包膜控释肥在夏玉米生产中的应用进展

李丽霞，赵现锋，衣文平，肖 强，王 磊，贾静丽，邹国元*

（1．北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所，北京 100097；2．北京市缓控释肥料工程技术 研究中心，北京 100097；3．河北省柏乡县农业农村局，河北 邢台 055450）

玉米是我国主要的粮食作物，种植面积广泛。按播种季节分为春玉米、夏玉米和秋玉米。黄淮海是我国夏玉米主产区，种植面积占全国的35%以上[1］。夏玉米的生育期在100 d左右，对氮的需求最多，钾次之，磷最少。养分吸收的总趋势是：苗期吸收量少，拔节后逐步加快，抽丝前后出现高峰，之后逐渐减少[2］。传统施肥模式是播种前基施一次底肥，在拔节期或大喇叭口期于土壤表面撒施1次尿素。这种“基肥为主，追肥为辅”的方式不仅会增加劳动力的投入，而且在追肥时植株高大、叶片多，人工操作困难[3-4］。随着农业劳动力的减少，栽培成本增加。另外，为了提高产量，农民往往过量施用化肥。夏玉米生育期正值雨季，施用的化肥快速转化导致肥料当季利用率低，氮素利用率仅在26%左右，极易造成面源污染[5-6］。因此，夏玉米栽培实现“高产、增效、轻简、环保”是时代提出的新要求。包膜控释肥一次性施肥技术具有养分高效利用、产量增加、N2O排放降低、硝酸盐淋溶减少等优势[7-12］，是满足新要求的有效措施和发展方向之一。

过去很长一段时间内，包膜控释肥的高成本是制约其在大田作物上推广应用的主要因素。国内以金正大公司、山东农业大学为代表的企业和科研单位在控释肥的产品研发方面已取得重大进展[13］。加之控释肥与速效肥配合的施肥方案探索促使控释肥在大田作物上的推广应用成为现实，即根据当地农业技术部门提供的施肥配方，选用养分释放率和释放期稳定的包膜控释肥与速效肥按比例掺混得到控释掺混专用肥，基肥一次施用不追肥[14］。通过标题、关键词“controlled release fertilizer/controlled release urea/coated fertilizer/coated urea” 和“maize/summer maize”检索Web of Science数据库以及“控释肥/控释尿素/包膜肥/包膜尿素”和“玉米/夏玉米”检索知网发现，自2005年以来国内学者已在该领域取得较大进展，试验点主要覆盖区域如图1所示。本文在概述包膜控释肥的基础上，对不同类型肥料在夏玉米上的应用进行对比分析，并对影响其应用效果的因素进行系统总结，旨在为控释肥在夏玉米生产中的合理高效施用提供技术支撑，推动其大面积应用。

1 包膜控释肥概述

控释是指以各种调控机制使养分释放按照设定的模式（养分释放率和释放期）与作物吸收养分的规律相一致[15］。包膜控释肥是一类采用合适材料在速效肥外表进行包膜而成的肥料。根据膜材的不同分为有机聚合物（天然和人工合成2类）包膜肥料和无机包膜肥料[16-18］。主导产品有硫包膜、硫加树脂包膜、溶剂型热塑性树脂包膜、水基树脂包膜和无溶剂热固性树脂包膜控释肥[19］。其中，热塑性树脂以聚烯烃类为主，热固性树脂以醇酸树脂、聚氨酯、环氧树脂最为常见。水浸泡法是国内外评价包膜控释肥养分释放模式的常用方法[20］。包膜控释肥通过渗透和扩散作用进行养分释放，目前公认的释放机制是破裂机制和扩散机制[21］。前者是指水汽透过膜后凝结在核上并溶解部分肥料引起内部压力累积，这时如果内部压力超过膜的承受力使包膜破裂，颗粒内全部养分迅速释放出来；该机制适合于包膜脆而无弹性的肥料，如硫包膜肥料。后者是指养分在浓度梯度或压力梯度的作用下通过扩散而释放出来；该机制适合于有机聚合物包膜肥料。包膜肥料在土壤中的释放速率取决于膜材结构及其厚度、肥料粒径及其溶解性、土壤温度、含水量及其微生物活性等，这直接影响其与作物吸收养分的一致 性[22-23］。

