水肥調控技術及其功能性肥料研究進展

杜建軍，闞玉景，黃幫裕，李永勝，王新愛

（1 仲愷農業(yè)工程學院新型肥料研究中心，廣東廣州 510225；2 廣東省產地環(huán)境污染防控工程技術研究中心，廣東廣州 510225）

水肥調控技術及其功能性肥料研究進展

杜建軍，闞玉景，黃幫裕，李永勝，王新愛

（1 仲愷農業(yè)工程學院新型肥料研究中心，廣東廣州 510225；2 廣東省產地環(huán)境污染防控工程技術研究中心，廣東廣州 510225）

綜述水肥調控的有關技術，以及以高吸水性樹脂 (super absorbent polymer，SAP) 為保水、緩/控釋材料制備保水型緩/控釋肥料的研究進展，為今后此類肥料的開發(fā)、應用提供依據。水分和養(yǎng)分是限制我國旱地農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因子，以肥調水，以水促肥，充分發(fā)揮水肥的協同效應是提高水肥利用率的關鍵。目前，水肥調控 (耦合) 技術的實施主要通過農藝措施和施肥灌溉技術來完成。近年來，隨著SAP性能的不斷改善和使用的普及，人們對SAP在吸水保水的同時，對土壤肥料養(yǎng)分的保持和緩釋作用開始給予了重視，以SAP為保水、緩釋材料的保水型緩/控釋肥料的研究成為水肥調控研究的熱點。SAP與一般聚合物不同之處是它具有高度親水性，聚合物的骨架是一個適度交聯的網狀結構，進入樹脂分子內的養(yǎng)分離子或分子可以以各種結合形式被暫時固定而延緩了養(yǎng)分的釋放。土壤中可溶性鹽對SAP吸水性能有重要影響，但尿素分子影響甚小。保水型緩/控釋肥料可通過養(yǎng)分負載、復混或包膜等工藝制備。保水型緩/控釋肥料是水肥調控 (耦合) 技術、化學制劑保水節(jié)水技術和肥料緩/控釋技術的綜合運用和物化的載體，兼具吸水、保水和養(yǎng)分緩/控釋功能，實現水肥在同一時空條件下的一體化調控，同時提高水分和肥料的利用效率，在農業(yè)、林業(yè)、環(huán)境修復、生態(tài)工程等領域具有廣闊的應用前景。未來工作是進一步尋求合適的SAP制造原料和工藝，降低成本；應用分子設計，改善SAP的結構，提高生物降解性，控制鹽分的不利影響，提高肥料的吸水、保水和對養(yǎng)分的緩釋性能；加強養(yǎng)分釋放機理和不同于普通緩/控釋肥料評價方法的研究。

水肥調控；高吸水性樹脂；緩/控釋肥料

水分和養(yǎng)分 (肥料) 是作物生長的基礎條件。然而，正是這兩個主要因子成為影響我國旱地農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。

水分方面，我國是一個水資源相對貧乏的國家，人均水資源占有量僅2039.2 m3(按2015年統(tǒng)計數據計算)[1]，約為世界人均水資源占有量的1/4，屬用水緊張國家。由于時空分布差異，我國部分地區(qū)已經處于嚴重的水危機狀態(tài)。同時，我國用水浪費很大，全國人均綜合用水量438 m3，萬元國內生產總值 (2016年當年價) 用水量81 m3[2]。我國又是一個農業(yè)大國，農業(yè)用水量占到總用水量的62.4%，每公頃耕地灌溉水用量達到5700 m3，農田灌溉水有效利用系數僅0.542[2]，為發(fā)達國家的60%左右。隨著工農業(yè)的迅速發(fā)展，水的供需矛盾愈來愈突出，工農業(yè)爭奪水的矛盾更加尖銳。嚴酷的現實告訴我們，實施高效節(jié)水農業(yè)是我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

節(jié)水農業(yè)就是在有限的水資源條件下，通過對水資源的合理開發(fā)利用，綜合運用先進的水利工程技術、農業(yè)技術、用水管理技術等措施，充分提高農田灌溉水的利用率和水分生產率，保證農業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[3]。我國對節(jié)水農業(yè)技術的研究與應用具有悠久的歷史，特別是上世紀八十年代以來，通過廣大科技工作者的不懈努力，提出了一套適合我國國情的節(jié)水農業(yè)新技術，這些技術主要包括農業(yè)水資源合理開發(fā)利用技術、節(jié)水灌溉工程技術、農藝節(jié)水技術、化學制劑保水節(jié)水技術和節(jié)水管理技術等。

