緩控釋肥料.ppt

1、緩控釋肥料,化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最大的物質(zhì)投資，約占其全部生產(chǎn)性支出的50。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估計，發(fā)展中國家糧食的增產(chǎn)中，其55來自化肥的作用。我國化肥的投入和糧食的關(guān)系也基本符合這一規(guī)律。隨著高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥在我國農(nóng)業(yè)中的地位將更為重要。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，由于肥料性質(zhì)與土壤環(huán)境條件的綜合影響，肥料利用率低是化肥使用上普遍存在的問題。目前我國化肥的當(dāng)季利用率較低：氮為3035，磷為1020，鉀為3035。其中氮的損失特別嚴(yán)重，不僅造成了直接的經(jīng)濟(jì)損失，而且部分地區(qū)因施肥不當(dāng)已引起環(huán)境污染，出現(xiàn)地表富營養(yǎng)化、地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標(biāo)、氧化亞氮排放量增加等

2、問題。因此，提高化肥利用率，減少因施肥而造成的污染，發(fā)展可持續(xù)高效農(nóng)業(yè)已成為世界共同關(guān)注的問題。,從20世紀(jì)60年代開始，美國、日本等發(fā)達(dá)國家就著手研究和改進(jìn)化肥的制作技術(shù)，力求從改變化肥本身的特性來提高肥料的利用率，相繼研制并推出控釋和緩釋肥料系列產(chǎn)品，使化肥的利用率得以大幅度提高?？蒯尫柿线@一高新技術(shù)為解決化肥利用率低的問題提出了新的思路和途徑。因此，20世紀(jì)80年代以來控釋和緩釋肥料已成為化肥革新和研究的熱點(diǎn)。,一、控釋肥、緩釋肥的種類和類型 (一)控釋肥、緩釋肥的概念及定義 一般認(rèn)為，所謂“釋放”是指養(yǎng)分由化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成植物可直接吸收利用的有效形態(tài)的過程(如溶解、水解、降解等)；“緩釋

3、”是指化學(xué)物質(zhì)養(yǎng)分釋放速率遠(yuǎn)小于速溶性肥料施入土壤后轉(zhuǎn)變?yōu)橹参镉行B(tài)養(yǎng)分的釋放速率；“控釋”是指以各種調(diào)控機(jī)制使養(yǎng)分釋放按照設(shè)定的釋放模式(釋放率和釋放時間)與作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律相一致。因此，生物或化學(xué)作用下可分解的有機(jī)氮化合物(如脲甲醛UFS)肥料通常被稱為緩釋肥(SRFS)，而對生物和化學(xué)作用等因素不敏感的包膜肥料通常被稱為控釋肥(CRFS)。,Trenkel綜合了有關(guān)緩釋和控釋肥養(yǎng)分緩慢或控制釋放的釋放率和釋放時間的研究，提出了作為緩釋和控釋肥應(yīng)具備的幾個具體標(biāo)準(zhǔn)。即在25下：(1)肥料中的養(yǎng)分在24h內(nèi)的釋放率(即肥料的化學(xué)物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟衫玫挠行螒B(tài))不超過15；(2)在28

4、天內(nèi)的養(yǎng)分釋放率不超過75；(3)在規(guī)定時間內(nèi)，養(yǎng)份釋放率不低于75；(4)專用控釋肥的養(yǎng)分釋放曲線與相應(yīng)作物的養(yǎng)分吸收曲線相吻合。本文所用的控釋和緩釋肥概念是指在肥料養(yǎng)分釋放過程中，以緩慢或可控制的方式滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的一類肥料。,(二)控釋和緩釋肥的類型 控釋和緩釋肥按照其溶解性釋放方式通常分為3種類型：(1)物理障礙性因素控制的水溶性肥料，如包膜顆粒肥料和基質(zhì)復(fù)合肥料，包膜顆料肥料又可進(jìn)一步劃分為有機(jī)聚合物包膜肥料(熱塑性和樹脂類)和無機(jī)包膜肥料(如硫磺、礦物質(zhì)包膜)；(2)微溶有機(jī)氮化合物，可進(jìn)一步劃分為生物可降解的微溶有機(jī)氮化合物(如脲甲醛和其它脲醛縮合物)和主要以化學(xué)降解的化合物(如異

