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作者简介:

陈禹合(1998-),硕士研究生,主要研究方向为生物质液态肥。E-mail: 965130266@qq.com。

通讯作者:

刘洋,E-mail: ly2021@xjau.edu.cn;

刘尊奇,E-mail: zunqi85@163.com。

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目录contents

    摘要

    我国作为农业大国在种植方面使用大量的固态肥料,肥效利用率低且对环境水体产生一定损害,相比之下液态肥具有节约用水、肥效稳定、运输成本低、灌溉模式多样、精准控制等优点,成为现代高标准农业发展的需求。而液态肥中含有大量复杂的营养成分易形成沉淀物质,影响其大面积推广和使用,稳定剂可使液态肥不产生沉淀,营养物质都处于悬浮状态、提升肥料利用率。对国外液态肥料及其稳定剂的发展历程进行了归纳总结,并对国内的液态肥稳定剂相关材料进行简单的区分和归类,阐述其稳定性原理,同时提出了环境友好且成本较低的生物质基稳定剂的发展设想,并对其可行性进行了初步论证。考虑到生物质材料的廉价、可降解、环境友好等优势,在未来的液态肥料稳定剂的研发中,应向该领域进行研究探索。

    Abstract

    As a large agricultural country,China uses a lot of solid fertilizers in planting,with low fertilizer efficiency and certain damage to environmental water bodies. In contrast,liquid fertilizer has the advantages of water saving,stable fertilizer efficiency,low transportation cost,diverse irrigation modes,and precise control,etc.,which has become the demand of modern high-standard agricultural development. However,the liquid fertilizer contains a large number of complex nutrients and is easy to form precipitating substances,which affects its large-scale promotion and use. The stabilizer can make the liquid fertilizer not precipitate,and the nutrients are in a suspended state to improve the fertilizer efficiency utilization rate. In this paper,the development process of foreign liquid fertilizers and their stabilizers were summarized,distinguishes and categorizes the related materials of domestic liquid fertilizer stabilizers were simply distinguished and categorized,the principle of stability was explained. A development idea of biobased stabilizers with environmental friendliness and low cost was proposed,and its feasibility was preliminarily demonstrated. In view of the advantages of low cost,degradability,and environmental friendliness of biomaterials,the research and development of liquid fertilizer stabilizers in the future should be explored in this direction.

  • 随着人民生活水平的不断提高,国家对农业生产的要求也日益增强,如何在有限的土地上提高农作物产量成为重大问题。农业技术集成、规模化生产等新的方式引入和融合,发展智慧农业、精准农业,成为在现有资源的基础上提升农业产值的重要途径。智慧农业和精准农业使农业管理决策能够在更大的空间和时间上进行调整,其具体模式并非通过均一的条件对土地进行调控,而是使用智能装备、数据库及移动平台等技术收集特定土地的各种参数,并有针对性的对土地投入特定化肥、农药、微量元素,从而减少人们在农业生产上的浪费,同时也降低了对环境的危害[1-2]

  • 水肥一体化及网格化设计是精准农业中一项重要的环节,该类新型的精准施肥手段已经成为未来农业的发展方向,二者精准结合增强了施肥效果,减少了肥料的使用量,从而可以降低大量施肥所带来的环境污染[3]。液体肥料相较于固体肥料在有效成分方面有着更高的浓度,肥料的制作运输成本随着肥料浓度的升高而降低,因此,液态肥也凭借其高浓度体系更加符合未来智慧农业的发展理念而被重视推广[4]。目前已有许多厂商在推广使用液体肥料,如新疆慧尔农业集团有限公司所生产的液态肥料施用在玉米的种植过程中,明显增强了玉米的长势,提高了玉米产量[5]。稳定剂是液体肥料的制作过程中关键的一类物质,该类物质不仅保证了肥料的常规储存和使用的稳定性,还会避免产生胀气、结晶、沉淀等问题。本文分别对目前国内外液态肥市场的发展、常见的液态肥、现有的稳定剂类物质进行分类举例,并提出了一种新型的生物质基液态肥稳定剂的设想。

