包膜控釋肥料的現(xiàn)狀和展望

1、包膜控釋肥料現(xiàn)狀和展望摘要研究和開(kāi)發(fā)包膜控釋肥料是肥料領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，其對(duì)提高肥料利用率 和保護(hù)環(huán)境有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要闡述了包膜控釋肥料的重要性， 控釋肥料的概念，控釋肥料研究和發(fā)展的現(xiàn)狀，以及控釋肥料研究展望及建議。關(guān)鍵詞 包膜控釋肥料概念現(xiàn)狀 展望1控釋肥料研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要性我國(guó)開(kāi)展控釋肥料研制是為解決“中國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的肥料問(wèn)題”，在繼“我 國(guó)化肥面臨的突出問(wèn)題及建議”的報(bào)告后，力圖通過(guò)改造肥料而提高化肥的利用 率。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，控釋肥料的研制目標(biāo)被鎖定在三個(gè)方面：1）肥料的供肥量和 供肥速度與作物吸收基本吻合；2）控釋肥料本身及其制造過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)污染；3） 控釋肥料的價(jià)

2、格低廉，即一方面高端產(chǎn)品的價(jià)格低于國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品，另一方面用 于大田的中低端產(chǎn)品最終不增加農(nóng)民的投入或不降低農(nóng)民的收入。不少學(xué)者也曾認(rèn)為，包膜控釋肥料、緩釋肥料是世界肥料的發(fā)展方向，其原 因是控釋肥料及其延伸產(chǎn)品能明顯地提高肥料利用率，大大降低施肥勞動(dòng)強(qiáng)度。 全球現(xiàn)有包膜控釋肥料消費(fèi)量雖在150萬(wàn)噸左右，但是近幾年消費(fèi)量的增長(zhǎng)速度 很快。中國(guó)是世界上的肥料消耗大國(guó)，目前年需要化肥1.21.3億噸，但是肥 料利用率低及其引發(fā)的問(wèn)題已經(jīng)引起各界的關(guān)注。因此，發(fā)展以包膜控釋肥料摻 混型的復(fù)合肥料將是我國(guó)肥料業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)之一。如果按現(xiàn)有化肥消耗量的 5%用包膜控釋肥料代替，那么控釋肥料和緩釋肥料的大

3、田作物需求量將為600 650萬(wàn)噸。由此可見(jiàn)控釋肥料和緩釋肥料有極其廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)需求。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)民購(gòu)買(mǎi)化肥的費(fèi)用仍然占生產(chǎn)總成本的50%左右，有些地區(qū)甚至 更高，為了有效地解決當(dāng)前化肥價(jià)格高漲、化肥利用率低、勞動(dòng)力成本增加、化 肥面源污染嚴(yán)重等問(wèn)題，迫切需要研制系列專(zhuān)用復(fù)混型緩或控釋肥料BB肥。其 核心產(chǎn)品是控釋肥料，因此開(kāi)展包膜材料、包膜控釋技術(shù)、包膜工藝、包膜控釋 肥料在線質(zhì)量控制等幾方面控釋技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的研究，對(duì)于保障我國(guó) 控釋肥料研究成果的產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)化后企業(yè)持續(xù)發(fā)展的技術(shù)儲(chǔ)備，以及我國(guó)控釋 肥料產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展和使控釋肥料以控釋BB肥走向大田作物均具重要的意義。2控釋

4、肥料的概念控釋肥料(Controlled releasefertilzer):采用聚合物包膜，可定量控制 肥料中養(yǎng)分釋放數(shù)量和釋放期，使養(yǎng)分供應(yīng)與作物各生育期需肥規(guī)律吻合的包膜 復(fù)合肥和包膜尿素。緩釋肥料(Slow release fertilizer):采用物理、化學(xué)和生物化學(xué)方法制 造的能使肥料中養(yǎng)分(主要是氮和鉀)在土壤中緩慢釋放，使其作物有效性明顯延 長(zhǎng)的肥料。緩釋期和緩釋量無(wú)定量規(guī)定。之所以說(shuō)控釋肥料是采用聚合物包膜制造的包膜肥料，是因?yàn)橹挥胁捎冒?的方法才可以設(shè)計(jì)和修改包膜內(nèi)養(yǎng)分的釋放模式，或者說(shuō)只有采用樹(shù)脂包膜才能 在一定的范圍內(nèi)通過(guò)包膜的厚度控制養(yǎng)分的釋放。國(guó)外大量的研究結(jié)果

