緩/控釋肥發(fā)展現狀及在農業(yè)生產中的應用前景

翟彩嬌 崔士友 張蛟 胡安永 黃昭平 程玉靜

摘要：緩/控釋肥料是21世紀肥料發(fā)展的重要方向，對維護中國糧食安全、提高肥料利用率，實現農業(yè)生產與生態(tài)協(xié)調發(fā)展、節(jié)本增效和節(jié)能減排等方面均具有十分重要的意義。本文在總結緩/控釋肥定義、作用機制、研究現狀的基礎上，闡述了緩/控釋肥在農業(yè)生產中的應用效果和在應用及推廣中存在的問題，提出了相應的對策和建議，展望了緩/控釋肥的發(fā)展前景，以期為緩/控釋肥的研究提供理論依據。

關鍵詞：緩釋肥；控釋肥；肥料利用率；糧食安全；節(jié)能減排

中圖分類號：S147.2文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0028

Development Status of Slow/Controlled Release Fertilizers and Their Application Prospects in Agricultural Production

ZHAI Caijiao1， CUI Shiyou1， ZHANG Jiao1， HU Anyong2， HUANG Zhaoping1， CHENG Yujing1

（1Jiangsu Yanjiang Area Institute of Agricultural Sciences， Nantong 226541， Jiangsu， China； 2Nantong University， School of Geographic Sciences， Nantong 226019， Jiangsu， China）

Abstract： The important direction of fertilizer development in the 21st century is on slow/controlled release fertilizers which are of great significance to maintain China’s food security， improve the utilization rate of fertilizers， and realize the coordinated development of agricultural production and ecology. Meanwhile， slow/ controlled release fertilizers can save cost and energy， and increase efficiency and reduce emissions. Based on the summary of the definition， action mechanism and research status of slow/controlled release fertilizers， we expounded the application effects of slow/controlled release fertilizers in agricultural production and the existing problems in their popularization and application. Then we put forward some corresponding countermeasures and suggestions. Finally， the development prospects of slow/controlled release fertilizers were discussed. The results will provide a theoretical basis for the study on slow/controlled release fertilizers.

Keywords： Slow Release Fertilizer； Controlled Release Fertilizer； Fertilizer Utilization Rate； Food Security； Energy Conservation and Emission Reduction

0引言

“農穩(wěn)社稷，糧安天下”。糧食安全是國家安全的重要組成部分?；首鳛檗r業(yè)生產中的最基本要素，在確保中國糧食安全中的作用不容忽視。20世紀80年代，聯(lián)合國糧農組織在亞太地區(qū)31個國家進行的大量田間試驗表明：通過施肥，糧食單位面積產量提高 55%，總產量提高30%[1]。在2018年，中國農業(yè)生產中的化肥施用量維持在5.65×107t[2]。然而，大量肥料的不合理施用不僅降低肥料的綜合利用率，而且增加土壤環(huán)境污染[3-4]。與此同時，隨著中國經濟的大發(fā)展，農村大量勞動力轉移。探索省工節(jié)本、穩(wěn)定高效的簡化施肥技術已是當務之急。簡化管理即將一次性施肥技術與自動化農機有效結合，是減少生產環(huán)節(jié)和進行大面積作業(yè)的重要措施。研究表明緩/控釋肥是一次性施肥技術的重要載體[5]。緩/控釋肥的養(yǎng)分能夠根據作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律有序供應，基本實現一次性施肥滿足作物整個生長期的需求，在節(jié)約資源、提高肥料利用率，降低環(huán)境污染、實現農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展等方面均具有重要意義[4，6]。

緩/控釋肥已成為中國肥料發(fā)展的主導方向，它具有環(huán)境友好、養(yǎng)分高效、省時省工的特點，符合中國低碳農業(yè)的發(fā)展需求，是農業(yè)生產實現化肥“零增長”的重要途徑之一。大量研究表明，不同類型的緩/控釋肥對水稻[7]、小麥[8]、玉米[9]等糧食作物以及花生[10]、棉花[11]等經濟作物均有一定的增產增效作用。本研究總結了緩/控釋肥的發(fā)展現狀及其在農業(yè)生產中對作物生長和生態(tài)環(huán)境的影響效應，探討了現有緩/控釋肥在農業(yè)生產應用中存在的問題，以為其在中國的推廣應用提供理論依據。

