热塑性淀粉/环氧化天然橡胶复合缓释肥料系统的构建及其对氮素利用效率与环境效应的调控机制

为解决传统尿素肥料氮素流失严重、环境风险高等问题，Yeampon Nakaramontri和Lompong Klinnawee团队开发了基于热塑性淀粉(TPS)与环氧化天然橡胶(ENR)的缓释复合肥料系统。研究通过优化肥料负载量(6.9-20 wt%)和混合工艺，证实TPS/ENR复合材料可实现氮素的双阶段释放：TPS快速溶解提供初期营养，ENR缓慢降解实现持续供给。其中6.9 wt%肥料负载的复合材料表现最优，显著减少铵态氮淋失(降低50%以上)，并缓解对生菜和玉米的植物毒性。该研究为农业可持续发展提供了兼具高效性与环境友好性的新型肥料解决方案。

　　

在农业生产中，尿素作为氮肥的主力军，其使用效率低下和环境污染问题长期困扰着农业可持续发展。传统尿素施入土壤后，会通过酶促反应迅速水解为铵态氮(NH₄⁺)，但高达30-50%的氮素因淋溶、挥发等形式流失，不仅造成资源浪费，更导致水体富营养化和温室气体排放。如何让氮肥"聪明"地释放，既满足作物需求又减少环境负担，成为农业科技领域的重大挑战。

泰国国立玛希隆大学和宋卡王子大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向两种天然高分子材料——热塑性淀粉(Thermoplastic Starch, TPS)和环氧化天然橡胶(Epoxidized Natural Rubber, ENR)。TPS由淀粉与甘油塑化而成，具有优异的生物降解性但耐水性差；ENR则通过天然橡胶环氧化改性获得，兼具疏水性和可控降解特性。研究人员创新性地将两者复合，构建了"双阶段释放"载体系统，并负载46-0-0型尿素肥料，相关成果发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》上。

研究团队采用熔融共混技术构建复合材料体系。通过调节TPS与ENR比例(60:40 phr)和尿素负载量(6.9-20 wt%)，系统考察了材料机械性能、吸水行为、土壤降解特性；采用土壤柱模拟实验评估氮素释放动力学；结合植物发芽实验验证肥料安全性。关键发现如下：

机械性能与形貌特征
应力-应变测试显示，纯TPS表现出脆性断裂(伸长率<10%)，而TPS/ENR复合后伸长率提升150%。尿素负载显著影响材料性能：6.9 wt%组因形成均匀微孔结构，表现出最佳力学性能；超过10 wt%时尿素颗粒团聚导致性能下降。扫描电镜证实，尿素优先分散于TPS相，ENR则作为连续相维持结构完整性。

水分响应与降解行为
吸水实验揭示复合材料呈现"快速-平缓"两阶段吸水曲线：前5小时TPS相快速吸水(吸水率120%)，随后ENR相抑制水分渗透。土壤埋藏实验表明，纯TPS 7天完全降解，而TPS/ENR复合材料需30天完成降解，完美匹配作物生长周期需求。

氮素控释性能
水饱和条件下，传统尿素1小时内完全溶解，而TPS/ENR/6.9%N组在7天内持续释放铵态氮，累积释放量比ENR/15%N组高3倍。土壤柱实验显示，该材料使农业土壤的氮素淋失减少62%，砂质土壤减少55%，同时显著提升土壤氮保留量(p<0.05)。

植物安全性评估
生菜和玉米发芽实验证实，1% TPS/ENR/6.9%N处理组的根长比传统尿素组增长40-60%，发芽率提高25%，证明缓释系统有效降低了尿素直接接触导致的植物毒性。

这项研究开创性地将TPS与ENR的降解特性差异转化为控释优势：TPS快速降解提供苗期营养，ENR缓慢分解满足后期需求。特别值得注意的是，6.9 wt%尿素负载的复合材料在机械强度、氮素利用率与环境友好性间达到完美平衡。该技术不仅解决了TPS单独使用时耐水性差的缺陷，还通过ENR的疏水改性实现了氮素的"按需供给"，为发展"绿色智能肥料"提供了新范式。

研究也存在一定局限：实验室条件未能完全模拟田间复杂的温湿度变化和微生物群落影响。未来研究可探索不同作物体系下的适配配方，并开展大田验证。尽管如此，这项工作标志着生物基缓释肥料向实际应用迈出了关键一步，对实现联合国"零饥饿"和"负责任消费"的可持续发展目标具有重要实践意义。