控释氮肥对主要粮食作物及环境影响研究进展

杜学初 谭德水 江丽华 刘兆辉

摘要：围绕着近年来缓/控释氮肥在主要粮食作物（小麦、玉米）上的应用展开综述。从小麦和玉米适用的缓/控释氮肥类型、缓/控释氮肥对作物产量和肥料利用率、土壤理化性状及耕作方式、环境效应等方面进行分析，较全面的总结了施用缓/控释氮肥对小麦、玉米作物及土壤、环境的影响，并对未来粮食生产的可能影响进行剖析。分析发现不同类型缓/控释氮肥能不同程度提高小麦和玉米产量或保证稳产；合理施用缓/控释氮肥能够提高氮肥料利用率、降低土壤氮素累积、减少氮素损失；提高土壤微生物量和酶的活性；减少温室气体排放及降低地下水体的硝酸盐污染；并指出缓/控释氮肥在生产成本、应用效果评价体系、市场占有率等方面存在的问题。针对研究现状存在的不足，对今后的研究提出展望。

关键词：缓/控释氮肥；粮食作物；产量；氮肥利用率；环境；氮平衡与损失

中图分类号：S143.15文献标志码：A论文编号：2013-0776

0引言

缓/控释肥是结合现代植物营养与施肥理论，考虑作物养分需求规律，延缓或控制肥料在土壤中的释放期与释放量，使其养分释放模式与作物养分吸收相协调或同步的新型肥料[1]。从20世纪60年代开始，美国、日本等发达国家就着手研究和改进化肥的制作技术，力求从改变化肥本身的特性来提高肥料利用率，相继研制并推出控释和缓释肥料系列产品[2]。

为了提高作物产量，避免施用普通化肥带来对土壤、农产品、环境负面影响[3]和肥料利用率低下的问题[4]，控释肥以其使用安全，可避免阶段高浓度盐分对作物根系的危害，节约劳动量，降低农业生产成本，提高肥料利用率，并且可使养分的淋溶和挥发减至最低，以及降低环境污染等优点[5]，得到了广大科研工作者和农民的重视。1979年至今，有关于缓/控释氮肥在水稻上的利用率和增产效果研究最多，其次在旱地玉米，在冬小麦等大田粮食作物有关增产效果的研究报道也颇多[6]，可见缓/控释氮肥已不是经济价值较高作物的专用品。磷素易被土壤吸附固定，后效作用较强；作物吸收的钾素主要来源于土壤，并且钾素对环境基本无不良影响和作物对钾素存在明显的奢侈吸收[7]，这是缓/控释肥以缓/控释氮肥为主的重要原因。目前，随生产水平的提高，在大田作物上推广应用缓/控释氮肥及其延伸产品不仅有相当大的市场需求，而且也给缓/控释氮肥研究者提出了一系列新的课题，即如何制造缓/控释效果好且成本低的缓/控释氮肥以及如何科学应用，对环境的影响处于何种程度，来满足主要粮食作物生产和环境友好的需求。

小麦、玉米是中国广泛种植的主要粮食作物，尤其在黄淮海地区以小麦玉米轮作种植为主。近年来，国内外学者通过大田试验对施用控释肥对小麦玉米产量影响有部分报道，但缺乏从各个角度全面评价缓/控释氮肥在小麦、玉米特别是轮作种植模式下的综合效果。为此，笔者以小麦玉米为对象，从缓/控释氮肥的类型，施用缓/控释氮肥对小麦玉米产量、氮肥利用率、环境的影响及下一步研究与展望等方面做以下综述。

