缓释肥).ppt

1、1,新型缓（控）释肥料 在农业生产中，由于施肥不当和肥料利用率不高等原因，造成了一定的经济损失和对环境的污染。近十年来，我国粮食总产量随化肥施用量增加而增长，但单位肥料增产率却随化肥施用量增加而明显递减，究其原因是肥料利用率低，损失严重。我国化肥当季利用率氮约30-35，磷约10-20，钾约3550。“十五”期间我国对新型肥料的研制与产业化进行了大量的研究，取得了一些重要成果。新型缓控释肥料能有效控制养分释放速度，延长肥效期，满足作物整个生育期对养分的需要，能最大限度地提高肥料利用率，提高施肥的经济效益、社会效益和环境效益，因而成为世界肥料研究的热点。,2,1 缓控释肥料的概念 控释肥料(co

2、ntrolled release fertilizers，简称CRFs)是以颗粒肥料(单质或复合肥)为核心，表面涂覆一层低水溶性的无机物质或有机聚合物，或者应用化学方法将肥料均匀地融入分解在聚合物中形成多孔网络体系。并根据聚合物的降解情况而促进或延缓养分的释放使养分的供应能力与作物生长发育的需肥要求相一致协调的一种新型肥料，其中包膜控释肥料是最大的一类。缓释肥料(slow release fertilizers，简称SRFs)是指肥料施入土壤后转变为植物有效态养分的释放速率远远小于速溶肥料，在土壤中能缓慢放出其养分。它对作物具有缓效性或长效性，它只能延缓肥料的释放速度，达不到完全控释的目的。缓

3、释肥料的高级形式为控释肥料，它使肥料释放养分的速度与作物需要养分的量一致，使肥料利用率达到最高，广义上来说控释肥料包括了缓释肥料。作为真正意义上的控释肥料是指能依据作物营养阶段性、连续性等营养特性，利用物理、化学、生物等手段调节和控释氮、磷、钾及必要的微量元素等养分供应强度与容量，能达到供肥缓急相济效果的长效、高效的植物营养复合体。控释肥料施入土壤后，不仅能更好的满足作物的需要，同时还要具有价格低廉，利于大规模的推广应用，使用过程中及使用之后不污染环境，确保农产品的安全等特点。,3,2 新型缓控释肥料的类型及加工方法 目前，缓控释肥的控释原理主要有物理法、化学法和生物法。控释方法主要分为包膜法

4、、非包膜法和综合法。物理法主要是应用物理障碍因素阻碍水溶性肥料与土壤水的接触，从而达到养分控释的目的。这类肥料以亲水性聚合物包裹肥料颗粒或把可溶性活性物质分散于基质中，从而限制肥料的溶解性。即通过简单微囊法和整体法的物理过程来处理肥料达到缓释性。应用这一方法生产的肥料养分控释效果比较好，但往往需配合其他方法共同使用。化学法主要就是通过化学合成缓溶性或难溶性的肥料，将肥料直接或间接的以共价或离子的键接到预先形成的聚合物上，构成一种新型聚合物。如：将尿素转变为较难水解的脲甲醛(UF)、脲乙醛(CDU)、异丁又二脲(又称亚异丁基二脲IBDU)、丁烯叉二脲、草酰胺，或使速溶性铵盐转变为微溶性的金属磷酸

5、铵等。如果先用整体法，后在表面形成一层渗透膜所制成的肥料为物理化学性缓释肥料。化学法生产的缓控释肥料控释效果比较好，但往往作物生长初期养分供应不足，且成本也比较高。生物法就是应用生物抑制剂(或促进剂)改良常规肥料。目前生物抑制剂应用的主要对象是速效氮肥，主要指脲酶抑制剂、硝化抑制剂和氨稳定剂等。生物法生产工艺简单，成本较低，单纯使用时养分控释效果不稳定，肥效期较短，往往需要借助于肥料的物理化学加工和化肥深施技术。,4,在控释方法上包膜法是一种主要的控释技术，通常实现养分控释的方法就是包膜，所以包膜肥是一种常见的控释肥。非包膜法也可以实现控释，通过化学合成法制得的脲醛类肥料就是一例，此外，混合方

