缓控释氮肥施用技术在水稻上应用研究进展与展望

王云翔 咸云宇 赵灿 王维领 霍中洋

（扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州225009；第一作者：844284179@qq.com；*通讯作者：huozy69@163.com）

我国是水稻生产和消费大国，水稻耕种面积占全国粮食作物种植面积的25%左右，产量约占全国粮食作物产量的31%，65%以上的人口以稻米为主食[1]，促进水稻高产稳产对我国实施粮食安全战略有着重要作用。

水稻高产形成除了受遗传因素决定外，也受栽培措施如肥料施用等的影响。氮素是水稻生长过程中不可或缺的营养元素之一，其对作物产量的贡献率高达30%～50%[2]。不合理施用以及过量施用氮肥会造成诸多问题：降低氮素利用效率，大量氮素通过挥发、淋失、径流、硝化和反硝化的方式进入大气和水体之中，使得稻田养分流失、水体和大气受到污染，加剧稻田生态环境恶化[3-4]。

氮肥因其养分释放速率高、价格低廉，被农民广泛接受，全世界每年消耗氮肥约有2 亿t[5]。我国氮肥当季利用率低，只有30%～35%[6-8]，较国外发达国家低15～25 个百分点。过量及不合理施用是导致氮肥利用率低的重要原因。此外，常规氮肥多以分次精确施肥来满足水稻对养分的需求，增加了劳动量。随着我国社会经济的发展，大量农村劳动力外流，农业从业人员不断减少，传统施肥方式面临着挑战，探索轻简化、机械化施氮方式，提高氮素利用率和水稻产量是我国农业发展的重要方向。

为提高氮素利用效率，前人从肥料类型和施肥技术两方面进行了探索，颇有成果。在施肥技术层面，提出了平衡施肥、氮肥深施、以水带肥、测土配方施肥等[9]。在肥料类型上，研制出生物炭肥、水溶肥、微生物肥和缓控释肥[10-13]。缓控释肥由于其释放速率缓慢，更加符合作物生长吸收养分需求，促进增产，并且能够有效降低氮素损失，缓和环境压力，被认为兼具增产、减少施肥次数和环境友好三大特征[14-16]，因此成为当前肥料研究的一个热点，也是未来肥料发展的一个必然趋势。

本文总结了缓控释肥研究进展，探讨了缓控释肥在水稻生产上的应用技术及存在的问题，并提出相关建议。

1 缓控释肥的研究进展

1.1 缓控释肥的概念

20 世纪20年代缓控释肥的概念被提出，但直到20 世纪50年代才被确定。缓控释氮肥分为缓释氮肥和控释氮肥两个概念。从广义上讲，缓释肥和控释肥并无明显区别，即都是延长氮肥养分释放时间，使得养分释放速率延缓并远低于速效氮肥，从而满足作物生长各个时期养分需求的一种新型肥料[17]。而从狭义上来看，缓释氮肥仅是延长了氮素释放时间，而控释氮肥是通过物理、化学和生物等调控机制对释放模式进行一个设定，使之满足作物吸收氮素的规律[18]。因此，控释氮肥对养分释放速率具有更高要求，其调控能力要优于缓释氮肥，是缓释氮肥的进一步发展。

1.2 缓控释肥种类及释放机理

缓控释肥由于其释放速率缓慢，能够调节尿素水解的速率，从而延缓土壤中NH4的形成速率，达到减少NH3和N2O 损失的目的。由于NH4形成速率降低，也降低了NH4硝化和NO3-反硝化的速率，有效控制了N2O和NO 的排放量，降低氨挥发，提高了氮肥利用效率[5]。根据释放机理的不同，缓控释肥可以分为生物化学型、物理包膜型和化学型；根据养分释放控制的不同，则分为扩散型、侵蚀型或化学反应型、膨胀型和渗透型[19]；而依据缓控释肥加工工艺，可以分为化学合成微溶型缓释肥、生化抑制型缓释肥和包膜型缓释肥。