2 不同类型肥料在夏玉米上的应用

不同类型肥料在夏玉米上的增产提效潜力不等。表1总结了几种常用肥料及其特点。相比表1中提及的肥料，控释肥在增产、提高养分利用率方面有明显优势。孟凡胜等[24］比较等养分量的玉米专用配方肥、普通肥和控释肥的效果时发现，控释肥能显著提高夏玉米的产量。较普通肥料的产量增幅达8.8%。其他文献也有类似报道，等养分量的控释肥较普通肥料的产量增幅在3%～16%之 间[25-27］。王小明等[28］通过连续2年的试验比较了等养分量的有机无机、控释、控失等3种复合肥对小麦玉米轮作下作物产量的影响。控释复合肥处理最优，较常规施肥夏玉米增产17.8%。牟小翎等[29］以优化施肥作对比，比较了聚谷氨酸类肥料、海藻酸类肥料和控释肥对夏玉米产量、土壤养分和肥料利用率的影响。施用两类肥料后土壤碱解氮含量分别增加3.44%和4.01%，而控释肥对籽粒产量和氮素利用率提高明显，增幅分别为3.79%和41.20%。

表1 不同类型肥料及其特点

研究人员对不同种类的包膜控释肥在夏玉米上的应用也进行了评价。表2归纳了包膜控释肥及其特点。硫加树脂和回收热塑性树脂包膜控释肥可实现夏玉米增产并提高氮素利用率[30-31］。谷佳林等[32］研究发现，硫包膜尿素可降低土壤硝态氮的累积和迁移。Zheng等[33］在比较硫包膜尿素、树脂包膜尿素和硫加树脂包膜尿素对玉米产量、氮素利用率、土壤养分和土壤酶活性的影响时发现，硫加树脂包膜尿素施用效果最佳。与普通尿素处理相比，常量施用下增产13%。随着聚氨酯包膜控释肥在市场上的占比越来越大，应用评价也逐步开 始[34］。揣峻峰等[35］研究了其对夏玉米产量的影响。与常规肥料相比，等养分条件下增产15.53%。赵洪猛等[36］和Chen等[37］探究了聚氨酯包膜磷酸二铵配施植物诱抗剂以及单施对盐化潮土夏玉米 产量及磷素利用率的影响。不论是单施还是配施均可通过改善土壤磷素供应强度提高产量。江丽华等[38］选取山东、河南、河北3个玉米种植大省的4个定位试验点，研究了包括水基树脂包膜尿素、环氧树脂包膜控释肥、聚氨酯包膜尿素在内的10种缓控释肥的一次性施用对夏玉米产量、产量可持续性指数（SYI）的影响。结果表明，控释肥的施用既起到了增产的效果，也达到了好的可持续性，SYI在0.65～0.70之间。总的来讲，通过扩散和破裂机制释放养分的包膜控释肥均适用于夏玉米一次性施肥技术。

表2 控释肥及其特点

3 包膜控释肥应用效果的影响因素

施用包膜控释肥不仅有助于夏玉米干物质积累，提高穗粒数、容重和千粒重，而且有助于改善玉米品质[39-40］；不仅可以减少氮向土壤深层淋溶，而且还可以降低氮向大气挥发的环境风险[41-43］。应用效果的好坏受以下因素的影响。

3.1 养分释放特征

养分释放率和释放期是衡量包膜控释肥养分释放特征的重要指标，也是影响应用效果的重要因素。包膜控释肥田间养分的供给量与夏玉米对养分的吸收动态一致可满足全生育期的生长需要，在有效避免养分流失的同时，防止因施肥不及时造成的生长中后期出现脱肥。徐秋明等[44］曾发现肥料前期养分释放过快会影响产量及氮素利用率。其他研究也表明，养分释放特征存在的差异会使产量的增幅不等，增产可高达15.95%[45-49］。延迟释放型包膜控释肥的释放过程由溶出抑制期、溶出期和衰减期3部分组成。杨俊刚等[50］将不同抑制期和释放期的3种延迟释放型包膜控释肥混配后施用于夏玉米中。综合玉米生长、根系分布、产量和氮素淋失风险，减氮1/3的控释肥处理的效果最佳。夏玉米上施用的包膜控释肥的释放期多数是2或3个月。郑文魁[51］将释放期为3个月的硫加树脂包膜尿素和树脂包膜尿素与尿素按3.5∶3.5∶3（玉米季）的质量比复配后应用于小麦玉米轮作中。8年的连续定位试验结果表明，与相同施氮量的常规尿素分次施肥相比，包膜尿素处理玉米增产6.8%～9.8%，氮素利用率提高13.2%～14.3%。张玉凤等[52］研究发现释放期为2个月的包膜尿素在水和土壤中的氮素释放规律相差较大，尤其是前1个月。提出增加开花期后的释放量可以更好发挥控释肥的应用效果。另外，从施用时期的改变也可说明包膜控释肥的养分释放特征对应用效果的影响。孙旭东等[53］将基施释放期为3个月的树脂包膜控释肥改为拔节期施用，得出与基施包膜尿素处理相比，郑单958和登海605的拔节期施包膜尿素处理分别增产2.10%和10.13%的结果。王建斌[54］也曾研究得出在玉米3～4叶苗期一次性施用控释肥可替代分次习惯施肥。