6、法也是一种非包膜的控释方法，这一方法简单有效，今后将有较大的发展。有机无机复肥亦是一种非包膜的控释肥。现有的研究表明。采用各种技术组合，有机无机复合肥的控释功能还可以进一步提高。综合法是综合运用上述包膜法、非包膜法进行“纵向复合”及不同释放速率的配合，达到纵向平衡施肥的目的。如：采用某种控释材料与肥料混合造粒(非包膜法)，再在表面进行包膜处理；又如：对某一类肥料包裹不同厚度或不同种类的控释材料，或者不同释放速率的肥粒单元，把这类具有不同释放速率的肥粒单元按比例组合(异粒变速)，可获得缓急相济的效果。,5,3 缓控释肥料养分释放机理及影响因素 脲甲醛、草酰胺等化学合成控释肥料是在化学分解和生物降

7、解作用下释放养分，其养分释放速率主要取决于颗粒大小和土中水分含量、温度、pH值等因素。,6,包膜控释肥料根据包膜材料类型的不同，其养分释放机理可以分为三类：(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。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都存在较大差别。如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包膜材料的包膜肥料受土壤水分含量影响较大；而有机聚合物包

8、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，其他环境因子影响都较小。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。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，如滑石粉或硅粉等来调节无机成分与树脂的比例，改变包膜成分及其通透性，以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，表现出等养分可控制性高，但受温度影响较明显，其温度效应值是2，即温度每升高lO，作物的生化过程速度增加一倍，养分释放与作物养分吸收比较容易达到协调一致。,7,4 包膜缓控释肥料研究进展 4.1 国内外缓控释肥料研究现状 美国是世

9、界上最早研究缓控释肥料的国家，以包硫尿素(SCU)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一层烯烃聚合物，产品名为Polys，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。Osmocote仍为世界上最有影响的包膜肥料。美国的控释肥料很多是与速效肥料掺混使用，为防止掺混时包膜破裂，开发了耐磨控释肥；为减轻聚合物对环境的污染，又相继开发了生物降解膜控释肥料。,8,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。1975年研制生产出硫磺包膜肥料，应用于水稻、玉米、西瓜施肥取得良好肥效。20世纪80年代初窒素公司研制出热塑型树脂

10、聚烯烃包膜肥料 Nutricote，与美国的Osmocote同为国际知名品牌。日本多家公司相继都研制生产出具有本国特色的热塑型及热固型树脂包膜肥料，其养分释放具有精确控释和缓释的双重功能，产品在水稻、花卉、蔬菜作物上得到广泛应用。,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，它可以控制释放或适时释放养分，较好地匹配了作物对养分的需求。英国的控释肥专利是在磷酸盐玻璃中引入 K、Ca、Mg，形成玻璃态控释肥，而氮以CaCN：的形式加入。这种肥料有一个不释放养分的诱导期，适合幼树苗生长。法国的缓释肥料一是用三聚磷酸钠或六偏磷酸钠包裹金属过氮化物作为土壤

11、添加剂；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。荷兰开发了一种用菊粉、甘油、土豆淀粉与肥料捏合制成生物可降解的包裹肥。前苏联制备包膜肥的专利为脲醛UF、磷酸、铝粉和丁二烯胶乳多层包膜及用聚乙烯乙酸脂和磷酸包膜尿素，肥料利用率可提高15。捷克斯洛伐克用脲醛树脂包膜尿素，通过改变包膜剂粒度和包膜层厚度可以调节养分的释放速率。,10,我国在1971年研制出脲甲醛肥料(UF)，1973年又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，

12、制成了一类以复合肥包裹肥料的缓释肥；进入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，并已经工业化生产，商品为Luxecote。肥效期90-120天。在用肥量比习惯施肥减少13的情况下，水稻产量基本保持不变。在小麦上施用可得到572的氮利用率。中国科学院沈阳应用生态所研制出添加有腐殖酸、双氰胺及磷、钾、微量元素的多营养缓释氮肥和不引起环境污染的缓释花卉专用肥。90年代末期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)和淀粉为主要成分合成包膜剂，包膜与氮

