ChemSusChem：木质素基缓/控释肥料研究进展

石0610 2020-06-13

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2020年5月25日，ChemSusChem在线发表了华南农业大学资源环境学院樊小林教授课题组题为“Research Progress in Lignin‐BasedSlow/Contro-lled Release Fertilizer”的综述论文，总结了以价格低廉且环境友好的工业木质素为原料制备缓/控释肥料的方法和原理，并进行了展望。

化肥是粮食的“粮食”，化肥的使用为我国粮食连续丰收立下“汗马功劳”。然而，我国化肥使用存在过量使用、盲目使用的问题，不但损耗基础地力，增加种粮成本，而且危及农产品质量安全，总量控制、科学施肥势在必行。其中，就如何提高传统肥料利用率，减少环境污染是目前国内外农业生产中亟待解决的问题。研究表明，尽管可以从新品种培育、施肥技术改进等多种途径提高肥料利用率，但其无法大范围应用于多种作物和土壤环境。事实上，从改造肥料的保肥供肥性能来讲，如研制缓/控释肥，则是解决肥料利用率低和有效防止肥料环境污染的有效途径。当前限制缓/控释肥料研发和推广应用的卡脖子问题在于成本高，其科学问题在于廉价优质材料的合理构建，即如何采用价格低廉且环境友好的材料制备出缓/控释肥料。木质素，一种理想的制备新型材料基料，尤其是在缓/控释肥料领域。此外，木质素作为一类植物源有机高分子聚合物，可以改善土壤物化性质，例如改良土壤结构，促进团粒结构的形成，从而增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性。在干旱区，有机质通过改善土壤粘性，降低土壤的胀缩性，防止土壤干旱时出现的大的裂隙。华南农业大学樊小林教授课题组综述了以木质素为原料制备缓/控释肥料的研究进展和缓释机理分析，并提出了面临的挑战及对未来发展的展望，以期实现木质素在农业领域的增值。

樊小林教授课题组在介绍天然木质素和工业木质素化学结构的基础上，总结了以价格低廉且环境友好的工业木质素为原料制备缓/控释肥料的方法，即化学修饰法（氨化氧化、曼尼希反应等）、包膜法（物理和化学）和螯合法，讨论了不同制备方法对肥料养分释放的影响（图1）。系统总结了不同化学修饰法将肥料元素N、P、K接枝到木质素高分子结构中的机理，使其在土壤中缓慢降解达到养分缓慢释放的目的。对采用不同物理和化学法修饰木质素以研发出缓释包膜层进行分类和评估，并对其用于包膜颗粒肥料制备的新型木质素基缓/控释肥料的养分释放机理进行总结。此外，还总结了木质素作为一类富含羟基的高分子化合物螯合金属离子的机理和效果，以此制备螯合微肥，使其减缓微量元素在土壤中的释放速度，提高养分利用效率。

图1 木质素基缓/控释肥料的研发思路

最后，作者探讨了以木质素制备缓/控释肥料应用中所面临的挑战，并展望了未来的研究方向。相对于其它两种缓/控释肥料而言，以包膜涂层形式研发的包膜缓/控释肥料是最有前景的一种方法。包膜肥是公认能明显提高养分利用率的肥料，其由核心肥料与包膜层两部分构成，其中疏水包膜层可以防止肥料迅速溶解而流失（图2）。此外，膜层上的微孔供水分进入包膜内溶解肥料，以延缓养分释放，从而提高肥料的利用率，减少养分流失和环境污染。同时，包膜肥可一次或少次施用而满足作物整个生育期的需求，适应了现代农业劳动力短缺对肥料和施肥的轻简要求。