1.2.1 化学合成微溶型缓释肥

化学合成微溶型缓释肥是利用化学键将肥料连接到聚合物上的一种含氮有机化合物，具有微溶性或难溶性。其中最具代表性的是脲甲醛缓释氮肥，其由尿素和甲醛缩合而成。此外还有草酰胺、丁烯叉二脲和脲乙醛等醛类缩合物。这类缓释肥具有较长的分子链以降低养分释放速率，延长缓释期。其优点是能被微生物完全降解，环境友好无残留[19]。但由于生物作用，这种缓释肥氮释放速率的高低受多种因素影响，例如颗粒大小、生物活性、土壤温度和酸碱度等[20]。且应用成本较高，目前多在经济作物上使用，在水稻上推广应用的潜力还有待发掘。

1.2.2 生化抑制型缓释肥

生化抑制型缓释肥又被称作稳定性肥料，根据添加抑制剂的不同分为脲酶抑制型、硝化抑制型以及两种抑制剂复合型[21]。脲酶抑制型肥料的作用方式是利用抑制剂来改变土壤微生物活性，控制氮素转化过程，具体体现在降低尿素水解速率，增加土壤中铵浓度，以达到延缓硝态氮释放速率的目的，从而使得肥料养分释放高峰趋于作物吸收养分高峰[22]。常见的脲酶抑制剂有氢醌、N-丁基硫代磷酰胺、硼酸、泥炭或煤炭腐殖酸。硝化抑制型主要是抑制土壤微生物的亚硝化、硝化和反硝化作用。目前常用的硝化抑制剂是氰胺类化合物和炔烃及其衍生物[23]。硝化抑制型缓释肥具有较为广阔的应用前景。但由于土地肥力差异、作物种类不同、抑制剂品种多样再加上土壤理化性质不同等因素，抑制附着能力有限，易水解，故而无法获得长效。因此，脲酶或硝化抑制剂的使用还亟待进一步探索和研究。

1.2.3 包膜型缓释肥

包膜缓释肥是通过在传统尿素颗粒表面覆上一层疏水性膜材料，以改变养分的溶出性，从而调节养分释放速率的一种新型肥料[24]。根据包膜材质不同可划分为无机物包膜和有机聚合物包膜两大类。常见的无机包膜材料有硫磺、磷酸盐、沸石等，主要应用的无机包膜肥料是硫包衣尿素[25]。无机包膜材料的优点是来源广泛、生产成本低、便于降解、环境友好，缺点是其弹性较差而且较脆，难以形成连续的胶膜，缓释效果不佳[26]。目前解决的方法是提高无机材料的粒径来增强其缓释效果。

有机包膜肥料具有较好的疏水性，其控释效果更优，控释期更长。根据包膜材质的来源不同分为合成高分子材料和天然高分子材料。合成高分子材料分为具有热固性的聚烯烃类和具有热塑性的树脂类[27]。前者常用的材料有聚乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚氨酯等，后者常以脲醛树脂为包膜材料[28-29]。其优点是膜层厚度可调控，且不受土壤环境影响，具有较好的控释性能，缺点是制备工艺复杂、成本高，且膜壳在土壤中不易降解，残留物会对土壤环境造成恶劣影响，破坏土壤生态环境[26]。天然高分子包膜肥料主要膜材料有淀粉、木质素、海藻酸钠和腐殖酸等。这一类包膜材料的特点是来源丰富，制备成本较低，膜壳在土壤中更易被微生物降解，具备环境友好性[30-31]。不过由于其膜材料的自身性能导致控释效果较差。目前科研人员致力于改良天然高分子包膜材料，以期提高其控释性能，这一类包膜材料称为半合成高分子材料，主要包括醋酸纤维素、乙基纤维素、醋酸酯淀粉和交联淀粉等。以化学改性的方式改变天然高分子材料分子链上取代基的类型和数量，从而改善膜的通透性，促进养分高效控释[32-34]。

