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到 2050 年粮食产量至少需要增加 70% 才能养活世界 98 亿人口[1]，因此提高农业生产效率已成为当务之急。氮肥作为农业生产的重要组成部分，可提高 50% 以上的粮食产量[2]。然而，氮肥的过量及不合理施用导致氮肥利用率较低，如我国氮肥的利用率仅为 30%～35%[3]，这不仅造成了农业生产资料的巨大浪费，也导致一系列的粮食安全和环境污染等问题[4-5]。许多研究表明，包膜肥料可以延迟养分释放以提高氮肥的利用率[6-8]。当前常用的包膜材料生物降解性差[9]，如聚氨酯、聚氯乙烯和聚烯烃等[10]。这种聚合物包膜肥料大大延迟了养分的释放速率，有效防止了养分的损失[11]。然而，此类聚合物包膜肥料施入土壤中，导致塑料残留物的大量积累，容易对土壤造成二次污染。据报道，每年约有 50 kg/hm2 的合成聚合物累积，这导致可耕地土壤的严重退化[12-13]。因此，可降解的水基共聚物包膜材料的研发成为包膜材料研究的热点[13]。
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水基共聚物包膜肥料效果的优劣主要体现在养分释放速率的快慢[14]，而包膜材料本身的性质是影响养分缓释效果的主要因素。水基共聚物膜材料具有良好的成膜性，是一种优异的新型包膜材料，但水基共聚物膜材料中含有大量吸水性官能团，导致以其为基础制备的包膜氮肥养分缓释效果较差，因此，需要对膜材料进行疏水改性。如 He 等[15]采用纳米银对丝胶蛋白、聚乙烯醇共混物进行改性，制备出具有良好疏水效果的膜材料，Shen 等[16]采用十六烷对水性聚氨酯乳液进行疏水改性，制备出疏水效果好的包膜氮肥。此外，包膜氮肥养分释放特性也与其所处的土壤环境密切相关。而当前有关水基共聚物包膜氮肥养分释放的研究多为简单的累积释放，不能够很好地揭示其在土壤中的释放行为，难以为农业生产实践提供充足的理论指导。水基共聚合物包膜尿素的养分释放动力学是研究养分释放速率和机理的科学[17]，通过拟合动力学模型来预测养分释放速率[18]，有助于深入了解养分释放的动态规律，进而可为可降解的水基共聚物包膜尿素在农业中的应用提供理论基础。而释放速率又与养分释放热运动息息相关，通过对水基共聚物包膜尿素在土壤中释放的热力学参数活化能 Ea、吉布斯自由能变 ∆G、熵变 ∆S 和焓变 ∆H[19-20]的深入研究有助于从微观角度揭示养分释放的本质，可以进一步表征可降解水基共聚合物包膜尿素在土壤中的释放机理。目前，关于水基共聚合物包膜尿素在土壤中释放的热力学特性研究鲜有报道。
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基于此，本研究采用来源广泛、可生物降解的壳聚糖、淀粉和聚乙烯醇为原料合成水基共聚物膜材料，依据仿生学原理，采用纳米二氧化硅和 1H， 1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷（FAS）对其进行仿生改性并制成仿生型水基共聚物包膜尿素，通过扫描电镜、能谱分析、热稳定性分析、原子力电子显微镜分析等揭示仿生型水基共聚物包膜尿素改性机理，并探究其在不同温度和水分条件下的养分释放动力学和热力学特性，以期为调节仿生型水基共聚物包膜尿素养分供应提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验材料
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试验所用试剂见表1。
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1.2 试验仪器
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水基共聚物膜材料合成装置：三颈瓶、恒温加热器、冷凝管和电动搅拌器；不锈钢糖衣机（TNIIA 型，丹东市制药机械有限公司）；扫描电子显微镜（Regulus 8100 型，日立，日本）；同步热分析仪（STA449F3 型，Netzsch，德国）；全自动定氮仪（UDK 169 型，VELP，意大利）；原子力显微镜（Bruker，美国）。
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1.3 仿生型水基共聚物包膜尿素的制备及表征
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1.3.1 仿生型水基共聚物包膜尿素的制备
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向完全溶解的 4% 聚乙烯醇溶液中加入 0.5% 的壳聚糖和 1.5% 的可溶性淀粉以及 1% 的冰醋酸和 0.1% 的交联剂戊二醛溶液，待完全溶解制成包膜溶液 a。在包膜溶液 a 中加入 3.0% 的纳米二氧化硅，溶解后制成包膜溶液 b。
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将 1 kg 粒径均匀的大颗粒尿素置于 60℃预热 10 min 的不锈钢糖衣机中。随后，将 10 g 包膜液 a 缓慢滴到旋转的尿素颗粒表面上，此时包膜涂层的质量百分比约为 1%，重复此过程 7 次，最终获得涂层质量百分比约为 7% 的水基共聚物包膜尿素（WCU）。其中，不锈钢糖衣机转鼓倾角为 45°，转速为 60～70 r/min。仿生型水基共聚物包膜尿素（SNWCU）的制备：先用包膜液 b 按上述方法制备包膜尿素，随后，将所制备的包膜尿素置于含 FAS 的正己烷溶液中自组装 1 h，取出烘干即可得 SNWCU。
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1.3.2 仿生型水基共聚物包膜尿素微观结构特征及表面元素变化特征
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随机选取包膜尿素若干粒，采用解剖刀将其切为两部分，切口向下部分用于表面形貌观测，切口向上部分用于膜断面观测，在观测前将样品置于离子喷镀仪上进行喷金处理，随后使用扫描电镜对包膜尿素表面形态和剖面形态进行观测，判定其结构特征。此外，膜材料表面元素变化通过扫描电镜-能谱分析进行扫描测定。
