馬泉 王亞華 王夢堯 李春燕 丁錦峰 朱敏 郭文善 朱新開

摘要：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥過度使用、肥料利用率低下，因肥料施用不當引起的土壤惡化、資源短缺、環(huán)境污染等環(huán)境問題已經(jīng)嚴重制約了我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進程。緩控釋肥料作為高效且環(huán)境友好型的肥料，對緩解農(nóng)業(yè)肥料用量日益增加，提高肥料利用率有重要作用。本文對緩控釋肥料的發(fā)展與運用現(xiàn)狀進行了總結(jié)，很多研究證實緩控釋肥料對水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物有較高的應用價值，但由于肥料釋放效果、經(jīng)濟效益、社會生態(tài)效益等方面的限制，使得緩控釋肥料目前未能在農(nóng)業(yè)上廣泛推廣應用。因此，構(gòu)建與完善緩控釋肥料的綜合評價體系非常迫切，這也是推動其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推廣應用的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：緩控釋肥;肥料利用率;效益;綜合評價體系

中圖分類號：S145.6?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）18-0024-06

收稿日期：2019-10-10

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2018YFD0200500）;公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201503130）;江蘇省科研院校農(nóng)技推廣服務試點項目（編號：TG[17]007）;江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程;江蘇省和揚州大學優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊項目。

作者簡介：馬?泉（1995—），男，江蘇灌云人，博士研究生，主要從事小麥綠色高效栽培生理研究。E-mail：mq_agriculture@163.com。

通信作者：朱新開，博士，教授，博士生導師，主要從事作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效栽培與生理研究。E-mail：xkzhu@yzu.edu.cn。

我國水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵是通過協(xié)調(diào)營養(yǎng)生長和生殖生長來提高單產(chǎn)水平[1-2]。肥料尤其是氮肥對提高農(nóng)作物產(chǎn)量的貢獻率可達40%～60%。研究認為，適當增加施氮量不僅能夠顯著提高作物產(chǎn)量，且對籽粒的蛋白質(zhì)含量和品質(zhì)也有一定的提高[3-4]。然而，目前氮肥施用問題非常嚴重，不合理施肥和氮肥過量施用導致大量氮素以揮發(fā)、淋失、硝化及反硝化等方式進入大氣和水體，從而使農(nóng)田養(yǎng)分流失、水體污染等環(huán)境問題不斷加劇[5-10]。全世界的化肥施用量在40年內(nèi)增加了15倍，而糧食增產(chǎn)只有3～4倍，不斷增施氮肥的同時產(chǎn)量和氮肥利用率卻并沒有隨之同步提高[11]。因此，提高肥料尤其是氮肥的利用率、在保障穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時減少肥料投入是未來我國農(nóng)業(yè)研究的重要方向之一。

科學合理的施肥是提高肥料利用率、保證糧食作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。為此，眾多學者在氮肥運籌、測土配方施肥、葉色診斷等方面不斷地探索，以期獲得提高氮肥利用率的方法[12-13]。減少養(yǎng)分淋失和農(nóng)業(yè)污染等問題關(guān)鍵在于提高肥料利用率以減少氮素投入，而推廣應用緩控釋肥是解決這一關(guān)鍵問題的重要途徑之一[14]。緩控釋肥的主要特點是肥效期長且穩(wěn)定釋放，少次甚至1次施用就能滿足作物在整個生育期對養(yǎng)分的需求，研究證實緩控釋肥能夠顯著提高作物產(chǎn)量和氮素利用率[15-16]，減少施肥次數(shù)和施肥成本，同時緩解養(yǎng)分流失和水體污染等環(huán)境問題[17]。緩控釋肥的這些特點使其成為增加糧食產(chǎn)量、減少農(nóng)業(yè)肥料投入的潛在途徑[18]，但緩控釋氮肥的緩釋效果、肥料種類、配套施用技術(shù)以及作物或品種對緩控釋氮肥響應的研究還存在一定爭議。因此，對緩控釋肥的研究進展進行綜合分析，并構(gòu)建其緩釋效果、經(jīng)濟效益、社會效益等方面的綜合評價體系，對緩控釋肥的推廣應用具有重要意義。

