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近日,我校甘肃快三樊小林教授課題組在國際主流學術期刊ChemSusChem(化學1區,IF=8.13)在線發表了題為“Research Progress in Lignin‐Based Slow/Controlled Release Fertilizer的綜述論文,總結了以價格低廉且環境友好的工業木質素為原料製備緩/控釋肥料的方法和原理,並進行了展望。論文一經發表,先後受邀在BioArt植物、土壤觀察、生物質前言、AdvancedScienceNews多個權威微信公眾號進行報道。(DOI: 10.1002/cssc.202000455,論文鏈接地址為:https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202000455)。



化肥是糧食的“糧食”,化肥的使用為我國糧食連續豐收立下“汗馬功勞”。然而,我國化肥使用存在過量使用、盲目使用的問題,不但損耗基礎地力,增加種糧成本,而且危及農產品質量安全,總量控製、科學施肥勢在必行。其中,就如何提高傳統肥料利用率,減少環境汙染是目前國內外農業生產中亟待解決的問題。研究表明,盡管可以從新品種培育、施肥技術改進等途徑提高肥料利用率但其無法大範圍應用於多種作物和土壤環境。事實上,從改造肥料的保肥供肥性能來講,如研製緩/控釋肥,則是解決肥料利用率低和有效防止肥料環境汙染的有效途徑。當前限製緩/控釋肥料研發和推廣應用的卡脖子問題在於成本高,其科學問題在於廉價優質材料的合理構建,即如何采用價格低廉且環境友好的材料製備出緩/控釋肥料。木質素,一種理想的製備新型材料基料,尤其是在緩/控釋肥料領域。此外,木質素作為一類植物源有機高分子聚合物,可以改善土壤物化性質,例如改良土壤結構,促進團粒結構的形成,從而增加土壤的疏鬆性,改善土壤的通氣性和透水性。在幹旱區,有機質通過改善土壤粘性,降低土壤的脹縮性,防止土壤幹旱時出現的大的裂隙。樊小林教授課題組綜述了以木質素為原料製備緩/控釋肥料的研究進展和緩釋機理分析,並提出了麵臨的挑戰及對未來發展的展望,以期實現木質素在農業領域的增值。


樊小林教授課題組在介紹天然木質素和工業木質素化學結構的基礎上,總結了以價格低廉且環境友好的工業木質素為原料製備緩/控釋肥料的方法,即化學修飾法(氨化氧化、曼尼希反應等)、包膜法(物理和化學)和螯合法,討論了不同製備方法對肥料養分釋放的影響 (圖1。係統總結了不同化學修飾法將肥料元素NPK接枝到木質素高分子結構中的機理,使其在土壤中緩慢降解達到養分緩慢釋放的目的。對采用不同物理和化學法修飾木質素以研發出緩釋包膜層進行分類和評估,並對其用於包膜顆粒肥料製備的新型木質素基/控釋肥料的養分釋放機理進行總結。此外,還總結了木質素作為一類富含羥基的高分子化合物螯合金屬離子的機理和效果,以此製備螯合微肥,使其減緩微量元素在土壤中的釋放速度,提高養分利用效率。


1木質素基緩/控釋肥料的研發思路


最後,作者探討了以木質素製備緩/控釋肥料應用中所麵臨的挑戰,並展望了未來的研究方向。相對於其它兩種緩/控釋肥料而言以包膜塗層形式研發的包膜緩/控釋肥料是最有前景的一種方法。包膜肥公認能明顯提高養分利用率的肥料,其由核心肥料與包膜層兩部分構成,其中疏水包膜層可以防止肥料迅速溶解而流失(圖2)。此外,膜層上的微孔供水分進入包膜內溶解肥料,以延緩養分釋放,從而提高肥料的利用率減少養分流失和環境汙染。同時包膜一次或少次施用而滿足作物整個生育期的需求,適應了現代農業勞動力短缺對肥料和施肥的輕簡要求


2 包膜肥延緩養分釋放的機製


展望:木質素研製材料涉及領域廣泛,但主要集中於生物質化學和材料領域,很少有農業領域專家對其進行研究。因此,以木質素為原料製備新型/控釋肥料需要化學、材料和農業等等領域的研究人員共同努力,以推進各個領域的共同發展。


論文的第一作者為碩士研究生陳靜,論文的通訊作者為孫少龍教授。該綜述論文得到了國家重點研發計劃項目特色經濟作物化肥農藥減施技術集成研究與示範(2018YFD0201100)和農業部國家香蕉產業技術體係崗位專家(CARS-31)項目的資助。


Chen, J., Fan, X. L, Zhang, L. D, Chen, X. J, Sun, S. L,* & Sun, R. C. (2020). Research progress in lignin‐based slow/controlled release fertilizer. ChemSusChem. DOI: 10.1002/cssc.202000455