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1.3.3 仿生型水基共聚物包膜尿素壳膜的热重分析
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WCU 和 SNWCU 膜壳的热分析图和热降解过程用同步热分析仪测定。样品在 40 mL/min 的氮气氛围下从室温加热到 600℃，升温速率为 10℃ /min。
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1.3.4 仿生型水基共聚物包膜尿素原子力显微镜测定
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WCU 和 SNWCU 的表面粗糙度通过原子力显微镜测定，所用振幅为 150 nm，峰值力频率为 2 kHz。
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1.4 仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放动力学及热力学特性
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将供试土壤样品置于阴凉干燥处风干 2 周，随后，将风干过的土壤样品过 0.25 mm 筛，风干土样的含水量通过烘干法测量。分别用蒸馏水将一定量的风干土样含水量调整至土壤田间持水量的 40%、60% 和 80%。然后，将一定质量（W 0）的 SNWCU 装入自制的 0.074 mm 纱布袋中，分别置于含水量为土壤田间持水量 40%、60% 和 80% 的土壤（50 g）中，编号密封。将培养样品分别置于 15、25 和 35℃的恒温培养箱中，并分别于培养第 1、3、5、7、10、14、21、 28、35、42 d 将 SNWCU 从纱布袋中取出，除去残留的土壤，置于 60℃的烘箱中烘干 24 h 并称重（W 1）。随后，称取一定质量土埋后的包膜尿素（W 2），浓硫酸消煮后，用全自动凯式定氮仪测定其全氮含量。改性水基共聚物包膜尿素的养分释放率计算公式如下：
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式中：NR—仿生型水基共聚物包膜尿素的养分释放率，%；
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C—测得的全氮含量，g/kg；
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W 0—土埋前改性水基共聚物包膜尿素的质量，g；
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W 1—土埋后改性水基共聚物包膜尿素的质量，g；
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W 2—用于测定全氮含量的土埋后无改性水基共聚物包膜尿素的质量，g。
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（1）仿生型水基共聚物包膜尿素的养分释放动力学拟合
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仿生型水基共聚物包膜尿素的养分释放可以用一级动力学方程描述
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式中：NR—仿生型水基共聚物包膜尿素的养分释放率，%；
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N 0—仿生型水基共聚物包膜尿素最大养分释放率，%；
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k—养分释放速率常数，d-1；
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t—释放时间。
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（2）仿生型水基共聚物包膜尿素的养分释放活化能
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Arrhenius 方程描述了在一定温度范围内 lnk 和 1/T 的线性关系，因此可以通过 Arrhenius 方程的截距和斜率计算出仿生型水基共聚物包膜尿素的养分释放活化能。Arrhenius 方程公式如下：
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式中：A—指前因子，d-1；
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Ea—活化能；
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R—摩尔气体常数，8.314 J/（K·mol）；
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T—开氏温度，K。
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（3）仿生型水基共聚物包膜尿素的养分释放活化自由能、活化焓和活化熵
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热力学平衡常数的计算公式如下：
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式中：Ka—热力学平衡常数，s-1；
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Kb—玻耳兹曼常数，1.38×10-23 J/K；
