大气或浸出到地下水中,但两者的养分释放机制存在差异。 缓释肥是通过化学或生物因素减缓肥料养分的释放;控释肥则是通过将营养颗粒包裹在有机或无机材料中使肥料的养分释放与作物生长周期一致,从而提高营养物质的利用效率[6-7]。

控释肥的养分释放性能主要受包膜材料影响,而膜材料的成本、功能和环保性会影响肥料最终的应用推广,因此包膜材料一直是国内外研究的重点。 本文综述了近年来包膜材料研发的新进展,旨在为未来新型包膜材料的研发提供新思路。

1 控释肥包膜材料主要分类及其特点

控释肥的包膜材料主要包括无机包膜材料和有机包膜材料,包膜材料的比较见表1。

表1 控释肥包膜材料的比较

1.1 无机包膜材料

1.1.1 硫包膜

最早的包膜肥料是硫包膜肥料,早期的硫包膜尿素是将熔融态的硫黄喷涂在尿素表面,经过骤冷固化制取。 采用硫黄制作包膜肥料不仅可以提供作物生长发育所需的养分,还可以起到杀菌的作用[9],但受制于硫黄的结构特性,肥料颗粒在运输过程中因相互碰撞会造成包膜破裂。 此外,硫包膜尿素与水接触时会立刻释放尿素,导致肥料的控释性能较差。 因此,单纯使用硫黄作为包膜材料的缓释效果并不理想。 之后有研究者在硫层上添加一层塑性较好的物质封闭硫层,以提高其缓释性能[10]。

1.1.2 生物炭包膜

生物炭是由生物残体(常用秸秆、竹材、农林废弃物等)在缺氧环境下,经高温热解产生的固态物质,具有丰富的空隙、巨大的比表面积。 将生物炭作为包膜材料时,其含有的内酯、羧基、色烯、羟基和酮基等官能团能有效吸附肥料中的铵根、硝酸根、磷酸盐和钾,并能改良土壤结构,增加孔隙度和提高保水能力[11]。

唐司尘等[12]用鸟粪石和生物炭作为包膜材料制备了控释尿素,进行了静水培养和土柱间歇性淋溶试验,结果表明氮释放速率相比于常规尿素降低9%～21%。 2021 年,An 等[13]研发出一种复合生物炭包膜材料,1 g 复合材料可以吸附磷酸根离子130 mg。

1.1.3 矿质材料包膜

利用无机矿质材料制备控释肥,能够进一步增加缓释材料的选择面,降低缓释材料成本,提高缓释性能。

邹洪涛[14]采用松香做黏结剂,采用沸石粉、硅藻土、膨润土等高表面活性矿物作为包膜肥料的膜材料,土柱淋溶试验结果表明,该肥料具有良好的缓释效果。 胡钰[15]制备出一种沸石包膜尿素,土柱淋溶试验和石英砂柱淋溶试验结果表明,该肥料能有效减少全氮、硝态氮、铵态氮的溶出。Verma 等[16]使用有机改性的纳米黏土和聚合物材料合成了一种控释磷酸二铵,1 g 材料可以负载14 g 磷酸二铵。

矿质材料具有来源丰富和成本低廉的特点,施用矿质包膜肥料既解决了养分释放过快的问题,有效减少肥料养分损失,又扩大了矿质材料的应用领域,同时可以改良土壤,达到了一举多得的目的。

1.2 有机包膜材料

1.2.1 天然高分子包膜

天然高分子是存在于动物、植物等生物体内的高分子物质,如淀粉、纤维素、木质素、壳聚糖等,是一种环境友好型的可再生资源,因为成本低廉、可降解性好受到研究人员的重视。 但受制于自身结构,天然高分子很难直接用作包膜材料,一般需要经过物理或化学改性后使用。