5、丁烯環(huán)二脲)：(3)微溶性的無機(jī)化合物，如金屬磷銨鹽、部分酸化磷酸鹽等。Fan和Singh根據(jù)釋放控制方式將控釋和緩釋肥劃分為擴(kuò)散型、侵蝕或化學(xué)反應(yīng)型、膨脹型和滲透型4類。 在氮肥中加入生物抑制劑(如脲酶抑制劑和硝化抑制劑)已被認(rèn)為是提供了某種意義上的氮素緩慢釋放，特別是在陽離子交換量(CEC)較高的土壤中。但它們在施入土壤后只是延緩了尿素水解轉(zhuǎn)化成銨或抑制硝化細(xì)菌將銨離子氧化而轉(zhuǎn)變成NO2-和NO3-的過程，不能稱作緩釋或控釋肥，而被稱為穩(wěn)定性肥料。,(三)控釋和緩釋肥的主要種類 l、有機(jī)氮化合物 (1)脲甲醛縮合物 尿素與醛類的縮合(尤其是與甲醛)是緩釋肥常用的制備方法。 脲甲醛是最常見的

6、作為緩釋氮肥的有機(jī)氮化合物，目前仍是最主要的控釋和緩釋肥之一，并有著很長的研究應(yīng)用和生產(chǎn)歷史。,脲甲醛是在控制pH值、溫度、尿素與甲醛的比例和反應(yīng)時間的條件下通過甲醛與過量尿素反應(yīng)而制得。產(chǎn)品是由分子量不等的單羥甲基脲、二羥甲基脲、甲叉尿素等的二聚物和低聚體組成的混合物。堿催化縮合形成的主要是水溶性產(chǎn)品(如羥甲基尿素、單甲叉尿素等)。在這些混合物中加酸則產(chǎn)生縮合鏈較長、水溶性較低的低聚體，鏈越長氮的釋放就越慢。典型的脲甲醛產(chǎn)品含N3740。為了提供脲甲醛產(chǎn)品N釋放率的標(biāo)準(zhǔn)，將此化合物分成3種組分：冷水溶解組分N(CWSN，25)主要有尿素、二聚物和短鏈聚合物，該組分中的N可認(rèn)為是速效到緩效；熱

7、水溶解組分N(HWSN，100)為甲叉尿素和中等鏈長聚合物，該組份中的N可緩慢釋放到土壤中：熱水不溶組分(HWIN)為甲叉尿素和長鏈聚合物，在土壤中分解極慢，該組分N在土壤中無活性。根據(jù)上述定義可確定此類化合物的活性指標(biāo)值A(chǔ)I=(CWIN-HWIN)/(CWIN100)。AI提供了熱水溶解組分在土壤中的氮素釋放的估計值(6個月左右)。脲醛肥料的分解主要是由于生物的作用，氮的釋放強(qiáng)烈依賴于土壤性質(zhì)的變化(如生物活性、粘粒含量、pH)和外界條件(如水分含量、干濕狀況和溫度等)。在很多情況下，低分子量脲醛部分提供的氮素比例在作物生長前期超過了作物所需要的量，然而高分子量部分提供氮素又太慢。這可能是在

8、緩釋和控釋肥中，有機(jī)氮化合物緩釋肥的需求量不斷降低而包膜肥料的需求量卻穩(wěn)步增加的主要原因。,(2)其它脲醛和合成氮化合物 還有幾種由尿素和醛類反應(yīng)制備的氮化合物，如異丁叉二脲是世界范圍內(nèi)生產(chǎn)量僅次于脲甲醛的一種有機(jī)氮化合物。，含氮量31。其中大多數(shù)(90)可以溶于水，氮釋放率主要是由于化學(xué)分解(水解)作用引起的，因此取決于肥料顆粒的大小和土壤水份含量。丁烯酰環(huán)脲是在酸催化下，尿素與乙醛反應(yīng)而成，是環(huán)狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，約含氮30。它在水解和生物降解作用下釋放氮，其釋放率受產(chǎn)品顆粒大小、土壤溫度、水份和pH的影響。,2、包膜肥料 (1)非有機(jī)物包膜肥料 硫包膜尿素已有較長的生產(chǎn)歷史，是用熔化的硫磺包裹

