缓/控释肥研究现状及发展趋势

史万杰 ， 熊海蓉 ， 文祝友 ， 熊远福* ， 李祎成

(1.湖南农业大学 化学与材料科学学院 ， 湖南 长沙 410128 ； 2.湖南农业大学 分析测试中心 ， 湖南 长沙 410128 ； 3.湖南农业大学 动物科学技术学院 ， 湖南 长沙 410128)

普通肥料的利用率低和营养物质的严重浪费使化学肥料的使用效果变得越来越差，随着普通化肥使用量的增加，粮食的单位面积产量却在下降。造成化学肥料利用率不高的主要因素就是在施肥时会因为肥料的流失和挥发而损失掉一部分。施肥的同时有一小部分氨转化成一氧化氮扩散到大气中，破坏了臭氧层，产生了很严重的影响[1]。化学肥料利用率低不仅会污染周围的环境，还浪费了大量的人力物力，造成资源的浪费。根据数据显示，国外氮肥利用率为50%～55%，我国却只有35%～50%，远远落后于国际水平[2]。

缓/控释肥是一种新型肥料，可以最大程度地利用肥料，有效减少肥料对环境的危害，提高肥料的经济、环境等各方面效益，是全世界肥料领域研究的重点与前沿[3-4]。有数据显示，施用缓/控释肥每年可以节约一半以上的肥料用量，十分契合各国提倡的“节约资源、保护环境”的理念。

1 缓/控释肥简介

1.1 缓/控释肥的定义

缓释肥料(slow release fertilizers,简称SRFs)是一种在土壤中释放养分，并长期为作物提供养分，其释放速率远远低于目前普通速效肥的肥料，但仅仅只能延缓无法完全控制肥料释放期的长短；控释肥料(controlled release fertilizers,简称CRFs)是在土壤中释放肥料养分的速率符合农作物的需求规律的化学肥料，它是将作物对养分的需求规律与控制养分释放的技术结合研制出的，比缓释肥料更高级。美国作物营养协会(AAPFCO)将能够使养分缓慢地释放或释放的养分能被作物缓慢地吸收和利用，并且肥效比速效肥更长的肥料称之为缓/控释肥料。

1.2 缓/控释肥的特点

普通肥料施入土壤后会快速溶解并释放养分，农民只有大量施用肥料才能保证农作物的正常生长和发育。与普通的化学肥料相比，缓/控释肥料具有以下优势：①能延长化学肥料中养分的释放时间，长期为农作物提供养分。洪瑜等[5]用自行开发的控释肥料代替常规肥料，开展静水浸泡与盆栽试验，发现控释肥在土壤中释放氮素的时间可以达到75天以上，可以满足水稻生长发育期间对氮素的需求，从而保证了作物的产量。②一次施用肥料不仅可以降低成本，而且可以节省劳动力。刘兆辉等[6]发现一次性施肥技术不仅实现了作物高产，而且还解决了我国劳动力不足的难题；③可以减少因施肥过量而使作物死亡现象的发生；④可以有效地避免过量的肥料流入到土壤中，污染土壤周围的环境。王强等[7]探究了不同的缓/控释肥类型、施用的比例和氮肥的施用量对单施肥模式下植物体内氮素含量的影响，结果表明，虽然肥料用量大于多次施肥模式，但并没有使田间氮肥流失的可能性增加，间接降低了人工成本。

尽管缓/控释肥有诸多优点，但是目前市场上的缓/控释肥还存在很多局限性：①目前市面上存在的缓/控释肥释放养分的模式不能完全符合作物对养分的吸收规律；②生产缓/控释肥需要很高的成本，是传统肥料的2～5倍，这极大地阻碍了缓/控释肥在农村地区的普及；③目前市面上的缓/控释肥大多是包膜缓/控释肥，所用的包衣材料在土壤中不易被微生物分解，会对环境造成一定污染。

1.3 缓/控释肥的类型

当前，缓/控释肥的类型很多。一般来说，缓/控释肥料可分为两种：一种是包衣型缓/控释肥料，分为无机包衣肥和有机聚合物包衣肥；另一种是未包衣的缓/控释肥料，如合成型缓/控释肥料和抑制型缓/控释肥料。

