緩/控釋化學(xué)肥料研究進(jìn)展

趙 蕓，丁曉麗，范東升，趙彥梁，苗志偉，

(1.南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院 元素有機(jī)化學(xué)國家重點實驗室，天津 300071；2.喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844006)

中國是世界上最主要的化肥生產(chǎn)與施用大國。近年來，我國化肥工業(yè)飛速發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品需求的激增導(dǎo)致化肥的需求量急速增長。有關(guān)資料顯示，我國化肥平均施用量為 346.5 kg/hm2，超過歐美國家的2倍，遠(yuǎn)超國際標(biāo)準(zhǔn)，肥料利用率低于40%。據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計，糧食增產(chǎn)50%以上的貢獻(xiàn)來自肥料的使用?；实拇罅渴褂脻M足了人類對糧食的需求，但是普通化肥的大量施用，不僅會引起農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的降低，還會引起土壤板結(jié)、水體富營養(yǎng)化、大氣污染等環(huán)境問題。緩/控釋化學(xué)肥料因施用量小、肥效利用率高、改良土壤環(huán)境等優(yōu)點，受到了研究人員的廣泛關(guān)注[1,2]。

我國化肥利用率低下的原因之一，是化肥在施用到土壤后不能被作物有效吸收。施用到土壤中的化肥一部分下沉形成固氮(約40.59%)，一部分通過地表蒸發(fā)進(jìn)入大氣環(huán)境中(約22.72%)，被作物正常吸收部分僅占26.17%，另外，田間雜草吸收10.50%(見圖1)。為了使肥料養(yǎng)分釋放時間以及強(qiáng)度和作物的需求達(dá)到平衡，必須對肥料養(yǎng)分的釋放進(jìn)行有效控制，讓肥料釋放養(yǎng)分的時間和強(qiáng)度與作物的養(yǎng)分吸收規(guī)律相吻合，保證植物的養(yǎng)分供給，提高作物產(chǎn)量。

圖1 化肥利用率扇形圖

1 緩/控釋化學(xué)肥料

1.1 緩/控釋化學(xué)肥料的概念與區(qū)別

廣義來說，緩/控釋化學(xué)肥料是指其營養(yǎng)釋放速度相對遲緩，釋放時間可控，釋放期較普通化肥更長，且在作物生長的全部時期都能滿足其生長所需營養(yǎng)的肥料。國際糧農(nóng)組織將“緩釋肥”(Slow release fertilizers，SRFs)定義為以物理或化合物形式存在的、營養(yǎng)成分能緩慢地被農(nóng)作物吸收，并且能使其有效性延長的高效肥料。“控釋肥”(Controlled availability fertilizers，CAFs)的定義為不僅能夠緩慢釋放，其養(yǎng)分的釋放速率受植物本身生長的影響，即作物對養(yǎng)分的需求與養(yǎng)分釋放速度基本保持一致[3]。

狹義上“緩釋肥”與“控釋肥”各自具有不同的定義，緩釋肥又稱長效肥，通過在普通肥料表面包裹一層特殊的材質(zhì)，達(dá)到降低養(yǎng)分釋放速率的效果，使得養(yǎng)分能夠滿足農(nóng)作物在生長期的需求?？蒯尫适歉冗M(jìn)的緩釋肥，是指通過更加有效的包膜材質(zhì)，滿足農(nóng)作物在不同生長時期對養(yǎng)分不同含量的需求，即需求多少，釋放多少，使得肥料的利用率更加高效[4]。

1.2 緩/控釋化學(xué)肥料的標(biāo)準(zhǔn)

1997年，歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(European Standards Committee，CEN)公布了緩釋肥料(TC260/WG4/TFsrf)的標(biāo)準(zhǔn)[5]，若在25C下養(yǎng)分釋放能滿足以下條件，則該肥料為緩釋肥料：①24h養(yǎng)分釋放不超過15%；②28d養(yǎng)分釋放不超過75%；③在植物生長周期規(guī)定的時間內(nèi)，肥料養(yǎng)分至少有75%的釋放量。根據(jù)緩/控釋化學(xué)肥料的控釋原理，主要分為物理法、化學(xué)法和生物法三類。

