吳周周 劉佳欣 陳粵彤 周嬋嬋 王術(shù) 賈寶艷 黃元財 王巖 王韻

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物生理研究所，沈陽 110866；第一作者：2020220277@stu.syau.edu.cn；*通訊作者：swang123@syau.edu.cn）

目前水稻生產(chǎn)上所用肥料多為速效肥料，釋放快、肥效短，難以保證養(yǎng)分長時間供應(yīng)，后續(xù)需要進行多次追肥，才能保證水稻不同生長階段對養(yǎng)分的需求。前期施肥量過大以及速效肥本身的性質(zhì)往往造成肥料損失大、利用率低，且后續(xù)追肥還費時費工。

緩控釋肥料作為一種新型肥料，其養(yǎng)分釋放速率緩慢、釋放期長，養(yǎng)分釋放規(guī)律能夠與作物養(yǎng)分吸收基本同步，達到養(yǎng)分供需平衡，一次施肥就能夠滿足作物整個生長期對養(yǎng)分的需求，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)簡化施肥過程、減少施肥成本、減輕環(huán)境污染、降低施肥強度、提高肥料利用率提供了可能[1-3]。本文在介紹緩控釋肥國內(nèi)外研究進展的基礎(chǔ)上，分析了其對水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、氮素吸收利用的影響，綜述了在水稻生產(chǎn)的施肥技術(shù)，探討了水稻應(yīng)用緩控釋肥面臨的問題并給出建議，旨在為緩控釋肥在水稻上合理施用提供參考。

1 緩控釋肥的概念及類型

1.1 概念

廣義上講緩控釋肥是指肥料養(yǎng)分與釋放速率緩慢，釋放期較長，在作物的整個生長期都可以滿足作物生長需要的肥料。但狹義上緩釋肥和控釋肥又有各自不同的定義。緩釋肥指的是采用物理、化學(xué)或生物方法制造，阻礙有效養(yǎng)分在土壤中過快釋放，進而對作物的營養(yǎng)供應(yīng)起延長作用的肥料[4]。但生產(chǎn)上對其養(yǎng)分釋放速率、養(yǎng)分釋放模式和養(yǎng)分釋放持續(xù)時間長短不能很好控制。控釋肥指的是多采用聚合物包膜的顆粒肥料。控釋肥料顆粒中化學(xué)養(yǎng)分的釋放速度受聚合物降解快慢的影響，養(yǎng)分釋放量和釋放時間易被控制，促使肥料養(yǎng)分釋放和作物養(yǎng)分吸收保持一致。因此，控釋肥又被認(rèn)為是緩釋肥的高級形式，但許多研究者對緩釋肥和控釋肥并未進行嚴(yán)格區(qū)分[5]。

1.2 緩控釋肥的類型

目前較為普遍的是將緩控釋肥分為包膜緩控釋肥、包裹材料緩控釋肥和具有有限水溶性的合成型微溶態(tài)緩控釋肥[6]。

1.2.1 包膜緩控釋肥

肥料的包裹層是緩控釋肥的主要研究內(nèi)容，按照包裹層材料不同，包膜緩控釋肥分為無機包膜肥和有機包膜肥。

無機包膜肥多選用硅酸鹽、石膏等無機材料作為包裹層，而目前無機材料中硫磺被普遍使用。無機材料成本低廉，對土壤幾乎無危害，能夠起到緩釋作用，適合生長周期較長的農(nóng)作物。但無機物包膜材料也存在彈性較差和脆性較高等問題，導(dǎo)致肥料顆粒的膜層在儲存或運輸過程中容易脫落，致使肥料養(yǎng)分釋放快，低于肥料本身預(yù)定的釋放有效期，影響緩釋性質(zhì)，不能真正達到對肥料有效控釋的目的[7]。

有機包膜肥包裹材料來源可天然獲取或者人工合成。天然高分子材料無毒無害、降解快、種類多，一般包括橡膠、纖維素等穩(wěn)定物質(zhì)；合成高分子材料多選擇熱塑性好、彈性強的聚烯烴類物質(zhì)，例如聚乙烯、脲醛樹脂等；半合成高分子材料以纖維素的衍生物為主，水解快、易形成膜[8]。目前有機聚合物包膜肥實際產(chǎn)能和市場占有率不高，究其原因在于有機包膜材料生產(chǎn)成本過高，使其主要面向草坪、花卉等非傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)市場，難以面向大田作物。所以，降低有機聚合物包膜材料的成本，研究易降解、環(huán)境友好、面向大田的包膜控釋肥料，才能更好推動其長足發(fā)展。