13、肥增效剂、缓释剂、保水剂及土壤改良剂等的混合包膜工艺，实现了常温下包膜，养分控释效果好，并可根据作物种类、土壤条件调节膜材料比例和厚度，保证一次施肥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要求。该项研究填补了国内在该领域的空白。,11,国内外关于包膜控释肥的研究，经过对单一养分肥料或复合肥进行包膜阶段后，目前都将研究重点放在作物专用肥包膜的研究上，因为作物专用肥是将大量元素、中微量元素按作物营养需要比例配制而成包膜后可使其养分的释放速率(释放期、释放量)和作物需肥特征(需肥期、需肥量)趋向一致，根据作物不同生长阶段养分需要，将养分供给作物

14、。 纵观各国缓控释肥的开发研究和使用，目前最大的障碍是控释肥的价格超出常规化肥。因此，缓控释肥多用作特殊用途(如草坪、花卉等)，极少用于大田农业。如何降低成本，是控释肥逐步应用农业生产的关键。因而养分控释肥料研究的关键问题是从理论上解决促释与缓释双向调控问题；从材料上筛选出成本低、性能优良的养分控释材料；从工艺上解决养分控释材料的包膜及配套工艺流程。目前的控释肥料之所以价格高，肥效过缓，主要原因是包膜材料成本高，肥效控制上只强调抑制养分释放，尚未能做到促释和缓释双向调节。控释材料的选择应从价格、环境、控释效果三方面来考虑，应该选择控释效果好、价廉易得、对环境没有影响或影响小的材料，兼顾肥料效益

15、、作物的经济效益及环境效益。,12,4.2包膜材料选择的依据 到目前为止，用于包膜的材料种类很多，但总体上就是两类。一类是无机物质，一类是有机物质。无机物质包括沸石、硅藻土、硫磺、石膏、金属磷酸盐、硅粉等，成本较低，但控释效果差异较大，膜层占肥料的比重较大；有机类的物质有天然的植物油、天然橡胶、瓜尔胶、虫胶、明胶脘、木质素、纤维素、甲壳素、淀粉及其改性物质等，由于天然聚合物是在自然条件下形成，易被生物分解，控释性较差。因此，研究者注重半合成和合成聚合物的研究和应用。,13,半合成的聚合物是天然聚合物木质素和纤维素等与石化反应产品结合形成的一类聚合物，如：氨氧化木质素、磺化木质素、木质磺酸钙、丙

16、烯晴接枝硝化腐殖酸、丙烯氰接枝淀粉。合成的聚合物材料有热固性与热塑性树脂之分，主要是以乙烯或丙烯单体合成的，如：二聚环戊二烯和丙三醇的共聚物、脲醛树脂、聚乙烯类、聚丙烯类、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯缩醛、石蜡混合聚烯烃类脂、聚烯烃型树脂、树脂膜等。,14,可生物降解的有：聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸酯、脂肪族聚酯或者脂肪族聚酯混合淀粉、脂肪族聚酯主要包括以石油为原料合成的聚己酸内酯(PCL)、聚丁烯(PBS)及其共聚体，还有以可再生资源为原料生产的聚乳酸、由微生物生产的聚羟基酪酸(PHB)等。,15,选择对环境友好，膜成分可降解的包膜材料，以聚乙烯醇(PVA)、脲醛树脂和淀粉为主

