包膜控释肥料的现状和展望

1、包膜控释肥料现状和展望摘要研究和开发包膜控释肥料是肥料领域的新热点，其对提高肥料利用率 和保护环境有着十分重要的现实意义。本文主要阐述了包膜控释肥料的重要性， 控释肥料的概念，控释肥料研究和发展的现状，以及控释肥料研究展望及建议。关键词 包膜控释肥料概念现状 展望1控释肥料研究及产品开发的重要性我国开展控释肥料研制是为解决“中国农业持续发展的肥料问题”，在继“我 国化肥面临的突出问题及建议”的报告后，力图通过改造肥料而提高化肥的利用 率。结合我国国情，控释肥料的研制目标被锁定在三个方面：1）肥料的供肥量和 供肥速度与作物吸收基本吻合；2）控释肥料本身及其制造过程对环境无污染；3） 控释肥料的价

2、格低廉，即一方面高端产品的价格低于国际同类产品，另一方面用 于大田的中低端产品最终不增加农民的投入或不降低农民的收入。不少学者也曾认为，包膜控释肥料、缓释肥料是世界肥料的发展方向，其原 因是控释肥料及其延伸产品能明显地提高肥料利用率，大大降低施肥劳动强度。 全球现有包膜控释肥料消费量虽在150万吨左右，但是近几年消费量的增长速度 很快。中国是世界上的肥料消耗大国，目前年需要化肥1.21.3亿吨，但是肥 料利用率低及其引发的问题已经引起各界的关注。因此，发展以包膜控释肥料掺 混型的复合肥料将是我国肥料业的必然发展趋势之一。如果按现有化肥消耗量的 5%用包膜控释肥料代替，那么控释肥料和缓释肥料的大

3、田作物需求量将为600 650万吨。由此可见控释肥料和缓释肥料有极其广阔的应用前景和市场需求。当前我国农民购买化肥的费用仍然占生产总成本的50%左右，有些地区甚至 更高，为了有效地解决当前化肥价格高涨、化肥利用率低、劳动力成本增加、化 肥面源污染严重等问题，迫切需要研制系列专用复混型缓或控释肥料BB肥。其 核心产品是控释肥料，因此开展包膜材料、包膜控释技术、包膜工艺、包膜控释 肥料在线质量控制等几方面控释技术及其产业化关键技术的研究，对于保障我国 控释肥料研究成果的产业化，产业化后企业持续发展的技术储备，以及我国控释 肥料产业的稳健发展和使控释肥料以控释BB肥走向大田作物均具重要的意义。2控释

4、肥料的概念控释肥料(Controlled releasefertilzer):采用聚合物包膜，可定量控制 肥料中养分释放数量和释放期，使养分供应与作物各生育期需肥规律吻合的包膜 复合肥和包膜尿素。缓释肥料(Slow release fertilizer):采用物理、化学和生物化学方法制 造的能使肥料中养分(主要是氮和钾)在土壤中缓慢释放，使其作物有效性明显延 长的肥料。缓释期和缓释量无定量规定。之所以说控释肥料是采用聚合物包膜制造的包膜肥料，是因为只有采用包膜 的方法才可以设计和修改包膜内养分的释放模式，或者说只有采用树脂包膜才能 在一定的范围内通过包膜的厚度控制养分的释放。国外大量的研究结果

5、表明，只 有包膜的厚度和环境温度控制控释肥料的养分供应速度，其中温度是主要因素。 控释肥料中养分的释放速度或供应速度不受土壤水分多少、环境DH值高低、微 生物活性大小等环境因素的影响。其中水分是养分释放后运输的必要条件，而并 非养分释放的决定条件，因为只要空气中有水汽，包膜内的养分就会溶解，并在 养分势的驱动下从膜内向膜外扩散。在土壤水分不足时，膜内的养分就聚集在膜 外(养分释放了)，难以被植物吸收利用，或少量通过作物根系的截获而吸收利用； 当土壤水分比较充分时，就可以通过质流或扩散运输到根系。3控释肥料研究和发展的现状3 .1控释包膜技术的发展控释肥料研制以来，控释技术从探索阶段的无机物包裹