就養(yǎng)分 (肥料) 而言，一方面由于水土流失和不合理用地，土壤肥力退化，養(yǎng)分貧瘠；另一方面，投入的養(yǎng)分未能充分發(fā)揮作用。研究表明，近10年來，由于開展測土配方施肥，肥料利用率有所提高，但三大糧食作物氮肥、磷肥和鉀肥利用率也僅分別達到33%、24%和42%[4]。因此，化肥損失不僅是經濟問題，更嚴重的是加劇了溫室氣體排放、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。因此，提高養(yǎng)分 (肥料) 的利用率、減少肥料用量、控制污染發(fā)生，是探索產出高效、產品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現代農業(yè)必需考慮的問題。

從水分和養(yǎng)分 (肥料) 之間的關系來看，水分和養(yǎng)分 (肥料) 又是一對聯因互補、互相作用的因子，水、肥之間存在較大的交互作用。因此，同時考慮水、肥兩個因子，以“合理施肥，培肥地力，以肥調水，以水促肥，充分發(fā)揮水肥的協同效應”為核心內容的水肥調控理論和技術正在成為我國旱地農業(yè)和土壤肥料學科研究的熱點和重要的發(fā)展方向[5–7]。

目前生產水平下，水肥調控技術的實施主要通過農藝措施來完成，需要對土壤水肥狀況和作物特性進行大量研究后，實施合理的耕作、灌溉、施肥等措施往往困難較大。近年來，隨著灌溉施肥技術的進一步推廣，水肥調控的工程措施顯現出很好的應用前景[8–11]，但成本較高，投資回報周期長，而且比較適宜規(guī)?；a。另外，隨著高吸水性樹脂(super absorbent polymer，SAP) 性能的不斷改善和使用的普及，人們對SAP在吸水、保水的同時對土壤肥料養(yǎng)分的保持和緩釋作用開始給予了重視，以使用保水劑為基礎的水肥調控技術和以保水劑為保水、緩釋材料的保水型緩/控釋肥料的研究成為水肥調控研究的新熱點[12–15]。

本文根據作者多年來的研究實踐及國內外研究動態(tài)，綜述水肥調控的有關理論和技術，以及以SAP為保水、緩/控釋材料制備保水型緩/控釋肥料的研究進展，為今后此類肥料的開發(fā)、應用提供參考。

1 水肥調控 (耦合)理論及其技術

我國干旱半干旱地區(qū)總面積為455萬hm2，占國土總面積的47%，這些地區(qū)一般年降水量在300～500 mm，且降水季節(jié)集中，多在7、8、9三個月，由于降水強度大，水土流失嚴重，加之粗放經營，我國的旱地往往也是薄地[5]。因此，為了提高旱地農業(yè)的生產水平，長期以來人們以水、肥為中心，進行了廣泛而深入的研究。經過30多年的不斷探索，提出了以水、肥為中心的北方旱地農田水肥調控 (耦合) 理論和技術。

大量研究表明，水肥之間相互作用既可能產生正效應，也可能產生負效應。效應的大小及方向既涉及到作物生長時期、兩者的用量、組合及平衡，也涉及到養(yǎng)分之間的平衡。適宜的水分供應可以促進土壤養(yǎng)分的礦化和釋放[16–18]；土壤養(yǎng)分向根系的遷移[19–20]；進入根部的養(yǎng)分向地上部分運轉；改善養(yǎng)分在體內的代謝過程和養(yǎng)分在體內的分布；促進經濟產物的形成，提高作物產量，從而提高養(yǎng)分的利用率[21–23]。適宜的養(yǎng)分供應，可以促進根系發(fā)育，擴大作物覓取水分的空間[24]；增強根系活性，加強作物對水分的利用[25–26]；提高蒸騰強度，增加凈光合產物，降低葉水勢，加強水分向地上部分傳導[27–28]；減少蒸發(fā)，提高蒸騰效率，從而有力地提高水分利用效率[29–31]。因而，水分和養(yǎng)分投入合理、供應協調，就能產生明顯的協同和互補效果，表現出大于兩種因子效果疊加的增產作用。

