全 文 ：包膜肥料养分控释机理研究进展 3
张海军　武志杰 3 3 　梁文举　解宏图
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　利用胶囊技术将易水溶性肥料包被起来是提高肥料利用率和减少施肥环境风险的一个重要手
段. 在广泛收集国内外有关包膜肥料研究的基础上 ,探讨了包膜肥料养分控释的原理、过程和特征 ,概述了
影响包膜肥料养分控释的因素和包膜肥料养分控释的数学模拟研究 ,并提出了我国包膜肥料养分控释机
理研究的主要方向.
关键词 　包膜肥料 　控释膜 　控释机理
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 12 - 2337 - 05 　中图分类号 　S14 　文献标识码 　A
Research advances on controlled2release mechanisms of nutrients in coated fertilizers. ZHAN G Haijun , WU
Zhijie ,L IAN G Wenju , XIE Hongtu ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (12) :2337～2341.
Using encapsulation techniques to coat easily soluble fertilizers is an important way to improve fertilizer use effi2
ciency while reduce environmental hazards. Based on a wide range of literature collection on coated fertilizer re2
search ,the theories ,processes ,and characters of nutrient controlled2release from coated fertilizer were discussed ,
and the factors affecting nutrient controlled2release and the mathematical simulations on it were reviewed. The
main tendencies related to this research in China were also put forward.
Key words 　Coated fertilizer , Controlled2release membrane , Controlled2release mechanism.
3 国家“863”项目 (2001AA246021) 、国家“948”项目 (981050) 和中国
科学院知识创新工程资助项目 ( KZCX12SW219) .3 3 通讯联系人.
2002 - 08 - 21 收稿 ,2002 - 12 - 13 接受.
1 　引 　　言
包膜肥料能大幅度提高肥料利用率 ,减少施肥对环境的
负面影响 ,并能一次大量施用不产生烧苗现象 ,节省劳
力[34 ,37 ] ,因而引起全世界的普遍关注. 包膜肥料控释机理
的研究对于工业生产与农业运用都具有十分重要的指导作
用. 美国、加拿大、日本和西欧各国包膜肥料的发展都得利
于许多大学和研究所将包膜肥料作为研究课题 ,使包膜肥料
的生产工艺、控释机理和农业应用研究齐头并进[45 ] . 近年
来 ,我国已有十几家科研院所和生产单位从事包膜肥料的研
究 ,并已有创新性突破 ,但总体水平还比较落后. 这主要是
因为包膜肥料的生产工艺、控释机理和农业应用三方面研究
发展不平衡. 生产工艺水平落后和控释机理研究过少是我
国包膜肥料研究落后的主要原因. 本文将对国内外已有包
膜肥料控释机理进行归纳整理 ,力求系统全面地了解包膜肥
料养分控释的原理、过程和特征 ,以及影响包膜肥料养分控
释的因素. 包膜肥料养分控释基本原理和基本特征
　　包膜肥料是一种储库型控释系统 ,其肥心养分通过包膜
层释放的理论是建立在囊化的大量物质溶解渗透扩散理论
基础上的[31 ,42 ] . 当包膜肥料处于释放介质中 ,肥心养分扩
散的定量关系可采用 Fick 扩散定律描述 [31 ,42 ] . 根据 Fick 扩
散第一定律进行推导 ,同时考虑到包膜肥料在水或湿润土壤
中的养分释放行为 ,可将 t 时刻肥心养分扩散率 dM/ dt 简
单表达为[31 ] :
　　dM/ dt = PA C/ h
式中 , M 为养分从膜内向外释放量 (g) , t 为时间 (min) , P 为
表观扩散系数 (cm - 2 ·min - 1 ) , A 为包膜肥料的总表面积
(cm2) , C 为肥心养分浓度 (g·cm - 3) , h 为包膜层厚度 (cm) .