2 缓控释肥在水稻上的施用技术

缓控释肥在水稻生产上通常采用的是侧深施肥方式，又叫作侧条施肥。这种施肥方式是将缓控释肥施于水稻根系一侧3～8 cm 处，以增加水稻根系与缓控释肥接触面积，进而增强根系对氮素的吸收效果[35-36]。侧深施肥一方面可以促进水稻根系生长，增加地上部分干物质积累，提高水稻产量，另一方面，相较于传统撒施，侧深施肥利于提高氮素利用效率，能减少氮肥用量和施肥次数，减少劳动力[37]。侧深施肥氨挥发量和氮素淋失、径流都有所下降，减少了农田的面源污染。由于水稻自身根系的生长特性，中后期应用侧深施肥难度较大，生产上通常采用一次性施入基肥或者侧深施基施与中后期追肥的分次施肥方式。

2.1 单种缓控释肥一次性基施

一次性施肥技术是指在水稻整个生长生育过程中，仅在移栽时将全部肥料基施，并且中后期不追肥。这种技术能够与缓控释肥缓慢释放性能以及侧深施肥方式相结合，减少了劳动次数，能减少施氮量，提高氮素利用效率。

缓控释肥一次性基施能提高水稻生育中后期的叶片叶绿素含量和净光合速率，延缓叶片衰老，能提高土壤中养分含量，进而增加水稻产量[38]。YE 等[39]通过研究得出，在粳稻生产过程中，树脂包膜缓控释氮肥一次性基施与常规尿素分次施肥相比，其氮肥农学利用效率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力分别显著增加29.9%、7.7%和11.5%。而氮素利用率提高的主要原因是吸氮量提高。不仅如此，一次性施肥还能显著提高水稻单位面积有效穗数和群体颖花量，这是水稻能获得高产的关键。王晓丹[40]研究得出，控释氮肥一次性基施能满足中穗型杂交籼稻高产形成的氮素需求。田昌等[41]研究得出，早、晚稻生产中采用树脂包膜缓控释肥一次性基施的方式，均能有效提高氮素吸收利用率，氮素利用率早稻达48.7%～75.6%、晚稻达68.8%～96.0%。何荣川[42]研究得出，硫包衣和树脂包衣两种缓控释氮肥一次性撒施并不能满足水稻生育期对氮素的需求，水稻产量和氮肥利用率低于常规分施。而一次性侧深施肥显著提高氮素利用率的原因可能是侧深施肥增加了水稻根系无机氮含量，延长了肥效时间，增强了土壤固定养分的潜力，减少氮径流损失。因此可知，缓控释氮肥一次性基施要配合侧深施肥方式。郑圣先等[43]研究认为，在施氮量相等的情况下，缓控释肥一次性基施相较于常规氮肥分次施用增产607.0 kg/hm2，增产效率达到常规施肥的1.5 倍，并且缓控释肥一次性基施氮素利用效率高达72.3%，显著高于常规施肥的35.5%。唐拴虎等[44]研究表明，缓控释肥一次性基施能在水稻生长初期控制氮素释放速率，在第9～50 d 氮素供应充足，50 d 后仍能保持充分的氮素供应，因此养分释放完全满足水稻本田期对养分的需求。李玥等[45]研究得出，树脂包膜缓控释氮肥对一季中籼稻的氮肥农学利用效率较常规施肥提高18.7%，氮肥吸收利用效率提高58.0%，氮肥偏生产力提高5.5%。何帅[46]研究表明，鄂北地区掺混包膜缓释复合肥与腐殖酸缓释复合肥一次性基施均能促进水稻增产，且包膜缓释肥的增产效果要优于腐殖酸缓释肥，主要原因是掺混包膜缓释肥的肥效释放速率更适应水稻前后期的养分需求，同时促进了对磷、钾的吸收。由此可得，缓控释肥一次性侧深基施对水稻高产、提高氮素利用率具有重要意义，也为轻简化栽培模式推广提供了可能。