1.3.1包膜型缓/控释肥

1.3.1.1无机包膜缓/控释肥

无机包衣的缓/控释肥料通常使用硫黄、硅酸盐等无机物作为包衣材料。其中，研究硫包膜肥料的时间较久，技术也较成熟。硫包膜肥料已经大规模生产，这种肥料可以使氮的利用率提升一倍，适合生长周期长的农作物，并补充了土壤中硫元素的含量。硫包膜肥料是通过调节包衣的厚度和包衣材料中石蜡的比例来控制肥料的释放速率。无机包膜材料能够大面积推广的原因在于它们的包衣原料比较多，而且对肥料的缓释效果也比较明显。但它具有诸如弹性较差和脆性高等弊端，使其很难真正达到对肥料的控释。有数据表明，无机材料的细度也是影响无机包膜肥对养分的缓释效果的重要因素。随着细度的增加，无机材料的比表面积也相应增加，养分释放的速度就会减缓；但是，比表面积与材料的细度成正比，材料的细度提高后，比表面积也会增加，从而导致一些不良现象。因此，怎样使包衣材料的比表面能降低是无机包膜肥料未来研究的重点。

1.3.1.2有机聚合物包膜缓/控释肥

有机聚合物包膜缓/控释肥所用的包衣材料可大致分为天然聚合物、合成聚合物和半合成聚合物三类。天然高分子材料：天然橡胶、阿拉伯胶、明胶纤维素、木质素等，具有材料丰富，稳定性高，易分解的特点，是环保材料。合成高分子材料：热塑性聚烯烃，热固性树脂，例如脲醛树脂，具有成膜性好、黏度高的优点。半合成聚合物材料：这种材料主要是纤维素的衍生物，具有易水解和容易包膜等优点。

1.3.2非包膜型缓/控释肥

1.3.2.1合成型缓/控释肥

化学合成型缓/控释肥易溶于水，其原理是肥料在水解的过程中缓慢释放一些植物需要的营养物质。主要有两个类别：①有机氮化合物，最典型的是脲醛肥料，它是由尿素和甲醛混合制成控释肥料脲甲醛(UF)，是最早出现的控释肥料；②化学合成型控释肥料是采用异丁叉二脲(IBDU)和草酰胺等材料制成的[8]。AARNIO等[9]试验了脲醛肥料和尿素混合物的使用效果，结果表明其养分释放速率慢，肥料利用率较高。但是，由于土壤的湿度、酸度、碱度及微生物等诸多因素都会对脲醛肥料养分的释放速率产生影响，高昂的成本和商品价格等原因，农民购买的积极性呈现下降趋势。

1.3.2.2抑制型缓/控释肥

抑制型缓/控释肥料是一类将肥料和抑制剂结合起来得到的肥料，这些抑制剂可以延缓尿素的水解速率和胺态氮的硝化作用，从而避免没有被植物吸收的养分流失到土壤中。1940年，CONRAD及其同事发现，往土壤中加入抑制尿素酶活性的物质之后，尿素的水解速率会变慢。双氰胺(DCD)是一种通常用于增加氮肥利用率的硝化抑制剂。陈振华等[10]通过实验证明，DCD可以降低尿素的水解速度，并使其以交换态铵根离子的形式在土壤中保留更长时间。

1.4 包膜缓/控释肥的作用机理

目前，许多研究人员正在研究缓/控释包膜肥料的释放原理，也取得了不错的研究结果[11]。包膜肥料中的养分经由渗透和扩散过程转移到外界，养分的释放原理可以分为两类。①空气中的水蒸气进入疏水膜向膜内扩散，从而使包膜肥料内部压力增大，造成包衣膜的膨胀或破裂，称为损坏机制；②渗透机制，包膜肥料中的养分在外界浓度和膜内浓度存在差异时通过扩散而释放。非弹性的包衣肥料通常通过损坏机制向外界释放养分，而渗透机制是有机包衣肥料中常采用的释放机制。

包膜缓/控释肥料释放养分的时长可以由包衣原料、包衣厚度、膜孔径、膜孔密度、土壤温度、湿度、pH值和有机物等确定。例如，土壤存在水分含量的多少会影响无机包膜肥料的缓释效果，而有机聚合物包膜肥料的释放速率则受土壤温度的高低影响较大[12]。

2 缓/控释肥研究进展

2.1 国外缓/控释肥研究进展

国外缓/控释肥料的研究早在20世纪60年代就已经开始，1961年美国就生产了硫包膜尿素(SCU)，是世界上最早的缓/控释肥料。但是由于控释效果不理想，研究人员又在肥料颗粒表面覆上一层烯烃聚合物，由于它的成本比聚合物包膜低，因此在迅速占领了美国市场。美国ADM公司大规模生产树脂型包衣肥料，是由热固性树脂作为包衣材料研制成的。之后美国又研制出能被光解或生物降解的包衣材料，以期最大程度地减少对环境的污染。欧洲一些国家研究的方向大多是难溶于水的含氮化合物缓/控释肥料[13]。在德国，采用能够被生物降解的醋酸纤维素、木质素等材料作包衣原料生产包膜肥料，不仅如此，还开发出树脂包膜NPK复合肥和中量元素、微量元素系列的配方肥。西班牙GARCA等[14]使用松树木质素为包膜材料，天然树脂为密封剂生产的包膜尿素。实验表明，可以充分降低氮的释放速率。荷兰开发了可生物降解的包衣肥料，其包衣材料是用菊粉、甘油、土豆等材料制成的。英国向玻璃态磷酸盐中添加了K、Ca和Mg元素等元素，但是由于该包膜肥仅适合幼树苗生长，所以这种玻璃态控释肥应用范围不广。

