第三节　硫包衣肥料

一、物理包被法肥料简介

物理包被法是指在传统肥料颗粒外表面包裹上一层或多层阻滞肥料养分扩散的膜，来减缓或控制肥料养分的溶出速率。该包衣技术已经广泛应用于医学、药物、食用色素、催化剂、香料和黏合剂等多个领域。

用物理包被法生产的肥料即为包膜肥料（coated fertilizer，CF）。通常，我们将被包裹物质称为核心，将用于外层涂覆的包衣材料称为壁材。常用作壁材的成膜材料有天然产品改性壳聚糖、纤维素、淀粉等和人工合成的多聚体如聚氨基甲酸乙酯、聚乙烯、石蜡、油脂、沥青和硫黄等。由于壁材一般价格较高并且多是非植物营养类物质，因此，在满足成膜密封层完整的基础上应尽量减少用量，壁材用量通常占肥料总质量的10%～30%。

包膜肥料的研制始于美国。1961年，美国田纳西流域管理局（Tennessee Valley Authority，TVA）国家肥料发展中心（National Fertilizer Development Center，NFDC）在硫包衣尿素（SCU）小试生产试验上获得成功，并于1967年中试成功，开始商业生产。1964年，美国ADM（Archer Daniels Midland，Osmocote^􀆿制造商）公司开发出商品名为Osmocote^􀆿的醇酸类树脂（主要成分为二聚环戊二烯和丙三醇酯的共聚物）包膜肥料，开辟了热固性聚合物包膜肥料的研究。这两种包膜肥料的研制与开发，奠定了物理包被方法生产缓控释肥料的基础。

1987年Moor利用水溶性的含氨基的肥料作为核心，利用氨基的亲核作用和一些含亲电基团的化合物反应结合，形成聚合物包膜层，发明了“耐磨控释肥料”的方法。继美国之后，加拿大、日本、西欧等国家和地区相继开展了包膜肥料的研究。

随着Ziegler-Natta催化剂在聚乙烯合成工业上的应用，使得以烯烃为单体的聚合物大量生产。1980年，日本窒素公司注册了聚烯烃类包膜肥料Nutricote^􀆿，聚烯烃属于热塑性物质，这类聚合物包膜肥料属于热塑性高分子包膜肥料。目前SCU、Osmocote^􀆿和Nutricote^􀆿在多年生产应用中不断改良，如今仍然是控释肥料领域的国际知名品牌。

20世纪90年代以后，聚氨酯类包膜肥料开始出现并得到迅速发展。1990年，美国Pursell公司注册了以Polyon^􀆿为商标的系列包膜肥料，该肥料在生产中采用了“反应层（RLCTM）包膜制程”，使反应单体在颗粒肥料表面原位聚合成膜。以色列Haifa公司注册的Multicote^􀆿也是该类产品的代表。

在中国，早在1974年，中国科学院南京土壤研究所开发了碳铵包膜肥料（孙秀延，1992）。1986年广州氮肥厂研制成功“高效涂层氮肥”，化工部命名为“涂层尿素”（丁振亭，1994）。1985年，郑州大学磷肥与复肥研究所开发了以尿素为核心，以稀硫酸溶解钙镁磷肥，碳铵中和至pH 5～7，加入植物油泥及其改性物作为壁材材料，包膜制得钙镁磷肥包膜尿素的复合肥料，这是第一类以肥料包裹肥料的复合肥料，之后该产品经郑州乐喜施公司在国内和国外申请发明专利并注册了产品商标Luxecote^􀆿/Luxacote^􀆿，属于无机物包膜肥料。现在国内控释肥料研究主要集中在水基聚合物包膜、聚氨酯类包膜和天然高分子材料包膜等方面，并且发展迅速。2000年以前，国内没有真正意义上的已经商品化、规模化的控释肥料（熊又升等，2000；何绪生等，1998）。到2006年时，北京农林科学院、山东农业大学的聚合物包膜控释肥料分别由北京首创集团新型肥料公司、山东金正大集团实现产业化；大连汉枫集团引进加拿大包硫尿素技术在江苏设厂生产；中国科学院石家庄现代化农业研究所的涂层肥料，广东农科院土肥所、湖南农科院土肥所、中国农科院土肥所、华南农业大学、中国农业大学开发的包膜肥料也正在或已经实现产业化。再到2013年，中央一号文件中提出：启动高效缓控释肥料使用补助试点。政府通过补贴来积极引导农民接受和使用缓控释肥料，我国形成缓释、控释肥料的生产与使用的高潮。