1緩/控釋肥的發(fā)展現狀

緩/控釋肥是一種通過養(yǎng)分的化學復合和物理作用，使有效養(yǎng)分隨時間的推移而緩慢釋放的肥料，在平衡施肥、提高作物產量等方面發(fā)揮著巨大作用[12]。美國是最早研究緩/控釋肥的國家，并于1924年研制出尿醛肥料，獲得第一個緩釋肥料專利[13]。國外緩/控釋肥料類型主要有4種類型：樹脂包衣控釋肥料、硫包衣控釋肥料、合成型微溶態(tài)脲醛類緩釋肥料和添加生化抑制劑的穩(wěn)定性肥料[1]。20世紀60年代末，中科院南京土壤研究所研制出中國最早的緩釋肥料——碳酸氫銨粒肥[14]。隨后，中國的緩/控釋肥行業(yè)進入飛速發(fā)展階段，相繼研發(fā)出復混肥、包膜控釋肥[15]、種子包衣肥[16]、保水緩/控釋肥[17-18]等多種緩/控釋肥料。

與普通施肥相比，緩/控釋肥一次施用基本滿足作物整個生育期的需求，可以減少化肥施用量和施肥次數，提高肥料利用率，減輕環(huán)境污染[4]。同時，還能改善作物品質，增強植株抗逆性。此外，緩控釋肥還能調節(jié)土壤養(yǎng)分，改善土壤理化性狀。但由于緩/控釋肥的價格是普通肥料的3～8倍，國際上緩/控釋肥主要使用在經濟價值較高的植物上如花卉、水果、草坪等[15]。中國是第一個將緩/控釋肥應用到大田生產中的國家[19]。據中國發(fā)布的首部緩/控釋肥產業(yè)白皮書顯示，在2006—2015年間，中國緩/控釋肥產量的年均復合增長率約25%，累計推廣面積高達3.5×107hm2，實現節(jié)支增收1100億元，有力地支撐了中國“三農”事業(yè)的發(fā)展，預計2025年中國緩/控釋肥的產能將達到0.76×107～1.13×107t。目前，中國已經發(fā)展成為世界范圍內最大的生產和消費緩/控釋肥的國家。

2緩/控釋肥概念及作用機制

2.1緩/控釋肥的概念

緩/控釋肥是指通過各種調控機制，使其養(yǎng)分按設定的釋放規(guī)律有序釋放的肥料。緩/控釋肥包括緩釋肥和控釋肥。通過物理、化學和生物化學方法使肥料中的養(yǎng)分緩慢釋放，延長肥效的肥料稱為緩釋肥。它的釋放速率、釋放方式和持續(xù)時間均受到施肥方式和環(huán)境條件的影響。通常將以顆粒肥料為核心，通過聚合物包膜，使肥料中養(yǎng)分的釋放數量和釋放期得到定量控制的肥料稱為控釋肥，它的養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律基本同步。從某種意義上來說控釋肥料是緩釋肥料的高級形式[4，20-22]。

2.2緩/控釋肥的類型和作用機制

Fan等[23]根據緩/控釋肥的釋放控制方式將其分為以下4種類型：擴散型、侵蝕（化學反應）型、膨脹型和滲透型。目前緩/控釋肥主要可以分為3種類型：包膜緩/控釋肥、包裹材料緩/控釋肥和具有有限水溶性的合成型微溶態(tài)緩/控釋肥[4]。緩/控釋肥的養(yǎng)分釋放主要通過擴散機制，當作物吸收養(yǎng)分時，肥料膜內外側形成濃度差，促進肥料養(yǎng)分的釋放。溫度是緩/控釋肥養(yǎng)分釋放的另一個影響因素。植物的生長隨溫度的升高而加快，肥料釋放速度也隨養(yǎng)分需求量的加大而加快[21]。由于生產工藝的不同，不同緩/控釋肥在養(yǎng)分比例和理化性狀方面存在本質差異，致使其在使用過程中對作物產生不同影響。緩/控釋肥的養(yǎng)分釋放特征除了與自身特性直接相關外，同時與包膜材料[7]、肥料運籌方式[24]、土壤理化性質、地力水平和灌溉方式[25]等因素息息相關。