5、表明，只 有包膜的厚度和環(huán)境溫度控制控釋肥料的養(yǎng)分供應(yīng)速度，其中溫度是主要因素。 控釋肥料中養(yǎng)分的釋放速度或供應(yīng)速度不受土壤水分多少、環(huán)境DH值高低、微 生物活性大小等環(huán)境因素的影響。其中水分是養(yǎng)分釋放后運(yùn)輸?shù)谋匾獥l件，而并 非養(yǎng)分釋放的決定條件，因?yàn)橹灰諝庵杏兴?，包膜?nèi)的養(yǎng)分就會(huì)溶解，并在 養(yǎng)分勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下從膜內(nèi)向膜外擴(kuò)散。在土壤水分不足時(shí)，膜內(nèi)的養(yǎng)分就聚集在膜 外(養(yǎng)分釋放了)，難以被植物吸收利用，或少量通過(guò)作物根系的截獲而吸收利用； 當(dāng)土壤水分比較充分時(shí)，就可以通過(guò)質(zhì)流或擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)礁怠?控釋肥料研究和發(fā)展的現(xiàn)狀3 .1控釋包膜技術(shù)的發(fā)展控釋肥料研制以來(lái)，控釋技術(shù)從探索階段的無(wú)機(jī)物包裹

6、大粒碳銨技術(shù)和肥包 肥技術(shù)發(fā)展到了現(xiàn)階段的樹(shù)脂包衣技術(shù)。現(xiàn)代樹(shù)脂包衣技術(shù)按照發(fā)展進(jìn)程有以下 代表類(lèi)型。溶劑型樹(shù)脂包衣技術(shù)徐秋明在國(guó)內(nèi)較早研發(fā)該項(xiàng)技術(shù)并最早將其轉(zhuǎn)化為工業(yè)化技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù) 是在高溫下以有機(jī)溶劑溶解回收塑料等烯烴類(lèi)熱塑性樹(shù)脂，然后將其在底噴風(fēng)動(dòng) 流化塔內(nèi)均勻地包覆在尿素、復(fù)合肥等顆粒肥料表面。該項(xiàng)技術(shù)目前已用于控釋 肥料工業(yè)化生產(chǎn)。樹(shù)脂包覆硫衣尿素技術(shù)(PSCU)硫衣尿素作為緩釋肥料早在20世紀(jì)中葉就在國(guó)外應(yīng)用。加拿大已經(jīng)將該項(xiàng)技術(shù)成功的升級(jí)到樹(shù)脂包覆硫衣尿素(PSCU)。水溶性樹(shù)脂或水基聚合樹(shù)脂包衣技術(shù)樊小林等最早對(duì)該項(xiàng)技術(shù)及3S技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)。所謂3S技術(shù)就是水溶性樹(shù) 脂、脂

7、溶性樹(shù)脂(溶劑型包衣技術(shù))表面反應(yīng)成膜樹(shù)脂的3個(gè)規(guī)模(Scale)之技術(shù) 及其放大和過(guò)渡技術(shù)，即實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(Lab scale)、中試規(guī)模(Pilot scale)和工 業(yè)化規(guī)模(Commercial scale)三級(jí)包膜技術(shù)，以及逐級(jí)過(guò)渡和放大的技術(shù)。水溶 性樹(shù)脂或水基聚合樹(shù)脂包衣技術(shù)已被用于控釋肥料的工業(yè)化生產(chǎn)。肥料表面反應(yīng)成膜包衣技術(shù)在化肥價(jià)格高漲、包膜材料價(jià)格高攀和溶劑價(jià)格上漲及其具有潛在環(huán)境污染 的嚴(yán)峻形勢(shì)下，國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃“控釋包膜技術(shù)研究”課題組在以 往大量研究工作的基礎(chǔ)上，已經(jīng)將核芯肥料表面反應(yīng)成膜的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)通過(guò)3S 技術(shù)，成功地應(yīng)用于包膜控釋肥料的產(chǎn)業(yè)化中。該反

8、應(yīng)成膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需任 何溶劑，不污染環(huán)境，成膜工藝和設(shè)備比較簡(jiǎn)單，膜材料用量少，包膜成本低?？傊鲜鏊膫€(gè)方面的前三項(xiàng)技術(shù)概括了我國(guó)控釋肥料的包膜技術(shù)。但是這 三項(xiàng)技術(shù)各有利弊，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)周全考慮。溶劑型樹(shù)脂包衣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成 本比較低，制造工藝難度小，但問(wèn)題是溶劑的回收率達(dá)不到理想指標(biāo)，溶劑對(duì)人 體和環(huán)境有一定的危害，控釋肥料成品難免殘留溶劑，致使肥料有異味。樹(shù)脂 PSCU技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是制造的成本低，便于在大田作物上施用，但缺點(diǎn)是肥效期短， 難于達(dá)到高質(zhì)量的控釋標(biāo)準(zhǔn)。水溶性樹(shù)脂或水基聚合樹(shù)脂包衣技術(shù)是今后樹(shù)脂包 衣控釋肥料的發(fā)展方向，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需回收溶劑(無(wú)溶劑)，使用安全，成品無(wú)味，