根据该方程 ,假设包膜肥料包膜层在养分释放过程中不发生
破裂、溶蚀和降解 ,且包膜层均一 ,包膜层总面积 A 和膜厚
度 h 的比值不变 ,那么包膜肥料养分释放过程可分为 4 个阶
段 :1)滞后阶段 ,此阶段水蒸气透过包膜层溶解肥心 , P 为
0 ,养分并未开始释放 ;2) 溶胀阶段 ,此阶段 C 恒定 , P 从 0
增加到相对稳定值 ,养分释放速率不断增加 ;3)恒定阶段 ,此
阶段膜内养分未完全溶解 , C 恒定 , P 相对稳定 ,养分释放速
率为一常数 ;4)降速阶段 ,此阶段膜内养分完全溶解 , C 开始
下降 ,养分释放速率不断下降.
　　实际包膜肥料的养分释放比较复杂. 一方面 ,在包膜肥
料养分释放的滞后和溶胀阶段 ,随着水蒸气不断的渗入包膜
内溶解肥心养分 ,包膜内外渗透压差不断增大 ,如果包膜内
静水压超过了包膜的抵抗能力 ,包膜层将破裂 ,使膜内养分
瞬间释放 ,即“失败释放”[41 ] . 另一方面 ,包膜材料渗透性能
的差异 ,以及包膜层的不均一性、变形、溶蚀或降解都可改变
包膜肥料养分释放特征 [31 ] ,因而包膜肥料养分释放并不一
定都有明显的 4 个阶段. 如果包膜肥料有明显的滞后阶段 ,
那么它的养分累积释放曲线大致为“S”型 ;如果没有明显的
滞后阶段 ,那么它的养分累积释放曲线大致为“L”型 [45 ] .
应 用 生 态 学 报 　2003 年 12 月 　第 14 卷 　第 12 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2003 ,14 (12)∶2337～2341
　　此外 ,包膜肥料个体释放行为和群体释放行为有所差
异. 个体包膜肥料包膜层的不完整或破裂会造成肥心养分
的突然释放 ;个体包膜肥料包膜层的过于严密会使肥心养分
长时间内无法释放 ,造成“锁定效应”,或养分释放极其缓慢 ,
造成“尾留效应”[41 ] . 但个体包膜肥料的行为符合正态分
布 ,因而包膜肥料群体的释放行为仍保持一致的规律 [25 ] .
2 　包膜肥料养分释放的机制和过程
211 　硫包膜尿素 (SCU)养分释放的机制和过程
　　SCU 颗粒直径范围为 1～5 mm ,硫包衣壳厚度范围为
30～300μm ,密封层厚度范围为 20～150μm[35 ] . SCU 的养
分溶出过程通常分为两个阶段 :恒定阶段和随后的降速阶
段[16 ] . 关于土壤中 SCU 养分释放过程已提出几种解释.
Lunt [33 ]认为 ,土壤颗粒吸附密封蜡 ,从而形成释放尿素的开
孔通道. McClellan 等[35 ]认为 ,可能是聚合硫、无定形硫逐渐
转化为结晶态硫过程中导致硫壳层出现裂缝 ,从而使尿素释
放出来. Hauck[19 ]认为 SCU 尿素释放过程为 ,水蒸气渗入包
膜层溶解肥心尿素 ,膜内尿素溶液的高渗透压将包膜层撕
裂 ,使尿素溶出. 为了精确地预测包膜层特征对 SCU 养分
释放的影响 ,Jarrell 等[22 ]研究了 SCU 膜的厚度和均一性特
征 ,将 SCU 颗粒分为 3 类 :1) 膜上有畅开孔洞的颗粒 ;2) 膜
上有孔洞 ,但却有密封剂封闭的颗粒 ;3) 膜上无穿孔. 第一
类颗粒一湿润就开始释放尿素 ,第二类颗粒一旦密封剂破坏
或剥去尿素就从颗粒内释放出来 ,第三类颗粒一旦硫膜部分
剥蚀 ,尿素就从内部释放出来. 应该指出的是 ,无论孔洞如
何形成 ,包膜层上只要有一个孔洞 ,便足以使肥心的全部养
分通过它扩散出来 [22 ] .