3緩/控釋肥在農業(yè)生產上的應用研究

3.1施用緩/控釋肥對水稻生長的影響

呂健飛等[26]研究表明緩/控釋肥能根據水稻的需肥規(guī)律緩慢釋放養(yǎng)分，提高肥料利用率，適當減氮節(jié)肥也能保持水稻較高產量。程金秋等[27]的研究表明緩/控釋肥的合理施用能夠增加水稻產量，緩/控釋肥的種類、施肥方式和栽培條件對緩/控釋肥的增產效果均具有一定的決定作用。施用水稻緩/控釋肥可顯著提高水稻對氮磷養(yǎng)分的吸收利用率，減少無效分蘗，增加水稻有效穗數、每穗實粒數，提高千粒重，優(yōu)化穗粒結構，改善水稻農學性狀[12，28-32]。緩/控釋肥可提高水稻生育后期功能葉的葉綠素含量和光合效率，延緩葉片衰老，增加群體干物質、葉面積指數等從而實現水稻增產[33-35]。與常規(guī)施肥相比，緩/控釋肥能促進水稻中后期根系發(fā)育，顯著增加根總吸收面積、根系重量、根體積、根長和根密度[36]。同時，施用緩/控釋肥能延緩根系衰老，提高水稻生育后期的根系活力，增加根系對養(yǎng)分吸收，提高水稻根深指數，增強水稻植株的抗倒伏能力[36-39]。緩/控釋肥對稻米品質也有一定的改善作用。一次性全量施用緩控釋肥時，水稻糙米的蛋白質和總氨基酸含量均顯著提高[40-41]。

3.2施用緩/控釋肥對小麥生長的影響

緩/控釋肥處理能夠提高小麥的氮肥利用率，增加小麥生長中后期的干物質積累，提高產量[22]。同時，施用緩/控釋肥能夠改善小麥籽粒不同層次二至五層品質及小麥溶劑保持力，顯著提高小麥籽粒中蛋白質含量[42-43]。與普通肥料分次施用相比，一次性施用不同類型的緩/控釋肥料，養(yǎng)分供應均可滿足冬小麥整個生育期的養(yǎng)分需求，增產率均大于5%，顯著增加了小麥的有效穗數，穗粒數和千粒重，具有較高的經濟效益[8，44]。

3.3施用緩/控釋肥對玉米生長的影響

一次性基施緩/控釋肥可以提高玉米產量和氮肥利用率[9]。研究表明一次性基施緩/控釋肥能夠較好地協(xié)調養(yǎng)分供應與夏玉米養(yǎng)分吸收，促進玉米葉面積增大、根系增多，優(yōu)化玉米的產量性狀，增加夏玉米單株干物質積累和氮素積累量，增加穗粒數和單穗粒重，提高千粒重，可達到接近或增加常規(guī)尿素2次或3次施肥對夏玉米的增產效果，實現夏玉米一次性施肥高產的效果[9，45-46]。

3.4施用緩/控釋肥對其他作物生長的影響

茶樹的根系活力因緩/控釋肥的施用而提高[47]。施用緩/控釋肥能夠提高茶葉中氨基酸和咖啡堿的含量，改善茶葉品質，提高茶葉量[21，48]。王黎等[20]研究表明施用緩/控釋肥可提高煙葉成熟度并增加煙株的有效葉片數，增強煙株抗性，增加煙葉的產量和產值。緩/控釋肥還可以降低蔬菜中的硝酸鹽和草酸的含量，提高維生素C和可溶性糖含量，改善蔬菜品質。施用緩控釋肥還能提高蔬菜產量[49]。緩/控釋肥能夠增加果樹葉片中的葉綠素含量，提高氮素在葉片和枝條中的含量，增加糖、鈣、維生素C等在果實中的含量，促進果實著色，有效提高果實的單果重，增加果實產量[50]。研究表明控釋肥可以增加花生的有效分枝數，有利于花生保持較高的葉面積系數和凈光合速率，促進莖葉和莢果的干物質積累，增加單株結果數和飽果數，提高百果重和百仁重[9，51]。李伶俐等[11]的研究表明控釋氮肥處理可提高中后期棉葉葉肉細胞實際光化學效率和潛在光化學活性，從而改善葉肉細胞的光合能力，提高葉片光合效率，增加單株結鈴數和鈴重。此外，棉花控釋專用肥能顯著增加棉花生育中、后期棉纖維長度、比強度、馬克隆值和成熟度[52]。

