包膜型缓_控释肥的研究现状及应用前景
第46卷 第3期2008年6月
化肥设计
Che m ical Fertilizer Design
J une2008
化肥选型
包膜型缓/控释肥的研究现状及应用前景
祝红福,熊远福,邹应斌,文祝友,熊海蓉,蒋利华
(湖南农业大学,湖南长沙 410128)
摘 要:阐述了包膜型缓/控释肥料的包膜类型、养分释放机理及其影响因素;论述了国内外包膜型缓/控释肥料的研究现状及其发展趋势;综合分析了我国包膜型缓控释肥料在生产和应用方面存在的问题及其解决办法。
关键词:包膜型缓/控释肥料;包膜材料;种子包衣肥;
中图分类号:TQ449.1 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2008)03-0061-04
Present R esearch Sit uati o n for Coated Sl o w ly/C ontro lled R eleasi n g F ertilizer and Its Application Prospect
ZHU H ong f u,X I ONG Yuan f u,Z OU Y i ng b i n,W EN Zhu you,X I ONG H ai rong,JI ANG L i hua
(H unan Ag ri cult ure Un i v e rsit y,Changcha Hunan410128 China)
Abstract:Au t hor has descri bed t he coati ng k i nd,nutrient rel eas i ng m ech an i s m and i ts i n fl uen ce factors for the coated sl ow ly/controll ed releasi ng f ertilizer;h as d iscussed t he presen t research situati on and its devel op i ng tendency f or the outs i de coated slo w l y/con trolled releasi ng f ertilizer abroad and at ho m e;has co mp rehen si vel y anal yzed the ex i sti ng p rob l e m s and their s o l uti on m et hod i n aspects of produ cti on and app li cati on f or t h e coat ed sl ow ly/con-trolled releasi ng fertili zer i n Ch i na.
K ey w ords:coated slo w l y/controll ed releas i ng fertili zer;m aterial f or coati ng;seed coated fertili zer
肥料在农业生产中占有非常重要的地位,是农业生产中最大的物质投资,约占其全部生产性支出的50%[1]。由于化肥的不合理使用和化肥的淋失、转化、挥发等原因,我国化肥当季利用率低,造成了巨大的资源浪费和严重的环境污染,有些地区出现地表富营养化以及地下水和蔬菜中氮含量严重超标等问题[2]。如何把肥料应用与农作物的产品、产量、质量以及环境保护有机地结合起来,已经成为肥料领域研究中特别关注的焦点。包膜型缓/控释肥能够根据作物生长的需肥规律释放养分,在相同产量下比施用传统肥料节省30%~40%,可有效地减轻对环境的污染,节省成本,是新型肥料发展的主要方向[3]。
1 包膜型缓/控释肥的类型
缓释肥料(slo w release fertilizers)简称SRFs,其特点是肥料施入土壤后,转变为植物有效态养分的释放速率比速溶性肥料小。控释肥(controlled re-lease fertilizers)简称CRFs,其特点是结合现代植物营养理论与控制释放的高新技术,并考虑作物营养需求规律,通过使用不同的包膜材料,控制肥料在土壤中的释放期与释放量,使其养分释放模式与作物生长发育的需肥要求相一致,是缓释肥料的高级形式[4]。包膜型缓/控释肥料按其包膜材料不同可分为无机物包膜肥和有机聚合物包膜肥2种类型。
