新型缓控释增效肥研究进展和发展前景

岳焕芳，王克武，孟范玉，安顺伟，胡潇怡，王志平

（北京市农业技术推广站，北京 100029）

化肥对于我国粮食的丰收增产起到了40%以上的作用。我国的化肥种类多种多样，2016年我国化肥施用量为5 984.1万t（按折纯法计算，数据来源于农业农村部年报）；但是我国的肥料利用率平均仅约为30%，远低于国际水平。粮食增产及农业绿色发展的需求与传统化肥的矛盾，需要新型化肥产品来解决，2015年我国启动化肥减施增效行动，颁布了“到2020年化肥使用量零增长行动方案”等系列文件，减少化肥用量，提高肥料利用效率，势在必行。通过研发新型缓控释增效肥相关技术和产品，解决化肥发展过程中遇到的问题，将会是肥料研发重点之一。

1 新型缓控释增效肥简介

1.1 新型缓控释增效肥定义

对于缓控释肥的定义不同学者各有自己的见解，美国作物营养协会给出的定义是：所含养分比速效肥具有更长肥效的肥料，主要是从肥料养分释放速度方面给出界定。国际肥料工业协会则将缓控释肥分成尿素与醛类的缩合物和包膜肥料两大类。传统的缓控释肥主要是通过降低养分释放速度实现化肥养分的长效供应，新型缓控释肥首先可以实现肥料的养分释放速率与作物养分吸收同步，通过新型包膜材料或者纳米技术，实现养分释放速度的可控性；其次，通过添加信号物质，实现植物和化肥的互动，缓控释肥可以识别植物释放的养分需求信号，从而实现养分供应。所以，新型缓控释肥应该是将化肥制造和植物营养有机结合，将植物养分需求规律作为主导因素，采用新型的技术手段实现养分的按需供给，从而提高肥料利用率和施用效果的新型肥料。

1.2 新型缓控释增效肥研发背景

新型缓控释肥的研发和推广，是在技术和时代大背景下衍生的必然趋势。国外对于缓控释肥的研究起步较早，至今已有50余年的历史，已经有成熟的硫包衣和聚合物包膜等产品，主要用在园艺和草坪等高端经济作物上，价格普遍较高。我国缓控释肥起步较晚，20世纪60年代末，南京土壤研究所最早开始相关研究，成功研制出碳酸氢铵粒肥[1]，2015年，我国缓控释肥产能从2001年的6.5万t，变为300万t，平均每年增加30%[2]。从20世纪90年代开始，缓控释肥成为研究热点，我国缓控释肥行业经过50余年的发展，技术已经逐步成熟，同时我国化肥行业整体面临着严峻的考验，普通化肥产能过剩，结构不合理，以尿素为例，2013年国内尿素产能富余1 200万～1 400万t。具有高效、高产、生态、环保优势的缓控释肥代表了肥料重要发展方向之一，未来市场前景可期。

1.3 新型缓控释增效肥优缺点

新型缓控释肥通过新型包膜材料，采用纳米技术，添加特殊物质等方法，延缓养分释放，并根据作物养分需求规律，进行特定养分的释放，一方面通过减少施肥次数，节省人工，根据作物需求释放养分，可以提高肥料的吸收利用效率；另一方面可以减少养分流失，降低农业面源污染。但是，目前新型缓控释肥发展也存在一定的局限性：第一，新技术新产品大部分还处于试验示范阶段，能得到大范围推广应用的少之又少；第二，价格偏高，与普通肥料相比，每667 m2增加几十元甚至上百元的成本，种植户无法接受。所以，目前缓控释肥占肥料总消耗量的比重偏低，仅约为1%。

2 新型缓控释增效肥研究现状

目前产业化应用较多的缓控释肥包括脲醛类缓释肥、硫包膜肥和聚合物包膜肥等，近些年随着技术的进步，越来越多的新型材料和技术被用于缓控增效肥产品，比如新型包膜材料的开发应用，用于解决传统包膜材料价格贵、养分控制不是很理想、材料降解不完全等问题；纳米技术的应用，改变养分释放效率；通过添加信号物质，利用生物学的方法提高利用效率。

