缓控释肥的研究及其在水稻上的应用进展

李祎成，熊远福，文祝友，熊海蓉，邢俊英，王起可

（1. 湖南农业大学化学与材料科学学院，湖南 长沙 410128；2. 湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410128）

随着人口的持续增加，21世纪世界农业面临粮食安全与资源环境协同发展的巨大挑战。水稻作为我国第一大粮食作物，2016年播种面积达到3018万hm2，产量达到2.07亿t[1]。因此，水稻对保障我国粮食安全有着不可动摇的地位。研究表明，施肥能有效提高水稻等粮食作物的产量及品质，然而随着化肥的持续大量施用，肥料的利用率却始终较低；而且过量施肥造成的地下水污染、水体富营养化和温室气体排放等问题严重影响了生态环境和人类健康[2]。

保障粮食安全的同时减少因施肥造成的生态环境污染已成为当前农业可持续发展的必然要求，科学施肥是保证粮食生产高产高效及减少环境污染的重要措施之一[2]。缓控释肥是一种能够根据作物各生长期的养分需求来缓慢释放或控制释放养分的新型肥料，具有肥效期长、释放稳定等特点，可以有效减少施肥量和施肥次数、节省成本并降低因过度施肥造成的环境污染。另一方面，缓控释肥可以提高土壤肥力、促进作物对养分的吸收、提高产量等[3]。因此，缓控释肥的研究和应用是一条平衡化肥的“减量增效”、保证粮食安全以及保护生态环境极具潜力的途径。

1 缓控释肥料的研究进展

1.1 缓控释肥料的定义

缓释肥是一类养分释放速率远小于普通肥料且所含养分的肥效更加长久的肥料；控释肥是一类养分释放速率能够适应作物生长需肥规律的肥料。控释肥以现代植物营养理论和控释技术为基础，是缓释肥进一步发展的研究成果[4]。控释肥的养分利用率通常高于缓释肥。国际上公认的缓释肥料标准：25℃环境下，24 h内养分的释放率≤15%、28 d内养分释放率≤80%、且在规定的时段内养分释放率应达到80%以上。目前国内外尚无控释肥料的标准。

1.2 缓控释肥料的类型及作用机理

缓控释肥可以分为以下4种类型，不同类型的缓控释肥具有不同的作用机理，它们的优缺点也存在较大差异。①包膜型缓控释肥：常见的有无机物包膜或有机高分子聚合物包膜肥料。这类肥料的作用机理有2种，一种是损坏机制，空气中的水分向膜内扩散造成包衣膜的破裂，养分因此释放出来[5]；另一种是渗透机制，由于包衣膜内外养分含量存在一定的差异，从而促使养分释放[6]。因此，包膜材料对这类肥料的缓控释效果影响较大。②合成型微溶性缓控释肥：代表性肥料如脲醛和金属磷铵盐，这类肥料的作用机理主要是靠化学键的分解和断裂，它的优点是缓释效果较好，但这类肥的养分释放速度易受外界因素的影响，控释效果较差；③胶结型缓控释肥：常见的有无机或有机胶结剂肥料，它的作用机理主要是靠螯合作用，这类缓控释肥多种多样，但其工艺并未成熟，缓控释效果难以预测；④化学抑制剂型缓控释肥：主要包括脲酶抑制剂和硝化抑制剂2种肥料，这类肥料的缓控释机理主要是通过微生物的活性和酶的活性，或者是靠化学反应，但也有明显的缺陷，即易受土壤等环境因素的影响[7]。

包膜型控释肥施入土壤后，一方面，土壤水分通过包衣膜上的膜孔缓慢溶解养分，使养分从膜孔中释放出来。另一方面，当作物需要更多养分时，肥料颗粒膜内养分浓度增加，膜外养分浓度降低，导致膜内外养分浓度差增大，养分释放速率加快，符合作物不同生长阶段肥料需求规律，从而提高肥料利用率[8]。

1.3 国内缓控释肥的研究进展

我国缓控释肥的研究始于20世纪60年代。1974年，中国科学院南京土壤研究所研制出了碳酸氢铵长效包膜肥料[9]，这是我国最早研发的一种缓释肥料。2007年王海波等[10]研制出了一种具有保水效果的缓控释肥。2014年湖南农业大学研发出了一种尿素控释包衣剂，用其包衣普通尿素制得的包衣尿素，其养分利用率比普通尿素提高了27.6%~48.3%，且具有生产简单、成本较低、环境友好等优点[11]。2015年熊远福等[12]将可生物降解聚合物作为成膜材料，与控释技术相结合，开发出适用于普通钾肥常温包衣的钾肥控释包膜剂，通过调整包膜质量比和致孔剂用量，可以获得不同控释期的包膜钾肥。2019年丁方军等[13]研制出了一种能减少施肥作业对小麦的损害，减少追肥次数1~2次，减少肥料用量30%的冬小麦返青期专用缓控释肥。2020年曾伟[14]发明了一种由树脂和生物降解母料形成的淀粉改性树脂作为包膜材料的包膜型缓控释肥。冯兆滨等[15]研制出了一种肥料用复合膜材料和适用于南方红壤区的再生稻专用缓控释肥。潘慧等[16]利用木本泥炭的多孔结构和吸附性能，将其作为矿质养分吸附、包裹的载体，研制出了一种有机质含量、游离腐植酸含量更高、节能环保的水稻缓释肥；刘之广等[17]发明了一种易生物-光双重降解的低成本生物基互改性缓控释肥及其生产装置。目前，我国对不同类型的缓控释肥料的研究与应用取得了较大进展，下一步的研究目标是进一步降低缓控释肥的生产成本、扩大应用范围。

