功能型包膜缓控释肥料的研究现状和发展前景

Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．１·１２·化　工　新　型　材　料ＮＥＷ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ第４１卷第１期２０１３年１月作者简介：马志远（１９８７－），男，硕士研究生，主要从事功能性高分子材料的设计与合成。

联系人：贾鑫（１９７６－），男，博士，副教授，研究生导师，主要从事高分子材料设计、合成与功能应用研究。

功能型包膜缓／控释肥料的研究现状和发展前景马志远　贾　鑫＊　刘志勇（石河子大学化学化工学院，新疆生产建设兵团化工绿色过程重点实验室，石河子８３２００３）摘　要　对包膜型缓释／控释肥料、包膜材料的概念进行了论述，系统地阐述了包膜缓释肥料和功能型包膜缓释肥料的研究现状，指出了缓释肥料存在的不足并展望了今后研究的方向。

关键词　缓释／控释肥料，功能型肥料，包膜材料Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏａｔｅｄｓｌｏｗ／ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ｒｅｌｅａｓｅ　ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓＭａ　Ｚｈｉｙｕａｎ　Ｊｉａ　Ｘｉｎ　Ｌｉｕ　Ｚｈｉｙｏｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｈｅｚｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｈｅｚｉ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｕｙｇｕｒ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｒｅｇｉｏｎ，Ｓｈｉｈｅｚｉ　８３２００３）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｃｏａｔｅｄ　ｓｌｏｗ／ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ｒｅｌｅａｓｅ　ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ　ａｎｄ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｃｏａｔｅｄ／ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓｌｏｗ／ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ｒｅｌｅａｓｅ　ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｓｌｏｗ－ｒｅｌｅａｓｅ　ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓ－ｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｓｌｏｗ／ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ｒｅｌｅａｓｅ　ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ，ｃｏａｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ 随着我国加入ＷＴＯ，食品安全问题愈来愈引起人们的重视，国内外无公害食品、绿色食品和有机食品市场竞争日益激烈，传统农业向有机农业转化愈来愈快。

缓／控释肥料摒弃了传统农业的弊端，能够直接或间接地为作物提供必需的营养成分；调节土壤酸碱度、改良土壤结构、改善土壤理化性质和生物学性质；调节或改善作物的生长；解决缺什么补什么、缺多少补多少的问题。

发展缓／控释肥料以其高利用率，使用简约化等优点，符合节能减排的要求，是我国国情的需要。

国家对新型肥料的研发给予专项资金帮助和政策扶持。

在“十五”、“十一五”规划中，都指出需要发展新型肥料，且新型肥料发展的重点领域是缓／控释肥料、微生物肥料、多功能肥料。

这也是国内国际今后一个时期肥料研发的重点。

从缓控释肥料的应用价值和长远利益来看，发展缓／控释肥料将成为肥料行业发展的必然趋势。

１　缓释／控释肥料１．１　缓／控释肥料的区别根据肥料对外界刺激的响应情况可分为缓释肥料和控释肥料两大类。

缓释肥料就是通过养分的化学复合或物理作用，使其对作物的有效态养分随着时间而缓慢释放的化学肥料［１］。

但是对于控释肥料，目前我国尚无统一的国家标准。

控释肥料是那些养分释放率与作物需肥规律完全匹配的肥料，可以根据外界环境变化而改变释放规律的智能型肥料，也就是说控释肥料是缓释肥料的高级形式。

１．２　缓／控释肥料的分类缓／控释肥料种类繁多，各种文献的分类方法有所不同，至使其分类差异较大。

人们普遍接受以色列Ｓｈａｖｉｖ教授的分类方式。

他们将缓释肥料分为以下四类［２］：（１）低溶解性的无机材料；（２）低溶解性的有机材料；（３）可降解的低溶解性材料；（４）涂层（包膜）肥料。

２　国内外功能型包膜肥料研究现状包膜肥料是在粒状肥料表面包裹上一层包膜材料，起到减慢肥料的释放速度、延长肥料的释放时间的作用。

包膜肥料是缓／控释肥料的重要成员，随着各种高分子材料的发展和功能型材料的发现，人们不再是仅仅以减低肥料施放速度、延长肥料释放时间作为单一的研究目的，而是把目光转向功能型包膜肥料，逐步形成了现代包膜肥料的特点。

