控释肥的研究进展课件

缓释、控释肥的研究进展

李延福建农林大学资源与环境学院缓释、控释肥的研究进展李延1一、问题的提出二、缓释肥、控释肥的概念三、缓释肥、控释肥的类型四、缓释、控释材料五、研究现状与展望…提纲一、问题的提出…提纲2问题的提出问题的提出3

化肥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%。据FAO估计，发展中国家粮食的增产中，其55%来自化肥的作用。因此，在一定意义上可以认为，肥料问题就是粮食问题。要解决中国的粮食问题，首先应该解决肥料生产及应用中存在的问题。化肥是农业生产中最大的物质投资，约占其全部生4肥料施用量(万吨）1975年以来我国肥料施用量与粮食总产量的变化粮食总产（万吨）、单产（kg/10hm2）肥料施用量(万吨）1975年以来我国肥料施用量与粮食总产量的5

肥料利用率低是化肥使用上普遍存在的问题。目前我国化肥的当季利用率较低：氮为30%～35%，磷为10%～20%，钾为30%～35%。其原因主要为，我国化肥生产品种单一，以低浓度单质速溶化肥为主，氮肥中碳酸氢铵仍占48%左右，高浓度尿素占43%左右，效果较好的复混肥只占化肥总产量的10%左右。而且这些肥料的养分释放速度不能人为控制，释放速度太快，作物来不及吸收，损失严重。肥料利用率低是化肥使用上普遍存在的问题。目前我6

肥料利用率低，尤其是氮、磷的损失特别严重，不仅造成了直接的经济损失，而且部分地区因施肥不当已引起环境污染，出现地表富营养化、地下水和蔬菜硝态氮含量超标、氧化亚氮排放量增加等问题。资料表明：我国130多个大型湖泊中已有60多个遭到包括富营养化在内的严重污染，其中云南滇池的污染最为严重：京、津、唐地区69个乡镇地下水、饮用水中硝酸盐含量有半数以上超标。

肥料利用率低，尤其是氮、磷的损失特别严重，不7项目BOD(mg/L)细菌(个ml)磷(mg/L)氮(mg/L)恶臭着色死鱼贫营养＜1＜100＜0.001＜0.1前期中营养1~3100~1万0.001~0.0050.1~0.2+++后期中营养3~101~10万0.005~0.010.2~0.3++++++富营养＞10＞10万＞0.01＞0.3+++++++++水体富营养化作用及影响项目贫营养前期中营养后期中营养富营养水体富营养化作用及影响8滇池的水体富营养化现象滇池的水体富营养化现象9海洋赤潮频频发生海洋赤潮频频发生10中国近20年沿海危害较严重的赤潮事件中国近20年沿海危害较严重的赤潮事件11控释肥的研究进展课件12

因此，提高化肥利用率，减少因施肥而造成的污染，发展可持续高效农业已成为世界共同关注的问题。从20世纪60年代开始，美国、日本等国就着手研究和改进化肥的制作技术，力求从改变化肥本身的特性来提高肥料的利用率，相继研制并推出缓释和控释肥料系列产品，使化肥的利用率得以大幅度提高。控释肥料这一高新技术为解决化肥利用率低的问题提出了新的思路和途径。因此，提高化肥利用率，减少因施肥而造成的污染，13如日本的“Nutricote”控释肥和“Meister”控释肥可控释氮素l00-360天，控释量占80%，氮素利用率达60%-70%，具有特定温度一释放速度变化规律，其氮素释放不受土壤类型、含水率、酸碱度、微生物等环境因素影响。在多种作物上试验表明，一次底施，平均较尿素4次施用的增产幅度还高。20世纪80年代以来控释和缓释肥料已成为化肥革新和研究的热点。被誉为肥料工业的一次革命，并被称为是“21世纪的肥料”。