212 　聚合物包膜肥料 ( PCF)养分释放的机制和过程
　　用于肥料包膜的有机聚合物的共同特点是具有良好的
成膜性和胶联性. 绝大多数 PCF 包膜为均质的高分子半渗
透膜. 其养分释放过程可简单地分成溶出诱导期、溶出
期[26 ] ,或滞后阶段、稳定阶段和衰退阶段 [41 ] . PCF 的养分释
放机制为 ,首先水蒸气扩散通过半透膜溶解肥心 ,肥心养分
一方面通过扩散作用溶出膜外 ,另一方面通过渗透吸水作用
所产生的膜内高静水压强迫肥心养分溶出[28 ] . 1997 年 ,
Kobayashi 等[26 ]将具有半渗透性的热塑性树脂包膜肥料养
分释放过程描述为 1)土壤水蒸汽在渗透压的作用下穿过半
渗透性包膜层 ;2)肥心溶解 ,皮膜开始溶胀 ,同时膜内的高渗
透压将膜胀破形成微孔 ;3)养分通过微孔溶出. Hauck 等 [19 ]
也有相同的描述.
　　如果 PCF 的包膜为非均质的聚合相 ,其膜将不具有良
好的半渗透性 ,养分释放模式将没有统一的规律. 20 世纪
80 年代中期 ,美国研制出氨基甲酸酯反应性涂层 PCF ,试验
表明 ,其释放机理类似于 SCU [6 ] .
213 　缓释磷肥和粘土矿物包膜肥料养分释放的机制和过程
　　钙镁磷肥、磷石膏和磷酸二氢盐等缓释磷肥和硅藻土、
高岭土、陶土等粘土矿物具有良好的粘结性能和阻溶性能 ,
且具有廉价的特点 ,因而在中国成为了研制包膜肥料的首选
包被材料. 钙镁磷肥包膜长效碳酸氢铵是中国最早研制的
包膜肥料. 曹志洪等 [5 ]研究了钙镁磷肥包膜长效碳酸氢铵
的养分释放特征. 透射扫描发现 ,钙镁磷肥与碳酸氢铵表面
起反应 ,形成了一层灰黑色的薄膜 ,包膜物质及其生成物可
渗入粒肥孔隙中 ; 同时 ,在高倍镜下可见直径约 0. 02～0. 03
mm 的透水通道. 但由于碳酸氢铵易分解挥发 ,钙镁磷肥包
膜长效碳酸氢铵在土壤中的养分释放主要机制可能是气态
逸出 ,而不是溶解扩散.
　　中国郑州工业大学研制的钙镁磷肥和磷酸二氢盐包膜
肥料商标名为“乐喜施 (Luxecote 或 Luxacote)”. 它们的累积
释放曲线为“L”型[30 ] . 钙镁磷肥包膜肥料的包裹层由钙镁
磷肥和一定量的缓释剂和粘结剂所构成 [46 ] . 研究表明 ,钙镁
磷肥包膜肥料的包裹层本身存在有许多裂纹及孔洞 ,所以养
分通过包裹层的释放过程 , 可视为通过多孔介质的释
放[29 ,46 ] . 根据物质通过多孔介质传递理论 ,乐喜施控释包
膜肥料养分释放过程可分为四步 :1)水分通过包裹层中的孔
洞或通道进入膜内 ;2)水与肥心接触 ,立即使其溶解 ;3) 肥心
养分通过包裹层中的孔洞或通道扩散至外界 ;4)养分溶出过
程中 ,包裹层内的孔洞和通道逐渐增多、变大 [46 ] .
　　梁智等[32 ]研究了以粘土矿物为包裹剂以高分子化合物
作粘结剂的粘土矿物包膜肥料的养分释放特征. 结果表明 ,
粘土矿物包膜肥料的养分释放机制类似于钙镁磷肥包膜尿
素 ,其养分累积释放曲线为“L”型.
3 　影响包膜肥料养分控释的因素
311 　包膜肥料结构对包膜肥料养分控释的影响
　　包膜层的结构特点 ,如包膜层的材料特性、厚度、包膜层
面积、孔隙度和孔隙的曲折度等因素影响包膜层的通透
性[31 ] . 按照包膜层通透性的大小 ,包膜层的结构可分为不
渗透性、半渗透性和渗透性 ,膜通透性越差养分控释时间越
长[37 ] .
　　对于粒径和包膜层厚度一定的 SCU ,包膜层的通透性
是由硫包膜层斜方型晶硫的比例和密封剂的用量决定的.