1.4 国外缓控释肥研究进展

早在1948年美国Clart等[就进行了尿素-甲醛缩合物缓释肥的制备和性质研究。美国的缓控释肥施用量占全球的60%以上，其市场上广泛应用的是一种在表面上包裹了一层烯烃类聚合物的包硫尿素，名为Polys，这种缓控释肥的价格远低于聚合物包膜肥料。其他发达国家紧随其后，从1950年开始对缓控释肥进行了研究探索。日本是世界上最早研究缓控释肥的几个国家之一，20世纪80年代，日本研制出了一种缓控释效果极佳且氮的利用率高达70%左右的热塑性树脂聚烯烃包膜肥料[19]。近年来，西方国家在缓控释肥研究方面取得了突破性进展。2017年Jinhyun等[20]研究表明生物炭和缓释肥料的联合作用能最大限度减少甲烷排放，同时提高水稻产量。Boyandin等[21]构建了将硝酸铵嵌入可降解天然聚合物P（3HB）和P（3HB）与形状为片剂的木粉混合的基质中的肥料配方，使用这种生物聚合物涂层配方的肥料，其养分释放速率比未涂层配方的肥料慢约2个月或更长，使用这种缓释制剂将减少释放到环境中的化学品数量，抑制其在生态系统食物链中的积累，减轻其对生物圈的不利影响。2018年Baldanza等[22]研究出了一种由填充有30%尿素和5%蒙脱石粘土的聚丁二酸丁二醇酯熔融混合制备的缓释肥料，这种缓释肥料能使莴苣直径增加67%，而常规尿素可使莴苣直径增加48%。Alhardbi等[23]制备了一种基于磷酸结合羧甲基淀粉-格拉夫聚丙烯酰胺的控释肥料，这种肥料能有效提高磷肥的利用率。2019年Versino等[24]制备了以尿素为活性成分和增塑剂的木薯淀粉和甘蔗渣的复合膜，这种复合膜制得的缓控释肥能有效缓解因使用不可降解塑料和肥料过度施用而产生的环境问题。Li等[25]以壳聚糖和氧化石墨烯纳米复合材料为涂层材料研制出了一种CS-GO薄膜，与传统的涂层材料相比，这种薄膜能在一定程度上解决常用缓控释肥养分释放过快或过慢的问题。

2 缓控释肥料在水稻上的应用

2.1 缓控释肥对水稻生长发育的影响

水稻的生长情况直接影响水稻的产量及稻米品质，因此，许多学者致力于研究如何改善水稻的农艺性状及生理指标。姚久宝等[26]研究了不同配方的缓控释肥对水稻生长的影响，结果表明，缓控释肥作为基肥一次性施入能有效控制高峰苗数，有效提高水稻分蘖成穗率。一次性施入缓控释肥后在穗期增施钾肥或氮肥能更加有效提高水稻的分蘖成穗率。焦卫平 等[27]通过施用不同配比及类型的缓控释肥试验发现，与施用普通化肥相比，施用缓控释肥水稻不同时期的株高都有明显增加，且水稻干物质的积累量提高明显。唐栓虎等[28]研究了一次性全层施用控释肥对水稻根系形态发育及抗倒伏能力的影响，施用控释肥能明显促进水稻根系生长，增加深层根的数量，显著提高抗倒伏能力。赵胜利等[29]通过施用缓控释肥与常规肥料的对比试验，发现施用缓控释肥能明显提高水稻叶片的叶绿素含量、延缓叶片衰老、延长光合作用时间、提高结实率。

