包膜控釋肥料研究進展*

肖晨星, 高璐陽, 馬志明, 夏遠鳴

(新洋豐農業科技股份有限公司 湖北荊門 448000)

近幾十年來,我國在農業生產上取得了舉世矚目的成就——僅用世界9%的耕地養活了世界上20%的人口[1],2021 年實現農業生產總值78 339.51 億元, 占當年國民生產總值的6.85%[2]。 人們對于食物、服裝和許多日常生活必需品需求的快速增長帶動了農業的迅速發展,但不可忽視,重量不重質的發展為社會帶來了極大的負面影響,不合理的化肥、農藥和不可降解農膜的使用帶來了嚴重的農業面源污染[3]。

我國農業生產用肥以傳統肥料為主,其局限性在于養分釋放速率較快,容易因揮發、浸出和地表徑流而流失。 因此,控制肥料流失水平,最大限度地保留土壤養分,提高肥料利用效率,降低環境污染,一直是肥料改良的核心問題[4]。 緩/控釋肥能夠以可控方式釋放營養成分,延長養分釋放持續時間并控制養分釋放速率與植物的生長周期相匹配[5]。 緩/控釋肥是目前用于現代農業的新型肥料,能夠減少營養物質揮發到大氣或浸出到地下水中,但兩者的養分釋放機制存在差異。 緩釋肥是通過化學或生物因素減緩肥料養分的釋放;控釋肥則是通過將營養顆粒包裹在有機或無機材料中使肥料的養分釋放與作物生長周期一致,從而提高營養物質的利用效率[6-7]。

控釋肥的養分釋放性能主要受包膜材料影響,而膜材料的成本、功能和環保性會影響肥料最終的應用推廣,因此包膜材料一直是國內外研究的重點。 本文綜述了近年來包膜材料研發的新進展,旨在為未來新型包膜材料的研發提供新思路。

1 控釋肥包膜材料主要分類及其特點

控釋肥的包膜材料主要包括無機包膜材料和有機包膜材料,包膜材料的比較見表1。

表1 控釋肥包膜材料的比較

1.1 無機包膜材料

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將熔融態的硫黃噴涂在尿素表面,經過驟冷固化制取。 采用硫黃制作包膜肥料不僅可以提供作物生長發育所需的養分,還可以起到殺菌的作用[9],但受制于硫黃的結構特性,肥料顆粒在運輸過程中因相互碰撞會造成包膜破裂。 此外,硫包膜尿素與水接觸時會立刻釋放尿素,導致肥料的控釋性能較差。 因此,單純使用硫黃作為包膜材料的緩釋效果并不理想。 之后有研究者在硫層上添加一層塑性較好的物質封閉硫層,以提高其緩釋性能[10]。

1.1.2 生物炭包膜

生物炭是由生物殘體(常用秸稈、竹材、農林廢棄物等)在缺氧環境下,經高溫熱解產生的固態物質,具有豐富的空隙、巨大的比表面積。 將生物炭作為包膜材料時,其含有的內酯、羧基、色烯、羥基和酮基等官能團能有效吸附肥料中的銨根、硝酸根、磷酸鹽和鉀,并能改良土壤結構,增加孔隙度和提高保水能力[11]。

唐司塵等[12]用鳥糞石和生物炭作為包膜材料制備了控釋尿素,進行了靜水培養和土柱間歇性淋溶試驗,結果表明氮釋放速率相比于常規尿素降低9%～21%。 2021 年,An 等[13]研發出一種復合生物炭包膜材料,1 g 復合材料可以吸附磷酸根離子130 mg。

1.1.3 礦質材料包膜

利用無機礦質材料制備控釋肥,能夠進一步增加緩釋材料的選擇面,降低緩釋材料成本,提高緩釋性能。

鄒洪濤[14]采用松香做黏結劑,采用沸石粉、硅藻土、膨潤土等高表面活性礦物作為包膜肥料的膜材料,土柱淋溶試驗結果表明,該肥料具有良好的緩釋效果。 胡鈺[15]制備出一種沸石包膜尿素,土柱淋溶試驗和石英砂柱淋溶試驗結果表明,該肥料能有效減少全氮、硝態氮、銨態氮的溶出。Verma 等[16]使用有機改性的納米黏土和聚合物材料合成了一種控釋磷酸二銨,1 g 材料可以負載14 g 磷酸二銨。

礦質材料具有來源豐富和成本低廉的特點,施用礦質包膜肥料既解決了養分釋放過快的問題,有效減少肥料養分損失,又擴大了礦質材料的應用領域,同時可以改良土壤,達到了一舉多得的目的。

