李世龍, 桑啟恒, 雷吉琳, 李冬佳, 劉 蕊, 張衛(wèi)峰

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193)

0 前言

增效肥料是在肥料中添加增效物質(zhì)形成新的配方制備而成,能夠顯著提高肥料利用效率[4]。常見的增效物質(zhì)有兩類,一類是生物活性增效物質(zhì),主要包括氨基酸類、腐殖酸類以及海藻酸類;另一類是抑制劑類,包括脲酶抑制劑和硝化抑制劑。雖然增效氮肥在許多研究中已被證實具有減排溫室氣體、減少氮素徑流及淋溶損失、提高作物氮素吸收利用率及增產(chǎn)的潛力,但由于氮素?fù)p失存在較大的時空變異性,缺乏科學(xué)的氮肥管理措施,導(dǎo)致其施用效果不穩(wěn)定[5-6]。因此,必須加快研究和應(yīng)用能夠精準(zhǔn)匹配土壤-作物-環(huán)境的增效肥料,以助推農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展,這對減少農(nóng)業(yè)面源污染、保障國家糧食和生態(tài)安全具有十分重要的意義。本文結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展,綜述了肥料增效物質(zhì)及其對應(yīng)的氮肥產(chǎn)品的特點和應(yīng)用現(xiàn)狀,以期為氮肥減量技術(shù)的實際應(yīng)用以及肥料增效物質(zhì)在肥料生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)上的推廣應(yīng)用提供參考。

1 增值肥料

1.1 氨基酸類肥料

氨基酸是一類小分子化合物,在植物合成酶、維生素和色素等有機(jī)化合物的過程中發(fā)揮重要作用,其作為肥料增效物質(zhì)不僅可以豐富土壤有機(jī)氮庫,還可以有效改善肥際和土壤環(huán)境,調(diào)動根系的吸收功能[7-8]。當(dāng)前廣泛應(yīng)用于肥料中的氨基酸主要包括聚天冬氨酸、甲硫氨酸、蛋氨酸和多肽等。20世紀(jì)70年代,日本科學(xué)家首次將脯氨酸、胱氨酸等用于農(nóng)藥,開始了氨基酸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用[2]。我國氨基酸工業(yè)在20世紀(jì)60年代中期生產(chǎn)由小到大迅速發(fā)展,此時氨基酸肥料出現(xiàn)在廣大農(nóng)戶眼前。但當(dāng)時的農(nóng)戶認(rèn)為植物只能吸收無機(jī)肥料,對氨基酸肥料的功效以及使用方法、使用時期、注意事項等了解得不夠全面,導(dǎo)致氨基酸肥料的接受度不高。

如今,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸向有機(jī)、可持續(xù)、再利用和環(huán)保的方向發(fā)展,同時追求作物的高品質(zhì)和高產(chǎn)量。氨基酸類肥料因具有增產(chǎn)提質(zhì)效果顯著、有效減肥減藥、降低農(nóng)藥殘留、對生態(tài)環(huán)境友好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。

1.2 腐殖酸類肥料

腐殖酸通過調(diào)節(jié)植物的多種酶活性和生理代謝功能,促進(jìn)固氮作用和根系發(fā)育,同時可以提高植物的抗旱能力,改善作物品質(zhì)[9]。目前,腐殖酸已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保和工業(yè)等領(lǐng)域,作為一種肥料增效物質(zhì),腐殖酸在農(nóng)業(yè)上發(fā)揮著巨大的作用。腐殖酸肥料具有低碳、價廉、節(jié)能和可循環(huán)利用等優(yōu)點,為了實現(xiàn)環(huán)境友好型新型肥料的創(chuàng)制及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究。我國對腐殖酸在肥料中應(yīng)用的研究始于20世紀(jì)50年代,之后十年全國掀起了使用腐殖酸肥料的浪潮。直到現(xiàn)在,腐殖酸肥料憑借其在農(nóng)業(yè)上一系列積極的作用且綠色無公害的特點屹立不倒。楊云馬等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn),腐殖酸可以明顯提高土壤中微生物的數(shù)量,但是對不同的微生物影響不同,對細(xì)菌、真菌和放線菌的促進(jìn)作用分別達(dá)到43.6%、31.7%和21.0%。另一項研究發(fā)現(xiàn),腐殖酸對土壤脲酶具有“先控后促”的作用,在植物生長的前期抑制脲酶的活性,而在后期施用腐殖酸又可以提高土壤脲酶的活性,這對減少作物苗期營養(yǎng)不足、補充生長期作物對養(yǎng)分的需求有重要作用[11]。因此,根據(jù)作物不同時期對養(yǎng)分需求的情況及腐殖酸肥料發(fā)揮作用的時間,合理施肥至關(guān)重要。