1主要粮食作物适用的缓/控释氮肥类型

杨丽等[8]按缓/控释肥的生产工艺分为化学合成缓/控释肥和包膜缓/控释肥两大类。武志杰等[9]根据生产方法将缓/控释肥分为生物化学类，如添加脲酶抑制剂、硝化抑制剂、脲酶和硝化抑制剂肥料；物理类，如聚合物包膜肥料、硫包膜肥料、扩散控制基质型肥料、营养吸附（替代）基质型肥料等；化学合成类，如脲甲醛类肥料；生物化学-物理包膜结合类。在小麦和玉米上主要缓/控释氮肥类型包括树脂包膜缓/控释氮肥、硫包膜缓/控释氮肥、塑料-淀粉包膜的掺混型缓/控释肥、缓释（长效）尿素（添加硝化抑制剂、脲酶抑制剂）等。硫包膜缓/控释氮肥主要是硫包衣尿素，这种肥料已经具有很长的生产历史[10]，是用熔化的硫磺包裹被预先加热的尿素颗粒制成。树脂包膜控释氮肥是在制备过程中在肥料颗粒上，涂上一层由热固性的树脂交联形成的疏水聚合物膜。这2类缓/控释氮肥优点在于生产技术较成熟，硫包膜材料和树脂包膜材料相对成本低，缓解了缓/控释氮肥价格压力，提高肥料利用率，为其推广提供了可能性。缓释尿素是向尿素中添加硝化和脲酶抑制剂的肥料，这类肥料能有效抑制有效态氮素转化，提高肥料利用率和减少对环境的影响，养分有效期可达180天左右。总体来说，与普通肥料相比，缓/控释肥虽是高效、环境友好型肥料，但其生产工艺复杂，包膜材料价格昂贵，生产成本相对较高，为其应用和推广带来很大阻力[11]。

2施用缓/控释氮肥对作物产量及收益影响

评价缓/控释氮肥质量或肥效方面，作物的产量是一项重要指标。孙克刚等[12]在小麦玉米轮作制度下，与普通尿素相比，缓/控释尿素处理使小麦和玉米产量达8100、8700 kg/hm2，增产12%、8.3%，增产效果显著。李伟等[13]研究表明，包膜尿素和普通尿素不同比例掺混对夏玉米的产量具有不同程度的提高，以控氮比为50%处理最佳，产量提高9.43%，达到显著水平。尹彩侠等[14]也研究表明，在玉米上的施用硫磺加树脂包膜缓/控释尿素与普通尿素不同比例掺混肥料，其中比例为1:1掺混玉米产量最高，比其他施氮处理增产3.5%~15.3%。在小麦上，李敏等[15]研究发现，树脂膜缓/控释尿素及普通尿素配施抑制剂处理均能显著提高小麦产量，增幅达到5.6%~12.6%。与分次施用普通尿素相比，树脂膜缓/控释尿素及普通尿素配施抑制剂处理使籽粒产量增加1.5%~8.2%。朱晓霞等[16]研究发现，与农民习惯施肥处理和优化施肥处理相比，缓/控释氮肥减量处理小麦的分蘖数和公顷穗数没有显著的变化，但千粒重增加，从而使产量增加，平均增加 1002元/hm2的收益，较习惯施肥平均节氮为 74.4 kg/hm2（2009年）和86 kg/hm2（2010年），较优化施肥处理节约氮素投入55.8 kg/hm2（2009年）和30.0 kg/hm2（2010年），节约缓/控释氮肥成本约为137.4~294元/hm2。于淑芳等[17]在小麦玉米轮作条件下，与普通尿素处理相比，包膜缓/控释尿素减少20%和40%的情况下，小麦玉米的总产量是普通尿素处理的97.4%和97.7%，产量间没有显著降低。徐钰等[18]研究与农民习惯处理相比，优化施肥处理、缓/控释肥处理及缓/控释肥加有机肥处理3个氮肥减量处理下的小麦产量未减反增，分别增产210.12、163.45、134.56 kg/hm2，增加收益为274.5~428.4元/hm2。关于缓/控释氮肥在小麦玉米产量长期效果的报道较少。综上表明，不同缓/控释氮肥类型、缓/控释氮肥减量施用、缓/控释氮肥与普通尿素的不同配比均对小麦、玉米当季产量的影响，仍是今后研究的重点。