1.2.2 包裹材料緩控釋肥

包裹材料緩控釋肥是以一種或者多種植物營養(yǎng)物質(zhì)包裹另一種肥料而形成的復(fù)合體[9]。由于包裹肥料選用一種或者多種植物營養(yǎng)物質(zhì)作為包裹材料，這就使得包裹材料產(chǎn)品中用作包裹層的物料所占比例可以更高、質(zhì)量更大，一般可達到肥料總質(zhì)量的30%～80%[6]。

根據(jù)HG/T 4217－2011 標(biāo)準(zhǔn)，目前包裹材料產(chǎn)品被分為兩種類型，但都以尿素為核心，不同之處在于一種以鈣鎂磷肥為主要包裹層，一種以二價磷酸銨鉀鹽為主要包裹層[10]。所有粒狀的水溶性肥料都可作為包裹材料的核心，而尿素作為氮肥的主要品種，其顆粒大小均一、粒型圓整的特點使其適合作為包裹層的核心原料，因此大部分包裹材料的核心以尿素為主。

作為新型緩控釋肥料產(chǎn)品，包裹材料緩控釋肥具有以下主要特點：1）完全植物營養(yǎng)，包裹材料產(chǎn)品空間結(jié)構(gòu)分布為肥料包裹肥料，產(chǎn)品中每一層的有效成分均為植物營養(yǎng)，通過改變不同特性肥料的空間結(jié)構(gòu)及利用原料間的化學(xué)反應(yīng)，來發(fā)揮緩釋或控釋作用[9]；2）均一釋放特性，包裹肥料包裹層為枸溶性無機肥料，肥料有效成分多為極性分子，與同為極性分子的水具有相親性，這個特點使得包裹肥前期養(yǎng)分釋放率較高，同時產(chǎn)品中每粒肥料能夠保證具有相同的釋放性能及養(yǎng)分構(gòu)成[11]；3）緩釋化和復(fù)合化同步實現(xiàn)，包裹緩控釋肥生產(chǎn)和復(fù)合肥生產(chǎn)過程合二為一，簡化生產(chǎn)流程，節(jié)約生產(chǎn)成本[12]。

1.2.3 水溶性合成型微溶態(tài)緩控釋肥

微溶性含氮化合物作為緩控釋肥料的重要類型之一，它是通過離子鍵或者共價鍵將肥料連接到聚合物上構(gòu)成的一種新型組合物[13]。一般由尿素和醛類縮合的方法制得，其產(chǎn)品主要包括脲甲醛肥料、磷酸銨鎂等，其中脲甲醛肥料最具有代表性，其價格較其他微溶態(tài)緩控釋肥低，所以脲甲醛肥料在市場中占主導(dǎo)地位，同時脲甲醛肥料也是國際上最早實際應(yīng)用的緩控釋肥料品種之一。

微溶態(tài)緩控釋肥在非農(nóng)業(yè)市場應(yīng)用廣泛，在農(nóng)業(yè)市場上的應(yīng)用較少，但呈增加趨勢。良好的緩釋性使其適合加工成團粒肥、摻混肥等，也能延緩養(yǎng)分釋放，改善肥料狀態(tài)，對促進我國肥料事業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2 緩控釋肥的研究進展

2.1 國外研究進展

1948年，美國CLART等[14]對尿素－甲醛縮合物緩釋肥料的制備方法和性質(zhì)特點進行了研究，自此開辟了美國緩控釋肥研究先河，當(dāng)時其研究對象主要是聚合物包硫尿素，價格相對較高，后續(xù)經(jīng)改進的包硫尿素是用相對廉價的烯烴聚合物作為包膜層，因價格低而風(fēng)靡美國市場。1964年，美國ADM 公司樹脂型包膜肥料工業(yè)化生產(chǎn)成熟，其產(chǎn)品如Osmocote 至今仍然得到廣泛使用[15]。1966年，美國杜邦公司制備的脲甲醛尿素如今仍廣泛使用[16]。日本對于緩控釋肥的應(yīng)用與研究處在領(lǐng)先地位，主要集中在高分子包膜肥料的研究，如熱固型包膜肥、聚烯烴包膜肥等[17]。