所謂水肥調控 (耦合) 技術就是在土壤肥力指標測定的基礎上，建立以肥、水、作物產量為核心的耦合模型和技術，合理施肥，培肥地力，以肥調水，以水促肥，充分發(fā)揮水肥的協同效應，從而提高作物的抗旱能力和水、肥利用效率，可在不增加施肥量和灌水量的條件下，獲得較大的經濟效益，并改善生態(tài)環(huán)境。水肥調控 (耦合) 技術是總結我國北方旱地農田30余年研究經驗后得出的科學結論，實踐表明，在不增加施肥量和灌水量的情況下，肥料利用率可提高5%以上，作物增產超過10%，水分利用效率可提高到1 mm水生產1 kg糧食，甚至更高[5]。

2 控制釋放技術與緩控/釋肥料

2.1 控制釋放技術

控制釋放技術就是在預期的時間內，人工控制藥物、農藥、肥料等活性物質的釋放速率，以維持其在生物體或環(huán)境中的有效濃度[32–33]。由于活性物質的釋放速率可控，在生物體內或環(huán)境中維持有效濃度的時間長，因而可以提高作用效果、減少用量，最大限度地降低其副作用或對環(huán)境的影響。控制釋放技術近年來在醫(yī)藥、農業(yè)、工業(yè)等眾多領域得到廣泛應用[34]。

控制釋放技術是通過需要控制釋放的活性物質與活性物質的載體 (基材) 有機結合形成的控制釋放系統(tǒng)實現的。根據活性物質與基材之間是否發(fā)生化學反應，可將控制釋放系統(tǒng)分為化學法和物理法兩大類。

2.1.1 化學法控制釋放系統(tǒng) 化學法控制釋放系統(tǒng)是指活性物質與活性物質的載體 (一般為聚合物) 具有某些反應基團，二者發(fā)生化學反應后以化學鍵相連而形成的釋放系統(tǒng)?；瘜W法控制釋放系統(tǒng)中影響活性物質釋放速度的因素主要有活性物質與載體間化學鍵的性質、聚合物的交聯度和聚合度等。化學法控制釋放系統(tǒng)主要有3種：活性物質與聚合物直接或間接以化學鍵相連，活性物質單體衍生物間的聚合，活性物質單體間的聚合或與其他單體共聚[32–33]。2.1.2 物理法控制釋放系統(tǒng) 物理法控制釋放系統(tǒng)是指活性物質與活性物質的載體之間不發(fā)生化學反應，活性物質通過溶解、分散或包裹等物理過程與載體結合，載體對活性物質的釋放起阻礙作用[32–33]。物理法控制釋放系統(tǒng)中影響活性物質釋放速度的因素主要有活性物質與載體間的結合形式、載體的可降解性等。物理法控制釋放系統(tǒng)主要有3種：均勻型 (活性物質均勻分散或溶解在聚合物中)、貯藏型(活性物質包埋在高分子膜中形成膠囊) 和凝膠型 (活性物質均勻分散或包埋在凝膠分子中)。

2.2 緩控/釋肥料

肥料緩/控釋技術就是應用物理法、化學法控制釋放系統(tǒng)或生物化學等調控手段，延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放速率，以減少肥料損失，提高肥料利用率。以緩/控釋技術為特征的緩/控釋肥是近幾年國內外研究的熱點[35–38]。

緩/控釋肥料可以進一步分為緩釋肥料和控釋肥料。緩釋肥料是指通過養(yǎng)分的化學復合或物理作用，使化學肥料對作物的有效養(yǎng)分隨著時間而緩慢釋放[39]。肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放速率遠小于其在土壤中的正常溶解釋放速率，但養(yǎng)分釋放速率不可控，受肥料本身特性和環(huán)境條件影響?？蒯尫柿鲜前丛O定的釋放率 (%) 和釋放期 (d) 來控制養(yǎng)分釋放的肥料[40]。其養(yǎng)分釋放速率能夠達到設定的釋放模式，養(yǎng)分釋放與作物的需肥規(guī)律基本一致。