3.2 比例

包膜控释肥与速效肥混施既能在维持产量、提高肥料利用率的基础上降低肥料成本，又能弥补单一控释肥在部分区域夏玉米前期养分不足的问 题[55］，常见的控释肥比例（即控氮比）可低至10%，高达70%。胡凤仙[56］详细研究了控氮比从10%增加到68.75%对产量及经济效益的影响。控氮比增加有利于增产增效，且随着控氮比的增加而递增。闫童等[57］研究了控氮比为100%、70%和50%的处理对产量及氮素积累的影响。与尿素处理相比，控释肥处理能显著提高肥料表观利用率和农学效率，产量也显著提高，其中控氮比为70%全量处理增产率最高，达到了12.33%。除产量和肥料利用率外，李伟等[58］考察了控氮比对0～60 cm土层土壤硝态氮、铵态氮含量动态分布的影响。各生育期控氮比高的处理土壤铵态氮含量较高，不过差异不显著。胡斌等[59］对控氮比与氮淋溶的关系也进行了研究。在玉米生长中后期的0～20 cm土层中控释肥处理保持了较高的硝态氮含量，尤其在大口期以后高于常规施肥处理；20 cm以下土层中，常规施肥处理的硝态氮含量在多个生育期显著高于控释肥处理，控释肥有效控制了氮素淋溶。曹兵 等[60］进一步研究了2个减氮水平（10%和20%）下不同控氮比（30%和50%）的控释肥的影响。综合产量、氮肥利用率、施肥经济效益和土壤硝态氮残留因素，控氮比为30%的施氮效果最好。综上，以控氮比30%～70%施用效果最佳，考虑到经济效益，30%和40%为控氮比的推荐值。

3.3 施用量

肥料施用量不足影响产量，而施用量过高，肥料利用率降低，表观盈余量增加，产量也降低[61-63］。鲁欣欣等[64］研究了控释肥用量（0～1364 kg/hm2）对夏玉米叶片含氮量时空分布的影响。玉米中位叶叶片含氮量和产量呈显著正相关，施肥量为1023 kg/hm2时达到最大值。李岚涛等[65］在中高产田区开展了小麦玉米轮作下施氮模式对产量、氮素利用率的影响研究。不论是产量、产量构成因子还是氮素利用率，变化趋势为控释掺混肥等量施用＞减量施用＞尿素分次施用＞尿素一次施用＞不施肥。赵斌等[66-67］研究了氮肥减量25%和50%对花后光合产物和氮素积累、分配及产量的影响。相比常规施肥，减量25%时控释肥处理增产10%。减量50%时产量无明显变化。对田间土壤原位氨挥发研究表明，控释肥处理氨挥发速率上升缓慢，最大挥发高峰出现时间比常规施肥处理晚7 d，土壤氨挥发量减少51.34%～91.34%。关于减产的风险评估，目前并无定论。许海涛等[68］研究氮肥减量10%～30%对农艺指标、产量及氮素利用率的影响时得出，减量30%已有减产可能。史桂芳等[69］和Shi等[70］探讨减量施用控释肥对产量、经济效益及环境的影响时发现，除60%控释肥处理略有减产外，其余控释肥处理均表现出不同程度的增产，增产率为1.1%～7.4%。孙克刚等[71］在中低肥力点开展的2年田间试验得出，即使减氮20%处理低肥力点也存在减产风险。综上所述，为防止减产，控释肥的施用量需依据土壤肥力或者区域来定。通常，等氮量施用时大部分地区增产。控释肥一次性施肥技术可以在减氮25%以内确保稳产，中高肥力点可适当增加减氮量到40%左右。

3.4 水分

水分和氮素的耦合会对施肥效果产生影响。李广浩等[72］探讨了控释尿素水氮耦合对夏玉米产量和光合特性的影响。在提高光合特性方面具有显著的水氮耦合效应，水分为主效应，控释尿素为次效应，合理的水氮运筹能够有效提高穗位叶的叶绿素含量，增强花后穗位叶的光合和荧光特性，促进光合产物向籽粒的运转与分配，进而提高产量。邵国庆等[73-74］在研究水分和控释肥对氮素利用、产量、品质、根冠生长影响时发现，灌浆水可以显著提高控释肥的“前控后保”效果，有利于高产与优质同步。Li等[75］研究了灌溉管理和氮素交互作用对产量、氮素吸收和光合特性的影响。交互作用可以延缓叶片衰老，提高叶绿素含量，改善灌浆期的光合性能，从而有效缓解轻度干旱对夏玉米的不利影响。相比轻度水分胁迫，灌溉充足时可少施用氮100 kg/hm2控释肥。张婧等[76］考察了灌溉（或降雨）时控释肥对土壤N2O排放的影响。控释肥处理土壤N2O排放峰高值出现在基肥施用并伴随灌溉（或降雨）后，一般持续时间为7～10 d，后期降雨会引起微弱的N2O排放峰。这样，优化施肥灌溉方案是控释肥应用效果提高的措施之一。

