新型緩控釋增效肥研究進(jìn)展和發(fā)展前景

岳煥芳，王克武，孟范玉，安順偉，胡瀟怡，王志平

（北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 100029）

化肥對(duì)于我國(guó)糧食的豐收增產(chǎn)起到了40%以上的作用。我國(guó)的化肥種類多種多樣，2016年我國(guó)化肥施用量為5 984.1萬(wàn)t（按折純法計(jì)算，數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部年報(bào)）；但是我國(guó)的肥料利用率平均僅約為30%，遠(yuǎn)低于國(guó)際水平。糧食增產(chǎn)及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的需求與傳統(tǒng)化肥的矛盾，需要新型化肥產(chǎn)品來(lái)解決，2015年我國(guó)啟動(dòng)化肥減施增效行動(dòng)，頒布了“到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案”等系列文件，減少化肥用量，提高肥料利用效率，勢(shì)在必行。通過(guò)研發(fā)新型緩控釋增效肥相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，解決化肥發(fā)展過(guò)程中遇到的問(wèn)題，將會(huì)是肥料研發(fā)重點(diǎn)之一。

1 新型緩控釋增效肥簡(jiǎn)介

1.1 新型緩控釋增效肥定義

對(duì)于緩控釋肥的定義不同學(xué)者各有自己的見解，美國(guó)作物營(yíng)養(yǎng)協(xié)會(huì)給出的定義是：所含養(yǎng)分比速效肥具有更長(zhǎng)肥效的肥料，主要是從肥料養(yǎng)分釋放速度方面給出界定。國(guó)際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)則將緩控釋肥分成尿素與醛類的縮合物和包膜肥料兩大類。傳統(tǒng)的緩控釋肥主要是通過(guò)降低養(yǎng)分釋放速度實(shí)現(xiàn)化肥養(yǎng)分的長(zhǎng)效供應(yīng)，新型緩控釋肥首先可以實(shí)現(xiàn)肥料的養(yǎng)分釋放速率與作物養(yǎng)分吸收同步，通過(guò)新型包膜材料或者納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分釋放速度的可控性；其次，通過(guò)添加信號(hào)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)植物和化肥的互動(dòng)，緩控釋肥可以識(shí)別植物釋放的養(yǎng)分需求信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分供應(yīng)。所以，新型緩控釋肥應(yīng)該是將化肥制造和植物營(yíng)養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，將植物養(yǎng)分需求規(guī)律作為主導(dǎo)因素，采用新型的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的按需供給，從而提高肥料利用率和施用效果的新型肥料。

1.2 新型緩控釋增效肥研發(fā)背景

新型緩控釋肥的研發(fā)和推廣，是在技術(shù)和時(shí)代大背景下衍生的必然趨勢(shì)。國(guó)外對(duì)于緩控釋肥的研究起步較早，至今已有50余年的歷史，已經(jīng)有成熟的硫包衣和聚合物包膜等產(chǎn)品，主要用在園藝和草坪等高端經(jīng)濟(jì)作物上，價(jià)格普遍較高。我國(guó)緩控釋肥起步較晚，20世紀(jì)60年代末，南京土壤研究所最早開始相關(guān)研究，成功研制出碳酸氫銨粒肥[1]，2015年，我國(guó)緩控釋肥產(chǎn)能從2001年的6.5萬(wàn)t，變?yōu)?00萬(wàn)t，平均每年增加30%[2]。從20世紀(jì)90年代開始，緩控釋肥成為研究熱點(diǎn)，我國(guó)緩控釋肥行業(yè)經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，同時(shí)我國(guó)化肥行業(yè)整體面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，普通化肥產(chǎn)能過(guò)剩，結(jié)構(gòu)不合理，以尿素為例，2013年國(guó)內(nèi)尿素產(chǎn)能富余1 200萬(wàn)～1 400萬(wàn)t。具有高效、高產(chǎn)、生態(tài)、環(huán)保優(yōu)勢(shì)的緩控釋肥代表了肥料重要發(fā)展方向之一，未來(lái)市場(chǎng)前景可期。

1.3 新型緩控釋增效肥優(yōu)缺點(diǎn)