9、被預(yù)先加熱的尿素顆粒制成。硫是中量營養(yǎng)元素，在156時可以熔化，可以噴涂于尿素顆粒以及其它肥料顆粒表面作為包膜，產(chǎn)品含有3l38N。尿素包膜后，用密封劑(蠟)噴涂封住包膜上的裂縫，以減少硫包膜的生物降解，最后是第三個涂層(通常是硅鎂土)作為調(diào)節(jié)劑。硫包膜尿素中N的釋放取決于膜的質(zhì)量。典型的硫包膜尿素有3種類型的膜：破損的、含有裂隙的膜：損壞的膜含有被蠟封的裂隙；厚和完整未損的膜。硫包膜尿素對土壤水分含量、干濕交替、生物活動和運(yùn)輸及施用過程中對膜的磨損都是非常敏感的，所以這種產(chǎn)品只能被看作是緩釋肥而不是控釋肥。為了改進(jìn)包膜尿素的性能，在原包膜尿素外再包一層有機(jī)聚合物膜，形成硫包衣尿素。,(2)有

10、機(jī)聚合物包膜肥料 樹脂包膜肥料是在制備過程中使聚合物作用在肥料顆粒上，由熱固性的樹脂交聯(lián)形成的疏水聚合物膜。常用的樹脂有醇酸類樹脂和聚氨酯類樹脂兩大類。 最早商品化生產(chǎn)的樹脂包膜肥料是1967年美國在加利福尼亞生產(chǎn)的醇酸樹脂包膜肥料。醇酸樹脂是雙環(huán)戊二烯和甘油酯的共聚物，養(yǎng)分的釋放可以通過改變膜的成分或膜的厚度來控制。養(yǎng)分釋放過程為：水分通過膜上的微孔滲透到膜內(nèi)，增加了膜內(nèi)的滲透壓力而造成膜膨脹，膨脹又增大了微孔，使養(yǎng)分從增大的孔中釋放出來。醇酸樹脂類包膜技術(shù)可以很好地控制膜的成分和厚度，從而控制養(yǎng)分釋放率和釋放曲線，這種樹脂膜可以用到各種顆粒肥料產(chǎn)品上。 聚氨脂類包膜是在肥料顆粒表面上直接以

11、聚氰基與多元醇反應(yīng)生成的。它與其它樹脂的區(qū)別在于聚異氰基與肥料芯反應(yīng)，形成了抗磨損的控釋肥。養(yǎng)分從這種產(chǎn)品中釋放主要依賴于溫度變化，土壤水份含量、pH、干濕交替以及土壤生物活性對釋放幾乎無影響。,(3)熱塑性樹脂包膜肥料 最常用的包膜顆粒肥料技術(shù)是將熱塑性包膜材料(如聚乙烯)溶解于氯化烴中，在流化床反應(yīng)器中噴涂在肥料顆粒上。養(yǎng)分釋放可通過將透水性差的聚乙烯與透水性較強(qiáng)的樹脂(如EVA)加以混合來控制，也可在膜中加入一種礦物粉來改進(jìn)由溫度控制的養(yǎng)分釋放。加入的礦物粉末可以控制Q 10釋放因子(Q 10被定義為每增加10釋放率的變化值)，使它在1.802.55變化。Raban等人發(fā)現(xiàn)幾種常用聚合物