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h—普朗克常数，6.63×10-34 J·s。
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活化自由能的计算公式如下：
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式中：∆G—活化自由能，J/mol；
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Ka—热力学平衡常数，s-1。
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活化焓的计算公式如下：
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式中：∆H—活化焓，J/mol。
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活化熵的计算公式如下：
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式中：∆S—活化熵，J/（mol·K）。
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2 结果与分析
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2.1 仿生型水基共聚物包膜尿素微观结构特征及表面元素变化特征
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仿生改性前后水基共聚物包膜尿素表面和断面的微观结构特征如图1 所示。由图1A1 可知，在 WCU 表面形貌放大至 2000 时，可以明显观察到 WCU 表面结构较为松散，并且在膜层表面发现大量微纳米级孔隙，WCU 断面（图1B1）的形貌特征与其表面类似，在膜层断面能够观察到微纳米级孔隙的存在。Ma 等[21] 研究表明，膜壳表面的松散结构及微孔的存在会加大水分或养分与膜的接触，进而导致水分较快的进入到膜内溶解养分，加速养分的释放。想要提升包膜氮肥的养分释放特性，就需要增加膜层对水分和养分的拒止能力。Zhang 等[22]研究表明，通过对生物基膜材料进行纳米改性和有机硅改性后，膜壳的微孔消失，膜层变得更加致密，其养分缓释效果也大幅提升。在本研究中，通过采用纳米改性和自组装改性后，SNWCU 的表面及断面结构如图1A2 和 B2 所示，改性后，膜壳表面和断面变得较为致密，且微孔数量大幅减少，这是因为随着改性的进行，水基共聚物膜材料中的孔隙被纳米颗粒填充，且形成了较为粗糙的纳米级结构，而这些粗糙结构能够极大的减小水分与膜的接触，提升了其耐水性能，可有效延缓水分和养分的透过，进而大幅增加其缓释效果。
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改性前后水基共聚物包膜材料表面元素组成如图2 所示，对于 WCU 元素组成而言，主要是 C 和 O 元素，这是水基共聚物膜材料原料中聚乙烯醇、淀粉和壳聚糖的主要组成元素，与 WCU 相比，改性后的 SNWCU 表面能谱中出现了硅和氟的特征峰，其含量分别为 3.40% 和 0.50%。SNWCU 中氟和硅特征峰的出现表明纳米二氧化硅和 FAS 成功接枝到纳米水基共聚物表面，仿生改性得以成功实现。
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图1 仿生改性前后水基共聚物包膜尿素的微观结构特征
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注：A1 和 A2 分别显示了放大倍数为 2000 的 WCU 和 SNWCU 的表面；B1 和 B2 分别显示了放大倍数为 2000 的 WCU 和 SNWCU 的断面。
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图2 仿生改性前后水基共聚物包膜材料表面 EDX 光谱
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注：A、B 分别改性前、后水基共聚物膜材料表面的 EDX 光谱。
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2.2 仿生型水基共聚物包膜尿素壳膜的热重分析
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改性前后仿生型水基共聚物膜壳的热重分析结果如图3 和 4 所示。从热重分析曲线和差示扫描量热曲线的结果可知，WCU 膜壳的质量损失过程大致分为 4 个阶段。第一阶段的温度范围为 T ≤ 114℃，失重约 3.1%；114～239℃温度范围内为第二阶段，失重约 9.56%；239～364℃温度范围内为第三阶段，失重约 69.23%；第四阶段的温度范围为 T ≥ 364℃，失重约 11.87%。最终残碳量约为 6.25%。而 SNWCU 膜壳的质量损失过程大致分为 3 个阶段。第一阶段的温度范围为 T ≤ 118℃，失重约 3.17%。WCU 和 SNWCU 壳膜在第一阶段的热解温度及失重率接近，这是因为在此阶段主要是 WCU 和 SNWCU 壳膜中的结晶水和结合水等易挥发物质的蒸发所致[23]；在118～483℃温度范围内为第二阶段，此阶段 SNWCU 的失重率约 73.71%，这一阶段主要是淀粉官能团的失重，聚乙烯醇侧基的消除，壳聚糖的解聚作用。在这一阶段，WCU 壳膜的失重率大于 SNWCU，这可能是因为仿生改性后水基共聚物膜材料结晶度增加，使其稳定性增强；第三阶段的温度范围为 T ≥ 483℃，失重约 3.87%。最终残碳量约为 19.25%。残碳量升高可能与仿生改性加入的纳米二氧化硅和 FAS 有关[24]。
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图3 仿生改性前后水基共聚物包膜尿素膜壳热重分析曲线
