緩控釋肥的研究及其在水稻上的應(yīng)用進(jìn)展

李祎成，熊遠(yuǎn)福，文祝友，熊海蓉，邢俊英，王起可

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

隨著人口的持續(xù)增加，21世紀(jì)世界農(nóng)業(yè)面臨糧食安全與資源環(huán)境協(xié)同發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。水稻作為我國第一大糧食作物，2016年播種面積達(dá)到3018萬hm2，產(chǎn)量達(dá)到2.07億t[1]。因此，水稻對保障我國糧食安全有著不可動(dòng)搖的地位。研究表明，施肥能有效提高水稻等糧食作物的產(chǎn)量及品質(zhì)，然而隨著化肥的持續(xù)大量施用，肥料的利用率卻始終較低；而且過量施肥造成的地下水污染、水體富營養(yǎng)化和溫室氣體排放等問題嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境和人類健康[2]。

保障糧食安全的同時(shí)減少因施肥造成的生態(tài)環(huán)境污染已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，科學(xué)施肥是保證糧食生產(chǎn)高產(chǎn)高效及減少環(huán)境污染的重要措施之一[2]。緩控釋肥是一種能夠根據(jù)作物各生長期的養(yǎng)分需求來緩慢釋放或控制釋放養(yǎng)分的新型肥料，具有肥效期長、釋放穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以有效減少施肥量和施肥次數(shù)、節(jié)省成本并降低因過度施肥造成的環(huán)境污染。另一方面，緩控釋肥可以提高土壤肥力、促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收、提高產(chǎn)量等[3]。因此，緩控釋肥的研究和應(yīng)用是一條平衡化肥的“減量增效”、保證糧食安全以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境極具潛力的途徑。

1 緩控釋肥料的研究進(jìn)展

1.1 緩控釋肥料的定義

緩釋肥是一類養(yǎng)分釋放速率遠(yuǎn)小于普通肥料且所含養(yǎng)分的肥效更加長久的肥料；控釋肥是一類養(yǎng)分釋放速率能夠適應(yīng)作物生長需肥規(guī)律的肥料?？蒯尫室袁F(xiàn)代植物營養(yǎng)理論和控釋技術(shù)為基礎(chǔ)，是緩釋肥進(jìn)一步發(fā)展的研究成果[4]。控釋肥的養(yǎng)分利用率通常高于緩釋肥。國際上公認(rèn)的緩釋肥料標(biāo)準(zhǔn)：25℃環(huán)境下，24 h內(nèi)養(yǎng)分的釋放率≤15%、28 d內(nèi)養(yǎng)分釋放率≤80%、且在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)養(yǎng)分釋放率應(yīng)達(dá)到80%以上。目前國內(nèi)外尚無控釋肥料的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 緩控釋肥料的類型及作用機(jī)理

緩控釋肥可以分為以下4種類型，不同類型的緩控釋肥具有不同的作用機(jī)理，它們的優(yōu)缺點(diǎn)也存在較大差異。①包膜型緩控釋肥：常見的有無機(jī)物包膜或有機(jī)高分子聚合物包膜肥料。這類肥料的作用機(jī)理有2種，一種是損壞機(jī)制，空氣中的水分向膜內(nèi)擴(kuò)散造成包衣膜的破裂，養(yǎng)分因此釋放出來[5]；另一種是滲透機(jī)制，由于包衣膜內(nèi)外養(yǎng)分含量存在一定的差異，從而促使養(yǎng)分釋放[6]。因此，包膜材料對這類肥料的緩控釋效果影響較大。②合成型微溶性緩控釋肥：代表性肥料如脲醛和金屬磷銨鹽，這類肥料的作用機(jī)理主要是靠化學(xué)鍵的分解和斷裂，它的優(yōu)點(diǎn)是緩釋效果較好，但這類肥的養(yǎng)分釋放速度易受外界因素的影響，控釋效果較差；③膠結(jié)型緩控釋肥：常見的有無機(jī)或有機(jī)膠結(jié)劑肥料，它的作用機(jī)理主要是靠螯合作用，這類緩控釋肥多種多樣，但其工藝并未成熟，緩控釋效果難以預(yù)測；④化學(xué)抑制劑型緩控釋肥：主要包括脲酶抑制劑和硝化抑制劑2種肥料，這類肥料的緩控釋機(jī)理主要是通過微生物的活性和酶的活性，或者是靠化學(xué)反應(yīng)，但也有明顯的缺陷，即易受土壤等環(huán)境因素的影響[7]。