17、要成分合成包膜剂，脲醛树脂其本身就是一种微溶性含氮量较高的缓释肥料，降解后可产生肥效，不污染土壤。淀粉是绿色植物经光合作用合成的一种高分子有机化合物，是自然界可再生的资源物质，分布广泛，价廉易得，分子构架改造空间大，易采用物理、化学和生物的方法使之变性，获得人们需求的各种产品。由于具有对温度敏感性的聚合物膜，因其含有一定比例的疏水和亲水基团，温度的变化可以影响这些基团之间的相互作用以及分子问的氢键作用，从而使聚合物膜的结构和体积发生改变。因此，可以将亲水的、半刚性的淀粉大分子骨架引入疏水的官能基团，调节亲水一疏水基团的比例，以得到受温度影响的目标聚合物，但由于淀粉成膜的膜强度较低，耐水性较差而

18、不利于加工成型。聚乙烯醇(PVA)，平均分子量为1500-1900,系长链状高分子碳氢化合物，无毒，可被土壤的细菌降解。是一种优良的土壤改良剂，并对土壤钾素有良好的吸附和抗淋溶作用，可减少钾素流失，提高钾肥肥效。聚乙烯醇结构与淀粉结构有一定的相似性，两者共混是制备有良好使用性能和可生物降解材料的有效途径之一聚乙烯醇与淀粉共混薄膜具有良好的力学性能，耐水性及生物可降解性和加工性。因此，利用聚乙烯醇与淀粉、脲醛树脂形成半渗透性膜层，水可扩散到膜层内，使膜层扩张到具有足够的渗透性而释放养分。聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)是一种非离子型水溶性高分子化合物，具有水溶性高分子化合物的一般性质，如成膜性、粘结性

19、等，其成膜后强度和柔韧性好，与聚乙烯醇有良好的相溶性。PVP与PVA均为生物易降解材料施入土壤中对植物生长无害，不会造成对土壤的二次污染。,16,4.3包膜缓/控释肥料的研制与开发 “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(PVA)、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作物专用肥料，均获得国家发明专利。这些肥料包膜厚度可

20、控制在3-1l(占肥料重量)，养分释放期长达90-120天。可实现一次施肥的目的。与常规肥料相比，该肥料中氮利用率提高10-20、磷、钾利用率分别提高5-10。可减少化肥用量15-30。,17,4.3.1水稻包膜控释肥料 水稻施肥分为分蘖肥、穗肥、粒肥，产量与追肥有至关重要的关系。由于水稻特殊的水生环境和多次追肥的施肥方式，使水稻生产劳动强度大，施肥技术要求高，增加了劳动力的投入和生产成本。目前常用的水稻专用肥还不能根据水稻不同生育阶段的养分需求调控肥料中养分的释放和供应，不能达到水稻生育期一次施肥满足作物的生长需要。而普通包膜类的肥料在水环境条件下膜层易破裂不能起到延长肥效的作用。,18,将

21、水稻生长所需的有益营养元素硅、铜、铁、锌以及氮素增效剂与环境友好的可生物降解高分子粘结剂成分结合制备低透水型包裹层，再应用水稻专用肥包裹的包膜控释专用肥料生产方法，将常规水稻复合和复混专用肥料的填料部分作为肥料的包膜层的组分，实现肥料组分的异位组成。即在满足水稻养分需求基础上，将常用肥料填料成分作为肥料膜层的重要组成部分结合高分子粘结剂形成低透水膜包裹肥料，实现在水环境生产条件下既可控制氮磷钾养分释放，又可降低生产成本，提高经济效益，有利于在水稻生产中大规模推广应用。田间试验表明，在施用等量纯养分的肥料的情况下。施用包膜肥的产量要比常规复合肥处理增产22.5-278，包膜加添加抑制剂处理比单一

22、包膜处理增产91-13.4。氮、磷、钾当季利用率比常规肥料分别提高22.10，4.30和5.60。这说明在包膜的基础上添加抑制剂可以有效地提高氮素的利用率，增加作物产量。,19,432玉米包膜控释复合肥 玉米常规施肥包括基肥、种肥及追肥，追肥分为苗肥、穗肥和粒肥。施肥是玉米产量和品质的保证。但由于玉米价格较低，种植利润较小，施肥次数多，农户不愿投入过多劳力去施肥管理：加上玉米种植区多为干旱和半干旱地区，由于供水的影响，使普通玉米专用肥的肥料利用率很低，不能适应玉米生长的需要。因此需要开发一种价格相对合理，肥料养分缓释性较好，具有保水功能的符合玉米生产的旱田耕作环境的专用控释肥料，以适应玉米生产