Guo 等[17]以丙烯酸和丙烯酰胺作为外层包膜材料、交联淀粉作为内层包膜材料,制得缓释双包膜尿素颗粒。 Fernández-Pérez 等[18]将尿素和木质素混合置于恒温硅油浴中,制备缓释木质素尿素颗粒,静水溶出试验表明,该肥料降低了水分在包膜层的扩散。 邓小楠[19]采用聚乳酸、淀粉、腐殖酸等原料制备包膜材料,对比试验表明,制得的聚乳酸控释包膜肥料能够有效提高氮素利用率,减少农业面源污染。 毛美琴等[20]用玉米淀粉、聚乙烯醇、二氧化硅、丙三醇和膨润土等制备包膜材料,制得的磷酸二铵包膜缓释肥料能显著提高土壤的保水性能和持水性能。 张满鲜[21]用乙基纤维素和聚乙烯吡咯烷酮制作内膜、高吸水树脂制作外膜,制备出了具有保水性、抗硝化且可调控养分释放速率的多功能肥料。

1.2.2 合成高分子包膜

合成高分子不易被土壤微生物降解,且成膜后具有良好的耐磨性、耐水性和控释效果,是一种理想的控释肥包膜材料。 当前应用广泛的合成高分子包膜材料包括热固性高分子、热塑性高分子、聚氨酯等。 美国ADM 公司的Osmocote(奥绿肥)以热固性树脂包膜,日本的Nutricote 肥料以热塑性树脂包膜,均具有良好的养分释放效果。 聚氨酯性能优异,有橡胶的高弹性和塑料的高强度,且防水耐磨,用作包膜材料后使肥料缓释期显著延长[22]。 据统计,有机合成高分子包膜控释肥占控释肥消费总量的50%以上[23]。

肥料养分的释放速率可以通过控制聚合物的组分和膜厚度实现,使之与植物对营养的需求匹配,达到较高的营养利用率。 然而合成高分子包膜也存在一定的局限性,如养分释放完毕后的残膜处理。 目前研究人员通过加入可降解成分对有机高分子材料进行改性,取得了一些进展。

白杨[24]添加纳米二氧化硅和γ-聚谷氨酸对聚乙烯醇(PVA)进行改性,养分溶出试验显示第35 天氮素仅释放48.3%。 柳丽敏[25]将丁香酚、月桂烯砜与SO2共聚制备包膜材料,土埋法显示膜材料随着时间的推移逐渐降解,且不会造成土壤酸碱化,是一种环境友好型包膜材料。 贾传秀[26]采用纳米蒙脱土、聚亚甲基聚亚苯基异氰酸酯和聚醚多元醇合成尿素包膜材料,有效提高了肥料的控释性能。

1.2.3 生物质高分子包膜

广义的生物质包括所有的植物、微生物和以植物、微生物为食的动物及其产生的废弃物,如农作物及其废弃物、木材、动物粪便等,具有可再生、低污染和来源广泛的特点。 生物质材料含有大量的羟基,能通过热裂解液化技术生产多元醇,用来制备生物质基聚合物。 李玉凤[27]采用甘蔗渣液化物制备甘蔗渣基环氧树脂,与双酚A 二缩水甘油醚合成尿素包膜材料,试验结果表明其养分释放期明显延长,氮释放速率减慢。

生物质基聚合物具有环境友好的特点,但由于含有较多的羟基,合成的膜层耐水性差,导致最终的控释效果不理想,目前仍以实验室研究为主,未用于实际生产。

受制于结构,无机包膜控释肥料的养分释放机制是膜层破裂,养分释放速率难以控制,因此在养分释放上,有机包膜材料更具优势。 但大部分有机包膜材料无法在土壤中降解,可降解的半合成高分子包膜材料将是未来研究的重点。

2 控释肥的养分释放机制

控释肥的养分释放机制根据其制备工艺分为化学型和物理包膜型。

化学型控释肥主要是指脲醛肥,其养分释放过程中的影响因素较多,如颗粒大小、土壤酸碱度、土壤微生物、土壤温度、土壤含水量等。 土壤中影响因素的可控性差,波动较大,导致脲醛肥养分释放的可预测性较差,调控其控释行为的措施非常有限,国内外对其养分释放机制和数学模型的研究很少[28]。

