近日，华南农业大学资源环境学院樊小林教授团队在ChemSusChem（化学1区，IF=8.130） 发表了题为Research Progress in Lignin‐Based Slow/Controlled Release Fertilizer的综述论文，总结了以工业木质素为原料基料研发缓/控释肥料的方法和原理，并进行了展望 。
肥料是植物的粮食，是直接或间接供给作物所需养分，改善土壤性状，以提高作物产量和品质的物质。众所周知，我国是一个肥料消耗大国。2017年数据显示，我国的化肥用量大约占到了全球化肥用量的1/3。同时，在未来的30年，我国的化肥用量仍将与粮食总产量呈现平行增加的趋势。尽管大量化肥施用满足了国民对粮食的需求，但我国仍然存在严峻的过量和不合理施用化肥现象，从而导致一系列生态环境污染问题，例如水体的富营养化、土壤酸化、大气污染等。造成上述污染现象的主要原因在于大多数常规肥料 （例如尿素等） 遇水易溶解流失或挥发，从而导致其化肥利用率低。因此，如何提高肥料利用率是解决当前农业、环境等方面遇到的共性问题，至关重要且迫在眉睫。从改造肥料的保肥供肥性能来讲，缓/控释肥的研发和应用则是解决肥料利用率低和有效防止肥料环境污染的有效途径。当前限制缓/控释肥料研发和推广应用的卡脖子问题在于成本高，其科学问题在于廉价优质材料的合理构建。换句话说，即如何采用价格低廉且环境友好的材料制备出优质的缓/控释肥料。事实上，木质素作为一类植物源有机高分子聚合物，是理想的制备缓/控释肥料基料。华南农业大学樊小林教授团队综述了近年来以木质素为原料制备缓/控释肥料的相关研究，并提出了面临的挑战及对未来发展的展望，以期实现木质素在农业领域的增值。
樊小林教授团队首先对木质素化学结构和应用领域进行了简单介绍。在此基础上，总结了以木质素为原料制备缓/控释肥料的方法，包括化学修饰法 （氨化氧化、曼尼希反应等） 、包膜法 （物理和化学） 和螯合法，并对比了不同制备方法对养分释放的影响 （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和影响，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在对其进行多种修饰后，可增加螯合金属离子含量的机理，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。
图1 木质素基缓/控释肥料的研发思路
基于以上总结，作者探讨了以木质素为原料在制备缓/控释肥料应用中所面临的挑战，并展望了未来的研究方向。相对于其它两种缓/控释肥料而言 （即化学修饰法和螯合法） ，以包膜涂层形式研制的包膜缓/控释肥料 （由核心肥料与包膜层两部分构成） 是最有前景的一种方法，主要是由于疏水包膜层可以防止肥料迅速溶解而流失 （图2） 。此外，膜层上的微孔供水分进入包膜内溶解肥料，以延缓养分释放，从而提高肥料的利用率，最终达到保护生态环境的目的。
图2 包膜肥延缓养分释放的机制
展望：肥料研发主要涉及化工领域。然而，随着社会的发展，对肥料研发也提出了多方面要求，例如新型缓/控释肥料的低成本等。将生物质领域木质素引入到化工和农业领域必然需要多学科交叉。因此，以木质素为原料研发新型缓/控释肥料需要化学、材料和农业等领域的研究人员共同努力和合作，推进多个领域的共同发展。
论文的第一作者为硕士研究生陈静，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 和农业部国家香蕉产业技术体系岗位专家 项目的资助。
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。
论文链接：
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202000455
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