但是由于功能型包膜肥料制造成本较高，现在仍处于实验室研发阶段，还未走进田间实践。

２．１　吸水／保水缓释肥料概况高吸水型材料与农业的结合不仅开启了新型节水技术的序幕，同时拓宽了吸水保水材料的应用。

它具有吸水蓄水、抗旱保水、改善土壤结构和增效缓释四大作用。

常用的吸水性聚合物可分为两类：天然聚合物和合成聚合物。

（１）天然吸水性聚合物最大的优点是其优越的可降解性。

例如：日本用淀粉与尿素水溶液混合后造粒烘干，制得吸水型缓释肥料［３］；吴春华等将淀粉与聚乙烯醇混合糊化包膜尿素，制得吸水型缓释肥料［４］。

另外，天然提取物（如：纤维素［５］、多糖类［６］等）也可以作为吸水保水材料。

它们降解性良好，且是第１期马志远等：功能型包膜缓／控释肥料的研究现状和发展前景有机肥料的优质来源，可以被作物吸收利用，更有防病抑菌、改良土壤的功能。

但天然吸水性聚合物的吸水性不高，这限制了它的应用，所以人们开始着手改良材料或找替代材料。

人们根据需要对天然吸水性聚合物进行了人为修饰，降低／增加其降解速度，提高其吸水性，从而更好的达到吸水／保水和缓释的目的。

天然吸水性聚合物衍生物增加了材料的吸水性，可以减少水分流失，起到调节土壤环境等作用。

例如：Ｓｈａｖｉｔ等用羟甲基纤维素钠和硝酸钾制备的吸水保水缓释肥料［７］，吸水率有很大的提高；法国用羟甲基纤维素钠和聚乙烯酸钠盐作为高吸水聚合物材料，制备保水型缓释肥料［８］，其包膜材料降解速度大为降低。

比较常用的天然吸水性聚合物衍生物还有：淀粉接枝丙烯酸［９］、淀粉接枝丙烯酰胺［１０］、淀粉接枝丙烯腈［１１］等。

（２）合成型高吸水性聚合物具有吸水率高、吸水速度快、保水性能好的特点。

该类包膜材料有：交联丙烯酸盐［１２－１４］、乙烯醇－丙烯酸接枝共聚物［１５］、丙烯酰胺与丙烯酸共聚物［１６］、交联磺化聚苯乙烯［１７］等。

例如：Ａｎｇｅｌ等将普通肥料与聚丙烯酸盐混合制备了吸水保水缓释肥料［１８］，Ａｂｒａｈａｍ等用具有吸水能的丙烯酰胺共聚物材料包膜尿素，来制备吸水保水缓释肥料［１９］，Ｗｉｌｌｉａｍｓ等用聚丙烯酸盐颗粒吸附生长素制得吸水保水缓释肥料［２０］。

它们的吸水率都能达到５００ｇ／ｇ以上，但就降解性来说，合成型高吸水性聚合物远不及天然吸水性聚合物。

吸水／保水型缓释肥料的应用还存在着局限性，众多的高吸水聚合物吸水能力受盐分的影响很大，盐分可显著减低聚合物的吸水率［２１－２２］，且因盐分类型、浓度而有所差异［２３－２４］。

由于保水剂有改善土壤物理、化学性质、提高种子出苗发芽和出苗，增加作物小苗存活率，降低灌溉需求次数及提高养分利用率的作用，其“以肥调水，以水促肥”的特点利于我国走可持续发展的节水农业道路。