3施用缓/控释氮肥对肥料利用率的影响

氮肥利用率低是化肥使用上普遍存在的问题。张福锁等[19]根据2000—2005年试验资料提出，目前主要粮食作物的氮肥利用率平均为27.5%，而缓/控释氮肥料的推出，为解决氮肥利用率低这一问题提供了新的思路[20-21]。孙克刚[22]研究表明，在小麦玉米轮作制度下，与普通尿素处理相比，缓/控释氮肥处理在小麦上的氮肥利用率可达45%。当缓/控释尿素比普通尿素用量减少1/3纯氮量时，玉米的产量并没有显著下降，且氮肥利用率提高明显。司贤宗等[10]在小麦玉米轮作条件下，与常规施肥模式相比，施用缓/控释氮肥和普通氮肥的基追模式能显著提高氮素利用率。石岳峰等[23]在山东省桓台生态试验站研究表明，缓/控释掺混氮肥能提高玉米的肥料利用率，提高幅18.2%~31.8%。缓/控释掺混氮肥187.5 kg/hm2施氮水平且不追肥情况下的处理氮肥利用效率最高。汪强等[24]试验表明，在小麦田中缓/控释氮肥利用率均在30%以上，而施用尿素利用率不足25%。缓/控释氮肥较普通氮肥利用率提高了6.18%~11.57%。其原因可能是缓/控释氮肥供给养分比较持续而不集中，养分吸收和释放同步，养分没有过多流失[25-26]，故能有效提高氮肥利用率。

4缓/控释氮肥对土壤性状及耕作方式的影响

缓/控释氮肥释放养分后，包膜会残留在土壤中，目前这方面影响的研究[27-31]主要集中在花生和油菜上或者直接将缓/控释氮肥残膜施入土壤中。在小麦和玉米作物上，缓/控释氮肥残膜对土壤理化性状及生物学性状造成了一定的影响。程冬冬等[32]研究发现，在模拟小麦玉米轮作条件下，长期施用缓/控释氮肥后残留在土壤中的树脂膜壳在短时期内对粉壤土和砂壤土的容重、总孔隙度以及pH和EC等理化性状不会造成影响。耿毓清等[27]研究表明，土壤中的残膜会使土壤容重下降，孔隙度增高，土壤比重变化不大，从而使土壤疏松，通气透水性增加，土壤结构得到改善，但并不是土壤中的残膜越多越好。张昌爱等[33]认为，包膜尿素施入土壤后，短期内土壤酸碱度变化不大，很少形成肥料的微域点，减少钙镁离子的淋失，有利于维持土壤结构和肥力[34]，若长期施用，土壤中累积的包膜则会降低土壤的酸碱度和电导率，破坏土壤酸碱平衡[35]，增加土壤可溶性盐的淋失，可导致地下水质恶化。在土壤生物学性状方面，土壤微生物和酶作为土壤的重要组成部分，是评价土壤质量的一项重要指标并且对于维持土壤肥力具有重要的作用[36]。缓/控释氮肥的施用对土壤微生物和酶的影响有大有小，但对具体微生物和酶的类型目前尚无明确定论[37]。刘明[38]通过小麦池栽试验证明树脂残膜可提高脲酶、转化酶、中性磷酸酶的活性，增加土壤中细菌和放线菌的数量。党建有等[39]研究表明供试控释肥中以水玻璃控释材料包裹的缓/控释氮肥明显激活了小麦田中土壤酶活性，使土壤养分供应充足。施肥和耕作方式的结合越来越紧密，在华北地区小麦玉米轮作上主要有免耕、旋耕、深松耕等耕作方式[40-42]，秸秆还田也是越来越普遍的一种生产方式。传统的耕作中，先施以普通肥料为主的底肥，再进行翻耕或者旋耕，最后机播下种，作业过程中若操作不当，易造成耕层土壤结构破坏、烧种、肥料浪费等问题[43-44]。随着缓/控释氮肥和少耕或免耕为核心的保护性耕作应用与推广，缓/控释氮肥以其养分释放缓慢，不易造成肥料周围养分浓度过高，为少耕或免耕等耕作方式和播种施肥的一体化操作提供了可能，同时促进了农机产业的变革与发展，所以小麦玉米生产的耕作模式也需进一步地探索和改进。

