保水缓/控释肥料的研究进展

肥料与保水剂复合一体化使用是水肥调控的重要技术，是肥料研究的国际前沿。该文主要对保水剂与化肥的复合方式与工艺，保水剂与肥料养分相互作用及其研究方法，以及保水及保水肥料应用的水肥效应方面的进展进行综述，并指出了保水缓/控释肥料研究存在的问题和今后努力的方向。保水剂与肥料可以通过物理混合(吸附或造粒)、包膜或化学合成3种方式结合为材料与功能复合一体化的保水缓/控释肥料，包膜和化学合成是高养分含量保水缓/控释肥料制备的先进工艺。肥料或盐影响保水剂的吸水膨胀及吸附作用，因肥料及盐的种类和离子电价而异。7 d溶解量法、土壤淋洗法及土壤培养法等是研究保水剂及保水缓释肥料养分吸附解吸的常用方法。保水剂或保水缓/控释肥料对一些养分的缓释作用报道基本一致，对土壤水分改善作用存在不一致的报道，与高盐含量和保水剂用量有关。保水缓/控释肥料今后发展方向应加强养分含量与吸水倍率指标标准、保水材料及其与肥料复合机制的创新、以及湿润及养分控释机理的研究，还应加强中试及产业化技术开发研究。     

保水剂作为肥料养分缓释载体的应用

保水缓/控释肥料是具有吸水、保水及释水的新型缓/控释肥料,其对改善水肥效率具有良好的前景。保水缓/控释肥料的开发应用技术关键是研究开发可作为肥料载体材料的低成本新型保水剂材料。保水剂在性能上应具备吸水倍率高,吸水速率适宜,耐盐性好的优点;保水剂对肥料的吸附容量及其与肥料的化学结合性也是保水剂实际应用应考察的重要性能。不同类型的保水剂对肥料显示不同的吸附及化学结合特征,保水剂与肥料复合可以是物理、化学或物理化学的作用机制。保水剂可以通过物理包埋,物理、化学吸附、氢键、离子键及共价键结合、复合肥料养分。今后应加强新型廉价高效保水剂材料及其与肥料复合机制的研究。     

水肥调控技术及其功能性肥料研究进展

综述水肥调控的有关技术,以及以高吸水性树脂 (super absorbent polymer,SAP) 为保水、缓/控释材料制备保水型缓/控释肥料的研究进展,为今后此类肥料的开发、应用提供依据。水分和养分是限制我国旱地农业可持续发展的主要因子,以肥调水,以水促肥,充分发挥水肥的协同效应是提高水肥利用率的关键。目前,水肥调控 (耦合) 技术的实施主要通过农艺措施和施肥灌溉技术来完成。近年来,随着SAP性能的不断改善和使用的普及,人们对SAP在吸水保水的同时,对土壤肥料养分的保持和缓释作用开始给予了重视,以SAP为保水、缓释材料的保水型缓/控释肥料的研究成为水肥调控研究的热点。SAP与一般聚合物不同之处是它具有高度亲水性,聚合物的骨架是一个适度交联的网状结构,进入树脂分子内的养分离子或分子可以以各种结合形式被暂时固定而延缓了养分的释放。土壤中可溶性盐对SAP吸水性能有重要影响,但尿素分子影响甚小。保水型缓/控释肥料可通过养分负载、复混或包膜等工艺制备。保水型缓/控释肥料是水肥调控 (耦合) 技术、化学制剂保水节水技术和肥料缓/控释技术的综合运用和物化的载体,兼具吸水、保水和养分缓/控释功能,实现水肥在同一时空条件下的一体化调控,同时提高水分和肥料的利用效率,在农业、林业、环境修复、生态工程等领域具有广阔的应用前景。未来工作是进一步寻求合适的SAP制造原料和工艺,降低成本;应用分子设计,改善SAP的结构,提高生物降解性,控制盐分的不利影响,提高肥料的吸水、保水和对养分的缓释性能;加强养分释放机理和不同于普通缓/控释肥料评价方法的研究。     