12、包膜尿素肥料的Q10為1.52.0。上述包膜技術(shù)可用于多種顆粒肥料或固體制成的球狀顆粒肥料。改變聚乙烯和EVA的比例或改變添加礦物質(zhì)粉末的量，可以提供具有很好的養(yǎng)分控制釋放率和釋放曲線的控釋肥。 另外還有一些其它熱塑性聚合物或乳膠可用作包膜材料，如加拿大研制的一種產(chǎn)品是用乳膠包膜尿素或其它粒狀復(fù)合肥料，與其它包膜的區(qū)別在于它是用聚偏二氯乙烯的水乳膠懸浮液噴涂于顆粒上，不需要回收溶劑。,(4)聚合物包膜硫包衣尿素 由于硫包膜尿素控釋效果差，一些廠家用有機(jī)聚合物(熱塑性塑料或樹脂)在硫包衣尿素上再包一層較薄的普通聚合物膜，以增強(qiáng)抗磨損性能，產(chǎn)品表現(xiàn)出較好的釋放性能。目前硫包衣尿素和硫包膜尿素占了包

13、膜產(chǎn)品的絕大部分，主要是由于它們廣泛地應(yīng)用于非農(nóng)業(yè)市場(如草坪、景觀業(yè))。 (5)基質(zhì)復(fù)合肥料 將肥料與可降低其溶解性的物質(zhì)混合來制備緩釋肥料已進(jìn)行了多年的努力，但所選用的材料還沒有真正提供可控制釋放的特性。另外的基質(zhì)型緩釋肥是藥片狀、釘形物或餅狀物，是將植物營養(yǎng)物質(zhì)與粘結(jié)劑混合擠壓而成。在許多情況下將脲甲醛或異丁烯環(huán)二脲加入到混合物中，這種產(chǎn)品的性質(zhì)與緩釋性差的肥料相似，其溶解速率主要取決于壓縮產(chǎn)品的表面與體積的比率(體積越大，釋放就越慢)。,二、控釋和緩釋肥的實(shí)際應(yīng)用及其發(fā)展前景 (一)目前國際市場上實(shí)際應(yīng)用的控釋和緩釋肥 目前世界緩釋和控釋肥的消耗總量大約是65萬t/a，美國是最大的消費(fèi)

14、國，約占世界總用量的70，日本和歐洲各占15左右。在日本，大多數(shù)控釋和緩釋肥用在農(nóng)業(yè)上，主要是種植蔬菜、水稻和水果，僅一小部分用于草坪和觀賞園藝。在美國和歐洲，約占總量的90是用于高爾夫球場、苗圃、專業(yè)草坪和景觀園藝，僅有10用于農(nóng)業(yè)。如蔬菜、瓜果、草莓、柑桔和其它水果上。,用在農(nóng)業(yè)上的大多數(shù)是包膜控釋肥(約占6575)，聚合物包膜控釋肥的應(yīng)用有明顯穩(wěn)定增長的趨勢。非農(nóng)業(yè)市場消耗的包膜控釋肥和有機(jī)N化合物的量大約相等。包膜肥料的比例在過去的10年中不斷增加。 控制釋放表現(xiàn)好的包膜控釋肥(價格也較高)被越來越多地用在農(nóng)業(yè)市場上，這表明消費(fèi)者已意識到包膜控釋肥在提高農(nóng)業(yè)效益上勝過其它緩釋肥。 盡管

15、多種表現(xiàn)很好的控釋和緩釋肥已經(jīng)商品化且技術(shù)在不斷發(fā)展，但它們在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用仍然受到限制，僅占世界化肥總消耗量的0.5以下。主要限制因素是價格偏高。如果不考慮價格因素，僅考慮控釋肥提高養(yǎng)分利用率、增加產(chǎn)量、減少因養(yǎng)分損失而引起的對環(huán)境的不良影響，控釋肥應(yīng)用快速增加的潛力是巨大的。,(二)中國緩釋和控釋肥研究現(xiàn)狀與進(jìn)展 控釋和緩釋肥在美國、日本等國家已進(jìn)行了幾十年的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用，我國控釋肥的研究和開發(fā)尚處在起步階段，才剛剛形成真正意義上的控釋肥生產(chǎn)廠和商品。目前我國有一些緩效肥料的生產(chǎn)，如涂層尿素、長效碳銨、氫醌尿素、非溶性磷肥包裹尿素、沸石尿素等，但這些肥料多是延緩肥料運(yùn)輸貯存中的養(yǎng)分損失或