4緩/控釋肥施用對生態(tài)環(huán)境的影響

農業(yè)面源污染已經成為全世界關心的重要環(huán)境問題之一[53-54]，而農田氮素流失是農業(yè)面源污染的重要來源[55-56]。緩/控釋肥不僅能夠提高肥料利用率，還可以有效避免因大量施用肥料造成的大氣、水源和土壤環(huán)境污染[20]。不同類型的緩/控釋肥料均能顯著降低稻田地表徑流總氮流失量和水稻氮素偏流失率[57]。金樹權等[58]的研究表明側深施緩控釋肥可以有效降低施肥初期田面水銨態(tài)氮峰值濃度，從而減少氨揮發(fā)，且在減量條件下不會對水稻產量產生影響。有研究表明一次性基施緩/控釋肥可使玉米氮肥利用率提高37.5%，使氨揮發(fā)、N2O排放、氮淋溶和氮徑流平均降低58.6%、24.5%、25.7%和22.4%[46]。同時，緩/控釋氮肥與干濕交替灌溉相結合能夠促進水稻生長，提高水稻水分利用效率和氮素利用效率，是節(jié)約用水的有效手段[24，59]。

在一定范圍內，緩/控釋肥的包膜材料具有降低土壤體積質量、改善土壤團粒結構、優(yōu)化土壤環(huán)境和提高土壤肥力的多重作用[21]。戴九蘭等[60]發(fā)現當控釋肥殘膜含量在每克土壤中維持在0.008 g范圍內時，土壤的透水性明顯降低，土壤的田間持水量和保水性得到有效提高。鄭磊等[61]發(fā)現適量硫膜還可改善土壤中Ca、Mg的活化程度，提高水稻的氮肥利用率，增加水稻產量。丁濟娜等[62]的研究表明施用緩/控釋肥可以減緩土壤pH的下降趨勢。緩/控釋肥的包膜材料隨肥料施入紅壤等酸性土壤中，可以提高土壤pH，有效緩解紅壤酸化的狀況[63]。同時，施用緩控釋肥還可以提高土壤的保水保肥性，增加土壤中銨態(tài)氮的含量[21]。在輕度鹽堿地上應用硫包膜尿素具有降低土壤pH的作用[15]。

盡管緩/控釋肥的施用提高了農作物的產量，一定程度上降低了環(huán)境污染。但是，樹脂類包膜肥料在養(yǎng)分釋放后，包膜殘留在土壤中短期內難以降解，長此以往將會造成土壤環(huán)境污染[64]。因此，通過物理、化學、生物等方法開發(fā)環(huán)境友好型、可生物降解的新型緩/控釋肥料，不僅有利于提高農作物的產量和品質，同時，也有利于減輕環(huán)境污染，保證現代農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[17]。

5緩/控釋肥在農業(yè)生產應用中存在的問題及對策

肥料在保障糧食安全中發(fā)揮著不可替代的支撐作用[1]。朱兆良認為提高肥料利用效率可以從以下幾個方面努力：（1）平衡過量施肥與施肥不足之間的矛盾。（2）充分利用土壤和環(huán)境養(yǎng)分，根據作物相對產量合理使用肥料。（3）實現作物高產與養(yǎng)分資源高效利用。（4）研制新型包膜肥料。大量研究表明，緩/控釋肥養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物需肥規(guī)律相一致，且一次性施肥基本滿足作物生長需求，可以減少勞動力，提高肥料利用率，減少環(huán)境污染。目前，中國緩/控釋肥的研發(fā)水平仍落后于發(fā)達國家，施肥技術與農機不能有效結合，缺乏科學合理的施肥技術，大面積推廣應用受到限制，不能達到全面提高肥料利用率、改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境的目的[65-67]。

5.1緩控釋肥在施用過程中存在的主要問題

5.1.1緩控釋肥的市場價格相對較高，產品魚目混雜緩/控釋肥制備需要新型的膜材料、生產工藝相對復雜，價格較普通肥料偏高，農業(yè)生產成本過高。農民受生產成本的影響，往往選擇價格低廉的劣質緩/控釋肥，施用后達不到預期效果，這些嚴重制約了緩/控釋肥的普及推廣。

5.1.2生產技術薄弱，缺乏“專屬”性緩/控釋肥中國目前生產的緩/控釋肥料技術有待提升，緩/控釋肥料在控釋機理、控釋條件、釋放周期和控釋材料等方面還存在不少問題，緩釋肥養(yǎng)分釋放與相應作物的養(yǎng)分需求規(guī)律同步性不完善，施肥效果不理想。緩/控釋肥中核芯養(yǎng)分相對單一，文獻報道中緩/控釋肥處于實驗室研究階段的相對較多，且多為以氮元素為核心的肥料，“專屬”性緩/控釋肥的研究較少。

