缓控释肥的发展应用与评价体系研究进展

2020-10-20马泉王亚华王梦尧李春燕丁锦峰朱敏郭文善朱新开

江苏农业科学 2020年18期

马泉王亚华王梦尧李春燕丁锦峰朱敏郭文善朱新开

摘要：在农业生产中氮肥过度使用、肥料利用率低下，因肥料施用不当引起的土壤恶化、资源短缺、环境污染等环境问题已经严重制约了我国农业的现代化进程。缓控释肥料作为高效且环境友好型的肥料，对缓解农业肥料用量日益增加，提高肥料利用率有重要作用。本文对缓控释肥料的发展与运用现状进行了总结，很多研究证实缓控释肥料对水稻、小麦、玉米等主要农作物有较高的应用价值，但由于肥料释放效果、经济效益、社会生态效益等方面的限制，使得缓控释肥料目前未能在农业上广泛推广应用。因此，构建与完善缓控释肥料的综合评价体系非常迫切，这也是推动其在农业领域推广应用的重要依据。

关键词：缓控释肥;肥料利用率;效益;综合评价体系

中图分类号：S145.6 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）18-0024-06

收稿日期：2019-10-10

基金项目：国家重点研发计划（编号：2018YFD0200500）;公益性行业（农业）科研专项（编号：201503130）;江苏省科研院校农技推广服务试点项目（编号：TG[17]007）;江苏高校优势学科建设工程;江苏省和扬州大学优秀科技创新团队项目。

作者简介：马泉（1995—），男，江苏灌云人，博士研究生，主要从事小麦绿色高效栽培生理研究。E-mail：mq_agriculture@163.com。

通信作者：朱新开，博士，教授，博士生导师，主要从事作物优质高产高效栽培与生理研究。E-mail：xkzhu@yzu.edu.cn。

我国水稻、小麦、玉米等主要农作物获得高产的关键是通过协调营养生长和生殖生长来提高单产水平[1-2]。肥料尤其是氮肥对提高农作物产量的贡献率可达40%～60%。研究认为，适当增加施氮量不仅能够显著提高作物产量，且对籽粒的蛋白质含量和品质也有一定的提高[3-4]。然而，目前氮肥施用问题非常严重，不合理施肥和氮肥过量施用导致大量氮素以挥发、淋失、硝化及反硝化等方式进入大气和水体，从而使农田养分流失、水体污染等环境问题不断加剧[5-10]。全世界的化肥施用量在40年内增加了15倍，而粮食增产只有3～4倍，不断增施氮肥的同时产量和氮肥利用率却并没有随之同步提高[11]。因此，提高肥料尤其是氮肥的利用率、在保障稳产高产的同时减少肥料投入是未来我国农业研究的重要方向之一。

科学合理的施肥是提高肥料利用率、保证粮食作物高产稳产的重要基础。为此，众多学者在氮肥运筹、测土配方施肥、叶色诊断等方面不断地探索，以期获得提高氮肥利用率的方法[12-13]。减少养分淋失和农业污染等问题关键在于提高肥料利用率以减少氮素投入，而推广应用缓控释肥是解决这一关键问题的重要途径之一[14]。缓控释肥的主要特点是肥效期长且稳定释放，少次甚至1次施用就能满足作物在整个生育期对养分的需求，研究证实缓控释肥能够显著提高作物产量和氮素利用率[15-16]，减少施肥次数和施肥成本，同时缓解养分流失和水体污染等环境问题[17]。缓控释肥的这些特点使其成为增加粮食产量、减少农业肥料投入的潜在途径[18]，但缓控释氮肥的缓释效果、肥料种类、配套施用技术以及作物或品种对缓控释氮肥响应的研究还存在一定争议。因此，对缓控释肥的研究进展进行综合分析，并构建其缓释效果、经济效益、社会效益等方面的综合评价体系，对缓控释肥的推广应用具有重要意义。

1 缓控释肥的发展现状

缓控释肥被广泛认为是高效且环境友好型的肥料，美国作物营养协会（AAPFCO）将其定义为施用后含有的养分离子能缓慢地被作物吸收与利用、肥效比普通速效肥更长的一类肥料，它的原理一般是以速效化肥为基础，通过各种技术措施尽量减缓或控制肥料养分在土壤中的转化过程和释放速率，使养分释放规律尽量满足作物的养分吸收需求，从而提高肥料利用率、降低氮素损失、减少环境污染[19-22]。缓释肥和控释肥在作用机理上没有本质的区别，其核心目标都是减慢和控制养分释放，控释肥是缓释肥发展进一步的研究产物，在本研究中不作区分。缓控释肥的研发与推广为化肥的增效减量提供了一个切实可行的发展方向。

