1、我国新型肥料研究现状与展望我国新型肥料研究现状与展望四川师范大学：赵仕林四川师范大学：赵仕林1 研究背景研究背景2 新型肥料研究现状新型肥料研究现状3 新型肥料研发尚存的问题及其发展趋势新型肥料研发尚存的问题及其发展趋势4 新型肥料的研发案例新型肥料的研发案例Research Status and Prospect of Research Status and Prospect of C Chinas hinas NNew ew F Fertilizerertilizer1 研究背景1.1 加快推进农业科技创新加快推进农业科技创新 持续增强农产品供给保障能持续增强农产品供给保障能力力（中共中央
2、 国务院2012一号文件）快推进前沿技术研究，在农业生物技术、新材料技术、先进制造技术、精准农业技术等方面取得一批自主创新成果，抢占现代农业科技制高点。着力突破农业技术瓶颈，在节本降耗 良种培育 新型肥药等方面取得一批重大实用技术成果。1 研究背景1.2 我国社会经济发展对生态农业更迫切需求我国社会经济发展对生态农业更迫切需求 “十二五”发展规划要建立资源节约型、环境友好型社会。经济发展模式的转变：节约资源、减少污染 “十一五”期间的减排指标规定SO2、COD “十二五”期间的新增指标规定NOx、NH3-N1 研究背景 新世纪以来我国粮食生产获得巨大成就，粮食连续七年获得大丰收，总产量不断创新
3、高，2010年全国粮食播种面积109872khm2，比上年扩大886khm2，增长0.8%；2010年全国粮食总产量为54641万吨，比上年增加1559万吨，增产2.9%。人均粮食达400kg。用世界9%的耕地、6%的可更新水资源养活并养好了世界20%的人口。但现代农业表现出了高投入、高产出和高污染的特征。农业污染已成为我国第一污染源。1 研究背景1.3 农业可持续发展受到环境和资源的严重约束农业可持续发展受到环境和资源的严重约束1.3.1 种植业非点源污染呈恶化趋势种植业非点源污染呈恶化趋势化肥、农药大量使用导致了农业面源污染严重 3亿亩农田重金属污染；70%的农田土壤被酸化；55%的农田存
4、在着土壤酸化、10%的耕地有农残和重金属离子（CdPbHgAs）污染、营养元素富集的复合污染。化肥实质上已成为土壤复合污染的隐形源，对粮食及食品安全带来严重威胁。1 研究背景 种植业秸秆年产量7.1亿吨左右，65%的秸秆未被综合利用。产生了大量的NOx和COD污染物。我国种植业源TN流失量159.78万t，TP流失量10.87万t，分别占农业源的59.1%和38.2%，其中N流失量最大，成为水体N负荷的主要“贡献者”。1 研究背景1.3.2 养殖业点源污染上升至非点源污染养殖业点源污染上升至非点源污染 2010年我国规模化养殖已经达到了54%，产禽畜粪便约30亿吨，其生产量是全国工业固体废弃物
5、的2.4倍，COD负荷高达1.1亿吨，超过工业和生活废水的COD之和；粪便中TN约1597万吨，TP越363万吨，肥料价值超过我国化肥的年生产量。据统计，养殖垃圾80%未得到有效治理，对空气（CH4和NOx）、水（COD和N/P）和土壤（重金属和细菌）造成了严重污染。1 研究背景 农业源中畜禽养殖业排放化学需氧量1268.26万t，TN102.48万t,TP16.04万t，分别占我国污染物总排放量的41.9%、21.7%、37.9%、占农业源排放量的95.8%、37.9%、56.3%。据估计，2020年集约化养殖将达80%，养殖垃圾达41亿吨。1 研究背景 我国农业污染表现在：集约化蔬菜、果园
6、种植区和规模养殖导致的水体富营养化问题；区域之间污染差别较大；污染物总类、来源、强度有上升趋势。1 研究背景1.3.3 农业污染源带来诸多的环境问题农业污染源带来诸多的环境问题 据中国科学院南京土壤研究所的研究调查结果，每年我国有123.5万吨氮通过地表水径流到江河湖泊，49.4万吨进入地下水，299万吨进入大气。长江、黄河和珠江每年输出的溶解态无机氮达到97.5万吨，其中90来自农业，而氮肥占了50。据对长江流域调查，来自“农业面源污染”的程度是工业排放的56倍。1 研究背景1.3.4 化肥需求总量不断攀升化肥需求总量不断攀升 致使致使P/K资源和环境不堪重资源和环境不堪重负负 我国2030
