控缓释包膜化肥的发展前景与问题综述(3)

1、控缓释包膜化肥的发展前景与问题综述(3)为了降低聚丙烯酸盐吸水树脂的高成本，提高树脂的抗盐碱能力，研究工作者在合成吸水树脂的过程中加入一些纳米无机黏土，比如高岭土、膨润土、蒙脱土、凹凸棒土、云母等来提高水凝胶的溶胀特性和凝胶强度58. 2007 年，Liang 等56合成了添加适量高岭土的丙烯酸与丙烯酰胺共聚的吸水树脂包膜缓释化肥。 该吸水树脂复合物的最大吸水量是自身重量的 91 倍。 40 天的土壤养分释放实验表明，N、P、K 的释放量分别达到了28. 60% 、40. 64% 、83. 47% .由于传统的吸水树脂都是由交联的丙烯酸盐共聚物制备而成，其不可降解性是不可规避的。 以可生物降解

2、的天然高分子为主体（ 如淀粉） ,通过接枝改性后可以制备出可生物降解的环保吸水树脂57 59. 2011 年，Ni 等60制备出了完全降解的、环境友好型吸水保水缓释化肥。 该控缓释化肥具有双层包膜的核壳结构，内核是由圆盘造粒机混合化肥和凹凸棒石黏土造粒而成的粒径在 1. 0 1. 3 mm 的颗粒，内层包膜是由硬脂酸塑化后的乙基纤维素的乙醇溶液喷涂在外表面而成，外层包膜是由柠檬酸交联的羧甲基纤维素钠/羟乙基纤维素的水凝胶干燥后的粉末粘附在内膜表面而形成。 吸水性能测试显示该缓释化肥的外层吸水树脂包衣的最大吸水量是自身重量的 73 倍左右； 土壤中的养分释放实验表明，第 5 天的释放量能达到 7

3、0%,第 20 天的释放量达到了 90%; 在纤维素酶存在的条件下，吸水树脂包衣材料的降解实验表明 5 h 内包衣材料的降解程度达到了 71%,12 h后能够实现完全降解。 因土壤中的纤维素酶的水平远低于实验环境条件，纤维素的降解速度要较缓慢。 综合实验结果表明此产品不仅具有保水缓释的特性，还具备较好的降解性能。Tao 等61总结前人的工作认为所使用的包衣工艺仅适用于实验室的条件，难以实现工业化生产； 而且吸水树脂包衣层在使用过程中易碎易脱落，严重影响其控缓释特性。 针对以上各种问题，他们提出了一种机械性能优良的三层包衣的保水缓释尿素模型。 它的核芯是颗粒尿素，内层包衣是聚乙烯，中间层是聚丙烯

4、酸共聚丙烯酰胺吸水树脂，最外层是疏水性的聚甲基丙烯酸丁酯弹性体。在外层吸水树脂表面涂布一层极薄的高分子弹性材料，这样不仅不会改变内层的性质，反而会提高化肥颗粒的耐磨损性，而且会使吸水树脂层在吸水后，阻止其从颗粒表面脱附，不影响缓释效果。为了减少常规浸渍包衣引起的养分损失，利于工业化生产，所有的包衣工序都是在流化床包衣机上进行的。 土壤中保水实验结果表明，20 天后没有添加该缓释化肥的土壤几乎失去了所有水分，而添加此保水缓释化肥的土壤仍然有 6% 的保水能力。 土壤中养分释放实验表明： 10 天后三层包衣的尿素只有 3% 的养分被释放出来，而双层包衣的尿素的养分释放量却达到 12%. 这说明最外

5、层的高分子弹性体材料能显着改善吸水树脂包膜化肥的缓释特性，而不影响原有的吸水保水性。吸水树脂应用于控缓释化肥领域，不仅能提高养分的停留时间、养分使用效率，还能增加土壤的透气性、减少水分蒸发、减轻养分的挥发和浸出造成的环境污染、降低土壤的发病率。 但是由于合成过程复杂，原料成本高，一些吸水树脂的合成原材料是石化产品，本身的非降解性带来二次污染，这些问题都将限制吸水树脂在化肥控缓释领域的农业应用。 不过吸水树脂的保水保肥应用前景还是很诱人的，相信未来科研工作者将会逐一克服这些难题，给保水缓释化肥带来新的发展契机。3 控缓释化肥面临的主要问题3. 1 土壤退化与环境保护普通化肥是一种在水中溶解度较大

6、且溶解较快的化学合成型物质，施用在土壤中后，很容易因挥发和淋溶而损失部分养分。 文献资料表明发达国家氮肥平均利用率为 40% 60%,磷肥为 10% 20% ,发展中国家的利用率更低62. 长期的过度施肥会造成土壤退化，严重影响土地的可再耕种能力。 化肥养分的损失也带来了一系列的环境问题。 首先，化肥养分随水流进入江河造成水体的富营养化，同时还造成大量地表水被污染，严重威胁人类的饮水安全63. 氮肥的过量施用还会引起亚硝酸盐在农作物果实中的累积，诱发各种癌症疾病，危害人类的健康63. 过量的氮素在土壤中可以被细菌的反硝化作用转变成氮氧化物，这些氮氧化物在雨水的作用下会形成酸雨64; 同时NO、