1?緩控釋肥的發(fā)展現(xiàn)狀

緩控釋肥被廣泛認為是高效且環(huán)境友好型的肥料，美國作物營養(yǎng)協(xié)會（AAPFCO）將其定義為施用后含有的養(yǎng)分離子能緩慢地被作物吸收與利用、肥效比普通速效肥更長的一類肥料，它的原理一般是以速效化肥為基礎(chǔ)，通過各種技術(shù)措施盡量減緩或控制肥料養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化過程和釋放速率，使養(yǎng)分釋放規(guī)律盡量滿足作物的養(yǎng)分吸收需求，從而提高肥料利用率、降低氮素損失、減少環(huán)境污染[19-22]。緩釋肥和控釋肥在作用機理上沒有本質(zhì)的區(qū)別，其核心目標都是減慢和控制養(yǎng)分釋放，控釋肥是緩釋肥發(fā)展進一步的研究產(chǎn)物，在本研究中不作區(qū)分。緩控釋肥的研發(fā)與推廣為化肥的增效減量提供了一個切實可行的發(fā)展方向。

緩控釋肥的發(fā)展時間晚，1948年美國的Clart等首先研究了尿素-甲醛縮合物緩釋肥的制備和性質(zhì)，從1950年以后，其他發(fā)達國家先后展開了緩控釋肥的研究試驗。日本最初學習美國的技術(shù)來研究緩釋肥，主要開展了高分子包膜肥料的研究，而西方國家主要偏向于微溶性含氮化合物緩釋肥的研究。前期各國主要在生產(chǎn)工藝、緩控釋材料、養(yǎng)分釋放機理等方面展開對緩控釋肥的研究，目前則重點研究養(yǎng)分的控釋尤其是研究特定作物的專用緩釋肥。20世紀后期，我國許多專家和科研機構(gòu)迅速展開了針對緩控釋肥的各項研究，目前已經(jīng)研發(fā)出許多有實際應用價值的緩控釋材料和肥料。當前我國的研究主要集中在肥料的包膜材料上，通過改變包膜材料的化學組分實現(xiàn)養(yǎng)分的緩慢釋放。

緩控釋肥在農(nóng)業(yè)大田規(guī)模種植上的應用價值已經(jīng)得到許多研究者的證實和認可，但目前緩控釋肥養(yǎng)分釋放的機理、釋放周期、緩釋材料等方面的諸多問題還沒有研究透徹，并且目前市場上可根據(jù)各種作物生育期需肥規(guī)律研制的專用緩釋肥還較少，此外由于價格昂貴，緩控釋肥現(xiàn)階段多應用于草坪和花卉等園藝作物上，如何加快緩控釋肥在大田作物上的推廣應用還有待進一步研究。

2?緩控釋肥的主要類型與作用機理

緩控釋氮肥是可以延緩氮素的釋放速率，并供植物持續(xù)吸收利用的一種新型氮肥[23-24]，但不同緩控釋肥的緩釋機理、養(yǎng)分釋放特征、緩釋材料等方面有較大差異。通常按照緩控釋肥的化學組成和作用機理等，將緩控釋肥主要分為如表1所示的幾種類型[18，25-29]。

3?緩控釋肥在生產(chǎn)上的應用研究進展

緩控釋肥具有肥效長、養(yǎng)分利用率高、環(huán)境污染小、使用方便快捷等特點[30]。其養(yǎng)分緩慢釋放可以有效避免由于施肥引起的土壤離子濃度短期內(nèi)過高，能持續(xù)保持土壤養(yǎng)分離子的數(shù)量和活性，從而增加可被植物吸收利用的養(yǎng)分離子含量[31]。在施氮量相同的條件下，施用緩控釋肥可以明顯提高產(chǎn)量和肥料利用率，且減少施肥次數(shù)可以節(jié)約施肥的人工成本，符合張夫道等提出的緩釋肥是今后肥料發(fā)展方向的觀點[22]。

