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近日,我校資源環境學院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)在線發表了題爲“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爲原料制備緩/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多個權威微信公衆號進行報道。(DOI: 10.1002/cssc.202000455,論文鏈接地址爲:https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202000455)。



化肥是糧食的“糧食”,化肥的使用爲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,而且危及農産品質量安全,總量控制、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産中亟待解決的問題。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应用于多種作物和土壤环境。事實上,從改造肥料的保肥供肥性能來講,如研制緩/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。當前限制緩/控釋肥料研發和推廣應用的卡脖子問題在于成本高,其科學問題在于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制備出緩/控釋肥料。木质素,一種理想的制备新型材料基料,尤其是在緩/控釋肥料領域。此外,木質素作爲一類植物源有機高分子聚合物,可以改善土壤物化性质,例如改良土壤结构,促进团粒结构的形成,从而增加土壤的疏松性,改善土壤的通气性和透水性。在干旱區,有机质通过改善土壤粘性,降低土壤的胀缩性,防止土壤干旱时出现的大的裂隙。樊小林教授課題組綜述了以木質素爲原料制備緩/控釋肥料的研究進展和緩釋機理分析,並提出了面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爲原料制備緩/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,討論了不同制備方法對肥料養分釋放的影響 (圖1。系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,並對其用于包膜顆粒肥料制備的新型木質素基/控釋肥料的养分释放机理进行总结。此外,还总结了木质素作为一类妇彫羟基的高分子化合物螯合金属离子的机理和效果,以此制备螯合微肥,使其减緩微量元素在土壤中的释放速度,提高养分利用效率。


1木质素基緩/控釋肥料的研发思路


最后,作者探讨了以木质素制备緩/控釋肥料应用中所面临的挑战,并展望了未来的研究方向。相對于其它两種緩/控釋肥料而言以包膜涂层形式研发的包膜緩/控釋肥料是最有前景的一種方法。包膜肥公认能明显提高养分利用率的肥料,其由核心肥料与包膜层两部分构成,其中疏水包膜层可以防止肥料迅速溶解而流失(圖2)。此外,膜层上的微孔供水分进入包膜内溶解肥料,以延緩养分释放,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 包膜肥延緩养分释放的机制


展望:木質素研制材料涉及領域廣泛,但主要集中于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,以木質素爲原料制備新型/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。


论文的第一作者为碩士研究生陈静,论文的通讯作者为孙少龙教授。该综述论文得到了国家重点研发计划项目特色经济作物化肥农药减施技术集成研究与示范(2018YFD0201100)和農業部國家香蕉産業技術體系崗位專家(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