硫包膜尿素（sulfur coated urea，SCU）是最早产业化应用的包膜肥料。1957年美国田纳西河谷管理局（TVA）肥料发展中心开始涂硫工艺研究，该机构于1961年在1～7kg/h的装置上开展小试获得成功后，1968年正式商业化生产，最初的规模为70kg/h试验性生产线，并运行到1970年。1971年建成900kg/h的生产线，用来获取设计更大工厂所需的信息，并生产农业试验所需的肥料。直到1978年TVA才启动建成9t/h的大型工厂化生产线，实现了产业化。其代表性的生产工艺流程是典型的三转鼓组合工艺。具体的生产工艺是，首先将颗粒尿素过筛，以获得大小适宜的原料。将过筛尿素通过提升机进入流化床预热器，出口温度约65℃。经过旋风除尘后，尿素从预热器借助重力进入涂硫转鼓，熔融硫在150℃、表压7.0～10.5MPa压力下从多喷嘴喷到尿素上。涂硫尿素在70℃左右直接送到涂封闭剂的转鼓，用3%熔融蜡与0.2%煤焦油混合物作封闭剂喷涂到涂硫尿素颗粒上。然后将这些物料送到第二转鼓（调理鼓），在此使用1.8%硅藻土作为调理剂，主要防止尿素颗粒间相互黏结成团，在冷风作用下冷却，蜡固化。冷却至40℃左右将黏结成团的大颗粒筛分去除即得到包硫尿素产品。1982年TVA、CIL和工农业制造有限公司开始生产SCU。通过TVA的产业模式可以看出，一个创新型的工艺构建需要从试验室阶段，到小试阶段，进而到中试水平，最后才能实现规模化和产业化，其过程需要25年之久。然而，从1975年开始，日本三井东亚化学公司在美国TVA公司公开的SCU技术基础上，生产并注册了三井东亚SCU及包硫复合肥料，并于1976年开始商业销售SCU，其产品名称为“Gold-N”。从1982年以后，以TVA工艺为基础的技术生产SCU扩展到全球。其中包括1982年Pursell（现在的Agrium）在阿拉巴马州锡拉科加建立SCU工厂；1989年，Scotts公司采用了混合聚合蜡表面涂层的方法生产SCU；20世纪90年代末，Nu-gro（现在Agrium公司）开发了热固性聚氨酯包膜技术生产PSCU，即先进行SCU生产，然后在SCU的外层喷涂聚氨酯高分子树脂，以弥补SCU在涂层方面的物性缺陷；1996年，Nu-Gro买下了CIL的SCU工厂，并经过升级，使其产能达到6.2t/h；2004年，上海汉枫公司从加拿大进口SCU在上海浦东工厂与NPK复合肥掺混，实现生产含有SCU的掺混型缓释肥。1996年，山东农业大学的多位专家以TVA工艺为基础，展开了SCU技术的创新和产业化研究，并于2004年末在山东农大肥业实现了年产6万吨的生产线，并将TVA三转鼓合为一个转鼓中，同时实现了涂硫、密封和调理等多种功能，并实现了连续化生产。这对我国乃至世界的SCU技术的进步作出了突出的贡献。在随后的时间里，该团队与企业合作以硫黄改性为技术突破口，进行了涂硫工艺在改善硫膜脆性上进行了成功的尝试。

产品含氮量根据硫涂层厚薄不同而异，含氮30%～38%，含硫15%～25%。

几十年来，SCU涂层工艺得到不断改进，日本三井东压化学公司从1976年开始生产一种涂硫和蜡的复混肥，其生产工艺与SCU工艺相似，但被包膜的不是尿素而是复合肥。美国研究人员在包硫层外再加聚合物层，这种改进的包硫尿素称为Poly S，控释性能比SCU好。

二、硫包衣核芯肥料选择

原则上能用于硫包衣的肥料有很多，只要具有一定的颗粒强度，可以在流化床等包衣设备中产生动态流化，表层与硫有很好的契合度，均可用于硫包衣肥料的生产。但在生产实践中，主要用于硫包衣的肥料为尿素，且为大颗粒尿素，其粒径一般控制在3～4mm。因为，如果用小颗粒尿素，其表面积较大，受硫黄本身粒径的影响，在包衣过程中所需消耗的硫黄量增多，使氮素的相对含量偏低，且包衣工艺流程和生产成本会相应增加。如果颗粒尿素粒径偏大，则在施用过程中与施肥机械的符合度不宜调节，且硫膜会存在较多裂隙，对控释效果和密封剂的要求及用量较高，既不经济，又不符合绿色生产的理念。