如日本的“Nutricote”控释肥和“Meist14缓释、控释肥料的概念缓释、控释肥料的概念15横向—纵向的平衡施肥原理目前的平衡施肥原理与技术主要集中在不同营养元素的数量、比例的调节，停留在静态的（养分供应尚不能做到与作物阶段性营养需求同步）、横向的（元素种类和用量比例调节）平衡阶段。而从理论和实践两方面看，这种静态横向的平衡施肥原理与技术并不能根据作物不同生育阶段的需求调控肥料中养分的释放和供应，使养分的释放和供应与作物的生理需求同步。为此要有效地提高肥料利用率，还必需重视作物生长期不同营养阶段供肥强度的变化与作物需求的平衡，即纵向的动态平衡。这就是横向—纵向的平衡施肥原理。横向—纵向的平衡施肥原理目前的平衡施肥原理与16

控释肥、缓释肥的定义

缓释肥（SRFs)是指肥料的养份释放速率远小于速溶性肥料施入土壤后转变为植物有效态养份的释放速率。控释肥（CRFs)是指以各种调控机制使肥料的养份释放按照设定的释放模式(释放率和释放时间)与作物吸收养份的规律相一致。控释肥、缓释肥的定义17

根据欧洲标准委员会的说明，若在25℃下营养释放能满足下列3条件,则该肥料可称为缓释肥料：（1）24小时释放不大于15%;（2）28天释放不超过75%;（3）在规定的时间内,至少有75%被释放。通常以肥料在水中的溶出率来评价肥料的缓释性。控释肥的养份释放曲线与相应作物的养份吸收曲线相吻合。控释肥的研究进展课件18缓释、控释肥料的类型缓释、控释肥料的类型19按生产方法进行划分：①合成缓溶有机氮肥，如脲甲醛（UF）、异丁叉二脲（IBDU）等；②合成缓溶无机氮肥，如磷酸铵镁（NH4MgPO4）等；③包膜（裹）缓释/控释肥料：美国以包膜尿素为主，日本以聚合物包膜为主，西欧以含氮微溶性化合物为主，泰国以天然乳胶包囊为主；④抑制剂改良的缓释肥料，如长效碳铵（添加改良的DCD）、长效尿素（添加HQ）。按生产方法进行划分：20按溶解性释放方式：(1)物理障碍性因素控制：如包膜颗粒肥料，包膜颗料肥料又可进一步划分为有机聚合物包膜肥料和无机包膜肥料(如硫磺、矿物质包膜)；(2)化学障碍性因素控制：如微溶有机氮化合物（脲甲醛），微溶性的无机氮化合物（金属磷铵盐）；(3)载体障碍性因素控制：如胶粘肥料。按溶解性释放方式：21根据释放控制方式：（1）扩散型（2）侵蚀或化学反应型（3）膨胀型根据释放控制方式：22微溶有机氮化合物

尿素与醛类的缩合(尤其是与甲醛)是缓释肥常用的制备方法。脲甲醛是最常见的作为缓释氮肥的有机氮化合物。脲甲醛是在控制ｐＨ值、温度、尿素与甲醛的比例和反应时间的条件下通过甲醛与过量尿素反应而制得。产品是由分子量不等的单羟甲基脲、二羟甲基脲、甲叉尿素等的二聚物和低聚体组成的混合物。脲醛肥料的分解主要是由于生物的作用，氮的释放强烈依赖于土壤性质的变化(如生物活性、粘粒含量、ｐＨ)和外界条件(如水份含量、干湿状况和温度等)。微溶有机氮化合物23典型的脲甲醛产品含Ｎ37%～40%，有3种组份：①冷水不溶解组份Ｎ(ＣＷＳＮ，25℃)，是除冷水溶解Ｎ（尿素、二聚物和短链聚合物）外的其他部分；②热水溶解组份Ｎ(ＨＷＳＮ，100℃)为甲叉尿素和中等链长聚合物，该组份中的Ｎ可缓慢释放到土壤中；③热水不溶组份(ＨＷＩＮ)为甲叉尿素和长链聚合物，在土壤中分解极慢，该组份Ｎ在土壤中无活性。根据上述定义可确定此类化合物的氮素活性指标ＡＩ=(ＣＷSＮ-ＨＷＩＮ)/(ＣＷSＮ×100)。ＡＩ提供了热水溶解组份在土壤中的氮素释放的估计值。典型的脲甲醛产品含Ｎ37%～40%，有3种组份：①冷水不溶解24

