发展控释肥——解决化肥利用率低的新思路

■  文/山东农业大学资源与环境学院 张 民教授

　　 据估计，我国氮肥的损失量（以纯氮计）每年可达900万吨，直接经济损失达239亿元，造成了化肥资源的极大浪费。化肥的生产是以煤炭、天然气、水及其他资源为基础的。节约化肥，实际上就是节约这些宝贵的不可再生资源。实现控释肥料的产业化，可充分利用工业副产品硫磺和废旧大棚塑料薄膜，以此为主要膜材料，可变废为宝，减少白色污染。生产控释肥料的膜添加剂、改性剂及活性剂等产品是我国的基础化工产品，价廉易得，用量少，市场供应充足，与生产化肥消耗大量煤电相比，控释肥料可大大提高资源利用率，社会效益显著。
　　农业的可持续发展与环境保护密切相关。农业中化肥过量施用引起作物品质下降、地表水富营养化，地下水污染，农业环境的承载力下降，如继续发展下去，恢复环境的代价将是巨大的。控释肥料可大幅度提高氮素利用率，减少氮的淋失与挥发，对保护大气和水资源环境具有长期的生态环境效益。

为什么要推广和使用控释肥料

　　化肥在农业生产中占有重要地位，是农民生产投资中最大的物质投资，约占其全部生产性支出的50%。如何充分发挥化肥的作用，是农业持续发展中最突出的问题之一。据联合国粮农组织估计，发展中国家粮食增产中，55%来自化肥的作用。我国化肥的投入和粮食的关系也基本符合这一规律。随着高产、高效、优质农业的发展，化肥在我国农业中的地位将更为重要。
　　农业生产实践表明，由于肥料性质与土壤环境条件的综合影响，肥料利用率低是化肥使用上普遍存在的问题。据统计，我们国家的氮肥利用率只有30%，磷肥的当季利用率不到20%，钾肥的当季利用率也在40%以下，在施肥量过高的蔬菜或果树种植区，有些地方肥料的利用率甚至低于10％，这种情况在全国都非常普遍。
　　肥料氮磷钾三要素中，氮的挥发和淋失都特别严重，不仅造成了直接的经济损失，而且部分地区施肥不当已引起环境污染，出现了地表富营养化，地下水和蔬菜中硝态氮含量超标，氧化亚氮排放量增加等问题。因此，提高化肥利用率，减少因施化肥而造成的污染，发展可持续高效农业已成为世界各国共同关注的问题。
　　我国在宏观上，通过调整化肥结构，按区域条件指导肥料分配对提高化肥利用率起到了一定的作用。在农业生产中，我国大力推广优化配方施肥技术，通过平衡施肥，促进肥料间的相互作用，在一定程度上起到了提高肥效的目的。生产中大力提倡的化肥深施技术，也可大大减少氮肥的挥发。但是这些措施还没有从根本上解决化肥利用率过低的问题。所以说，普通的速效化肥确实是太浪费了，化肥的浪费这么多，其实有很多原因是化肥本身造成的。化肥都是速效肥，如果进行表面撒施的话，氮肥就会有挥发。除了被作物吸收之外，很多又会由于降水灌溉，被淋洗到土壤中，随着地下水流失掉，不管是挥发和淋洗都会对环境带来很多的危害。用的肥越多，其实浪费的也越多。
　　在普通的化学肥料颗粒外面包上一个膜，做成包膜控释肥料，就能够解决以上问题。因为包上膜的肥料就不会一下子溶化掉了，会缓缓地不断地提供给作物了，用老百姓的话说就是这肥有了长劲了。包膜肥料不仅可以近根施肥，大大提高肥料的利用率，而且一季作物只施一次就能满足作物的需要，可以节省施肥的用工和劳动力。
　　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，上世纪80年代以来控释和缓释肥料已成为化肥革新的新型肥料品种，被誉为绿色环境友好型肥料，是21世纪肥料发展的方向。