7、年化肥需求量6800万吨，比目前每年再增加2650万吨，需增加投资约1500亿，每年多耗费外汇15亿美元，农民需增加1000亿元购肥开支。2030年要使耕地施肥680Kg/hm2是很难达到的，也是土壤、环境难以承受的。1 研究背景 要更新观念、打破传统，力争在未来要更新观念、打破传统，力争在未来20年，年，我国肥料产业实施我国肥料产业实施质量替代数量发展战略质量替代数量发展战略，化肥供应量力争控制在化肥供应量力争控制在5000万吨以内，通过万吨以内，通过研制新型肥料，在不增加或少量增加化肥用研制新型肥料，在不增加或少量增加化肥用量的前提下，通过提高效率，保证我国粮食量的前提下，通过提高效率，保
8、证我国粮食及农产品的数量和质量安全，持续增强其供及农产品的数量和质量安全，持续增强其供给保障能力。给保障能力。1 研究背景1.4 农业非点源污染防控进展农业非点源污染防控进展1.4.1 提高提高N、P、K利用率利用率 我国化肥利用率仅35%，发达国家已达50%左右。为追求农作物产量，我国化肥超量使用，更加剧了环境污染。减少化肥环境损失（淋溶，硝化与反硝化）和肥料养分供给与作物吸收需求一致，从“源头”控制农业面源污染，将成为环境和农业科学研究的新热点。1 研究背景1.4.2 基于秸秆资源化利用的生物质产业正在兴起基于秸秆资源化利用的生物质产业正在兴起 秸秆富含纤维素，半纤维素，木质素，粗蛋白，热
9、值量极高（折合标煤为3.5亿吨）：1）作肥料：经堆肥作有机肥基料（NPK含量低）2）作饲料：经糖化发酵，代替饲料粮 3）作能源：直接焚烧，火力发电，经物化处理，分解成CH4和C2H5OH作气液体材料 4）作材料：建材、合成板、吸附材料 5）作化学原料：乳酸、乙醇、酸、糠醛、碳黑 1 研究背景1.4.3 养殖垃圾资源化处理养殖垃圾资源化处理 养殖垃圾经干湿分离，废液作沼气燃料，固废还田作有机肥（NPK养分含量低，有害微生物和细菌污染土壤严重，运输成本高，农作物季节性生产难以有效消纳）。奶牛和家禽养殖粪便作猪鱼饲料。养殖垃圾与作物秸秆经堆肥处理，生产商品有机肥是将来资源化利用发展的一个方向。1 研
10、究背景1.5“高效有机肥高效有机肥”将成为现代生态农业的关键链节点将成为现代生态农业的关键链节点1.5.1 当下农业生态系统物质循环链节缩短，导致生态系统失当下农业生态系统物质循环链节缩短，导致生态系统失衡和环境污染严重衡和环境污染严重秸秆秸秆（65%65%未被利用）未被利用）种植（生产者）种植（生产者）化肥化肥养殖（消费者）养殖（消费者）土壤复合污染严重土壤复合污染严重化肥养分化肥养分65%65%流失于环境流失于环境垃圾垃圾80%80%排于环境排于环境1 研究背景1.5.2 以高效有机肥为以高效有机肥为“链节点链节点”，构建现代生态农业产业链，构建现代生态农业产业链 实现物质、能量科学有序流
11、动，提高物质循环利用率（延长农业产业链），增强农业生态系统稳定性，使社会、环境、经济三效益最大化。种植（生产者）种植（生产者）秸秆秸秆生物质产业生物质产业饲料饲料高效有机肥高效有机肥（消解者）（消解者）垃圾垃圾养殖养殖（消费者）（消费者）1 研究背景1.6 四川农业可持续发展更需要研发新型肥料四川农业可持续发展更需要研发新型肥料 四川是一个人多地少、耕地资源匮乏的农业大省，人均耕地面积只有0.67亩。耕地资源质量较低，中产田占70.6，低产田占17.4，高产田仅占12左右。农耕地土壤肥力持续降低，50耕地少氮、58耕地缺磷、73耕地缺钾、77耕地缺锌和钼、99耕地缺硼，土壤酸化、板结现象日趋严
12、重。水土流失严重，四川水土流失面积近20万Km2，其中旱坡耕地流失量占30以上。自然灾害尤其干旱的频率增大，对农业增产增收带来了严重威胁。1.7新型肥料的研发是当前国际农业高科技竞争的重要新型肥料的研发是当前国际农业高科技竞争的重要制高点制高点 针对普通化学肥料利用率低，使用过程中容易出现大量流失而污染环境等问题，世界普通化肥用量出现负增长，但是新型缓控释肥料消费每年以高于5的速度增长。近20年来，日、美等国聚合物包膜控制释放肥料的消费量年平均增长速度为常规肥料的10倍以上。因而世界各国都把新型肥料的研发作为国际农业高技术领域竞争的重要制高点。1 研究背景 面对社会经济发展、环境污染控制、农业
13、生态系统平面对社会经济发展、环境污染控制、农业生态系统平衡协调等种种需求，世界各国纷纷研发各种新型肥料衡协调等种种需求，世界各国纷纷研发各种新型肥料，以支持经济、社会和环境的可持续发展。，以支持经济、社会和环境的可持续发展。缓缓/控释肥料控释肥料 生物肥料生物肥料 有机肥料有机肥料 功能性肥料功能性肥料2 我国新型肥料的研究现状2.1 2.1 缓缓/控释肥料控释肥料包膜型缓包膜型缓/控释肥料控释肥料合成型微溶态缓释肥料合成型微溶态缓释肥料化学抑制型缓效肥料化学抑制型缓效肥料基质复合与胶粘型缓释控释肥料基质复合与胶粘型缓释控释肥料 目前，包膜型缓目前，包膜型缓/控释肥料和基质复合与胶粘控释肥料和