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图4 仿生改性前后水基共聚物包膜尿素膜壳的差示扫描量热曲线
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2.3 仿生型水基共聚物包膜尿素原子力显微镜测定
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原子力显微镜图可以通过纳米级分辨率进而获得表面形貌结构特征及表面粗糙度。仿生改性前后水基共聚物包膜尿素膜壳的原子力显微图像如图5 所示。改性前水基共聚物包膜尿素膜壳表面整体相对平滑，只有少数的纳米突起（图5A1），这可能因为未完全反应的壳聚糖和淀粉颗粒所致。仿生改性后，包膜尿素膜壳表面出现相对均匀的突起结构（图5B1）。从测定的结果可知，改性前后水基共聚物包膜尿素膜壳的表面粗糙结构分布范围分别为 0.03～1.15 和 19～490 µm（图5A2 和 B2）。结合原子力表面显微图像，这些粗糙结构可以使 SNWCU 表面像荷叶表面一样阻隔水分和膜材料的接触，进而达到延缓养分释放的效果。
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2.4 仿生型前后水基共聚物包膜尿素养分释放特性
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土壤培养试验可以反映仿生改性前后水基共聚物包膜尿素在土壤中的养分释放情况，仿生型水基共聚物包膜尿素在土壤中养分释放速率如图6 所示，仿生型包膜氮肥在土壤中累计释放速率总体呈先快后慢的趋势。在 25℃含水量为土壤田间持水量的 60% 时，改性水基共聚物包膜尿素初期养分释放率 （24 h）WCU 为 22.43%、SNWCU 为 4.88%；培养到 10 d 时，改性前后水基共聚物包膜尿素累计释放率分别为 80.59% 和 45.12%；培养到 28 d 时，改性前后水基共聚物包膜尿素累计释放率分别为 93.66% 和 79.79%；培养到 42 d 时，改性前后水基共聚物包膜尿素累计释放率分别为 95.56% 和 88.65%；与 WCU 相比，SNWCU 的 42 d 养分释放率降低 7.23%。仿生改性后水基共聚物包膜尿素的养分释放率更低，缓释效果更好。这可能由于加入纳米二氧化硅，孔隙被纳米级颗粒填充，并形成紧凑和均匀的结构。同时，低表面能物质的加入，使尿素表面形成类似荷叶的疏水结构，可以减缓水和养分的透过，进而使其养分释放期延长。
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图5 仿生改性前后水基共聚物包膜尿素膜壳的原子力显微镜图和深度分布图
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注：A1 和 A2 为水基共聚物包膜尿素，B1 和 B2 为仿生型水基共聚物包膜尿素。
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图6 改性前后水基共聚物包膜尿素在土壤中的养分释放特性
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2.5 仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放动力学及热力学特性
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2.5.1 仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放动力学特性
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为探究仿生型水基共聚物包膜尿素的释放特性，探究 SNWCU 在不同含水量条件下养分释放规律，在同一温度不同含水量条件下的养分累计释放曲线如 7 所示，在 15℃含水量为土壤田间持水量的 40%、60% 和 80% 时，仿生型水基共聚物包膜尿素初期养分释放率（24 h）分别为 3.03%、4.30% 和 5.20%；培养到 28 d 时，累计释放率分别为 57.73%、75.14% 和 83.09%；培养到 42 d 时，累计释放率分别为 72.51%、86.96% 和 91.43%；在 25℃ 含水量为土壤田间持水量的 40%、60% 和 80% 时，仿生型水基共聚物包膜尿素初期养分释放率（24 h） 分别为 3.58%、4.88% 和 5.66%；培养到 28 d 时，累计释放率分别为 73.91%、76.76% 和 83.74%；培养到 42 d 时，累计释放率分别为 86.33%、88.65% 和 92.47%；在 35℃含水量为土壤田间持水量的 40%、60% 和 80% 时，仿生型水基共聚物包膜尿素初期养分释放率（24 h）分别为 3.73%、5.34% 和 5.92%；培养到 28 d 时，累计释放率分别为 77.10%、83.81% 和 88.34%；培养到 42 d 时，累计释放率分别为 86.80%、90.34% 和 92.81%。在相同温度的条件下，仿生型水基共聚物包膜尿素养分累计释放率随着土壤含水量的增加而增大。
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为了更好地探究土壤温度和水分对 SNWCU 养分累计释放的影响，采用一级动力学方程对各释放曲线进行拟合，拟合参数如表2 所示。其中参数 N0 代表 SNWCU 养分累计释放率，k 代表 SNWCU 养分释放速率，R2 表示拟合度。R2 均在 0.9837 以上，N0 的变化范围为 95.99%～108.73%，基本接近理论值 100%，这表明一级动力学方程可以较好地描述 SNWCU 养分的累计释放规律。SNWCU 的养分释放速率在同一温度下随着温度和含水量的升高而增大，在培养温度为 15℃、土壤水分含量为田间持水量的 40% 时，k 最小，为 0.03075 d-1，当培养温度为 35℃、土壤水分含量为田间持水量的 80% 时最大，为 0.07679 d-1。在培养温度为 15℃，土壤水分含量为田间持水量的 40% 提升到 80% 时，SNWCU 的养分释放速率提升 102.31%； 在培养温度为 25℃，土壤水分含量为田间持水量的 40% 提升到 80% 时，SNWCU 的养分释放速率提升 61.93%；在培养温度为 35℃，土壤水分含量为田间持水量的 40% 提升到 80% 时，SNWCU 的养分释放速率提升 91.16%。