2.2 缓控释肥和尿素掺混一次性基施

单一施用缓控释肥的方式具有一定局限性，一方面容易提高成本，与农民节省成本的想法不符合，另一方面因缓控释肥肥效释放缓慢，并不能完全满足水稻前期对养分的需求[47-48]。为提高水稻生育前期养分供应，并保证控释氮肥延长在中后期关键生育期的氮素需求，缓控释肥宜与常规尿素掺混施用。邢晓鸣等[49]认为，单一缓控释肥一次性基施虽然能获得较高的茎蘖数，后期群体生长率和干物质转化率较高，但是有效穗数和群体颖花量并不高，未能达到高产水平。相比之下，缓控释肥和尿素掺混一次性基施能更好的改善这个问题。付月君[50]研究报道，控释尿素与常规尿素混施较两种肥料单施能显著提高水稻产量，且产量随着控释氮肥比例增加而增加，配施处理水稻产量较单施处理平均增加8.2%，其中配施40%控释氮肥处理水稻产量比单施控释尿素处理高16.6%，比单施常规尿素处理高13.4%。这是因为配施在水稻生长前期促进生理生长而后期满足生殖生长，利于对氮素的吸收利用，积累了足够的干物质量，从而促进高产[51-52]。

2.3 不同缓控释肥掺混一次性基施

缓控释肥的养分释放曲线多为“S”形或者倒“L”形，不同类型缓控释肥的养分释放高峰时期存在差异，均都符合单峰释放规律。而水稻在生长发育过程中有两个需氮高峰，分别是分蘖期和幼穗分化期[53]。单一缓控释肥的养分释放曲线并不能完全协同满足水稻需氮曲线，容易造成前期或后期养分失衡。因此，有学者尝试不同类型的缓控释肥进行掺混配施。付正豪[54]研究发现，钵苗方式下以40 d 和100 d 两种不同养分释放期的控释肥进行掺混基施能够获得高产，增产原因是40 d控释期的控释肥能满足参试粳稻有效分蘖临界叶龄期对养分的需求，促进分蘖发生，而100 d 控释期的控释肥能满足水稻生育后期对养分的需求，进而增加有效穗数和群体颖花量。而且该施肥方式水稻植伤缓解快[55]，满足大库容对物质生产的需求。可见，不同缓释肥配施能够较好协调水稻不同时期对养分的需求，但这种施肥方式下肥料的高成本仍然是亟待解决的问题之一。

2.4 缓控释肥与常规尿素分次施肥

水稻全生育期一般在150 d 左右，缓控释肥一次性基施的养分释放效果受土壤、水分、温度影响，且不同地区的气候和土壤下肥料释放效果不稳定，因而实际养分控释期很难符合水稻全生育期需求，容易造成水稻生育后期缺氮早衰，不利于水稻高产形成。并且缓释肥成本高的问题依旧存在，故而一次性施肥技术仍备受争议，限制了该技术在实际生产中的应用[56]。因此，部分学者致力于缓控释肥基施加尿素追施的分次施肥技术研究。

