包膜控釋肥料研究進(jìn)展*

肖晨星, 高璐陽, 馬志明, 夏遠(yuǎn)鳴

(新洋豐農(nóng)業(yè)科技股份有限公司 湖北荊門 448000)

近幾十年來,我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上取得了舉世矚目的成就——僅用世界9%的耕地養(yǎng)活了世界上20%的人口[1],2021 年實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值78 339.51 億元, 占當(dāng)年國民生產(chǎn)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(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,但不可忽視,重量不重質(zhì)的發(fā)展為社會帶來了極大的負(fù)面影響,不合理的化肥、農(nóng)藥和不可降解農(nóng)膜的使用帶來了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染[3]。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用肥以傳統(tǒng)肥料為主,其局限性在于養(yǎng)分釋放速率較快,容易因揮發(fā)、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(yǎng)分,提高肥料利用效率,降低環(huán)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(yǎng)成分,延長養(yǎng)分釋放持續(xù)時間并控制養(yǎng)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新型肥料,能夠減少營養(yǎng)物質(zhì)揮發(fā)到大氣或浸出到地下水中,但兩者的養(yǎng)分釋放機(jī)制存在差異。 緩釋肥是通過化學(xué)或生物因素減緩肥料養(yǎng)分的釋放;控釋肥則是通過將營養(yǎng)顆粒包裹在有機(jī)或無機(jī)材料中使肥料的養(yǎng)分釋放與作物生長周期一致,從而提高營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率[6-7]。

控釋肥的養(yǎng)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(huán)保性會影響肥料最終的應(yīng)用推廣,因此包膜材料一直是國內(nèi)外研究的重點。 本文綜述了近年來包膜材料研發(fā)的新進(jìn)展,旨在為未來新型包膜材料的研發(fā)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(jī)包膜材料和有機(jī)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(jī)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(tài)的硫黃噴涂在尿素表面,經(jīng)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(fā)育所需的養(yǎng)分,還可以起到殺菌的作用[9],但受制于硫黃的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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?qū)由咸砑右粚铀苄暂^好的物質(zhì)封閉硫?qū)?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(nóng)林廢棄物等)在缺氧環(huán)境下,經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的固態(tài)物質(zhì),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(nèi)酯、羧基、色烯、羥基和酮基等官能團(tuán)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(jié)構(gòu),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(jìn)行了靜水培養(yǎng)和土柱間歇性淋溶試驗,結(jié)果表明氮釋放速率相比于常規(guī)尿素降低9%～21%。 2021 年,An 等[13]研發(fā)出一種復(fù)合生物炭包膜材料,1 g 復(fù)合材料可以吸附磷酸根離子130 mg。

1.1.3 礦質(zhì)材料包膜

利用無機(jī)礦質(zhì)材料制備控釋肥,能夠進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)果表明,該肥料能有效減少全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的溶出。Verma 等[16]使用有機(jī)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(fù)載14 g 磷酸二銨。

礦質(zhì)材料具有來源豐富和成本低廉的特點,施用礦質(zhì)包膜肥料既解決了養(yǎng)分釋放過快的問題,有效減少肥料養(yǎng)分損失,又?jǐn)U大了礦質(zhì)材料的應(yīng)用領(lǐng)域,同時可以改良土壤,達(dá)到了一舉多得的目的。

1.2 有機(jī)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(nèi)的高分子物質(zhì),如淀粉、纖維素、木質(zhì)素、殼聚糖等,是一種環(huán)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(jié)構(gòu),天然高分子很難直接用作包膜材料,一般需要經(jīng)過物理或化學(xué)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(lián)淀粉作為內(nèi)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(zhì)素混合置于恒溫硅油浴中,制備緩釋木質(zhì)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(kuò)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(nóng)業(yè)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(nèi)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(diào)控養(yǎng)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(dāng)前應(yīng)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(yǎng)分釋放效果。 聚氨酯性能優(yōu)異,有橡膠的高彈性和塑料的高強(qiáng)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(jù)統(tǒng)計,有機(jī)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(yǎng)分的釋放速率可以通過控制聚合物的組分和膜厚度實現(xiàn),使之與植物對營養(yǎng)的需求匹配,達(dá)到較高的營養(yǎng)利用率。 然而合成高分子包膜也存在一定的局限性,如養(yǎng)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(jī)高分子材料進(jìn)行改性,取得了一些進(jìn)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(jìn)行改性,養(yǎng)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(huán)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(zhì)高分子包膜

廣義的生物質(zhì)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(chǎn)生的廢棄物,如農(nóng)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(zhì)材料含有大量的羥基,能通過熱裂解液化技術(shù)生產(chǎn)多元醇,用來制備生物質(zhì)基聚合物。 李玉鳳[27]采用甘蔗渣液化物制備甘蔗渣基環(huán)氧樹脂,與雙酚A 二縮水甘油醚合成尿素包膜材料,試驗結(jié)果表明其養(yǎng)分釋放期明顯延長,氮釋放速率減慢。

生物質(zhì)基聚合物具有環(huán)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(dǎo)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(chǎn)。