3.5 施肥和耕作方式

施肥和耕作方式也是影响控释肥应用效果的重要因素。在施肥的过程中，控释肥施用深度、位置在高产高效种植过程中非常关键。丁相鹏等[77］探究了控释尿素不同施用深度对氮素吸收与利用的影响。施肥深度对产量呈先增后减的趋势。基施深度控制在10～15 cm可显著提高夏玉米的氮素吸收积累量，增加氮素利用率。王务帅[78］进一步研究了小麦玉米轮作下产量、土壤养分含量与施肥方式的关系。控释尿素株间穴施较侧施和底施对玉米增产效果显著，种肥同播距离种子3～5 cm处侧施为佳。王贺[79］认为相比侧施，种子正下方施用控释肥能够促使养分扩散区域与玉米根系吸收区域耦合。另外，分层施肥有利于减少径流挥发损失，提高肥料利用率[80-83］。邹忠君等[84］考察了分层施用硫包衣尿素的效果，植株长势良好，比常规分期施肥增产12.1%。随着种肥同播技术的推广，目前基施深度10～15 cm、距离种子3～5 cm处侧施控释肥的方式最为常见。

在耕作方式方面，于青[85］比较了小麦玉米两熟区立秆免耕、碎秆免耕和秸秆还田+旋耕下控释肥的施用效果。等养分量下3种耕作方式的产量依次增加。高永祥等[86］开展的夏玉米田间长期定位试验也得出，秸秆还田配施控释掺混尿素可协同增效，显著提高土壤肥力、产量、氮素利用率和净 收益。

4 结论与展望

包膜控释肥的膜材特性及厚度、肥料粒径及溶解性、土壤温度、含水量及微生物活性等因素直接影响其在土壤中的养分释放特征，也影响与作物吸收养分规律的吻合度。在包膜控释肥的研发与产业化取得重大进展的基础上，已将不同种类的包膜控释肥如硫包膜、硫加树脂包膜、溶剂型热塑性树脂包膜、水基树脂包膜和无溶剂热固性树脂包膜控释肥应用于夏玉米生产中。施用包膜控释肥对夏玉米生产的综合效应（包括产量、品质、肥料利用率、经济效益、环境效益）普遍好于施用普通复合肥、控失复合肥、有机无机复合肥、聚谷氨酸肥料/腐植酸肥料等，其应用效果的好坏受控释肥的养分释放特征、比例、施用量、水分、施肥和耕作方式等因素的影响。在黄淮海地区一次性基施，田间养分供给与夏玉米对养分的吸收动态一致的控氮比为30%或40%的控释掺混肥，深度控制在10～15 cm间、种肥同播距离种子侧下方3～5 cm处综合效果最佳。为防止减产，控释肥的施用量需依据土壤肥力或者区域来确定范围。通常控释肥一次性施肥技术可以在减氮25%以内确保稳产，中高肥力点可适当增加减氮量到40%左右，虽然包膜控释肥一次性施肥技术是提高肥料利用率、减轻环境污染的一个有效措施和发展方向，但是目前仍存在一些问题尚未解决：

（1）包膜控释肥料的养分释放评价方法。水浸泡法是目前评价包膜控释肥质量好坏的方法。然而，由于包膜材料、包膜工艺和控释机制的不同，控释肥养分释放特征受环境因素影响的程度不一，评价方法也应不同。尤其是随着土壤微塑料污染的关注日益增加，关于可生物降解包膜控释肥的研发已受到重视，相关控释肥正逐步实现工业化。若把一种方法套用在所有包膜控释肥上，势必会影响对实际应用效果的判断。因此，考虑“肥、土壤、作物”系统中土壤、作物对控释肥养分释放的影响，有必要建立适应不同类型控释材料和机制的养分释放评价方法。

（2）应用效果的评价。测土配方施肥技术是基于田块的肥料配方设计。然而，在目前评价包膜控释肥应用效果时，对照大多是农民习惯施肥，并不总是与基于测土配方的优化施肥量进行比较，这势必会影响对包膜控释肥一次性施肥技术应用效果的科学评价。

（3）包膜控释肥的推广。加强政策引导，开展配套技术指导服务，实现包膜控释肥在夏玉米上的规模化应用。