2.1 新型包膜缓控增效肥

包膜缓控释肥是以颗粒化肥为核心，利用各种包膜材料，采用物理或者化学的方法给肥料打造一个微囊，延长肥料养分释放时间。新型包膜材料可以控制肥料养分按需释放，根据作物的养分需求规律供给养分，而这其中包膜材料是起到关键因素的物质，包膜材料的组成、厚度、膜孔隙度等指标对于缓控释肥效果起到至关重要的作用。

2.1.1 新型无机包膜材料

无机包膜材料是研究历史最长，也是目前应用较为广泛的包膜材料，以美国的包硫尿素为代表。目前，硫包衣在缓控释肥中仍占据重要地位，它为作物缓慢释放养分含量的同时，可以补充硫元素，还可以起到杀菌等作用。但是硫包衣可能会在土壤中转化成硫酸，造成土壤酸化。如果在水田使用，还可能在厌氧环境中转化成硫化氢等有害物质[3]。

可以作为新型包膜材料的物质，应用最多的是孔隙度大和表面活性高的天然物质。硅藻土具有吸附性好、松散密度小、多孔等优点，可以实现保肥和缓释、延长肥效的功能，是一种比较理想的新型包衣材料。沸石是一种内含沸石水、碱金属Na、K和碱土金属Ca的铝硅酸，可以起到保氮、减少磷固定的作用，同时含有钾和微量元素，是一种良好的新型无机包膜材料。纪锐琳等[4]利用竹炭和高分子聚合物作为新型包膜材料，取得了良好的效果。高表面活性矿物膨润土、松香、羧甲基纤维素钠等物质都曾被用于新型包膜材料。“肥包肥”是一种新型的包膜形式，是由郑州大学许秀成教授首先开发研究的[5]，通过这种方式可以有效地减缓氨的挥发，增加碳铵肥料的利用率。钙镁磷肥、酸化磷矿和金属磷酸铵钾盐都被成功作为包膜材料，并应用于生产。

2.1.2 新型有机包膜材料

采用有机物作为包膜材料，可以较好地控制膜层，目前有机包膜材料主要可以分为天然和人工合成两大类。可以作为有机包膜材料的天然物质包括：瓜尔胶、木质素、阿拉伯胶、壳聚糖、腐植酸、明胶、植物油、海藻酸钠、天然橡胶、纤维素和淀粉等，具有来源广、稳定、无毒、成膜性好等优点，但是也存在容易被生物降解，影响控释效果的问题，一般需要改性后再使用，比如壳聚糖是由甲壳素脱乙酞基得到的一种衍生物，具有良好的成膜性，且无毒无污染，是一种良好的天然有机包膜材料。

合成有机包膜材料又分为半合成和合成两大类，半合成是指各种天然聚合物经过石化反应产品结合等措施，改性后形成的一类聚合物[6]，以纤维素的衍生物为主，具有黏度大、成膜性良好和易水解的优点；合成有机包膜材料包括：三聚酞胺、环氧聚酷、聚苯乙烯、聚乙烯、有机硅聚合物、尿醛树脂、聚酞胺、氯乙烯－醋酸乙烯共聚物、合成橡胶等，应用比较多的是美国的Osmocote和日本的Meister两类聚合物包膜材料，即美国ADM公司是有机高分子聚合物包膜尿素，日本则是以聚烯烃为主体，再加入一些高分子聚合物进行共聚的产物。合成有机包膜材料薄而均匀，韧性好，适用于机械化施肥，同时可以实现养分释放的可控性。但是，也存在包膜材料在土壤中降解缓慢，价格偏高等问题。

2.1.3 可降解新型包膜材料

包膜肥料在养分释放完以后，包膜材料如果残留在土壤中，不容易降解，日积月累，将会对农业环境、土壤造成严重的影响，因此可降解新型包膜材料逐渐成为研究热点。天然可降解的材料有很多，包括淀粉、纤维素、木质素、甲壳素、壳聚糖、糖聚合物、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、藻朊酸盐等，国内外学者在使用天然可降解物质作为包膜材料方面也做了很多探索，日本学者以淀粉作为黏结剂，用稻米壳粉包裹硫酸铵，印度学者从楝树油脂中提取出凝胶物，可以实现控制养分释放和抑制硝化作用的功能。