在全球范围内，很多国家对缓/控释肥需求特别大，比如美国、日本等国家，但他们大部分是用在草坪、高尔夫球场、景观植物等高经济价值的非农业方面，小部分用于蔬菜、瓜果等农业领域。阻碍缓/控释肥大范围推广的重要因素是高成本，导致缓/控释肥的销售量还是没有传统肥料的销售量高。

2.2 国内缓/控释肥研究进展

我国的科研人员开始从事研究缓/控释肥的研究是在20世纪60年代末。中科院南京土壤所率先开始了对缓/控释肥的初步研究，并生产出我国第一种缓释肥料—碳酸氢铵粒肥，它既可以控制肥料的释放期，还能延缓氨挥发到大气中[15]。20世纪80年代，郑州工业大学与南京土壤研究所联合开发了一种复合肥包膜的缓释肥料，是在尿素颗粒表面包裹一层含有磷酸盐的物质。进入20世纪90年代，随着研究的不断进行，缓/控释肥料有了初步的进展。吉林农业大学研制出应用于树木的专用缓/控释肥料；郑州工业大学也开发出全营养型包膜肥料，是一种专门为草地提供营养的缓释肥。21世纪以来，在科研人员的不懈努力下，我国的缓/控释肥发展迅速，许多缓/控释肥料已经接近国际水平。例如，具有缓释功能的纳米级胶结包膜剂，该包膜剂采用化学和物理的微乳化和高剪切技术，提高了聚合物的性能并且可以大大延长肥料的释放期；热固性树脂、硫包膜尿素和将环氧树脂改性之后再包膜得到的缓释肥以及含有多种养分的复合缓控释肥等。由于它们大多只适用于玉米、小麦等作物，所以消耗总量非常低[16-17]。

目前市面上的缓/控释肥成本都比较高，其应用规模较小，主要用于草坪、瓜果和烟草等高经济价值作物。为了降低缓/控释肥的成本、使其能在水稻等大田作物上推广应用，2014年湖南农业大学研发出尿素控释包衣剂，在室温下将普通尿素包衣成为控释尿素；并且在水稻、玉米、油菜和棉花等作物上进行试验，结果表明，尿素的利用率与原来相比提高了27.6%～48.3%，其生产工序较为简便，成本低，对环境没有太大的威胁[18]。熊远福等[19]2015年将可被微生物降解的高分子聚合物作为成膜材料与控释技术结合起来，研发出钾肥控释包膜材料，适合在常温下对普通钾肥进行包膜，并且可以通过调节包膜质量比、致孔剂用量来获得不同控释期的包膜钾肥。

3 缓/控释肥存在的问题及发展趋势

减少环境的污染问题是今后农业发展的根本方向。缓/控释肥料存在的问题无疑是各个国家要研究的重点，也会是缓/控释肥料将来的发展方向。

从各国的缓/控释肥料发展情况来看，目前最大的问题是缓/控释肥料的成本非常高，是普通肥料的几倍，很难推广使用。一方面，可以改良生产过程，降低生产成本，另一方面，也可以寻找或者研制出成本较低的膜材料[20]。其次，阻碍缓/控释肥发展的另一问题为缓/控释效果不佳，目前研究出的缓/控释肥存在施用后前期释放速率过大、释放周期短等弊端，难以使释放速率与作物的生长周期一致，应根据植物需肥规律来调整养分释放规律从而达到控释的目的。第三，缓/控释肥的环境污染问题，多数包膜肥料在土壤中难以降解，会对土壤造成二次污染。因此，水基成膜法逐渐引起了人们的重视，可以利用水不溶性聚合物材料的水分散体(乳液)作为包衣剂制备包膜肥，可显著提高肥料的利用率并保护了环境，还能节省成本、节约资源。

未来缓/控释肥的研究趋势是：除了从提高肥料利用率、节约成本和减少环境污染的角度出发，筛选膜材料以外，还可以尝试开辟新路径，比如将多种膜材料混合进行包膜以期达到养分控释目的；或者对作物种子进行包肥处理，发展种子包衣肥技术；将包膜技术与土壤肥料、植物营养、微生物工程、环境工程等前沿学科结合，研制出养分释放规律与作物需肥规律相匹配的控释肥料[21]。