陳紹榮 熊思健
(廣州聚凡農(nóng)業(yè)科技有限公司 廣州 510650)
具有中國特色的腐植酸涂層緩釋肥的作用機(jī)理與應(yīng)用研究
陳紹榮 熊思健
(廣州聚凡農(nóng)業(yè)科技有限公司 廣州 510650)
我國現(xiàn)有的主流緩/控釋肥產(chǎn)品主要是參考國外技術(shù),具有中國特色和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的緩/控釋肥產(chǎn)品主要有鈣鎂磷肥包裹碳銨、Luxacote(枸溶磷包裹尿素)和腐植酸涂層緩釋肥等品種。本文重點(diǎn)介紹了腐植酸涂層緩釋肥的作用機(jī)理及其應(yīng)用研究成果。
緩/控釋肥 中國特色 腐植酸涂層緩釋肥 應(yīng)用
近年來,我國控/緩釋肥料的研發(fā)與應(yīng)用發(fā)展速度很快,對減少化肥用量、提高作物產(chǎn)量、防止面源污染等方面起了重要作用,正在成為建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大戰(zhàn)略措施。但是,這些控/緩釋肥料產(chǎn)品大多是跟蹤國外技術(shù),很多產(chǎn)品都不太符合中國的國情,沒有自主創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)。而且,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差,產(chǎn)品價格昂貴,被農(nóng)民稱作是“貴族肥料”,難以進(jìn)入我國的大田作物(糧、棉、油等)市場。
中國科學(xué)院石家莊農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所閻宗彪研究員帶領(lǐng)他的科研團(tuán)隊研發(fā)了“腐植酸涂層緩釋肥”,該肥料已經(jīng)在大田作物上大量推廣和應(yīng)用,因其具有獨(dú)特的緩釋高效原理,增產(chǎn)提質(zhì)效果顯著,節(jié)水節(jié)肥節(jié)工,成為緩/控釋肥市場上的一枝獨(dú)秀,是具有中國特色的新型緩釋肥料。
當(dāng)前我國化肥生產(chǎn)總量及表觀消費(fèi)量均占世界第1位,是世界化肥生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國。我國單位面積施肥水平是世界平均水平的3倍,但是,氮肥利用率僅為發(fā)達(dá)國家平均水平的50%左右;使用環(huán)節(jié)化肥成本占農(nóng)民農(nóng)資成本投入的40%以上;過量施肥導(dǎo)致耕地土壤退化、環(huán)境污染、糧食安全等諸多問題[1]。在這種背景下,我國化肥生產(chǎn)在國家發(fā)展“高效、增產(chǎn)、環(huán)保”新型肥料政策指引下,緩/控釋肥料應(yīng)運(yùn)而生。
2013年,我國糧食產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了“十連增”。為確保國家糧食安全,中央提出了“一個確保(糧食自給率穩(wěn)定在90%左右,主要糧食品種自給率超過95%)、三個力爭”(力爭棉花、糖料滿足國內(nèi)需求和蔬菜穩(wěn)定供應(yīng))的發(fā)展定位,按2030年前后我國人口將再增加2億計算,糧食年需求量將近2億噸左右,未來17年糧食生產(chǎn)平均增長率需>1%。因此,通過科技進(jìn)步提高化肥利用率勢在必行。
目前,化肥主要是氮素化肥,對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響很大。根據(jù)氮素影響相關(guān)統(tǒng)計估算[2],我國氮肥利用率為30%~35%,其余氮素通過氨揮發(fā)、硝化、反硝化、淋洗、徑流和未明確途徑而損失。損失的氮素對大氣質(zhì)量造成影響的比例約為12.1%;對水體質(zhì)量造成影響的比例約為7.0%。另外,氮肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)要使用大量資金和投入大量能源。目前一套生產(chǎn)規(guī)模為5萬噸/年合成氨、80萬噸/年尿素、以煤為原料的氮肥生產(chǎn)裝置投資在40億元以上,行業(yè)領(lǐng)先的噸合成氨能耗約為5×1010GJ。控/緩釋肥料可以減少氮化肥用量,減少資金、能耗,能有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。因此,發(fā)展控/緩釋肥料資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要。