新型緩控釋肥通過(guò)新型包膜材料，采用納米技術(shù)，添加特殊物質(zhì)等方法，延緩養(yǎng)分釋放，并根據(jù)作物養(yǎng)分需求規(guī)律，進(jìn)行特定養(yǎng)分的釋放，一方面通過(guò)減少施肥次數(shù)，節(jié)省人工，根據(jù)作物需求釋放養(yǎng)分，可以提高肥料的吸收利用效率；另一方面可以減少養(yǎng)分流失，降低農(nóng)業(yè)面源污染。但是，目前新型緩控釋肥發(fā)展也存在一定的局限性：第一，新技術(shù)新產(chǎn)品大部分還處于試驗(yàn)示范階段，能得到大范圍推廣應(yīng)用的少之又少；第二，價(jià)格偏高，與普通肥料相比，每667 m2增加幾十元甚至上百元的成本，種植戶無(wú)法接受。所以，目前緩控釋肥占肥料總消耗量的比重偏低，僅約為1%。

2 新型緩控釋增效肥研究現(xiàn)狀

目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較多的緩控釋肥包括脲醛類緩釋肥、硫包膜肥和聚合物包膜肥等，近些年隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的新型材料和技術(shù)被用于緩控增效肥產(chǎn)品，比如新型包膜材料的開發(fā)應(yīng)用，用于解決傳統(tǒng)包膜材料價(jià)格貴、養(yǎng)分控制不是很理想、材料降解不完全等問(wèn)題；納米技術(shù)的應(yīng)用，改變養(yǎng)分釋放效率；通過(guò)添加信號(hào)物質(zhì)，利用生物學(xué)的方法提高利用效率。

2.1 新型包膜緩控增效肥

包膜緩控釋肥是以顆?；蕿楹诵?，利用各種包膜材料，采用物理或者化學(xué)的方法給肥料打造一個(gè)微囊，延長(zhǎng)肥料養(yǎng)分釋放時(shí)間。新型包膜材料可以控制肥料養(yǎng)分按需釋放，根據(jù)作物的養(yǎng)分需求規(guī)律供給養(yǎng)分，而這其中包膜材料是起到關(guān)鍵因素的物質(zhì)，包膜材料的組成、厚度、膜孔隙度等指標(biāo)對(duì)于緩控釋肥效果起到至關(guān)重要的作用。

2.1.1 新型無(wú)機(jī)包膜材料

無(wú)機(jī)包膜材料是研究歷史最長(zhǎng)，也是目前應(yīng)用較為廣泛的包膜材料，以美國(guó)的包硫尿素為代表。目前，硫包衣在緩控釋肥中仍占據(jù)重要地位，它為作物緩慢釋放養(yǎng)分含量的同時(shí)，可以補(bǔ)充硫元素，還可以起到殺菌等作用。但是硫包衣可能會(huì)在土壤中轉(zhuǎn)化成硫酸，造成土壤酸化。如果在水田使用，還可能在厭氧環(huán)境中轉(zhuǎn)化成硫化氫等有害物質(zhì)[3]。

可以作為新型包膜材料的物質(zhì)，應(yīng)用最多的是孔隙度大和表面活性高的天然物質(zhì)。硅藻土具有吸附性好、松散密度小、多孔等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)保肥和緩釋、延長(zhǎng)肥效的功能，是一種比較理想的新型包衣材料。沸石是一種內(nèi)含沸石水、堿金屬Na、K和堿土金屬Ca的鋁硅酸，可以起到保氮、減少磷固定的作用，同時(shí)含有鉀和微量元素，是一種良好的新型無(wú)機(jī)包膜材料。紀(jì)銳琳等[4]利用竹炭和高分子聚合物作為新型包膜材料，取得了良好的效果。高表面活性礦物膨潤(rùn)土、松香、羧甲基纖維素鈉等物質(zhì)都曾被用于新型包膜材料?！胺拾省笔且环N新型的包膜形式，是由鄭州大學(xué)許秀成教授首先開發(fā)研究的[5]，通過(guò)這種方式可以有效地減緩氨的揮發(fā)，增加碳銨肥料的利用率。鈣鎂磷肥、酸化磷礦和金屬磷酸銨鉀鹽都被成功作為包膜材料，并應(yīng)用于生產(chǎn)。

2.1.2 新型有機(jī)包膜材料

采用有機(jī)物作為包膜材料，可以較好地控制膜層，目前有機(jī)包膜材料主要可以分為天然和人工合成兩大類?？梢宰鳛橛袡C(jī)包膜材料的天然物質(zhì)包括：瓜爾膠、木質(zhì)素、阿拉伯膠、殼聚糖、腐植酸、明膠、植物油、海藻酸鈉、天然橡膠、纖維素和淀粉等，具有來(lái)源廣、穩(wěn)定、無(wú)毒、成膜性好等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在容易被生物降解，影響控釋效果的問(wèn)題，一般需要改性后再使用，比如殼聚糖是由甲殼素脫乙酞基得到的一種衍生物，具有良好的成膜性，且無(wú)毒無(wú)污染，是一種良好的天然有機(jī)包膜材料。