23、需要。而目前专用肥多以复混造粒为主，肥料养分利用率低，本身不能很好保水，也不能满足玉米生长的需要。,20,采用水肥耦合原理，将保水型原料作为肥料包膜层主要成分，配合玉米生长所需的有益营养元素铜、锌以及氮素增效剂和环境友好的可生物降解高分子粘结剂包裹玉米专用复合肥，为玉米生产提供一种制备工艺简单，保水供肥功能结合的新型玉米专用肥，实现玉米生长期一次施肥。田问试验表明，在比常规施肥减少30用量时，即相当于N 108.3kg.hm-2，P205 60kg.hm-2，K20 72.2kg.hm-2，产量与常规施肥相当；氮磷钾素利用率平均比常规施肥分别提高9.89，14.30和14.52。,21,4.3

24、.3包膜控释草坪专用肥料 国内外为提高肥料利用率，减少草坪施肥对环境造成的不良影响相继开展草坪专用包膜肥料的研制工作，一般肥效期在70天以上的包膜肥料不能满足草坪植物生长期长需要全程施肥的特性需要。并且膜层材料为不易降解的合成高分子材料，含有一定的苯类和含氯离子等有害溶剂长期施用危害土壤环境，并且由于原材料成本昂贵，不易在农业生产中推广使用。目前我国在包膜肥料的研制方面所采用的包膜材料有中国专利ZL95109720.2采用的磷矿粉等无机材料，致密度和颗粒强度不够，包裹层孔径大于10m，且膜层易破裂，缓释效果较差，不能有效的控制肥料养分的释放，并且主要是以延长氮素养分释放为主，不能兼顾磷钾养分释

25、放。采用具有土壤改良功能的水溶性高分子材料聚乙烯醇(PVA)、天然高分子材料玉米淀粉、氮素增效剂、开孔性填料为主要的材料制备包膜液，包裹颗粒复合肥，生产工艺简单，同时控释氮磷钾养分。采用的养分控释方式是以聚乙烯醇和玉米淀粉形成吸水溶胀膜层，可通过灌水扩张膜层孑L度，控制氮磷钾养分释放。膜层可为氮磷钾养分提供物理的保护层，减少养分过度流失和被土壤粘土矿物固定。同时将抑制剂、微量元素粉体参与专用肥料或包膜成分，有利于提高养分控释效果，也补充了微量元素营养。草坪包膜控释肥料的肥效期达140-260天，一次施肥即可基本满足草坪植物整个生育期养分需要，有效减少肥料养分损失，提高肥料利用率。膜层可在100

26、-120天内生物降解，降解成分对环境及人畜无毒害，并能有效的改善土壤结构。,22,4.3.4包膜缓控释蔬菜专用肥料 目前，由于过量使用化肥和有机肥，蔬菜硝酸盐含量严重超标，严重危害人体健康。蔬菜作物需肥量比较大，生产上多以基肥和追肥为主，养分控释难度比较大。在现有高氮钾专用肥料基础上，采用具有土壤改良功能的水溶性高分子材料聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和滑石粉为主要包膜原料，同时填加硝化抑制剂或脲酶抑制剂(如果是尿基复合肥)，包裹颗粒复合肥，制成控释蔬菜专用肥料。其特点是采用的养分控释方式是以聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮形成吸水溶胀膜层，滑石粉可以形成半透水膜层，控制氮磷钾养分释放，包膜层可为氮磷钾养分提供物理保护层，避免流失和固定。同时在包膜中加入硝化抑制和脲酶抑制剂，双向控制养分的释放，尤其是在氮素控释和减少土壤和植物体内硝酸盐含量方面作用明显。采用的制备方法可根据不同作物和土壤条件，调整配方比例和膜厚度，控制养分释放，肥效期可达80-100天。在等养分