McClellan 等[35 ]通过电镜扫描发现 ,硫包膜层由两种同素异
型体构成 ,斜方型晶硫嵌在聚合硫基膜内. 生产过程中冷却
速度决定了斜方型晶硫的比率 ,冷却速度快可导致斜方型晶
硫比率上升 ,斜方型晶硫的比率越高 ,膜的通透性越大. 单
质硫涂层尿素后 ,在冷却过程中会产许多裂缝和微孔 ,从而
部分失去控释效果. 在硫包膜上喷涂蜡等密封剂可堵住这
些裂缝和微孔 ,密封剂用量越大 ,控释时间越长 [16 ] .
　　PCF 养分的控释主要是通过调整包膜材料组成和厚度
实现的[41 ] . 包膜层越厚 ,养分溶出越慢[6 ,36 ] ;包膜层所采用
聚合材料的结晶度和胶联度越大 ,包膜层越难渗透 [31 ] . 日
本窒素公司生产的热塑性树脂包膜肥料采用的包膜构架材
料由低渗透性的聚乙烯和高渗透性的醋酸乙烯酯组成 ,通过
调节聚乙烯与醋酸乙烯酯的共混比例可制得一系列渗透性
不等的包膜肥料 ;同时 ,通过添加矿物粉末 ,可以提高包膜肥
料养分释放的温度依靠性 [13 ] .
8332 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
　　缓释磷肥和粘土矿物包膜肥料的通透性主要取决于固
体包裹剂和粘结剂的用量. 两者用量的增大 ,可使包膜层变
厚 ,曲折因子增大 ,从而使养分控释时间延长 ,同时 ,粘结剂
的比例增高 ,可使孔隙度减小 ,养分控释时间因此而延
长[5 ,46 ] .
　　此外 ,肥心养分类型也影响着包膜肥料的控释效果.
Oertli 等[38 ]在研究 p H 对包膜肥料肥心养分释放影响时发
现 ,在 p H 相同的 NaCl 溶液中 ,包膜复混肥中的 NO3 - 2N 的
百分释放速率比 P 快 ,NH4NO3 百分释放速率比 K 快[45 ] .
Shaviv 等[41 ]的研究表明 ,无论在水中还是在土壤中 ,聚合物
包膜复合肥中 N 的百分释放速率高于 K ,N 和 K 的百分释
放速率均高于 Ahmed 等[1 ]分别将 CO (NH2 ) 2 、(NH4) 2 HPO4
和 KNO3 包裹于聚乙烯塑料薄膜中制成肥料包 ,在肥料包上
刺两个针眼 ,然后放入砂壤中测定养分释放情况 ,结果表明 ,
CO ( NH2 ) 2 的百分释放速率明 显 高 于 ( NH4 ) 2 HPO4 ,
(NH4) 2 HPO4 的百分释放速率明显高于 KNO3 .
312 　土壤环境因素对包膜肥料养分控释的影响
　　土壤温度决定性地影响着包膜肥料养分释放速率.
PCF 养分释放速率随温度的增高而增加 [41 ] ,且 PCF 养分释
放速率可以描述为积温的函数 [14 ,47 ] . 这主要是由于土壤水
蒸气压随土壤温度的增高而增大 ,而 PCF 的养分释放速率
与水蒸气压呈线性关系的结果 [28 ] .
　　土壤温度的增加能增加 SCU 的养分释放速率 ,这一方
面是因为土壤温度的增加能使 SCU 养分溶出加快 ;另一方
面是因为土壤温度的增加能显著地提高微生物的活性 ,从而
使 SCU 膜降解加速 [3 ,7 ] .
　　曹志洪等[5 ]研究了土壤温度对钙镁磷肥包膜长效碳酸
氢铵养分释放的影响. 结果表明 ,当土壤温度从 < 10 ℃增加
到 20 ℃时 ,最初两周的释放率增加不明显 ,而在 3 周后 ,释
放率显著增加 ;土壤温度从 20 ℃增加到 30 ℃时 ,整个实验
期释放率增加显著.