  • 1 液态肥的发展及背景

  • 1.1 国外液态肥研发及稳定剂应用情况

  • 自 20 世纪 20—30 年代起,英国首次提出水溶性肥料专利,引领液态肥料的迅速发展。20 世纪 70 年代,美国科学家提出精准农业概念[6],并在 20 世纪 80 年代申请了有关悬浮肥的生产专利。相较于欧洲其他发达国家,美国更早地提出了高科技精准化农业的概念,最先在农业生产中使用液态肥料,如液氨等液体肥料,并开发与之相匹配的机械生产工具[7],从而将科技与农业生产相结合。随着网络技术、大数据、科技平台等融合发展,这一理念已经成为全球未来农业的发展方向(表1)。目前,美国拥有 3000 多个液肥生产厂家,在农业方面液肥使用比例达到了 55%,而以色列的液体肥使用比例高达 90%。英国、澳大利亚、法国、西班牙、罗马尼亚都在使用液态化肥,主要应用在花卉、农作物、果树和园艺方面。目前有关液态肥产品的海外品牌众多,如美国的 TVA、挪威的 Norskhydro、德国的 COMPO GmbH 等[8]

  • 表1 国外液态肥发展时间节点

  • 截至 21 世纪初期,美国农业上所使用的氮肥产品以尿素、硝铵溶液、液氨等为主,由于成分单一、稳定性较好,并不需要稳定剂。与此不同的是,我国所使用的氮肥产品多为尿素固体肥料,这便导致了国内外在液体肥及其稳定剂方向上的研究较少。虽然并没有具体的时间点,但为了解决微量元素及氨基酸等液体肥料的沉淀问题,国外最初选择向肥料中添加一定量的乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHA)等螯合剂,使其对微量元素中的金属阳离子、氨基酸等易沉淀物质进行络合,以形成络合物的方法来保证体系的稳定。然而,到了 1990 年美国的研究者发现 EDTA 无法被土壤中的微生物降解,导致大量 EDTA 络合物残留在地下水中,进而随着地下水流入人们日常用水的源头湖泊、河流中[9]。随着研究的深入,有研究者发现,传统的水处理方法不能有效去除 EDTA[10],这进一步说明了使用 EDTA 等螯合剂可能对人类造成危害。

  • 尽管 EDTA 在提高液体肥料稳定性方面具有优势,但其对环境的影响也需要被认真考虑。研究者和政府机构一直在努力平衡液体肥料的效果及环境的可持续性发展,寻找更环保的替代方案。因此,有关 EDTA 的使用及其对土壤有害性的研究仍在进行中,以推动农业实践更加可持续发展。许多研究者们正在寻找可行的替代方案,21 世纪初,Barbara 等[11]具有创新性地尝试用柠檬酸盐、磷酸盐等物质对 Zn2+、Fe2+、Mn2+ 等进行络合,以确保肥料体系的稳定并取得了较好的效果,液态肥料稳定剂的发展才得以开始。

  • 1.2 国内液态肥的发展优势

  • 我国是全球农业大国之一,拥有约 126.67 万 km2 的耕地,解决了全球近五分之一的人口生计问题。随着我国经济的快速发展,确保粮食的自给自足一直是一项重大挑战,在有限的耕地资源上解决不断增长的粮食需求问题,需要继续深入挖掘国家有限的耕地产能[12]。为了维持并提高我国的农作物产量,土地施肥是不可或缺的环节,然而,过量、盲目的施肥则会破坏土壤的内部结构,最终导致土地产能下降。水肥一体化技术通过精确施用液态肥料有助于避免这些问题。目前液态肥产品占据市场份额较小,并且一些相关的质量标准并不规范,但随着智慧农业及精准农业发展趋势向水肥一体化转变,液态肥产品的市场前景尤其广阔,需求将逐渐增加。

  • 液态肥料是指含有一种或一种以上农作物所需要的营养元素的液态产品,并且其可以根据实际需求精确设计配方,适用于不同作物的不同生长阶段,做到因地制宜,增加植物的产量并提高作物的品质。Song 等[13]针对白菜开发了一种液态叶面喷施肥料,其中加入了植物生长所需的元素,如 Ti 元素,通过测量发现,由于液态叶面肥的施用,白菜的生长高度和产量都有着显著地增加。除此之外,也可以将液态肥料与农田管道式滴灌结合起来,形成水肥一体化的农业灌溉模式,利用传感器检测田间土地植物的各项指标,通过远程控制田间肥料、水的灌溉量,实现种植转自动化,减少人工投入。如 RAWSON 集团研制了一种控制器,通过控制各种机械参数实现播种施肥的自动化,与其相似的研发还有美洲、欧洲的公司如 Hrdro Agri 等[14]。2018 年,新登记液态肥料有 784 种,水剂肥料有 3320 种。截至 2021 年,在液态肥领域,国内登记的肥料种类数量已经达到两万种以上,其中以液态形式存在的肥料数量为 1785 种。