合成有機(jī)包膜材料又分為半合成和合成兩大類，半合成是指各種天然聚合物經(jīng)過(guò)石化反應(yīng)產(chǎn)品結(jié)合等措施，改性后形成的一類聚合物[6]，以纖維素的衍生物為主，具有黏度大、成膜性良好和易水解的優(yōu)點(diǎn)；合成有機(jī)包膜材料包括：三聚酞胺、環(huán)氧聚酷、聚苯乙烯、聚乙烯、有機(jī)硅聚合物、尿醛樹脂、聚酞胺、氯乙烯－醋酸乙烯共聚物、合成橡膠等，應(yīng)用比較多的是美國(guó)的Osmocote和日本的Meister兩類聚合物包膜材料，即美國(guó)ADM公司是有機(jī)高分子聚合物包膜尿素，日本則是以聚烯烴為主體，再加入一些高分子聚合物進(jìn)行共聚的產(chǎn)物。合成有機(jī)包膜材料薄而均勻，韌性好，適用于機(jī)械化施肥，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分釋放的可控性。但是，也存在包膜材料在土壤中降解緩慢，價(jià)格偏高等問(wèn)題。

2.1.3 可降解新型包膜材料

包膜肥料在養(yǎng)分釋放完以后，包膜材料如果殘留在土壤中，不容易降解，日積月累，將會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境、土壤造成嚴(yán)重的影響，因此可降解新型包膜材料逐漸成為研究熱點(diǎn)。天然可降解的材料有很多，包括淀粉、纖維素、木質(zhì)素、甲殼素、殼聚糖、糖聚合物、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、藻朊酸鹽等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在使用天然可降解物質(zhì)作為包膜材料方面也做了很多探索，日本學(xué)者以淀粉作為黏結(jié)劑，用稻米殼粉包裹硫酸銨，印度學(xué)者從楝樹油脂中提取出凝膠物，可以實(shí)現(xiàn)控制養(yǎng)分釋放和抑制硝化作用的功能。

由于淀粉等這些天然物質(zhì)分子中大多含有羥基及其他極性基團(tuán)，容易形成氫鍵，造成難溶，耐水性、柔韌性差等問(wèn)題；所以，利用這些天然可降解的材料與不可降解的包膜材料進(jìn)行合成改性，可達(dá)到良好的降解效果。聚乙烯醇是一種常見包膜材料，常被用作改性對(duì)象，日本學(xué)者在聚烯烴類包膜材料中添加光氧化劑——醋酸鐵，實(shí)現(xiàn)包膜材料的可降解；陳松嶺等[7]以殼聚糖為改性劑、二氧化硅為添加劑對(duì)聚乙烯醇進(jìn)行改性，研發(fā)出具有良好的生物降解性的包膜材料。Zou等[8]采用檸檬酸對(duì)聚乙烯醇進(jìn)行改性，提高包膜材料的降解度。另外，還有聚合物溶液包膜和光降解材料包膜[9]，以及利用工農(nóng)業(yè)廢棄物和活性礦物開發(fā)的環(huán)境友好型包膜控釋肥料。

2.2 納米緩控增效肥

納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，被譽(yù)為21世紀(jì)的第3次工業(yè)革命，納米材料由于具有小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)等特性，可以大大提高肥料利用效率，同時(shí)減少肥料對(duì)土壤和環(huán)境的污染。在2002年，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所張夫道研究員首先提出了納米肥料概念，并提出了納米肥料的制備工藝，被列入國(guó)家“863”高科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在納米肥料領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。根據(jù)肥料結(jié)構(gòu)和效應(yīng)，將納米肥料主要分為4大類：納米結(jié)構(gòu)肥料、納米膠結(jié)包膜肥料、納米碳增效肥料和納米生物復(fù)合肥料[10]。