包膜型控釋肥施入土壤后，一方面，土壤水分通過包衣膜上的膜孔緩慢溶解養(yǎng)分，使養(yǎng)分從膜孔中釋放出來。另一方面，當(dāng)作物需要更多養(yǎng)分時(shí)，肥料顆粒膜內(nèi)養(yǎng)分濃度增加，膜外養(yǎng)分濃度降低，導(dǎo)致膜內(nèi)外養(yǎng)分濃度差增大，養(yǎng)分釋放速率加快，符合作物不同生長階段肥料需求規(guī)律，從而提高肥料利用率[8]。

1.3 國內(nèi)緩控釋肥的研究進(jìn)展

我國緩控釋肥的研究始于20世紀(jì)60年代。1974年，中國科學(xué)院南京土壤研究所研制出了碳酸氫銨長效包膜肥料[9]，這是我國最早研發(fā)的一種緩釋肥料。2007年王海波等[10]研制出了一種具有保水效果的緩控釋肥。2014年湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)出了一種尿素控釋包衣劑，用其包衣普通尿素制得的包衣尿素，其養(yǎng)分利用率比普通尿素提高了27.6%~48.3%，且具有生產(chǎn)簡單、成本較低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[11]。2015年熊遠(yuǎn)福等[12]將可生物降解聚合物作為成膜材料，與控釋技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出適用于普通鉀肥常溫包衣的鉀肥控釋包膜劑，通過調(diào)整包膜質(zhì)量比和致孔劑用量，可以獲得不同控釋期的包膜鉀肥。2019年丁方軍等[13]研制出了一種能減少施肥作業(yè)對小麥的損害，減少追肥次數(shù)1~2次，減少肥料用量30%的冬小麥返青期專用緩控釋肥。2020年曾偉[14]發(fā)明了一種由樹脂和生物降解母料形成的淀粉改性樹脂作為包膜材料的包膜型緩控釋肥。馮兆濱等[15]研制出了一種肥料用復(fù)合膜材料和適用于南方紅壤區(qū)的再生稻專用緩控釋肥。潘慧等[16]利用木本泥炭的多孔結(jié)構(gòu)和吸附性能，將其作為礦質(zhì)養(yǎng)分吸附、包裹的載體，研制出了一種有機(jī)質(zhì)含量、游離腐植酸含量更高、節(jié)能環(huán)保的水稻緩釋肥；劉之廣等[17]發(fā)明了一種易生物-光雙重降解的低成本生物基互改性緩控釋肥及其生產(chǎn)裝置。目前，我國對不同類型的緩控釋肥料的研究與應(yīng)用取得了較大進(jìn)展，下一步的研究目標(biāo)是進(jìn)一步降低緩控釋肥的生產(chǎn)成本、擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

1.4 國外緩控釋肥研究進(jìn)展

早在1948年美國Clart等[就進(jìn)行了尿素-甲醛縮合物緩釋肥的制備和性質(zhì)研究。美國的緩控釋肥施用量占全球的60%以上，其市場上廣泛應(yīng)用的是一種在表面上包裹了一層烯烴類聚合物的包硫尿素，名為Polys，這種緩控釋肥的價(jià)格遠(yuǎn)低于聚合物包膜肥料。其他發(fā)達(dá)國家緊隨其后，從1950年開始對緩控釋肥進(jìn)行了研究探索。日本是世界上最早研究緩控釋肥的幾個(gè)國家之一，20世紀(jì)80年代，日本研制出了一種緩控釋效果極佳且氮的利用率高達(dá)70%左右的熱塑性樹脂聚烯烴包膜肥料[19]。近年來，西方國家在緩控釋肥研究方面取得了突破性進(jìn)展。2017年Jinhyun等[20]研究表明生物炭和緩釋肥料的聯(lián)合作用能最大限度減少甲烷排放，同時(shí)提高水稻產(chǎn)量。Boyandin等[21]構(gòu)建了將硝酸銨嵌入可降解天然聚合物P（3HB）和P（3HB）與形狀為片劑的木粉混合的基質(zhì)中的肥料配方，使用這種生物聚合物涂層配方的肥料，其養(yǎng)分釋放速率比未涂層配方的肥料慢約2個(gè)月或更長，使用這種緩釋制劑將減少釋放到環(huán)境中的化學(xué)品數(shù)量，抑制其在生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中的積累，減輕其對生物圈的不利影響。2018年Baldanza等[22]研究出了一種由填充有30%尿素和5%蒙脫石粘土的聚丁二酸丁二醇酯熔融混合制備的緩釋肥料，這種緩釋肥料能使萵苣直徑增加67%，而常規(guī)尿素可使萵苣直徑增加48%。Alhardbi等[23]制備了一種基于磷酸結(jié)合羧甲基淀粉-格拉夫聚丙烯酰胺的控釋肥料，這種肥料能有效提高磷肥的利用率。2019年Versino等[24]制備了以尿素為活性成分和增塑劑的木薯淀粉和甘蔗渣的復(fù)合膜，這種復(fù)合膜制得的緩控釋肥能有效緩解因使用不可降解塑料和肥料過度施用而產(chǎn)生的環(huán)境問題。Li等[25]以殼聚糖和氧化石墨烯納米復(fù)合材料為涂層材料研制出了一種CS-GO薄膜，與傳統(tǒng)的涂層材料相比，這種薄膜能在一定程度上解決常用緩控釋肥養(yǎng)分釋放過快或過慢的問題。