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图7 仿生型水基共聚物包膜尿素在土壤中养分释放特征
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注：A、B 和 C 分别表示培养温度为 15、25 和 35℃。
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注：** 表示 0.01 水平下达到极显著（P <0.01）。
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2.5.2 仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放热力学特性
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2.5.2.1 仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放活化能
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活化能 Ea、吉布斯自由能变 ∆G、熵变 ∆S、焓变 ∆H 是描述热力学特征的主要参数，不同参数在养分释放中代表着不同的意义。活化能的大小可以反映养分释放需要克服的能垒，可以反映养分释放的难易程度，活化能越小 SNWCU 释放越容易发生。可以通过 Arrhenius 方程直线拟合的斜率求取活化能，Arrhenius 方程线性拟合和不同含水量的活化能如图8 和表3 所示，随着土壤含水量的增高， Ea 逐渐减小，这表明 SNWCU 越容易释放，这与养分释放结果相一致。当土壤含水量从田间持水量的 40% 上升到 60% 时，活化能降低了 35.65%；土壤含水量从田间持水量的 40% 上升到 80% 时，活化能降低了 41.42%。
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2.5.2.2 仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放吉布斯自由能变、熵变、焓变
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艾林方程描述了养分速率常数 k 和平衡常数 Ka 的关系，通过艾林方程得到了各个温度和含水量下的平衡常数 Ka（表4），并通过平衡常数和热力学基本公式得出吉布斯自由能变 ∆G、熵变 ∆S 和焓变 ∆H。吉布斯自由能变 ∆G、熵变 ∆S 和焓变 ∆H 的结果如表4 所示。∆G 是在养分释放过程中系统减少的内能中可以转化为对外做功的部分[25]。由表4 可知，温度相同时，∆G 随含水量的升高而降低；含水量相同时，∆G 随温度的升高而增加。
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熵变 ∆S 指随着释放过程的无序程度[26]，由表4 结果可知，SNWCU 的养分释放为熵减过程，说明养分释放是一个有序度增加的过程，这可能因为包膜肥料的释放不是一个孤立的体系，而是与土壤环境发生了热交换，养分释放过程中吸热给土壤系统，土壤环境放热后熵值减小，而且土壤熵值的减小超过了包膜尿素养分释放熵值的增加，因此养分释放体系和环境的熵变仍是小于零的。∆S 不随温度的变化而变化，这与表4 所得的结果与这一理论基本吻合。
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焓变 ∆H 表示养分释放过程吸收或发出的能量[27]，表4 结果表明 ∆H 的值都大于 0，说明 SNWCU 的养分释放过程吸收能量，温度相同时，吸收的热量随含水量的升高而降低；含水量相同时，吸收的热量随温度的升高而降低。由此说明，温度越高含水量越大，焓变越小，养分释放所吸收的热量越少，释放越容易进行。
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图8 不同含水量下仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放 Arrhenius 方程
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3 结论
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通过纳米改性及自组装改性后，仿生改性后水基共聚物包膜尿素表面构筑了紧实致密的微纳米级粗糙结构，且观察到氟和硅元素，这表明改性的成功进行，并揭示了疏水改性机理及养分控释机理。
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仿生改性后水基共聚物包膜尿素的释放速率明显降低，42 d 氮素累积释放率比水基共聚物包膜尿素降低了 7.23%，此外，通过动力学和热力学方程明确了土壤温度和水分对仿生改性水基共聚物包膜尿素养分释放的影响规律。这对仿生型水基共聚物包膜尿素在土壤中的推广应用提供了理论及数据支撑。
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摘要