3.1?緩控釋肥合理施用的研究進展

合理施用緩控釋肥是實現(xiàn)最大化增產(chǎn)增效的重要措施。首先，要選擇適宜的肥料種類，不同作物對緩控釋肥養(yǎng)分釋放的要求存在較大差異，因此根據(jù)不同作物研制的專用緩釋肥具有較高的應用潛力[32-33]。其次，不同緩控釋肥對外界環(huán)境的響應存在巨大差異。溫度、水分是影響緩控釋肥養(yǎng)分釋放的主要環(huán)境因素，因此選擇的緩控釋肥對于施肥地區(qū)的降水和溫度要有較好的耐受性。在降水較多的南方地區(qū)，推薦施用樹脂包膜的緩控釋肥，其對水分的耐受性更高，具有較好的穩(wěn)定性;而硫包膜和脲甲醛等緩釋肥可在水分含量較高的條件下會加速溶解釋放，更適合在降水較少的北方地區(qū)應用。

對于緩控釋肥施肥方式，有研究認為緩控釋肥施用1次就可明顯提高籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量[34];也有研究認為施肥1次效果不突出，采取基肥加1次追肥合計2次施肥的方式更能滿足作物的養(yǎng)分需求，對作物的增產(chǎn)效果更為顯著[35-36]。尤其是生育期較長的作物如冬小麥，應該將肥料養(yǎng)分釋放特性與其生育期內(nèi)2個養(yǎng)分需求高峰相結(jié)合，基肥加返青或拔節(jié)期1次追肥更能使養(yǎng)分釋放充分滿足作物生長需求。在肥料用量方面，前人研究表明，與施用普通尿素相比，緩控釋肥可減少10%～30%的施氮量仍能夠達到穩(wěn)產(chǎn)或高產(chǎn)的效果[37-38]。緩控釋肥的減氮施用符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展節(jié)氮增效的目標，可控制成本。因此，合理施用緩控釋肥是實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、節(jié)約農(nóng)業(yè)成本、保護生態(tài)環(huán)境等多重目的重要方式之一。

3.2?緩控釋肥料的增產(chǎn)增效研究進展

緩控釋肥能夠?qū)崿F(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要原因是其在作物的全生育期特別是中后期的養(yǎng)分供應比普通尿素更為合理、高效[34]。緩控釋肥施入土壤后養(yǎng)分持續(xù)釋放，能有效避免前期養(yǎng)分大量損失，同時保證養(yǎng)分持續(xù)供應以滿足作物的生長需求，在實現(xiàn)增產(chǎn)的同時也有效提高氮肥利用率。目前緩控釋肥在主要農(nóng)作物上的應用效果已取得了一定進展。

3.2.1?緩控釋肥在水稻上的應用?蔣曦龍等研究表明，控釋氮肥1次基施與普通尿素多次施用相比產(chǎn)量可提高8.51%～13.03%，氮肥利用率可提高571%～71.2%[39]。邢曉鳴等認為，緩釋肥一基一蘗2次施肥的增產(chǎn)效果要優(yōu)于全部基施，且不同緩釋期的摻混緩釋肥的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟效益最高[35]。緩控釋肥對水稻的影響主要在于增加有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)，提高生物產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)量、氮素利用率等，對結(jié)實率和千粒質(zhì)量影響較低[39]。緩控釋肥在水稻苗期的作用不明顯，但后期能有效促進水稻氮素供應、增加氮素轉(zhuǎn)換與積累、協(xié)調(diào)作物各器官養(yǎng)分的吸收與調(diào)配，從而避免水稻營養(yǎng)生長過旺，有效緩解貪青晚熟和倒伏現(xiàn)象[40-41]。