　　控释肥料的定义及分类

　　控释和缓释有关概念的区分：
　　“释放”（release）是指养分由化学物质转变成植物可直接吸收利用的有效形态的过程(如溶解、水解、降解等)。
　　“缓释”(slow release)是指化学物质养分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分的释放速率。
　　“控释”（controlled release）是指以各种调控机制使养分释放按照设定的释放模式（释放率和释放时间）与作物吸收养分的规律相一致。
　　因此，缓释和控释肥料是指最初养分释放的延缓（即最初有效性的推迟），能延长植物对肥料有效养分吸收利用的有效期和设定养分持续有效释放时间的一类肥料。
　　而控释肥料是以各种调控机制使其养分释放按照设定的模式（包括释放率和持续有效释放时间）与作物对养分的吸收相同步，即与作物吸收养分的规律相一致的一类肥料。
　　控释肥料(Controlled-Release Fertilizers,简称CRFs)是指最初养分释放的延缓（Lag stage即最初有效性的推迟），能延长植物对肥料有效养分吸收利用的有效期和设定养分持续有效释放时间和释放速率的一类肥料。
　　最初有效性的推迟或持续有效时间的延长可以通过以下两种机制来实现:
　　一是通过尿素与醛类化合物缩合反应，生成缓慢溶解的水溶性低分子化合物，从而实现对肥料水溶性的控制，（如脲甲醛UF，异丁叉二脲IBDU等），这种肥料是在生物或化学作用下可缓慢分解的有机氮化合物，氮素的释放率受土壤生物、化学和环境条件的影响，这种肥料通常被称为缓释肥料（Slow-release fertilizers，SRF）。
　　二是利用包膜材料的透水性和水溶性的不同，通过全封闭包膜、半透性包膜，采用不溶性聚合物或其它形式包膜，利用物理障碍性因素来控制水溶性肥料的溶出和释放。这种包膜肥料对生物和化学作用等因素是不敏感的，只受温度和土壤或空气中水汽压是否饱和的影响，因此这种包膜肥料通常被称为控释肥料，或包膜控释肥料。

控释肥料的功能和特点

　　包膜控释肥无论对室内、室外、盆栽、苗圃、花园、水培、砂培、土培的花卉、蔬菜、草坪、果树、林木以及大田中的农作物等都是一种理想和完美的控释长效肥料。
　　这种包膜的颗粒控释肥料施用后，土壤或基质中的水分使膜内颗粒吸水膨胀，并缓慢溶解，扩散到膜外，将在3-9个月的时间里持续不断地释放养分。其释放速率受膜内外水汽压的控制，与土壤和基质的温度呈正相关，但在土壤或基质中水汽压达到饱和的情况下与土壤或基质的含水量无关（图1）。
　　由于养分扩散的驱动力是温度和膜内外的浓度梯度，因此，当温度升高时，植物生长加快，包膜控释肥释放速率也随之加快；当温度降低时，植物生长变缓或休眠时，包膜控释肥也随之变慢或停止释放；另一方面，作物吸收养分多时，控释肥颗粒膜外侧浓度下降也快，造成膜内外浓度梯度增大，控释肥释放速率也就加快，从而也使其养分释放模式与作物需肥规律相一致，使营养元素发挥了最大的肥效或利用率。
　　包膜控释肥源源不断地按照植物的需要供给最直接有效的养分，促使植物叶色和花色更鲜艳，植株更加健壮，籽粒或果品品质更好。
　　普通化肥的养分释放迅速，施用后使植物处在烧根、烧苗的危险之中。相比之下，控释肥显示出其得天独厚的优势，不仅施用一次可根据植物的需要持续不断地供给养分达3～9个月的时间，而且对植物安全，不会造成烧根、烧苗，并易于保存，使用方便。
　　比如我们在花卉上施用的控释肥料有的是3个月的、有的是6个月的，有的是9个月的，如果我们在2月份施入肥料，在5月份已经3个月了，控释期为3个月的肥料已经基本释放完全了，控释期为6个月的，刚释放一半，控释期为9个月的，还有6个月的时间供应花卉作物的养分。我们将这3种肥料按一定比例掺混在一起，一次施入后可以满足花卉9个月对养分的需求。所以说控释肥料不仅把肥料直接施在根部不会烧根，就连这肥料的使用寿命也都设定好了，这与包膜的厚度还有添加剂的不同组合都有关系。
　　包膜控释肥料就好比给肥料颗粒穿了一件漂亮的衣服，且是非常理想和完美的衣服。给肥料穿衣服说起来简单，可真有很多技术和学问在里面。这衣服表面充满了我们肉眼看不到的孔隙。但在电子显微镜下放大以后就能看到这些小孔，养分就从这些孔隙里面向衣服外面不断扩散释放，这样就能大大降低了肥料的浓度，就能够使植株根部得到充足而合适的营养。这件衣服就好像有个精密的计算机在设定一样，使肥料养分释放正好和作物需要吸收相同步。土壤水分从膜孔进入，溶解了一部分养分。然后通过膜孔释放出来。当温度升高的时候，释放的速度就会加快一些，而这时候植株正好长得比较快，需肥量也就大一些。当肥料养分被植株很快吸收以后，包膜外面的养分浓度就低了，这个梯度就像是水往低处流一样，里面的肥料释放就会加快。也就是你想吃的时候正好就能提供，保证你饿不着，不想吃的时候，又可以不给你，这样庄稼就能长得更好。
　　因此，控释肥料能够解决作物需肥关键期即需肥高峰期的问题，控释肥料虽然在作物苗期缓慢释放养分，但等到作物生长快速的时候，或者需要大量养分的时候，它就能快速的释放养分，这样有一个释放的高峰期，能够满足作物快速生长对养分的大量需求，这就是达到了养分的供需平衡，或者称为控释肥养分的平衡释放或者平衡供应。