　　土壤水分是影响包膜肥料养分释放速率的又一重要因
素. Kochba 等[28 ]的研究表明 ,当土壤水分含量为田间持水
量的 50 %～100 %时 , PCF 的养分释放速率几乎不变 ,当土
壤水分含量为田间持水量的 25 %时 , PCF 养分释放量明显
下降 ,将 PCF 放入干土中 ,养分几乎不释放. 这与 Lunt
等[33 ]的研究结果相似. Christianson[6 ]研究了土壤水分对反
应性涂层 PCF 养分释放的影响. 结果表明 ,在土壤水分含量
为田间持水量的 25 %～125 %时 ,尽管随着土壤水分含量的
增加 ,反应性涂层 PCF 养分释放速率增加 ,但土壤水分对反
应性涂层 PCF 养分释放的影响是轻微. Kobayashi 等[25 ]通
过数学建模的方式研究了土壤水分对 PCF 养分释放的影
响 ,结果表明 ,土壤水分含量越少 ,PCF 养分溶出速率常数 k
越小 ,出现养分释放延滞现象.
　　在适于植物生长的土壤含水量范围内 ,土壤水分对
SCU 尿素释放速率的影响比较小 [7 ] . Prasad[39 ]将 SCU 放在
两种不同土壤 ,研究了土壤水分对 SCU 尿素释放的影响.
结果表明 ,在一种土壤中 ,在试验的 9 周内 ,随着土壤水分的
增加 SCU 尿素释放速率增加 ;而在另一种土壤中 ,试验的前
3 周 ,随着土壤水分的增加 SCU 尿素释放速率增加 ,而到实
验的第 6 和第 9 周 ,中等水分含量 (土水势为 - 0. 25 Pa) 土
壤中的 SCU 尿素释放最多. 此外 ,Prasad 等 [40 ]的研究表明 ,
SCU 在淹水土壤条件下的释放率比在旱地土壤中慢 ,这是
因为在淹水土壤条件下硫被还原为 FeS ,将硫包膜上的微孔
进一步密封从而使释放率下降.
　　曹志洪等[5 ]研究了土壤水分对钙镁磷肥包膜长效碳酸
氢铵的养分释放的影响. 结果表明 ,土壤水分从 10 %增加到
20 % ,钙镁磷肥包膜长效碳酸氢铵的养分释放率差异不大.
但在淹水条件下 ,钙镁磷肥包膜长效碳酸氢铵的释放率大大
低于相同条件下的旱地土壤的释放率 ,这可能是因为在淹水
条件下气体的逸出所受的阻力比在旱地土壤中要大 ,因而释
放速率变慢. 土壤微生物活性对包膜层不可降解的 PCF 养
分释放几乎没有影响 ,而对 SCU 养分释放的影响十分复
杂[37 ] . 土壤中自有能降解类似于石蜡等密封剂结构特征的
碳水化合物的微生物 ,只不过繁殖速率很慢 [9 ,24 ] ,且单质硫
能被自氧和异氧微生物降解. 土壤微生物活性的增加会加
快 SCU 养分的溶出速率 ,在包封剂中加入杀菌剂能有效降
低土壤中 SCU 的尿素释放速率 [3 ] .
　　土壤 p H 在 5～8 范围内时 ,土壤酸碱度的变化几乎不
影响 SCU 的养分释放速率 [2 ] . 但向酸性土壤中添加石灰可
加速 SCU 的养分释放 [15 ] ,这可能是因为添加石灰增加了土
壤中有效钙而使微生物的活性增加. 土壤 p H 也几乎不影响
钙镁磷肥包膜长效碳酸氢铵的养分释放 [5 ] .
　　土壤的养分状况也影响 SCU 的养分释放. 贫瘠的土壤
能抑制 SCU 的释放 [3 ] . 向土壤中施入磷肥[15 ]或碳水化合
物[18 ]都可加速 SCU 的养分释放 ,主要是土壤微生物活性增
加的结果.
