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控释肥的回顾和前瞻
作者:扑克王  来源:扑克王app  时间:2020-10-04 01:50  点击:

  控释肥料的回顾与前瞻 周莹 杨光盛 控释肥料是以包膜、包裹的方式达到延长水溶性肥料的肥效期,提高肥料利用率,减轻施 肥过量对环境的污染,日益受到各国专家的重视。 氮肥因受到脱氮(denitrification)、 挥散(volatilization)、 淋溶(leaching)、 土壤固定(soil fixation) 以及土壤表面径流(surface runoff)等作用之影响,氮素损失高达50%以上,尤其在高温多雨气候 下,施用方法不当如表土施肥不覆盖,以及排水不良或水田不排水等情况下施肥,氮肥利用率 可能更低。钾肥亦同样因淋溶、表面径流、土壤固定等作用而容易损失。 以提高作物对营养要素回收的立场观之,控释肥有下列三个主要的优点: 1. 减少要素因淋溶与表面径流所造成之损失; 2. 减少土壤中之化学性与微生物性的固定作用; 3. 对氮素而言,减慢硝化作用及减少因氨挥散与脱氮之损失; 另外尚有下列各项优点: 4. 减少因局部聚积高浓度之盐分与大量施肥所造成之种子与幼苗之肥伤与叶面灼伤; 5. 以稳定的速率供应营养成分,可以改善作物之质量; 6. 对饲料作物而言,施用控释肥可以获致较佳的生长,使其季节性之分配较佳,配合牲畜 之需求; 7. 获得较高的经济效益及节省施肥次数。 控释肥的研究已有多年历史先后研制的有尿素甲醛(Ureaform, UF)、 尿素乙醛(Crotonylidene diurea, CDU)、异丁醛二尿素(Isobutylidene diurea, IBDU或 IB)、胍脲盐(Guanylurea salt)、乙二 酰二胺(Oxamide)、被覆肥料(Coated fertilizers)与浆状肥料(Paste fertilizer)等。 一、控释肥料的基本概念、测定标准及制程简介 1、基本概念 包膜肥料:根据《中国农业百科全书》定义,包膜肥料为在肥料颗粒表面涂覆其它物质制 成的一类缓释肥料,用于成膜的物质有天然产品和人工合成的多聚体如聚氨基甲酸乙酯、聚乙 烯、石蜡、油脂、沥青和硫磺等,它们成膜后具有减少肥料与外界的直接接触、控制水溶性肥 料粒子中养分的释放速率、改善肥料理化性能等作用。基本上包膜材料除硫磺外,大多为非植 物营养物质,因此,包膜层不允许太厚。但为了形成完整的密封层,也不能太薄(因肥料颗粒表 面并非完全圆润光滑,而是存在凹陷与凸起)。通常包膜层重量为肥料总重量的10%一30%。 包裹肥料(肥包肥):包裹肥料是包裹型复合肥料的简称。据中国包裹型肥料制造联合体技 术数据定义:包裹型复合肥料是一种或多种植物营养物质包裹另一种植物营养物质, 而形成的植 物营养复合体, 虽然符合此定义的肥料早已发明如美国的裹硫尿素(sulfur-coated urea, SCU), 但是此定义是郑州工业大学许秀成等1987年的发明专利中提出的。 包裹肥料与包膜肥料的共同点均为通过包覆,使肥料达到缓释的目的,而其主要区别在于, 包裹肥料是以肥料包裹肥料,因此,包裹层的重量可占肥料总重量的30%-80%。 此外还有涂层肥料等等能够控制核心肥料不会在短时间内释放的肥料。 2、控释肥料测定标准 对于控释肥料的测定标准,目前还没有国际标准,世界各地有主导的几种测定方法: (1)目前在美国生产与销售的缓释/控释肥料中的缓释氮均由AOAC970.04 (1990)方法测定。该 条目包括两种方法:方法一为水浸出法,在室温下,以去离子水按1:20比例浸泡肥料8小时后, 测定未溶解的氮;方法二为淋洗法,在专门设计的装置内测定所淋洗出的氮,从而计算“修正 控制释放氮”,这种方法测得的未被淋出的氮,可认为是控释氮。 (2) 日本的包膜肥料中的养分溶出率, 是以水中恒温静置法测得, 分为初期溶出率(12.5g试样, 在30℃ 250ml水中,静置7天),这种方法是由美国田那西流域管理局(Tennessee Valley Authority,TVA)的伦特(Rindt)等人,于1968年提出,用以评价裹硫尿素的氮素溶出率。1971 年为日本采用,1977年作为法定方法。日本对包膜肥料采用初期溶出率与微分溶出率来测定肥 料缓释率。所谓初期溶出率为称取试样12.5g,加入250ml水,在30℃的恒温箱中放置25小时后, 测定养分溶出率; 而微分溶出率是由测定在30℃下恒温7天后的溶出率通过计算求出第2天至第7 天之间的每天平均溶出率。初期溶出率是反映那些包膜不完整的肥料粒子数量,显然,包膜不 完善的粒子越多,初期溶出率越大,而初期溶出率高的包膜肥料,有可能引起作物烧苗或初期 徒长。通常要求初期溶出率不大于40%;微分溶出率是评判包衣完整的肥料粒子,平均每天释 放总养分百分率,大多数包膜的缓释肥料微分溶出率为每天0.25%-2.5%。 (3)欧洲标准委员会(European Committee for Standardization, CEN),对评判缓释肥料 (TC 260/WG 4/TFsrf)作了如下说明:若营养释放在25℃,能满足下列三条件,则该料肥可称为缓 释肥料,24小时释放不大于15%;28天释放不超过75%;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。另一类测定包膜肥料养分释放速率的方 法为土壤溶出率,此方法操作较复杂,但是测定结果比较接近肥料在土壤中的释放规律,此方 法多用于研究机构进行控释肥料的研究工作。一般,控释肥料在土壤中的溶出率会比在水中的 溶出率小。所以,常用的测定方法还是利用去离子水溶出率法评价控释肥料。 3、各种缓释/控释肥料的制程简介 聚合物包膜肥料,将聚合物溶于水或有机易挥发溶剂中,然后喷涂于流化的颗粒肥料中, 在热空气流的作用下,溶剂迅速挥发,在肥料颗粒外表形成均匀的外膜壳。目前主要有沥青、 石蜡、聚烯烃类树脂及其衍生物、淀粉及其衍生物、纤维素及其衍生物、聚氨酯类树脂和醇酸 类树脂等,该类肥料具有控释功能。 包裹肥料,采用盘式造粒(pan granulator)或滚桶造粒(drum granulator)制程,在添加一 定量固体物质的同时喷洒黏结剂(binder)滚动包裹而成,所采用的固体物质可以是有机物料、 黏土矿物和矿质肥料。 SCU 是用熔融的硫磺包裹被预先加热的尿素颗粒制成。尿素包膜后,用密封剂(3%熔融蜡和 2%煤焦油混合物)喷涂包住膜上的裂缝,以减少硫包膜的生物降解(bio-degradation)。最后用 硅藻土作为调节剂,形成第三层膜。该产品含31%-38%的氮和17%的硫。 尿素甲醛(Ureaform) 是尿素与甲醛缩合制成的缓释氮肥,是目前应用的主要缓释肥之一, 有很长的研究应用和生产历史。尿素甲醛含氮量33%-38%,其中50%-60%以上溶于水。 二、控释肥料的发展历史 1、美国: 1961年美国开展了裹硫尿素(SCU)试制,并将SCU称为控制释放肥料。1951年美国ADM公司以 二聚环戊二烯和丙三醇酯共聚生产包膜复合物,商品名Osmocote。美国是世界包膜肥的发源地, 目前SCU,Osmocote仍为世界上最有影响力的包膜肥料。1978年在美建成10吨/小时 SCU的示范 生产厂,从试制到建厂历时17载,这是因为要使尿素成为控释肥并非易事。SCU的包膜层是由包 硫层、密封层(石蜡+煤焦油或聚乙烯+重油)、扑粉层(硅藻土粉以防粘结)所组成。