受制于結(jié)構(gòu),無機(jī)包膜控釋肥料的養(yǎng)分釋放機(jī)制是膜層破裂,養(yǎng)分釋放速率難以控制,因此在養(yǎng)分釋放上,有機(jī)包膜材料更具優(yōu)勢。 但大部分有機(jī)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(yǎng)分釋放機(jī)制

控釋肥的養(yǎng)分釋放機(jī)制根據(jù)其制備工藝分為化學(xué)型和物理包膜型。

化學(xué)型控釋肥主要是指脲醛肥,其養(yǎng)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(dǎo)致脲醛肥養(yǎng)分釋放的可預(yù)測性較差,調(diào)控其控釋行為的措施非常有限,國內(nèi)外對其養(yǎng)分釋放機(jī)制和數(shù)學(xué)模型的研究很少[28]。

物理包膜型控釋肥的養(yǎng)分釋放通過包膜層的滲透與擴(kuò)散進(jìn)行。 研究者將包膜肥料養(yǎng)分的釋放分為三個階段,即滯后階段、穩(wěn)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(qū)動力,肥料養(yǎng)分未釋放;在穩(wěn)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(nèi)溶液的濃度保持飽和,因此這一階段營養(yǎng)物質(zhì)的釋放是連續(xù)的;在衰退階段,壓力超過預(yù)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(yǎng)分釋放速率[29-30]。

3 控釋肥料的應(yīng)用效果

3.1 提高養(yǎng)分利用效率

控釋肥能長時間為植物提供營養(yǎng),一次性施肥的肥效可以持續(xù)3 ～18 個月,肥料的緩慢釋放能最大限度地控制養(yǎng)分流失,從而提高養(yǎng)分利用效率。 盆栽試驗顯示,相比于常規(guī)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(fā)現(xiàn),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(yīng)用于水稻機(jī)插側(cè)深施肥中,肥料利用效率獲得了提升[33]。 陳立才等[34]發(fā)現(xiàn)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(yǎng)分釋放速率的降低不僅能使植物生長與養(yǎng)分供給匹配,同時能減少養(yǎng)分迅速流失帶來的農(nóng)業(yè)面源污染。

3.2 改善作物品質(zhì)

作物品質(zhì)受營養(yǎng)狀況影響,因此施用控釋肥能改善作物的品質(zhì)。 楊兵麗等[35]發(fā)現(xiàn)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(chǎn),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(xù)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(nóng)作物的品質(zhì),還能提升植物的觀賞性狀。 陸潔珊等[37]發(fā)現(xiàn),使用控釋肥能顯著提高白掌的株高、冠幅、分枝數(shù),從而提高其觀賞性狀。

3.3 提高作物產(chǎn)量

孔曉君等[38]在兩年的茶葉田間種植試驗中發(fā)現(xiàn),施用有機(jī)肥和控釋肥組合比常規(guī)施肥增產(chǎn)13.8%。 劉曉辰等[39]發(fā)現(xiàn),施用活性腐殖酸控釋肥處理的花生飽果率明顯提高,畝產(chǎn)莢果顯著增加,花生增產(chǎn)7.97%。 田間試驗的結(jié)果說明相比于傳統(tǒng)肥料,控釋肥能有效提高作物產(chǎn)量。 然而當(dāng)前市面上控釋肥的價格仍居高不下,控釋肥的施用應(yīng)同時保證作物產(chǎn)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(yīng)用存在的問題

控釋肥能在很大程度上提高肥料的養(yǎng)分利用率、改善作物品質(zhì)、提升作物產(chǎn)量、減輕環(huán)境污染,是一種環(huán)境友好型肥料。 因此,控釋肥是世界肥料的應(yīng)用發(fā)展趨勢,其開發(fā)與使用備受重視。 國外包膜肥料主要應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)價值較高的花卉、蔬菜、草皮等生產(chǎn)中,國內(nèi)研發(fā)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(yīng)用的角度來看,現(xiàn)階段仍存在3 個問題[40]:

(1)生產(chǎn)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(chǎn)技術(shù)含量高、工藝設(shè)備要求較高,導(dǎo)致控釋肥終端售價較高。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。 當(dāng)前市面上的控釋肥產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊,缺乏市場監(jiān)管,用戶難以分辨,往往因選用不當(dāng)造成損失。 應(yīng)根據(jù)不同地方的生產(chǎn)實際,研發(fā)生產(chǎn)出不同作物的專用控釋肥,確?？蒯尫视行еr(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

(3)目前控釋肥選用的包膜材料種類較多,當(dāng)養(yǎng)分釋放完畢后,控釋肥殘膜是否會對環(huán)境產(chǎn)生影響,學(xué)界還沒有一致的結(jié)論[41]。

5 展望

我國正經(jīng)歷從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型,而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)意味著高度的可持續(xù)性,裝備和技術(shù)的現(xiàn)代化,生產(chǎn)的規(guī)?；?、專業(yè)化、區(qū)域化等。 肥料施用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的一環(huán),新型控釋肥的研究和推廣將在維護(hù)國家糧食安全、推動我國化肥零增長政策、促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型中扮演重要的角色。