6、大粒碳铵技术和肥包 肥技术发展到了现阶段的树脂包衣技术。现代树脂包衣技术按照发展进程有以下 代表类型。溶剂型树脂包衣技术徐秋明在国内较早研发该项技术并最早将其转化为工业化技术。其关键技术 是在高温下以有机溶剂溶解回收塑料等烯烃类热塑性树脂，然后将其在底喷风动 流化塔内均匀地包覆在尿素、复合肥等颗粒肥料表面。该项技术目前已用于控释 肥料工业化生产。树脂包覆硫衣尿素技术(PSCU)硫衣尿素作为缓释肥料早在20世纪中叶就在国外应用。加拿大已经将该项技术成功的升级到树脂包覆硫衣尿素(PSCU)。水溶性树脂或水基聚合树脂包衣技术樊小林等最早对该项技术及3S技术进行了研发。所谓3S技术就是水溶性树 脂、脂

7、溶性树脂(溶剂型包衣技术)表面反应成膜树脂的3个规模(Scale)之技术 及其放大和过渡技术，即实验室规模(Lab scale)、中试规模(Pilot scale)和工 业化规模(Commercial scale)三级包膜技术，以及逐级过渡和放大的技术。水溶 性树脂或水基聚合树脂包衣技术已被用于控释肥料的工业化生产。肥料表面反应成膜包衣技术在化肥价格高涨、包膜材料价格高攀和溶剂价格上涨及其具有潜在环境污染 的严峻形势下，国家“十一五”科技支撑计划“控释包膜技术研究”课题组在以 往大量研究工作的基础上，已经将核芯肥料表面反应成膜的实验室技术通过3S 技术，成功地应用于包膜控释肥料的产业化中。该反

8、应成膜技术的优点是无需任 何溶剂，不污染环境，成膜工艺和设备比较简单，膜材料用量少，包膜成本低。总之，上述四个方面的前三项技术概括了我国控释肥料的包膜技术。但是这 三项技术各有利弊，在生产实践中应周全考虑。溶剂型树脂包衣技术的优点是成 本比较低，制造工艺难度小，但问题是溶剂的回收率达不到理想指标，溶剂对人 体和环境有一定的危害，控释肥料成品难免残留溶剂，致使肥料有异味。树脂 PSCU技术的优点是制造的成本低，便于在大田作物上施用，但缺点是肥效期短， 难于达到高质量的控释标准。水溶性树脂或水基聚合树脂包衣技术是今后树脂包 衣控释肥料的发展方向，其优点是无需回收溶剂(无溶剂)，使用安全，成品无味，

9、 但是其对包衣技术和工艺的要求比较高。因此，肥料表面反应成膜技术是目前最 理想的包膜技术。与控释包膜技术有关的研究领域，特别是核芯肥料的理化性质的研究也受到 了重视。就包膜质量而言，被包衣的核芯肥料表面特性，尤其是比表面积的大小、 表面积的光滑程度是影响包膜控释肥料质量的直接因素。戴建军和樊小林等报道 了用核芯肥料的比表面积来控制包衣的厚度，从而控制CRF的肥效期。黄培钊等 用电镜观察表明，油冷造粒工艺制得的复肥颗粒外表面比转鼓造粒工艺制得的复 肥光滑。樊小林等报道，同一包膜厚度和单位质量下，用大粒径核心肥料制造的 控释肥料可明显减少包膜材料的用量；但要延长大粒径控释肥料的氮素释放期（减小其释