  • 我国研发生产的液态肥料大多通过喷灌、滴灌等技术进行施用,其中改良版的滴灌技术,即水肥一体化技术脱颖而出。水肥一体化是指将浇水灌溉和植物施肥二者结合起来,将可溶的固体肥料溶于液体,或直接按一定配比将液态肥加入到灌溉所用的水中,然后通过管路内加压的方式将水肥运输给农作物(图1)。我国对农业水肥一体化技术非常重视,在 2023 年初,国务院发布的关于全面推进乡村振兴工作的“一号文件”中,明确提出了减少农业投入,提高效能,推进水肥一体化工程的目标[11]。例如,王囡囡等[15]通过水肥一体化模式对玉米加水加肥,特别是成长到中后期的玉米植株高大,传统的灌溉方法难以满足其水和肥的需求,若采用水肥一体化则可以更好地进行双重灌溉。目前国内沙糖桔的种植主要以冲积土为主,在种植的过程中土壤易出现沙化的现象。由于沙糖桔本身的水分多、糖分高,所以在种植过程中的需水量要求会比较大。因此可将水肥一体化技术应用于沙糖桔的栽培上,不但能够解决可能出现的土壤沙化问题,同时可以为沙糖桔提供所需营养[16]。在温室种植的西红柿中,Zhang 等[17]采用了水肥一体化技术,通过测定管路压力来体现灌溉量,并对灌溉量和肥料施用量以随机量的情况进行多次测试,利用西红柿品质与水肥施用、灌溉量之间的潜在关系,最终推测出最佳的应用数据。桑园基地中也可通过水肥一体化技术对桑树进行微喷灌,以减少水分和肥料的浪费[18]。水肥一体化技术通过合理调配水肥比例,在田间同时施用,以求达到节水、减肥、增产的效果。该技术的应用可以有效地提高农作物的产量和质量,减少农业对水资源的需求,降低农业对环境的污染,具有重要的经济和环境效益。

  • 图1 水肥一体化流程

  • 1.3 液态肥的分类

  • 液态肥料主要包含了两种液态形式,一种为清液型肥料,另一种是包含不溶物的悬浮型肥料。这两者具有不同的特性,(1)清液型肥料,主要成分多为氮、磷、钾类元素肥。清液肥也存在一些问题,例如其中营养物质种类含量少,同时包装运输费用相对较高等,但在清液型肥料的基础上添加腐植酸类、氨基酸类肥料等,便产生了另一种类型的肥料即悬浮型肥料;(2)悬浮型肥料,是一种流体混合物,其中固体物质(肥料或悬浮剂)悬浮在浓缩型水性肥料中。与早期快速沉降的浆料肥料不同,悬浮肥料是凝胶状的并且在延长的时间段内(理论为 1~2 个月)稳定,它们可以在温和搅拌下轻易地再次分散形成均匀的混合物。为了使肥料达到凝胶状且不产生沉淀,需要加入悬浮剂[19-20],将液态肥料中超出溶解度不溶于水的营养物质,通过螯合等方式在肥料产生结晶之前将其螯合,从而形成小晶体螯合物,悬浮于水体系中不产生明显沉淀。市场上最常见的液态肥料组成成分为氨基酸液态肥、腐植酸类液态肥、中微量元素液肥、液体菌肥、含氮磷钾的液态肥等。

  • 1.4 液态肥稳定剂

  • 目前,我国液态肥料及其稳定剂的研究进展相对缓慢,有关液态肥料的理论研究局限但不仅限于水肥一体化机械领域,对于液态肥在管道流通中产生沉淀、结晶、胀气以及液态肥储存过程中出现沉淀分层等方向的研究几乎空白,若不解决该类问题,将会减缓液态肥料领域的实际发展。若向清液型肥料中加入氨基酸、腐植酸等营养物质即形成悬浮型肥料,但无法保证大部分此类营养物质悬浮在液态肥中,最终变成沉淀影响肥效、堵塞管道,因此需要在肥料中加入稳定剂,保证整个液肥体系的稳定性而不产生沉淀。

