具有中国特色的腐植酸涂层缓释肥的作用机理与应用研究

陈绍荣 熊思健

(广州聚凡农业科技有限公司 广州 510650)

具有中国特色的腐植酸涂层缓释肥的作用机理与应用研究

陈绍荣 熊思健

(广州聚凡农业科技有限公司 广州 510650)

我国现有的主流缓/控释肥产品主要是参考国外技术，具有中国特色和拥有自主知识产权的缓/控释肥产品主要有钙镁磷肥包裹碳铵、Luxacote(枸溶磷包裹尿素)和腐植酸涂层缓释肥等品种。本文重点介绍了腐植酸涂层缓释肥的作用机理及其应用研究成果。

缓/控释肥 中国特色 腐植酸涂层缓释肥 应用

近年来，我国控/缓释肥料的研发与应用发展速度很快，对减少化肥用量、提高作物产量、防止面源污染等方面起了重要作用，正在成为建设现代农业的重大战略措施。但是，这些控/缓释肥料产品大多是跟踪国外技术，很多产品都不太符合中国的国情，没有自主创新知识产权。而且，技术经济性差，产品价格昂贵，被农民称作是“贵族肥料”，难以进入我国的大田作物(粮、棉、油等)市场。

中国科学院石家庄农业现代化研究所阎宗彪研究员带领他的科研团队研发了“腐植酸涂层缓释肥”，该肥料已经在大田作物上大量推广和应用，因其具有独特的缓释高效原理，增产提质效果显著，节水节肥节工，成为缓/控释肥市场上的一枝独秀，是具有中国特色的新型缓释肥料。

1 发展缓/控释肥的战略意义

当前我国化肥生产总量及表观消费量均占世界第1位，是世界化肥生产大国和消费大国。我国单位面积施肥水平是世界平均水平的3倍，但是，氮肥利用率仅为发达国家平均水平的50%左右；使用环节化肥成本占农民农资成本投入的40%以上；过量施肥导致耕地土壤退化、环境污染、粮食安全等诸多问题[1]。在这种背景下，我国化肥生产在国家发展“高效、增产、环保”新型肥料政策指引下，缓/控释肥料应运而生。

1.1 国家粮食安全的需要

2013年，我国粮食产量实现了“十连增”。为确保国家粮食安全，中央提出了“一个确保(粮食自给率稳定在90%左右，主要粮食品种自给率超过95%)、三个力争”(力争棉花、糖料满足国内需求和蔬菜稳定供应)的发展定位，按2030年前后我国人口将再增加2亿计算，粮食年需求量将近2亿吨左右，未来17年粮食生产平均增长率需＞1%。因此，通过科技进步提高化肥利用率势在必行。

1.2 资源节约和生态环境保护的需要

目前，化肥主要是氮素化肥，对生态环境的负面影响很大。根据氮素影响相关统计估算[2]，我国氮肥利用率为30%～35%，其余氮素通过氨挥发、硝化、反硝化、淋洗、径流和未明确途径而损失。损失的氮素对大气质量造成影响的比例约为12.1%；对水体质量造成影响的比例约为7.0%。另外，氮肥生产环节要使用大量资金和投入大量能源。目前一套生产规模为5万吨/年合成氨、80万吨/年尿素、以煤为原料的氮肥生产装置投资在40亿元以上，行业领先的吨合成氨能耗约为5×1010GJ。控/缓释肥料可以减少氮化肥用量，减少资金、能耗，能有效保护生态环境。因此，发展控/缓释肥料资源节约和生态环境保护的需要。

2 发展缓/控释肥要走中国特色之路

我们认为，当前我国缓/控释肥料的主流产品，例如大量生产的包膜类和脲醛类缓/控释肥，基本上是在参考国际上反应成膜生产控释肥，如美国、德国、日本等20世纪40年代起就研究开发的有机合成微溶性氮素肥料(脲醛缩合物)技术工艺，从国际同类研究的角度来看，没有什么技术上的重大创新点，原创技术少；研究工作不够系统和深入，与中国的国情结合不够。

2.1 大田作物是我国农业生产和肥料施用的主体

当前，我国农业的基本国情是粮、棉、油、糖等大田作物仍然是农业生产的主体。因此，现在和未来很长一段时间，我国缓/控释肥产品的主供对象就是大田作物市场。而我国的缓/控释肥主流产品因“缓/控释材料价位高、工艺成本高”等原因，造成价格高，难以进入大田作物市场。而国外的缓/控释肥产品价格虽然昂贵，但主要应用于非农业领域，例如草坪、花卉等，属于高档消费领域。