歐洲一些國家研究的緩控釋肥多為難溶于水的含氮化合物，德國主要研究醋酸纖維素、木質(zhì)素等能夠被生物降解的材料來生產(chǎn)包膜肥料，還開發(fā)出以樹脂作為包衣材料的NPK 復(fù)合肥以及中微量系列配方肥[18]。荷蘭使用菊粉、甘油、土豆等作為包衣材料，開發(fā)出可生物降解的包衣肥料[8]。英國則集中開展玻璃態(tài)控釋肥的研究，但僅僅限于在樹苗施用[19]。

近年來，國外正致力于緩控釋肥包膜材料的研究，未來對于包膜材料的要求：一是要無毒無害、易降解；二是要實現(xiàn)養(yǎng)分釋放模式多樣化、精確化。目前，天然有機高分子材料常被作為包膜材料，由于其來源廣泛，可生物降解，具有較好的發(fā)展前景[20]。

2.2 國內(nèi)研究進展

20 世紀(jì)60年代末，我國對緩控釋肥展開研究。1973年，中國科學(xué)院南京土壤研究所以鈣鎂磷肥等為包裹材料生產(chǎn)出長效碳銨包裹肥料，該肥料緩釋效果良好，并能延緩氨揮發(fā)[21－22]。20 世紀(jì)80年代，鄭州工業(yè)大學(xué)掌握了肥料作為涂層覆蓋在另一種肥料顆粒上生產(chǎn)緩控釋肥的工藝，以此為基礎(chǔ)鈣鎂磷肥包裹尿素和磷酸銨鉀鹽包裹尿素應(yīng)運而生，并在國內(nèi)外推廣[23]。進入20 世紀(jì)90年代，我國對緩控釋肥的研究與開發(fā)十分迅速。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)把聚乙烯醇（PVA）和淀粉結(jié)合作為包膜劑生產(chǎn)包膜肥料，該包膜具有良好的緩釋效果，能夠調(diào)控養(yǎng)分釋放速率，且在土壤中可完全被生物降解[24]。蘭州大學(xué)以丙烯酸、丙烯酰胺為主要原料制備的緩釋肥料具有良好的吸水保水性[25]。鄭州大學(xué)生產(chǎn)的鈣鎂磷肥包裹的緩控釋肥獲多項國際專利，并在國內(nèi)及美國推廣應(yīng)用[26]。北京市農(nóng)林科學(xué)院研制出樹脂包衣緩控釋肥，并以此為基礎(chǔ)又研發(fā)出多種肥料新產(chǎn)品[27]。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)多年努力，研發(fā)了熱塑性樹脂、硫包膜等多種包膜緩控釋肥[28]。

目前，我國開發(fā)出了聚氨酯類、水基聚合物等多種包膜材料，未來對于緩控釋肥的研發(fā)，我國也將繼續(xù)朝著精準(zhǔn)、環(huán)保的方向前進。

3 緩控釋肥在水稻上的應(yīng)用研究

3.1 緩控釋肥施肥技術(shù)在水稻上的應(yīng)用

20 世紀(jì)90年代，水稻側(cè)條施肥技術(shù)在日本得到推廣，它的技術(shù)要點是把緩控釋肥集中在根系附近，便于水稻吸收，同時達到減少養(yǎng)分流失，提高肥料利用效率的目的[29]。日本還曾推廣了控釋氮肥工廠化箱式育苗技術(shù)[30]和免耕種肥接觸直播技術(shù)[31]，以搭配緩控釋肥的施用。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了以控釋氮肥的形式全部施入育苗盤內(nèi)的施肥方法，該方法一方面能夠直接應(yīng)用于稻田，另一方面借助根系緊緊吸附控釋氮肥，隨機械或人工插秧直接進入土壤，在根系附近緩慢釋放供給植株生長發(fā)育，不用再進行追肥，省時省工，節(jié)約成本[32]。

目前市場上緩控釋肥種類多，緩釋期也不同，同時緩控釋肥多作為基肥，但不同的水稻品種由于遺傳特性不同，養(yǎng)分吸收特性及模式也存在差異，導(dǎo)致肥料養(yǎng)分釋放和作物養(yǎng)分吸收難以匹配。李敏等[33]通過盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)，硫膜控釋尿素配施普通尿素效果更好，而樹脂膜控釋尿素更適合一次性施用。程金秋[34]把控釋肥料與普通尿素按一基一蘗、一基一穗配施，發(fā)現(xiàn)水稻干物質(zhì)積累與吸收、光合特性均優(yōu)于常規(guī)分次施肥。