近年來,為了緩解傳統(tǒng)氮肥不合理施用造成的土壤肥力下降和生態(tài)環(huán)境破壞等問題,針對多功能復(fù)合型腐殖酸肥料的研究成為新焦點,如腐殖酸復(fù)合生物肥和腐殖酸復(fù)合肥(有機(jī)-無機(jī)復(fù)合專用肥)等[12]。

1.3 海藻酸肥料

海藻酸是環(huán)境友好、安全無毒的肥料增效物質(zhì),具有螯合以及親水特性,可以有效改良土壤理化性狀,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤的保水能力,促進(jìn)作物根際有益微生物的生長[13]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,施用海藻酸能夠促進(jìn)作物根系發(fā)育,增強(qiáng)作物對土壤養(yǎng)分及水的吸收利用;能夠提高作物對干旱、寒冷、鹽堿等多種逆境脅迫的抵抗能力,實現(xiàn)作物高產(chǎn)[14]。李金鑫等[15]的研究發(fā)現(xiàn),海藻酸降解后的小分子產(chǎn)物海藻寡糖中的羥基等負(fù)電荷基團(tuán),可以與尿素中的氨和銨態(tài)氮發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成絡(luò)合物,抑制硝化和反硝化過程的發(fā)生,減少氮素?fù)p失。因此,海藻酸作為一種肥料增效物質(zhì)可以顯著提高氮肥的利用率,實現(xiàn)氮肥的高效利用。

海藻酸肥料歷史悠久,至今可劃分為3個發(fā)展時期。在公元4世紀(jì),古人就已經(jīng)把海藻當(dāng)作肥料施用,直到16—17世紀(jì)歐洲的一些國家和日本等國的農(nóng)民采集海藻制作堆肥,海藻肥迎來了第一個發(fā)展時期,即海藻有機(jī)肥時期;1949年英國發(fā)明了第一款海藻液體肥,海藻肥迎來了嶄新的發(fā)展時期;中國的現(xiàn)代海藻肥研究始于20世紀(jì)90年代,是海藻肥料的重要發(fā)展階段,代表產(chǎn)品為海藻提取物,其中的主要物質(zhì)是海藻多糖“海藻酸”;21世紀(jì)以來,人們對海藻肥的研究越來越多,生產(chǎn)工藝也不斷提高,中國科學(xué)家團(tuán)隊利用生物酶技術(shù)得到了海藻酸的降解產(chǎn)物即褐藻膠寡糖,從此海藻肥進(jìn)入了寡糖時期[16]。

1.4 增值肥料主要產(chǎn)品

增值肥料是利用活性物質(zhì)增效的制肥技術(shù),將安全環(huán)保的生物活性增效物質(zhì)與化學(xué)肥料科學(xué)配伍而成,旨在綜合調(diào)控“肥料-作物-土壤”系統(tǒng),達(dá)到系統(tǒng)改善、肥料效率提升的目的。該技術(shù)最大的工藝特點是將活性增效物質(zhì)與尿素、復(fù)合肥等肥料的大型生產(chǎn)裝置相結(jié)合,進(jìn)行一體化生產(chǎn),無需二次加工,產(chǎn)能高、成本低、效果好。當(dāng)前,我國增值肥料的市場處于上升期,增值肥料的種類也很多,如“諾根旺”(河南諾賽德生物科技有限公司,添加的增效物質(zhì)為聚天冬氨酸)、“黑力旺尿素”(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,添加的增效物質(zhì)為腐殖酸)、“海大力復(fù)合肥”(湖北宜化肥業(yè)有限公司,添加的增效物質(zhì)為海藻酸)等,這些增值肥料在小麥、玉米和大豆等作物上的應(yīng)用均取得了良好的效果。