有机氮化合物只限于作为缓释氮肥，且其缓释速度受很多因素的影响，难以控制。有机氮化合物只限于作为缓释氮肥，且其缓释速度受很25非有机物包膜肥料

硫包膜尿素已有较长的生产历史，是用熔化的硫磺包裹被预先加热的尿素颗粒制成。硫是中量营养元素，在156℃时可以熔化，可以喷涂于尿素颗粒以及其它肥料颗粒表面作为包膜，产品含有31%～38%Ｎ。尿素包膜后，用密封剂(蜡)喷涂封住包膜上的裂缝，以减少硫包膜的生物降解，最后是第三个涂层(通常是硅镁土)作为调节剂。硫包膜尿素中Ｎ的释放取决于膜的质量。硫包膜尿素对土壤水份含量、干湿交替、生物活动和运输及施用过程中对膜的磨损都是非常敏感的，所以这种产品只能被看作是缓释肥。非有机物包膜肥料26

中国科学院南京土壤研究所70--80年代研究成功了由钙镁磷肥包裹碳酸氢铵或尿素的包裹肥料。郑州工学院磷肥与复肥研究所也开发出了3种类型的包裹型复合肥，以钙镁磷肥为包裹层的第1类产品，以部分酸化磷矿为包裹层的第2类产品及以二价金属磷酸铵钾盐为包裹层的第3类产品。无机化合物包膜肥料的养分释出速率取决于该种肥料的性质及粒度、厚度、水分、温度等条件。因此，尽管这种肥料价格相对较低，但由于影响因素太多，难以达到满意的控释效果。中国科学院南京土壤研究所70--80年代研究成27基质复合肥料药片状、钉形物或饼状的基质型缓释肥是将植物营养物质与粘结剂混合挤压而成。在许多情况下将脲甲醛或异丁烯环二脲加入到混合物中，这种产品的性质与缓释性差的肥料相似，其溶解速率主要取决于压缩产品的表面与体积的比率。基质复合肥料28

胶粘肥料近年来，美国北卡罗莱那大学的学者借鉴亲水性高分子材料在医药和农药上作为控释载体的成功应用，提出了以亲水性高分子材料作为养分控释载体的胶粘肥料新概念，此材料能被土壤微生物所降解，添加量小、成本增加不多，解决了限制现有控释肥料推广应用的成本高，以及选用材料对环境二次污染问题，初步的试验结果即被美国肥料界称为“有可能代表下世纪肥料发展的新方向之一”。胶粘肥料29胶粘肥料(GelFerti1izer)具体方法如下(1)配制聚合物系统，该聚合物系统应与肥料配方相配伍，聚合物必须是可溶的并能产生粘性，一般为多糖化合物粉末。(2)配制氮磷钾液体肥料，液体肥料的浓度及性质因地而定。(3)将聚合物粉末倒入盛有液体肥料的大槽内，搅拌5-10min，直至达粘性蜂窝状，聚合物粉末用量占混合物总体积的1％。胶粘肥料(GelFerti1izer)具体30有机聚合物包膜肥料

树脂包膜肥料是在制备过程中使热塑性的树脂在肥料颗粒上交联形成疏水聚合物膜。养份的释放可以通过改变膜的成份或膜的厚度来控制。养份释放过程为：水份通过膜上的微孔渗透到膜内，增加了膜内的渗透压力而造成膜膨胀，膨胀又增大了微孔，使养份从增大的孔中释放出来。树脂类包膜技术可以很好地控制膜的成份和厚度，从而控制养份释放率和释放曲线，这种树脂膜可以用到各种颗粒肥料产品上。养份从这种产品中的释放主要依赖于温度变化，土壤水份含量、ｐＨ、干湿交替以及土壤生物活性对释放几乎无影响。因此，容易实现养分释放时间和数量的控制。有机聚合物包膜肥料31热塑性树脂