10、放率），应利用表面光滑的核心肥料制造包膜控释肥料。核芯肥料的养 分配比也是控释肥料质量的关键所在。有研究者已经把混料设计应用于控释肥料 的研制之中，为确定核芯肥料配比提供了有益的参考。上述研究结果表明，核芯 肥料的比表面积大小、表面光滑程度、颗粒的强度等理化性质不仅影响到包膜控 释肥的控释性能，而且也会明显影响控释肥料的造价。故此，在控释肥料的制造 和工艺中核芯肥料的表面性能有极其重要的地位。3.2控释肥料肥效得到肯定自控释肥料研究进入普及阶段以来，我国各地开展了各式各样的控释肥料肥 效试验。据中国期刊网资料不完全统计，自1979年以来有关控释肥料肥效的研 究论文60多篇。其中控释肥料提高氮素

11、利用率的作用及其对水稻的增产效应、 增产的机理和控释肥料的旺根抑衰作用有大量的研究报道。其次在旱地玉米、冬 小麦、大豆等大田作物上有明显的增产效果。控释肥料在茶叶、西瓜、烟草、棉 花、景观园林植物上的应用也都有明显的增产效果。可见，控释肥料在我国大田作物上的应用已经受到了众多研究者的重视，表 明在大田作物上推广应用控释肥料及其延伸产品不仅有相当大的市场需求，而且 也给控释肥料研究者提出了一个新的课题，即如何制造控释效果好且成本低的控 释肥料。所以，我国的控释肥料研发应该重视农业生产的需求，并顺应市场的需 求开展高质量、低成本控释肥料制造技术的研究。3.3控释包膜材料有突破目前国内代表性树脂包衣

12、控释肥料工业产品有水溶性树脂和表面反应成膜 树脂包衣控释肥料、表面反应成膜控释肥料、溶剂型热塑性树脂包衣控释肥料。 包衣材料实际上为以下4种：1）水溶性树脂，即水基聚合或水基交联聚合树脂；2）核芯肥料表面或原位反应成膜类树脂（聚氨酯类树脂）；3）醇酸树脂；4）溶剂型热塑性烯烃类树脂从节约能源和环保两个方面衡量，认为今后控释肥料包膜材料的取材方向应 该是上述四类树脂中的水溶性包衣材料和核芯肥料表面原位反应成膜类树脂。目 前华南农业大学、中国农业大学、南京土壤研究所在国家科技支撑计划的资助下， 在水基聚合物包膜制料的合成方面取得了叫显的进展，水溶性树脂合成技术已经 用于工业化制造包膜材料。华南农业

13、大学研发的核芯表面原位反应包膜控释技术 也已经实现了产业化。4控释肥料研究展望及建议4.1我国控释肥料研制与国际同类研究的差距与国际同类研究相比，总体而言我国控释肥料研究水平参差不齐，在高端技 术上，不及国际先进水平。例如工业化大规模的控释肥料制造水平赶不上欧美发 达国家，但是个别企业的产品质量有的优于欧美国家的产品。在原位反应成膜、 无溶剂叫收脂溶性树脂包衣技术上有一定的差距，但水溶性树脂包衣技术优于国 际同类产品。在高端市场的控释肥料制造技术和工艺上不及欧美国家，但在大田 作物等中低端市场的控释肥料制造工艺和技术上普遍优于国外。在树脂滚筒包衣 技术和工艺上不如国际同类，但是在底喷流化和底喷

14、风动流化包衣方面已经达到 国际先进水平，某技术已经超过国际水平。在控释肥料的系列化方面与国际同类 有一定的差距，但是在控制养分释特性的控释肥料研究方面（如异粒变速控释肥 料制造技术）处于国际领先水平。在控释肥料应用面上，国际同类的优势大于我 国。国际上特别是欧美的控释肥料质量稳定，而国内的产品质量不够稳定，主要 是受核芯肥料的限制。可见，我国控释肥料研制需要开展重点突破（提升控释肥料关键技术研究水 平）、多方位攻关（普遍提升控释肥料的研究水平）式的合作研究，以便提高我国 控释肥料研究和控释肥料产品的总体水平。4.2控释肥料研究与发展趋势和特点综合国内控释肥料研究各个方面，控释肥料研究和总体发展