2 穩(wěn)定性肥料

2.1 肥料增效劑

2.1.1 硝化抑制劑

硝化抑制劑的研究開始于20世紀(jì)50年代中期,美國學(xué)者Goring首次報道了2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)具有硝化抑制特性,1974年CP被開發(fā)成一種硝化抑制產(chǎn)品N-server(DOW Chemical),后被大面積推廣使用[17]。我國于20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行硝化抑制劑的研究,并在20世紀(jì)90年代初研發(fā)了含有雙氰胺(DCD)的長效尿素和長效碳銨產(chǎn)品[17]。目前,科研人員已發(fā)現(xiàn)的硝化抑制劑種類數(shù)以百計,從來源上可分為人工合成硝化抑制劑和生物硝化抑制劑(BNI)。

人工合成硝化抑制劑主要有氰胺類化合物、含氮雜環(huán)化合物、含硫化合物、烴類及其衍生物等,只有少數(shù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),如CP、DCD和3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)等。BNI是在2006年由日本科學(xué)家提出的,是指植物根系分泌的能抑制土壤硝化作用的物質(zhì)。雖然早在20世紀(jì)70年代人們就發(fā)現(xiàn)了BNI的存在,但近十年的研究才具有實際的意義,尤其是隨著根系探究技術(shù)的發(fā)展,科研人員從高粱和水稻等植物的根系分泌物中發(fā)現(xiàn)了對羥基苯丙酸甲酯(MHPP)、高粱酮和櫻花素等BNI[18]。

2.1.2 脲酶抑制劑

Rotini于1935年發(fā)現(xiàn)了土壤中脲酶的存在,隨后在20世紀(jì)40年代,Conrad發(fā)現(xiàn)一些物質(zhì)可以通過抑制土壤中脲酶的活性來延緩尿素水解[19]。從20世紀(jì)60年代開始,科研人員篩選了大量可以抑制脲酶活性的物質(zhì),Kiss和Simihaian測試了14 000多種化合物或化合物的混合物對土壤中脲酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)在所有的供試物質(zhì)中,尿素的結(jié)構(gòu)類似物的抑制效果最佳[20]。直到20世紀(jì)80年代,國際上研發(fā)了多種具有實際意義的脲酶抑制劑,主要包括醌類、重金屬類和多羥酚類物質(zhì)等。20世紀(jì)90年代中期,脲酶抑制劑N-(正丁基)硫代磷酸三酰胺(NBPT)開始在美國以Agrotain的名義交易,之后在肥料市場上占據(jù)穩(wěn)固地位。

我國對脲酶抑制劑的研究起步較晚。20世紀(jì)80年代初,中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所周禮愷團(tuán)隊開展了探究氫醌(HQ)對尿素水解、氨揮發(fā)、硝化和反硝化及作物產(chǎn)量影響等方面的工作,進(jìn)行了大量系統(tǒng)的室內(nèi)試驗和田間試驗,并于20世紀(jì)90年代初研發(fā)出長效尿素和一系列含尿素的長效復(fù)合肥[21]。目前,在一些國家已有關(guān)于脲酶抑制劑專利的申請,大多集中在德國、印度和美國,但是只有NBPT和HQ這兩種脲酶抑制劑得到實際應(yīng)用并作為商品在市場流通。

