用于控制尿素氮释放的等离子体改性可生物降解涂层

在不污染水体的情况下为作物供肥

现代农业在很大程度上依赖氮肥来生产我们吃的食物，但大量氮并未到达作物体内。它以气体形式逸散或随水流入河流和地下水，可能助长藻类繁生并加剧气候变暖排放。本研究探讨了一种新型“智能”肥料涂层，采用可生物降解的塑料并结合一种温和的电学处理——等离子体，旨在让氮在土壤中停留更久、在植物需要时释放，并在之后安全降解。

为什么普通肥料会浪费氮

常规尿素肥料成本低、效果强，但在遇到潮湿土壤后会迅速溶解。短短几天内，其氮转化为可被作物吸收或通过淋洗和气体散失而流失的形式。农民常常通过多施肥来对冲这些损失，从而增加成本和环境危害。早期的缓释产品尝试通过用耐久合成塑料包裹尿素来解决这一问题。虽然这些涂层确实延缓了释放，但它们不易降解，可能在土壤中积累并导致微塑料污染。

在每粒肥料周围包裹新的可降解外壳

研究人员通过开发由两种广为人知的可生物降解塑料（PBS 和 PCL）制成的涂层来应对这一折衷。这些塑料单独使用时相容性差，容易形成薄弱、斑驳的膜。为增强涂层，团队加入了一种小分子 MDI，将高分子链连接起来，然后用等离子体处理表面，使其轻微粗化并引入亲水化学基团。探测原子排列的实验技术显示，这些处理使塑料的结晶度降低、互联性增强，形成了更紧密但仍可生物降解的每粒尿素包壳。

通过土柱追踪氮的迁移

为了观察这些涂层在逼真条件下的表现，团队在透明土柱中装土，加入未包覆的尿素或包覆不同版本可降解薄膜的尿素。在 90 天内，他们定期向土柱灌水以模拟降雨，并测量以两种关键形式流失的氮量：铵态氮（尿素溶解后早期出现）和硝态氮（后期形成且易被淋洗）。在未包覆处理组中，铵态氮在五天内出现峰值，随后在第 45 天左右几乎消失，而硝态氮在约第 30 天达到峰值。相比之下，所有包覆肥料将氮的释放延展到将近三个月，峰值大约移至第 70 天左右，第 85 天仍可检测到可观的氮量。

等离子体处理与交联可微调释放特性

不同的涂层配方产生了不同的释放曲线。仅用 MDI 加强的薄膜能够更长时间地保留氮，在试验后期保持铵态氮和总氮的可用性。经等离子体处理的薄膜更易被水润湿，释放时间稍早，但仍远比裸尿素缓慢。最先进的版本结合了 MDI 与等离子体，呈现出平衡的释放特征：避免了裸尿素的早期爆发，同时在整个 90 天试验中维持铵态氮和硝态氮的稳定释放。当研究者用数学模型拟合数据时，所有包覆肥料都呈现出一个平滑的 S 型曲线——先滞后、随后受控上升、最终缓慢趋于平台期，这符合将肥料供应与作物需氮相匹配的理想模式。

对田地与水系的意义

对非专业读者而言，这些结果表明一种更像慢速融化冰块而非速溶糖的肥料。可生物降解的涂层防止氮迅速大量流失，在数周内持续为作物供肥，而不是几天内释放完毕，从而减少排入环境的那部分氮。由于塑料外壳被设计为可降解，它避免了持久聚合物碎片在土壤中长期积累。尽管其经济性仍需在农场规模上检验，该研究表明，经过精心设计并经等离子体改性的可降解涂层可以让氮肥对农户更高效、对地球更温和。

引用: Chung, W., Choi, J., Song, JS. et al. Plasma-modified biodegradable coatings for controlled nitrogen release from urea. Sci Rep 16, 10516 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-23866-3

关键词: 缓释肥料, 可生物降解涂层, 氮淋洗, 尿素肥料, 表面等离子体处理