水基共聚物包膜尿素控释期较短，通过仿生改性技术提升水基共聚物包膜尿素养分控释期并明确其养分释放特征是实现其在农业生产中应用的重要影响因素。为了探究仿生型水基共聚物包膜尿素的改性机理及养分释放特征，本研究采用壳聚糖、淀粉和聚乙烯醇合成的水基共聚物膜材料为原料，通过纳米二氧化硅和 1H，1H， 2H，2H- 全氟癸基三甲氧基硅烷对其进行仿生改性并制备仿生型水基共聚物包膜尿素。探究不同温度和土壤水分条件下仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放的动力学和热力学特性，并结合扫描电镜、能谱分析、热稳定性分析、原子力电子显微镜，探究其养分释放机理。试验结果表明，仿生改性后水基共聚物包膜尿素的缓释效果显著提升， 42 d 氮素累积释放率比水基共聚物包膜尿素降低了 7.23%。此外，通过一级动力学方程探讨了仿生型水基共聚物包膜尿素的动力学和热力学释放特性，结果表明：随着土壤含水量的增高，活化能 Ea 逐渐减小；吉布斯自由能变量 ∆G>0、熵变 ∆S>0、焓变 ∆H<0 表示包膜尿素在土壤中的释放不是一个独立的系统，与土壤环境发生了热量交换，并明确了土壤温度和含水量与养分释放间的关系。此外，还通过仿生改性前后膜材官能团结构特征、表面微观结构、表面元素变化及热重分析等手段明确了其养分释放机制。
Abstract
The controlled release period of water-based copolymer-coated urea is relatively short. Using biomimetic modification technology to improve the nutrient controlled release period of water-based copolymer-coated urea and clarify the nutrient release characteristics are important influencing factors for its application in agricultural production. In order to explore the nutrient modification and release mechanism of biomimetic modified water-based copolymer coated urea， this study used water-based copolymer membrane materials synthesized from chitosan，starch and polyvinyl alcohol as raw materials，and nano-silica and 1H，1H，2H，2H-perfluorooctyltriethoxysilane were modified and the biomimetic modified water-based copolymer coated urea was prepared. The kinetic and thermodynamic characteristics of nutrient release of biomimetic modified water-based copolymer coated urea under different temperature and soil moisture circumstances were explained，and its nutrient release was made clear through scanning electron microscopy，energy spectrum analysis， thermal stability analysis，and atomic force electron microscopy mechanism. The test results showed that the sustained release effect of water-based copolymer-coated urea was significantly improved after biomimetic modification，and the cumulative nitrogen release rate in 42 days was 7.23% lower than that of water-based copolymer-coated urea. In addition，the kinetic and thermodynamic release characteristics of the biomimetic modified water-based copolymer coated urea were matched through the first-order kinetic equation. The results showed that the activation energy Ea gradually decreased with the increase of soil moisture content；Gibbs free energy change ∆G >0，entropy change ∆S >0，enthalpy change ∆H <0，which means that the release of coated urea in the soil is not an independent system，but heat exchanges with the soil environment，and it is clear of the relationship between soil temperature，moisture content and nutrient release rate. In addition，the nutrient release mechanism was clarified by means of the structural characteristics of the functional group of the membrane material before and after the biomimetic modification，surface microstructure，surface element changes，and thermogravimetric analysis.