近年來，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)針對機插水稻施肥不合理、氮肥損失嚴(yán)重等問題，基于水稻氮肥吸收規(guī)律及水稻精確定量栽培技術(shù)原理，構(gòu)建了水稻機插緩混一次性施肥技術(shù)，多年多點示范表明，該技術(shù)經(jīng)濟、環(huán)保、高效，在機插稻推廣地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[35-36]。2020—2021年，水稻機插緩混一次性施肥技術(shù)被列為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部引領(lǐng)性技術(shù)，并在適用地區(qū)集中開展緩控釋肥技術(shù)的示范展示和培訓(xùn)，進一步加快成果轉(zhuǎn)化，推動農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效[37-38]。

3.2 緩控釋肥在水稻上的應(yīng)用效果

3.2.1 緩控釋肥對水稻產(chǎn)量的影響

謝春生等[39]對植物素包膜控釋肥、磷酸銨鎂包膜控釋肥、聚合物包膜尿素一次性施用效果研究發(fā)現(xiàn)，在等量氮肥水平下，較常規(guī)分次施肥早稻增產(chǎn)10.75%～15.91%，晚稻增產(chǎn)4.76%～14.05%，增產(chǎn)原因是控釋肥處理的水稻成穗率顯著，每穗粒數(shù)增加。蔣偉勤等[40]將2 種不同緩釋期的控釋肥組配成控混肥，并與常規(guī)氮肥摻混進行一次性基施，結(jié)果表明，100 d+80 d、100 d+120 d的處理在關(guān)鍵生育時期釋放的養(yǎng)分更能滿足南粳9108、豐粳1606 的需要，使水稻群體光合性能提升，干物質(zhì)生產(chǎn)能力增強，群體穎花量和有效穗數(shù)顯著增加，100 d+80 d處理兩品種較對照分別增產(chǎn)4.66%、4.29%。魏海燕等[41]選用3 種緩控釋肥搭配普通尿素施用，設(shè)置基施、一基一蘗兩種施肥方式，與常規(guī)分次施肥對比，緩控釋肥處理沒有增加甬優(yōu)2640 的產(chǎn)量，原因在于其前中期肥力相對集中，后期無法滿足水稻生長所需，葉面積指數(shù)低、光合弱、干物質(zhì)生產(chǎn)少，同時甬優(yōu)2640 群體穎花過大、穗大粒多的特點也是重要因素。緩控釋肥的生產(chǎn)成本高于普通速效肥料，如果等氮條件下無法提高水稻產(chǎn)量或者達到平產(chǎn)水平，無疑會增加農(nóng)民生產(chǎn)成本，不利于緩控釋肥的推廣。針對這個問題，許多學(xué)者對緩控釋肥減量施用是否可行展開研究。蔣琪等[42]研究表明，控釋肥處理在減氮9.82%情況下，較常規(guī)施肥處理增產(chǎn)2.01%，增收930.47元/hm2。俞衛(wèi)星等[43]認(rèn)為，等氮條件下，緩控釋肥處理產(chǎn)量、效益最高，即使減氮20%～30%，緩控釋肥處理也能夠保證與常規(guī)施肥處理相近的產(chǎn)量。由此可見，合理施用緩控釋肥可以增加水稻產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益。

3.2.2 緩控釋肥對水稻品質(zhì)的影響

在保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上，緩控釋肥對水稻品質(zhì)的影響也有許多研究。李宏亮[44]研究發(fā)現(xiàn)，相比常規(guī)分次施肥，施用緩控釋肥不能明顯提高稻米碾磨品質(zhì)；但降低堊白度和堊白粒率，顯著改善外觀品質(zhì)；同時使水稻蛋白質(zhì)含量降低，直鏈淀粉含量增加，最高黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值和回復(fù)值提高，消減值下降，最終蒸煮食味品質(zhì)更優(yōu)。付正豪[45]研究表明，與對照相比，施用控釋肥能夠明顯改善稻米食味品質(zhì)，提高加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)。俞衛(wèi)星等[43]研究發(fā)現(xiàn)，等量氮肥水平下，緩控釋肥處理的稻米品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)施肥，而減氮條件下緩控釋肥處理的稻米品質(zhì)與常規(guī)施肥接近或有所降低。鄭磊等[46]研究認(rèn)為，緩控釋肥處理的水稻籽粒蛋白質(zhì)含量顯著提高，營養(yǎng)價值更優(yōu)。綜合以上研究可知，緩控釋肥對稻米品質(zhì)的影響與肥料類型、肥料配比、施肥量等因素有關(guān)，合理施用緩控釋肥一定程度上能夠提升稻米品質(zhì)，但如何平衡各品質(zhì)之間的關(guān)系仍有待研究。