2 緩控釋肥料在水稻上的應(yīng)用

2.1 緩控釋肥對水稻生長發(fā)育的影響

水稻的生長情況直接影響水稻的產(chǎn)量及稻米品質(zhì)，因此，許多學(xué)者致力于研究如何改善水稻的農(nóng)藝性狀及生理指標(biāo)。姚久寶等[26]研究了不同配方的緩控釋肥對水稻生長的影響，結(jié)果表明，緩控釋肥作為基肥一次性施入能有效控制高峰苗數(shù)，有效提高水稻分蘗成穗率。一次性施入緩控釋肥后在穗期增施鉀肥或氮肥能更加有效提高水稻的分蘗成穗率。焦衛(wèi)平 等[27]通過施用不同配比及類型的緩控釋肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與施用普通化肥相比，施用緩控釋肥水稻不同時(shí)期的株高都有明顯增加，且水稻干物質(zhì)的積累量提高明顯。唐栓虎等[28]研究了一次性全層施用控釋肥對水稻根系形態(tài)發(fā)育及抗倒伏能力的影響，施用控釋肥能明顯促進(jìn)水稻根系生長，增加深層根的數(shù)量，顯著提高抗倒伏能力。趙勝利等[29]通過施用緩控釋肥與常規(guī)肥料的對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)施用緩控釋肥能明顯提高水稻葉片的葉綠素含量、延緩葉片衰老、延長光合作用時(shí)間、提高結(jié)實(shí)率。

2.2 緩控釋肥對稻米品質(zhì)的影響

稻米品質(zhì)主要表現(xiàn)在精米率、整精米率、糙米率、堊白粒率等方面。緩控釋肥的應(yīng)用對于稻米品質(zhì)的提升發(fā)揮了較大作用。研究表明，施用緩控釋肥的類型、施用方式以及施用量的不同都會(huì)對稻米品質(zhì)產(chǎn)生明顯影響。姚久寶等[26]研究了不同配方緩控釋肥對水稻生長及品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，一次性施入緩控釋肥可在一定程度上提升稻米的糙米率、整精米率，并降低堊白率、粗蛋白和直鏈淀粉含量，提升稻米品質(zhì)。俞衛(wèi)星等[30]研究了不同用量的緩控釋復(fù)合肥和常規(guī)施肥對水稻品質(zhì)的影響，施用100%緩控釋復(fù)合肥可顯著提高稻米品質(zhì)，增加水稻的精米率和硝減值。莫釗文等[31]研究了精量穴直播水稻機(jī)械深施肥對稻米品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，在0~1500 km/hm2范圍內(nèi)，機(jī)械深施緩釋肥可以在一定程度上提高精米率、整精米率并降低堊白粒率。可見，在水稻種植中施用緩控釋肥可以提高稻米品質(zhì)。

2.3 緩控釋肥對水稻產(chǎn)量的影響

水稻產(chǎn)量一直是人們關(guān)心的問題，提高水稻產(chǎn)量對于解決糧食安全問題意義重大。楊華軍等[32]將機(jī)插側(cè)深施肥與緩控釋肥結(jié)合，開展了不同水稻品種的田間比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用緩控釋肥能有效提高水稻產(chǎn)量，平均產(chǎn)量比施用普通肥料提高了11.6%。楊艷等[33]通過減氮施用3種緩控釋肥（施用量僅為常規(guī)施肥的70%）對水稻產(chǎn)量進(jìn)行了研究，施用樹脂包膜緩控釋肥和緩控釋摻混肥能提高穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重，從而達(dá)到增產(chǎn)效果。胡鐵軍等[34]選用3種緩控釋肥在雙季稻上進(jìn)行了施用研究，早稻試驗(yàn)中，施用3種緩控釋肥比施用普通化肥的產(chǎn)量平均提高了14.8%，晚稻試驗(yàn)中，產(chǎn)量平均提高了8.9%。由此可見，施用緩控釋肥能在一定程度上提高水稻產(chǎn)量。