目前，美國、西歐、日本、以色列均在大力發(fā)展緩/控釋肥料，但國外緩/控釋肥因價格昂貴主要施用于經濟作物和高爾夫球場[41]。近年來，我國緩/控釋肥料的研發(fā)和應用異軍突起，在緩/控釋肥料理論研究、包膜技術、肥效評價方法、產業(yè)化開發(fā)和應用方面均取得突破性進展[42]。我國緩/控釋肥料品種主要包括包膜型緩/控釋肥料、合成型微溶態(tài)緩釋肥料、化學抑制型緩效肥料和基質復合與膠結型緩/控釋肥料。目前，緩/控釋肥使用面不廣、發(fā)展不快的主要原因是緩/控釋材料太貴，緩/控釋肥成本太高。因此，尋求和開發(fā)較為廉價的緩/控釋材料，降低緩/控釋肥的制造成本，是今后相當長時間內緩/控釋肥研究的重點。而水基聚合樹脂和表面反應成膜包膜技術被認為是較為理想的包膜技術[43]。

3 化學制劑保水節(jié)水技術與SAP

化學制劑保水節(jié)水技術是合理施用保水劑、抗旱劑、蒸發(fā)抑制劑等化學制劑，減少作物生長發(fā)育過程中棵間蒸發(fā)和過度蒸騰對水分的無效消耗，促進作物根系發(fā)育，提高對土壤深層儲水的利用，以達到調控農田水分和作物耗水，增強作物的抗旱能力，最終提高水分利用率的目的[3]。

各類化學制劑中，SAP的使用最為廣泛。因其具有超強吸水能力，能吸收并保持自身重量幾百倍甚至上千倍的水分。作為一類新型功能性材料，廣泛應用于各個行業(yè)。農用SAP稱為保水劑，具有高度溶脹能力，及對土壤結構的改良和對水肥的保持和緩釋作用，在國內外逐漸得到廣泛應用[44–48]。Benhu等預言，保水劑將成為繼化肥、農藥、塑料薄膜之后第四大農用化學品[49]。

3.1 SAP的性質和分類

SAP屬高分子化合物，它具有一般高分子化合物的特性，如分子量大 (聚合度高)；由分子量不等的同系列高分子組成的混合物；結構復雜，且多種多樣，有線型、支鏈型、體型結構；有光學異構和幾何異構；有無定型結構，也有結晶型結構[50–51]。

SAP種類繁多，一般按照合成原料分為淀粉系(淀粉接枝、羧甲基化等)，纖維素系 (羧甲基化、接枝等)，合成聚合物系 (包括聚丙烯酸系、聚乙烯醇系等) 等。目前市場上的主流產品為聚丙烯酸–丙烯酰胺，屬于化石原料產物，在土壤中具有很好的穩(wěn)定性，難于被微生物降解[52–54]。為了提高SAP的降解性，降低SAP的降解周期，以利用天然材料為對象的可降解SAP成為近年的研發(fā)熱點，主要是對天然高分子與丙烯酸、丙烯酰胺接枝或共混，改性天然多糖型、改性天然蛋白質和聚氨基酸型等[55–57]。

3.2 SAP的穩(wěn)定性

3.2.1 可溶性鹽對SAP穩(wěn)定性的影響 現代高分子化學研究認為，SAP大多是高分子電解質，其吸水機理可用Flory-Huggins的吸水理論模型表達[50,58]：

式中：Q為吸水倍數；Ve/V0為聚合物的交聯密度；(1/2–x1)/V1為聚合物對水的親和力；i/Vu為聚合物中固定電荷的密度；S為外部電解質溶液的離子強度。式中第一項表示滲透壓，第二項表示與水的親和力，這兩項之和決定吸水能力?？梢姡琒AP的吸水倍數主要受聚合物結構和外部電解質溶液的離子強度的影響。

聚合物的結構包括聚合物主鏈上親水基團的結構和交聯密度。親水基團多樣化是提高耐鹽性的主要途徑，使聚合物不僅具有羧基、磺酸基、磷酸基等離子性親水基團，還具有羥基、酰胺基等非離子性親水基團，利用各種基團之間的協同效應可提高SAP的耐鹽性。聚合物交聯密度增加，吸水能力降低，反之則增強。當交聯密度很小時，聚合物凝膠從外觀上趨向于聚合物溶液，若強度太低，則失去凝膠的特性。

許多SAP的溶脹能力和吸水倍率受外界溶液離子強度的影響。和SAP在去離子水中溶脹比較，SAP在高濃度鹽溶液中溶脹時，吸水能力顯著降低，其主要原因可能是由于聚合物的羧基間形成了能限制膨脹的離子橋。顯然，高價離子對SAP的吸水能力影響較大。土壤中常見陽離子對高吸水性樹脂吸水倍率的降低程度與陽離子在土壤中的代換力排列近似，即 Fe3+、Al3+＞ Mg2+＞ Ca2+＞ Na+＞ K+[59]。