物理包膜型控释肥的养分释放通过包膜层的渗透与扩散进行。 研究者将包膜肥料养分的释放分为三个阶段,即滞后阶段、稳定阶段和衰退阶段。 在滞后阶段,土壤中的水分润湿涂层的裂缝并侵入核心,少量肥料溶解,此时蒸气压梯度是驱动力,肥料养分未释放;在稳定阶段,随着更多的水渗入核心,更多的固体肥料溶解,渗透压不断增大,肥料逐渐通过涂层释放,由于颗粒内溶液的浓度保持饱和,因此这一阶段营养物质的释放是连续的;在衰退阶段,压力超过预定水平时,包膜材料破裂,使肥料颗粒立即爆裂,随着大部分肥料被溶解和释放,降低了浓度梯度,从而降低了养分释放速率[29-30]。

3 控释肥料的应用效果

3.1 提高养分利用效率

控释肥能长时间为植物提供营养,一次性施肥的肥效可以持续3 ～18 个月,肥料的缓慢释放能最大限度地控制养分流失,从而提高养分利用效率。 盆栽试验显示,相比于常规尿素,控释尿素可以将氮肥利用效率提高20%[31]。 史桂芳等[32]通过对夏玉米的田间试验发现,控释肥能使氮肥利用效率提高28.13%～37.45%,磷肥利用效率提高18.77% ～35.78%,钾肥利用效率提高22.12%～26.91%。 在将一种基于生物基的新型控释肥应用于水稻机插侧深施肥中,肥料利用效率获得了提升[33]。 陈立才等[34]发现在水稻种植中施用控释肥,氮肥利用效率提高了9.65% ～13.56%。 控释肥养分释放速率的降低不仅能使植物生长与养分供给匹配,同时能减少养分迅速流失带来的农业面源污染。

3.2 改善作物品质

作物品质受营养状况影响,因此施用控释肥能改善作物的品质。 杨兵丽等[35]发现在塑料大棚种植韭菜过程中,施用控释肥不仅能使韭菜增产,而且韭菜中的维生素C 含量提高了6.4%,类黄酮含量提高了17.7%。 对水稻连续两年的田间试验显示,施用控释肥后水稻的整精米率提高了4.79%～7.71%,直链淀粉含量、胶稠度和食味值均显著提高[36]。 控释肥不仅能够提高农作物的品质,还能提升植物的观赏性状。 陆洁珊等[37]发现,使用控释肥能显著提高白掌的株高、冠幅、分枝数,从而提高其观赏性状。

3.3 提高作物产量

孔晓君等[38]在两年的茶叶田间种植试验中发现,施用有机肥和控释肥组合比常规施肥增产13.8%。 刘晓辰等[39]发现,施用活性腐殖酸控释肥处理的花生饱果率明显提高,亩产荚果显著增加,花生增产7.97%。 田间试验的结果说明相比于传统肥料,控释肥能有效提高作物产量。 然而当前市面上控释肥的价格仍居高不下,控释肥的施用应同时保证作物产量和净利润,这也是目前控释肥无法大量推广的主要原因。

4 控释肥应用存在的问题

控释肥能在很大程度上提高肥料的养分利用率、改善作物品质、提升作物产量、减轻环境污染,是一种环境友好型肥料。 因此,控释肥是世界肥料的应用发展趋势,其开发与使用备受重视。 国外包膜肥料主要应用在经济价值较高的花卉、蔬菜、草皮等生产中,国内研发的重点是筛选工艺简单和低成本的膜用材料。

从控释肥推广应用的角度来看,现阶段仍存在3 个问题[40]:

(1)生产成本较高。 目前市售控释肥的包膜材料多为石油基,所用的原材料和溶剂价格高昂,同时控释肥生产技术含量高、工艺设备要求较高,导致控释肥终端售价较高。

(2)产品质量参差不齐。 当前市面上的控释肥产品质量参差不齐,缺乏市场监管,用户难以分辨,往往因选用不当造成损失。 应根据不同地方的生产实际,研发生产出不同作物的专用控释肥,确保控释肥有效助力农业生产。

(3)目前控释肥选用的包膜材料种类较多,当养分释放完毕后,控释肥残膜是否会对环境产生影响,学界还没有一致的结论[41]。

5 展望

我国正经历从传统农业向现代农业的转型,而现代农业意味着高度的可持续性,装备和技术的现代化,生产的规模化、专业化、区域化等。 肥料施用是农业生产中重要的一环,新型控释肥的研究和推广将在维护国家粮食安全、推动我国化肥零增长政策、促进我国农业向高质量发展转型中扮演重要的角色。