SCU典型组 成为:尿素77.5%一79.5%、硫磺16%- 18%、密封剂2.0%-2.1%、抗结块剂2.3%-2.5%,总氮量36%,7 天中尿素溶出率15%-25%。7天后微分溶出率0.5一1%/天。总体密度0.72一0.77 kg/L。 在裹硫尿素方面,包硫层外再加聚合物层,以改善SCU的释放特性。这种改进了的SCU称为 PolyS.在美国使用很普遍,售价比聚合物包膜肥料便宜。在聚合物包膜肥料方面,有用甲苯和 硫酸处理松香树脂所得蜡状物质包膜,用乙烯甲基丙烯酸共聚物锌盐,用水分散的乙基纤维素, 用醇酸树脂与不饱和油共聚包膜,以及对称、非对称聚脲-氨基甲酸酯包膜,或异氰酸酯包膜 等专利技术。 2、日本 日本从60年代开始研究包膜肥料研究初期学习美国技术。 据报导,1965年昭和电工将复合肥料送给美国ADM公司(Osmocote制造商)包膜,1970年昭和 电工注册了一种热固型树脂包膜肥CSR;三井东压在美国TVA公开SCU的技术基础上,1975年生产 并注册了三井东压的SCU及裹硫复合肥料。随后,日本多家公司开发具有日本特色的热塑性树脂 包膜肥料。窒素(氮)公司注册的热塑性树脂聚烯烃包膜肥料在国际市场称为Nutricote,与美 国的Osmocote同为国际知名品牌。后来旭化成与窒素(氮)公司合并后,成为口本最有实力的 包膜肥公司。80年代日本包膜肥呈现百花齐放的局面。 3、欧洲 欧洲传统使用微溶性含氮化合物缓释肥料。德国的巴斯夫 BASF AG公司是制造缓释肥料的 先驱,1924年取得第一个制造尿素醛类肥料的专利,并于1955年工业化。 在早期的德国专利中,有用草炭包裹无机肥料制得具有腐植酸效应的控释肥料,它们代表 了缓释/控释肥料的初级阶段。1990年以前,德国的包膜控释肥大多是由设在荷兰的Scotts Europe供应(Scotts为美国公司)。1990年德国Aglukon以自己的专利技术生产包膜肥Plantcote 以及Plantcote mix,后者是聚合物包膜肥与甲叉脲缓释肥的混合物;德国BASF AG公司的子公 司COMPO,近年来积极实施新发明的制程,1998年将一系列新的包膜肥以Nitrophoska Top, Basatop Sport以及Basacote plus的商品名在欧洲销售。据称这是一类以弹性聚合物包膜的肥 料,它可控制释放或适时释放养分,因此,与作物对养分的需求有较好的匹配。 西班牙的控释肥料主要还是进行研究工作,没有生产。英国、法国情况也类似,都有进行 控释肥料包膜材料的研究,但是没有进行工业化的生产。在西欧国家中,最主要的就是设在荷 兰的Scotts Europe公司,是西欧聚合物包膜肥的最重要供货商。欧洲各国的缓释/控释肥料研 究呈现多样性,都是根据不同国家的特点,研发适合本国的肥料品种。 以色列海法(Haifa)化学品公司最早以金属脂肪酸盐及石蜡包膜KNO3,1988年取得欧州专 利。1990年输入美国,商品名Multicote。1993年改为聚合物包膜,由美国田纳西州Cedar化学 公司代理在美销售。现在Haifa公司已发展成为品种齐全的聚合物包膜尿素、NPK及KNO3的控释 肥料世界供货商,大量出口美国、西欧及日本市场。以色列Haifa工业大学还不断进行控释肥料 的研究,包括减少环境污染的生物性包膜材料研究以及建立环境友善的施肥技术等等。 4、其他国家 印度开发控释肥注意结合本国资源特点。 提斯浦尔大学的Karak介绍了利用印度栋树仁提取 物及虫胶包膜尿素。圣雄甘地大学在实验室用丙烯酰胺共聚物包膜尿素制取控释肥。还有用硝 化抑制剂硫醇包膜尿素,并申请专利。大部分的印度控释肥料都是用尿素作为包膜的核心,因 为印度的尿素生产消费是世界第二位仅次于中国, 而且尿素的流失造成了严重的环境污染。 “韩 肥”是韩国唯一生产控释肥的公司。泰国Mahidol大学的Tangboriboonrat等人开发了尿素用天 然橡胶乳液包囊制备控释肥。 综览各国发展缓释/控释肥料的历程,无不体现本国的特色。美国以包膜尿素为主;日本以 聚合物包膜居多;欧洲则以发展含氮微溶性化合物为先;以色列利用死海钾盐生产硝酸钾,所 以优先发展聚合物包膜硝酸钾;埃及氮肥以硝酸铵为主,所以用丁苯橡胶包囊硝酸铵;印度以 本国特产印度栋树仁提取物及南亚虫胶包膜尿素;泰国盛产橡胶,以天然橡胶乳液包囊肥料。 因此,中国发展控释肥充分考虑了价廉,发展中国的控释肥不必刻求向那个国家学习,而应走 自己的道路。 三、控释肥料发展现状 在21世纪,世界人口增长对粮食需求的压力仍很大。可以预见,在整个21世纪化学肥料的 使用仍将是不可替代的农作物增产的重要措施之一。 当前,发达国家普通化肥的消费已呈现零增长甚至负增长的趋势,但包膜化肥的消费仍以 9%-10%的年增长率得到高速发展,每年的包膜肥料美国消费量最大,约占70%,多用于高尔 夫球场、花卉、苗圃及园艺和大型农场的现代化耕作系统。2005年用量达495,000吨。日本的消 费量约占世界总消费量的20%,主要用于农业市场,其中70%用于水稻,20%用于西红柿、胡 萝卜、莲藕等蔬菜。2005年消费92,600吨。西欧则消费140,900吨,也是大部分用在园艺作物和 草坪上。总计全世界消费量为728,600吨,占全体肥料量的0.5%。520世纪90年代后期,缓释/ 控释肥料的消费总量为56万吨左右,仅占世界无机矿质肥料消费总量的0.15%左右。业内人士 认为没有明显的技术性突破,缓释/控释肥料不会大量应用于粮食作物。日本的缓释/控释肥料 产品(聚合物包膜肥料)由于得到政府补贴政策和专用侧施插秧技术的配合, 才应用于水稻种植, 可使氮素利用率提高到61%-82%。但是国际上由于缓释/控释肥料的生产成本和销售成本明显 高于传统肥料,使得这种肥料还是大部分用于专业园艺、苗圃、温室、高尔夫球场、家居庭院、 观景园林和公园等高价作物和非农业领域。以下为各国目前的控释肥料生产商情况: 1、美国: (1)Pursell公司该公司在亚拉巴马州的锡拉科加(Sylacauga)Pursell技术公司生产的缓释/控 释肥料是包膜型,在生产中采用了“反应层(RLC )包膜制程”,使二种反应单体于滚筒中在肥 料颗粒表面产生聚合。大量的产品是以“POLYON”商标在市场销售,其品种有POLYON包膜尿素 (PCU),POLYON包膜硫酸钾、POLYON 包膜硝酸钾、POLYON包膜磷酸一铵、POLYON包膜NPK颗粒肥 料。 其它的控释肥料以“TriKote”为商标投放市场的品种有TriKote聚合物/裹硫尿素、 TriKote 聚合物/裹硫硫酸钾、TriKote聚合物/裹硫磷酸一铵。 TM (2) Scotts公司 该公司有4种树脂/聚合物包膜技术,设有生产不同商标产品的生产线。 ① 醇酸树脂包膜技术应用于下列商标产品的生产线:Osmocote, Osmocote Plus Exact, Osmocote Mini, High-N、 Sierra ,Sierrablen; ② 聚合物包膜技术应用于下列商标产品的生产线:Prokote ,ScotKote; ③ 聚合物包囊硫衣技术应用于下列商标产品的生产线:ProTurf ,ProGrow; ④ 亚甲基脲(MU)技术应用于下列商标产品的生产线:ProTurf ,ProGrow。 2、德国: (1) Aglukon Spezialdunger公司 生产树脂包膜技术的肥料,其主要产品有: TM , Osmocote ① PLANTACOTE DEPOT 养分14-9-15,其肥效期为4个月、6个月或8个月;养分13-8-15,其肥 效期为12个月、18个月。 ② PLANTACOTE MIX 养分15-10-15十2MgO +TE微量元素),肥效期为4个月、6个月或8个月;养 分14-9-15+2MgO十TE,肥效期为12个月和18个月。 ③压缩型NPK Mg-TE肥料,肥效期为4-14个月。 ④PLANTOSAN 是以尿素甲醛为基础的NPK肥料,其中含有镁和微量元素,具有控释效果。 ⑤NUTRALENE,AZOLON和NITROFORM是亚甲脲和NPK的配方肥料,肥效期3-16个月。 (2) BASF Aktiengesellschaft公司 生产和销售的控释和稳定肥料有: ① Basacote 商标的包囊NPK复合肥; ② 以Isodur商标的IBDU基础上的多种控释肥料,是以Floranid商标投入市场; ③ 以Crotodur商标的CDU基础上的控释肥料,是以Triabon商标投入市场; ④ 以 Nitrophoska,Nitrophos商标的稳定肥料是掺有双氰胺(DCD)的NPK和NP复混肥料; ⑤ 以 Basammon商标的稳定肥料是掺有双氰胺(DCD)的硝硫酸铵肥料。 3、以色列: 海法(Haifa)化学品有限公司设有一条树脂包膜肥料生产线,其制程是:颗粒肥料在加热的 旋转盘式机上, 用脂肪酸和金属氧化物进行表面包膜处理, 其产品有包膜NPK复合肥、 包膜尿素、 包膜硝酸钾,以商标Multicote投入市场。 4、日本: Chisso -Asahi肥料有限公司 该公司以热塑树脂,如聚烯烃等为包膜材料,其产品有包膜 尿素、包膜氯化钾、包膜硫酸钾等,具有各自不同的肥效期,以商标MEISTER投入市场。另外, 还有以聚烯烃包膜的NP,NK和NPK复合肥料,肥效期从40天到360天,以商标Nutricote投入市场。 5、中国: 当前,中国境内众多的科研院所、高校均在开展缓控释肥料研制。北京农林科学院、山东 农业大学的聚合物包膜控释肥分别由北京首创集团新型肥料公司、 山东金正大集团实现产业化; 大连汉枫集团引进加拿大裹硫尿素技术在江苏设厂生产;中科院石家庄现代化农业研究所的涂 层肥料,广东农科院土肥所、湖南农科院土肥所、中国农科院土肥所、华南农业大学开发的包 膜、包囊肥料也正在或已经实现产业化,郑州乐喜施磷复肥技术研究推广中心长期致力于开发 以枸溶性磷肥包裹水溶性氮肥的缓释、控释肥料,产品已经在国内和国外申请发明专利同时注 册了产品商标Luxecote/Luxacote,并大规模生产应用在高尔夫球场、景观草坪等,在国内产品 商品名为乐喜施。进入21世纪,我国正在形成缓释、控释肥的生产与使用高潮。 四、控释肥料的问题及展望 面向21世纪的化学肥料应该是高效(高利用率)、节能(节约资源)、复合化〔多功能复合〕 的肥料。 高利用率肥料是国际公认的21世纪肥料发展方向之一。由于用肥过多而造成的土壤污染问 题, 以及其他的一些土壤理化性状的改变从而使低污染高效率的肥料成为肥料发展的必然趋势。 节能不仅意味着降低成本,增强产品竞争力,更重要的是降低资源消耗,有利于待续发展。 传统氮肥、磷肥生产工艺在节能及节约资源方面均存在严重的弊端。为了21世纪工农业的可持 续发展,应研究用生态学制程代替传统制程。生态肥料制程以能耗最低,对环境排放量最小为 目标。为此,低浓度、低能耗肥料制程的开发;低排放、零排放肥料制程的开发;在土壤中的 行为接近自然肥料的缓释/控释肥料的开发;以及工农业废弃物、污水、污泥的无害化处理并转 化为缓释肥料等均符合生态肥料制程。 关于复合化问题。20世纪90年代,中国农民接受氮磷钾复混肥的程度逐渐增加。化肥企业 还力图表明复混肥中除NPK外,还含次量、微量营养元素。进入21世纪,有机-无机复混肥、有 机-无机-生物肥在中国许多展览会、双交会上成为“新秀”,且有压倒氮磷钾复混肥之势。