保水剂包膜尿素的特征与性能

保水肥料是缓/控释肥料研究的新方向,本文利用聚合化学反应制备出了一种保水剂包膜尿素肥料,并对该肥料的包膜特征、养分控释性能及其对土壤水分的影响进行了研究。结果表明:保水剂包膜尿素的实际包膜量低于设计包膜量,一般低10%～12%。扫描电镜成像图显示:保水剂包膜尿素包膜上存在纤维网状孔隙,膜厚度为0.15～0.25mm。7d水溶出率的实验结果表明,保水剂包膜尿素养分控释效果低于塑料包膜尿素,保水剂包膜尿素的养分缓释作用主要来自包膜对尿素的吸附作用。保水剂包膜尿素处理土壤的土壤水分脱水曲线测定结果说明,保水剂包膜尿素可提高土壤水分含量,增加土壤水分的有效性,改善土壤的保水、释水性能。因此,保水剂包膜尿素肥料是具有开发应用前景的新型缓/控释肥料。     

保水包膜尿素肥料理化特征

保水肥料是缓/控释肥料剂一个新的发展方向。本文中作者对研发的一种保水缓释包膜尿素肥料的包膜物理化学特征,养分缓释机制进行了研究。电镜观察显示,保水材料包膜上存在网状孔隙,膜厚度0.12mm~0.30mm,是水分贮存的物理空间。红外光谱分析表明,保水材料与尿素表面存在着氢键作用,这种氢键作用使保水包膜材料对尿素有一定吸附作用,这是保水包膜尿素具有养分缓释的一种机制。吸水倍率测定表明,保水包膜材料吸水倍率在70倍以上,吸水达饱和的时间为1.4小时,在盐水中还有一定的吸水倍率,pH为6.87。因此,保水包膜尿素肥料是水肥复合一体化的缓释肥料。     

缓控释肥料养分释放特性评价及快速测定方法研究

采用水中浸提释放法和土壤恒温培养法,按照缓控释肥料行业标准(HG/T3931-2007)和欧洲标准化委员会(CEN)推荐的控释肥料评价标准,对5种缓控释肥料的氮素释放特性进行了评价。结果表明:采用25℃常温浸提法测定与100℃快速浸提法测定,后者的养分释放率加快。用100℃快速浸提法建立预测预报缓控释肥料在常温下(25℃)的释放期的回归方程(一元二次方程,相关系数大于0.98),预测值与实测值相差1～3 d。对于25℃常温浸提法测定释放期分别为66 d和84 d的塑料包膜控释复合肥(CRF)和树脂包膜控释复合肥(CRF3),用100℃电导率法预测的养分释放期分别为65 d和81 d,相对误差小于3.5%,可见电导率法也可以准确快速地预测包膜控释复合肥料的养分释放率和释放期。用初期养分释放率、平均释放率和养分释放期等参数,可用于缓控释肥料的综合评价。     

包膜控释肥料在土壤中养分释放特性的测试方法与评价

在土壤培养基础上,着重研究了包膜控释肥料养分释放率的三种测定方法以及在土壤中测得的包膜控释肥料养分释放率与在水中测得的养分释放率间的相关性。结果表明,在土壤培养中,采用肥料养分化学测定法、肥料养分称量法和土壤无机氮增量法都能直接或间接表征包膜控释肥料在土壤中的养分释放率及其相关性状。包膜控释肥料在土壤与水两种体系中所测得的养分释放率之间相关性显著,其相关关系符合一元一次线型回归方程,相关系数(r)大于0.920。     