14、基质复合与胶粘型缓释控释肥料发展较快，关键是包膜材料的研型缓释控释肥料发展较快，关键是包膜材料的研制突破。制突破。2 我国新型肥料的研究现状2.2 生物肥料生物肥料根瘤菌肥料依然是最重要的品种。根瘤菌肥料依然是最重要的品种。最近最近20多年里发展较快，研究领域不断拓宽，溶磷、多年里发展较快，研究领域不断拓宽，溶磷、解钾等微生物肥料新产品不断问世。解钾等微生物肥料新产品不断问世。PGPR的促生防病研究成为近的促生防病研究成为近10年研究热点。年研究热点。新型秸秆腐熟菌剂、土壤与环境污染修复菌剂等的研新型秸秆腐熟菌剂、土壤与环境污染修复菌剂等的研发也发展很快。发也发展很快。2 我国新型肥料的研究现
15、状2.1 2.1 缓缓/控释肥料控释肥料 缓缓/控释肥，指通过各种调控机制使其养分最初缓慢释控释肥，指通过各种调控机制使其养分最初缓慢释放，延长作物对其有效养分吸收利用的有效期，使其养分放，延长作物对其有效养分吸收利用的有效期，使其养分按照设定的缓释率和释放期缓慢或控制释放的肥料。其突按照设定的缓释率和释放期缓慢或控制释放的肥料。其突出特点是其释放率和释放期与作物生长规律有机结合，从出特点是其释放率和释放期与作物生长规律有机结合，从而使肥料养分有效利用率大大提高。而使肥料养分有效利用率大大提高。2 我国新型肥料的研究现状2.3 有机肥料有机肥料国外在有机肥发酵工艺、技术和设备上已日趋完善，基本
16、上达国外在有机肥发酵工艺、技术和设备上已日趋完善，基本上达到了规模化和产业化水平。到了规模化和产业化水平。我国有机肥提供养分量的比例由我国有机肥提供养分量的比例由1949年的年的99.9%下降到下降到1980年年的的49.0%，直到目前的，直到目前的30%。研究的重点，一是秸秆直接还田技术；二是工厂化处理畜禽粪研究的重点，一是秸秆直接还田技术；二是工厂化处理畜禽粪便生产商品化有机无机复合肥技术。便生产商品化有机无机复合肥技术。目前，我国部分复混肥厂家开始生产有机复肥，原料主要是草目前，我国部分复混肥厂家开始生产有机复肥，原料主要是草炭和风化煤类，真正实行的工厂化处理秸秆畜禽粪便废弃物生炭和风化
17、煤类，真正实行的工厂化处理秸秆畜禽粪便废弃物生产商品化有机肥的厂家还较少，生产规模小，效率低，污染较产商品化有机肥的厂家还较少，生产规模小，效率低，污染较严重。我国商品化有机肥生产技术还处于起步阶段，发酵技术、严重。我国商品化有机肥生产技术还处于起步阶段，发酵技术、除臭技术、关键设备等还有待完善。除臭技术、关键设备等还有待完善。2.4 多功能肥料多功能肥料具有改善水分利用率的肥料，改善土壤结构的肥料，具有改善水分利用率的肥料，改善土壤结构的肥料，适应优良品种特性的肥料，改善作物抗倒伏性的肥料，适应优良品种特性的肥料，改善作物抗倒伏性的肥料，具有防治杂草的肥料，以及具有抗病虫害功能的肥料具有防治
18、杂草的肥料，以及具有抗病虫害功能的肥料等。等。有关功能性肥料的研究与开发，国内外做的工作还不有关功能性肥料的研究与开发，国内外做的工作还不多。我国华南农业大学等率先开展了保水型控释肥的多。我国华南农业大学等率先开展了保水型控释肥的研究。研究。其它方面的功能肥料研究，只有零星报道，离产业化其它方面的功能肥料研究，只有零星报道，离产业化要求相差还甚远。要求相差还甚远。2 我国新型肥料的研究现状3 新型肥料研究尚存的问题与发展趋势3.1 缓缓/控释肥料研究尚存的问题与发展趋势控释肥料研究尚存的问题与发展趋势存在的问题存在的问题 （1）养分单一）养分单一 （2）功能单一）功能单一 （3）控释材料单一）
19、控释材料单一 （4）价格昂贵）价格昂贵发展的趋势发展的趋势 （1）结合经济、环境来研发合适的控释材料与合成工艺。）结合经济、环境来研发合适的控释材料与合成工艺。（2）养分多元化（）养分多元化（NPK、微量元素、有机、微生物）。、微量元素、有机、微生物）。（3）多功能化（保水、控释、解磷钾、降农残等）。）多功能化（保水、控释、解磷钾、降农残等）。3 新型肥料研究尚存的问题与发展趋势3.2 微生物肥料研究尚存的问题与发展趋势微生物肥料研究尚存的问题与发展趋势存在的问题存在的问题（1）质量和产量不稳定。）质量和产量不稳定。（2）基础研究落后于生产实践。）基础研究落后于生产实践。（3）研究大多集中于促