２．２　复合型功能型缓释肥料概况多功能复合型包膜材料集保水通气、防病治虫、补素促长、壮苗壮根、改善土壤酸碱度等功能于一体。

按改性材料成分可分为两类：特制矿质粘土的改性和特殊高分子材料的改性。

（１）特制矿质粘土改性的功能型缓释肥料，其具有矿质粘土的特质，能改良吸水材料、改善土壤环境，同时矿质粘土中的有效成分降解后可被作物吸收利用。

由于矿质粘土不容易被根系吸收，所以经常与其他材料配合使用［２５］。

它们以高吸水材料为基，与矿质粘土（如高岭土［２６－２７］、云母［２８］、膨润土［２９］、凹凸棒［３０］、硅镁土［３１］等）及ｐＨ调节剂，和微量元素、灭菌剂、植物生长调节剂、杀虫剂等复配而成。

梁瑞等以添加了高岭土的丙烯酸盐和丙烯酰胺共聚物包裹脲甲醛和多聚磷酸盐，制得了吸水率为９１ｇ／ｇ的缓释肥料［３２］。

也有单一利用改性特质矿质粘土吸附营养元素来达到缓释效果的初步探索，例如：水滑石［３３］、羟磷灰石［３４］等。

Ｍａｒíａ等制备了羟丙基甲基纤维素改性的水滑石，用于吸附尿素，同样起到了很好的缓释效果［３３］。

（２）特殊高分子材料改性的功能型缓释肥料，它们也是基于高吸水型树脂，与高分子材料（如壳聚糖［３５］、瓜尔胶［３６］、木质素［３７］、秸秆［３８］等）。

李安等用腐植酸盐与丙烯酸共聚制得吸水性聚合物，该包膜聚合物逐渐降解可以缓慢释放出腐植酸盐［２１，３９］。

穆环珍等用木质素和尿素以及其他助剂按比例掺混，制备了具有一定吸水性的缓释肥料。

且木质素对土壤中微生物有抑制作用，可以延时肥料的降解［４０］。

该类缓释肥料具有高分子添加物的性质，例如抗菌防虫，增强吸水保水性质，改良土壤环境，最重要的特点还是它的可降解性。

除此之外，还可在高吸水型材料中同时添加特质粘土和高分子材料。

谢丽华等制备了添加有硅镁土的改性麦秆接枝聚丙烯酸盐的超吸水包膜材料，其吸水率可达到１８６ｇ／ｇ［４１］。

复合型功能型缓释肥料具有保水型肥料的优点，可以在一定程度上改善合成型吸水／保水包膜肥料难于降解的弊端，且其自身矿质元素或营养添加物可以被植物吸收利用，是集多种功能的新型肥料。

２．３　复式包膜缓释肥料概况由于单一包膜材料的机械性能较差、易烂易破碎，给其在运输、贮存、使用时带来了很大不便。

所以有人开始关注复式包膜的缓释肥料，这种肥料的每层包膜都具有其目的性。

刘军等制备了一种三层包膜的具有保水性的缓释肥料，该肥料第一层包膜聚乙烯是为起到缓释效果，第二层包膜聚丙烯酸盐是为起到保水作用，第三层包膜改性橡胶是为起到保护保水层的效果［４２］。

郭明雨等用交联淀粉和丙烯酰胺－丙烯酸共聚物对尿素经行双层包膜，起到了良好的吸水和保护肥料的效果［４３］。

日本以普通肥料为核心，用高吸水性聚合物为内包膜，以特殊共聚物为外包膜，制备了具有优良保水性能的缓释肥料［１９］。

这类复式包膜的缓释肥料还有很多，例如：纤维素和保水材料的双层包膜缓释肥料［４４］等。

该类肥料缓释效果、吸水／保水性能、机械性能得到改良，但其价格较为昂贵，难于推广应用。

３　缓释／控释肥料存在的问题及发展前景我国缓／控释肥料的产量从２０００年的不足５万吨，发展到２００９的产能近２５０万吨，一跃成为世界上缓／控释肥料生产和消费量最大的国家，人们也对新型肥料提出了更多的要求。

新型缓／控释肥料的研发应主要在新控释材料和增加控释材料功能上实现突破。

目前包膜材料功能较单一，还仅仅停留在实现养分缓释的层面，而未达到根据外界环境变化的刺激而有目的的释放营养成分；只解决了缺什么补什么的问题，没有解决缺多少补多少的问题。