聚合物包膜控释肥料膜壳累积、降解及对土壤质量影响的研究进展

聚合物包膜控释肥料是实现化肥提质增效的新型肥料之一,其控释效果依赖于包膜材料。控释肥料养分释放后的残留膜壳是农业土地上微塑料的重要来源,膜壳及其降解产物是否对土壤质量安全造成影响尚不清楚。本文综合了国内外膜壳残留及其降解的研究进展,从聚合物包膜控释肥料残留膜壳在农田中的累积现状、降解性能研究及其对土壤物理–化学–生物学效应等土壤质量参数的影响进行了阐述,包括:1)现有文献指出,控释肥料膜壳在农田中的累积量与施用量基本相同,其在不同类型农田土壤及不同土层中的赋存、分布和累积现状不同;2)不同类型控释肥料膜壳在土壤中的降解过程主要与聚合物材质相关,降解率可通过聚合物材料改性来提高,其降解过程、产物及机制值得探索;3)控释肥料膜壳降解产物对土壤物理、化学、生物学性状及作物生长的影响程度取决于聚合物材料类型、累积量及土壤类型。短期内低浓度的膜壳累积对土壤理化性质、土壤生物及作物生长无不良影响,长期累积或高浓度下膜壳影响土壤质量变化的阈值亟需明确。据此,进一步提出,1)应广泛开展不同种类控释肥料膜壳在农田中的赋存、分布和累积的现场监测评估工作;2)开发控释肥料膜壳及其次级降解物分离提取、鉴定和定量表征的分析技术和方法,建立健全标准化方法;3)了解控释肥料膜壳及其降解产物在土壤中的去向和迁移过程及其对不同类型土壤及不同作物品种的影响,探寻膜壳残留量与效应之间的关系及其影响机制;4)研制开发天然、生物及可降解控释肥料膜材,研究膜壳降解与养分释放之间的相互关系,构建新型可生物降解控释肥料膜壳降解与养分释放关系数据模型,以期为聚合物包膜控释肥料的应用、开发及标准的制定提供科学依据。     

缓/控释尿素在稻田土壤中养分释放与转化特点及脲酶响应

采用田间应用试验方法,研究利用3种生化抑制剂双氰胺(DCD)或3,5-二甲基吡唑磷酸盐(DMP)和N丁基硫代磷酰三胺(NBPT)对尿素氮转化的协同作用、结合氮肥增效剂多肽(PA)或丙烯酸树脂包膜制成的缓/控释尿素肥料在北方粳稻土壤中养分释放与转化特点,明确肥料在北方稻田土壤中的缓/控释性能。结果表明:所用肥料在水田土壤中尿素态氮都能保持到水稻灌浆期,尿素有效性至少可达82d,2种生化抑制剂结合包膜肥料可达146d,完全可以满足水稻整个生长期的氮素供给,脲酶抑制剂NBPT及包膜层具有显著的缓/控释作用效果;而多肽活性物质在稻田土壤中无明显抑制尿素转化作用。在水稻生长前、中期,土壤铵态氮含量很高,完全能满足水稻对铵态氮的吸收,硝化抑制剂DCD或DMP和水田淹水土壤生态环境共同作用使土壤中铵态氮大量存在、硝态氮较少,总体上DMP作用效果优于DCD;所有肥料对水田土壤脲酶活性影响差异不大,PA没有起到保持土壤中大量的氮素养分和减少氮素损失的显著作用。     

几种包膜缓控释肥粒养分释放特征的研究

采用水浸泡法对国内外4种包膜控释肥料的养分释放特性进行了系统的研究。结果表明,4种缓控释肥料的初期溶出率均小于12%,微分溶出率在0.4%～1.5%之间,这符合国际上公认的缓/控释肥的评价标准,初期溶出率小于15%、微分溶出率在0.25%～2.5%之间。采用水浸泡法测定包膜控释肥料养分释放特征,简便快速,检测时间短,重复次数少,养分浓度变化直接反映出包膜控释肥料的释放速率特性,还可以定量的测定其供肥性能,控释肥料有控制养分释放、延长供应时间的作用;其中腐殖酸和炭基有利于提高肥料颗粒的水稳定性,减缓养分的释放速率。     