2.2 我国农民科学用肥观念淡薄，喜欢简单实用的高效施肥技术

由于我国农民多家庭经营，生产规模偏小，机械化水平低，加上农民劳动者科学文化水平不高，他们要求的是把相关的实用技术集成起来，使复杂的规程、操作简单化、实用化。腐植酸涂层缓释肥是一种既简单实用又相容互补的最佳物化载体，帮助农民达到一季作物施用一次肥，每亩地只要施肥“一袋子”的目的，实现既高产又优质，被河北、山东、河南、江苏等地区的农民戏称为“傻瓜技术”，深受农民消费者的青睐。

2.3 我国农田面源污染严重

由于长期大量生产和施用甚至过量施用化肥，导致了我国农田的大面积面源污染，严重威胁粮食安全和人类健康。国内许多厂家生产的树脂薄膜控/缓释肥，固然提高了化肥利用率，减少了化肥施用量，但是其中大多数的包膜原料短时间内难以降解，会对土壤产生二次污染。

3 腐植酸涂层缓释肥是具有中国特色的新型高效缓释肥

笔者长期跟踪了腐植酸涂层缓释肥产品的研发、完善和实践应用，汇总、梳理了该产品的创新机理及其在大田作物中的应用[3～5]。

3.1 理论创新，团絮结构与膜反应

我国研发的缓/控释肥主流产品主要应用非亲水性物理材料包膜或应用低水溶性的有机无机材料，或生化抑制剂等手段，控制(限制)肥料产品中有效养分(主要又是氮养分)的溶出释放；而腐植酸涂层缓释肥则是利用亲水性材料，以腐植酸为载体，通过包膜物质的水溶涨形成的大分子团絮结构来增强对溶出养分的吸附，并通过调节包膜厚度和改性包膜资料来控制养分的水溶出，这就是崭新的“膜反应”与“团絮结构”的缓释高效理论。

(1)团絮结构。

第一，“团絮结构”，主要是涂布在肥料颗粒表面的涂液物质，可以促使包膜吸水后膨胀，在土壤中，形成大分子三维网络结构，成为开放式的“养分库”，极大地增强对有效养分的吸附作用，从而有效地减少有效营养成分的淋溶或挥发损失。由于网络结构内外可移动离子浓度的梯度差异，促使肥料中的有效养分可以逐步释放出来，达到缓释高效的目的。

第二，腐植酸涂层缓释肥的涂膜薄而轻，如氮涂剂，一般仅占尿素重量的0.3%左右，涂膜不会明显降低尿素的有效含氮量。而树脂、硫磺等包膜缓控释肥其膜重一般占尿素总量的10%左右，使尿素的有效含氮量下降到36%左右。由于尿素出厂时的含氮量一般都是46.3%～46.4%，腐植酸涂层缓释肥的有效含氮量仍可保持在46%左右。

第三，腐植酸涂层缓释肥使用的涂层成膜材料属亲水性的有机无机复合胶体，施入土壤中后，会迅速大量吸收水分膨胀，并和土壤团粒中的有机无机物质结合，形成大分子三维网络结构，紧紧地包围在肥料粒子表面，使肥料粒子中的有效营养成分被牢牢吸附，大大减少其淋溶、渗透或挥发损失。特别是由于其吸水性良好，能充分、高强度地吸收土壤团粒间及团粒内的各种水分，减少水分蒸发。这些水分可以被作物根系吸收，从而增强作物的抗旱能力。2008年，罕见的的秋冬大旱，使得河南、河北、山东等省小麦严重减产，而使用了腐植酸涂层缓释肥后，只需浇1次拔节水，就可实现高产丰收。河北日报以“一肥一水超千斤”的通栏标题报道了这种肥料增产节水的优越性，就充分说明了这一点。

第四，腐植酸涂层缓释肥的涂层材料本身是营养物质，资源立足于国内，而且成本低、用量少，不在土壤中残留，绿色环保。涂层材料是膜反应的主要物质，取决于国内资源，有特定的有机物与无机物合成工艺。其中的“N1涂液”、0.5%用量即可均匀涂布于表面，在少量催化剂条件下，与尿素反应形成尿基络合金属盐，使成膜物质牢固包裹于尿素颗粒表面，形成仅占尿素总重量0.2%～0.3% 的橙黄色或金黄色包裹膜，有效改善了尿素的理化性质，在抑制脲酶活性、氨挥发、反硝化作用、防淋失方面，均能表现明显的缓释增效功能。更为重要的是，涂层涂液降解仍是作物可以吸收利用的养分，无残留、无污染，安全环保，属于绿色环保肥料。