2.2.1 納米結(jié)構(gòu)肥料

納米結(jié)構(gòu)肥料是指采用納米技術(shù)將普通的氮肥和磷肥制備成納米級(jí)肥料，或者是將土壤中難溶解的磷礦石等天然營(yíng)養(yǎng)礦石，采用高能球磨或液相沉淀法技術(shù)做成納米結(jié)構(gòu)肥料；納米結(jié)構(gòu)的尺寸在50～80 nm，肥料復(fù)合組分和養(yǎng)分均達(dá)到納米級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。納米肥料的小尺寸效應(yīng)，使其具有帶磁效應(yīng)，促進(jìn)養(yǎng)分被作物吸收；納米肥料的表面效應(yīng)，增大肥料的表面能，也可以提高肥料的施用效果；同時(shí)，納米肥料還可以提高作物多種酶的活性，促進(jìn)生長(zhǎng)[11]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在馬鈴薯、甜菜和玉米等作物上開展了很多納米結(jié)構(gòu)肥料效果試驗(yàn)，證實(shí)了水懸浮納米分散鐵?？梢蕴岣咦魑锂a(chǎn)量。Zheng等[12]采用納米二氧化鈦提高了菠菜的發(fā)芽率。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用納米結(jié)構(gòu)技術(shù)，對(duì)鈣、硅和鋅等微量元素進(jìn)行了效果試驗(yàn)，證實(shí)該技術(shù)可以提高營(yíng)養(yǎng)元素吸收利用效率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。納米技術(shù)應(yīng)用在蘋果和花生上，可以促進(jìn)鈣的吸收利用，利用納米TiO2、SiO2肥料，可以促進(jìn)大豆根系活力；但是，大部分試驗(yàn)還是以效果應(yīng)用為主，對(duì)于肥料作用機(jī)理方面的研究仍不足。

2.2.2 納米膠結(jié)包膜肥料

納米膠結(jié)包膜肥料是指使用腐植酸、納米高嶺土、納米蒙脫土、納米沸石、納米風(fēng)化煤、高分子樹脂、淀粉等納米材料，制備膠結(jié)包膜，將顆粒肥包裹。納米肥料膠結(jié)包膜劑膠團(tuán)直徑小于100 nm，小尺寸效應(yīng)使得肥料帶有磁性，促進(jìn)養(yǎng)分的吸收利用；同時(shí)納米膠結(jié)包膜劑具有較高的膠體穩(wěn)定性和優(yōu)異的吸附性能，可以促進(jìn)作物持續(xù)吸收養(yǎng)分；納米材料獨(dú)特的物理化學(xué)特性，還可以有效刺激植物，促進(jìn)作物代謝，改善其生長(zhǎng)環(huán)境[13]，可以有效解決普通緩控釋肥養(yǎng)分釋放速度過(guò)快，不能與作物養(yǎng)分吸收利用規(guī)律一致，肥料容易固定、揮發(fā)，包膜材料難降解等問(wèn)題。

王署娟等[14]利用膨潤(rùn)土能強(qiáng)烈吸附尿素和NH4＋，并且具有控釋作用和保水保肥的效果，制備納米膨潤(rùn)土包膜尿素，證實(shí)可極顯著地提高小白菜的產(chǎn)量，并可提高N、P、K養(yǎng)分累積量和氮肥利用率；杜杰等[15]以多壁碳納米管為改性材料制備水基聚丙烯酸酯復(fù)合材料，研制出包膜尿素，有效地減少了養(yǎng)分釋放速率，延長(zhǎng)了控施期。李麗霞等[16]利用納米TiO2與低密度聚乙烯（LDPE）復(fù)合形成包膜液，制備成具有光催化活性的納米包膜控釋肥，有效延長(zhǎng)釋放期，經(jīng)紫外光照射18 d后包膜材料失重率可達(dá)13%。

2.2.3 納米碳增效肥料

納米碳為低燃點(diǎn)和絕緣的改性碳，為多孔圓球形結(jié)構(gòu)，特性與石墨相近，擁有大表面積，有快速吸水功能，遇水后變成超導(dǎo)體，可以有效提高土壤中無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素的遷移速率，提高肥料利用效率，達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)肥的目的。將納米碳應(yīng)用于肥料領(lǐng)域的研究逐漸成為熱點(diǎn)，很多專家學(xué)者驗(yàn)證了納米碳肥料的田間應(yīng)用效果，沈光業(yè)[17]驗(yàn)證了納米碳可以提高桃的產(chǎn)量和品質(zhì)；李小龍等[18]在煙草上的效果試驗(yàn)表明，納米碳可以增加煙葉單葉質(zhì)量和產(chǎn)量；薛照文[19]明確了納米碳肥料在馬鈴薯上的合理施用量，同產(chǎn)量下節(jié)肥10%～40%。