缓控释肥的发展时间晚，1948年美国的Clart等首先研究了尿素-甲醛缩合物缓释肥的制备和性质，从1950年以后，其他发达国家先后展开了缓控释肥的研究试验。日本最初学习美国的技术来研究缓释肥，主要开展了高分子包膜肥料的研究，而西方国家主要偏向于微溶性含氮化合物缓释肥的研究。前期各国主要在生产工艺、缓控释材料、养分释放机理等方面展開对缓控释肥的研究，目前则重点研究养分的控释尤其是研究特定作物的专用缓释肥。20世纪后期，我国许多专家和科研机构迅速展开了针对缓控释肥的各项研究，目前已经研发出许多有实际应用价值的缓控释材料和肥料。当前我国的研究主要集中在肥料的包膜材料上，通过改变包膜材料的化学组分实现养分的缓慢释放。

缓控释肥在农业大田规模种植上的应用价值已经得到许多研究者的证实和认可，但目前缓控释肥养分释放的机理、释放周期、缓释材料等方面的诸多问题还没有研究透彻，并且目前市场上可根据各种作物生育期需肥规律研制的专用缓释肥还较少，此外由于价格昂贵，缓控释肥现阶段多应用于草坪和花卉等园艺作物上，如何加快缓控释肥在大田作物上的推广应用还有待进一步研究。

2 缓控释肥的主要类型与作用机理

缓控释氮肥是可以延缓氮素的释放速率，并供植物持续吸收利用的一种新型氮肥[23-24]，但不同缓控释肥的缓释机理、养分释放特征、缓释材料等方面有较大差异。通常按照缓控释肥的化学组成和作用机理等，将缓控释肥主要分为如表1所示的几种类型[18，25-29]。

3 缓控释肥在生产上的应用研究进展

缓控释肥具有肥效长、养分利用率高、环境污染小、使用方便快捷等特点[30]。其养分缓慢释放可以有效避免由于施肥引起的土壤离子浓度短期内过高，能持续保持土壤养分离子的数量和活性，从而增加可被植物吸收利用的养分离子含量[31]。在施氮量相同的条件下，施用缓控释肥可以明显提高产量和肥料利用率，且减少施肥次数可以节约施肥的人工成本，符合张夫道等提出的缓释肥是今后肥料发展方向的观点[22]。

3.1 缓控释肥合理施用的研究进展

合理施用缓控释肥是实现最大化增产增效的重要措施。首先，要选择适宜的肥料种类，不同作物对缓控释肥养分释放的要求存在较大差异，因此根据不同作物研制的专用缓释肥具有较高的应用潜力[32-33]。其次，不同缓控释肥对外界环境的响应存在巨大差异。温度、水分是影响缓控释肥养分释放的主要环境因素，因此选择的缓控释肥对于施肥地区的降水和温度要有较好的耐受性。在降水较多的南方地区，推荐施用树脂包膜的缓控释肥，其对水分的耐受性更高，具有较好的稳定性;而硫包膜和脲甲醛等缓释肥可在水分含量较高的条件下会加速溶解释放，更适合在降水较少的北方地区应用。

对于缓控释肥施肥方式，有研究认为缓控释肥施用1次就可明显提高籽粒产量和生物产量[34];也有研究认为施肥1次效果不突出，采取基肥加1次追肥合计2次施肥的方式更能满足作物的养分需求，对作物的增产效果更为显著[35-36]。尤其是生育期较长的作物如冬小麦，应该将肥料养分释放特性与其生育期内2个养分需求高峰相结合，基肥加返青或拔节期1次追肥更能使养分释放充分满足作物生长需求。在肥料用量方面，前人研究表明，与施用普通尿素相比，缓控释肥可减少10%～30%的施氮量仍能够达到稳产或高产的效果[37-38]。缓控释肥的减氮施用符合现代农业发展节氮增效的目标，可控制成本。因此，合理施用缓控释肥是实现稳产高产、节约农业成本、保护生态环境等多重目的重要方式之一。

3.2 缓控释肥料的增产增效研究进展

缓控释肥能够实现作物稳产高产的主要原因是其在作物的全生育期特别是中后期的养分供应比普通尿素更为合理、高效[34]。缓控释肥施入土壤后养分持续释放，能有效避免前期养分大量损失，同时保证养分持续供应以满足作物的生长需求，在实现增产的同时也有效提高氮肥利用率。目前缓控释肥在主要农作物上的应用效果已取得了一定进展。