5.1.3施肥技術與農機不能有效結合中國機械化水平較低，緩/控釋肥多采用可降解紙包裝，目前袋裝緩/控釋肥主要采用手工開溝施肥，需要大量的勞動力，現有農業(yè)機械不能與一次性施肥技術有效結合。

5.1.4施用方法不當，施用時期、施用量混亂作物的需肥特點因作物品種和土壤條件的不同而有所差異。農民對緩/控釋肥的認知水平有限，對緩/控釋肥的配套施肥技術掌握程度相對較低，施肥作業(yè)不合理，對緩控釋肥料不分時期亂施用，隨意加大施肥量，往往導致緩/控釋效果降低，甚至造成作物減產。

5.1.5市場宣傳推廣力度不夠，缺乏規(guī)范相關部門缺乏針對緩/控釋肥施用的農藝指導，業(yè)界引領宣傳不夠。緩/控釋肥管理不夠規(guī)范，法律法規(guī)不健全，行業(yè)標準不完善，對一次性施肥技術在田間的應用效果缺乏科學系統(tǒng)的評價。市場管理不到位，魚龍混雜，以假亂真等問題均制約著緩/控釋肥的發(fā)展。

5.1.6包膜材料會對環(huán)境造成污染緩/控釋肥重要的生產方法之一是包膜型制備工藝，但長期使用，包膜材料會破壞土壤原有的生態(tài)環(huán)境。同時，殘留在包膜肥料中的有毒有機溶劑對會植物和周圍環(huán)境造成污染。另一方面硫包衣尿素肥料中硫元素如果被過量的施入土壤，會嚴重破壞土壤原有菌群微生物平衡，同時加速土壤酸化。

5.2對策與建議

5.2.1生產工藝與栽培技術有機結合，科學合理施肥緩/控釋肥生產企業(yè)要結合中國推行的測土配方施肥技術，充分考慮地域、土壤差異及作物種類，形成不同的生產工藝技術，開展不同類型核芯肥料的研究，開發(fā)針對性更強的緩/控釋肥產品，使緩/控釋肥的產品種類全面化，施用方式專用化，達到“對癥”施肥的效果，提高緩/控釋肥的養(yǎng)分利用率。同時，根據一次性施肥技術需求研發(fā)相應的農業(yè)機械，將農機與農藝有效的結合起來。集成施肥與播種技術，形成種肥同播、一播全苗、保肥長效綜合栽培技術。農戶要根據作物生育期的長短和需肥特性有針對性地選擇購買。緩/控釋肥的施用量要根據目標產量、品種特性、土壤肥力等具體情況進行調整。

5.2.2降低生產成本，加大扶持力度，推進緩/控釋肥的研究進程生產廠家需要創(chuàng)新研發(fā)機制，改進生產工藝流程和設備，研制低成本、原料豐富、天然可降解、環(huán)境友好的高效包膜材料。國家應出臺相關優(yōu)惠政策和措施，建立理論研究與科技成果產業(yè)化平臺，推進科研機構與企業(yè)之間的技術交流和科技創(chuàng)新，不斷提高產品的國際競爭力。

5.2.3加大市場推廣和監(jiān)管力度，促進緩/控釋肥行業(yè)健康發(fā)展政府應充分發(fā)揮職能部門作用，加大宣傳和推廣力度，定期組織緩/控釋肥的科學知識普及、培訓工作。建立土壤肥料研究和技術推廣工作的長效機制和與農民交流的網絡信息平臺。同時，加大市場監(jiān)管力度，制定一系列法律和法規(guī)，規(guī)范緩/控釋肥料的生產、管理和科學應用。嚴厲打擊非法企業(yè)造假、售假及虛假宣傳，確保市場有序競爭，切實保護農民合法權益。

6展望

緩/控釋肥的發(fā)展對維護中國糧食安全、推動化肥施用零增長、保證農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展等方面均具有重要作用。在中國勞動力短缺情況下，一次性施肥技術為實現中國糧食可持續(xù)生產提供了一個有效途徑。目前，緩/控釋肥的研究主要集中在氮肥控釋肥上，需要開發(fā)及應用多種核心元素肥料，使緩/控釋肥料的品種更為多元化。為推動中國緩/控釋肥的研究進程，企業(yè)和科學工作者應著眼于新技術、新概念和新理論的應用，聯(lián)合開展更多有針對性的研究。為了實現肥料產業(yè)節(jié)能減排、環(huán)境友好、養(yǎng)分高效的目標，需要研制出更多高效、環(huán)保、低成本的新型肥料，助力農業(yè)大發(fā)展。

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