我們認(rèn)為,當(dāng)前我國緩/控釋肥料的主流產(chǎn)品,例如大量生產(chǎn)的包膜類和脲醛類緩/控釋肥,基本上是在參考國際上反應(yīng)成膜生產(chǎn)控釋肥,如美國、德國、日本等20世紀(jì)40年代起就研究開發(fā)的有機(jī)合成微溶性氮素肥料(脲醛縮合物)技術(shù)工藝,從國際同類研究的角度來看,沒有什么技術(shù)上的重大創(chuàng)新點(diǎn),原創(chuàng)技術(shù)少;研究工作不夠系統(tǒng)和深入,與中國的國情結(jié)合不夠。
當(dāng)前,我國農(nóng)業(yè)的基本國情是糧、棉、油、糖等大田作物仍然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體。因此,現(xiàn)在和未來很長一段時間,我國緩/控釋肥產(chǎn)品的主供對象就是大田作物市場。而我國的緩/控釋肥主流產(chǎn)品因“緩/控釋材料價位高、工藝成本高”等原因,造成價格高,難以進(jìn)入大田作物市場。而國外的緩/控釋肥產(chǎn)品價格雖然昂貴,但主要應(yīng)用于非農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,例如草坪、花卉等,屬于高檔消費(fèi)領(lǐng)域。
由于我國農(nóng)民多家庭經(jīng)營,生產(chǎn)規(guī)模偏小,機(jī)械化水平低,加上農(nóng)民勞動者科學(xué)文化水平不高,他們要求的是把相關(guān)的實(shí)用技術(shù)集成起來,使復(fù)雜的規(guī)程、操作簡單化、實(shí)用化。腐植酸涂層緩釋肥是一種既簡單實(shí)用又相容互補(bǔ)的最佳物化載體,幫助農(nóng)民達(dá)到一季作物施用一次肥,每畝地只要施肥“一袋子”的目的,實(shí)現(xiàn)既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì),被河北、山東、河南、江蘇等地區(qū)的農(nóng)民戲稱為“傻瓜技術(shù)”,深受農(nóng)民消費(fèi)者的青睞。
由于長期大量生產(chǎn)和施用甚至過量施用化肥,導(dǎo)致了我國農(nóng)田的大面積面源污染,嚴(yán)重威脅糧食安全和人類健康。國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)的樹脂薄膜控/緩釋肥,固然提高了化肥利用率,減少了化肥施用量,但是其中大多數(shù)的包膜原料短時間內(nèi)難以降解,會對土壤產(chǎn)生二次污染。
筆者長期跟蹤了腐植酸涂層緩釋肥產(chǎn)品的研發(fā)、完善和實(shí)踐應(yīng)用,匯總、梳理了該產(chǎn)品的創(chuàng)新機(jī)理及其在大田作物中的應(yīng)用[3~5]。
我國研發(fā)的緩/控釋肥主流產(chǎn)品主要應(yīng)用非親水性物理材料包膜或應(yīng)用低水溶性的有機(jī)無機(jī)材料,或生化抑制劑等手段,控制(限制)肥料產(chǎn)品中有效養(yǎng)分(主要又是氮養(yǎng)分)的溶出釋放;而腐植酸涂層緩釋肥則是利用親水性材料,以腐植酸為載體,通過包膜物質(zhì)的水溶漲形成的大分子團(tuán)絮結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對溶出養(yǎng)分的吸附,并通過調(diào)節(jié)包膜厚度和改性包膜資料來控制養(yǎng)分的水溶出,這就是嶄新的“膜反應(yīng)”與“團(tuán)絮結(jié)構(gòu)”的緩釋高效理論。
(1)團(tuán)絮結(jié)構(gòu)。
第一,“團(tuán)絮結(jié)構(gòu)”,主要是涂布在肥料顆粒表面的涂液物質(zhì),可以促使包膜吸水后膨脹,在土壤中,形成大分子三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),成為開放式的“養(yǎng)分庫”,極大地增強(qiáng)對有效養(yǎng)分的吸附作用,從而有效地減少有效營養(yǎng)成分的淋溶或揮發(fā)損失。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外可移動離子濃度的梯度差異,促使肥料中的有效養(yǎng)分可以逐步釋放出來,達(dá)到緩釋高效的目的。
第二,腐植酸涂層緩釋肥的涂膜薄而輕,如氮涂劑,一般僅占尿素重量的0.3%左右,涂膜不會明顯降低尿素的有效含氮量。而樹脂、硫磺等包膜緩控釋肥其膜重一般占尿素總量的10%左右,使尿素的有效含氮量下降到36%左右。由于尿素出廠時的含氮量一般都是46.3%~46.4%,腐植酸涂層緩釋肥的有效含氮量仍可保持在46%左右。
