2022年3月26日，土肥高效利用国家工程研究中心程冬冬老师团队在养分聚合型缓释肥方面取得重要进展，成果《A novel synthetic slow release fertilizer with low energy production for efficient nutrient management》发表于环境科学与生态学类期刊《Science of the Total Environment》。该研究利用尿素、甲醛、磷酸氢二铵和氯化钾采用化学聚合的方法创新性的对养分聚合型缓释肥制备工艺进行了调整，形成了喷雾干燥低能耗的制备新策略。

概述

养分聚合型缓释肥因其优越的养分管理和降解性能已成为绿色高效肥料行业中一项重大突破。然而，传统的养分聚合型缓释肥只含氮养分，且在干燥过程中产生较大的能源消耗量。本文以尿素、甲醛、磷酸氢二铵、氯化钾为原料，采用喷雾干燥生产工艺制备了一种新型低成本的绿色养分聚合型缓释肥（PSRF/KCl）。与传统的养分聚合型缓释肥生产工艺相比，PSRF/KCl的综合能耗降低了38.13%。通过使用扫描电镜、红外光谱、热重分析等表征技术，结果表明PSRF/KCl具有多元的营养元素、优异的

水溶性、特殊的形态特征、较好的热稳定性。此外，PSRF/KCl在小白菜中的验证实验表明，与传统养分聚合型缓释肥相比，PSRF-KCl可明显提高26.2%的产量。综上所述，PSFR/KCl是一种绿色的养分聚合型缓释肥，并且其匹配的喷雾干燥工艺可有效降低生产成本，在绿色可持续农业发展中具有广阔的应用前景。

主要研究结果

1、PSRF/KCl的制备原理

图1展示了通过喷雾干燥工艺设备生产PSRF/KCl的过程与反应机理。首先，在反应器中，尿素与甲醛在碱性条件下反应制备羟甲基脲。然后，在反应体系中加入一定量的磷酸氢二铵，制备缓释复合肥聚合物。根据喷雾干燥设备的特点，在整个反应系统中加入饱和氯化钾溶液，通过物理共混的方式将氯化钾成功引入PSRF聚合链中，它不仅降低了PSRF的粘度，便于产品收集的同时可以增加PSRF/KCl的养分种类。同时，为了更好的阐明PSRF/KCl的制备原理，分别利用反应物PSRF/KCl、UF和DP的FTIR与XPS数据确定了反应机理。

图1（A）PSRF/KCl的合成机理，（B）PSRF/KCl、UF和DP的FTIR光谱，（C）UF（a）、PSRF（b）和PSRF/KCl（c）的N 1s光谱，（D）UF（a）、PSRF（b）和PSRF/KCl（c）的C 1s光谱，（E）PSRF/KCl的P 2s光谱

2、PSRF/KCl的表观形态及元素组成

通过SEM和EDS研究了PSRF/KCl的形态特征和元素分布。PSRF/KCl的SEM图像表明，PSRF/KCl表面存在一些不规则的微孔和裂纹（图2 B中的红色箭头），这是喷雾干燥过程中PSRF/KCl中水分蒸发造成的。此外，可以观察到一些小的晶体颗粒（图2 B中的蓝色箭头），这些结晶颗粒的形成归因于KCl，这可以通过Cl和K的元素图得到证实（图2 D）。图2 C显示，PSRF/KCl由C、O、Cl、N、P和K组成，并且氮和磷在PSRF/KCl中均匀分布，可进一步证明(NH₄)₂HPO₄与UF反应充分。

图2（A，B）PSRF/KCl的SEM图像和（C，D）相应的EDS分布图

3、PSRF/KCl的降解特性

养分聚合型缓释肥料作为一种新型肥料，其在土壤中的降解性能直接关系到环境效益。因此，为了阐明氯化钾对喷雾干燥条件下PSRF降解的影响，研究了PSRF/KCl和PSRF的降解速率以及降解前后的形貌特征。在土壤中培养70天后，PSRF/KCl和PSRF的降解率分别为68.63%和42.44%（图3 A、D）。结果表明，在PSRF的制备过程中加入氯化钾可显著提高PSRF/KCl的降解率。PSRF/KCl和PSRF在降解前表现出特定的表面形貌，但降解后PSRF/KCl和PSRF表面均存在大量空洞和裂纹。SEM表征表明，PSRF/KCl和PSRF在埋入土壤之前表面相对光滑，并且在PSRF/KCl和PSRF表面分布着一些晶体。PSRF/KCl上的晶体主要由氯化钾和DP组成，PSRF上的晶体主要由DP组成（图3 B、E）。土壤降解70天后，由于氯化钾和少量低聚物的溶解，PSRF/KCl表面比PSRF上有更多的大孔隙和裂缝，这增加了PSRF/KCl与土壤之间的接触面积（图3 C、F）。因此，PSRF/KCl的降解速率大于PSRF。

图3（A）PSRF/KCl和（D）PSRF在土壤中的降解速率，（B）PSRF/KCl，（E）PSRF在降解前（0天）和（C）PSRF/KCl，（F）PSRF在土壤中降解70天后的SEM图像