3.2.2 微生物和其他環(huán)境條件對SAP穩(wěn)定性的影響在微生物作用下，SAP主鏈逐漸斷裂，相對分子量逐漸變小，以至最終代謝成甲烷、CO2和H2O等。天然高分子 (如淀粉、纖維素、蛋白質、殼聚糖等)以及具有易水解的酯鍵、醚鍵、氨酯鍵、酰胺鍵等含有雜原子的合成高分子容易被微生物降解。影響SAP降解的主要因素是SAP的結構和外部環(huán)境。高分子的形態(tài)研究表明，加入少量微生物殺菌劑，聚合物的降解速率可能會進一步降低，而加入氮肥的聚合物較單獨加入聚合物更能促進微生物的活動，主要原因是降低了聚合物和肥料周圍微環(huán)境的碳氮比[60]。顯然，土壤微生物對SAP的分解特性的影響以及SAP在土壤中的殘留狀況會影響它作為肥料養(yǎng)分載體的使用效果。

溫度 (耐熱性、耐寒性)、光照 (耐光性)、物理侵蝕等環(huán)境條件也都會對SAP的穩(wěn)定性產生影響[50]。

3.3 SAP對養(yǎng)分的控制釋放

SAP吸水后即變?yōu)槟z，SAP凝膠分子具有多種活性基團，可與分布其中的藥物、農藥、肥料等活性物質以化學鍵相連或做成控制膜來控制這些活性物質的釋放。因此，SAP凝膠控制釋放系統(tǒng)兼具化學法控制釋放系統(tǒng)和物理法控制釋放系統(tǒng)的特點。多年來，SAP作為載體已成功地應用于制藥行業(yè)以控制藥劑釋放速率[61]。SAP具有膜的作用，活性物質必須通過該膜向周圍環(huán)境擴散，因此，SAP同樣可用于控制肥料養(yǎng)分的釋放[62]。

3.3.1 SAP控制養(yǎng)分的作用機制 SAP與一般聚合物的不同之處是它具有高度親水性。從分子結構上看，SAP是具有高度親水性遇水膨脹的聚合物，其特征是具有一個大聚合物的“骨架”并帶有如–COOH、–OH、–NH2等極性基團[62]。聚合物的骨架又是一個適度交聯的網狀結構，由于有活性基團的存在，可作為外來離子的配位體，有螯合劑的性質[63]。網狀結

構可讓一些小分子或離子如CO(NH2)2、和擴散進入，進入到SAP分子內部的養(yǎng)分離子或分子，可以暫時被溶脹的SAP“包裹”起來，或被帶電基團激活作定向排列，若是陽離子還可以與樹脂內部的陽離子發(fā)生交換吸附而暫時被固定下來延緩養(yǎng)分的釋放[60,63–64]。所以，SAP在吸水膨脹的同時，還可以吸持養(yǎng)分分子或離子，防止養(yǎng)分流失，將養(yǎng)分保存在土壤中，對養(yǎng)分供應起到一定的緩釋作用。樹脂中養(yǎng)分的釋放則最終取決于聚合物結構、降解速率和養(yǎng)分鹽類的性質[62]。

3.3.2 SAP控制養(yǎng)分的作用效果 許多不同的SAP已被用來控制各種氮肥的養(yǎng)分釋放和保持。淀粉接枝聚丙烯酸鉀和聚丙烯酰胺共聚物與NH4NO3配施，用水連續(xù)淋溶，發(fā)現聚合物處理85%的保留在土壤中，而對照僅為25%，但聚合物對幾乎沒有影響[65]。對乙烯醇-丙烯酸共聚物研究也有類似結果，不僅NH4+和K+的淋失量大大減少，并且可以增加蘿卜地上部的生長和對氮、磷和鐵的吸收[66]。與單施氮肥比較，聚丙烯酸酯類、聚乙烯醇類、淀粉類3類聚合物均可延緩氮養(yǎng)分的擴散和釋放速率[67]。聚乙烯醇樹脂 (VAMA) 對氮、磷、鉀具有較強的吸附能力，吸附的養(yǎng)分中一部分可以較快地解吸轉化為有效態(tài)，而另一部分則被暫時固定下來成為緩效態(tài)，從而起到保肥和延緩肥效的作用[68]。盆栽條件下，即使應用低交聯度的聚丙烯酸鈉 (PAA)，稀凝膠和水交替灌溉，氮素淋失量減少達72.0%，水分利用率提高14.65%，小白菜產量增加33.2%[69]。中性和兩性高聚物能增加土壤對、、K+和的吸附量和抗淋溶作用，并隨中性和兩性高聚物用量的增大，土壤對4種離子的吸附量和抗淋溶作用增加；陰離子型聚合物增加土壤對和 K+吸附量和抗淋溶作用，降低土壤對和的吸附量和抗淋溶作用[70]。