20、进植物生长的细菌，而对真菌研究较少。）研究大多集中于促进植物生长的细菌，而对真菌研究较少。（4）菌种退化严重。）菌种退化严重。发展的趋势发展的趋势（1）加强微生物肥料的应用基础研究。）加强微生物肥料的应用基础研究。（2）加强促作物生长与防病结合的多功能生物肥料的研究。）加强促作物生长与防病结合的多功能生物肥料的研究。（3）构建多功能组合菌群肥料。）构建多功能组合菌群肥料。（4）加强生物肥料质量和产量的稳定性研究。）加强生物肥料质量和产量的稳定性研究。3.3 有机肥料研究尚存的问题与发展趋势有机肥料研究尚存的问题与发展趋势存在的问题存在的问题 （1）有机组分主要来自于泥炭、风化煤等，工厂化处理秸
21、秆和禽畜粪）有机组分主要来自于泥炭、风化煤等，工厂化处理秸秆和禽畜粪便废弃物的商品化有机肥厂家较少、规模小、污染大。便废弃物的商品化有机肥厂家较少、规模小、污染大。（2）发酵技术、除臭技术、生产技术、关键设备等还落后于发达国家。）发酵技术、除臭技术、生产技术、关键设备等还落后于发达国家。（3）有机肥料功能单一、成本高。）有机肥料功能单一、成本高。发展的趋势发展的趋势 （1）商品化有机肥的生产与畜禽养殖废弃物处理相结合。）商品化有机肥的生产与畜禽养殖废弃物处理相结合。（2）快速发酵与除臭技术成为发展商品有机肥的技术关键。）快速发酵与除臭技术成为发展商品有机肥的技术关键。（3）肥料制作的关键技术在
22、于肥料剂型，即有机、无机与功能生物菌）肥料制作的关键技术在于肥料剂型，即有机、无机与功能生物菌群配伍。群配伍。3 新型肥料研究尚存的问题与发展趋势3.4 功能性肥料研究尚存的问题与发展趋势功能性肥料研究尚存的问题与发展趋势存在的问题存在的问题（1）保水功能肥料中保水剂的耐盐（化肥）性与吸水倍率的协调较差。）保水功能肥料中保水剂的耐盐（化肥）性与吸水倍率的协调较差。（2）改良土壤、除草、抗逆、抗病虫害等功能性肥料研发不足。）改良土壤、除草、抗逆、抗病虫害等功能性肥料研发不足。（3）多功能组合肥料尚属空白。）多功能组合肥料尚属空白。发展的趋势发展的趋势（1）研制促进作物根系向纵深发展的肥料。）研制
23、促进作物根系向纵深发展的肥料。（2）保水性肥料、抗倒伏功能的肥料。）保水性肥料、抗倒伏功能的肥料。（3）土壤生态修复和土壤污染消减与阻控的环保功能性肥料。）土壤生态修复和土壤污染消减与阻控的环保功能性肥料。（4）具有协同养分循环和平衡功能的环境友好肥料。）具有协同养分循环和平衡功能的环境友好肥料。3 新型肥料研究尚存的问题与发展趋势4.1多功能有机肥料的设计多功能有机肥料的设计新型肥料既要克服化肥的缺点，又要满足农业生态系统平新型肥料既要克服化肥的缺点，又要满足农业生态系统平衡稳定性的要求，并持续提高其生产能力，显然需要多组衡稳定性的要求，并持续提高其生产能力，显然需要多组分、多功能的肥料才能
24、满足农业生态系统平衡稳定性的要分、多功能的肥料才能满足农业生态系统平衡稳定性的要求。求。然而，然而，19世纪世纪40年代以后，化肥的发明和生产以来，农业年代以后，化肥的发明和生产以来，农业开始依赖于农业人工生态系统逐渐远离了自然系统的物质开始依赖于农业人工生态系统逐渐远离了自然系统的物质循环，使一个个链环脱节，而对深埋于地壳中含循环，使一个个链环脱节，而对深埋于地壳中含P、K矿物矿物进行大量采掘和大气中的进行大量采掘和大气中的N元素进行人工固氮，而忽视了元素进行人工固氮，而忽视了人、畜、禽排泄物的资源化利用，使农业生态系统的物质人、畜、禽排泄物的资源化利用，使农业生态系统的物质循环处于难以维持
25、平衡的状态，由此循环处于难以维持平衡的状态，由此需要有协调功能的新需要有协调功能的新型肥料来调节养分循环和平衡，进而持续提高土壤肥力。型肥料来调节养分循环和平衡，进而持续提高土壤肥力。这就是本项目研究的关键科学问题这就是本项目研究的关键科学问题。4 有机生物缓释肥制备案例本项目从提高农作物生态系统平衡的新视角出发，提本项目从提高农作物生态系统平衡的新视角出发，提出出“控释放与促吸收控释放与促吸收”的肥料设计新理念，把的肥料设计新理念，把“控释放控释放”作为提高养分利用率的前提，作为提高养分利用率的前提，“促吸收促吸收”作为提高养作为提高养分利用率的根本，二者是相辅相存的一个整体。赋予分利用率的
26、根本，二者是相辅相存的一个整体。赋予肥料肥料“养分供给者养分供给者”和和“养分转化协调者养分转化协调者”的双重功能。的双重功能。基于这一设计理念，本项目将无机、有机、微生物等基于这一设计理念，本项目将无机、有机、微生物等多组分复合一体化，使其具有保水、缓释、解磷钾和多组分复合一体化，使其具有保水、缓释、解磷钾和促吸收的多功能一体化的复合肥。促吸收的多功能一体化的复合肥。4.1多功能有机肥料的设计多功能有机肥料的设计4 有机生物缓释肥制备案例4.1多功能有机肥料的设计多功能有机肥料的设计设计的原则设计的原则持续提高土壤肥力的原则持续提高土壤肥力的原则 其中调节作物生态系统养分循环与平衡是核心减少