2.2.4 納米生物復(fù)合肥料

納米生物復(fù)合肥料是指以植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、植物學(xué)和生物學(xué)為理論依據(jù)，在普通肥料中添加生物有益菌種、中微量元素和營(yíng)養(yǎng)組分的新型肥料。納米生物復(fù)合肥料養(yǎng)分穩(wěn)定，作物吸收利用效率高，可以提高作物的抗逆性，促進(jìn)生長(zhǎng)，改良土壤。目前市場(chǎng)中納米生物肥產(chǎn)品較少，與之相關(guān)的試驗(yàn)報(bào)道有限，馬來(lái)西亞IBG公司的易健生物肥宣稱為國(guó)內(nèi)首例納米化復(fù)合型生物肥料，但目前尚未發(fā)現(xiàn)具體作物的田間效果試驗(yàn)。

2.3 添加類緩控增效肥

為了提高肥料利用效率，延長(zhǎng)養(yǎng)分釋放時(shí)長(zhǎng)，可以在肥料中添加特殊成分，比如尿素硝酸銨溶液中有3種形態(tài)的氮：硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮，可以達(dá)到緩釋和速效的效果，這是通過(guò)添加不同形態(tài)的元素實(shí)現(xiàn)緩釋，還可以通過(guò)添加生物化學(xué)物質(zhì)、離子交換物質(zhì)等途徑，達(dá)到肥料提質(zhì)增效的目的。

2.3.1 新型生化緩控施肥

新型生化緩控釋肥主要是針對(duì)尿素的改性，尿素在土壤中容易分解成NH3揮發(fā)，在肥料中添加脲酶抑制劑類物質(zhì)，通過(guò)對(duì)脲酶催化過(guò)程中的疏基產(chǎn)生影響，減緩尿素水解，延長(zhǎng)肥效時(shí)間，提高作物對(duì)氮元素的吸收利用。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的脲酶抑制劑有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物有幾百種，也從微生物中篩選出了脲酶抑制劑菌株，腐植酸類物質(zhì)也可以作為抑制劑添加到肥料中，但是目前研究多集中在其對(duì)尿素水解進(jìn)程的抑制方面，田間效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)鮮有報(bào)道。

2.3.2 新型離子交換肥料

離子交換肥料將礦物元素和離子交換劑混合，使肥料帶負(fù)電荷，當(dāng)土壤中的特定養(yǎng)分被作物吸收利用后，肥料可以緩慢進(jìn)行養(yǎng)分釋放，提高肥料利用效率。但是，目前相關(guān)研究?jī)?nèi)容較少，美國(guó)丹佛地質(zhì)勘查中心利用離子交換技術(shù)研發(fā)含磷的肥料，將磷礦粉和沸石離子交換劑混合，形成可以被作物吸收的磷酸鹽，磷酸鹽緩慢釋放，可以避免土壤對(duì)可溶性磷肥的固定引起的土壤板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

3 新型緩控增效肥發(fā)展趨勢(shì)和展望

緩控釋肥料的出現(xiàn)為提高肥料利用效率提供了新思路，而新型緩控釋肥料將植物營(yíng)養(yǎng)與納米技術(shù)、包膜新材料和生化技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，讓緩控釋變得更加科學(xué)、更加智能，可以有效地解決我國(guó)面臨的化肥生產(chǎn)原材料煤、氣和礦石資源有限的尷尬現(xiàn)狀，同時(shí)可以緩解肥料所造成的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題。隨著資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)的推進(jìn)，新型緩控釋肥料的發(fā)展具有廣闊的市場(chǎng)前景和潛力。但是，目前緩控釋肥料市場(chǎng)總額僅僅占據(jù)化肥總量的1%，新型緩控釋肥則更是鳳毛麟角，大部分技術(shù)的產(chǎn)品還處于理論研究或者試驗(yàn)階段，比如利用生物傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)作物根系分泌物中的信號(hào)物質(zhì)，調(diào)控緩控釋肥料養(yǎng)分的釋放，真正地實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分按需供給，目前僅僅停留在理論階段，并沒有實(shí)際的產(chǎn)品落地。相信隨著政府政策的引導(dǎo)、社會(huì)資源的傾斜、科研學(xué)者的投入，新型緩控釋肥未來(lái)可以真正地實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地，產(chǎn)品商品化，造福農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。