9、 但是其對(duì)包衣技術(shù)和工藝的要求比較高。因此，肥料表面反應(yīng)成膜技術(shù)是目前最 理想的包膜技術(shù)。與控釋包膜技術(shù)有關(guān)的研究領(lǐng)域，特別是核芯肥料的理化性質(zhì)的研究也受到 了重視。就包膜質(zhì)量而言，被包衣的核芯肥料表面特性，尤其是比表面積的大小、 表面積的光滑程度是影響包膜控釋肥料質(zhì)量的直接因素。戴建軍和樊小林等報(bào)道 了用核芯肥料的比表面積來(lái)控制包衣的厚度，從而控制CRF的肥效期。黃培釗等 用電鏡觀察表明，油冷造粒工藝制得的復(fù)肥顆粒外表面比轉(zhuǎn)鼓造粒工藝制得的復(fù) 肥光滑。樊小林等報(bào)道，同一包膜厚度和單位質(zhì)量下，用大粒徑核心肥料制造的 控釋肥料可明顯減少包膜材料的用量；但要延長(zhǎng)大粒徑控釋肥料的氮素釋放期（減小其釋

10、放率），應(yīng)利用表面光滑的核心肥料制造包膜控釋肥料。核芯肥料的養(yǎng) 分配比也是控釋肥料質(zhì)量的關(guān)鍵所在。有研究者已經(jīng)把混料設(shè)計(jì)應(yīng)用于控釋肥料 的研制之中，為確定核芯肥料配比提供了有益的參考。上述研究結(jié)果表明，核芯 肥料的比表面積大小、表面光滑程度、顆粒的強(qiáng)度等理化性質(zhì)不僅影響到包膜控 釋肥的控釋性能，而且也會(huì)明顯影響控釋肥料的造價(jià)。故此，在控釋肥料的制造 和工藝中核芯肥料的表面性能有極其重要的地位。3.2控釋肥料肥效得到肯定自控釋肥料研究進(jìn)入普及階段以來(lái)，我國(guó)各地開(kāi)展了各式各樣的控釋肥料肥 效試驗(yàn)。據(jù)中國(guó)期刊網(wǎng)資料不完全統(tǒng)計(jì)，自1979年以來(lái)有關(guān)控釋肥料肥效的研 究論文60多篇。其中控釋肥料提高氮素

11、利用率的作用及其對(duì)水稻的增產(chǎn)效應(yīng)、 增產(chǎn)的機(jī)理和控釋肥料的旺根抑衰作用有大量的研究報(bào)道。其次在旱地玉米、冬 小麥、大豆等大田作物上有明顯的增產(chǎn)效果?？蒯尫柿显诓枞~、西瓜、煙草、棉 花、景觀園林植物上的應(yīng)用也都有明顯的增產(chǎn)效果?？梢?jiàn)，控釋肥料在我國(guó)大田作物上的應(yīng)用已經(jīng)受到了眾多研究者的重視，表 明在大田作物上推廣應(yīng)用控釋肥料及其延伸產(chǎn)品不僅有相當(dāng)大的市場(chǎng)需求，而且 也給控釋肥料研究者提出了一個(gè)新的課題，即如何制造控釋效果好且成本低的控 釋肥料。所以，我國(guó)的控釋肥料研發(fā)應(yīng)該重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，并順應(yīng)市場(chǎng)的需 求開(kāi)展高質(zhì)量、低成本控釋肥料制造技術(shù)的研究。3.3控釋包膜材料有突破目前國(guó)內(nèi)代表性樹(shù)脂包衣