16、養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化過程。例如，包衣尿素中的包膜材料采用氫醌類物質(zhì)，實(shí)為脲酶抑制劑，通過抑制脲酶活性而達(dá)到減緩尿素轉(zhuǎn)化的目的。我國目前生產(chǎn)的緩釋肥料品種尚不能很好解決肥料釋放與作物所需相吻合的難題，達(dá)不到自控緩釋指標(biāo)，技術(shù)含量不高。,近年來國內(nèi)有多所大學(xué)和科研院所承擔(dān)了國家和地方的控釋肥研制課題，已有研究單位從國外引進(jìn)了制作設(shè)備，研制出適合不同作物需要的控釋肥系列新產(chǎn)品。并通過大量的室內(nèi)和田間試驗，表明所制作的多種控釋肥品種在水中和土壤中的控釋時間和釋放模式已達(dá)到了可控釋放的具體要求和標(biāo)準(zhǔn)。其釋放速率主要受溫度和水分條件的控制，并可根據(jù)不同作物的需要進(jìn)行釋放高峰和施肥時間的調(diào)整。在多種作物上的盆

17、栽和田間試驗均已表明，可提高氮肥利用率3050以上。在作物相同產(chǎn)量的情況下可以減少3350以上的肥料施用量。一季作物一次施肥，省工省時，經(jīng)濟(jì)效益高，還減少了揮發(fā)、淋失及反硝化作用，減少了施肥對環(huán)境造成的污染。這標(biāo)志著我國控釋肥的研究己取得了較大的進(jìn)展，表明研制的控釋肥已達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和水平，相信控釋肥在我國的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模將會盡快擴(kuò)大。然而，要使控釋肥的生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，盡快擴(kuò)大推廣應(yīng)用的范圍，仍有大量的工作要做。,(三)存在的問題和發(fā)展方向 盡管國內(nèi)外在控釋肥的研究、開發(fā)和應(yīng)用上已取得了較大的進(jìn)展，但仍有許多問題需要進(jìn)一步研究。一是控釋肥的價格偏高，限制了它的應(yīng)用和推廣；二是如何

18、使控釋肥的釋放速率和模式與作物吸收養(yǎng)分模式一致，以及影響因素的研究還較少；三是控釋肥的肥效還缺少系統(tǒng)定量的評價，尤其是對控釋肥施入田間后的釋放、形態(tài)轉(zhuǎn)化、去向以及被作物吸收的方式等還缺乏系統(tǒng)深入的研究；四是在實(shí)驗室和田間條件下預(yù)測控釋肥養(yǎng)分釋放的機(jī)理、數(shù)學(xué)模型還需進(jìn)一步研究，以提供技術(shù)人員設(shè)計控釋肥的參數(shù)和依據(jù)；五是控釋肥實(shí)驗室測定的參數(shù)與田間控釋期限和效果還缺乏相關(guān)研究。 針對所存在問題，我們認(rèn)為對控釋和緩釋肥的進(jìn)一步研究、開發(fā)應(yīng)著重考慮以下方面： (1)促進(jìn)制作技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，發(fā)展新的概念和理論，以制作價格較低而控釋效果更好的控釋肥。 (2)施用控釋肥對保護(hù)環(huán)境的效益要做出進(jìn)一步預(yù)測和評

