第三節　硫包衣肥料

一、物理包被法肥料簡介

物理包被法是指在傳統肥料顆粒外表面包裹上一層或多層阻滯肥料養分擴散的膜，來減緩或控制肥料養分的溶出速率。該包衣技術已經廣泛應用于醫學、藥物、食用色素、催化劑、香料和黏合劑等多個領域。

用物理包被法生產的肥料即為包膜肥料（coated fertilizer，CF）。通常，我們將被包裹物質稱為核心，將用于外層涂覆的包衣材料稱為壁材。常用作壁材的成膜材料有天然產品改性殼聚糖、纖維素、淀粉等和人工合成的多聚體如聚氨基甲酸乙酯、聚乙烯、石蠟、油脂、瀝青和硫黃等。由于壁材一般價格較高并且多是非植物營養類物質，因此，在滿足成膜密封層完整的基礎上應盡量減少用量，壁材用量通常占肥料總質量的10%～30%。

包膜肥料的研制始于美國。1961年，美國田納西流域管理局（Tennessee Valley Authority，TVA）國家肥料發展中心（National Fertilizer Development Center，NFDC）在硫包衣尿素（SCU）小試生產試驗上獲得成功，并于1967年中試成功，開始商業生產。1964年，美國ADM（Archer Daniels Midland，Osmocote^??制造商）公司開發出商品名為Osmocote^??的醇酸類樹脂（主要成分為二聚環戊二烯和丙三醇酯的共聚物）包膜肥料，開辟了熱固性聚合物包膜肥料的研究。這兩種包膜肥料的研制與開發，奠定了物理包被方法生產緩控釋肥料的基礎。

1987年Moor利用水溶性的含氨基的肥料作為核心，利用氨基的親核作用和一些含親電基團的化合物反應結合，形成聚合物包膜層，發明了“耐磨控釋肥料”的方法。繼美國之后，加拿大、日本、西歐等國家和地區相繼開展了包膜肥料的研究。

隨著Ziegler-Natta催化劑在聚乙烯合成工業上的應用，使得以烯烴為單體的聚合物大量生產。1980年，日本窒素公司注冊了聚烯烴類包膜肥料Nutricote^??，聚烯烴屬于熱塑性物質，這類聚合物包膜肥料屬于熱塑性高分子包膜肥料。目前SCU、Osmocote^??和Nutricote^??在多年生產應用中不斷改良，如今仍然是控釋肥料領域的國際知名品牌。

20世紀90年代以后，聚氨酯類包膜肥料開始出現并得到迅速發展。1990年，美國Pursell公司注冊了以Polyon^??為商標的系列包膜肥料，該肥料在生產中采用了“反應層（RLCTM）包膜制程”，使反應單體在顆粒肥料表面原位聚合成膜。以色列Haifa公司注冊的Multicote^??也是該類產品的代表。

在中國，早在1974年，中國科學院南京土壤研究所開發了碳銨包膜肥料（孫秀延，1992）。1986年廣州氮肥廠研制成功“高效涂層氮肥”，化工部命名為“涂層尿素”（丁振亭，1994）。1985年，鄭州大學磷肥與復肥研究所開發了以尿素為核心，以稀硫酸溶解鈣鎂磷肥，碳銨中和至pH 5～7，加入植物油泥及其改性物作為壁材材料，包膜制得鈣鎂磷肥包膜尿素的復合肥料，這是第一類以肥料包裹肥料的復合肥料，之后該產品經鄭州樂喜施公司在國內和國外申請發明專利并注冊了產品商標Luxecote^??/Luxacote^??，屬于無機物包膜肥料。現在國內控釋肥料研究主要集中在水基聚合物包膜、聚氨酯類包膜和天然高分子材料包膜等方面，并且發展迅速。2000年以前，國內沒有真正意義上的已經商品化、規模化的控釋肥料（熊又升等，2000；何緒生等，1998）。到2006年時，北京農林科學院、山東農業大學的聚合物包膜控釋肥料分別由北京首創集團新型肥料公司、山東金正大集團實現產業化；大連漢楓集團引進加拿大包硫尿素技術在江蘇設廠生產；中國科學院石家莊現代化農業研究所的涂層肥料，廣東農科院土肥所、湖南農科院土肥所、中國農科院土肥所、華南農業大學、中國農業大學開發的包膜肥料也正在或已經實現產業化。再到2013年，中央一號文件中提出：啟動高效緩控釋肥料使用補助試點。政府通過補貼來積極引導農民接受和使用緩控釋肥料，我國形成緩釋、控釋肥料的生產與使用的高潮。