在 有机-无机复混肥中,21世纪可能得到大规模发展的是以处理过的畜禽粪为主,配以少量化学肥 料的有机-无机复混肥。但是由于检疫问题,外国的含有动物粪便成分的有机肥料目前很难通过 海关进入中国,因此所有含有动物成分有机成分的肥料,大部分为国产肥料,中国的有机肥料 资源也是非常大,而且有机肥料更有利于土壤的持续耕作,因此以后的发展趋势可能是有机无机肥料发展速度加快,甚至可能过渡到有机肥料为主,无机肥为辅的局面。 中国中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020年)安排了8个重点领域的27项前沿技术及 18个基础科学问题。作为重点领域的农业,安排了9个优先主题,其中:第6个优先主题为环保型 肥料创制和生态农业。重点研究开发环保型肥料,农药创制关键技术,专用复合(混)型缓释、 控释肥料及施肥技术与相关设备。 在世界范围内,缓控释肥料生产与消费的制约条件是产品价格。1996年美国肥料市场价格: 尿素300美元/吨,尿醛肥料(38-0-0)600美元/吨,IBDU(30-0-0)900-1000美元/吨,聚合物包膜 尿素600-1000美元/吨、聚合物包膜复合肥料1500-2000美元/吨。1999年郑州乐喜施公司在美国 协助建厂时,散装尿素批发价140美元/吨,聚合物包膜尿素批发价700美元/吨,包膜控释肥料 的价格为普通尿素价格的5-6倍。价格高的原因有:包膜材料比被包膜肥料的价格高几倍;为实 现包膜完整,对被包膜肥料的外形及粒度有一定要求;加工制程比普通肥料复杂及生产能力相 对较小;新产品宣传、营销费用高。因此,降低生产成本是促进缓释、控释肥料发展的首要任 务。 人们对包膜控释肥料的研究和开发越来越重视,控释肥料也越来越受到消费者的认可。虽 然控释肥料已经商品化,但是由于成本较高,价格还不能被广泛接受,因此目前仅占世界肥料 总消费量的0.5%以下。要拓宽控释肥料的应用,在不断提高控释肥料的可控性和减少环境污染 问题的同时,还必须不断寻求更廉价的包膜材料,不断改进包膜工艺,才能实质性降低控释肥 料的价格,更好地推广应用。 控释肥料需要逐步从园艺市场发展到大田作物,主要取决于控释肥料的成本问题。此外, 控释肥料另外一个发展方向是要提高肥料的利用率,使控释肥料的养分释放能够符合作物生长 的需肥状况,在提高利用率的同时,增加产量,提高质量,还可以节省劳动力,从而得到实际 的经济效益。 此外,控释肥料的发展也需要注重环境的友好,这样才符合农业永续发展的要求。在发展 肥料的同时,也需要注重施肥的其他配套设施和方法,例如了解植物的需肥特性,制定相应的 施肥方案等等,这样才能综合提高肥料的利用率,真正发挥控释肥料的作用。 参考文献: 杨光盛 江景村 1981 缓效性肥料 台肥公司研究专报第63号 许秀成. 2000~2002 包裹型缓释/控释肥料专题报告 第一报、第二报、第三报. 磷肥与复肥 李菂萍,许秀成,王好斌. 国内外缓释/控释肥料标准概况. 磷肥与复肥,2005,20(6):41-42 许秀成.缓释、控释肥料生产、使用前景展望. 磷肥与复肥,2006,21(6):9-11 许秀成.21世纪化肥展望. 磷肥与复肥,2002,17(5):1-5 赵秉强,张福锁,廖宗文等. 我国新型肥料发展战略研究. 植物营养与肥料学报,2004,10(5) 冯元琦. 再议缓释/控释肥料——21世纪肥料. 磷肥与复肥,2004,19(6) :1-3 翟军海,高亚军,周建斌. 控释/缓释肥料研究概述. 干旱地区农业研究,2002,20(1) :45-48

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