2种缓/控释肥对滨海盐碱地区水稻产量及氮代谢的影响

为实现节本增效稻作,缓解大量、多次追肥引发不良环境效应,以中晚熟粳稻"盐丰47"为试材,设常规化肥、中科虹稳定性复合肥、炭基肥料3种处理及空白对照组,研究缓/控释肥对水稻生长发育、氮代谢酶活性及产量构成的影响。结果表明,施用2种新型肥料的产量与常规处理相比无显著差异。从产量构成来看,中科虹稳定性复合肥和常规化肥高产主要归因于较多的有效穗数,而炭基肥料依靠较高水平的穗粒数、结实率和千粒重维持产量;从氮代谢角度分析,2种新型肥料提高了齐穗期水稻功能叶硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、亚硝酸还原酶(NiR)活性及可溶性蛋白含量,而常规处理谷氨酸合成酶(GOGAT)活性显著高于其他处理和空白对照组。中科虹稳定性复合肥中硝化抑制剂、脲酶抑制剂等组分保证了较长的养分释放周期,改善了植株生长关键阶段氮代谢能力,特别是分蘖末期起保蘖增穗的作用;而炭基肥料中生物炭等有效组分增强了土壤养分固持能力,提高了可提取态养分含量及其有效性。因此,科学施用中科虹稳定性复合肥和炭基肥料可在稳产基础上减少化肥用量(较常规处理分别减少151.50,187.50 kg/hm~2),对肥料投入较高的滨海盐碱地区发展绿色可持续农业具有应用价值。     

控释肥料的大蒜肥效研究

对控释肥料(CRFs)的大蒜肥效进行了田间试验,结果表明:控释肥料与普通肥料(OFs)相比,在肥料施用量低和中等时具有提高肥效、增加产量的作用,大蒜的生物量分别增加80.5%和51.1%,蒜苔和蒜头产量分别增加180%、100%、和69.2%、29.3%,而高用量时产量反而降低;在比普通肥料(300kg/hm2)减少一半用量的情况下,控释肥料(150kg/hm2)处理的大蒜生物量、蒜苔和蒜头产量分别增加15.6%、61.5%和11.6%。经过大蒜的整个生长季,控释肥料处理的根际土壤有效养分仍能维持较高的水平,控释肥料能显著提高大蒜体内的氮磷钾含量及肥料的养分利用率。     

淹水条件下氨酸法生产颗粒有机无机复混肥养分缓释特性

采用直接淋洗和淹水培养间歇淋洗两种方法评价氨酸法生产颗粒有机无机复混肥的养分缓释特性。结果表明,对氨酸法生产有机无机复混肥造粒,有直接减缓其有机和无机养分释放的效应。在等氮水平下,不同种类有机无机复混肥累积淋失的氮量明显不同,且与淋失的有机碳量没有明显的相关关系,表明有机与无机养分的配比比例影响肥料的氮释放特性。在本研究中,造粒对氨酸法生产的有机和单一无机氮复混肥中氮养分的缓释效果最差,而对氮钾比为2∶1的两种肥料中有机和无机养分的缓释效果均相对较好。     

不同无机矿物应用于包膜复合肥的氮素释放特征及其评价

探讨了不同无机矿物用于膜材料后的包膜复合肥氮素养分释放特性、生物效应和评价方法。采用了土壤淋溶和土壤盆栽试验两种方法。试验方法的不同造成土壤盆栽与淋溶试验中各处理养分释放拟合曲线的差异 。两种方法的试验结果都能说明:无机矿物材料能有效地保持Ｎ素养分较长时间处于NH4＋-N形态,减少了因转化为NO3－-N形态造成的养分淋溶损失,但是各种材料彼此间存在一定的差异。盆栽试验中养分累计释放量与释放速率虽然快于作物的生理需求,但是受矿物材料和土壤缓冲作用的影响,作物氮素供应状况良好。与普通复合肥相比,各无机矿物用于包膜肥后能显著提高氮素利用率。蒙脱土效果最好,其次为高岭土,且差异显著。滑石粉、硅粉、硅藻土与前两者相比效果稍差,差异显著,但三者间差异不显著。无机矿物材料的耐水程度,养分吸附、固定能力和离子交换量等理化性质会影响包膜肥的养分释放性能。对于膜层疏松、耐水性差、主要靠养分吸附和固定机理控释的包膜肥来说,采用土壤作为养分释放介质更接近真实释放性能。评价包膜肥料的性能应该充分考虑养分形态、膜材特性、包膜工艺、土壤环境、供试作物等各方面因素,重点在“肥料–土壤–作物”系统中考查,从多种角度制定不同方案、通过多种方法综合评价其缓释效果。     

缓控释氮素肥料的研究现状与展望

在前人有关缓控释肥料文献的基础上,介绍了缓控释氮肥的缓效途径和研究发展情况。重点阐述了缓控释氮肥的分类和缓控释机理。此外,对今后缓控释肥料研究发展提出了一些见解。