综述：控释肥料的研究进展与挑战：整合生物聚合物策略的途径

这篇综述深入探讨了控释肥料（CRFs）在提高养分利用效率（NUE）和应对全球粮食安全挑战中的关键作用，重点分析了生物聚合物（如淀粉、纤维素、壳聚糖）作为可持续涂层材料的潜力，并指出其面临的同步性、稳定性和经济性挑战。

　　

引言

全球粮食安全面临人口增长和土壤退化的双重压力，预计到2050年全球人口将达97亿，而95%的耕地可能因过度施肥导致肥力下降。传统肥料中仅30-50%的氮（N）、磷（P）、钾（K）被作物吸收，其余通过淋溶或挥发流失，引发富营养化等问题。控释肥料（CRFs）通过物理屏障（如聚合物包膜）或基质（如水凝胶）实现养分缓释，但其大规模应用受限于成本高、释放模式与作物需求不匹配及合成聚合物的环境残留问题。

CRFs的分类与机制

CRFs分为包膜型和基质型两类。包膜型以核壳结构为主，常用聚氨酯（PU）、聚乙烯等合成材料或硫磺、膨润土等无机物；基质型则将肥料嵌入聚合物网络（如聚乳酸PLA）。养分释放分三阶段：滞后期（水分渗透）、恒速期（渗透压驱动扩散）和衰减期（核心耗尽）。例如，5%聚氨酯包膜尿素在28天内仅释放17.93%的氮，而硫包膜尿素因脆性易导致突发释放。

技术挑战与环境问题

包膜稳定性是核心难题。温度波动可能加速释放——环氧树脂包膜尿素在21°C下180天释放90%氮，而26°C时缩短至120天。此外，非降解聚合物（如聚烯烃）每年在土壤中残留50 kg/ha，降解后形成微塑料。英国长期试验显示，施用化肥的农田微塑料浓度从1846年的0.01%升至2022年的0.4%。

生物聚合物的创新应用

多糖类：

• 淀粉：通过接枝改性增强疏水性，7%包膜率使释放周期延长至63天。
• 壳聚糖：pH响应型水凝胶在酸性土壤中加速铁释放，pH 3时释放率提高40%。
• 木质素：橄榄渣提取的木质素包膜磷肥，30天内释放率仅16.9%，显著降低淋失。

聚酯类：

• 聚羟基脂肪酸酯（PHA）：微生物合成的P(3HB-co-3HHx)包膜NPK，促进油棕幼苗生物量增长，且120天土壤降解率达75%。
• 聚己内酯（PCL）：温度响应型PCL3000在33°C时分子链无序化，氮释放量增加2倍，匹配作物需肥高峰。

经济性与规模化前景

目前CRFs成本是传统肥料的3-10倍，但生物基材料（如细菌纤维素）的工业化生产有望降低成本。欧洲生物塑料协会预测，2029年全球生物聚合物产能将达573万吨，占农业用地不足0.1%。熔融挤出技术可简化生产，如PHBV/尿素挤出颗粒使劳动成本降低50%。

未来方向

需开发智能传感器联动CRFs，实时调控释放；优化木质素-粘土复合材料提升机械强度；推动政策激励农民采用。正如棉田试验所示，同步释放NPK的CRFs使籽棉增产35.3%，印证了精准农业的潜力。