2 緩/控釋化學(xué)肥料類型

2.1 物理法緩/控釋化學(xué)肥料

物理法緩/控釋化學(xué)肥料主要是應(yīng)用物理障礙因素阻礙水溶性肥料與土壤中水的接觸, 從而達(dá)到養(yǎng)分控釋的目的。這類肥料以親水性聚合物包裹肥料顆?；虬芽扇苄曰钚晕镔|(zhì)分散于基質(zhì)中，通過簡單微囊法和整體法的物理過程處理肥料，從而達(dá)到緩釋目的。

早在1907年，國外就提出包膜肥的設(shè)想，1961年TVA公司選用硫包膜，瀝青二次包膜制備出抗水性優(yōu)良的包膜肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]。其中，單體硫作為涂層，能包裹肥料中的養(yǎng)分，同時，硫在空氣中被緩慢氧化的過程，也是涂層內(nèi)養(yǎng)分釋放的過程，硫變成硫酸鹽被作物吸收。該薄膜肥價格低廉，能有效控制肥料的成本[7](見圖2)。

圖2 硫包膜化肥示意

我國的農(nóng)業(yè)專家同樣在薄膜肥領(lǐng)域開展研究工作，2014年，王晶[8]利用具有緩釋作用的殼聚糖作為薄膜材料制備包膜肥，探究其緩釋性能。表征結(jié)果顯示，當(dāng)選用殼聚糖、殼聚糖-戊二醛雙層包膜時，化肥緩釋效果最好，24h氮釋放量為43.1%，28d累積氮含量釋放超過60%。

2018年，王海燕[9]利用聚乳酸作為包膜材料包埋無機(jī)肥，研究其緩釋性能。研究結(jié)果表明，所制備的緩釋肥在24h養(yǎng)分釋放量為3.4%，28d后釋放量為45.1%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23348-2009規(guī)定的24h和28d養(yǎng)分釋放率分別不超過15%和75%的要求。利用聚乳酸包膜材料制成的緩釋肥緩釋周期可達(dá)到歐美緩釋肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基本符合作物生長的需肥曲線，能滿足作物的生長需求。同時，聚乳酸可在微生物作用下，緩慢分解成二氧化碳和水，極大地降低了環(huán)境污染。該包膜肥的缺點是聚乳酸價格比較昂貴，需要進(jìn)一步優(yōu)化聚乳酸的生產(chǎn)工藝，以降低成本，滿足包膜肥的生產(chǎn)需求。

2007年，王茹芳等[10]研究了摻混型緩釋肥對小麥的影響。結(jié)果表明，施用摻混型緩釋肥較常規(guī)化肥，能增產(chǎn)24 %，同時使小麥中氨基酸含量提高了21%，可溶性糖含量超過50%。研究發(fā)現(xiàn)，通過使用摻混速效肥和緩釋肥，有效控制了氮素的釋放速率，提高了養(yǎng)分的利用率，從而改善作物品質(zhì)。

包膜控釋肥養(yǎng)分控釋效果好, 我國開發(fā)的包膜肥主要集中于氮肥，但氮素被包裹后往往導(dǎo)致作物生長前期養(yǎng)分不足，如果在使用速效氮肥的同時，配合磷肥和鉀肥共同使用，效果更好[11]。

2.2 化學(xué)法緩/控釋化學(xué)肥料

化學(xué)法緩/控釋化學(xué)肥料主要通過化學(xué)合成方法生產(chǎn)緩溶性或難溶性的肥料, 將肥料直接或間接地以共價鍵或離子鍵形式添加到預(yù)先形成的聚合物上，構(gòu)成新型緩釋肥料聚合物。