1.1 无机物包膜肥
无机物包膜肥的材料包括沸石、硅藻土、硫磺、石膏、金属磷酸盐、硅粉等。这些无机材料成本较低,且对土壤不构成危害,同时能为植物提供多种盐基离子,具有一定的缓释效果;但无机物包膜肥弹性差、易脆,不能实现对养分的控制释放[5]。无机物包膜肥中对硫磺包膜材料的研究最多。使用硫包膜尿素可使N利用比较普通尿素提高1倍,特别适用于生长期较长的作物,并且能补充土壤中硫的不足。养分的控释通过调节包膜的厚度和封面剂(石蜡)的用量来实现。近些年,报道了对表面活性改良后的沸石包膜材料对N的控释以及钙十字沸石对P、K的控释研究,实验表明它们对P、K的控释效果明显提高。郑州工学院以尿素为核心,以钙镁肥为包裹物料,以无机酸和缓溶剂制得钙镁磷肥改性复合肥料。无机物包膜材料的缺点是对肥料颗粒的封闭性比较差,膜层表面容易形成一些较
基金项目:湖南省科技厅重点项目(03NKY1008),湖南省教育厅重点项目(03A019)。
作者简介:祝红福(1982-),男,湖南常德人,2006毕业于湖南农业大学,在读项士,从事农用精细化工产品的研究工作。
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大尺度的孔隙,肥料养分容易快速溶出,且膜层存在储存或运输过程中容易脱落,影响缓释性质。一些厂家用有机聚合物(热塑性塑料或树脂)在硫包衣尿素上再包1层较薄的普通聚合物膜,以增强抗磨损性能。
目前有研究发现,无机材料的细度对无机包膜肥料的影响很大。细度增加,材料粉粒在肥料表面整齐度增加,比表面积减小,微孔降低。细度为60 m的材料比细度为120 m时所生产的包膜肥料的养分释放时间提高10倍以上;但是随着材料细度的增大,微粒的比表面会急剧增大,出现一些不良性状。因此如何降低微粒的比表面能,将无机材料改性,是无机物包膜肥料亟待解决的问题[6]。
1.2 有机聚合物包膜肥
有机聚合物包膜肥按其包膜材料的来源可以分为3类。
(1)天然高分子 这类材料包括天然橡胶、阿拉伯胶、明胶、海藻酸钠、纤维素、木质素、淀粉等。天然高分子材料虽然来源广、无毒、稳定、成膜性好、价廉易得,但其易被生物降解,控释效果较差,一般要通过改性后才能作为控释肥的包膜材料[7]。
(2)合成高分子 这类材料包括热塑性聚烯烃类,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺,以及热固性树脂如脲醛树脂等。合成高分子包膜的特点是包膜厚度可以控制,对土壤条件不十分敏感、养分扩散速率由聚合物的化学性质控制,因而可实现对养分的控释。由于合成高分子包膜的弹性好,更适合于机械化施肥。该类包膜的缺点是价格高,一般不溶于水,需要有机溶剂溶解,包膜工艺比较复杂,且因其在土壤中分解缓慢而带来环境污染。虽然可采取改性方法促使其降解,但对环境是否有影响还有待进一步探讨[3-8]。
(3)半合成高分子 这类材料是指天然高分子经过改性后形成的一类高分子化合物,以纤维素的衍生物为主,黏度大、成膜性良好、易水解,如甲基纤维素钠和乙基纤维素。目前对该类高分子包膜的研究报道较少,但其市场前景非常广阔[9]。
2 包膜控释肥的养分控释机理
根据包膜控释肥料包膜材料类型的不同,其养分释放机理可以分为以下3类。
(1)具有微孔的不渗透膜,养分从膜层微孔溶出,溶出的速度取决于膜材料性质、膜的厚度以及加工条件。
(2)不渗透膜,靠物理、化学、生物作用破坏而释放养分。
(3)半渗透性膜层,水分扩散到膜层内直到内部渗透压把膜层胀破或膜层扩张到具有足够的渗透性而释放养分[9]。
不同类型或不同膜材料的包膜肥料受各种因素影响的程度存在较大差别。硫包衣尿素的释放速率受土壤微生物活性的影响较大。与硫包衣尿素等相似的无机物包膜材料的包膜肥料受土壤水分含量影响较大。有机聚合物包膜肥料,在土壤田间持水量和作物凋萎含水量范围内,除受土壤温度影响较明显外,受其他环境因子的影响较小[10]。
温度对包膜肥料养分释放速率的影响是通过溶解和扩散作用来达到的。例如,日本生产的树脂型包膜肥料依赖于温度的水分弥透性,可以采取添加无机粉末来调节无机成分与树脂的比例,改变包膜成分及其通透性,控制包膜内养分释放速度的快慢。这类聚烯烃包膜肥料不同于传统包膜肥料,表现出养分释放可控性高,但受温度影响较明显,其温度效应值是2,即温度每升高10 ,作物的生化过程速度增加1倍,养分释放与作物养分吸收比较容易达到协调一致。