27、养分浪费原则减少养分浪费原则 克服化肥自身的缺陷、克服人为使用不当的缺点、肥料养分的释放与作物吸收养分的波动需求尽可能的趋于一致 提高作物对养分吸收原则提高作物对养分吸收原则 土壤的持水保水能力，其次是土壤微生物的活力，再次是提高作物的光合作用效能养分平衡原则养分平衡原则 依据土壤肥力水平和作物对养分的需求，决定肥料养分的数量和形态4 有机生物缓释肥制备案例设计依据设计依据功能设计：保水、缓释、解磷钾和促吸收功能设计：保水、缓释、解磷钾和促吸收 保水功能：保水功能：多孔的有机质、改性淀粉粘结剂、高分子吸水材料 缓释功能：缓释功能：多孔的有机质、能包裹NPK养分的高分子成膜材料、螯合微 量营养组
28、分 解磷钾功能：解磷钾功能：溶磷解钾功能微生物 促吸收功能：促吸收功能：土壤良好的持水保水能力和较高的有机质含量、微生物的活性、促进根系发达和促进光合效能提高的催化剂 组分设计 有机组分、NPK组分、生物组分、功能组分养分用量设计依据土壤养分的水平和作物需要进行肥料养分的分配 4.1多功能有机肥料的设计多功能有机肥料的设计4 有机生物缓释肥制备案例多功能有机复合肥的配方设计多功能有机复合肥的配方设计 将无机（化肥纯养分将无机（化肥纯养分1220%）、有机（蚯蚓粪和腐）、有机（蚯蚓粪和腐殖酸有机质殖酸有机质2230%）、生物（蚓粪中高含量的微生物、）、生物（蚓粪中高含量的微生物、酶和添加的溶磷解
29、钾菌群酶和添加的溶磷解钾菌群1.21.5亿个亿个/g）、添加剂（以蚓）、添加剂（以蚓粪中的腐植酸与粪中的腐植酸与Cu2+、Zn2+等螯合，用量等螯合，用量0.040.08%）等）等作为生物有机复合肥的基本组分，以含稀土的改性淀粉作作为生物有机复合肥的基本组分，以含稀土的改性淀粉作无机、有机和生物组分的胶结剂（用量无机、有机和生物组分的胶结剂（用量1.21.6%）造粒，）造粒，并用谷糠纤维素改性高分子吸水剂作颗粒肥包膜材料（用并用谷糠纤维素改性高分子吸水剂作颗粒肥包膜材料（用量量26%），使肥料具有保水、缓释、解磷钾和促吸收等），使肥料具有保水、缓释、解磷钾和促吸收等功能，实现了多组分复合化和多
30、功能一体化新工艺。功能，实现了多组分复合化和多功能一体化新工艺。4.1 多功能有机肥料的设计多功能有机肥料的设计4 有机生物缓释肥制备案例（1）蚓粪制备）蚓粪制备畜、禽粪便畜、禽粪便和稻草和稻草蚯蚓饲料蚯蚓饲料蚓体蚓体蚓粪蚓粪精蚓粪精蚓粪包装储存包装储存生物发酵生物发酵粉碎筛分粉碎筛分低低温温烘烘干干水份水份小于小于154.2.1 蚓粪的制备蚓粪的制备4.2 多功能有机复合肥的制备多功能有机复合肥的制备蚯蚓养殖蚯蚓养殖4 有机生物缓释肥制备案例4.2.2 谷糠接枝高分子保水剂的合成谷糠接枝高分子保水剂的合成 土壤作为作物根系生长发育的环境，它不仅要供给作物土壤作为作物根系生长发育的环境，它不仅
31、要供给作物生长过程所需要的营养物质，而且还要供应作物正常生理生长过程所需要的营养物质，而且还要供应作物正常生理机能所必需的水分和空气。植物吸收土壤中的水分来维持机能所必需的水分和空气。植物吸收土壤中的水分来维持正常的生命活动，通过溶液中的离子交换作用来吸收养分，正常的生命活动，通过溶液中的离子交换作用来吸收养分，而近年来气候异常，干旱频频发生，因此增加肥料的保水而近年来气候异常，干旱频频发生，因此增加肥料的保水抗旱功能、保持土壤中良好的持水保水状态是十分必要的。抗旱功能、保持土壤中良好的持水保水状态是十分必要的。据专家预测保水剂有可能成为继化肥、农药、薄膜之后的据专家预测保水剂有可能成为继化肥
32、、农药、薄膜之后的第四大农业化学投入品。但保水剂研究中存在的主要问题：第四大农业化学投入品。但保水剂研究中存在的主要问题：多功能化的问题多功能化的问题吸水倍率高与生物难降解并行的问题吸水倍率高与生物难降解并行的问题吸水倍率高与价格高并行的问题吸水倍率高与价格高并行的问题4 有机生物缓释肥制备案例 依据依据NY886-2004NY886-2004标准要求保水剂的吸去离子水的倍率标准要求保水剂的吸去离子水的倍率200300g/g200300g/g，吸，吸0.90.9NaClNaCl的倍率的倍率40g/g40g/g。（1）保水剂的原料选择）保水剂的原料选择从蚓粪、谷壳、玉米芯、稻草、谷糠等原料中经实