将热塑性包膜材料(如聚乙烯)溶解于氯化烃中，在流化床反应器中喷涂在肥料颗粒上。养份释放可通过将透水性差的聚乙烯与透水性较强的树脂(如ＥＶＡ)加以混合来控制，也可在膜中加入一种矿物粉来改进由温度控制的养份释放。改变聚乙烯和ＥＶＡ的比例或改变添加矿物质粉末的量，可以提供具有很好的养份控制释放率和释放曲线的控释肥。热塑性树脂32异粒变速控释肥“异粒变速”是指对肥粒实行不同包膜厚度或不同包膜材料处理,使其获得不同释放速度的技术。“异粒变速”控释肥实际上就是一种速度复合型控释肥。即把养分释放速度不同的几种控释肥按照作物的需肥特性有机的配伍，形成一种可一次施肥而能保障作物全生育期有足量、适量养分的智能型控释肥。异粒变速控释肥33左图是由4种供肥速度各异的控释肥构成的异粒变速控释肥研究思路左图是由4种供肥速度各异的控释肥构成的异粒变速控释肥研究思路34控释材料的种类缓释材料包囊材料载体材料控释材料的种类缓释材料35缓释材料a阻滞剂(Retardants)是疏水性强的脂肪类、蜡类高分子材料。肥料在这类熔融材料中混悬或混溶冷却，被脂溶性材料包裹。b骨架材料(MatrixMaterials)这种高分子材料具有较大的分子内空间，如海藻酸钠，聚乳酸等，以这种高分子材料为载体，可制成载体肥料。c增粘剂增粘剂是一类水溶性高分子材料，如聚乙二醇等，通过减小养分扩散作用来控制养分的释放。缓释材料a阻滞剂(Retardants)是疏水性强的脂肪36包囊材料

a天然高分子材料——这类材料具有囊材要求的多种基本特性，无毒、稳定、成膜性好、价廉易得，如阿拉伯胶、明胶、海藻酸钠等。b半合成高分子材料——此类材料以纤维素的衍生物为主，粘度大、成膜性良好、易水解，如羟甲基纤维素钠、乙基纤维素等。c合成高分子材料——此类囊材化学稳定性高、成膜性能优良，特别是生物可降解材料作为囊材更受到关注。但其在实用性方面还需作进一步研究。包囊材料a天然高分子材料——这类材料具有囊材要求的多种基37载体材料a天然载体材料，如明胶、淀粉。b合成高分子载体材料，如聚酰胺、聚乳酸等。载体材料a天然载体材料，如明胶、淀粉。38控释材料的选择a价格问题b环境问题c控释效果控释材料的选择a价格问题39

价格问题

目前妨碍控释肥料在农业上广泛应用是肥料的价格问题，这是控释肥料过高的成本使然。因此，在选择控释材料时，首先应考虑的是这种材料的成本。必须尽量选用价廉易得的材料，以适合当时的社会及经济条件。价格问题40据了解,美国市场可接受的肥料价位(美元/吨)大致为:花卉市场1000以上,高尔夫球场600～1000,草莓种植500～600,蔬菜种植350～400,大田作物300以下。美国消费的缓释/控制释放肥料92%用于非农业市场,其中高尔夫球场占24%、专业保养草坪19%、苗圃及温室15%,仅8%用于高价农作物如草莓、西红柿、坚果、蔬菜、柑桔等;西欧与美国相似；日本主要用于农业市场,1995年包膜肥料的70%用于水稻,20%用于西红柿、胡萝卜、莲藕等蔬菜。我国开发的以肥料包裹肥料的缓释/控制释放肥料,其价格一般高于普通肥料10%-15%据了解,美国市场可接受的肥料价位(美元/吨)大41