由于淀粉等这些天然物质分子中大多含有羟基及其他极性基团，容易形成氢键，造成难溶，耐水性、柔韧性差等问题；所以，利用这些天然可降解的材料与不可降解的包膜材料进行合成改性，可达到良好的降解效果。聚乙烯醇是一种常见包膜材料，常被用作改性对象，日本学者在聚烯烃类包膜材料中添加光氧化剂——醋酸铁，实现包膜材料的可降解；陈松岭等[7]以壳聚糖为改性剂、二氧化硅为添加剂对聚乙烯醇进行改性，研发出具有良好的生物降解性的包膜材料。Zou等[8]采用柠檬酸对聚乙烯醇进行改性，提高包膜材料的降解度。另外，还有聚合物溶液包膜和光降解材料包膜[9]，以及利用工农业废弃物和活性矿物开发的环境友好型包膜控释肥料。

2.2 纳米缓控增效肥

纳米技术是20世纪80年代兴起的一项高新技术，被誉为21世纪的第3次工业革命，纳米材料由于具有小尺寸效应和表面界面效应等特性，可以大大提高肥料利用效率，同时减少肥料对土壤和环境的污染。在2002年，由中国农业科学院土壤肥料研究所张夫道研究员首先提出了纳米肥料概念，并提出了纳米肥料的制备工艺，被列入国家“863”高科技发展计划项目。经过10余年的发展，国内外学者在纳米肥料领域已经取得了很大的进步。根据肥料结构和效应，将纳米肥料主要分为4大类：纳米结构肥料、纳米胶结包膜肥料、纳米碳增效肥料和纳米生物复合肥料[10]。

2.2.1 纳米结构肥料

纳米结构肥料是指采用纳米技术将普通的氮肥和磷肥制备成纳米级肥料，或者是将土壤中难溶解的磷矿石等天然营养矿石，采用高能球磨或液相沉淀法技术做成纳米结构肥料；纳米结构的尺寸在50～80 nm，肥料复合组分和养分均达到纳米级标准。纳米肥料的小尺寸效应，使其具有带磁效应，促进养分被作物吸收；纳米肥料的表面效应，增大肥料的表面能，也可以提高肥料的施用效果；同时，纳米肥料还可以提高作物多种酶的活性，促进生长[11]。

国内外学者在马铃薯、甜菜和玉米等作物上开展了很多纳米结构肥料效果试验，证实了水悬浮纳米分散铁粒可以提高作物产量。Zheng等[12]采用纳米二氧化钛提高了菠菜的发芽率。国内学者利用纳米结构技术，对钙、硅和锌等微量元素进行了效果试验，证实该技术可以提高营养元素吸收利用效率，促进作物生长。纳米技术应用在苹果和花生上，可以促进钙的吸收利用，利用纳米TiO2、SiO2肥料，可以促进大豆根系活力；但是，大部分试验还是以效果应用为主，对于肥料作用机理方面的研究仍不足。

2.2.2 纳米胶结包膜肥料

纳米胶结包膜肥料是指使用腐植酸、纳米高岭土、纳米蒙脱土、纳米沸石、纳米风化煤、高分子树脂、淀粉等纳米材料，制备胶结包膜，将颗粒肥包裹。纳米肥料胶结包膜剂胶团直径小于100 nm，小尺寸效应使得肥料带有磁性，促进养分的吸收利用；同时纳米胶结包膜剂具有较高的胶体稳定性和优异的吸附性能，可以促进作物持续吸收养分；纳米材料独特的物理化学特性，还可以有效刺激植物，促进作物代谢，改善其生长环境[13]，可以有效解决普通缓控释肥养分释放速度过快，不能与作物养分吸收利用规律一致，肥料容易固定、挥发，包膜材料难降解等问题。

王署娟等[14]利用膨润土能强烈吸附尿素和NH4＋，并且具有控释作用和保水保肥的效果，制备纳米膨润土包膜尿素，证实可极显著地提高小白菜的产量，并可提高N、P、K养分累积量和氮肥利用率；杜杰等[15]以多壁碳纳米管为改性材料制备水基聚丙烯酸酯复合材料，研制出包膜尿素，有效地减少了养分释放速率，延长了控施期。李丽霞等[16]利用纳米TiO2与低密度聚乙烯（LDPE）复合形成包膜液，制备成具有光催化活性的纳米包膜控释肥，有效延长释放期，经紫外光照射18 d后包膜材料失重率可达13%。

