A review on slow-release fertilizer: Nutrient release mechanism and agricultural sustainability

作者：Jiameng Guo^a, Yonghong Wang ^b, Alan D. Blaylock^c, Xinping Chen^a,?

期刊：Journal of Environmental Chemical Engineering

發(fā)表時間：2024年6月2日

原文鏈接: 

https:///10.1016/j.jece.2024.113211

一、研究背景

1.隨著全球人口增長，農(nóng)業(yè)面臨提升生產(chǎn)力以滿足糧食需求的壓力。傳統(tǒng)化肥存在養(yǎng)分流失與環(huán)境污染問題，而緩釋肥料有望解決這些問題，提高養(yǎng)分利用效率，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。本文旨在綜述緩釋肥料的相關(guān)研究，包括其組成、制備技術(shù)、養(yǎng)分釋放機制以及影響因素，為該領(lǐng)域的進一步發(fā)展提供參考。

2.全球糧食需求增加，傳統(tǒng)化肥水溶性強，易導(dǎo)致養(yǎng)分流失，如氮素通過淋溶、揮發(fā)等途徑損失，造成水體污染、土壤肥力下降，還可能釋放溫室氣體。同時，有機和生物肥料雖被認為環(huán)保，但存在養(yǎng)分濃度低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

3.緩釋肥料通過包被或基質(zhì)技術(shù)，減緩養(yǎng)分釋放速率，減少養(yǎng)分損失，提高肥料利用率，降低環(huán)境風險，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供解決方案。

二、緩釋肥料分類

1.無機低溶解度緩釋肥料：包含金屬基銨磷酸鹽化合物（如鎂銨磷酸鹽）和部分酸化磷礦石，其溶解動力學緩慢，受土壤 pH 和水分影響，在特定 pH 范圍內(nèi)穩(wěn)定，溶解速率與溫度、晶體表面積等因素相關(guān)。

2 有機緩釋肥料：天然有機緩釋肥料：包括動植物糞便、綠肥、堆肥等，其養(yǎng)分釋放依賴微生物活動，受土壤溫濕度影響，釋放時間不穩(wěn)定，但含有多種養(yǎng)分。

3.合成有機緩釋肥料：分為基質(zhì)型、包膜型和未包膜型?；|(zhì)型的活性成分分散在基質(zhì)中，釋放速率受基質(zhì)形態(tài)影響；未包膜型由小顆粒組成，釋放速率與覆蓋層厚度無關(guān)；包膜型通過不同涂層材料控制養(yǎng)分釋放，如樹脂、聚合物等，涂層特性影響釋放速率和質(zhì)量。

三、緩釋肥料的優(yōu)缺點

1 優(yōu)點：提高養(yǎng)分利用效率，減少養(yǎng)分損失，降低環(huán)境污染風險。為作物提供穩(wěn)定養(yǎng)分供應(yīng)，促進生長，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。經(jīng)濟上可減少肥料用量和勞動力成本，提高經(jīng)濟效益。具有良好的物理和化學性質(zhì)，如保水性、增加土壤微生物活性等。

2.缺點：制造成本較高，限制了在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。涂層肥料可能影響土壤酸堿度，某些涂層材料降解后可能殘留有害物質(zhì)。農(nóng)民對其應(yīng)用方法了解不足，技術(shù)支持有限。養(yǎng)分釋放受微生物活動影響，難以精確控制釋放時間和速率。

四、緩釋肥料的制備方法:

1.基質(zhì)型緩釋肥料水凝膠：

原位法：將液體養(yǎng)分與單體、交聯(lián)劑等混合，一步聚合形成水凝膠，干燥后使用。優(yōu)點是操作相對簡單，只需一步干燥；缺點是聚合過程中雜質(zhì)和未反應(yīng)元素難去除，影響?zhàn)B分釋放控制。

兩步法：先合成并干燥水凝膠，再浸泡于液態(tài)營養(yǎng)液中使其膨脹，最后再次干燥。優(yōu)點是能更好地控制養(yǎng)分釋放速率，避免聚合時副反應(yīng)；缺點是步驟繁瑣，需多次干燥，耗時較長。

3.包膜型緩釋肥料水凝膠：

通過在肥料顆粒表面包覆有機、無機或高吸水性聚合物等材料來調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放速率。涂層材料的親水性、疏水性和孔隙度是關(guān)鍵因素，常用材料包括聚苯乙烯、聚砜等聚合物，以及殼聚糖、淀粉等天然聚合物。不同材料和工藝影響肥料的緩釋性能、機械強度和生物降解性。

五、緩釋肥料的養(yǎng)分釋放機制:

1.無機緩釋肥料：溶解過程遵循 Nernst - Brunner 停滯膜理論，受土壤 pH、溫度、水分等因素影響，養(yǎng)分釋放速率與晶體表面積、溫度等相關(guān)，在一定溫度范圍內(nèi)，溶解速率隨溫度升高而加快。