第三,腐植酸涂層緩釋肥使用的涂層成膜材料屬親水性的有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體,施入土壤中后,會迅速大量吸收水分膨脹,并和土壤團(tuán)粒中的有機(jī)無機(jī)物質(zhì)結(jié)合,形成大分子三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),緊緊地包圍在肥料粒子表面,使肥料粒子中的有效營養(yǎng)成分被牢牢吸附,大大減少其淋溶、滲透或揮發(fā)損失。特別是由于其吸水性良好,能充分、高強(qiáng)度地吸收土壤團(tuán)粒間及團(tuán)粒內(nèi)的各種水分,減少水分蒸發(fā)。這些水分可以被作物根系吸收,從而增強(qiáng)作物的抗旱能力。2008年,罕見的的秋冬大旱,使得河南、河北、山東等省小麥嚴(yán)重減產(chǎn),而使用了腐植酸涂層緩釋肥后,只需澆1次拔節(jié)水,就可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)豐收。河北日報以“一肥一水超千斤”的通欄標(biāo)題報道了這種肥料增產(chǎn)節(jié)水的優(yōu)越性,就充分說明了這一點(diǎn)。
第四,腐植酸涂層緩釋肥的涂層材料本身是營養(yǎng)物質(zhì),資源立足于國內(nèi),而且成本低、用量少,不在土壤中殘留,綠色環(huán)保。涂層材料是膜反應(yīng)的主要物質(zhì),取決于國內(nèi)資源,有特定的有機(jī)物與無機(jī)物合成工藝。其中的“N1涂液”、0.5%用量即可均勻涂布于表面,在少量催化劑條件下,與尿素反應(yīng)形成尿基絡(luò)合金屬鹽,使成膜物質(zhì)牢固包裹于尿素顆粒表面,形成僅占尿素總重量0.2%~0.3% 的橙黃色或金黃色包裹膜,有效改善了尿素的理化性質(zhì),在抑制脲酶活性、氨揮發(fā)、反硝化作用、防淋失方面,均能表現(xiàn)明顯的緩釋增效功能。更為重要的是,涂層涂液降解仍是作物可以吸收利用的養(yǎng)分,無殘留、無污染,安全環(huán)保,屬于綠色環(huán)保肥料。
這種理論實(shí)現(xiàn)了控緩釋技術(shù)的縱向創(chuàng)新,主要包括延遲溶解、擴(kuò)散控制、溶出控制3個要素,通過選用大顆粒尿素、磷酸銨和粉狀鉀肥造粒,來實(shí)現(xiàn)延遲溶解;通過包膜物質(zhì)的水溶漲形成的大分子團(tuán)絮結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對溶出養(yǎng)分的吸附作用;通過調(diào)節(jié)包膜厚度和改性包膜材料,來控制養(yǎng)分的水溶出。養(yǎng)分控制釋放的幾種形式,見圖1。

圖1 養(yǎng)分控制釋放的幾種形式Fig.1 Several forms of nutrient controlled release
(2)膜反應(yīng)。
“膜反應(yīng)”是指利用與肥料顆粒表面有較強(qiáng)的親和力以及具有成膜特性的新型涂層材料,分別涂布在氮肥、磷肥和鉀肥顆粒的表面形成單層或多層半滲透膜層。這種膜層在尿素顆粒中使用,涂膜阻礙劑對土壤脲酶活性產(chǎn)生抑制作用,從而提高氮素養(yǎng)分利用率。同時,通過單層處理(生產(chǎn)涂層尿素),包膜重量僅占尿素總重量的0.2%~0.3%,可提高氮利用率6%~8%;也可以進(jìn)行多層處理,多次涂布,生產(chǎn)涂復(fù)尿素;也可增加膜層厚度,降低涂層材料的水溶性,形成不同時間氮素養(yǎng)分釋放的產(chǎn)品。
國內(nèi)眾多緩/控釋肥主流產(chǎn)品大都對氮、磷、鉀養(yǎng)分實(shí)行全包裹的技術(shù),而且多是單向控制(抑制養(yǎng)分溶出)。腐植酸涂層緩釋肥則是一種雙向調(diào)控促控結(jié)合的新技術(shù)工藝,針對氮、磷、鉀等養(yǎng)分的各自特性,采取不同的技術(shù)工藝,開發(fā)出了三個不同系列的涂層溶液,分別處理氮、磷、鉀單質(zhì)肥料顆粒,同時以BB肥形式生產(chǎn)腐植酸涂層緩釋肥。
氮,實(shí)行緩釋處理,并在涂層涂液中加入一定的中微肥營養(yǎng)元素。磷,在涂液中適當(dāng)添加對磷具有活化作用的物質(zhì),增強(qiáng)磷的“活性”,促進(jìn)作物對磷養(yǎng)分的吸收。鉀,則在粉狀鉀肥造粒過程中添加腐植酸材料和噴涂能有效減少其淋溶損失和提高作物中后期生長的供鉀能力的材料。