4 　包膜肥料养分控释的数学模拟研究
　　1979 和 1980 年 ,Jarrell 等[22 ,23 ]对 SCU 的尿素溶出过程
进行了详细研究 ,提出了 SCU 包膜层破裂和养分溶出速率
的数学模型. 他们假定孔洞形成后 ,孔洞和包膜层厚度保持
不变的前提下 ,用 Fick 第一定律推导出了 SCU 养分扩散的
数学模型. Berry 等[4 ]对 PCF 养分溶出过程进行模拟 ,假设
PCF 养分释放动力学符合一级反应动力学方程 ,并由此进行
推导 ,得出包膜肥料在土壤中的释放数学模型. 这两个模型
是包膜肥料养分控释模拟研究的基本模型 ,都是温度依靠型
模型.
　　Kochba 等[28 ]在 Berry 研究基础上研究土壤温度、水分
和水蒸气压对 PCF 养分控释的影响 ,结果表明溶出速率常
数与土壤水蒸气压线性相关 ,并且土壤水蒸气压随温度变化
而变化. Gandeza 等[14 ]研究了聚烯烃包膜尿素在土壤中的
释放行为 ,将 PCF 的养分累积溶出率描述为积温的函数.
　　1997 年 ～ 2000 年 , 日 本 的 Kobayashi[25～27 ] 、Fuji2
sawa
[10～12 ]和 Hanyu[17 ]对热塑性树脂 PCF 的养分释放动力
学机制进行了详细的研究. 他们首先基于 Berry 和 Kochba
933212 期 　　　　　　　　　　　　　　张海军等 :包膜肥料养分控释机理研究进展 　　　　　
等的研究建立了相似的单纯型养分控释模型 ;后来考虑到包
膜肥料在土壤中的群体行为符合正态分布 ,且热塑性树脂
PCF 的养分释放有一定的溶出诱导期 (扩散系数接近 0 的时
期) ,他们将只考虑个体肥料在土壤中释放行为的单纯型养
分控释模型进行改进 ,同时引入反应速度论中的能量观点 ,
认为热塑性树脂 PCF 的养分溶出的每一进程都释放固定的
能量 ,从而建立了完全温度依靠的 PCF 养分控释复合模型.
将不同的热塑性树脂 PCF 放入饱和盐溶液中验证此模型 ,
发现此模型有良好的预测性. 当考虑到土壤水含量的影响
时 ,他们又在此模型的基础上进行了补充改进 ,并在随后的
模拟试验中得到了很好的证明.
　　此外 ,张宝林[46 ]根据 Fick 扩散第二定律进行推导 ,将
钙镁磷肥包膜肥料的养分释放速率描述为时间、肥料半径、
包膜厚度、扩散系数、孔隙率、孔隙曲折因子和肥心养分饱和
浓度的函数. 这一模型过于复杂 ,因而缺乏实用性.
5 　问题和展望
　　综上所述 ,由于包膜肥料生产技术的保密、市场的分割
和服从商业运作的需要 ,包膜肥料控释机理的研究普遍局限
于特定的种类. 包膜肥料所采用的包膜材料和包膜工艺的
差异造成了包膜层结构的多样化 ,从而使包膜肥料的养分控
释机理变得比较复杂. 虽然包膜肥料的控释理论都是建立
在 Fick 扩散定律的基础上 ,但对具体包膜肥料控释过程、特
征和机制的解释不尽相同. 因此 ,虽然包膜肥料的研制已有
40 多年的历史 ,但控释机理的研究并不系统完善. 近年来 ,
我国包膜肥料的研究主要集中于应用效果 ,生产工艺的研究
比较落后 ,对控释机理的研究十分有限. 根据这种现状 ,我
国包膜肥料控释理论的研究应把重点放在以下 3 个方面 :1)
包膜层的结构组成对养分控释的调控 ;2)包膜肥料在水中的
释放行为与在土壤中释放行为的差异及相关性研究 ,为快速
评价包膜肥料控释效果提供理论依据 ;3)加强异粒控速复混
肥料的研究 ,使不同释放特征的包膜肥料协调配比 ,综合调
控养分释放速率 ,满足不同作物的需肥规律.
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作者简介 　张海军 ,男 ,1974 年生 ,在职博士 ,助理研究员 ,
主要从事植物营养与土壤肥料研究 ,发表论文 8 篇. Tel :
024223916216 ,E2mail : hjzhang74 @hotmail. com
143212 期 　　　　　　　　　　　　　　张海军等 :包膜肥料养分控释机理研究进展