环境问题

控释肥料的目的之一是为了减轻化肥的损失对环境造成的压力，如果控释材料本身又对环境构成二次污染，这实际上是违背了控释肥料的研究初衷。因此应选用对环境没有影响或影响小的材料。控释效果控释肥料必须有一定的控释效果，理想的控释效果是控释肥料中养分的释放和作物的需求量相一致或基本相一致，兼顾肥料效益和作物的经济效益。环境问题42控释肥料的效益评价经济效益评价：经济效益的评价主要是对控释肥料成本及其控释效果的评价。肥料成本评价、控释效果的评价（水或溶液溶出率法、土壤淋洗法、扩散率法、渗透率法、电超滤法和同位素示踪法等）。社会效益评价：主要指控释肥料的环境评价（水质，土壤肥力，作物品质等）控释肥料的效益评价经济效益评价：经济效益的评价主要是对控释肥43缓释、控释肥料发展现状与方向缓释、控释肥料发展现状与方向44控释和缓释肥的发展现状

目前世界缓释和控释肥的消耗总量大约是65万ｔ/ａ，美国、日本、西欧缓释肥料生产厂现有39家，年产量50万t，相当于化肥用量的1%左右，但是正以3%～5%的速度递增。美国是最大的消费国，约占世界总用量的70%，日本和欧洲各占15%左右。在日本，大多数控释和缓释肥用在农业上，主要是种植蔬菜、水稻和水果，仅一小部分用于草坪和观赏园艺。在美国和欧洲，约占总量的90%是用于高尔夫球场、苗圃、专业草坪和景观园艺，仅有10%用于农业，如蔬菜、瓜果、草莓、柑桔和其它水果上。用在农业上的大多数是包膜控释肥(约占65%～75%)，聚合物包膜控释肥的应用有明显稳定增长的趋势。控释和缓释肥的发展现状45当今世界较著名化肥生产商都在从事缓释/控释肥料的生产，具体的公司及产品有:Sierrachemical(美国、荷兰，商品名“Osmocote”)；Asahichemicalindustry(日本，商品名“Long”、“Highcontrol”)；Chisso一Asahi(日本，商品名“Lpcote”、“Nutricote”、“Meister”)；BASF、Hydro(德国)等。日本的“Nutricote”控释肥和“Meister”控释肥可控释氮素l00-360天，氮素利用率达60%-70%，具有特定温度一释放速度变化规律，其氮素释放不受土壤类型、含水率、酸碱度、微生物等复杂环境因素影响。在多种作物上试验表明，一次底施，平均较尿素4次施用的增产幅度还高。当今世界较著名化肥生产商都在从事缓释/控释肥料的46

我国控释肥的研究和开发尚处在起步阶段，没有形成真正意义上的控释肥生产厂和商品。目前我国也有一些缓效肥料的生产，如涂层尿素、长效碳铵、氢醌尿素、非溶性磷肥包裹尿素、沸石尿素等，但这些肥料多是延缓肥料运输贮存中的养份损失或养份在土壤中的转化过程。例如，包衣尿素中的包膜材料采用氢醌类物质，实为脲酶抑制剂，通过抑制脲酶活性而达到减缓尿素转化的目的。我国目前生产的缓释肥料品种不能解决肥料释放与作物所需相吻合的难题，达不到自控缓释指标，技术含量低，故一直未在生产中推开。

我国控释肥的研究和开发尚处在起步阶段，没有形成47近年来，我国控释肥的研究已取得了较大的进展，已研制出适合不同作物需要的控释肥系列新产品。并通过大量的室内和田间试验，表明所制作的多种控释肥品种在水中和土壤中的控释时间和释放模式已达到了可控释放的具体要求和标准。其释放速率主要受温度和水份条件的控制，并可根据不同作物的需要进行释放高峰和施肥时间的调整。在多种作物上的盆栽和田间试验均已表明，可提高氮肥利用率30%～50%以上。在作物相同产量的情况下可以减少33%～50%以上的肥料施用量。一季作物一次施肥，省工省时，经济效益高，还减少了挥发、淋失及反硝化作用，减少了施肥对环境造成的污染。近年来，我国控释肥的研究已取得了较大的进展，已研制出适合不同48我国从事缓释/控