7、N2O 等氮氧化物一旦进入平流层，会成为催化剂促使臭氧分解，形成臭氧层空洞64.控缓释化肥的不当施用也能引起二次污染。控缓释化肥在释放完全后，留下的包衣材料（ 合成型的高分子材料） 是难以降解的，对土壤有一定的毒性。 还有一些控缓释化肥（ 包硫化肥） 能显着改变土壤的 pH. 因此，开发出资源节约型、环境友好型的绿色控缓释化肥一直是学术界不懈追求的目标。3. 2 性价比低控缓释化肥由于是在原有化肥的基础上加工制作而成的，加之技术含量高，导致价格偏高，相当于普通化肥价格的2 8 倍，一般只用在草坪、温室作物、花卉以及附加值高的少数农作物上，如何降低其成本，一直是困扰控缓释化肥行业的难题。与传统普

8、通化肥相比，控缓释化肥价格偏高的原因有： 控缓释化肥的生产增加一个包膜的过程，包膜生产过程中需要消耗一定的能量和物质资料； 控缓释化肥膜材料本身的成本； 膜材料多为非水溶性高分子，需要大量使用有机溶剂，而且溶剂也难以完全回收。要降低控缓释化肥的成本，一是要降低包膜量，但是包膜量的降低容易造成控缓释性能降低，因此开发成本低廉、控缓释性能良好的膜材料一直是研究的重点和热点； 二是要优化生产工艺流程，开发能够连续化生产的工艺设备，降低生产过程中的能耗，提高生产效率。3. 3 养分释放与需求同步性差目前市面上的控缓释化肥还不是真正意义上的可控释化肥，大多数属于缓释化肥。 在制备的过程中，控释化肥中主导

9、养分的释放速率、形式和释放周期的因素是已知的、可控的； 而缓释化肥的释放方式很容易受到温度、环境湿度、土壤的生物活性等条件影响。 而且当前的控缓释化肥由于缺乏在不同土壤、不同环境下的释放动力学的数据也限制了它的广泛应用65. 但是控释化肥具有较高的可控性、可预测性，对环境条件的独立性以及植物养分需求的协调性、匹配性和同步性，这些特征都将使控释化肥成为未来控缓释化肥的生力军。4 总结与展望控缓释化肥不仅能够降低农业生产成本，提高产量，而且能够保护环境，缓解中国农业干旱缺水的压力。 从单层到多层，从无机到有机的高分子材料包膜控缓释化肥都已经在研制之中，控缓释包膜化肥已经实现工业化的生产。 但由于价

10、格昂贵，大部分产品只能应用于园艺和花卉产业，难以实现农业上的大规模应用。 控缓释化肥的应用量还达不到化肥总使用量的 0. 2%.从国内外众多的有关包膜化肥的专利文献来看，大多数是以开发可被生物或光降解的聚合物包膜化肥为主体。 不过，这些包膜化肥大部分还处于实验室小试或中试阶段，尚未见工业化的报道。根据控缓释化肥的特点，以及其应用中可能产生的副作用，我们认为以下的研究和发展领域将成为未来的主攻方向。控缓释机理的研究及包衣材料的设计。 现有的渗透扩散缓释理论似乎能够完美解释缓释的现象，但未见文献资料报道缓释完成后完整的残留的高分子材料外壳的存在。 然而报道中所采用的高分子聚苯乙烯或聚乙烯等材料的完

11、全降解则需要数十年甚至数百年。 所以可能原因是化肥颗粒大小不均，包衣薄厚不匀而造成外壳破碎，从而产生一种缓释的表象。 另外对于不同化肥介质与不同包衣材料界面中的渗透速率等基础理论问题研究都存在诸多空白。 加强对这些方面的基础研究将为包衣控缓释体系的设计提供理论基础。研发环保型包衣材料，避免二次污染。 现在广泛使用的化肥包衣材料，无论是无机的硫还是合成型高分子都会给环境带来二次污染。 天然可生物降解的材料应该是未来的主要研究方向。 真正解决这一问题需要多学科，如材料、环境、农业、化工等行业的合作。研究主动控释与被动缓释相结合的体系。 理想的控释化肥是一种对养分释放速度能够进行调节的化肥，其养分释

12、放速率可以通过物理、化学以及生物技术手段来调控。 实现控释和缓释的双向调节，使化肥中营养元素的供应与作物对养分的需求基本同步，实现动态平衡。 例如，可以参考保水剂的保水原理，将化肥像水一样控制在凝胶中，待作物根系吸收，由作物自我进行调节。研究适用于不同土壤，如水田和旱田的控缓释包衣材料。 包衣后的化肥在水田和旱田里的释放速率有巨大差别，而目前的研究还主要局限在一般意义上的旱田里，极少有文献报道控缓释化肥应用于中国普遍种植水稻的水田中。 而且不同pH 值的土壤，不同温度的环境都要求包衣材料的不尽相同。 此外，为了适应自然条件的复杂多样性，耐水性、抗压性也是包衣材料必备的性能。增加包衣材料的其它辅助功能。 如果能将包衣材料赋予其它功能，如吸水保水剂、灭虫和