2016年，曲均峰等[12]對比了含不同氮比例的脲醛緩釋肥與普通復(fù)合肥的肥效，研究表明，在減少20%脲醛緩釋肥施用量時，能小幅提高小麥的產(chǎn)量，肥效的綜合利用率得到明顯提升。同時，研究指出，當(dāng)脲醛中氮比例增加時，肥料的時效明顯延長，使用脲醛緩釋肥明顯增加了小麥的有效穗數(shù)，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

2017年，楊軍芳等[13]研究了脲甲醛緩釋肥對小麥產(chǎn)量的影響，研究結(jié)果表明，在施用等量養(yǎng)分的條件下，脲甲醛與尿素(質(zhì)量比1:1)1次底施與普通復(fù)合肥3次施肥相比，小麥產(chǎn)量差別不大，但前者的養(yǎng)分利用率明顯超過后者。脲甲醛摻混肥能有效省時省工，降低肥料用量，但脲甲醛價格昂貴，限制了其大面積推廣使用。

2018年，苗志偉等[14]以磷酸和尿素為原料，通過聚合反應(yīng)合成了聚磷酸銨緩釋肥料，聚磷酸銨作為高濃度氮磷肥料，可以有效提高氮磷利用率，促進(jìn)作物吸收，降低化肥使用量，該研究成果為降低緩釋肥生產(chǎn)成本提供了新的選擇。聚合反應(yīng)的反應(yīng)方程式如下：

草酰胺(CONH2)2含氮量為31.8%，微溶于水，具有原料成本低、生產(chǎn)方法簡單、降解無毒等優(yōu)點，可用作緩釋肥。2015年，沈文忠等[15]報道在同等施肥量的條件下，草酰胺能促進(jìn)水稻增產(chǎn)1%～9%，當(dāng)草酰胺使用量降低30%時，單次施肥仍然能夠保證水稻產(chǎn)量無大幅降低，可以在水稻生產(chǎn)中有效降低化肥使用量和人工成本。

德國的緩釋肥產(chǎn)品“富勞利得”是利用丁烯叉二脲(CDU)與單質(zhì)肥料混合復(fù)配制得，經(jīng)試驗證明，CDU的后續(xù)肥效高于脲甲醛[16]。丁烯叉二脲是化工生產(chǎn)中常用的原料，生產(chǎn)成本較高，我國化學(xué)家陳昂以尿素和電石廠生產(chǎn)乙醛產(chǎn)生的廢液為原料，成功合成了純度較高的CDU，該工藝簡單易行，能變廢為寶，價廉環(huán)保[17]。

2.3 生物法緩/控釋化學(xué)肥料

生物法生產(chǎn)緩/控釋肥料工藝簡單，成本較低，但是單獨使用時養(yǎng)分控釋效果不穩(wěn)定, 肥效期較短, 往往需要借助于肥料的物理化學(xué)加工和化肥深施技術(shù)，才能獲得較好的施肥效果。

2011年，胡可等[18]研究菌劑加入緩釋肥中對土壤的影響。研究結(jié)果表明，菌劑與緩釋肥配施，能明顯改善土壤的微生物活性和均勻度，恢復(fù)和提高土壤的生態(tài)功能。而且，經(jīng)該肥料處理的高粱發(fā)芽率高于80%，對植物無毒無害。

2015年，陳序根等[19]利用酶硝化雙抑制劑制備的緩釋肥施用于番茄植株，研究者開發(fā)了兩類不同的緩釋肥：①加入雙氰胺(硝化抑制劑)和N-丁基硫代磷酰三胺(脲酶抑制劑)的緩釋肥(TSRF1)；②加入氫醌(脲酶抑制劑)和雙氰胺的緩釋肥(TSRF2)。這兩類緩釋肥均能有效降低氮素累積釋放量，而且能促進(jìn)營養(yǎng)成分的吸收，進(jìn)而提高氮、磷、鉀的利用率。其中，TSRF1能使番茄產(chǎn)量提高30%。