硫包膜尿素（sulfur coated urea，SCU）是最早產業化應用的包膜肥料。1957年美國田納西河谷管理局（TVA）肥料發展中心開始涂硫工藝研究，該機構于1961年在1～7kg/h的裝置上開展小試獲得成功后，1968年正式商業化生產，最初的規模為70kg/h試驗性生產線，并運行到1970年。1971年建成900kg/h的生產線，用來獲取設計更大工廠所需的信息，并生產農業試驗所需的肥料。直到1978年TVA才啟動建成9t/h的大型工廠化生產線，實現了產業化。其代表性的生產工藝流程是典型的三轉鼓組合工藝。具體的生產工藝是，首先將顆粒尿素過篩，以獲得大小適宜的原料。將過篩尿素通過提升機進入流化床預熱器，出口溫度約65℃。經過旋風除塵后，尿素從預熱器借助重力進入涂硫轉鼓，熔融硫在150℃、表壓7.0～10.5MPa壓力下從多噴嘴噴到尿素上。涂硫尿素在70℃左右直接送到涂封閉劑的轉鼓，用3%熔融蠟與0.2%煤焦油混合物作封閉劑噴涂到涂硫尿素顆粒上。然后將這些物料送到第二轉鼓（調理鼓），在此使用1.8%硅藻土作為調理劑，主要防止尿素顆粒間相互黏結成團，在冷風作用下冷卻，蠟固化。冷卻至40℃左右將黏結成團的大顆粒篩分去除即得到包硫尿素產品。1982年TVA、CIL和工農業制造有限公司開始生產SCU。通過TVA的產業模式可以看出，一個創新型的工藝構建需要從試驗室階段，到小試階段，進而到中試水平，最后才能實現規模化和產業化，其過程需要25年之久。然而，從1975年開始，日本三井東亞化學公司在美國TVA公司公開的SCU技術基礎上，生產并注冊了三井東亞SCU及包硫復合肥料，并于1976年開始商業銷售SCU，其產品名稱為“Gold-N”。從1982年以后，以TVA工藝為基礎的技術生產SCU擴展到全球。其中包括1982年Pursell（現在的Agrium）在阿拉巴馬州錫拉科加建立SCU工廠；1989年，Scotts公司采用了混合聚合蠟表面涂層的方法生產SCU；20世紀90年代末，Nu-gro（現在Agrium公司）開發了熱固性聚氨酯包膜技術生產PSCU，即先進行SCU生產，然后在SCU的外層噴涂聚氨酯高分子樹脂，以彌補SCU在涂層方面的物性缺陷；1996年，Nu-Gro買下了CIL的SCU工廠，并經過升級，使其產能達到6.2t/h；2004年，上海漢楓公司從加拿大進口SCU在上海浦東工廠與NPK復合肥摻混，實現生產含有SCU的摻混型緩釋肥。1996年，山東農業大學的多位專家以TVA工藝為基礎，展開了SCU技術的創新和產業化研究，并于2004年末在山東農大肥業實現了年產6萬噸的生產線，并將TVA三轉鼓合為一個轉鼓中，同時實現了涂硫、密封和調理等多種功能，并實現了連續化生產。這對我國乃至世界的SCU技術的進步作出了突出的貢獻。在隨后的時間里，該團隊與企業合作以硫黃改性為技術突破口，進行了涂硫工藝在改善硫膜脆性上進行了成功的嘗試。

產品含氮量根據硫涂層厚薄不同而異，含氮30%～38%，含硫15%～25%。

幾十年來，SCU涂層工藝得到不斷改進，日本三井東壓化學公司從1976年開始生產一種涂硫和蠟的復混肥，其生產工藝與SCU工藝相似，但被包膜的不是尿素而是復合肥。美國研究人員在包硫層外再加聚合物層，這種改進的包硫尿素稱為Poly S，控釋性能比SCU好。

二、硫包衣核芯肥料選擇

原則上能用于硫包衣的肥料有很多，只要具有一定的顆粒強度，可以在流化床等包衣設備中產生動態流化，表層與硫有很好的契合度，均可用于硫包衣肥料的生產。但在生產實踐中，主要用于硫包衣的肥料為尿素，且為大顆粒尿素，其粒徑一般控制在3～4mm。因為，如果用小顆粒尿素，其表面積較大，受硫黃本身粒徑的影響，在包衣過程中所需消耗的硫黃量增多，使氮素的相對含量偏低，且包衣工藝流程和生產成本會相應增加。如果顆粒尿素粒徑偏大，則在施用過程中與施肥機械的符合度不宜調節，且硫膜會存在較多裂隙，對控釋效果和密封劑的要求及用量較高，既不經濟，又不符合綠色生產的理念。