2.2 缓控释肥对稻米品质的影响

稻米品质主要表现在精米率、整精米率、糙米率、垩白粒率等方面。缓控释肥的应用对于稻米品质的提升发挥了较大作用。研究表明，施用缓控释肥的类型、施用方式以及施用量的不同都会对稻米品质产生明显影响。姚久宝等[26]研究了不同配方缓控释肥对水稻生长及品质的影响，结果表明，一次性施入缓控释肥可在一定程度上提升稻米的糙米率、整精米率，并降低垩白率、粗蛋白和直链淀粉含量，提升稻米品质。俞卫星等[30]研究了不同用量的缓控释复合肥和常规施肥对水稻品质的影响，施用100%缓控释复合肥可显著提高稻米品质，增加水稻的精米率和硝减值。莫钊文等[31]研究了精量穴直播水稻机械深施肥对稻米品质的影响，结果表明，在0~1500 km/hm2范围内，机械深施缓释肥可以在一定程度上提高精米率、整精米率并降低垩白粒率。可见，在水稻种植中施用缓控释肥可以提高稻米品质。

2.3 缓控释肥对水稻产量的影响

水稻产量一直是人们关心的问题，提高水稻产量对于解决粮食安全问题意义重大。杨华军等[32]将机插侧深施肥与缓控释肥结合，开展了不同水稻品种的田间比较试验，结果表明，施用缓控释肥能有效提高水稻产量，平均产量比施用普通肥料提高了11.6%。杨艳等[33]通过减氮施用3种缓控释肥（施用量仅为常规施肥的70%）对水稻产量进行了研究，施用树脂包膜缓控释肥和缓控释掺混肥能提高穗粒数、结实率、千粒重，从而达到增产效果。胡铁军等[34]选用3种缓控释肥在双季稻上进行了施用研究，早稻试验中，施用3种缓控释肥比施用普通化肥的产量平均提高了14.8%，晚稻试验中，产量平均提高了8.9%。由此可见，施用缓控释肥能在一定程度上提高水稻产量。

2.4 缓控释肥对生态环境的影响

水稻生长过程中施肥会使土壤呼吸量增加，而氮肥是稻田中温室气体排放的主要因素，同时肥料养分利用的不充分会对土壤及生态环境造成污染。吴广野等[35]研究了缓控释肥对土壤中CO2排放的影响，结果表明，施用缓控释肥后CO2排放通量比施用普通肥料降低了16%。张英鹏等[36]研究了不同氮肥调控处理对土壤硝态氮时空变化的影响，施用控释肥能提高氮肥利用率且减少硝态氮在不同土层的积累，没有淋溶风险。此外，缓控释肥的应用在减少硝化-反硝化的损失数量上也具有一定的作用。施用缓控释肥可以大幅度降低甲烷的排放数量，并提升土壤中有机物质的含量[37]。可见，缓控释肥具有生态友好的特点，有助于改善农业生态环境。

3 缓控释肥的展望

缓控释肥为保障粮食安全和保护生态环境提供了一条新思路，我国已将缓控释肥应用在了各大经济作物上。但缓控释肥依然存在一定的不足：一是应用不够广泛，目前，缓控释肥料的市场总额仅占肥料总量的1%[38]。这是因为缓控释肥比普通肥料的生产工艺复杂，导致其价格昂贵；加上大部分农民受传统施肥观念的影响，对缓控释肥的认知度不够，没有意识到缓控释肥这类新型肥料在经济效益、生态效益方面的优越性[39]。二是环境污染问题，尽管缓控释肥能够在一定程度上提高养分的利用率、减少过度施肥导致的环境污染，但目前市面上应用广泛的部分包膜型缓控释肥所用的包膜材料，特别是脂溶性树脂，不容易降解，易破坏土壤的结构[40]。三是缓控释肥的研究相对单一，目前缓控释肥的研究大部分集中在氮元素上，对植物生长必需的磷、钾等其他元素研究较少，且缺乏农作物专用的缓控释肥。

针对现有缓控释肥的主要不足，基于种衣剂的种子包衣原理和控释肥的养分控释理论，熊远福等[41]提出并探索了一种新型控释肥料-水稻种子包衣肥（简称水稻种衣肥），即：水稻种子载肥，将肥料（N、P、K及微量Zn）直接负载（包覆）于水稻种子表面，形成具有一定牢固度和厚度的种衣肥，随种子播种时一起带入泥土，提供水稻生长前期所需养分。种子萌发后，在水分子的作用下，种衣肥内的养分可以通过包衣膜控制释放；由于释放的养分离水稻根系很近，养分扩散到水稻根部所需时间短、不易流失，能被根系及时充分吸收利用，肥料养分利用率将大幅度提高。水稻种子包衣肥改变了现有肥料的载体与施用方式，有望大幅度提高养分利用率、节约肥料资源、减少环境污染。作物种子包衣肥值得进一步深入研究。

缓控释肥的发展对推动我国农业绿色可持续发展有着重要的作用，并且十分贴合我国化肥行业的发展方向。未来缓控释肥研究发展应更加注重寻求成本低廉、环境友好的原材料，同时也应注重推广宣传缓控释肥的优越性。21世纪是科技时代，缓控释肥的应用研究也应该与现代高科技结合，切实为我国粮食安全与生态环境提供有力保障。