4、PSRF/KCl在小白菜上的应用试验

为了验证PSRF/KCl肥料的实际应用效果，以脲醛肥（UF）和不施肥（CK）为对照，研究了PSRF和PSRF/KCl肥料对小白菜生长的影响。所有处理均以N、P₂O₅和K₂O相同施用量的不同类型肥料一次性进行施入（图4 A）。通过产量对比（图4 B），可以看出PSRF/KCl分别比CK、UF和PSRF处理提高90.8%、50.1%和26.2%，这主要是因为PSRF/KCl的降解率明显高于PSRF（图3）。PSRF/KCl在一定时间内释放的养分能够满足小白菜的生长需要，因此PSRF/KCl更有利于小白菜的增产。不同处理间的叶绿素含量差异不显著，蔬菜中的硝酸盐含量直接反映了食品的安全性，通过对不同处理小白菜硝酸盐含量的比较，发现PSRF/KCl处理的硝酸盐含量显著低于UF和PSRF处理，这与PSRF/KCl协同的养分释放及被小白菜吸收利用有直接联系。此外，PSRF/KCl处理的氮、磷、钾利用效率分别比PSRF处理高15.36%、2.50%和29.49%，这表明在PSRF中引入氯化钾可以显著提高养分利用效率（表1）。以上结果表明，PSRF/KCl不仅能提高小白菜的产量，而且能有效控制小白菜中硝酸盐的含量，提高养分利用效率，PSRF/KCl是一种高效、安全的新型养分聚合型缓释复合肥料。

图4（A）盆栽实验示意图；（B）不同施肥处理小白菜鲜重、叶绿素含量、硝酸盐含量；（C）小白菜收获时期的数码照片

表1小白菜氮、磷、钾利用效率

5、PSRF/KCl的生产成本评估

新型肥料的生产成本是决定其能否在市场上推广应用的关键因素。因此，我们通过计算并比较了喷雾干燥工艺和传统干燥工艺的制备成本。肥料制备过程的成本主要包括两部分：原材料和能源消耗。首先，从原料成本的比较中可以发现，PSRF/KCl的原料成本为3018.31元/吨，而传统缓释肥料的原料成本为3659.09元/吨（表2）。其次，制备过程的能耗表明，喷雾干燥过程和传统干燥过程的能耗分别为29.91元/吨和48.35元/吨。与喷雾干燥相比，传统的干燥、粉碎和再造粒工艺增加了额外的能耗。此外，将氯化钾引入喷雾干燥工艺以降低产品粘度的同时也降低了原材料成本。与传统工艺相比，PSRF/KCl的原材料成本和能耗分别降低了17.51%和38.13%。因此，PSRF/KCl在农业生产领域显示出很好的应用优势。

表2采用喷雾干燥和传统工艺生产1吨PSRF/KCl的原材料和能耗成本

注：Kptt=; Lptt=; Kctt=; Lctt=; Eptt=; Mptt=; Ectt=; Mctt=; Tptt=; Tctt=.

a Unit cost of electric from national grid =¥ 0.5029 Kw/h

结论

利用尿素、甲醛、磷酸氢二铵和氯化钾聚合后采用喷雾干燥工艺制备出一种节能降耗的养分聚合型缓释肥（PSRF/KCl）。与传统的养分聚合型缓释肥料相比，PSRF/KCl不仅增加了磷和钾的缓释功能，而且使PSRF/KCl的原料成本和能耗成本分别降低了17.51%和38.13%。通过对养分缓释性能试验和小白菜的应用研究还表明PSRF/KCl肥料不仅具有氮磷钾养分长效缓释、减少养分损失的优越性能，而且能显著提高小白菜产量、改善硝酸盐含量。

论文信息

作者信息：李俊银，1996年1月生，男，中共党员，2022级博士研究生。荣获2022届山东省优秀毕业生和山东农业大学优秀毕业生荣誉称号。硕士阶段以第一作者身份发表SCI论文3篇和中文核心论文1篇（累计影响因子17.323，单篇最高影响因子10.753）；申请发明专利2项、参与编写专著1部。参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上和青年项目等多项课题。在校期间先后获得研究生一等、二等学业奖学金，金正大研究生菁英奖学金。

通讯作者：程冬冬，男，工学博士，副教授，硕士生导师，山西左云人。山东省重点扶持区域引进急需紧缺人才项目人选（山东省重点人才工程第二层次）、山东农业大学“1512工程”第三层次。FAPESP (São Paulo Research Foundation, Brazil)-巴西圣保罗研究基金会外国函评专家、《Journal of Agricultural and Food Chemistry》、《Archives of Agronomy and Soil Science》、《International Journal of Environmental Science and Technology》等专业学术期刊通讯审稿人。中国农学会农业资源与环境分委会委员、中国植物营养与肥料学会青年工作委员会委员、土肥高效利用国家工程研究中心成员、泰山学者攀登计划团队核心成员、泰山产业领军人才团队核心成员、山东省现代农业产业技术体系-水稻团队核心成员。目前主持“十三五”国家重点研发计划课题1项、国家自然科学基金面上基金1项、国家自然科学基金青年项目1项、山东省自然科学基金1项以及其他企业横向项目多项。主要研究方向为新型肥料的研发和应用。获山东省科学技术进步一等奖1项（第3/12位，2020年）。

论文题目：A novel synthetic slow release fertilizer with low energy production for efficient nutrient management

期刊名称：Science of the Total Environment

发表时间：2022年3月26日

查阅网址：http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154844