三、硫包衣肥料的優缺點

硫包衣緩/控釋新型肥料是采用硫黃為主要包裹材料對顆粒尿素進行包裹，實現對氮的緩慢釋放的緩釋肥料。

尿素硫包衣尿素屬于無機包膜類緩釋氮肥。通過在尿素外面包裹硫黃、微晶蠟密封劑而制成的包裹式緩釋肥料，養分釋放持續、穩定，能滿足作物的營養需求，增產、高質。顏色獨特，肥料近中性，適宜各類土壤和作物。特有的硫養分，能控制養分釋放速率。

此硫包衣緩/控釋肥的優點主要有：硫作為第四大營養元素，SCU可以補充硫養分，提高作物品質增強抗性，氮硫協同增效；SCU的包膜厚度通常為30μm，不會迅速氧化，硫的粒徑為10μm左右，更易于施用當年轉化成作物可吸收的硫酸鹽，翻動土壤會使硫包膜破裂成小顆粒；能夠滿足農作物生長對不同養分的需求，持續供應作物氮營養，多種養分釋放模式調節，滿足不同作物不同生育階段的養分需求，使作物穩健生長；減少肥料損失，減少淋洗，減少揮發，且低碳環保，肥料利用率高，減少肥料用量，節肥節能，例如，水稻、尿素的利用率為30%，而SCU的利用率為50%～60%；增產效果明顯，通過肥料外包膜控制養分釋放，使作物養分供應平穩有規律，促進農作物穩產高產；省時省力，可以解放勞動力；長期使用可以改善土壤，養分釋放完后的空殼既可蓄水保墑，又能起到通氣保肥作用，使長期板結的土壤變得疏松；施用安全，低鹽分指數，不會燒苗，減少氮素在土壤中累積，降低其鹽漬化程度；殺蟲、抑制病菌，提高土壤和植物抗性；可作為摻混肥料的原料，提供緩釋氮源，消除普通尿素吸濕結塊，防止與其他原料反應，提高了可混性，擴大了配伍范圍。

與聚合物包膜肥料相比，其膜材本身具有可降解性，是植物必需的中量營養元素，不存在二次污染。與抑制劑型穩定性尿素相比，硫本身具有一定的殺蟲抑菌作用，但不會與其他脲酶抑制劑或硝化抑制劑一樣，在抑制靶標菌的同時，可能存在抑制其他有益菌活性的風險。

四、硫包衣肥料的選購與施用

1.硫包衣尿素國家標準

國家在2012年制定并實施的硫包衣尿素標準（表1-1）。在選擇硫包衣肥料時，需要首先按照該標準判斷所選擇的肥料是否符合國家標準的要求。

2.多肽尿素與硫包衣尿素的區別

多肽尿素與硫包衣尿素很相似，都有黃色的外觀，很多農民都難以分辨，可通過如下方法區別多肽尿素和硫包衣尿素。

其一，多肽尿素就是在尿液形成前加入金屬蛋白酶（此物質是一種促進植物吸收的酶），本身金屬蛋白酶是一種無色無味的物體，加入什么顏色就會形成什么顏色的產品。金屬蛋白酶能促進作物對養分的吸收、加速植物提前早熟，進而達到增產、增收的效果。

其作用原理是：作物通過光合作用和酶的作用將養分吸收加工成單糖，再通過酶的作用形成多糖進而形成植物纖維，生成果實。作物本身就會產生酶，那為什么還要加入酶呢？加入酶是為了促進植物的加快發育，減少作物為了生成酶消耗能量，防止作物提前衰老。金屬蛋白酶本身就是一種重金屬，在種子周圍形成帶電離子場，加快氮、磷、鉀離子的運動速度，通過滲透進入作物細胞膜，這就是為什么能促進氮、磷、鉀的吸收。現行市場流傳著加入一種氨基酸就叫多肽尿素的說法，氨基酸它是一種營養物質，并不能代替酶。氨基酸和酶是兩種概念，所以大家一定要注意多肽尿素里面的成分。

其二，硫包衣尿素這種產品在市場上更加混亂，以假亂真、以次充好的現象遍布全國，有的更是涂點黃色就叫硫包衣。我國推行的硫包衣尿素國家標準為GB 29401—2012。只有符合國家標準規定和要求的肥料才能稱得上合格產品。