脲醛缓释化肥研究进展

(1.南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室，天津 300071 2.喀什大学化学与环境科学学院，新疆 喀什 844006)

氮肥是最常用的一种化肥，能够为农作物生长提供重要的养分，提高作物产量。但由于施肥方法、灌溉、水土流失等原因，氮肥流失严重。有研究表明，我国氮肥的利用率不超过40%。氮肥在土壤中的存在形态不稳定，主要以硝酸盐和氨的形式存在，容易在雨水与日照下发生淋溶和挥发。目前市售的速效氮肥以尿素为主，尿素在酸性和碱性条件下都不稳定，在施用过程中易因挥发和淋溶而以氨气的形式释放到大气中。为满足作物生长的营养需求，需要不断追施速效肥。这样不仅施用了大量化肥，使得氮素没有得到充分利用，影响作物产量及品质，而且还污染环境。因此，开发新的能长期稳定释放氮养分，且具有高氮素利用率的缓释化肥，具有广泛的前景[1]。

1 脲甲醛的来源与使用

脲甲醛是尿素与甲醛通过化学缩合制得的难溶缓释氮肥，含氮量一般为36%，不易发生淋溶与挥发。脲醛化肥的缓释性能可以持续在作物生长期发挥作用，向作物不断提供营养，因此能减少施肥频次。脲醛缓释肥是最早实现商品化的缓释氮肥，1948年，美国科学家Clart等人合成了世界上第一个缓释脲醛肥料，完成了较完整的实验室工艺流程，1955年，脲甲醛被作为一种商品肥料投入市场销售。

上世纪，美国、欧洲、日本以及前苏联已经投入使用脲醛缓释肥，其占比可达缓释肥总量的一半，主要应用于园艺和草坪等。但由于脲醛缓释肥的生产工艺复杂，造价昂贵，在农业上并未得到广泛应用。近年来，我国学者在脲甲醛化肥应用于大田作物方面进行了很多研究，并取得一系列成果[2]。

2 脲甲醛在大田作物中的应用

脲醛缓释肥作用机制见图1。在适宜的温度、湿度、pH值条件下，脲甲醛缓释肥中难溶的羟甲基脲被微生物分解为尿素，并在脲酶的作用下释放出NH4+，最终在亚硝化和硝化细菌的作用下，氮素转化为能够被植物吸收的氮养分。

图1 脲醛缓释肥作用机制

2013年，马春雪[3]利用低甲醛脲醛合成工艺制备了脲醛树脂-石膏-膨润土材料脲醛肥料。在室温pH值5.0条件下，利用脲醛与石膏材料配比1∶1.2(摩尔比)，再与膨润土以3∶1(质量比)混合，可以制备出具有良好抗水性能的缓释氮肥材料。该脲醛缓释肥料在3次淋溶后,氮素仍然能持续释放，具有良好的缓释性能。缺点是生产过程中脲醛反应体系易成团，不能一次完成造粒，而且当脲醛与石膏结合后，必须要在2h内使用，长距离的运输与储存有诸多不便，极大限制了其在农业上的应用。

2000年，陈易飞[4]研究了6种不同脲甲醛缓释肥料对水稻和小麦产量的影响，脲醛肥编号原则基于反应时尿素与甲醛的比例以及甲醛的浓度，两期实验结果见表1。研究表明，脲甲醛1号缓释性能强，但是水溶性差，对小麦的增产效果优于水稻，对稻麦的总增产率为2.4%，相较尿素，氮素利用率增加了2.9%，但脲甲醛1号的氮含量与尿素相比差别不大，而脲醛缓释肥的价格昂贵，单独施用仅增产不增收。脲醛4-6号肥缓释性能稍弱，但与尿素相比，对小麦和水稻的增产效果优异，对稻麦的总增产率平均可达13.8%，氮素利用率提高了14.2%～20.8%，投入产出比可达1∶3.66，具有良好的经济效益。