3 国内外包膜肥料研究现状及发展趋势
3.1 国外研究现状
美国是世界上最早研究缓/控释肥料的国家,以包硫尿素(SC U)为主,此外还有包硫氯化钾(SCK)、包硫磷酸二铵(SCP)等。改进的包硫尿素在其表面包覆1层烯烃聚合物,产品名为Po lys,这种产品售价比聚合物包膜肥料便宜,在美国市场上被广泛使用[11]。美国的Os m ocote仍为世界上最有影响的包膜肥料。日本是研究和应用控释肥料技术较先进的国家,以高分子包膜肥料为主,1970年注册了热固型树酯包膜肥CSR。1979年日本相继研制出具有精确控释和缓释的双重功能的热塑型及热固型树脂包膜肥料,1980年研制出热塑型树脂聚烯烃包膜肥料(N tricote),与美国的Os m oco te同为国际知名品牌。20世纪90年代的缓释肥料主要是生产包膜尿素、热固性树脂包膜及含农药的包膜肥、生物可降解的脂肪族聚酯和微晶石蜡包膜材料,目前则以生产可降解聚合物包膜肥料为主[1-9]。
欧洲各国侧重于微溶性含氮化合物缓释肥料的研究。德国研究重点以聚合物为包膜材料生产包膜肥,1999年申请了有关降解的聚合物、醋酸纤维素、织物和木质素制备包膜肥的世界专利,同年在中国申请了涂层肥料专利。德国还生产树酯包膜NPK复合肥以及中、微量元素系列配方肥。英国的控释肥专利是在磷酸盐玻璃中引入K、C a、M g,形成玻璃态控释肥,而氮以CaC N的形式加入。由于这种肥料存在不释放养分的诱导期,适合于幼树苗生长。法国的缓释肥料,一是用三聚磷酸钠或六偏
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磷酸钠包裹金属过氮化物作为土壤添剂;二是用聚合物包膜肥料与细菌结合在一起。西班牙用松树木质素纸浆废液包膜尿素制得系列肥料[5~8]。
3.2 国内研究现状
1973年,中科院南京土壤研究所成功研制出钙镁磷肥包膜的碳酸氢铵,不仅控制了养分的释放,而且抑制了氨的挥发,具有良好的肥效,增产显著。20世纪80年代,南京土壤研究所、郑州工业大学开发出磷酸盐包膜尿素,制成了以复合肥包裹肥料的缓释肥。20世纪90年代,郑州工业大学在研究包裹型复合肥料的基础上,开发了缓效多营养包硫尿素,并已工业化生产,商品为Luxecote,肥效期为90 ~120d。20世纪90年代末,由沈阳农业大学韩晓日主持的教育部留学回国人员基金 新型包膜控效专用化肥研究 和辽宁省自然科学基金 新型水稻玉米控释专用化肥研究 ,完成了应用聚乙烯醇(PVA)和淀粉为主要成分的合成包膜剂,包膜与氮肥增效剂、缓释剂、保水剂及土壤改良剂等混合包膜工艺,实现了常温下包膜,养分控释效果好,并可根据作物种类、土壤条件调节包膜材料的比例和厚度,以保证1次施肥就能满足作物整个营养期对养分的需要,同时所用包膜材料在土壤中能降解,无毒副作用,符合环境友好型肥料的要求。该项目研究填补了国内在该领域的空白[1~3]。1998年浙江农大开发了聚合物包膜肥,湖南省土肥所研制成水稻专用控释肥。2003年中国农大研制成包膜控释肥,价格仅为国际同类产品的1/4左右。
十五 期间沈阳农业大学承担了国家 863 计划 新型缓/控释肥料研制及其产业化 和辽宁省攻关课题 新型肥料研制与高效利用 研究,应用聚乙烯醇(P VA)、淀粉、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和二氧化硅粉为主要包膜材料,添加适量硝化抑制剂和脲酶抑制剂在常温条件下包涂多种专用复合肥料。已研制开发出的专用肥料有低透性水稻包膜肥料、抗旱保水型玉米缓控肥料、蔬菜包膜专用肥料和草坪包膜专用肥料等,均获得国家发明专利[9]。
3.3 发展趋势
世界化肥的生产和使用经历了3次变革。20世纪60年代之前,生产的化肥多为单质低浓度肥料。20世纪60~80年代,发达国家发展了高浓度化肥和复合肥。最近20年来,发达国家开始重点研究缓/控释肥料等新型肥料。鉴于现代农业生产需要及环境生态意识和资源保护意识的加强,必然会促进对包膜型控释肥的研究与开发,因此包膜型控释肥是21世纪肥料的主要发展方向[3]。