魏海燕等[57]研究得出，多穗型品种南粳9108 的脲甲醛控释尿素基施+分蘖期施速效尿素处理比常规尿素定量分施处理增产5.2%～5.9%；大穗型品种甬优2640 用缓控释肥基施+分蘖期施速效尿素处理的水稻产量要高于缓释肥和尿素均基施的处理，但差异不显著。其增产原因主要是缓控释肥和尿素一基一蘖施用能提高水稻分蘖，保证植株中后期具有较高的叶面积指数和光合势，促进干物质积累。此外，水稻籽粒灌浆物质一部分是抽穗后通过光合产物中获得，另一部分则是叶、茎鞘贮藏物质再分配获得[58]。所以适宜的有效穗数以及较高的茎鞘干物质转运率是获得高产的前提[59-61]。程金秋[62]研究得出，早熟晚粳甬优1538 进行缓释肥和尿素一基一穗分施效果要优于一基一蘖施用方式，主要原因是一基一穗分施方式能够提高拔节至抽穗期和抽穗至成熟期的氮素积累量，并且后期氮素吸收速率和水稻剑叶SPAD 值也有所提高，从而提高了抽穗至成熟期的光合势和干物质积累量。严田蓉等[63]研究得出，在以缓释尿素为基肥的基础上，直播稻在基肥与穗肥配比为4∶6 时产量显著增加，手插稻在穗肥占比为20%时产量增加显著，分别较普通尿素常规运筹（基蘖穗肥配比为3∶3∶4）增产15.55%和5.40%。故而在实际生产中，缓控释肥施肥模式要依据水稻生长特性而决定，根据不同增产原理实现精准定量施肥。虽然两次施肥相较于一次性施肥而言并未实现更好的轻简化，但是在产量增收和效益提高方面有显著效果。

3 施用缓控释肥对稻田环境的影响

缓控释肥除了具有增产增效、减少劳动成本投入的益处之外，在改善土壤性状、降低农业环境污染以及减轻生态环境恶化方面也体现出其优势[64]。

李玥[45]研究表明，树脂包膜缓释肥能够提高土壤有机质含量，并且在耕层0～10 cm 范围内有机质含量最高。鲁艳红等[65]报道，施用缓控释氮肥能降低不同土壤中的碱解氮，还能减缓土壤有机碳含量的降低，且施100%控释氮肥缓减效应最大，施70%控释氮肥次之，施尿素最小。另外，纪雄辉等[66]研究发现，与施用尿素相比，施用控释尿素能显著降低稻田表层水总氮含量、NH4+浓度峰值，明显降低pH 值。氮素径流损失监测结果显示，洞庭湖区双季稻田施用尿素处理总氮径流损失量为7.5 kg/hm2，占施氮量的2.5%；施用100%控释肥和70%控释肥的处理氮损失量比施用常规化肥处理分别减少24.5%和27.2%。聂军等[67]研究表明，施用速效尿素会提高稻田水层pH 值，而施入等氮量控释肥则显著降低水层pH 值，pH 值与无氮处理无显著差异。张英鹏等[68]研究了不同氮肥调控处理对土壤硝态氮时空变化的影响，发现施用控释肥能减少硝态氮在不同土层的积累，减少淋溶风险。另外，缓释肥因其释放速率缓慢能够减少移栽至分蘖期及抽穗至灌浆期的氮淋溶量，总的氮淋溶量能降低50.0%左右[69]。综上可知，施用缓控释肥能降低稻田表层氮含量最高时期的表层水径流的氮素浓度，因而能大大减少氮径流损失，还能改善土壤酸碱性。在影响大气环境方面，缓控释肥亦表现出积极作用。在前期养分释放缓慢，降低了土壤溶液中的NO3浓度，从而显著降低N2O 的排放[70]。杜建军等[71]研究了不同类型缓控释氮肥一次性施入土壤中氨挥发量的差异，发现与常规氮肥相比，不同缓控释氮肥处理可有效减少氨挥发量16.6%～37.8%。CH4是重要的温室气体，稻田排放的CH4占全球CH4总排放量的15.0%～20.0%。施用缓控释肥能降低CH4的排放，减轻温室效应。武茹[72]研究得出，减少稻田的温室气体排放是通过减氮来减少产甲烷菌的养分需求，抑制CH4的产生；与农民常规高产施肥措施相比，施用控释尿素处理的CH4产生量降低51.0～86.0 kg/hm2，减幅达10.2%～24.4%。可能是缓控释肥由于养分释放缓慢，增加了土壤中铵离子浓度，同时提高了土壤中甲烷氧化菌的活性。此外，缓控释肥处理提高了水稻地上部生物量，使根系从土壤中获得更多的氧气，为CH4的氧化提供了有利条件。综上所述，合理化施用缓控释肥不仅能改善土壤理化性质，同时能减轻温室气体排放。