这种理论实现了控缓释技术的纵向创新，主要包括延迟溶解、扩散控制、溶出控制3个要素，通过选用大颗粒尿素、磷酸铵和粉状钾肥造粒，来实现延迟溶解；通过包膜物质的水溶涨形成的大分子团絮结构来增强对溶出养分的吸附作用；通过调节包膜厚度和改性包膜材料，来控制养分的水溶出。养分控制释放的几种形式，见图1。

图1 养分控制释放的几种形式Fig.1 Several forms of nutrient controlled release

(2)膜反应。

“膜反应”是指利用与肥料颗粒表面有较强的亲和力以及具有成膜特性的新型涂层材料，分别涂布在氮肥、磷肥和钾肥颗粒的表面形成单层或多层半渗透膜层。这种膜层在尿素颗粒中使用，涂膜阻碍剂对土壤脲酶活性产生抑制作用，从而提高氮素养分利用率。同时，通过单层处理(生产涂层尿素)，包膜重量仅占尿素总重量的0.2%～0.3%，可提高氮利用率6%～8%；也可以进行多层处理，多次涂布，生产涂复尿素；也可增加膜层厚度，降低涂层材料的水溶性，形成不同时间氮素养分释放的产品。

3.2 技术创新，控氮、促磷、保钾

国内众多缓/控释肥主流产品大都对氮、磷、钾养分实行全包裹的技术，而且多是单向控制(抑制养分溶出)。腐植酸涂层缓释肥则是一种双向调控促控结合的新技术工艺，针对氮、磷、钾等养分的各自特性，采取不同的技术工艺，开发出了三个不同系列的涂层溶液，分别处理氮、磷、钾单质肥料颗粒，同时以BB肥形式生产腐植酸涂层缓释肥。

氮，实行缓释处理，并在涂层涂液中加入一定的中微肥营养元素。磷，在涂液中适当添加对磷具有活化作用的物质，增强磷的“活性”，促进作物对磷养分的吸收。钾，则在粉状钾肥造粒过程中添加腐植酸材料和喷涂能有效减少其淋溶损失和提高作物中后期生长的供钾能力的材料。

3.3 工艺创新，低成本，易推广

腐植酸涂层缓释肥采用包膜工艺、造粒工艺和掺混工艺，原材料均为国产，价廉易得。因此，附加成本少，肥料技术经济性好，比常规BB肥工艺成本一般增加3%～5%(一般每吨增加成本50～80元左右)，可以在一般复合肥设备上改造，也可以组配成套设备。一套年产10万吨涂层缓释肥生产线(含6万吨钾肥造粒能力)主设备投资在200万元左右，投资少、效益高。因此，腐植酸涂层缓释肥不仅适合大中型肥料企业使用，也适用于农业技术部门推广。在美国，50公里半径内就建有一个配肥站；在中国，我们可以在每个县建一个测土施肥工厂，为农民提供“一袋子服务”技术，让农民真正享用上“傻瓜技术”。

4 腐植酸涂层缓释肥在大田作物中的应用

20世纪90年代以来，中科院石家庄农业现代化研究所阎宗彪团队，历经二十多年的试验示范及大田作物推广，使腐植酸涂层缓释肥在小麦、玉米、棉花、水稻、甘蔗等大田作物的应用面积已经近1000万公顷，增产节肥效益已超过1000亿元，并获得了国家科技进步二等奖，主要在东北、河北、云南、江苏以及黄淮海平原，推广成效显著。

(1)小麦。

2005-2007年，在河北省成安县、栾城县及元氏县等地，分别建立了千亩、万亩小麦腐植酸涂层缓释肥示范样板共计18处。据专家测产，腐植酸涂层缓释肥小麦平均产量为594.8千克/亩，比常规施肥增产14.87%。

2007年，河北省人民政府、省农业厅组织了百万亩小麦高产示范，核心技术就是“良种小麦一水一肥超千斤”集成技术，其中的一肥就是一袋子(50kg)腐植酸涂层缓释肥。

2008年6月6日，河北省小麦百万亩专家团测产验收了元氏县大孔村200公顷示范田，腐植酸涂层缓释肥小麦平均产量为600.25千克，比常规施肥对照增产15.38%。