12、控釋肥料工業(yè)產(chǎn)品有水溶性樹(shù)脂和表面反應(yīng)成膜 樹(shù)脂包衣控釋肥料、表面反應(yīng)成膜控釋肥料、溶劑型熱塑性樹(shù)脂包衣控釋肥料。 包衣材料實(shí)際上為以下4種：1）水溶性樹(shù)脂，即水基聚合或水基交聯(lián)聚合樹(shù)脂；2）核芯肥料表面或原位反應(yīng)成膜類(lèi)樹(shù)脂（聚氨酯類(lèi)樹(shù)脂）；3）醇酸樹(shù)脂；4）溶劑型熱塑性烯烴類(lèi)樹(shù)脂從節(jié)約能源和環(huán)保兩個(gè)方面衡量，認(rèn)為今后控釋肥料包膜材料的取材方向應(yīng) 該是上述四類(lèi)樹(shù)脂中的水溶性包衣材料和核芯肥料表面原位反應(yīng)成膜類(lèi)樹(shù)脂。目 前華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京土壤研究所在國(guó)家科技支撐計(jì)劃的資助下， 在水基聚合物包膜制料的合成方面取得了叫顯的進(jìn)展，水溶性樹(shù)脂合成技術(shù)已經(jīng) 用于工業(yè)化制造包膜材料。華南農(nóng)業(yè)

13、大學(xué)研發(fā)的核芯表面原位反應(yīng)包膜控釋技術(shù) 也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。4控釋肥料研究展望及建議4.1我國(guó)控釋肥料研制與國(guó)際同類(lèi)研究的差距與國(guó)際同類(lèi)研究相比，總體而言我國(guó)控釋肥料研究水平參差不齊，在高端技 術(shù)上，不及國(guó)際先進(jìn)水平。例如工業(yè)化大規(guī)模的控釋肥料制造水平趕不上歐美發(fā) 達(dá)國(guó)家，但是個(gè)別企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量有的優(yōu)于歐美國(guó)家的產(chǎn)品。在原位反應(yīng)成膜、 無(wú)溶劑叫收脂溶性樹(shù)脂包衣技術(shù)上有一定的差距，但水溶性樹(shù)脂包衣技術(shù)優(yōu)于國(guó) 際同類(lèi)產(chǎn)品。在高端市場(chǎng)的控釋肥料制造技術(shù)和工藝上不及歐美國(guó)家，但在大田 作物等中低端市場(chǎng)的控釋肥料制造工藝和技術(shù)上普遍優(yōu)于國(guó)外。在樹(shù)脂滾筒包衣 技術(shù)和工藝上不如國(guó)際同類(lèi)，但是在底噴流化和底噴

14、風(fēng)動(dòng)流化包衣方面已經(jīng)達(dá)到 國(guó)際先進(jìn)水平，某技術(shù)已經(jīng)超過(guò)國(guó)際水平。在控釋肥料的系列化方面與國(guó)際同類(lèi) 有一定的差距，但是在控制養(yǎng)分釋特性的控釋肥料研究方面（如異粒變速控釋肥 料制造技術(shù)）處于國(guó)際領(lǐng)先水平。在控釋肥料應(yīng)用面上，國(guó)際同類(lèi)的優(yōu)勢(shì)大于我 國(guó)。國(guó)際上特別是歐美的控釋肥料質(zhì)量穩(wěn)定，而國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，主要 是受核芯肥料的限制。可見(jiàn)，我國(guó)控釋肥料研制需要開(kāi)展重點(diǎn)突破（提升控釋肥料關(guān)鍵技術(shù)研究水 平）、多方位攻關(guān)（普遍提升控釋肥料的研究水平）式的合作研究，以便提高我國(guó) 控釋肥料研究和控釋肥料產(chǎn)品的總體水平。4.2控釋肥料研究與發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)綜合國(guó)內(nèi)控釋肥料研究各個(gè)方面，控釋肥料研究和總體發(fā)展

15、趨勢(shì)是：緩釋和 控釋分家、控釋肥料向兩個(gè)方向并重發(fā)展。緩釋和控釋分家不僅有利于深入開(kāi)展控釋肥料和緩釋肥料的研究及其肥效評(píng)價(jià)， 而且有益于各自早日實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化制造。所謂控釋肥料兩個(gè)方向并重是指，同叫加強(qiáng)開(kāi)展高端市場(chǎng)控釋肥料研制和中 低端市場(chǎng)（大田作物）控釋肥料的研制力度，并推進(jìn)各自的產(chǎn)業(yè)化。這一點(diǎn)是我國(guó) 的國(guó)情所決定的?？蒯尫柿显O(shè)計(jì)的初衷是以樹(shù)脂包衣肥料滿(mǎn)足沙漠、干旱少雨、 或暴雨頻發(fā)地區(qū)對(duì)肥料非常敏感的作物（如花卉）、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)且需肥最大且種植 面積大的作物（如油棕）、高經(jīng)濟(jì)價(jià)值作物（如煙草）的需求。這一類(lèi)作物和特殊環(huán) 境對(duì)控釋肥料的最大要求是肥效期長(zhǎng)，一般短期的為3個(gè)月，中期的為6到8

