樊小林教授課題組發表木質素基緩/控釋肥料研究進展綜述論文

审核发布:宣传部 梁辉 来源单位及审核人: 资源环境学院 刘运春 發布時間:2020-06-11浏覽次數:2110

  近日,我校资源环境学院樊小林教授课题组在国际主流学术期刊ChemSusChem(化学1区,IF=8.13)在线发表了题为“Research Progress in Lignin‐Based Slow/Controlled Release Fertilizer”的综述论文,总结了以价格低廉且环境友好的工业木质素为原料制备缓/控释肥料的方法和原理,并进行了展望。论文一经发表,先后受邀在BioArt植物、土壤观察、生物质前言、AdvancedScienceNews等多个权威微信公众号进行了报道。(DOI: 10.1002/cssc.202000455)论文链接地址为: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、施肥技術改進等多種途徑提高肥料利用率,但其無法大範圍應用于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。木質素,一種理想的制備新型材料基料,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,從而增加土壤的疏松性,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。

 


  樊小林教授课题组在介绍天然木质素和工业木质素化学结构的基础上,总结了以价格低廉且环境友好的工业木质素为原料制备缓/控释肥料的方法,即化学修饰法(氨化氧化、曼尼希反应等)、包膜法(物理和化学)和螯合法,讨论了不同制备方法对肥料养分释放的影响 (图1)。系统总结了不同化学修饰法将肥料元素N、P、K接枝到木质素高分子结构中的机理,使其在土壤中缓慢降解达到养分缓慢释放的目的。对采用不同物理和化学法修饰木质素以研发出缓释包膜层进行分类和评估,并对其用于包膜颗粒肥料制备的新型木质素基缓/控释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富含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,使其减缓微量元素在土壤中的释放速度,提高养分利用效率。

 

  最後,作者探討了以木質素制備緩/控釋肥料應用中所面臨的挑戰,並展望了未來的研究方向。相對于其它兩種緩/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。包膜肥是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,包膜肥可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。

  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緩/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。

  論文的第一作者爲碩士研究生陳靜,論文的通訊作者爲孫少龍教授。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。(图/ 资源环境学院 张立丹)


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