控释肥料的加工生产及原理

　　包膜控释肥是利用先进的流化床包膜设备进行制作，例如，热塑性树脂包膜控释肥是在加热沸腾式流化床包膜塔中生产的，这种包膜塔由包衣室、扩大室、空气分配室等几部分组成，包衣室由中央室、外室、喷雾装置和气流分配板组成，加热气流和膜材料溶液经气流室通过气流分配板上的喷嘴进入包衣室，肥料被膜材溶液润湿后被热气流干燥并被上推，经过中央室上部进入外室，由于中央室与外室空间存在压力差，使肥料颗粒又循环到中央室，再一次被热气流加速推动向上，并在肥料上升过程中被干燥，这样反复通入膜材溶液和热空气，使包衣干燥操作反复进行，直到肥料表面均匀地包覆上所需厚度的膜层，而上升的热空气和混合气从包衣室顶部进入扩大室，经过过滤和冷凝，除去粉尘并回收溶剂（图2）。
　　包膜过程中，肥料颗粒在悬浮条件下进行包膜，保证每个肥料颗粒涂膜均匀，提高了生产效率。利用加热流化床设备，可以确定膜材料在溶剂中的浓度、喷涂速度、气流通量、涂膜温度与时间等各种工艺参数。通过室内肥料释放试验、盆栽与田间试验，用不同作物验证肥料效果。利用试验提供的信息，反馈指导改进工艺，然后摸索出最优的包膜工艺条件，为生产高质量的包膜控释肥提供了技术保障。
　　包膜控释的原理就是由于不同膜厚度、不同添加剂和不同肥料颗粒直径都直接影响到肥料养分从膜内到膜外的扩散释放速率，因此利用先进的包膜工艺，根据不同作物的需要，通过调整膜厚度、包膜材料、添加剂、不同粒径颗粒等的比例与组合，以此来调节养分透过控释膜的释放速率和释放时间的长短，使制作或生产的包膜控释肥达到与不同作物吸收养分的规律相一致，解决了控释肥养分释放速率与作物生长吸肥规律相吻合的技术难题。由于包膜控释肥的养分释放率和释放时期是根据作物生长和吸肥规律设计的，因此，一季作物或一茬作物只施用一次控释肥，即可以满足作物整个生长季节的养分需求。

（自《中国农资》2006年第6期）