15、趋势是：缓释和 控释分家、控释肥料向两个方向并重发展。缓释和控释分家不仅有利于深入开展控释肥料和缓释肥料的研究及其肥效评价， 而且有益于各自早日实现大规模工业化制造。所谓控释肥料两个方向并重是指，同叫加强开展高端市场控释肥料研制和中 低端市场（大田作物）控释肥料的研制力度，并推进各自的产业化。这一点是我国 的国情所决定的。控释肥料设计的初衷是以树脂包衣肥料满足沙漠、干旱少雨、 或暴雨频发地区对肥料非常敏感的作物（如花卉）、生长周期长且需肥最大且种植 面积大的作物（如油棕）、高经济价值作物（如烟草）的需求。这一类作物和特殊环 境对控释肥料的最大要求是肥效期长，一般短期的为3个月，中期的为6到8

16、个月，长期的为12到15个月，并且要求养分释放曲线与作物吸收曲线基本吻合， 故此是高端产品。所以对于高端市场的产品，要求制造过程严格控制工艺和技术， 确保质量标准。中低端市场（大田作物）的控释肥料就是指可以普遍用于大田作物 或大田经济作物上的控释肥料。对这类肥料的要求是微分溶出率要大，但是后期 又不脱肥，能够满足大田作物一生一次施肥的需要。最近，作者了解到，在台湾 和东南亚国家，大田施用控释肥料已习以为常，而且一周内必须有三分之一的养 分释放，否则将造成作物前期缺肥。因此这类控释肥料的研制对控释技术的要求 与高端产品不同，控释效果的不同有望降低制造的成本。但是同时要注意如何做 到仅仅是前一周释

17、放大约三分之一的养分，而以后又进入控释阶段。4.3控释肥料研究的前沿领域综上所述，我国控释肥料研究和制造已经逐渐步人正轨，但是我国控释肥料 研究存在一些薄弱环节和空白区，有待今后工作中进一步深入。目前，我国控释 肥料研制中尚待进一步加强的方面如下：1）控释技术领域在控释技术领域的研究建议开展具有“S”型释放曲线的控释技术研究；掺 混控释技术的研究；非温控型控释技术研究。2）控释包膜工艺建议开展复式包膜工艺的开发研发；水基聚合物或水溶性树脂包膜工艺的研 发；快速低能耗包膜工艺的研发；无溶剂回收包膜工艺的研发；原位反应包膜工 艺的研发；溶剂高效回收工艺的研发。3）包膜材料开发建议开展水溶性树脂或水

18、基聚合包膜材料的研发；控释效果好、包膜能耗低 的高分子材料研发；降解周期短的包膜材料研发。4）控释肥料核芯肥料研发建议开展核芯肥料养分的配比、养分形态及其配比的关系的研究；改善核芯 肥料表面特性和增加颗粒强度的工艺的研究；增加核芯肥料硝态氮比例的工艺和 技术的研究；核芯肥料增加有效微量元素的工艺和技术的研究。包膜控释肥料在线质量控制方法和技术研究建议进一步加强控释肥料快速、准确预测预报肥效期的测定方法研究；建立 控释肥料在线质量检测方法；分别建立控释肥料、缓释肥料的行业标准、企业标 准、国家标准。4.4当前我国控释肥料研制尚未涉足的空白领域或不受重视的领域控释效果与控释肥料有效养分含量的关系当前控释肥料消费者大都注重肥料 的控释效果及养分配比，而不太强调控释肥料养分的总量。因此，可能为达到控 释效果而增加大量的包膜材料，致使单位肥料供给的养分量明显降低。所以造成 了以高价位购买低养分含量肥料的问题，也给一些以大量低廉膜材大量包膜的肥 料提供了谋利的机会。故此，控释效果好、包膜耗材少、养分含量高的包膜控释 技术及工艺是今后控释肥料研发的方向之一。在我国水溶性树脂或水基聚合物包膜材料及其相应的包膜工艺是今后应该探 索的领域之一。无溶剂、表面反应成膜包膜原材料和包膜技术的