4 缓控释肥应用的问题与展望

缓控释肥在水稻生产上已经得到了较好的应用，在提高氮素利用效率和增产增效方面体现了其优越性。但仍然存在许多挑战，如施肥成本较高、缺少专用性缓释肥、评价体系构建不完善、施肥技术与配套设施不匹配等。针对以上问题提出以下几点建议，以期为推进缓控释氮肥在水稻上的广泛应用提供参考。

4.1 降低肥料成本，提高经济效益

缓释肥价格是常规尿素的2.5～8.0 倍，缓控释肥昂贵的价格一直是农业生产者较为关注的一个问题，极大限制了其大面积应用，目前多应用于花卉、瓜果等经济作物中[73]。另外，缓控释肥与侧深施肥方式结合才能更好发挥出其缓释的优势。机插侧深施肥需要使用施肥机，我国缺乏适用于水稻施肥的机械，而人工进行侧深施肥也同样增加劳动成本。水稻作为粮食作物，施用缓控释肥很难获得相应的经济效益。

因而建议改变缓控释肥生产方式，增强对肥料种类来源以及肥效的研究，探索研制新型环保、可控的包膜材料，并且进一步革新缓控释肥的加工工艺，降低肥料生产成本。除此之外，政府可以加大资金投入，一方面扶持肥料生产企业，推动缓控释肥行业规模化和产业化，另一方面，降低施用缓控释肥带来肥料成本增加的影响，对使用缓控释肥的农户予以适当补贴，鼓励农民选择缓控释肥。

4.2 研究专用性缓释肥及配套施肥技术

水稻对氮素的吸收受多重因素影响，诸如种植环境、水稻品种等，水稻不同生育时期对养分吸收也不同。因此，缓控释肥种类及其施肥方式的选择要具备针对性。种植环境包括土壤类型、理化性质、酸碱度，以及气候条件、温度和降水量等，这些因素对缓控释肥的释放周期及释放速率有很大影响。水稻吸收养分的规律除了由自身品种类型决定，与种植方式、种植密度及田间管理也存在关联[74-76]。前人研究表明，在双季稻上施用缓控释肥可以通过合理减氮来提升经济效益[77]。当前大部分缓控释肥的效果较为单一，仅能延长释放时间，而不能根据栽培条件进行调控从而保证养分释放规律和吸收规律同步。另外，缓控释肥的施肥时期与方式与速效尿素不同，因此需要对缓控释肥的施肥技术进行探究和推广。建议着力研究不同水稻的吸肥特性，并且针对性研制特定释放性能的缓控释肥。开发新型控释材料，推动加工工艺技术的创新，进一步提高缓控释肥的稳定性，避免受环境因素的影响而降低释放效果。

4.3 构建完善缓控释肥应用评价体系

当前对缓控释肥应用的评价主要体现在其释放性能和经济效益上。释放性能是缓控释肥的本质特性，同时也是评价其缓释效果的重要指标。而关于释放性能的评价测试方法国际上尚无统一标准。常用的方法有静水出溶率法、土壤培养法、生物学培养法、同位素示踪法和电超虑法[78]。这些测试方法能一定程度上反映缓控释肥的静水释放性能，但无法完全代表在大田中的释放性能，也未能突出显示氮素在土壤之间的定量的、动态的变化过程。再者，评价体系中缺乏对环境效益的研究。目前主要集中于研究缓控释肥的氮素释放特性对环境的影响，而膜材料残留对稻田的综合影响尚不明确。聚合物包膜难以降解，长期在土壤中势必会造成危害。这种影响与稻田生产、粮食安全性之间的关系，包括土壤残留物被充分降解所需要的时间都需要被明确，可以通过土壤检测、气体检测确定残留物和排放气体的一个具体值，建立模型，并作为缓控释肥的应用评价指标。不仅如此，还需要从国家层面制定严格的评价标准，促进市场规范，保障缓控释肥安全、高效应用。