腐植酸涂層緩釋肥采用包膜工藝、造粒工藝和摻混工藝,原材料均為國產(chǎn),價廉易得。因此,附加成本少,肥料技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好,比常規(guī)BB肥工藝成本一般增加3%~5%(一般每噸增加成本50~80元左右),可以在一般復(fù)合肥設(shè)備上改造,也可以組配成套設(shè)備。一套年產(chǎn)10萬噸涂層緩釋肥生產(chǎn)線(含6萬噸鉀肥造粒能力)主設(shè)備投資在200萬元左右,投資少、效益高。因此,腐植酸涂層緩釋肥不僅適合大中型肥料企業(yè)使用,也適用于農(nóng)業(yè)技術(shù)部門推廣。在美國,50公里半徑內(nèi)就建有一個配肥站;在中國,我們可以在每個縣建一個測土施肥工廠,為農(nóng)民提供“一袋子服務(wù)”技術(shù),讓農(nóng)民真正享用上“傻瓜技術(shù)”。
20世紀(jì)90年代以來,中科院石家莊農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所閻宗彪團(tuán)隊,歷經(jīng)二十多年的試驗(yàn)示范及大田作物推廣,使腐植酸涂層緩釋肥在小麥、玉米、棉花、水稻、甘蔗等大田作物的應(yīng)用面積已經(jīng)近1000萬公頃,增產(chǎn)節(jié)肥效益已超過1000億元,并獲得了國家科技進(jìn)步二等獎,主要在東北、河北、云南、江蘇以及黃淮海平原,推廣成效顯著。
(1)小麥。
2005-2007年,在河北省成安縣、欒城縣及元氏縣等地,分別建立了千畝、萬畝小麥腐植酸涂層緩釋肥示范樣板共計18處。據(jù)專家測產(chǎn),腐植酸涂層緩釋肥小麥平均產(chǎn)量為594.8千克/畝,比常規(guī)施肥增產(chǎn)14.87%。
2007年,河北省人民政府、省農(nóng)業(yè)廳組織了百萬畝小麥高產(chǎn)示范,核心技術(shù)就是“良種小麥一水一肥超千斤”集成技術(shù),其中的一肥就是一袋子(50kg)腐植酸涂層緩釋肥。
2008年6月6日,河北省小麥百萬畝專家團(tuán)測產(chǎn)驗(yàn)收了元氏縣大孔村200公頃示范田,腐植酸涂層緩釋肥小麥平均產(chǎn)量為600.25千克,比常規(guī)施肥對照增產(chǎn)15.38%。
2009年5月18日,中國農(nóng)大教授陳倫壽、河北省小麥?zhǔn)紫瘜<依顣x生、河南省小麥?zhǔn)紫瘜<彝踅B中等5位教授進(jìn)行了專題測產(chǎn)、考察,結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥示范地小麥產(chǎn)量平均522.56 千克/畝,比對比的常規(guī)施肥地平均增產(chǎn)14.52%[6]。
(2)玉米。
2006年,在山東省膠東地區(qū)和德州地區(qū)進(jìn)行了大面積示范,結(jié)果表明,與常規(guī)同含量復(fù)混肥(或BB肥)比較,腐植酸涂層緩釋肥增產(chǎn)23.08%~54.52%[7]。云南省紅河州蒙自市及個舊市進(jìn)行的示范結(jié)果表明,腐植酸涂層緩釋肥比常規(guī)施肥田產(chǎn)量增長12.58%~18.08%[8]。近幾年在遼寧、吉林、黑龍江等省推廣,普遍增產(chǎn)15%左右。
(3)棉花。
2008年8月30日,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳倫壽教授、河北省農(nóng)科院劉東臣、李存東教授等在河北省雞澤小寨子村示范基地測產(chǎn),腐植酸涂層緩釋肥示范地平均產(chǎn)量328.2千克/畝,比常規(guī)對照地增產(chǎn)14.08%;肥料成本平均143.5元/畝,比常規(guī)對照地節(jié)約55.5元/畝。養(yǎng)分比較結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥處理比對照節(jié)約氮 6~9千克/畝和磷6.0千克/畝,且較對照少灌1次水[8]。2007年,煙臺眾德集團(tuán)進(jìn)行了100畝試驗(yàn)示范,抽樣測產(chǎn)結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥示范地平均產(chǎn)量234.2千克/畝,比常規(guī)對照地增產(chǎn)15.71%,達(dá)顯著水平,經(jīng)濟(jì)效益分析,平均增收 213 元 / 畝[9,10]。
(4)水稻。
2008年,在長江流域稻區(qū)進(jìn)行了拉丁方小區(qū)試驗(yàn),結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥單產(chǎn)535.78千克/畝,比常規(guī)對照(等養(yǎng)分)處理增產(chǎn)23.64%[11]。