3.4 SAP與養(yǎng)分的相互作用

SAP施用于土壤，以前人們只重視保水劑的保水、節(jié)水效果和其對土壤物理性質的影響，對保水劑的養(yǎng)分保持、緩釋作用重視不夠，也很少開展肥料、土壤養(yǎng)分對SAP性能和施用效果方面的研究。

化學肥料能顯著降低SAP的吸水倍率，并隨肥料濃度的增加，影響程度更大[71–73]。但不同肥料品種對SAP吸水倍率的影響程度不同，常見氮肥、磷肥、鉀肥對SAP的影響程度以過磷酸鈣、磷酸一銨、硫酸鉀、氯化銨、硫酸銨、氯化鉀、尿素的順序遞減。即使在尿素的飽和溶液中，不同類型的SAP仍能保持去離子水中22.00%～61.99%的相對吸水倍率，但0.4%～1.0%的過磷酸鈣溶液卻使SAP喪失吸水性能。SAP在水中溶脹時，也吸持溶解在水中的肥料分子或離子，吸持量的大小因SAP和肥料種類不同而不同。對于聚丙烯酰胺–丙烯酸鹽共聚物，尿素濃度為60%時，氮素吸持率高達52.95%，而碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨濃度為10%時，氮素吸持率僅分別為5.50%、9.36%和9.64%?？梢姡行缘哪蛩胤肿訉AP的影響最小，SAP對尿素分子的吸持量也最大。進一步研究表明，SAP和尿素配合施用能顯著地提高玉米生物學產量、根系干重和水肥利用效率，增加葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度?？梢?，SAP與尿素配合施用，水肥調控效果最顯著。

由于土壤溶液離子組成的復雜性，實際情況可能復雜得多。例如，關于SAP在不同銨鹽溶液體系(NH4Cl、NH4Cl-KCl、NH4Cl-CaCl2) 中的吸水和吸附銨離子特征的研究表明，相同離子強度時，NH4+-K+共存體系對保水劑吸水倍率的影響小于NH4+、K+單一體系，而NH4+-Ca2+共存體系對保水劑吸水倍率的影響小于Ca2+單一體系而大于NH4+單一體系的影響[74]。盡管過磷酸鈣對SAP吸水倍率影響很大，但土培試驗表明，SAP和磷酸一銨、過磷酸鈣分別配合施用均能顯著地提高玉米生物學產量、根系干重和水肥利用效率，增加葉片凈光合速率和氣孔導度，而兩種肥料的效果不同[75]。SAP一般不宜與復合肥配合施用，但與控釋復合肥配施，則效果顯著[76]。

4 保水型緩/控釋肥料與水肥一體化調控

保水型緩/控釋肥料就是根據節(jié)水農業(yè)的水肥調控 (耦合) 理論，以水肥一體化調控為目標，應用現代高分子設計理論制備肥料產品，使肥料同時具有吸水、保水和養(yǎng)分緩釋功能，把目前水、肥分離調控和復雜的農藝措施物化到肥料中，實現水肥在同一時空條件下的一體化調控，同時提高水分和肥料的利用效率，促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

SAP的吸水、保水和養(yǎng)分緩/控釋功能可通過物理或化學法控制釋放系統(tǒng)實現?？捎?種途徑：SAP與肥料物理混合，SAP包覆肥料，SAP與肥料以化學鍵結合[62]。因此，按生產工藝，保水型緩/控釋肥料可分為載體型、復混型、包膜型等3種類型。

4.1 載體型

利用SAP包埋或吸收肥料養(yǎng)分而形成的供肥體系。根據養(yǎng)分負載方法不同，又可分為吸附型和束縛型。前者利用合成高分子網狀骨架，將養(yǎng)分離子或分子吸附到網絡結構中。用作載體肥料的載體材料，其吸附空間必須足夠大，同時，吸附進去的養(yǎng)分要能緩慢釋放出來。后者主要利用高分子材料先與肥料進行物理混合，然后加交聯劑交聯成形。根據材料性質，可以直接共混或者通過介質共混[77]。