  • 稳定剂类型物质主要包含悬浮剂、分散剂、增溶剂等相关成分。这类物质的作用是使液态肥中难溶或不溶于水的成分,通过螯合反应将易沉淀物质中的某个离子或基团与螯合剂结合,使肥料形成稳定的螯合态。或者使用表面活性剂等物质合成微球材料,使其形成包裹态,最终导致肥料中的微小结晶物质不形成沉淀,从而使有效成分保存在液体内。梁嘉敏等[21]提出灌溉施肥仍然存在的一些问题,如水溶性肥料中的不溶物会沉淀堵塞管路,尤其是液体肥料中磷元素的对应成分溶解度低,易在水中形成沉淀物。

  • 近年来,国内液态肥技术相对滞后,市场上售卖的产品质量参差不齐,而液态肥中不溶物所占比率是衡量一款液态肥料是否合格的关键,含量超标的液肥产品会堵塞管路,无法完成正常的灌溉[22]。除上述液态肥产生沉淀所引起的问题外,其他研究者发现液态肥料还存在产生胀气的情况。韩礼军等[23]探究了目前常见液态肥的胀气原因,发现肥料不稳定分解挥发容易产生气体物质,可以通过改善产品包装,增强产品质量。但改善包装只是在有限程度上减少了这类问题的出现,想要从根本上解决该问题,还是需要对稳定剂类物质的性能方面进行改进。

  • 2 稳定剂的分类

  • 2.1 螯合类稳定剂

  • 螯合剂能够与液态肥料中可能会产生沉淀的离子发生螯合反应,形成稳定的络合物。这些络合物能够阻止离子之间的结晶和沉淀,从而保持液体肥料的稳定性。螯合剂通过与离子形成螯合物,使离子之间不再形成多余的化学连接键,避免沉淀的产生。这种原理使得液态肥料在存储、运输和使用过程中能够保持均匀和稳定的状态。市面上的螯合剂产品一般通过对肥料中可能产生沉淀的离子进行筛选和螯合剂的设计来实现这一原理。目前常用的微量元素肥料分为易溶的硫酸盐、氯化物和硝酸盐等微量元素肥以及难溶的磷酸盐、碳酸盐、氧化物和硫化物等微量元素肥[24]。螯合剂与不溶的微量元素反应形成螯合态物质,常见的螯合剂是乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙烯三胺五醋酸(DTPA)、亚胺基二琥珀酸(IDHA)等。

  • López-Rayo 等[25] 发现肥料中常见的铁、锰、锌金属氧化物溶解度低。当这些金属氧化物添加到土壤或其他植物基质中时,以不可利用的矿物质形式存在,因为在这些条件下,矿物质容易发生沉淀并以不溶性形式存在,所以研究者使用 o,p-EDDHA 对锌、锰进行螯合,显示出较高的稳定性。凌浩瀚等[26]使用了滴定分析研究不同聚合度的水溶性聚磷酸铵(APP)与镁的螯合性能,发现水溶性聚磷酸铵的聚合度越高,对镁离子的螯合能力越强。此外,它的络合能力会随着 pH 值的增加呈现先减小再增大的现象,并随着温度的升高逐渐下降。螯合类肥料也对植物的生长和农产品中营养物质含量提升具有显著作用。申高明等[27]对可降解的氨基羧酸型螯合剂进行了阐述,表明这些螯合剂不仅能够大量螯合金属离子,而且可以加速植物对这些离子的吸附。杨睿等[28]的研究发现,施用一定浓度的 IDHA 螯合铁可以更有效地提高生菜的可溶性蛋白和可溶性糖含量。总体而言,上述螯合剂的作用方式更适合含有矿物质等微量元素的水溶性液态肥。如果在常见氮磷钾液态肥中加入氨基酸、腐植酸等不溶或微溶物的有机物,或者制成悬浮肥,仅仅使用螯合剂一种物质是无法达到预期效果的。