5施用缓/控释氮肥的环境效应

气候变暖是当今全球性的环境问题，其中CO2，N2O、CH4对气候变暖的贡献率分别为60%、15%和5%，农业在温室气体的排放中占有非常重要的地位[45-46]，有研究表明[47-48]施肥能显著促进3个温室气体(CO2、N2O、CH4)的排放，其中氮肥是影响N2O排放的最主要因子[49-50]。氮肥的施用与否、氮肥种类及施肥类型、施肥量、肥料利用率等都对N2O的产生有十分重要的影响。不同氮肥品种间的N2O排放量存在极显著差异，施用尿素、碳铵、氯化铵的农田N2O排放量极显著高于施用硫铵农田[51]。目前农田温室气研究体多集中于水稻田中[52-55]，翟胜等[56]报道包膜型控释氮肥能极显著地降低稻田N2O的排放量，脲酶抑制剂（氢醌）和硝化抑制剂（双氰胺）可协同抑制水稻田土壤N2O和CH4的排放。控释肥料、长效碳酸氢铵和缓释尿素能明显减少玉米田土壤N2O排放[57]和能抑制旱地土壤CH4释放[58]。在小麦玉米轮作中，施用缓/控释氮肥对温室气体排放影响的报道较少。此外，不合理施肥方式及对不同作物全生育期需氮规律缺乏科学认识，不仅导致土壤中硝态氮过量积累，并随大量灌水向土壤深层淋溶，进而污染地下水源[59]，并且不合理的灌水和追肥还导致大量氮素以氨的形式挥发损失[1]。张庆利等[34]通过氮素淋失模拟试验认为，尿素以酰胺态氮淋失，其他的氮肥以硝态氮淋失。普通氮肥以硝酸钾中氮素淋失率最高，其次为尿素，硫酸铵和碳铵的氮素淋失量明显较小，然而缓控释氮肥因其控制释放的特点，在氮素释放的高峰期，其模拟淋失量较高，但如果在田间条件下此释放高峰期与作物吸肥高峰期相吻合，则会显著地降低其淋失率。于淑芳等[17]研究发现，在小麦玉米收获后，普通尿素处理深层土壤硝酸盐数量显著增加，肥料氮素下移明显，施用缓/控释氮肥处理则减少氮素向土壤深层移动，从而减少地下水体的污染。卢艳丽等[60]在小麦玉米轮作大田试验中得出，与常规施肥相比，不同配比的缓/控释氮肥处理土壤中硝态氮含量处于较低水平，土壤中硝态氮含量在小麦生长后期仍然维持相对较高的水平，后效作用显著[61]。

6展望

缓/控释氮肥是一种环境友好型肥料，但存在以下问题：（1）由于缓/控释氮肥生产成本的制约与广大农民对价格的接受程度，不能大面积地推广应用；（2）针对缓/控释氮肥的应用效果，往往只通过作物产量及产出投入比来评价其优劣，缺乏科学系统的评价体系；（3）缓/控释氮肥生产的标准化、规范化程度还有待于加强，诸多缓控释氮肥品种达不到相应标准，这是缓/控释氮肥市场占有率低的一个重要原因；（4）在外界环境条件无特定规律的影响下，缓控释氮肥在土壤中的释放特征不易探明，且对缓/控释氮肥在根际土壤中作用机理研究很少。

针对存在的问题：（1）研究廉价的缓/控释材料、建立科学的评价体系成为缓/控释氮肥发展的方向之一；（2）相关部门制定针对性强的行业标准，使缓/控释氮肥的生产标准化、规范化；（3）以缓/控释氮肥在根际土壤中的作用作为突破点，进行在大田作物上缓/控释肥养分释放规律和根际养分变化机理的研究；另外从前人研究发现缓/控释氮肥与普通肥料的配施在小麦玉米上一次性应用效果显著，缓/控释肥在大田粮食作物上进行一次性施用成为可能，这避免了多次施肥的操作，省工省力，节约成本，是对目前生产方式的一大冲击。大田粮食作物适宜的缓/控释氮肥类型、缓/控释氮肥在小麦玉米轮作区的一次性施用的长期效果以及对环境影响，配套的机械耕作及关键施用技术等都是将来研究的重点。

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