2.2.3 纳米碳增效肥料

纳米碳为低燃点和绝缘的改性碳，为多孔圆球形结构，特性与石墨相近，拥有大表面积，有快速吸水功能，遇水后变成超导体，可以有效提高土壤中无机营养元素的迁移速率，提高肥料利用效率，达到增产、节肥的目的。将纳米碳应用于肥料领域的研究逐渐成为热点，很多专家学者验证了纳米碳肥料的田间应用效果，沈光业[17]验证了纳米碳可以提高桃的产量和品质；李小龙等[18]在烟草上的效果试验表明，纳米碳可以增加烟叶单叶质量和产量；薛照文[19]明确了纳米碳肥料在马铃薯上的合理施用量，同产量下节肥10%～40%。

2.2.4 纳米生物复合肥料

纳米生物复合肥料是指以植物营养学、植物学和生物学为理论依据，在普通肥料中添加生物有益菌种、中微量元素和营养组分的新型肥料。纳米生物复合肥料养分稳定，作物吸收利用效率高，可以提高作物的抗逆性，促进生长，改良土壤。目前市场中纳米生物肥产品较少，与之相关的试验报道有限，马来西亚IBG公司的易健生物肥宣称为国内首例纳米化复合型生物肥料，但目前尚未发现具体作物的田间效果试验。

2.3 添加类缓控增效肥

为了提高肥料利用效率，延长养分释放时长，可以在肥料中添加特殊成分，比如尿素硝酸铵溶液中有3种形态的氮：硝态氮、铵态氮和酰胺态氮，可以达到缓释和速效的效果，这是通过添加不同形态的元素实现缓释，还可以通过添加生物化学物质、离子交换物质等途径，达到肥料提质增效的目的。

2.3.1 新型生化缓控施肥

新型生化缓控释肥主要是针对尿素的改性，尿素在土壤中容易分解成NH3挥发，在肥料中添加脲酶抑制剂类物质，通过对脲酶催化过程中的疏基产生影响，减缓尿素水解，延长肥效时间，提高作物对氮元素的吸收利用。目前，国内外已经发现的脲酶抑制剂有机和无机化合物有几百种，也从微生物中筛选出了脲酶抑制剂菌株，腐植酸类物质也可以作为抑制剂添加到肥料中，但是目前研究多集中在其对尿素水解进程的抑制方面，田间效果试验数据鲜有报道。

2.3.2 新型离子交换肥料

离子交换肥料将矿物元素和离子交换剂混合，使肥料带负电荷，当土壤中的特定养分被作物吸收利用后，肥料可以缓慢进行养分释放，提高肥料利用效率。但是，目前相关研究内容较少，美国丹佛地质勘查中心利用离子交换技术研发含磷的肥料，将磷矿粉和沸石离子交换剂混合，形成可以被作物吸收的磷酸盐，磷酸盐缓慢释放，可以避免土壤对可溶性磷肥的固定引起的土壤板结现象的发生。

3 新型缓控增效肥发展趋势和展望

缓控释肥料的出现为提高肥料利用效率提供了新思路，而新型缓控释肥料将植物营养与纳米技术、包膜新材料和生化技术等有机结合，让缓控释变得更加科学、更加智能，可以有效地解决我国面临的化肥生产原材料煤、气和矿石资源有限的尴尬现状，同时可以缓解肥料所造成的农业面源污染问题。随着资源节约型和环境友好型社会建设的推进，新型缓控释肥料的发展具有广阔的市场前景和潜力。但是，目前缓控释肥料市场总额仅仅占据化肥总量的1%，新型缓控释肥则更是凤毛麟角，大部分技术的产品还处于理论研究或者试验阶段，比如利用生物传感技术，实现根据作物根系分泌物中的信号物质，调控缓控释肥料养分的释放，真正地实现养分按需供给，目前仅仅停留在理论阶段，并没有实际的产品落地。相信随着政府政策的引导、社会资源的倾斜、科研学者的投入，新型缓控释肥未来可以真正地实现技术落地，产品商品化，造福农业生产。