2.2 穩(wěn)定性肥料主要產(chǎn)品

穩(wěn)定性肥料是利用即時加入工藝在肥料生產(chǎn)過程中添加抑制劑制成的,其中抑制劑的?；罴尤牍に嚱鉀Q了在生產(chǎn)中因不利條件穩(wěn)定性肥料容易失活的問題[19]。隨著穩(wěn)定性肥料企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷壯大,多個品牌的穩(wěn)定性肥料在市場上已相繼推出[22]。目前,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的穩(wěn)定性肥料包括穩(wěn)定性尿素和穩(wěn)定性復(fù)合肥等,如浙江巨隆化肥有限公司的“恩倍力”(添加抑制劑為CP)、眾德肥料(煙臺)有限公司的“雙泰克”(添加抑制劑為DCD)以及德國康樸公司的“速溶諾泰克”(添加抑制劑為DMPP)等,這些肥料均具有持效期長、養(yǎng)分利用率高、增產(chǎn)幅度大、環(huán)境污染小等特點。

3 增效肥料的應(yīng)用及存在的問題

3.1 增值肥料的應(yīng)用及存在的問題

3.1.1 增值肥料對土壤氮素?fù)p失阻控的影響

增值肥料通常被用來調(diào)節(jié)作物生長,但其在土壤氮素?fù)p失阻控方面也發(fā)揮著不小的作用。首先,這類肥料的施用可以有效提高氮肥在土壤中的保留時間。腐殖酸與尿素施用在潮土、紅壤、黃褐土和灰漠土等不同土壤中,均會顯著降低尿素的水解程度,尤其是在脲酶活性高的潮土中更為明顯[23]。添加海藻酸同樣可以減少尿素在土壤中的水解,進(jìn)而有效抑制氮素?fù)p失[24]。以聚天冬氨酸為代表的氨基酸與尿素混合施入土壤后,土壤中脲酶活性比單獨施用尿素時明顯降低。除了對脲酶有抑制作用外,尿素與聚天冬氨酸間的化學(xué)反應(yīng)以及兩者間的氫鍵都會減少尿素的水解[25]。

增值肥料可以減少土壤中NH3的揮發(fā)和N2O的排放。在一項為期90 d的研究中發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)尿素相比,腐殖酸尿素和聚天冬氨酸尿素施用于土壤后分別減少了9.70%和6.30%的累積NH3揮發(fā),并且對N2O累計排放的抑制率分別達(dá)到40.5%和43.0%[25]。海藻酸尿素在黃褐土和潮土中均可抑制NH3的揮發(fā),但在黃褐土中NH3的揮發(fā)抑制效果更明顯[24]。Xu等[27]探究了海藻酸尿素和腐殖酸尿素在番茄生長過程中對氮素?fù)p失的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)海藻酸尿素可以顯著抑制NH3的揮發(fā),抑制率達(dá)到51.5%,而腐殖酸尿素處理對土壤中NH3的揮發(fā)無顯著影響。

