改性天然高分子包膜在緩控釋化肥中的研究進展

王讓軍 ，張少飛 ，2

（1.隴南師范高等專科學校，甘肅 成縣 742500；2.功能有機分子化學國家重點實驗室，蘭州大學化學化工學院，甘肅 蘭州 730000）

化肥的合理使用對于農作物的增收有重要的意義，化肥被廣泛應用在園藝和農牧業(yè)等領域。目前，我國使用的化肥多是速效化肥，養(yǎng)分容易淋失、揮發(fā)，固定利用率很低，造成了極大的資源浪費和嚴重的環(huán)境污染[1]，緩控釋化肥是解決這一問題的一種重要手段，近年來它的研發(fā)受到了化工界的重視[2]。一般認為，緩釋化肥是指化肥施入土壤后轉變?yōu)橹参镉行B(tài)養(yǎng)分的釋放速率比速溶性肥料小，控釋肥料是指以各種調控機制，使養(yǎng)分釋放按照設定的釋放模式與作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律相一致[3]。

包膜法制備緩控釋化肥是一種主要的技術，按照包膜的材料可以分為無機包膜和有機包膜[4-5]。其中，通過高分子材料制備的包膜是緩控釋化肥研究最多的一類方法，它是指具有一種核殼結構的緩控釋化肥，核是由高濃度的復合肥料構成，殼是由具有緩控釋的高分子材料構成，通過化學修飾，制備出與肥料相適合的高分子材料[6]。天然高分子由于具有來源廣泛，可降解，價格低廉等特點，通過將天然高分子改性制備成緩控釋化肥的包膜。本研究總結了改性天然高分子用于緩控釋化肥包膜的種類，并對其應用和發(fā)展前景進行了展望。

1 改性天然高分子包膜的種類

自然界中大量存在的高分子稱為天然高分子，在生物界中有淀粉、纖維素、木質素、殼聚糖、天然橡膠、海藻酸鹽和動植物膠等。由于天然高分子自身結構的限制，大多數(shù)很難直接用作緩控釋的包膜，因此需要經過化學或物理的改性后使用。

1.1 改性淀粉

由于原淀粉的穩(wěn)定性、溶解性、機械性能較差，不能直接用于緩控釋的包膜。一般通過酯化和交聯(lián)可以提高其耐水性能，然而改性后的淀粉由于重結晶后易碎裂，因此需要加入塑化劑提高包膜的穩(wěn)定性。Han等[7]制備了一種可生物降解的淀粉和聚乙烯醇共混包膜，通過加入甲醛可以使淀粉和聚乙烯醇發(fā)生交聯(lián)，這種包膜可以用于肥料的緩控釋。Niu等[8]制備了淀粉聚乙烯基醋酸纖維素包膜，通過包覆尿素表明可以達到24 h的緩釋。Lü等[9]制備了交聯(lián)的羧甲基淀粉和黃原膠緩控釋包膜，研究表明這種包膜減小了營養(yǎng)素的損失，提高了水的使用效率。

1.2 改性纖維素

天然纖維素由于本身結構的缺陷不能直接用于肥料的包裹，通過醚化反應改性制備的乙基纖維素具有較強的疏水性和成膜性能，可以用于緩控釋包膜。Susana等[10]通過乙基纖維素對硝酸銨肥料顆粒包覆，加入塑化劑癸二酸二丁酯或鄰苯二甲酸二丁酯改性后其釋放時間延長。Ni等[11]制備了乙基纖維素為內層和交聯(lián)的聚丙烯酸-丙酰胺為外層的雙層緩/控釋包膜，研究表明，這種包膜具有一定的緩釋尿素的作用，并且具有保水性和對環(huán)境無污染。Bortolin等[12]合成了一種聚丙烯酰胺，甲基纖維素含鈣蒙脫土復合水凝膠緩控釋肥料包膜，研究發(fā)現(xiàn)，蒙脫土的加入增加了尿素負載量，增加了對水的吸附速率，具有很好的緩釋化肥能力。

1.3 改性木質素

木質素來源廣泛、價格低廉，是僅次于纖維素的第二大可再生天然高分子材料。Wang等[13]通過改性的木質素用于鉀肥的緩控釋，通過盆栽實驗發(fā)現(xiàn)這種肥料的加入不僅減少了鉀肥的損失，而且促進了番茄和玉米的生長。Mulder等[14]對比四種商業(yè)用的木質素，發(fā)現(xiàn)蘇打亞麻木質素有較好的成膜性能，加入增塑劑后兩周內保持包膜的完整性，經過烯基琥珀酸酐交聯(lián)后能降低養(yǎng)分的釋放速率。Peng等[15]通過聚氨酯交聯(lián)醋酸木質素制備了一種水凝膠，試驗表明這種水凝膠可以用于緩控釋化肥的包膜。

1.4 改性殼聚糖

Corradini等[16]制備了殼聚糖/聚甲基丙烯酸復合包膜包裹NPK肥料，通過紅外光譜發(fā)現(xiàn)殼聚糖納米粒子與N、P、K元素之間存在靜電作用，這種靜電作用提高了相互的穩(wěn)定性，這種包膜可以用于緩控釋化肥的包裹。Wu等[17]制備了具有三層包覆的緩控釋化肥，核心為氮磷鉀復合肥，內層為殼聚糖，外層為聚丙烯酸-丙烯酰胺的包膜，不僅其吸水率提高了70倍，而且具有很好的緩釋肥料的性能。Tongsai等[18]通過戊二醛交聯(lián)聚乙烯基乙醇和殼聚糖制備了緩控釋化肥水凝膠包膜，這種方法增加了包膜的膨脹率，提高了緩控釋化肥的能力。

1.5 其他改性天然高分子

天然橡膠具有良好的力學性能，但是它暴露在空氣中時降解速率較慢，Riyajan等[19]通過淀粉接枝改性天然橡膠，然后將其應用在緩釋尿素肥料的包膜中，結果表明：這種包膜在土壤中容易降解，具有良好的緩釋和保水性能。Liu等[20]制備了一種新型的改性鈣離子海藻酸膠囊，這種膠囊可以用于細菌肥料的控制釋放。Melaj等[21]將黃原膠、殼聚糖和KNO3制備成片劑，這種片劑可以在土壤中保持42 d以上，可以用于控釋肥料的包膜。

2 總結與展望

隨著近年來化肥在現(xiàn)代農業(yè)中的開發(fā)應用，緩控釋化肥的研究是提高化肥利用率、改善土壤土質、適應植物生長營養(yǎng)元素需求的較理想方法。天然高分子具有可再生、可降解、對環(huán)境無污染、廉價等特點，將天然高分子通過改性可用于肥料的包膜。然而，改性天然高分子包膜的研究還存在以下幾個問題：（1）改性方法單一，肥料釋放率低；（2）肥料養(yǎng)分釋放的速率與作物的生長規(guī)律不一致；（3）控釋肥料養(yǎng)分不全，大多數(shù)研究以控釋氮肥為主，很少研究磷鉀肥等復合肥緩控釋；（4）對緩控釋的機理研究較少，肥料養(yǎng)分釋放出后的去向還缺乏系統(tǒng)的研究；（5）不同高分子包膜的肥料釋放機理不同，因此不同的作物轉移吸收也有很大差異。隨著改性高分子包膜緩控釋肥料的深入研究，相信上述問題會逐漸解決。改性天然高分子包膜緩控釋化肥是一類環(huán)境友好型肥料，它有著廣闊的發(fā)展和應用前景，必將在未來化肥領域占有重要的地位。

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