33、验研究从蚓粪、谷壳、玉米芯、稻草、谷糠等原料中经实验研究选择谷糠作为保水剂的合成原料之一选择谷糠作为保水剂的合成原料之一从丙烯酰胺、丙烯酸的单体中选择丙烯酸作为保水剂的合从丙烯酰胺、丙烯酸的单体中选择丙烯酸作为保水剂的合成原料之一成原料之一4 有机生物缓释肥制备案例4 有机生物缓释肥制备案例4.2.3.1 保水剂的合成方法路线保水剂的合成方法路线4 有机生物缓释肥制备案例4.2.3 保水剂的设计保水剂的设计4 有机生物缓释肥制备案例 通过正交实验和极差分析，吸水树脂的吸水率，通过正交实验和极差分析，吸水树脂的吸水率，RARBRDRC，过氧化苯甲酰、亚硫酸氢钠及交联，过氧化苯甲酰、亚硫酸氢钠及交
34、联剂用量对吸水率影响较大，过硫酸铵用量对吸水率的剂用量对吸水率影响较大，过硫酸铵用量对吸水率的影响较小，影响较小，A1B2C2D2为最佳组合，即在固定条件为最佳组合，即在固定条件25mL1稀硫酸活化谷糠；活化温度稀硫酸活化谷糠；活化温度705；活化；活化时间时间0.5小时；反应温度小时；反应温度35；反应时间；反应时间3.5h。0.1g过过氧化苯甲酰，氧化苯甲酰，0.05g亚硫酸氢钠，亚硫酸氢钠，3.5mL 0.06g/mL过硫过硫酸铵溶液引发反应体系；酸铵溶液引发反应体系；5mL0.01g/mL N，N-亚甲基亚甲基双丙烯酰胺溶液交联的条件下，得到的吸水树脂的吸双丙烯酰胺溶液交联的条件下，得
35、到的吸水树脂的吸水率最高为水率最高为136g/g。4 有机生物缓释肥制备案例4.2.3.2 农用保水剂的结构表征农用保水剂的结构表征4000350030002500200015001000500Wavenumbers cm-1ba图图3.2-9（a）谷糠和（）谷糠和（b）吸水树脂的红外谱图）吸水树脂的红外谱图 在接枝共聚产物的红外谱图上可以看到在接枝共聚产物的红外谱图上可以看到3413cm-1处吸收峰变宽，可能是由处吸收峰变宽，可能是由于聚丙烯酸上的于聚丙烯酸上的OH，与纤维素中的，与纤维素中的OH共同作用，共同作用，1700cm-1处的吸收峰是处的吸收峰是CO的特征吸收峰。的特征吸收峰。10
36、22cm-11155cm-1处出现了较强的处出现了较强的CO特征吸收峰，可能是由于自由基产生特征吸收峰，可能是由于自由基产生在纤维素的氧原子上，再与丙烯酸上的双键结合形成在纤维素的氧原子上，再与丙烯酸上的双键结合形成CO键的特征吸收峰。键的特征吸收峰。4 有机生物缓释肥制备案例图图3.2-10 (a)丙烯酸自聚物、丙烯酸自聚物、(b)谷糠与丙烯酸接枝共聚谷糠与丙烯酸接枝共聚吸水树脂和吸水树脂和(c)谷糠电镜扫描图谷糠电镜扫描图Fig.3.2-10 Scanning electron micrographs for(a)crosslinked PAA，(b)super absorbent com
37、posite and(c)chaff.图图3.2-11（a）丙烯酸自聚物）丙烯酸自聚物（b）谷糠与丙烯酸接枝共聚）谷糠与丙烯酸接枝共聚吸水树脂吸水凝胶电镜扫描图吸水树脂吸水凝胶电镜扫描图4 有机生物缓释肥制备案例20406080020040060080010001200140016001800relative intensity2-Theta(2)ab图图3.2-12（a）谷糠和（）谷糠和（b）谷糠与丙烯酸接枝共聚吸水树脂的）谷糠与丙烯酸接枝共聚吸水树脂的XRD图图Fig.3.2-12 XRD curves of(a)chaff and(b)chaff based super absorben
38、t composite 当经过接枝共聚后，其在当经过接枝共聚后，其在20的衍射峰强度减弱，这说明经过接枝共聚的衍射峰强度减弱，这说明经过接枝共聚后其非晶区域增加了，而后其非晶区域增加了，而31.5、33.6处出现的衍射峰可能是由于接枝共聚后处出现的衍射峰可能是由于接枝共聚后形成一定的晶格而带来的。形成一定的晶格而带来的。4 有机生物缓释肥制备案例4.2.4 含稀土粘结剂的合成含稀土粘结剂的合成由于本项目所研制的多功能有机复合肥是有机、无机和微生物由于本项目所研制的多功能有机复合肥是有机、无机和微生物三种组分的复合化，三者之间有明显的界面，其复合一体化的三种组分的复合化，三者之间有明显的界面，其
