使用化肥是糧食增產的有效方法和常用手段，目前全世界每年化肥的使用量已高達 4 ×108噸。 然而化肥在應用過程中，存在干旱土壤中不能完全釋放、大量降雨或不正確的灌溉條件下易于流失、失效及相應產生的土壤退化和環境污染等問題[1 ~3],已經引起了人們的廣泛重視。 開發和發展控緩釋化肥已成為當今應用科學研究的熱點。

控釋（ control release） 化肥是一種專門設計的化肥，這種化肥以一種控制、緩慢與植物所需養料需求同步的方式釋放化肥的活性養分，進而提高化肥的利用率。 理想的控釋化肥以一種天然或者半天然的環境友好的高分子材料作為包衣層，以緩慢的方式釋放化肥，以便能同步地滿足植物生長所需的養分[4]. 目前市場上已有一些控釋化肥產品，但這些所謂的控釋化肥實際上絕大多數是緩釋（ slow release） 化肥，或緩效化肥。 緩釋化肥是指在土壤溶液中具有相對低的溶解度的化肥，它們溶解緩慢，使其養分能逐步地被作物所利用。 本文采用控緩釋化肥這一廣泛接受的術語統一控釋化肥和緩釋化肥。

控緩釋化肥的分類方法很多，通常根據其生產方法可分為化學法制得的控緩釋化肥和物理法制得的控緩釋化肥兩大類[4 ~7]. 化學法制得的控緩釋化肥主要是指尿素與有機化合物經縮合反應生成的微溶性含氮化合物，如脲甲醛[8]、異丁叉二脲[9]、三嗪酮[10]、脲乙醛[5]、草酰胺[11]等。 物理法制得的控緩釋化肥可分為： （ 1） 限制溶解類緩釋尿素，包括大顆粒尿素、添加阻溶類物質（ 如向尿素熔融液中添加含銅化合物、含鋅化合物等）的緩釋尿素和表面包膜尿素； （ 2） 抑制分解類緩釋尿素[12],包括添加脲酶活性抑制劑的緩釋尿素、添加硝化抑制劑的緩釋尿素以及同時添加脲酶抑制劑和硝化抑制劑的緩釋尿素。 此外，還有以釋放方式進行分類的，例如擴散、侵蝕、化學反應、溶脹和滲透等[13].目前，控緩釋化肥中研究最多的當屬表面包膜化肥。 表面包膜化肥是一種具有核殼結構的控緩釋化肥。 核芯是由高濃度的化肥養分庫組成，便于提供植物生長所需的養分。 包膜是一層具有控緩釋特性的成膜材料，可以通過一定的技術手段對包膜進行修飾改造，制備出能與作物養分需求同步的控釋化肥。 所以包膜材料的選擇是實現養分的控制釋放首要考慮的關鍵問題。

本文綜述了控緩釋包膜化肥的發展前景與面臨的問題。 從控緩釋機理、包膜材料的結構等基礎理論出發，探討了高分子類包膜控緩釋化肥的特性和制備工藝的發展歷程，揭示了目前研究開發應用中所面臨的難題，同時也介紹了一些最新研究成果，并展望了未來的發展方向。

1 化肥的控緩釋機理

熟知控緩釋化肥的控緩釋機理對把握化肥的控緩釋規律有著重要的作用，也是控緩釋化肥開發應用的前提。 由于包膜材料的多種多樣，土壤環境條件的差異以及加工方法的迥異，關于包膜化肥養分的釋放機理并不統一，控緩釋機理也在不斷發展之中。

Shaviv 等[14]總結了前人的研究成果，提出了控緩釋化肥的多級擴散模型，該模型已被大多數科技工作者所接受。 他們把包膜尿素的養分釋放過程描述為以下幾個階段（ 見圖 1） . 水蒸汽通過滲透作用穿過控緩釋膜層； 水蒸汽在顆粒表面凝結并部分溶解尿素； 水分子的不斷進入使化肥顆粒的體積增大，進而形成包膜內部壓力。 此時，有2 種可能的釋放機理，一種是“崩潰”機理 （ failuremechanism） ,也被稱為“突變失效”（ catastrophicrelease） ,導致養分的立即快速釋放； 另一種是擴散機理（ diffusion mechanism） ,促使養分的逐漸緩慢釋放。 圖 1 給出了 2 種機理的示意圖。

養分的釋放速率依賴于環境溫度和濕度。 溫度和濕度越高，養分的釋放就越快[7]. 簡而言之，包衣化肥的養分釋放是在水分的驅動下，養分從化肥與包衣的交界面轉移到包衣與土壤的交界面。

1. 1 “崩潰”機理

“崩潰”機理常見于脆而無彈性的無機物包膜化肥中，比如硫磺包膜尿素。 Raban 等[15]在研究改性硫磺包膜尿素顆粒在水中的釋放行為時，提出了包膜尿素養分釋放的“崩潰”機理。 釋放過程始于水蒸汽穿透包衣膜，而蒸汽壓力梯度、包衣厚度和包衣材料的結構決定了水蒸汽的透過速率。 水蒸汽進入后，凝結的同時開始溶解化肥顆粒，化肥顆粒吸水后體積膨脹形成包膜內部壓力。