3.2.1 缓控释肥在水稻上的应用蒋曦龙等研究表明，控释氮肥1次基施与普通尿素多次施用相比产量可提高8.51%～13.03%，氮肥利用率可提高571%～71.2%[39]。邢晓鸣等认为，缓释肥一基一蘖2次施肥的增产效果要优于全部基施，且不同缓释期的掺混缓释肥的增产效果和经济效益最高[35]。缓控释肥对水稻的影响主要在于增加有效穗数、穗长、穗粒数，提高生物产量、经济产量、氮素利用率等，对结实率和千粒质量影响较低[39]。缓控释肥在水稻苗期的作用不明显，但后期能有效促进水稻氮素供应、增加氮素转换与积累、协调作物各器官养分的吸收与调配，从而避免水稻营养生长过旺，有效缓解贪青晚熟和倒伏现象[40-41]。

3.2.2 缓控释肥在小麦上的应用王茹芳等研究表明，和普通氮肥相比，胶结型缓释肥可实现作物增产1485%～27.48%，掺混型缓释肥可实现增产2377%[42-43]。周华敏等认为，与普通氮肥多次施用相比，脲醛掺混肥施用增产可达1.76%～1201%，氮肥利用率可增加13.65%以上[44]。曲均峰等研究表明，一次性基施脲醛缓释氮肥能显著增加小麦的有效穗数，但是对每穗粒数和粒质量影响不明显[45];王茹芳等认为，胶结型缓释肥对产量、干物质量、穗粒数、穗粒质量等均有显著影响，并且将尿素、胶结肥、包膜肥掺混施用能有效增加穗粒数、穗粒质量及千粒质量，同时改善小麦品质[42-43];傅送保等指出，缓释肥对有效穗数和每穗粒数有明显促进作用，但对籽粒质量影响不大，主要影响小麦在拔节期至抽穗期的生长发育[46]。综上所述，不同种类的缓释肥均能够对小麦的群体、产量和氮肥利用率等有一定的提升，但不同缓控释肥种类、用量、运筹等因素对小麦产量影响的效应有差异。

3.2.3 缓控释肥在玉米上的应用王宜伦等研究表明，玉米专用缓释肥和普通氮肥2次施用相比，产量和氮肥利用率分别提高4.88%和2.95%[33]。李敏等认为，缓释氮肥或缓释氮肥与尿素掺混可增产28%～33.0%，氮肥利用率可增加9.61%～2761%[47]。研究认为，缓释肥对玉米产量结构的影响主要是增加粒质量，同时对穗长、穗粒数也有一定影响，且收获产量相当时，施用缓释氮肥比尿素节省30%的施氮量[47-48]。籽粒产量的增加以及施肥次数减少帶来的施肥成本降低，使得缓控释肥在主要农作物上的应用从经济效益上来讲是可行的。

4 缓控释肥的应用评价研究进展

目前许多研究已经证实，缓控释肥在农作物生产上有较大的应用价值，是未来肥料发展的主要方向之一。但是，目前由于技术不成熟、肥料成本高等问题导致其在大田生产上的推广应用还很困难，如何综合考虑其缓释效果和效益，构建缓控释肥料应用的综合评价体系，对于提高其利用价值和推广应用是非常必要的。

4.1 缓控释肥的养分缓释效应评价

缓控释肥的缓释效果主要由肥料类型、作物种类、外界环境等因素影响，对于缓释效果的衡量应该综合考虑其与作物、环境间的互作关系。缓控释肥的缓释效果评价应该从肥料本身、对肥料利用效率的提升、环境与缓控释肥的互作、缓控释肥与作物养分需求的匹配这几个方面综合考量，从而建立起相应的指标。

缓控释肥的本质特性是养分释放特性，也是评价其缓释效果的重要依据。不同的缓释材料或制造工艺对缓控释肥的养分缓释周期及释放特性影响非常明显。国内外已经有较多对缓控释肥的养分释放特性测定的研究，但到目前为止，国内外尚无统一的标准测定方法[49]。目前常见的测定缓控释肥养分释放的方法主要有水中溶出率法、模拟土壤下溶出率法、扩散和渗透率法、同位素示踪法等。以上几种方法在一定程度上能反映缓控释肥的缓释效果，但无法完全符合各种缓控释肥在田间的实际释放情况，其结果难以充分评价缓控释肥在生产上的实际效果。如何准确测定养分释放特性是评价缓控释肥效果的基础。

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