39、复合一体化的难度很大，利用传统颗粒复合肥的粘合剂无机粘土类或水玻璃难度很大，利用传统颗粒复合肥的粘合剂无机粘土类或水玻璃（Na2SiO3）经试验证明，无用成分加得越高，蚓粪的比例就会）经试验证明，无用成分加得越高，蚓粪的比例就会减少，对新型肥料的质量影响很大。减少，对新型肥料的质量影响很大。选择改性淀粉作粘合剂。以淀粉为原料，添加必要助剂进行化选择改性淀粉作粘合剂。以淀粉为原料，添加必要助剂进行化学改性使之成为复合肥的造粒粘合剂。淀粉胶是历史最悠久的学改性使之成为复合肥的造粒粘合剂。淀粉胶是历史最悠久的一种天然有机粘合剂，目前世界上直接以淀粉为原料或经化学一种天然有机粘合剂，目前世界上直接以淀
40、粉为原料或经化学改性所得的粘结剂已有改性所得的粘结剂已有2000多种，广泛用于医药、纺织、服装多种，广泛用于医药、纺织、服装和造纸等行业。但淀粉基粘合剂在有机复合肥的应用上还鲜见和造纸等行业。但淀粉基粘合剂在有机复合肥的应用上还鲜见报道。报道。4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例 材料的选择材料的选择 项目组在项目组在20世纪世纪90年代曾经研究淀粉改性胶水用年代曾经研究淀粉改性胶水用于制药行业。当时的改性剂以于制药行业。当时的改性剂以NaOH为糊化剂，然后为糊化剂，然后再以再以H2O2作氧化剂，作氧化剂，FeSO4做催化剂，添加少量助剂做催化剂，添加少量助剂即得高粘性的药用造粒粘
41、剂。而现在需要的是肥料的即得高粘性的药用造粒粘剂。而现在需要的是肥料的粘合剂，其糊化剂改为粘合剂，其糊化剂改为KOH和和Na3BO37H2O，催化剂，催化剂改为改为Ce3+（稀土），其（稀土），其K和和Ce都是所研制的新型肥料都是所研制的新型肥料所需的营养元素，对制备新型肥料有降低成本的作用。所需的营养元素，对制备新型肥料有降低成本的作用。尤其是提高了改性淀粉的粘结性能。尤其是提高了改性淀粉的粘结性能。4 有机生物缓释肥制备案例 粘结剂的合成机理粘结剂的合成机理4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例将淀粉葡萄将淀粉葡萄糖糖C6的羟甲基和的羟甲基和C2、C3还原性链端部分氧还原性链端部
42、分氧化，形成醛基、羧基及乙醛基的分子结构，由于醛基化，形成醛基、羧基及乙醛基的分子结构，由于醛基具有防霉防腐能力，羧基对于纤维具有较大的亲和性，具有防霉防腐能力，羧基对于纤维具有较大的亲和性，因此，淀粉胶粘剂中醛基和羧基的生成，可增加胶液因此，淀粉胶粘剂中醛基和羧基的生成，可增加胶液的稳定性和流动性。含羧基的淀粉可与的稳定性和流动性。含羧基的淀粉可与KOH反应生成反应生成钾盐，增加了粘结剂的水溶性，提高淀粉的初粘性；钾盐，增加了粘结剂的水溶性，提高淀粉的初粘性；其中含羧基及乙醛基的淀粉可与尿采发生缩醛反应，其中含羧基及乙醛基的淀粉可与尿采发生缩醛反应，使粘结剂形成网状结构，增加粘结剂与有机组分
43、的亲使粘结剂形成网状结构，增加粘结剂与有机组分的亲和力和缩短干燥时问。所发生的反应如下：和力和缩短干燥时问。所发生的反应如下：4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例2R-CHO+(NH2)2COR-CO-NH-CO-NH-CO-R表表3.3-1含铈改性淀粉粘结剂的性能指标含铈改性淀粉粘结剂的性能指标 经实验证明，用凹凸棒土与硅酸钠无机粘结剂作造粒剂，其用量在经实验证明，用凹凸棒土与硅酸钠无机粘结剂作造粒剂，其用量在1517，而用含稀土改性淀粉有机粘结剂作造粒剂，其用量在，而用含稀土改性淀粉有机粘结剂作造粒剂，其用量在1.21.6之间，之间，有利于提高复合肥的有机质养分含量。有利于提高
44、复合肥的有机质养分含量。（4）含铈改性淀粉粘结剂的性能指标）含铈改性淀粉粘结剂的性能指标4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例4.2.5 微量营养组分的螯合微量营养组分的螯合 肥料微量元素中易和土壤中的一些离子（如肥料微量元素中易和土壤中的一些离子（如PO43-、SiO32-等）发生化学反应而失效，同时，微量元素的等）发生化学反应而失效，同时，微量元素的过量使用将可能造成在作物体内的累积，从而有可能过量使用将可能造成在作物体内的累积，从而有可能使其在人体内富集。解决这个问题的有效办法是使用使其在人体内富集。解决这个问题的有效办法是使用螯合剂，使金属离子和螯合剂生成稳定的五元或六元螯合