利用聚酰胺通過束縛法制備的載體尿素，水中溶出時間可達到30小時，并可明顯減少氮素淋溶[77]。利用棉花秸稈制備半互穿網絡緩釋尿素，吸水倍率達1018.4 g/g，淋溶實驗表明其30天氮素釋放60%，可明顯促進棉花種子萌發(fā)和植株生長[78]。

4.2 復混型

SAP與有機肥、基質原料、風化煤等按一定比例復混 (復配)，必要時再通過擠壓、圓盤、轉鼓等形式造粒。對于無機肥料，為了減少無機肥料對SAP吸水性能的影響，可先把SAP與尿素、磷肥與鉀肥分別混合造粒，然后制成混合型肥料。

風化煤復配型SAP在新疆哈密地區(qū)的應用表明，當SAP用量為每株100 g和200 g時，葡萄產量分別較對照增加12.59%和25.29%，含糖量分別較對照增加9.92%和6.01%，每公頃分別增收2812.5元和5625.0元；在葡萄果實膨大期干旱脅迫時 (正常灌水量75%的條件下)，分別較對照增產38.46%和66.62%，含糖量均增加0.78%，每公頃分別增收9967.5元和16605.0元[79]。在鋸木屑混合河沙復合基質中添加SAP，當1 L基質分別加入1、2、4、8 g SAP時，與對照相比，基質持水量分別增加16.35%、34.00%、61.29%和135.16%，孔隙狀況也得到改善，容重分別降低3.61%、5.37%、9.42%和14.64%[80]。以SAP和單質肥料為原料的摻混型節(jié)水專用肥與等養(yǎng)分的復合肥比較，辣椒果長、肩徑寬、果肉厚、單果重明顯增加，產量增加5.16%；節(jié)水449 m3/hm2，相當于45 mm降水，節(jié)水率27.7%[69]。

4.3 包膜型

通過一定工藝把SAP包覆在肥料表面或把成品細粒狀SAP通過接枝工藝包覆在肥料表面。包覆工藝主要包括反相聚合工藝、原液聚合工藝等。前者一般要用到有機溶劑，容易造成二次污染，且工藝相對復雜；后者工藝相對簡單，但產品分離困難。

He 等[81]、Liang 等[82]、Ghazali等[83]均以不同材料和工藝成功制備SAP包膜肥料，肥料具有較好的養(yǎng)分緩釋和保水性能。杜建軍等[84–85]以尿素為核芯肥料，改性礦物做內膜，SAP做外膜，制得復式包膜尿素；Yang等[86]則以生物基聚氨酯和SAP完成尿素內外層包膜；Wu等[87]以復合肥為核芯肥料，殼聚糖做內膜，SAP做外膜，制得復式包膜復合肥。復式包膜肥料雖然產品性能有所提高，但二次包膜使肥料成本增加。黃幫裕[88]、尤晶[89]以丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為主要單體，應用表面共聚或接枝聚合工藝成功制備SAP包膜尿素，該樹脂膜耐鹽、凝膠強度高，含氮量可達40%以上，肥料吸水倍率高、緩釋性得到進一步提高。采用尿素表面原液聚合工藝，使SAP與緩釋肥料制造生產工藝合二為一 (圖1)，大大節(jié)約SAP和緩釋肥料制造和施用成本，改善功能，提高工效。

保水型緩/控釋肥料適用于各類植物 (作物)，宜與土壤或基質混合，穴施、溝施、撒施均可，節(jié)水10%～30%，肥料利用率提高10%～20%，可適當減少施肥量、灌水次數和灌水定額。SAP或養(yǎng)分含量低的肥料產品，一般穴施用量為土壤質量的0.1%左右，根據樹體大小，一般每棵5～100 g，基質用一般為2 g/L左右；養(yǎng)分含量高的肥料產品，可按減量化施肥原則，以氮素用量確定肥料用量，減少肥料用量10%～20%。

圖1 表面聚合工藝制備丙烯酸系SAP包膜尿素流程圖Fig. 1 Preparation flow chart of acrylic-acid-based SAP coated urea by surface polymerization process