2015年，孫會峰等[20]研究了秸稈與緩釋肥配施對水稻氮素吸收量和產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，秸稈與緩釋肥配施有效穗數(shù)增加7.5%～23.6%，千粒重也有所提高，水稻增產(chǎn)13.4%～17.8%，稻粒中淀粉和氨基酸含量也明顯增多，氮素利用率提高至71.6%～77.6%，施用效果極佳。圖3中列出不同施肥方案下的水稻產(chǎn)量，其中，秸稈與緩釋肥配施對水稻增產(chǎn)效果明顯。

圖3 不同施肥方案下的水稻產(chǎn)量

3 不同類型緩/控釋化學(xué)肥料的應(yīng)用

提高化學(xué)肥料利用率的重要手段之一，是發(fā)展以緩/控釋肥為主的新型肥料，該肥料具有多營養(yǎng)、能夠全降解的特征，對比普通速溶性化學(xué)肥料，其在提高作物產(chǎn)量、改善果實品質(zhì)以及減少環(huán)境污染方面具有顯著效果。

2013年，朱國梁等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在施用等量的氮、磷、鉀養(yǎng)分的條件下，緩釋尿素(CRU)和緩釋肥(CRF)較常規(guī)復(fù)合肥(CF)能提高黃瓜的維生素C(Vc)含量和可溶性蛋白質(zhì)含量，并且能顯著降低硝酸鹽的含量，降低果實內(nèi)的硝酸積累，提高果實品質(zhì)。其中，CRF-B(緩釋周期為120d)的緩釋肥氮、磷、鉀的利用率最高，綜合效果最好。

2015年，黃振瑞等[22]研究了兩種緩釋肥T1(與常規(guī)肥等養(yǎng)分含量)和T2(較常規(guī)肥降低20%養(yǎng)分含量)對甘蔗生產(chǎn)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，T1在成熟期較常規(guī)施肥能顯著提高甘蔗干物質(zhì)積累量，T2較常規(guī)施肥能提高9%的氮素利用率。采用“一基一追”緩釋肥，有效提高了甘蔗產(chǎn)量，而且減少了一次施肥量。當(dāng)使用養(yǎng)分含量降低20%的緩釋肥時，甘蔗產(chǎn)量仍然不低于常規(guī)施肥。

2019年，周茂林等[23]在一次性施入等量氮肥的條件下，進(jìn)行玉米的田間試驗。研究表明，“沃夫特”、“百事達(dá)”、“史丹利”三種緩釋肥料較常規(guī)氮肥分別可增產(chǎn)11.03%、8.43%和3.84%，且能明顯提高植株高度。由此可見，選用適宜的緩釋肥能有效簡化施肥程序，提高生產(chǎn)效益。圖4顯示不同化肥處理下玉米產(chǎn)量比較結(jié)果。

圖4 不同化肥處理下玉米產(chǎn)量比較

注：折合產(chǎn)量/(kg/hm2)

4 結(jié)語

緩/控釋化學(xué)肥料的應(yīng)用已成為減少環(huán)境污染和提高化肥養(yǎng)分利用率的重要手段之一，緩/控釋化學(xué)肥料正在向著高效、環(huán)保、價格低廉、可降解等方向發(fā)展。未來緩/控釋化學(xué)肥料將主要圍繞以下三方面開展研究：①緩/控釋化學(xué)肥料的養(yǎng)分釋放周期與作物的生長周期能否吻合；②新型高分子緩/控釋化學(xué)肥料的研究與開發(fā)；③開發(fā)高養(yǎng)分含量緩/控釋化學(xué)肥料，有效提高氮磷利用率，促進(jìn)作物吸收，降低化肥使用量。未來隨著國家對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“肥藥雙減”目標(biāo)的進(jìn)一步要求，緩/控釋化學(xué)肥料一定會迎來發(fā)展的大好機(jī)遇。