45、剂，使金属离子和螯合剂生成稳定的五元或六元螯合物。使用螯合剂可以减少微量元素的用量，控制螯合物。使用螯合剂可以减少微量元素的用量，控制其向作物大量的迁移。目前国内使用较多的螯合剂是其向作物大量的迁移。目前国内使用较多的螯合剂是有乙二胺四乙酸及其二钠盐等氨羧络合剂，也有使用有乙二胺四乙酸及其二钠盐等氨羧络合剂，也有使用磺化腐殖酸作螯合剂的。但这些螯合剂都比较贵，本磺化腐殖酸作螯合剂的。但这些螯合剂都比较贵，本项目采用蚯蚓粪中的腐殖酸和有机质作为微量元素的项目采用蚯蚓粪中的腐殖酸和有机质作为微量元素的螯合剂，初步研究其对铜的吸附和螯合。螯合剂，初步研究其对铜的吸附和螯合。4 有机生物缓释肥制备案例
46、有机生物缓释肥制备案例结果与讨论结果与讨论010203040506020406080100120140160180200220240260280 pH=2 pH=3 pH=4 pH=5 pH=6图图3.4-1 酸度对腐殖酸吸附铜的影响酸度对腐殖酸吸附铜的影响在在3040min、pH45时即可达到时即可达到85以上的螯合率以上的螯合率时间（min）铜 离 子 浓 度（mg/ml）4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例010203040506050100150200250 15 30 45 60 75图图3.4-2 温度对腐殖酸吸附铜的影响温度对腐殖酸吸附铜的影响在在1030 反应均可获
47、得较高的螯合率反应均可获得较高的螯合率其它金属离子其它金属离子Zn2+、Mn2+、La3+、Fe2+的螯合条件类似的螯合条件类似该研究成果已申请该研究成果已申请国家发明专利国家发明专利一种微量元素肥料的制备方法一种微量元素肥料的制备方法，申请号：申请号：201005832762.14 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例4.2.6 溶磷解钾专用微生物菌群的配制溶磷解钾专用微生物菌群的配制 项目组胡佩老师经三年多的悉心研究，已获得溶项目组胡佩老师经三年多的悉心研究，已获得溶磷解钾菌群的培养和驯化方法。其菌群包括：枯草芽磷解钾菌群的培养和驯化方法。其菌群包括：枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、侧
48、孢芽孢杆菌、丛枝泡囊菌。孢杆菌、地衣芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌、丛枝泡囊菌。4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例4.2.7 有机复合肥的制备工艺有机复合肥的制备工艺 本项目以蚯蚓粪作基质，依据土壤和作物需要量配以本项目以蚯蚓粪作基质，依据土壤和作物需要量配以NPK化肥和各微量化肥和各微量元素、适当添加以谷糠为原料经接枝聚合的高分子保水剂、含铈改性淀粉元素、适当添加以谷糠为原料经接枝聚合的高分子保水剂、含铈改性淀粉粘结剂、溶磷解钾菌和螯合微量元素等作功能组分，经适当机械加工成肥粘结剂、溶磷解钾菌和螯合微量元素等作功能组分，经适当机械加工成肥料颗粒。其肥料的配方和工艺流程如下：料颗粒。其肥
49、料的配方和工艺流程如下：4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例表表3.6-1 肥料含量配方肥料含量配方注：根据土壤、作物和种植区域的不同，具体调节其含量，根据气候和种植区域调节保水剂用量。注：根据土壤、作物和种植区域的不同，具体调节其含量，根据气候和种植区域调节保水剂用量。依据项目组前期研究的无机有机复合肥（生产许可证号：依据项目组前期研究的无机有机复合肥（生产许可证号：2004准字准字0441）和）和有机复合肥（生产许可证号：有机复合肥（生产许可证号：2009临字临字1759）经田间试验结果确定有关组分和含）经田间试验结果确定有关组分和含量的配方。量的配方。4 有机生物缓释肥制备案
50、例有机生物缓释肥制备案例4.3 有机复合肥的功能特性研究有机复合肥的功能特性研究（1）有机复合肥的缓释性能）有机复合肥的缓释性能 按按GB/T 23348-2009要求，缓释肥料的要求，缓释肥料的28 d累积养分释累积养分释放率放率80%。结果如下。结果如下：4 有机生物缓释肥制备案例有机生物缓释肥制备案例表表4.3-1 3种肥料的养分种肥料的养分(N)释放率测定结果释放率测定结果 结结果可知，其养分缓释效果：果可知，其养分缓释效果：CSSN-ICSSN-IICSSN-III，这主要与材料对养分的吸持性能和材料组分有关。，这主要与材料对养分的吸持性能和材料组分有关。CSSN-I肥料中仅含蚓粪，