3.1.2 增值肥料對作物生長的影響

增值肥料可以減少土壤中氮素?fù)p失,增加作物可吸收利用的氮素,進(jìn)而對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。增值肥料在不同土壤中對作物產(chǎn)量的促進(jìn)作用不同。腐殖酸類肥料可以加強(qiáng)植物根系的發(fā)育,從而促進(jìn)作物生長。張水勤等[28]指出,與普通尿素相比,腐殖酸增效尿素可以顯著提高冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量,并且增產(chǎn)幅度隨腐殖酸添加量的增加而升高,增產(chǎn)效果分別達(dá)到9.70%～16.8%和6.30%～17.3%。同時還發(fā)現(xiàn),將腐殖酸結(jié)構(gòu)優(yōu)化,利用微量腐殖酸開發(fā)尿素專用的高效腐殖酸增效載體,完全可以在節(jié)約腐殖酸資源的同時,實現(xiàn)增值尿素大產(chǎn)能、低成本生產(chǎn)。施加氨基酸肥料,如聚天門冬氨酸和聚谷氨酸等,可以提高肥料利用率,有助于玉米增產(chǎn)[29]。陳廣轍等[30]通過對聚天門冬氨酸的研究發(fā)現(xiàn),尿素中添加聚天門冬氨酸能實現(xiàn)增產(chǎn)5.09%～6.66%。有研究表明,通過調(diào)控角蛋白的水解時間、水解溫度和添加控制劑等,可以改變肥料中多肽和氨基酸的濃度比例,當(dāng)濃度比例為22.6%～25.1%時,所制得的多肽-氨基酸液態(tài)氮肥對水稻、大豆、玉米的增產(chǎn)效果分別可達(dá)到11.1%、16.7%、3.7%[31]。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院于2011—2013年在全國各地開展田間試驗,探究添加氨基酸、腐殖酸和海藻酸的尿素在不同類型的土壤和氣候條件下對水稻、小麥、棉花、玉米等幾種作物的增產(chǎn)效果[32]。試驗結(jié)果表明,與普通尿素相比,添加這3種生物活性增效物質(zhì)的尿素,增產(chǎn)效果平均達(dá)到9.50%,其中腐殖酸尿素增產(chǎn)效果最明顯。增效尿素的增產(chǎn)效果因肥料中增效物質(zhì)的種類、濃度以及區(qū)域和種植作物的不同有所差異,所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域和作物施用適宜的增值肥料,以發(fā)揮更好的增產(chǎn)效果。

當(dāng)前,增值肥料的研究和應(yīng)用處于飛速發(fā)展的階段,但在肥料的性能以及質(zhì)量檢測等方面還存在不足。盡管在增值肥料的“肥料-作物-土壤”系統(tǒng)綜合調(diào)控理論方面已有所成就,但“肥料-作物-土壤”系統(tǒng)非常復(fù)雜,綜合調(diào)控理論仍然需要加強(qiáng)研究。同樣,增值肥料供肥性能的優(yōu)化機(jī)制與肥料增效和作物高產(chǎn)的關(guān)系不夠明晰。目前雖然制定了相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《含海藻酸尿素》(HG/T 5049—2016)、《含腐植酸尿素》(HG/T 5045—2016)、《腐植酸復(fù)合肥料》(HG/T 5046—2016)等,但還需要不斷完善。此外,增值肥料在田間應(yīng)用效果的研究也需要進(jìn)一步深入。

3.2 穩(wěn)定性肥料的應(yīng)用及存在的問題

3.2.1 穩(wěn)定性肥料對土壤氮素?fù)p失阻控的影響

抑制劑的施用對于土壤中NH3的揮發(fā)及N2O的排放具有顯著影響。一項全球的綜合分析表明:脲酶抑制劑的施用對NH3揮發(fā)的抑制效果可達(dá)55.0%～72.0%,硝化抑制劑的施用會增加0～17.0%,兩者共同施用時對NH3揮發(fā)的抑制率達(dá)到24.0%～49.0%;無論是單施脲酶抑制劑、硝化抑制劑還是兩者配施,均可以顯著降低N2O的排放,抑制率分別為6.00%～20.0%、46.0%～53.0%、24.0%～38.0%[37]。鑒于對NH3和N2O減排時可能存在的權(quán)衡效應(yīng),在高NH3損失情況下,脲酶抑制劑或者硝化/脲酶抑制劑共施將是減少NH3損失和提高作物產(chǎn)量的最佳選擇;在低NH3損失情況下,硝化抑制劑將是減少凈N2O排放和由此產(chǎn)生的環(huán)境影響的主要選項。另一種策略是兩種抑制劑組合應(yīng)用來平衡作物生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)目標(biāo),而無需進(jìn)行污染權(quán)衡[38]。