1.2 有機包膜材料

1.2.1 天然高分子包膜

天然高分子是存在于動物、植物等生物體內的高分子物質,如淀粉、纖維素、木質素、殼聚糖等,是一種環境友好型的可再生資源,因為成本低廉、可降解性好受到研究人員的重視。 但受制于自身結構,天然高分子很難直接用作包膜材料,一般需要經過物理或化學改性后使用。

Guo 等[17]以丙烯酸和丙烯酰胺作為外層包膜材料、交聯淀粉作為內層包膜材料,制得緩釋雙包膜尿素顆粒。 Fernández-Pérez 等[18]將尿素和木質素混合置于恒溫硅油浴中,制備緩釋木質素尿素顆粒,靜水溶出試驗表明,該肥料降低了水分在包膜層的擴散。 鄧小楠[19]采用聚乳酸、淀粉、腐殖酸等原料制備包膜材料,對比試驗表明,制得的聚乳酸控釋包膜肥料能夠有效提高氮素利用率,減少農業面源污染。 毛美琴等[20]用玉米淀粉、聚乙烯醇、二氧化硅、丙三醇和膨潤土等制備包膜材料,制得的磷酸二銨包膜緩釋肥料能顯著提高土壤的保水性能和持水性能。 張滿鮮[21]用乙基纖維素和聚乙烯吡咯烷酮制作內膜、高吸水樹脂制作外膜,制備出了具有保水性、抗硝化且可調控養分釋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、耐水性和控釋效果,是一種理想的控釋肥包膜材料。 當前應用廣泛的合成高分子包膜材料包括熱固性高分子、熱塑性高分子、聚氨酯等。 美國ADM 公司的Osmocote(奧綠肥)以熱固性樹脂包膜,日本的Nutricote 肥料以熱塑性樹脂包膜,均具有良好的養分釋放效果。 聚氨酯性能優異,有橡膠的高彈性和塑料的高強度,且防水耐磨,用作包膜材料后使肥料緩釋期顯著延長[22]。 據統計,有機合成高分子包膜控釋肥占控釋肥消費總量的50%以上[23]。

肥料養分的釋放速率可以通過控制聚合物的組分和膜厚度實現,使之與植物對營養的需求匹配,達到較高的營養利用率。 然而合成高分子包膜也存在一定的局限性,如養分釋放完畢后的殘膜處理。 目前研究人員通過加入可降解成分對有機高分子材料進行改性,取得了一些進展。

白楊[24]添加納米二氧化硅和γ-聚谷氨酸對聚乙烯醇(PVA)進行改性,養分溶出試驗顯示第35 天氮素僅釋放48.3%。 柳麗敏[25]將丁香酚、月桂烯砜與SO2共聚制備包膜材料,土埋法顯示膜材料隨著時間的推移逐漸降解,且不會造成土壤酸堿化,是一種環境友好型包膜材料。 賈傳秀[26]采用納米蒙脫土、聚亞甲基聚亞苯基異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釋性能。

1.2.3 生物質高分子包膜

廣義的生物質包括所有的植物、微生物和以植物、微生物為食的動物及其產生的廢棄物,如農作物及其廢棄物、木材、動物糞便等,具有可再生、低污染和來源廣泛的特點。 生物質材料含有大量的羥基,能通過熱裂解液化技術生產多元醇,用來制備生物質基聚合物。 李玉鳳[27]采用甘蔗渣液化物制備甘蔗渣基環氧樹脂,與雙酚A 二縮水甘油醚合成尿素包膜材料,試驗結果表明其養分釋放期明顯延長,氮釋放速率減慢。

生物質基聚合物具有環境友好的特點,但由于含有較多的羥基,合成的膜層耐水性差,導致最終的控釋效果不理想,目前仍以實驗室研究為主,未用于實際生產。

受制于結構,無機包膜控釋肥料的養分釋放機制是膜層破裂,養分釋放速率難以控制,因此在養分釋放上,有機包膜材料更具優勢。 但大部分有機包膜材料無法在土壤中降解,可降解的半合成高分子包膜材料將是未來研究的重點。

2 控釋肥的養分釋放機制

控釋肥的養分釋放機制根據其制備工藝分為化學型和物理包膜型。

化學型控釋肥主要是指脲醛肥,其養分釋放過程中的影響因素較多,如顆粒大小、土壤酸堿度、土壤微生物、土壤溫度、土壤含水量等。 土壤中影響因素的可控性差,波動較大,導致脲醛肥養分釋放的可預測性較差,調控其控釋行為的措施非常有限,國內外對其養分釋放機制和數學模型的研究很少[28]。