国内外包膜控释肥的研究,开始都是对单一养分肥料或复合肥进行包膜,以达到缓释效果,而真正意义上的控释肥还没有形成。今后国内外都会将研究的重点放在作物专用肥包膜的研究上。因为作物专用包膜肥是根据作物营养需求比例以及营养吸收规律对其进行包膜的,包膜后可使其养分的释放速率(释放期、释放量)与作物需肥特征(需肥期、需肥量)趋于一致,根据作物不同生长阶段的养分需要,将养分供给作物。另外,绝大部分包膜肥都是采用有机溶剂工艺包膜法,而有机溶剂具有毒性并对环境造成的污染,因此,水基成膜法的研究逐渐成为包衣技术的热点,而且利用水不溶性高分子材料的水分散体(乳液)包衣制备控释膜也逐渐引起了人们的重视。这类肥料不仅能极大地提高肥料利用率,减少环境污染,而且还能节省成本,提高经济、社会和生态效益[7]。
4 包膜型缓/控释肥应用存在的问题
目前全球包膜肥的消耗总量约为65万,t其中2/3是聚合物包膜肥料,约占总量的90%,多用于非农业市场(高尔夫球场、苗圃、专业草坪、景观园艺),仅有10%用于农业,且主要是用在经济价值高的蔬菜、草莓、柑橘等,用在大田粮食作物上的比例就更少。包膜型缓/控释肥难以大面积推广的主要原因如下。
(1)价格 与普通肥料相比,包膜缓/控释肥料的生产成本比常规肥料高2倍~8倍,这是限制包膜缓/控释肥料在农业,尤其是在大田作物上推广应用的主要因素。
(2)产业化 包膜肥料生产工艺较复杂,关键设备和工艺配套的研究相对薄弱,养分控制要求比较高,产业化研究与开发相对滞后。
(3)控释材料 由于目前的控释材料多为硫、树脂类材料,功能限于缓释,促/控释的材料尚缺。
(4)控释理论的研究相对薄弱,尤其是缺乏学科交叉的综合研究,如化学结构、化学工程、农业化学和植物生理等方面的联合攻关尚待加强。
(5)农民对包膜型缓/控释肥料的认知度较低,政府示范推广和宣传的力度不够[8]。
5 种子包衣肥的开发研制
随着国家对农业 优质、高产、高效 现代化持续发展的要求,肥料当季利用率低的问题已引起了国家农业部门的高度重视。研制缓/控释肥是提高肥料利用率的有效途径之一,而对肥料进行包膜使之养分缓慢释放为缓释/控释肥的研究提出了新的思路[6]。
笔者认为,包膜型控释肥要在农业上得到推
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第3期祝红福等 包膜型缓/控释肥的研究现状及应用前景
广,必须有以下几个方面的创新。
(1)开发新型廉价的缓/控释材料,降低缓/控
释肥成本,是今后长期研究的热点。
(2)加大研究缓/控释肥新工艺、新设备配套的力度,保证缓/控释肥的规模化生产,大幅降低生产成本。
(3)建立公认的性能评价体系,使研究成果有可比较之标准。
(4)加大市场监督,加强宣传力度,改变农民对肥料的传统认识,使他们真正认识到包膜肥料产品在生态效益和社会效益方面的优越性。
中国作为一个发展中国家,要在控释肥技术上有所突破,必须另辟蹊径,发展具有中国特色的控释肥技术。种衣剂是用于作物或其他植物种子及苗木包衣,是可以标准化、商品化的具有成膜特性的特殊药物剂型。种衣剂具高度靶标性,可将微肥、农药包衣在种子表面,产生缓释作用,从而大大
减少用药量[14-15]
。借鉴种衣剂理论,湖南农业大学另辟新径,首次提出了基于种衣剂作用原理的种子包衣肥的设想,并已进行研究。种子包衣肥是一种用于作物或其他植物包衣的具有成膜特性的种子处理剂。通常种子包衣肥由常量肥料(N 、P 、K )、微量肥料、植物生长调节剂、土壤调节剂、成膜剂、分散剂等助剂加工而成,可直接或经过稀释后包覆于种子表面,形成具有一定强度和通透性保护膜制剂。种子包衣肥不同于浸种、拌种以及用作基肥的肥料,它是通过包衣在种子表面固化成膜形成种衣,种衣在土壤遇水吸胀、透气而不被溶解,不仅能使种子正常发芽,还能使作物所需的肥料养分缓慢释放,让肥料得到充分吸收利用,从而达到壮苗增产效应。种子包衣肥也不同于缓/控释肥,种子包衣肥中的活性成分覆盖于种子表面,待种子发芽后,由于其活性成分离幼苗根较近,释放出的活性成分向作物根部扩散的速度较快,能被作物根系充分利用。种子包衣肥既保持了拌种、浸种方法对种子的植保作用和缓/控释肥能缓释肥料养分的特
性,又克服了靶标施药效能低、肥料利用率低、对人畜不安全、不能贮藏等缺点,因此,种子包衣肥能最大限度地产生经济效益、社会效益和生态效益。参考文献:
[1]杨丽,周丽君.控释肥料的研究动态和展望[J].垦殖与稻作,
2006,(2):47-49.