2.有機緩釋肥料：養(yǎng)分釋放主要通過微生物降解涂層或基質(zhì)來實現(xiàn)，釋放速率受微生物活性、土壤環(huán)境條件影響，不同類型肥料釋放模式和影響因素各異。

3.養(yǎng)分釋放模型：Shaviv 提出了包膜肥料養(yǎng)分釋放的三階段模型，包括滯后階段、穩(wěn)定釋放階段和衰減階段，并給出了相應(yīng)的數(shù)學模型。模型基于單顆粒，實際應(yīng)用中需考慮顆粒尺寸、膜厚度等因素的統(tǒng)計校正。此外，顆粒的破裂或爆裂也會影響?zhàn)B分釋放，其時間可通過特定公式估算。

六、影響緩釋肥料性能的因素

1.溫度：影響微生物活性和土壤中水汽擴散，進而影響?zhàn)B分釋放速率。溫度升高，微生物活性增強，水汽壓力增大，肥料顆粒內(nèi)靜水壓力升高，加速養(yǎng)分釋放，如溫度升高 15°C，釋放速率可能翻倍，且養(yǎng)分離子在較高溫度下擴散更快。

2.土壤pH：雖不直接影響緩釋肥料，但會影響微生物活性和酶功能，從而間接影響?zhàn)B分釋放。例如，低 pH 有助于硫包膜尿素等肥料中養(yǎng)分的釋放，而土壤 pH 的變化會改變微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性，進而影響肥料中養(yǎng)分的有效性。

3.土壤水分：高水分含量可增強微生物活性，加速肥料礦化，提高養(yǎng)分可用性。土壤水分通過影響微生物代謝和養(yǎng)分溶解過程，促進養(yǎng)分從肥料中釋放，使植物更容易吸收利用養(yǎng)分。

4.土壤質(zhì)地：土壤質(zhì)地影響土壤持水能力和溫度，進而影響?zhàn)B分釋放速率。質(zhì)地不同的土壤對肥料顆粒周圍的水分保持和溫度變化有不同作用，從而間接影響肥料中養(yǎng)分的釋放速度和效率。

5.涂層厚度：涂層厚度與養(yǎng)分釋放速率成反比，增加厚度可延長滯后時間，減緩釋放速率。較厚的涂層形成更大的擴散屏障，降低養(yǎng)分擴散速度，使養(yǎng)分釋放更加緩慢和持久。

6.微生物活動：微生物通過分泌水解酶降解包膜材料來釋放養(yǎng)分，其活性受土壤溫度、pH、水分等因素影響。適宜的環(huán)境條件促進微生物生長和代謝，加速包膜分解，釋放養(yǎng)分。不同微生物對不同涂層材料有特異性降解作用，影響?zhàn)B分釋放的時間和速率。

七、緩釋肥料的材料資源

1.有機形式：天然生物聚合物（如纖維素、淀粉、木質(zhì)素等）可用于制備緩釋肥料，具有環(huán)保、可降解、能改善土壤質(zhì)量等優(yōu)點，但存在對微生物敏感、耐久性弱、水解快等問題。生物炭基肥料能提高土壤保水能力、促進微生物生長、減少養(yǎng)分流失，其原料和制備工藝影響肥料性能，不同生物炭類型對養(yǎng)分的吸附和釋放能力不同。復(fù)合水凝膠（如明膠 / 殼聚糖 / 聚乳酸 - 尿素等）結(jié)合了多種材料的優(yōu)點，具有良好的吸水性、保水性和緩釋性能，其釋放動力學符合特定模型，能有效提高肥料利用率。

2.無機形式：無機材料（如石膏、硫、沸石、膨潤土等）常用于包膜肥料，能有效改善普通尿素的性能，不同材料具有不同特性，如硫可調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放并平衡土壤酸堿度，石膏能提供硫酸鹽離子且不影響土壤 pH，沸石可吸附和交換養(yǎng)分，其選擇應(yīng)考慮環(huán)保性和可降解性。

八、結(jié)論與展望

1.研究成果總結(jié)：緩釋肥料能為作物提供穩(wěn)定養(yǎng)分，提高肥料利用率，減少環(huán)境污染，在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中具有重要意義。本文綜述了其分類、優(yōu)缺點、制備方法、釋放機制和影響因素，以及不同材料資源的應(yīng)用。

2.未來研究方向：開發(fā)基于生物聚合物的高效緩釋肥料，控制其降解速度和性能，提高與商業(yè)肥料的競爭力。精確評估聚合物包膜肥料的經(jīng)濟效益，開展田間試驗和成本效益分析，優(yōu)化應(yīng)用策略。建立標準化測試方法，評估不同環(huán)境下緩釋肥料的養(yǎng)分釋放速率，確保產(chǎn)品可靠性和一致性。深入研究納米技術(shù)在緩釋肥料生產(chǎn)中的應(yīng)用，探索納米 / 生物材料作為載體的潛力，推動創(chuàng)新發(fā)展。

九、文中主要圖標