2009-2010年,在華北稻區(qū)、東北稻區(qū)的示范結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥示范田兩年分別平均增產(chǎn)24.01%和26.2%,其中最高田塊單產(chǎn)達(dá)793.30千克/畝[11]。
2011年,在云南稻區(qū)的示范結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥單產(chǎn)達(dá)867.17千克/畝,增產(chǎn)34.41%[11]。
2012年,在云南省個舊市大屯鎮(zhèn)新瓦房村委會3組、4組進(jìn)行了400畝連片稻區(qū)示范,大約有86戶農(nóng)戶實(shí)施,參試稻田248塊。研究結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥平均產(chǎn)量達(dá)865.51千克/畝,其中三塊稻田產(chǎn)量均突破了1000千克/畝,示范戶中產(chǎn)量最高達(dá)1080千克/畝,創(chuàng)超級稻高產(chǎn)新紀(jì)錄[11]。
(5)甘蔗。
2011年,云南金星化工公司在蒙自市文瀾鎮(zhèn)進(jìn)行了0.13平方米示范,結(jié)果顯示,腐植酸涂層緩釋肥甘蔗產(chǎn)量為8031.33千克/畝,對照地甘蔗產(chǎn)量為5461.67千克/畝,增產(chǎn)48.3%,而且主莖含糖(可溶性固形物)量增加4.33%[12]。
通過我們十多年的跟蹤研究與推廣應(yīng)用,足證腐植酸涂層緩釋肥具有下列特點(diǎn),符合中國國情,能夠被廣大農(nóng)民青睞。
(1)腐植酸涂層緩釋肥應(yīng)用親水性的有機(jī)無機(jī)合成物質(zhì)涂層,創(chuàng)造“膜反應(yīng)與團(tuán)絮結(jié)構(gòu)”的嶄新緩釋理論,是具有中國特色的新型高效緩釋肥料。
(2)腐植酸涂層緩釋肥技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良,其生產(chǎn)成本僅比國內(nèi)同類項復(fù)合肥產(chǎn)品高3%~4%,其他同類項控/緩釋肥產(chǎn)品比同類項復(fù)合肥要高出25%~30%。
(3)腐植酸涂層緩釋肥是一種新型BB肥,施用技術(shù)簡單,一次性施用,一畝田用一袋子肥料,被稱為傻瓜技術(shù),深受農(nóng)民消費(fèi)者歡迎。
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The Mechanism and Application Research of Humic Acid Coating SRFs
with Chinese Characteristics Chen Shaorong, Xiong Sijian
(Guangzhou Jufan Agricultural Science and Technology Co. Ltd., Guangzhou, 510650)
The slow/controlled release fertilizer products in China are mainly using technology of abord. This kind of products with independent intellectual property rights and Chinese characteristics include Calcium-magnesia phosphate package, Ammonium bicarbonate/Luxacote (citric acid soluble phosphorus package ure )and humic acid coated slow release fertilizer. In this paper, the studies of mechanism and application of humic acid coated slow release fertilizer are introduced .
slow/controlled release fertilizer; Chinese characteristics; humic acid coated slow release fertilizer; application
TQ444.6
A
1671-9212(2014)03-0006-05
2014-05-12
陳紹榮,男,1938年生,研究員。主要研究方向:新型肥料。E-mail:xxflyjzx@163.com。