[2]张民,杨越超,宋付鹏.包膜控释肥料研究与产业化开发[J].化
肥工业,2005,32(2):7-13.
[3]邹应斌,贺帆,熊远福,等.包膜复合肥对水稻生长及营养特性
的影响[J].植物营养与肥料学报,2005,11(1):57-63.[4]王红飞,王正辉.缓/控释肥料的新进展及特性评价[J ].广东化
工,2005,(2):9-12.
[5]赵琳琳,熊汉国.包膜化肥的特点及应用概况[J].湖北农业科
学,2006,45(2):42-44.
[6]杨同文,尹飞,杨志丹,等.包膜肥料研究现状与进展[J].河南
农业大学学报,2003,37(2):8-11.
[7]F l annery R L and Bu ssc h erW J .U s e of syn t heti c pol y m er i n potti ng
soils to i m provew ater hol d i ng capaci ty .[J]Co mm un Soil Sci Plant Ana,l 1982,13:103-111.
[8]杜昌文,周健民,王火焰.聚合物包膜肥料研究进展[J].长江流
域资源与环境,2005,14(6):13-15.
[9]杜建军,廖宗文,宋波,等.包膜控释肥养分释放特性评价方法
的研究进展[J].植物营养与肥料学报,2002,8(1):16-21.[10]Fu jisa w a E ,K obayash iA ,H anyu T.A M echan i s m of nutrient re -l ease fro m resin -coated f ertilizers and its esti m at-i on by k i netic m et hod s .Relati on b et w een rel ease of n i rogen fro m resi n-coated u rea and w ater vapor press u re i n sat urated salt s o l uti on s[J].Jap J Soil S ciP l an tNu tr ,2003,69:555-560.
[11]T zi ka M,A l exandridou S,K i pari ss i des C.E val u ati onof the m orpho -l ogi cal and rel ease c h aracteristics of coat ed fertiliz er granu les pro -duced i n a w urster fl u i d ized bed [J ].Powd er t echnol ogy ,2003,132(1):16-24.
[12]郑圣先,肖剑,易国英.温度对包膜型控释肥料养分释放的影
响[J].磷肥与复肥,2002,17(4):14-17.
[13]徐和昌,柯以侃,韩立新,等.几种缓释肥料包膜的性质和分析
方法[J].中国农业科学,1995,28(4):72-79.
[14]熊远福,文祝友,熊海蓉,等.农作物种衣剂研究进展[J].湖南
农业大学学报,2004,30(2).
[15]熊远福,邹应斌,文祝友,等.水稻种衣剂对秧苗生长、酶活性及内源
激素的影响[J].中国农业科学,2004,37(11):1611-1615.[16]陆建刚.国内外新型肥料的开发[J].化肥工业,1994,21(3):8-16.
收稿日期:2007-12-13
造气技术问答 (2008年版)征订启事
造气技术问答 (2008年版)在1993年版的基础上,进行了较大幅度地增补和完善,以近千条问答的形式全面系统地介绍了以煤焦为原料,固定层煤造气生产的全过程。该书汇集了作者从事造气工作50余年的工作经验,内容涉及煤的性质与利用、粉煤成型技术、半水煤气制造、设备结构与性能、节能和技改、分析与测定、典型事故原因与对策、科学管理、环保与安全、仪器仪表、系统化工计算等,是一本内容丰富、实用性强、通俗易懂的大型工具书。 造气技术问答 适合从事造气生产的领导、工程技术人员、技术工人以及从事造气技术设计、研究、开发和管理以及其他相关行业的人员阅读、参考和借鉴。该书为大16开,约70万字,单价90元/册(50册以上85元/册,100册以上80元/册)。
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