2009年5月18日，中国农大教授陈伦寿、河北省小麦首席专家李晋生、河南省小麦首席专家王绍中等5位教授进行了专题测产、考察，结果显示，腐植酸涂层缓释肥示范地小麦产量平均522.56 千克/亩，比对比的常规施肥地平均增产14.52%[6]。

(2)玉米。

2006年，在山东省胶东地区和德州地区进行了大面积示范，结果表明，与常规同含量复混肥(或BB肥)比较，腐植酸涂层缓释肥增产23.08%～54.52%[7]。云南省红河州蒙自市及个旧市进行的示范结果表明，腐植酸涂层缓释肥比常规施肥田产量增长12.58%～18.08%[8]。近几年在辽宁、吉林、黑龙江等省推广，普遍增产15%左右。

(3)棉花。

2008年8月30日，中国农业大学陈伦寿教授、河北省农科院刘东臣、李存东教授等在河北省鸡泽小寨子村示范基地测产，腐植酸涂层缓释肥示范地平均产量328.2千克/亩，比常规对照地增产14.08%；肥料成本平均143.5元/亩，比常规对照地节约55.5元/亩。养分比较结果显示，腐植酸涂层缓释肥处理比对照节约氮 6～9千克/亩和磷6.0千克/亩，且较对照少灌1次水[8]。2007年，烟台众德集团进行了100亩试验示范，抽样测产结果显示，腐植酸涂层缓释肥示范地平均产量234.2千克/亩，比常规对照地增产15.71%，达显著水平，经济效益分析，平均增收 213 元 / 亩[9，10]。

(4)水稻。

2008年，在长江流域稻区进行了拉丁方小区试验，结果显示，腐植酸涂层缓释肥单产535.78千克/亩，比常规对照(等养分)处理增产23.64%[11]。

2009-2010年，在华北稻区、东北稻区的示范结果显示，腐植酸涂层缓释肥示范田两年分别平均增产24.01%和26.2%，其中最高田块单产达793.30千克/亩[11]。

2011年，在云南稻区的示范结果显示，腐植酸涂层缓释肥单产达867.17千克/亩，增产34.41%[11]。

2012年，在云南省个旧市大屯镇新瓦房村委会3组、4组进行了400亩连片稻区示范，大约有86户农户实施，参试稻田248块。研究结果显示，腐植酸涂层缓释肥平均产量达865.51千克/亩，其中三块稻田产量均突破了1000千克/亩，示范户中产量最高达1080千克/亩，创超级稻高产新纪录[11]。

(5)甘蔗。

2011年，云南金星化工公司在蒙自市文澜镇进行了0.13平方米示范，结果显示，腐植酸涂层缓释肥甘蔗产量为8031.33千克/亩，对照地甘蔗产量为5461.67千克/亩，增产48.3%，而且主茎含糖(可溶性固形物)量增加4.33%[12]。

5 结语

通过我们十多年的跟踪研究与推广应用，足证腐植酸涂层缓释肥具有下列特点，符合中国国情，能够被广大农民青睐。

(1)腐植酸涂层缓释肥应用亲水性的有机无机合成物质涂层，创造“膜反应与团絮结构”的崭新缓释理论，是具有中国特色的新型高效缓释肥料。

(2)腐植酸涂层缓释肥技术经济性优良，其生产成本仅比国内同类项复合肥产品高3%～4%，其他同类项控/缓释肥产品比同类项复合肥要高出25%～30%。

(3)腐植酸涂层缓释肥是一种新型BB肥，施用技术简单，一次性施用，一亩田用一袋子肥料，被称为傻瓜技术，深受农民消费者欢迎。

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The Mechanism and Application Research of Humic Acid Coating SRFs

with Chinese Characteristics Chen Shaorong, Xiong Sijian
(Guangzhou Jufan Agricultural Science and Technology Co. Ltd., Guangzhou, 510650)

The slow/controlled release fertilizer products in China are mainly using technology of abord. This kind of products with independent intellectual property rights and Chinese characteristics include Calcium-magnesia phosphate package, Ammonium bicarbonate/Luxacote (citric acid soluble phosphorus package ure )and humic acid coated slow release fertilizer. In this paper, the studies of mechanism and application of humic acid coated slow release fertilizer are introduced .

slow/controlled release fertilizer; Chinese characteristics; humic acid coated slow release fertilizer; application

TQ444.6

A

1671-9212(2014)03-0006-05

2014-05-12

陈绍荣，男，1938年生，研究员。主要研究方向：新型肥料。E-mail：xxflyjzx@163.com。