3.2.2 穩(wěn)定性肥料對作物生長的影響

穩(wěn)定性肥料可以顯著影響作物產(chǎn)量以及氮素利用率。Ren等[39]在棕壤夏玉米田漬水條件下施用含CP的尿素,DH605和ZD985兩種玉米的產(chǎn)量分別提高了22.0%和33.0%,氮肥利用率提高了9.00%～13.0%。在伊朗的種植與耕作模式中,施用添加CP的尿素后,同樣可以提高玉米的產(chǎn)量,增產(chǎn)率達(dá)到13%[40]。崔磊等[41]通過對不同抑制劑的研究發(fā)現(xiàn),DCD和DMPP均能提高玉米的產(chǎn)量,DCD和DMPP對氮素的利用率分別達(dá)到59.8%和45.1%。周麗娜等[42]通過采集寧夏灌淤土進(jìn)行盆栽試驗,發(fā)現(xiàn)NBPT與尿素配施能提高春玉米的株高、地上部生物量、根系生物量,尤其是當(dāng)NBPT的施用量為尿素施用量的1%時效果較佳。

也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),施用抑制劑在提高作物產(chǎn)量方面的效果并不總是正向的。Harty等[43]在愛爾蘭的牧場通過對比尿素、尿素+DCD和尿素+NBPT的處理發(fā)現(xiàn),尿素+DCD處理后的牧草產(chǎn)量總是低于尿素處理的。一項在葡萄牙卷心菜種植體系的試驗中發(fā)現(xiàn),連續(xù)兩年施用DMPP+尿素的卷心菜,干物質(zhì)產(chǎn)量均顯著低于單施尿素處理的,每年的干物質(zhì)產(chǎn)量分別減少37.4、44.6 g/株[44]。

目前,國內(nèi)穩(wěn)定性肥料發(fā)展仍存在一些問題,瓶頸在于抑制劑與化肥工業(yè)、農(nóng)業(yè)需求不匹配。抑制劑在肥料生產(chǎn)過程中仍然存在添加困難、易失活、添加損耗大,且肥料粉化、結(jié)塊嚴(yán)重等問題。抑制劑簡單復(fù)配可能導(dǎo)致拮抗失效,降低氮損失阻控的專一性,造成產(chǎn)品質(zhì)量差?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未限定抑制劑含量且對抑制率要求低(如硝化抑制率僅6%),無法保證高質(zhì)量發(fā)展。抑制劑的效果受土壤類型、有機(jī)質(zhì)含量、溫度、濕度、土壤生物活性等環(huán)境因素的影響,效果變異大。

4 發(fā)展與展望

研究增值肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對作物氮素利用率、產(chǎn)量的作用效果及機(jī)制是必要的。隨著未來增值肥料產(chǎn)業(yè)的不斷壯大,活性增效物質(zhì)的需求也將隨之?dāng)U大,深入研究和開發(fā)綠色環(huán)保、綜合調(diào)控、微量高效、生產(chǎn)安全的高質(zhì)量活性物質(zhì),建立活性物質(zhì)微量高效理論與技術(shù)至關(guān)重要。隨著含有增值肥料的復(fù)合肥市場的不斷拓展,需要加快研制不同配比物質(zhì)的肥料,以減少污染、提高產(chǎn)量。預(yù)計在未來的5～10年,綠色高效增值肥料產(chǎn)業(yè)將會蓬勃發(fā)展。

穩(wěn)定性肥料的研究雖已成熟,但仍然需要不斷創(chuàng)新,研制新型抑制劑,朝著環(huán)境友好、穩(wěn)定高效的方向發(fā)展。創(chuàng)新改進(jìn)脲酶/硝化抑制劑向不同氮肥、復(fù)合肥中添加的生產(chǎn)工藝,并配合開發(fā)硝化抑制劑與脲酶抑制劑的添加保護(hù)技術(shù),提高抑制劑向肥料中添加的穩(wěn)定性與持效時間。下一步研究應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)作物的生長特點,將穩(wěn)定性肥料的調(diào)控技術(shù)和增效劑的制備與促進(jìn)吸收的增效技術(shù)等相結(jié)合,研發(fā)有針對性的、適合不同區(qū)域和不同作物的專用穩(wěn)定性肥料。