  • 2.2 包膜控释类稳定剂

  • 为解决螯合剂无法处理大分子物质易于产生沉淀的问题,可采用包膜缓释的方法。通过使用表面活性剂等多种壁材物质合成出微小的球形薄膜,即所称的“微球”,将肥料包裹在其中[29]。通过控制微球薄膜的厚度、材料等因素,使肥料无法直接透过膜释放,微球内的肥料只能通过浇水灌溉,当内外渗透压达到一定阈值时发生破裂释放,因此,使得该种形式的肥料具有缓释和一定的抗沉淀特性[30]。微球负载肥料的技术被普遍应用于制作具有缓释功能的肥料,其中又分为两类:一类为微球本身具有多孔疏松结构,可以利用该优势通过进一步改性,对肥料进行负载且缓慢释放;另一类则是制作一层或双层膜的空心微球,将肥料储存在膜的内部或层与层之间[31],此类型可以控制液态肥料中不溶、难溶的营养物质被包裹在微球中,一定程度上解决了悬浮肥料产生沉淀的问题。除了微球,还有一种被称为微胶囊的包膜负载形式,其原理与包膜负载的微球材料大致相同,但体系内所包含的情况要更加多样。微胶囊主要分为单核、多核、双壳、多核无定形、复合型微胶囊等几种类型,如图2 所示。

  • 图2 微胶囊的分类

  • 目前一些研究者们已经成功采用该种方法开发了包膜微球肥料,刘亚男等[32]开发的一项专利中,使用聚氧乙烯基硫酸盐和 / 或蔗糖脂肪酸酯作为表面活性剂,制备了一种用部分环氧化的橡胶在水中作为壁材,形成微球结构包裹的肥料,当微球结构在干燥后便会展开成膜,释放剩余肥料。Ni 等[33]以凹凸棒石黏土、乙基纤维素所制成的膜和羟乙基纤维素和羧甲基纤维素钠进行交联合成的水凝胶为基质研制了氮肥缓释剂,该产品能有效减少养分流失并提高水分利用效率。吕莎莎等[34]以玉米淀粉生物质材料为基础,通过 H2O2 进行氧化,并用环氧氯丙烷进行交联,从而得到所需的膜材料产品,被其包裹的尿素溶出率效果较好。薛海龙等[35]、王宁[36]、毛美琴等[37]都通过改性淀粉合成出肥料缓释包膜,提高了肥料的保水性、缓释性能,同时在一定程度上保证肥料不沉淀。

  • 包膜微球肥料的用途主要集中在缓释、控释方面,帮助提高肥料的使用效能,并通过减少浪费量来降低肥料使用的成本。在液态肥沉淀的问题上,这种缓释肥也可以很好地降低肥料沉淀所带来的影响。包膜类肥料包含许多种类,本文主要讲述空心微球、微胶囊的包膜控释肥料。考虑到悬浮肥料中可能含有大量大分子的氨基酸等物质,渗透方式无法将其释放到土壤中为植物所吸收,因此,主要释放方式为渗透压达到阈值后破裂释放。但由于包膜控释的成本较为昂贵,目前该项技术多被应用于农药等高附加值的农业产业方面。

  • 2.3 增稠类稳定剂

  • 所谓的增稠剂本质是一种流变助剂,将其加入到液态肥料中可以改变流动状态,并提高液态体系的黏度。这样可以使一些会沉淀的小晶体在这类液态体系内产生悬浮状态,避免因为重力的原因而导致沉淀。此外,增稠剂还能在液体中形成保护膜,并减少颗粒之间的相互作用,从而防止颗粒的凝聚,进一步减少沉淀。同时增稠剂也可以调整 pH 值,降低沉淀率。在国外,通常选择膨润土类物质作为稳定剂,主要成分为凹凸棒土、蒙脱石等物质,此举优势在于膨润土易获取、价格低廉、对环境友好。如今国内也开始逐渐使用膨润土作为增稠剂加入到液态肥料中,同时也有许多研究者尝试使用其他的物质对液态肥进行增稠,如羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、壳聚糖、黄原胶等。