表1 施用不同脲甲醛肥料对稻、麦产量的影响

高产冬小麦对氮素吸收的规律呈现“M”形，为实现小麦的高产，氮素追肥应在分蘖期和拔节-孕穗期[5]。2017年，杨军芳[6]研究了不同配比速效氮与缓释氮的脲醛缓释肥料对冬小麦生长发育及产量的影响。研究发现，当尿素与脲甲醛缓释肥料1∶1配施时，一次性底施后所得的冬小麦的产量与等含量尿素一次底施，两次追施无显著差异。两种施肥方式相比于不施用氮肥，产量分别提高了22.5%和21.2%。由此可见，脲甲醛与尿素1∶1配施,氮源配比合理，肥效迟速兼备，与小麦需肥周期大致符合，一次性施肥省时省工，能大幅提高小麦的产量水平。

在小麦生长过程中，如果肥料氮素释放过快，容易引起小麦贪青晚熟，茎叶徒长。如果肥料氮释放过慢，则会造成氮素供应不足，影响小麦的产量和质量。2017年，周华敏[7]探究了常规施肥(尿素基施CCF1)、基肥加两次追肥(尿素基施，尿素追施：CCF2)以及不同总氮占比的脲醛缓释掺混肥对小麦生长的影响及经济效益。研究发现，当脲醛占总氮50%时，能促进小麦在全生育期对磷的吸收与积累以及生长后期对钾的吸收和运输，能够很大程度上提高小麦的品质。与CCF2相比，小麦增产11.36%，每公顷纯收入增加了1 582元，增产增收效果优异。因此，合适的脲醛氮素比例能提高氮素利用率，且兼具良好的经济效益。

2017年，陆世忠[8]报道了施用“施可丰”脲醛缓释肥料与普通复合肥料对水稻的产量及收益的影响。研究结果(见图2)显示，缓释肥减氮处理较习惯施肥产量增加了13.7%，每公顷增收达3 801.75元。由此可见，“施可丰”脲醛缓释肥对水稻的增产增收有较好的效果。

图2 不同施肥处理对水稻产量以及收入的影响

2017年，李飞[9]研究了施用普通氮肥与脲醛缓释肥料对水稻产量以及氮肥利用率的影响。实验结果见表2。研究发现，一次性施入脲醛复合肥能较不施肥增产26.4%～32.2%，高于农民惯用施肥的增产量(25%)；在减氮10%～15%的情况下，使用一次性施入脲醛复合肥的方式较“一基一追”的施肥方式，水稻产量提高了1.1%～2.2%，基本与“一基一追”施肥方式的产量相当。一次性施用脲醛复合肥能较“一基一追”施肥方式提高氮肥利用率5.68%～11.72%，其中，处理3的氮肥利用率可达33.21%。说明脲醛缓释氮肥在保证产量的同时，既可以减少氮肥的投入，又能节约追肥的人工成本。

表2 不同处理下水稻产量增量以及氮素利用率

注：处理1，不施氮肥；处理2，15-15-15复合肥基施，分蘖期追施尿素；处理3，全量一次性施用尿素∶脲醛(U∶F)=7∶3的复合氮肥；处理4，90%全量处理3中的UF用量；处理5，85%处理3中UF的用量。

3 脲甲醛在经济作物中的应用

香蕉比一般果树需肥量大，全年追肥10～15次。2012年，曲均峰[10]研究了脲醛缓释肥与尿素对香蕉的品质以及产量的影响。对比后发现，中海石油化学股份有限公司自制的脲醛缓释肥在与速效肥等氮含量、3次施肥的条件下，香蕉产量依然增加，株高和单果重等农艺性状也有所提高。其中，香蕉中可溶物固含量、可溶性糖及Vc含量与未施肥的香蕉相比稍有降低。而市售大颗粒尿素与市场采购的小颗粒尿素在施肥8次的条件下，与脲甲醛缓释肥料肥效相当。由此可见，脲甲醛的使用降低了施肥次数，增加了果实产量，有助于降低成本。