3.2.2?緩控釋肥在小麥上的應用?王茹芳等研究表明，和普通氮肥相比，膠結(jié)型緩釋肥可實現(xiàn)作物增產(chǎn)1485%～27.48%，摻混型緩釋肥可實現(xiàn)增產(chǎn)2377%[42-43]。周華敏等認為，與普通氮肥多次施用相比，脲醛摻混肥施用增產(chǎn)可達1.76%～1201%，氮肥利用率可增加13.65%以上[44]。曲均峰等研究表明，一次性基施脲醛緩釋氮肥能顯著增加小麥的有效穗數(shù)，但是對每穗粒數(shù)和粒質(zhì)量影響不明顯[45];王茹芳等認為，膠結(jié)型緩釋肥對產(chǎn)量、干物質(zhì)量、穗粒數(shù)、穗粒質(zhì)量等均有顯著影響，并且將尿素、膠結(jié)肥、包膜肥摻混施用能有效增加穗粒數(shù)、穗粒質(zhì)量及千粒質(zhì)量，同時改善小麥品質(zhì)[42-43];傅送保等指出，緩釋肥對有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)有明顯促進作用，但對籽粒質(zhì)量影響不大，主要影響小麥在拔節(jié)期至抽穗期的生長發(fā)育[46]。綜上所述，不同種類的緩釋肥均能夠?qū)π←湹娜后w、產(chǎn)量和氮肥利用率等有一定的提升，但不同緩控釋肥種類、用量、運籌等因素對小麥產(chǎn)量影響的效應有差異。

3.2.3?緩控釋肥在玉米上的應用?王宜倫等研究表明，玉米專用緩釋肥和普通氮肥2次施用相比，產(chǎn)量和氮肥利用率分別提高4.88%和2.95%[33]。李敏等認為，緩釋氮肥或緩釋氮肥與尿素摻混可增產(chǎn)28%～33.0%，氮肥利用率可增加9.61%～2761%[47]。研究認為，緩釋肥對玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響主要是增加粒質(zhì)量，同時對穗長、穗粒數(shù)也有一定影響，且收獲產(chǎn)量相當時，施用緩釋氮肥比尿素節(jié)省30%的施氮量[47-48]。籽粒產(chǎn)量的增加以及施肥次數(shù)減少帶來的施肥成本降低，使得緩控釋肥在主要農(nóng)作物上的應用從經(jīng)濟效益上來講是可行的。

4?緩控釋肥的應用評價研究進展

目前許多研究已經(jīng)證實，緩控釋肥在農(nóng)作物生產(chǎn)上有較大的應用價值，是未來肥料發(fā)展的主要方向之一。但是，目前由于技術(shù)不成熟、肥料成本高等問題導致其在大田生產(chǎn)上的推廣應用還很困難，如何綜合考慮其緩釋效果和效益，構(gòu)建緩控釋肥料應用的綜合評價體系，對于提高其利用價值和推廣應用是非常必要的。

4.1?緩控釋肥的養(yǎng)分緩釋效應評價

緩控釋肥的緩釋效果主要由肥料類型、作物種類、外界環(huán)境等因素影響，對于緩釋效果的衡量應該綜合考慮其與作物、環(huán)境間的互作關(guān)系。緩控釋肥的緩釋效果評價應該從肥料本身、對肥料利用效率的提升、環(huán)境與緩控釋肥的互作、緩控釋肥與作物養(yǎng)分需求的匹配這幾個方面綜合考量，從而建立起相應的指標。

緩控釋肥的本質(zhì)特性是養(yǎng)分釋放特性，也是評價其緩釋效果的重要依據(jù)。不同的緩釋材料或制造工藝對緩控釋肥的養(yǎng)分緩釋周期及釋放特性影響非常明顯。國內(nèi)外已經(jīng)有較多對緩控釋肥的養(yǎng)分釋放特性測定的研究，但到目前為止，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標準測定方法[49]。目前常見的測定緩控釋肥養(yǎng)分釋放的方法主要有水中溶出率法、模擬土壤下溶出率法、擴散和滲透率法、同位素示蹤法等。以上幾種方法在一定程度上能反映緩控釋肥的緩釋效果，但無法完全符合各種緩控釋肥在田間的實際釋放情況，其結(jié)果難以充分評價緩控釋肥在生產(chǎn)上的實際效果。如何準確測定養(yǎng)分釋放特性是評價緩控釋肥效果的基礎(chǔ)。

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