  • 膨润土有着吸水增稠的作用而被广泛使用,其中蒙脱石的吸水性和悬浮分散性起着重要作用,在蒙脱石的晶体结构中,相邻晶层之间会产生键能较弱的范德华力,当水进入后,层与层之间的间距会变大,蒙脱石就会吸收大量的水,有时甚至可达到原水量的 5~10 倍[38],同时由于蒙脱石具有特殊的结构,在稀溶液中并不会形成较大的颗粒,所以表现出极好的分散性和悬浮性。膨润土中的蒙脱石不只具有悬浮作用,还有螯合作用、阳离子交换作用等,因此,除直接添加增稠剂以稳定肥料体系外,一些研究者还开发了膨润土的其他用途,最主要的还是开发成缓释肥料。例如 Rudmin 等[39]将蒙脱石和海绿石以 2∶3 的比例进行混合,再进行活化便可以将尿素插入到二者的夹层中,实现了对肥料的缓慢释放和控制。李旭[40]利用淀粉、聚乙烯醇-膨润土制备的包膜材料,能够包裹缓释尿素肥料;邓小婵等[41]将魔芋接枝的丙烯酸-丙烯酰胺共聚物和腐植酸的材料作为内层包膜,并将膨润土作为外层膜,使用水溶液聚合法制备出双层包膜来缓释复合肥。但增稠剂依然存在较大弊端,它并没有从根本上解决液体肥料中沉淀的问题,只是通过改变液体体系的黏度来减缓沉淀速度,且使用条件较为有限,若肥料本身黏度较大,则无法使用。

  • 3 液态肥稳定剂的研究意义

  • 目前,液态肥稳定剂的研究仍处于相对较小规模的阶段,市面上对其的定义比较宽泛,将悬浮剂、增稠剂、包膜肥料微球等,以及使液态肥不产生沉淀为目的的肥料辅助剂,统称为液态肥稳定剂。我国在液态肥领域的研究相较国外起步晚,也导致我国悬浮型的液态肥料稳定剂相关的范畴定义及生产质量标准并不完善。确定肥料中的营养元素成分含量标准的工作已经相对形成体系,而如果可以通过对液态肥料中稳定剂类物质进行定义并对其制定质量标准,将有助于在一定程度上推动国内液态肥料质量标准的统一并提升保障水平。

  • 3.1 现有的使用案例

  • 尽管国内液态肥产业目前存在产品质量参差不齐的问题,但液态肥仍具有许多传统肥料并不具有的优势,并有不少实际应用案例。现阶段我国茶园需要施用大量的氮肥,但传统施肥方式导致氮肥使用量大且利用率低,造成大量氮肥浪费和土壤板结等问题,因此,张永瑞[42]将液态肥应用于茶树的种植方面,在肥料相同用量的情况下,液态肥的施用对茶叶的增产和品质改善具有一定的促进作用。在西红柿种植方面,王建军[43]使用水溶性液态肥,并将其与传统肥料进行了对比,不难看出,液态肥可以应用于喷灌、滴灌的浇灌方式,具有用肥量少、易吸收、肥效高、成本低、追肥方便、施肥可控等优点。Hu 等[44]使用滴灌施肥的方法对温室大棚蔬菜进行种植,与传统的漫灌和施肥相比,滴管施肥提高水、氮利用效率,减少氮素淋失,从而降低了肥料的使用成本。

  • 3.2 液体肥料稳定剂的潜力和可行性

  • 当前,全球农业正向智慧及精准施肥与高科技结合的方向发展,然而,相较其他农业发达的国家,我国目前液态肥的使用占比相对较低。目前的主要问题在于液态肥的生产技术方面,如果没有效果较好的稳定剂,生产出的液态肥并不能长时间存放,从而导致产能无法提高。

  • 随着经济的发展,节水灌溉、低压灌溉和微灌溉项目逐年增加,水肥一体化也从小规模逐渐发展成大规模,特别是高标准农田的开发推广在全国范围内被大力支持,由于水肥一体化的设计,使得用水量减少、营养精准传送到植物根系,实现水肥的高效利用,水溶性肥料也因此被人们慢慢重视起来[45]。在中国水溶性化肥的发展过程中,许多跨国企业也都看到了中国市场的广阔前景,并且对市场的发展充满了信心。中国水溶性肥料的发展现状正在呈现出一种多元化的态势,领先的公司正在采用成熟的产品技术,中国的技术与推广方式也逐渐变革。国际化大公司不仅仅是将高质量的产品带到中国,同时也可以引入先进的施肥理论,在竞争和合作中相互促进。因此,中国可溶化肥(液态肥)行业的发展可以说是中国农业科技发展的中流砥柱。