物理包膜型控釋肥的養分釋放通過包膜層的滲透與擴散進行。 研究者將包膜肥料養分的釋放分為三個階段,即滯后階段、穩定階段和衰退階段。 在滯后階段,土壤中的水分潤濕涂層的裂縫并侵入核心,少量肥料溶解,此時蒸氣壓梯度是驅動力,肥料養分未釋放;在穩定階段,隨著更多的水滲入核心,更多的固體肥料溶解,滲透壓不斷增大,肥料逐漸通過涂層釋放,由于顆粒內溶液的濃度保持飽和,因此這一階段營養物質的釋放是連續的;在衰退階段,壓力超過預定水平時,包膜材料破裂,使肥料顆粒立即爆裂,隨著大部分肥料被溶解和釋放,降低了濃度梯度,從而降低了養分釋放速率[29-30]。

3 控釋肥料的應用效果

3.1 提高養分利用效率

控釋肥能長時間為植物提供營養,一次性施肥的肥效可以持續3 ～18 個月,肥料的緩慢釋放能最大限度地控制養分流失,從而提高養分利用效率。 盆栽試驗顯示,相比于常規尿素,控釋尿素可以將氮肥利用效率提高20%[31]。 史桂芳等[32]通過對夏玉米的田間試驗發現,控釋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%,鉀肥利用效率提高22.12%～26.91%。 在將一種基于生物基的新型控釋肥應用于水稻機插側深施肥中,肥料利用效率獲得了提升[33]。 陳立才等[34]發現在水稻種植中施用控釋肥,氮肥利用效率提高了9.65% ～13.56%。 控釋肥養分釋放速率的降低不僅能使植物生長與養分供給匹配,同時能減少養分迅速流失帶來的農業面源污染。

3.2 改善作物品質

作物品質受營養狀況影響,因此施用控釋肥能改善作物的品質。 楊兵麗等[35]發現在塑料大棚種植韭菜過程中,施用控釋肥不僅能使韭菜增產,而且韭菜中的維生素C 含量提高了6.4%,類黃酮含量提高了17.7%。 對水稻連續兩年的田間試驗顯示,施用控釋肥后水稻的整精米率提高了4.79%～7.71%,直鏈淀粉含量、膠稠度和食味值均顯著提高[36]。 控釋肥不僅能夠提高農作物的品質,還能提升植物的觀賞性狀。 陸潔珊等[37]發現,使用控釋肥能顯著提高白掌的株高、冠幅、分枝數,從而提高其觀賞性狀。

3.3 提高作物產量

孔曉君等[38]在兩年的茶葉田間種植試驗中發現,施用有機肥和控釋肥組合比常規施肥增產13.8%。 劉曉辰等[39]發現,施用活性腐殖酸控釋肥處理的花生飽果率明顯提高,畝產莢果顯著增加,花生增產7.97%。 田間試驗的結果說明相比于傳統肥料,控釋肥能有效提高作物產量。 然而當前市面上控釋肥的價格仍居高不下,控釋肥的施用應同時保證作物產量和凈利潤,這也是目前控釋肥無法大量推廣的主要原因。

4 控釋肥應用存在的問題

控釋肥能在很大程度上提高肥料的養分利用率、改善作物品質、提升作物產量、減輕環境污染,是一種環境友好型肥料。 因此,控釋肥是世界肥料的應用發展趨勢,其開發與使用備受重視。 國外包膜肥料主要應用在經濟價值較高的花卉、蔬菜、草皮等生產中,國內研發的重點是篩選工藝簡單和低成本的膜用材料。

從控釋肥推廣應用的角度來看,現階段仍存在3 個問題[40]:

(1)生產成本較高。 目前市售控釋肥的包膜材料多為石油基,所用的原材料和溶劑價格高昂,同時控釋肥生產技術含量高、工藝設備要求較高,導致控釋肥終端售價較高。

(2)產品質量參差不齊。 當前市面上的控釋肥產品質量參差不齊,缺乏市場監管,用戶難以分辨,往往因選用不當造成損失。 應根據不同地方的生產實際,研發生產出不同作物的專用控釋肥,確?？蒯尫视行еr業生產。

(3)目前控釋肥選用的包膜材料種類較多,當養分釋放完畢后,控釋肥殘膜是否會對環境產生影響,學界還沒有一致的結論[41]。

5 展望

我國正經歷從傳統農業向現代農業的轉型,而現代農業意味著高度的可持續性,裝備和技術的現代化,生產的規模化、專業化、區域化等。 肥料施用是農業生產中重要的一環,新型控釋肥的研究和推廣將在維護國家糧食安全、推動我國化肥零增長政策、促進我國農業向高質量發展轉型中扮演重要的角色。