5 研究展望

節(jié)約水肥資源，提高水肥利用率是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內容，國家已列入社會發(fā)展和科技創(chuàng)新的有關計劃中，這為節(jié)水和節(jié)肥技術產品提供了廣闊的市場空間。保水型緩/控釋肥料是水肥調控 (耦合) 技術、化學制劑保水節(jié)水技術和肥料緩/控釋技術的綜合運用和物化載體，可實現水肥在同一時空條件下的一體化調控，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?，無論對于我國廣大的干旱、半干旱地區(qū)，還是南方季節(jié)性干旱地區(qū)，農業(yè)、林業(yè)、環(huán)境修復、生態(tài)工程等領域都具有廣闊的應用前景，對于節(jié)約水肥資源，增產增收，減少污染，改善生態(tài)環(huán)境，實現農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。

進一步的工作是通過與高分子化學家合作，尋求合適的SAP制造原料和制造工藝，降低SAP成本；改變SAP的結構，優(yōu)化養(yǎng)分釋放模式以適應作物的需要；通過改變SAP的組成，提高SAP對養(yǎng)分離子的保持力和生物降解速率，控制鹽分的不利影響，以獲得適宜的養(yǎng)分釋放速率；從技術、工藝上優(yōu)化SAP、控釋材料與單質肥料合理配伍與復配方法；加強養(yǎng)分釋放機理和釋放動力學等理論研究，指導SAP的分子設計；加強不同于普通緩/控釋肥料評價方法的研究。通過這幾方面的努力，SAP包膜尿素的成本將進一步降低，肥效將進一步提高[84,85]。

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Research progress on water and fertilizer regulation technology and functional fertilizers

DU Jian-jun, KAN Yu-jing, HUANG Bang-yu, LI Yong-sheng, WANG Xin-ai
( 1 Research Center for New Fertilizers, Zhongkai University of Agricultur and Engineering, Guangzhou 510225, China;2 Guangdong Provincial Engineering and Technology Research Center for Agricultural Land Pollution Prevention and Control, Guangzhou 510225, China )

This paper reviewed the relevant technologies of research on water and fertilizer regulation, and the progresses in water retention and slow/controlled release fertilizers (WRSRF) which were made from super absorbent polymer (SAP), and provided basis for development and application of this kind of fertilizers in the future. Water and nutrient are the main factors restricting the dryland sustainable agricultural development in China. Regulating water by fertilizers, and promoting fertilizers by water to fully use the synergy effect of water and fertilizer are the key to improve water and fertilizer use efficiencies. At present, the implementation of water and fertilizer regulation (coupling) technology is mainly completed by agronomic measures and fertigation technology. In recent years, with the improvement and popularization of SAP, besides its effect of water absorption and retention, people have paid more attention to its fuction of nutrients conservation and slow release.Therefore, the research of WRSRF based on SAP has become a hot topic. SAP is different from common polymerin its highly hydrophilic property and moderate crosslinking network structure. Nutrients of ions or molecules in the resin can be temporarily fixed and released later by various combination forms. The soluble salts in soil have important influence on water absorbency of SAP except urea. WRSRFs can be made by using techniques of nutrient loading, compounding and coating. WRSRF is the integrated application and materialized carrier of the technologies of water and fertilizer regulation (coupling), water retaining and water saving by chemical agent, and fertilizer slow/controlled release technology. WRSRF has the functions of water absorbing and retaining, and nutrient release, and realizes the integration of water and fertilizer regulation at the same time and space, improves the use efficiencies of water and fertilizers, and has broad application prospects in agriculture, forestry,environmental restoration, ecological engineering and other fields. The future work is to seek more suitable raw materials and manufacturing processes for SAP to reduce costs; use molecular design to change the structure of SAP, modify its biodegradability, control the adverse effects of salt, and improve the water absorption, water retention and slow release properties of the fertilizer; strengthen the study of nutrient release mechanism and WRSRF evaluation methods, which are different from ordinary slow/controlled release fertilizers.

water and fertilizer regulation; super absorbent polymer; slow/controlled release fertilizer

2017–08–03 接受日期：2017–09–30

國家自然科學基金（30971867，31172031）；廣東省普通高校省級重大科研項目（自然科學）（粵教科函〔2015〕3號）；

廣州市科技計劃項目產學研協同創(chuàng)新重大專項（201704020187）資助。

杜建軍（1966—），男，陜西商州人，博士，教授，主要從事新型肥料、保水劑和面源污染防控研究。E-mail：dujj@tom.com