當不斷增大的包膜內部壓力達到包衣材料本身所能承受的最大壓力時，就會引起包衣的爆裂，包膜的瞬間破壞導致了養分的快速釋放?！氨罎ⅰ睓C理所主導的養分釋放表現出的是一種“L”型的瞬間釋放曲線。 如圖 2 中虛線所示。

1. 2 擴散機理

聚乙烯等高分子材料包膜化肥的養分釋放行為被認為是一種擴散釋放機理。 Raban 等[14,15]對高分子材料包膜尿素在水中釋放行為進行研究，反復觀察試驗的結果表明整個釋放過程包含 3 個階段： （ 1） 幾乎沒有釋放的起始階段（ 滯后期） ;（ 2） 持續釋放階段（ 恒速釋放期） ; （ 3） 不斷衰減的釋放階段（ 衰退期） .在滯后期，在包衣膜兩側的水蒸氣壓力梯度的驅動下，水蒸汽不斷滲透進入包衣顆粒并溶解部分化肥，水蒸汽的連續不斷地滲入，引起核芯的體積持續膨脹增大，直到凝結水充滿顆粒本身的內部間隙和包膜與核芯之間的空隙。 滯后期的時間長短是由凝結水填充顆粒內部所有間隙的快慢所決定的。第二個階段，核芯的體積增大到一定程度后，溶解的肥料形成一定濃度的飽和溶液。 在包膜內外養分濃度差的驅動下，養分開始釋放，這是一個穩定的養分持續釋放的階段。 只要包膜化肥內部的飽和溶液與剩余固體顆粒之間保持平穩的質傳遞，釋放速率就會保持不變。 恒定的內外濃度差誘導產生一個穩定的驅動力來推動養分的轉移。 在這個階段核芯的體積基本保持不變，這是因為養分轉移后留下的間隙被不斷進入核芯的水分所填充。

隨著養分的不斷釋放，當化肥顆粒完全溶解后，核芯內部的濃度逐漸降低，導致驅動力不斷減小，促使進程進入衰減期，這時會產生一種拖尾現象。 擴散機理所主導的養分釋放表現出的是一種“S”型釋放曲線，這種釋放型式與植物整個生長過程中養分需求的規律較為貼近。 如圖 2 中實線所示。

1. 3 其他機理

近年來，吸水樹脂等吸水保水劑應用于化肥緩釋引起了研究者的注意。 新的控緩釋體系的構建，迫切要求新的控緩釋機理來解釋化肥養分的釋放過程。 2008 年，蘭州大學的柳明珠等[16]制備了以殼聚糖為內層包膜、添加有少量尿素的吸水樹脂為外層包膜的雙層包膜控緩釋化肥，他在前人的工作的基礎上，將該包膜化肥的養分釋放過程描述為以下幾個階段： （ 1） 土壤中的水分滲透進入吸水樹脂的外層包膜； （ 2） 吸水樹脂吸水溶脹后轉變成水凝膠，這樣就實現了土壤中的水分和水凝膠中的自由水的動態交換； （ 3） 尿素溶解到水凝膠的網狀結構中，并通過動態的水交換從水凝膠中不斷釋放出去； （ 4） 外層的吸水樹脂的自由水遷移到殼聚糖的中間層，殼聚糖中間層在初期形成孔洞，后期不斷降解； （ 5） 水分通過這些極小的孔道進入復合肥的核芯并不斷地溶解化肥； （ 6） 溶解的復合化肥通過擴散作用穿過殼聚糖中間層進入吸水樹脂層，最后通過自由水的動態交換達到養分釋放到土壤中的目的。因此，核芯中的養分必須穿過可生物降解的殼聚糖層和吸水溶脹后的水凝膠包衣層，才能實現養分釋放的目的。 外層水凝膠包衣不僅能調節尿素的釋放行為，而且能減少爆裂效應。 同時，水凝膠層的尿素在養分釋放的滯后期有明顯的緩慢釋放的效應，能夠滿足作物在這個階段的養分需求。 雙層包衣吸水保水緩釋化肥的養分釋放機理如圖 3.

2 控緩釋化肥的制備及材料

控緩釋化肥經歷了約半個世紀的發展，所選用的包膜材料經歷了由無機物到有機物、由非降解材料到環境友好材料、由功能單一材料到功能多樣性的復合材料的轉變。 硫磺是最早被用作尿素包衣的緩釋材料。 為了減少在儲藏、運輸和使用等過程中造成的機械破損和降解[17],在硫磺包衣的外層再包一層聚合物，這樣形成的次級包衣可以用來保護硫磺包衣，提高緩釋效率。 聚氯乙烯、聚丙烯酰胺、天然橡膠和聚乳酸都可作為包衣材料，用來制備控緩釋化肥，但是包衣材料的額外成本，高分子包衣涉及到有機溶劑的使用，會引起有害氣體的排放和溶劑的回收成本，這些難題都限制其工業化的大規模生產。 為了應對這些問題，高分子的水溶液開始應用到這一領域。 其中天然高分子，如淀粉，纖維素，甲殼素等因其可生物降解的環保特性引起了廣泛興趣。 隨著農業生產的需要，吸水性材料也逐步被引入控緩釋化肥領域中，不僅能控緩釋化肥養分，而且還具有吸水保水能力。