16、個(gè)月，長(zhǎng)期的為12到15個(gè)月，并且要求養(yǎng)分釋放曲線與作物吸收曲線基本吻合， 故此是高端產(chǎn)品。所以對(duì)于高端市場(chǎng)的產(chǎn)品，要求制造過(guò)程嚴(yán)格控制工藝和技術(shù)， 確保質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。中低端市場(chǎng)（大田作物）的控釋肥料就是指可以普遍用于大田作物 或大田經(jīng)濟(jì)作物上的控釋肥料。對(duì)這類(lèi)肥料的要求是微分溶出率要大，但是后期 又不脫肥，能夠滿(mǎn)足大田作物一生一次施肥的需要。最近，作者了解到，在臺(tái)灣 和東南亞國(guó)家，大田施用控釋肥料已習(xí)以為常，而且一周內(nèi)必須有三分之一的養(yǎng) 分釋放，否則將造成作物前期缺肥。因此這類(lèi)控釋肥料的研制對(duì)控釋技術(shù)的要求 與高端產(chǎn)品不同，控釋效果的不同有望降低制造的成本。但是同時(shí)要注意如何做 到僅僅是前一周釋

17、放大約三分之一的養(yǎng)分，而以后又進(jìn)入控釋階段。4.3控釋肥料研究的前沿領(lǐng)域綜上所述，我國(guó)控釋肥料研究和制造已經(jīng)逐漸步人正軌，但是我國(guó)控釋肥料 研究存在一些薄弱環(huán)節(jié)和空白區(qū)，有待今后工作中進(jìn)一步深入。目前，我國(guó)控釋 肥料研制中尚待進(jìn)一步加強(qiáng)的方面如下：1）控釋技術(shù)領(lǐng)域在控釋技術(shù)領(lǐng)域的研究建議開(kāi)展具有“S”型釋放曲線的控釋技術(shù)研究；摻 混控釋技術(shù)的研究；非溫控型控釋技術(shù)研究。2）控釋包膜工藝建議開(kāi)展復(fù)式包膜工藝的開(kāi)發(fā)研發(fā)；水基聚合物或水溶性樹(shù)脂包膜工藝的研 發(fā)；快速低能耗包膜工藝的研發(fā)；無(wú)溶劑回收包膜工藝的研發(fā)；原位反應(yīng)包膜工 藝的研發(fā)；溶劑高效回收工藝的研發(fā)。3）包膜材料開(kāi)發(fā)建議開(kāi)展水溶性樹(shù)脂或水

18、基聚合包膜材料的研發(fā)；控釋效果好、包膜能耗低 的高分子材料研發(fā)；降解周期短的包膜材料研發(fā)。4）控釋肥料核芯肥料研發(fā)建議開(kāi)展核芯肥料養(yǎng)分的配比、養(yǎng)分形態(tài)及其配比的關(guān)系的研究；改善核芯 肥料表面特性和增加顆粒強(qiáng)度的工藝的研究；增加核芯肥料硝態(tài)氮比例的工藝和 技術(shù)的研究；核芯肥料增加有效微量元素的工藝和技術(shù)的研究。包膜控釋肥料在線質(zhì)量控制方法和技術(shù)研究建議進(jìn)一步加強(qiáng)控釋肥料快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)肥效期的測(cè)定方法研究；建立 控釋肥料在線質(zhì)量檢測(cè)方法；分別建立控釋肥料、緩釋肥料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。4.4當(dāng)前我國(guó)控釋肥料研制尚未涉足的空白領(lǐng)域或不受重視的領(lǐng)域控釋效果與控釋肥料有效養(yǎng)分含量的關(guān)系當(dāng)前控釋肥料消費(fèi)者大都注重肥料 的控釋效果及養(yǎng)分配比，而不太強(qiáng)調(diào)控釋肥料養(yǎng)分的總量。因此，可能為達(dá)到控 釋效果而增加大量的包膜材料，致使單位肥料供給的養(yǎng)分量明顯降低。所以造成 了以高價(jià)位購(gòu)買(mǎi)低養(yǎng)分含量肥料的問(wèn)題，也給一些以大量低廉膜材大量包膜的肥 料提供了謀利的機(jī)會(huì)。故此，控釋效果好、包膜耗材少、養(yǎng)分含量高的包膜控釋 技術(shù)及工藝是今后控釋肥料研發(fā)的方向之一。在我國(guó)水溶性樹(shù)脂或水基聚合物包膜材料及其相應(yīng)的包膜工藝是今后應(yīng)該探 索的領(lǐng)域之一。無(wú)溶劑、表面反應(yīng)成膜包膜原材料和包膜技術(shù)的