菠萝的生长周期长达18个月，在生长后期由于“封行”，使得追施化肥成为难题。2013年，曲均峰[11]研究了不同施肥比例与施肥方案对菠萝产量及果实品质的影响。研究发现，80%全氮3次施脲醛缓释肥较5次施用普通尿素(PU)，菠萝减产2.8%；分3次全氮量施用脲醛化肥较5次施用PU，菠萝产量增产3.6%，由此说明，氮养分含量影响菠萝产量。与不施肥(CK)对照，发现施用脲醛肥后菠萝的果长、果周、单果质量都有大幅提升，说明施入脲醛缓释化肥有助于改善菠萝的品质。

2015年，何佩华[12]发现脲醛缓释复混肥能显著促进花菜生殖生长、增大花菜的直径和提高产量。在施肥量相同的条件下，不同比例脲醛复混肥较常规速效肥氮素利用率能增加6.44%～19.83%，肥效显著，而且只需一次施肥便能满足花菜生长的需要，说明缓释肥与速效肥掺混使用不仅可以提高肥效，提高花菜产量与生殖性状，还能减少人工成本。

甘蔗生长期较长，需肥量大，在整个生长周期内对氮肥的需求比较均衡，但传统的氮肥具有挥发性和水溶性，雨水冲刷和日照条件下容易流失，因而氮损失较为严重[13-14]。脲醛缓释肥难溶于水，难挥发，其中的氮素可随时间缓慢释放，为作物生长持续提供养分。2017年，许树宁等[15]研究了两种不同的脲醛缓释肥料(绿茵脲醛缓释复合肥和住商脲醛缓释复合肥)对甘蔗生长的影响。研究结果表明，两种缓释肥在采用2次施肥的条件下，较常规3次施肥，产量增加了8.1%～8.7%，单位面积糖增产11.9%，增效成果优异(见表3)。

表3 各处理甘蔗糖分比较

2019年，郑富海等[16]研究了不同施用比例的脲甲醛泡沫肥料对香石竹质量的影响。研究表明，当施用脲甲醛泡沫为6.05kg/m3时，与不施肥(CK)相比，总根长增长4.2%，根直径增长10.1%，根表面积增长19.9%，促进香石竹生长效果明显。同时，该配方下香石竹的积累量明显增加，说明脲甲醛泡沫肥料有助于提高香石竹的品质。

2019年，苗志伟研究了广东太尔胶粘剂公司生产的固态与液态脲醛缓释肥料对油菜、小白菜和秋播大白菜产量以及产品质量的影响。研究结果表明，固体脲醛缓释肥与普通复合肥施用在大麦上，效果差异并不显著。脲醛缓释肥料对油菜产量影响的研究结果见表4，研究发现，在使用固体脲甲醛缓释肥以后，相比于不施肥(CK)，油菜产量增加59.5%，相比于普通肥料，产量增加了8.7%。使用液态脲甲醛缓释肥后，相比于不施肥(CK)，油菜产量增加了34.4%，相比于普通肥料，产量下降8.4%，由此可见，针对油菜作物，固体脲醛缓释肥释放周期能更好地适应油菜的生长历程，提高油菜产量。

表4 不同脲醛缓释肥对油菜产量的影响

4 结语

脲醛缓释肥具有一次施肥、无需追施的优点，省时省工，能有效降低人力成本，增加农民收入，是农业农村部提出的化肥“减量增效”、“精准施肥”优先推荐的肥料品种之一。脲醛肥料中氮素的释放有赖于微生物的分解，而氮的释放受到土壤性质和外界条件(温度、湿度等)的影响，因而开发能适应不同环境条件的脲醛缓释肥是急需解决的关键问题。未来随着我国农业科技的不断发展，脲醛缓释肥必将迎来新的更快的发展。