3.2.3 緩控釋肥對肥料利用率的影響

緩控釋肥的合理施用有利于水稻氮素吸收與利用，進而提高肥料利用率。陳立才等[47]研究發(fā)現(xiàn)，控釋肥處理的氮肥利用效率較常規(guī)施肥處理顯著提高9.65%～13.56%。侯紅乾等[48]研究發(fā)現(xiàn)，相比常規(guī)分次施肥，一次性基施緩控釋肥顯著提高了雙季稻吸氮量、氮肥利用率，其中減氮20%的緩控施肥處理氮肥利用率最高，保證產(chǎn)量的同時兼顧經(jīng)濟效益。曲均峰等[49-50]通過研究控釋肥與普通尿素按不同比例組配施用發(fā)現(xiàn)，氮肥利用率隨著控釋肥比例增加而提高，但控釋肥合理配施普通尿素更符合實際生產(chǎn)，其原因是緩控釋肥一方面能夠彌補普通尿素釋放快、損失大造成的肥料利用率低的問題，另一方面能夠保證后期養(yǎng)分供應(yīng)，促進水稻生育中后期氮素吸收與利用。金丹丹等[51]研究表明，齊穗期緩控釋肥處理劍葉中硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、亞硝酸還原酶活性較常規(guī)施肥處理顯著提高，有利于水稻生育后期氮素的吸收與轉(zhuǎn)化，提高利用率。綜上所述，緩控釋肥能夠彌補水稻常規(guī)施肥因前期施肥大、損失快而造成的中后期脫肥現(xiàn)象，保障后期養(yǎng)分充足，促進氮肥吸收利用。

4 展望

緩控釋肥作為一種促高產(chǎn)高效的新型肥料，它的出現(xiàn)為提高肥料利用率、節(jié)省勞動力提供了新思路，在未來具有良好的發(fā)展前景?；谘芯亢头治?，我們提出關(guān)于緩控釋肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中幾點建議。

4.1 推動緩控釋肥產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，降低其生產(chǎn)成本

緩控釋肥生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制備成本相對偏高，其價格高于普通肥料，限制了其在水稻生產(chǎn)等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的普及推廣。因此，在研發(fā)和生產(chǎn)緩控釋肥產(chǎn)品過程中，在注重產(chǎn)品質(zhì)量的同時要降低生產(chǎn)成本，使其符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際。

4.2 加強水稻等多種作物的專用緩控釋肥研究與應(yīng)用

目前市場上緩控釋肥產(chǎn)品混雜，缺乏市場監(jiān)督和規(guī)范，農(nóng)民難以分辨，往往因選用不當(dāng)造成損失。應(yīng)根據(jù)不同地方的生產(chǎn)實際，研發(fā)生產(chǎn)出適用于水稻等多種作物的專用緩控釋肥，確保緩控釋肥正確施用。

4.3 加強研發(fā)廉價、可降解、生態(tài)安全的包膜材料

目前緩控釋肥所用的包膜材料種類多，多次施用造成的殘留問題是否會給土壤、作物、環(huán)境造成危害仍有待研究。未來要加強可降解、無毒無害包膜材料的研究，進一步減輕或緩解緩控釋肥可能帶來的環(huán)境問題，促進其向綠色環(huán)保方向發(fā)展。

4.4 加強緩控釋肥施肥技術(shù)推廣

通過建立健全緩控釋肥相關(guān)信息平臺及推廣應(yīng)用中心，提高農(nóng)民認(rèn)知水平，完善配套緩控釋肥施用技術(shù)并進行推廣，爭取讓緩控釋肥真正實現(xiàn)技術(shù)落地，投入更大規(guī)模生產(chǎn)實踐。