  • 3.3 新型环保液态肥稳定剂

  • 未来液态肥稳定剂的发展方向是发现和合成成本低、效果好以及绿色环保等优点的材料。目前满足这些要求且比较新颖的材料是纤维素、壳聚糖等可再生的高分子生物质材料,基于生物降解性和生物兼容性考虑,它们在许多领域被作为黏土、蒙脱石的替代品而被广泛推广。由于生物质材料在自然界中的含量较高,且利用率较低,将纤维素经过简单处理,即可制作成具有螯合性的螯合剂,或制作成表面活性剂或皮克林乳液,将易沉淀的肥料进行包裹,也可以将纤维素进行改性,制作成为增稠剂,代替膨润土等增稠剂使用。

  • 目前已经有研究者利用纤维素纳米晶合成了 Pickering 乳液,作为微胶囊,因其本身材料具有生物相融性、环境友好的特性,已被列为液态肥稳定剂的潜在材料,具有很大应用潜力[46]。Qi 等[47] 研究开发了一种新型吸附材料,以羧甲基纤维素和 β-环糊精为原料,以环氧氯丙烷为交联剂制备了羧甲基纤维素基固定化缓释肥料微球 CFM。在盐碱土壤上施用保水缓释肥,非常适合西北、东北、华北的盐碱地种植,减少肥料用量,提高作物产量。李梓泳等[48]发现纤维素的改性材料羧甲基纤维素具有增稠性、乳化性,最终使用了 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)连接羧甲基纤维素和大豆分离蛋白制备出一种微球包裹材料,该材料通过外界 pH 值来调控缓释速度,可以提高肥料及农药的利用率,同时可以减少对环境的危害。Savitri 等[49] 也将目光放在了壳聚糖上,使用淀粉-壳聚糖基材料包覆的肥料,并确定壳聚糖∶淀粉为 30∶70,淀粉质量分数 2% 为最佳工艺条件,壳聚糖含量越高吸水能力越高。

  • 液体肥料产生的沉淀多数为磷肥所产生的磷酸盐与各种阳离子形成的盐类物质的结晶沉淀[50]。同理,由于磷酸根与钙、镁、铁、铝等金属阳离子结合形成沉淀物质,造成施肥喷头、水管堵塞,导致施肥系统损坏、失效的情况也被一些研究者所提及[51]。根据上述沉淀的常见形成原因,可以考虑通过添加含有羧基、羟基、氨基等基团的物质,与肥料体系内的金属离子形成离子键,进行络合,从而阻碍磷酸盐沉淀的产生。例如壳聚糖,其本身结构中含有活性羟基、氨基,易于与过渡金属发生配位,以及与碱土金属进行结合,Skwarczynska-Wojsa 等[52]探究了壳聚糖水凝胶对 Ca2+ 的吸附作用动力学和平衡,该研究证明了生物质基稳定剂的可行性,并为后续研究提供了数据及理论支持。除此之外,也有研究者通过对马铃薯淀粉进行改性,从而使其对钙、镁离子具有较好的吸附作用,并作为硬水软化剂使用[53]。由此可以发现,生物质稳定剂的研究是具有较高可行性的,并有待被继续发掘。

  • 4 结论

  • 水肥一体化将会是国家现代农业全面发展的未来方向,液态肥的使用将会变成必然趋势,因此,液态肥稳定剂的制备也将变成必须要攻破的技术问题。但目前国内液态肥领域的生产、推广及质量标准都不算全面完整,尤其是液态肥稳定剂类物质并没有相关的范畴以及相应的生产标准。液态肥稳定剂不仅仅局限于本文所提及的种类及物质,该领域还在不断地发展和革新。微球包膜缓释类稳定剂在未来悬浮型肥料中的使用将会占有较大比重,而使用生物质材料制作微球包裹类稳定剂,符合国家碳中和、碳达峰的战略要求,但该材料仍未能够推广且缺少相关研究,因此,亟需开发一种简单、廉价、能够生物质废料再利用且可大面积推广的产品。

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