2.4 緩控釋肥對生態(tài)環(huán)境的影響

水稻生長過程中施肥會(huì)使土壤呼吸量增加，而氮肥是稻田中溫室氣體排放的主要因素，同時(shí)肥料養(yǎng)分利用的不充分會(huì)對土壤及生態(tài)環(huán)境造成污染。吳廣野等[35]研究了緩控釋肥對土壤中CO2排放的影響，結(jié)果表明，施用緩控釋肥后CO2排放通量比施用普通肥料降低了16%。張英鵬等[36]研究了不同氮肥調(diào)控處理對土壤硝態(tài)氮時(shí)空變化的影響，施用控釋肥能提高氮肥利用率且減少硝態(tài)氮在不同土層的積累，沒有淋溶風(fēng)險(xiǎn)。此外，緩控釋肥的應(yīng)用在減少硝化-反硝化的損失數(shù)量上也具有一定的作用。施用緩控釋肥可以大幅度降低甲烷的排放數(shù)量，并提升土壤中有機(jī)物質(zhì)的含量[37]。可見，緩控釋肥具有生態(tài)友好的特點(diǎn)，有助于改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

3 緩控釋肥的展望

緩控釋肥為保障糧食安全和保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供了一條新思路，我國已將緩控釋肥應(yīng)用在了各大經(jīng)濟(jì)作物上。但緩控釋肥依然存在一定的不足：一是應(yīng)用不夠廣泛，目前，緩控釋肥料的市場總額僅占肥料總量的1%[38]。這是因?yàn)榫徔蒯尫时绕胀ǚ柿系纳a(chǎn)工藝復(fù)雜，導(dǎo)致其價(jià)格昂貴；加上大部分農(nóng)民受傳統(tǒng)施肥觀念的影響，對緩控釋肥的認(rèn)知度不夠，沒有意識到緩控釋肥這類新型肥料在經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益方面的優(yōu)越性[39]。二是環(huán)境污染問題，盡管緩控釋肥能夠在一定程度上提高養(yǎng)分的利用率、減少過度施肥導(dǎo)致的環(huán)境污染，但目前市面上應(yīng)用廣泛的部分包膜型緩控釋肥所用的包膜材料，特別是脂溶性樹脂，不容易降解，易破壞土壤的結(jié)構(gòu)[40]。三是緩控釋肥的研究相對單一，目前緩控釋肥的研究大部分集中在氮元素上，對植物生長必需的磷、鉀等其他元素研究較少，且缺乏農(nóng)作物專用的緩控釋肥。

針對現(xiàn)有緩控釋肥的主要不足，基于種衣劑的種子包衣原理和控釋肥的養(yǎng)分控釋理論，熊遠(yuǎn)福等[41]提出并探索了一種新型控釋肥料-水稻種子包衣肥（簡稱水稻種衣肥），即：水稻種子載肥，將肥料（N、P、K及微量Zn）直接負(fù)載（包覆）于水稻種子表面，形成具有一定牢固度和厚度的種衣肥，隨種子播種時(shí)一起帶入泥土，提供水稻生長前期所需養(yǎng)分。種子萌發(fā)后，在水分子的作用下，種衣肥內(nèi)的養(yǎng)分可以通過包衣膜控制釋放；由于釋放的養(yǎng)分離水稻根系很近，養(yǎng)分?jǐn)U散到水稻根部所需時(shí)間短、不易流失，能被根系及時(shí)充分吸收利用，肥料養(yǎng)分利用率將大幅度提高。水稻種子包衣肥改變了現(xiàn)有肥料的載體與施用方式，有望大幅度提高養(yǎng)分利用率、節(jié)約肥料資源、減少環(huán)境污染。作物種子包衣肥值得進(jìn)一步深入研究。

緩控釋肥的發(fā)展對推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用，并且十分貼合我國化肥行業(yè)的發(fā)展方向。未來緩控釋肥研究發(fā)展應(yīng)更加注重尋求成本低廉、環(huán)境友好的原材料，同時(shí)也應(yīng)注重推廣宣傳緩控釋肥的優(yōu)越性。21世紀(jì)是科技時(shí)代，緩控釋肥的應(yīng)用研究也應(yīng)該與現(xiàn)代高科技結(jié)合，切實(shí)為我國糧食安全與生態(tài)環(huán)境提供有力保障。