三、硫包衣肥料的优缺点

硫包衣缓/控释新型肥料是采用硫黄为主要包裹材料对颗粒尿素进行包裹，实现对氮的缓慢释放的缓释肥料。

尿素硫包衣尿素属于无机包膜类缓释氮肥。通过在尿素外面包裹硫黄、微晶蜡密封剂而制成的包裹式缓释肥料，养分释放持续、稳定，能满足作物的营养需求，增产、高质。颜色独特，肥料近中性，适宜各类土壤和作物。特有的硫养分，能控制养分释放速率。

此硫包衣缓/控释肥的优点主要有：硫作为第四大营养元素，SCU可以补充硫养分，提高作物品质增强抗性，氮硫协同增效；SCU的包膜厚度通常为30μm，不会迅速氧化，硫的粒径为10μm左右，更易于施用当年转化成作物可吸收的硫酸盐，翻动土壤会使硫包膜破裂成小颗粒；能够满足农作物生长对不同养分的需求，持续供应作物氮营养，多种养分释放模式调节，满足不同作物不同生育阶段的养分需求，使作物稳健生长；减少肥料损失，减少淋洗，减少挥发，且低碳环保，肥料利用率高，减少肥料用量，节肥节能，例如，水稻、尿素的利用率为30%，而SCU的利用率为50%～60%；增产效果明显，通过肥料外包膜控制养分释放，使作物养分供应平稳有规律，促进农作物稳产高产；省时省力，可以解放劳动力；长期使用可以改善土壤，养分释放完后的空壳既可蓄水保墒，又能起到通气保肥作用，使长期板结的土壤变得疏松；施用安全，低盐分指数，不会烧苗，减少氮素在土壤中累积，降低其盐渍化程度；杀虫、抑制病菌，提高土壤和植物抗性；可作为掺混肥料的原料，提供缓释氮源，消除普通尿素吸湿结块，防止与其他原料反应，提高了可混性，扩大了配伍范围。

与聚合物包膜肥料相比，其膜材本身具有可降解性，是植物必需的中量营养元素，不存在二次污染。与抑制剂型稳定性尿素相比，硫本身具有一定的杀虫抑菌作用，但不会与其他脲酶抑制剂或硝化抑制剂一样，在抑制靶标菌的同时，可能存在抑制其他有益菌活性的风险。

四、硫包衣肥料的选购与施用

1.硫包衣尿素国家标准

国家在2012年制定并实施的硫包衣尿素标准（表1-1）。在选择硫包衣肥料时，需要首先按照该标准判断所选择的肥料是否符合国家标准的要求。

2.多肽尿素与硫包衣尿素的区别

多肽尿素与硫包衣尿素很相似，都有黄色的外观，很多农民都难以分辨，可通过如下方法区别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属蛋白酶（此物质是一种促进植物吸收的酶），本身金属蛋白酶是一种无色无味的物体，加入什么颜色就会形成什么颜色的产品。金属蛋白酶能促进作物对养分的吸收、加速植物提前早熟，进而达到增产、增收的效果。

其作用原理是：作物通过光合作用和酶的作用将养分吸收加工成单糖，再通过酶的作用形成多糖进而形成植物纤维，生成果实。作物本身就会产生酶，那为什么还要加入酶呢？加入酶是为了促进植物的加快发育，减少作物为了生成酶消耗能量，防止作物提前衰老。金属蛋白酶本身就是一种重金属，在种子周围形成带电离子场，加快氮、磷、钾离子的运动速度，通过渗透进入作物细胞膜，这就是为什么能促进氮、磷、钾的吸收。现行市场流传着加入一种氨基酸就叫多肽尿素的说法，氨基酸它是一种营养物质，并不能代替酶。氨基酸和酶是两种概念，所以大家一定要注意多肽尿素里面的成分。

其二，硫包衣尿素这种产品在市场上更加混乱，以假乱真、以次充好的现象遍布全国，有的更是涂点黄色就叫硫包衣。我国推行的硫包衣尿素国家标准为GB 29401—2012。只有符合国家标准规定和要求的肥料才能称得上合格产品。