19、價，主要包括減少生態(tài)系統(tǒng)(空氣、水、土壤等)的污染以及維持或提高土壤肥力上的生態(tài)效益估測。,(3)定量評價從減少養(yǎng)分流失和節(jié)省勞力所得到的實(shí)際經(jīng)濟(jì)利益。 (4)改進(jìn)控釋肥養(yǎng)分釋放及供應(yīng)模式，使其與作物需求同步，從而進(jìn)一步評價施用控釋肥減少滲透脅迫和濃度過高造成的作物傷害所期望的經(jīng)濟(jì)利益。 (5)通過控制養(yǎng)分釋放使根系更易接觸到易于選擇吸收的養(yǎng)分組成(尤其強(qiáng)調(diào)微量元素)和化學(xué)形態(tài)，研究和評價不同化學(xué)組成和不同形態(tài)養(yǎng)分之間的協(xié)同和交互效應(yīng)。 (6)進(jìn)一步研究和應(yīng)用作用過程的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測養(yǎng)分在實(shí)驗室內(nèi)和田間條件下的釋放率和釋放模式，作為控釋肥制作設(shè)計的工具。 (7)進(jìn)一步研究和更好地理解控制釋放速

20、率、釋放模式的機(jī)理及其影響釋放的主要環(huán)境因子(如濕度、水分、微生物、酸度、土壤類型等)，讓使用者盡快了解這些知識，以便在他們做出選用控釋肥時能夠站在一個專業(yè)的和定量評價的基礎(chǔ)上。 在上述這些方面取得成就將在很大程度上依賴于有組織和嚴(yán)格有序的工作來解決和處理這種復(fù)雜的問題，也更需要整個社會對這項工作的重視和支持，從而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)做出更重要的貢獻(xiàn)。,三、緩控釋肥料的化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)簡介 本標(biāo)準(zhǔn)適用于氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)混肥料、復(fù)合肥料等其產(chǎn)品所有顆粒經(jīng)特定工藝加工而成的緩控釋肥料，以及在包裝容器上標(biāo)有緩控釋字樣或標(biāo)稱緩控釋復(fù)混肥料(復(fù)合肥料)、緩控釋摻混(BB)肥料。本標(biāo)準(zhǔn)不適用于硫包衣尿素(

21、Sulfur coated urea ,簡稱SCU)等無機(jī)包膜的肥料，也不適用于利用硝化抑制劑、脲酶抑制劑技術(shù)延緩養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性肥料。,(一) 概念與術(shù)語 1. 緩控釋肥料 以各種調(diào)控機(jī)制使其養(yǎng)分最初釋放延緩，延長植物對其有效養(yǎng)分吸收利用的有效期，使其養(yǎng)分按照設(shè)定的釋放率和釋放期緩慢或控制釋放的肥料。 2. 緩控釋養(yǎng)分 緩控釋肥料中具有緩釋效果或控釋效果的氮、磷、鉀中的一種或多種養(yǎng)分的統(tǒng)稱。 緩控釋養(yǎng)分定量表述時不包含沒有緩釋效果的那部分養(yǎng)分量。如配合式為15-15-15的三元緩控釋復(fù)混肥料中有10%的氮具有緩控釋效果，則稱氮為緩控釋養(yǎng)分，定量表述時，則指10%的氮為緩控釋養(yǎng)分。,3.

22、初期養(yǎng)分釋放率 在緩控釋肥料生產(chǎn)過程中總有一部分養(yǎng)分沒有緩控釋效果而提前釋放出來，這部分養(yǎng)分占該養(yǎng)分總量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，以該養(yǎng)分在25靜水中浸提24h的釋放量占該養(yǎng)分總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。 對于三元或二元緩控釋肥料的初期養(yǎng)分釋放率用總氮釋放率來表征，若不含氮，其初期養(yǎng)分釋放率用鉀釋放率來表征。緩控釋磷肥的初期養(yǎng)分釋放率用磷釋放率來表征。 4.累積養(yǎng)分釋放率 某種緩控釋養(yǎng)分在一段時期內(nèi)的累積釋放量占該養(yǎng)分總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以該養(yǎng)分在25靜水中某一時期內(nèi)各連續(xù)時段養(yǎng)分釋放量的總和占該養(yǎng)分總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。 對于三元或二元緩控釋肥料的養(yǎng)分釋放率用總氮釋放率來表征，若不含氮，其養(yǎng)分釋放率用鉀釋放率來表征。緩控釋磷肥的養(yǎng)