缓/控释化学肥料研究进展

赵 芸，丁晓丽，范东升，赵彦梁，苗志伟，

(1.南开大学化学学院 元素有机化学国家重点实验室，天津 300071；2.喀什大学化学与环境科学学院，新疆 喀什 844006)

中国是世界上最主要的化肥生产与施用大国。近年来，我国化肥工业飞速发展，农产品需求的激增导致化肥的需求量急速增长。有关资料显示，我国化肥平均施用量为 346.5 kg/hm2，超过欧美国家的2倍，远超国际标准，肥料利用率低于40%。据世界粮农组织(FAO)统计，粮食增产50%以上的贡献来自肥料的使用。化肥的大量使用满足了人类对粮食的需求，但是普通化肥的大量施用，不仅会引起农产品品质的降低，还会引起土壤板结、水体富营养化、大气污染等环境问题。缓/控释化学肥料因施用量小、肥效利用率高、改良土壤环境等优点，受到了研究人员的广泛关注[1,2]。

我国化肥利用率低下的原因之一，是化肥在施用到土壤后不能被作物有效吸收。施用到土壤中的化肥一部分下沉形成固氮(约40.59%)，一部分通过地表蒸发进入大气环境中(约22.72%)，被作物正常吸收部分仅占26.17%，另外，田间杂草吸收10.50%(见图1)。为了使肥料养分释放时间以及强度和作物的需求达到平衡，必须对肥料养分的释放进行有效控制，让肥料释放养分的时间和强度与作物的养分吸收规律相吻合，保证植物的养分供给，提高作物产量。

图1 化肥利用率扇形图

1 缓/控释化学肥料

1.1 缓/控释化学肥料的概念与区别

广义来说，缓/控释化学肥料是指其营养释放速度相对迟缓，释放时间可控，释放期较普通化肥更长，且在作物生长的全部时期都能满足其生长所需营养的肥料。国际粮农组织将“缓释肥”(Slow release fertilizers，SRFs)定义为以物理或化合物形式存在的、营养成分能缓慢地被农作物吸收，并且能使其有效性延长的高效肥料。“控释肥”(Controlled availability fertilizers，CAFs)的定义为不仅能够缓慢释放，其养分的释放速率受植物本身生长的影响，即作物对养分的需求与养分释放速度基本保持一致[3]。

狭义上“缓释肥”与“控释肥”各自具有不同的定义，缓释肥又称长效肥，通过在普通肥料表面包裹一层特殊的材质，达到降低养分释放速率的效果，使得养分能够满足农作物在生长期的需求。控释肥是更先进的缓释肥，是指通过更加有效的包膜材质，满足农作物在不同生长时期对养分不同含量的需求，即需求多少，释放多少，使得肥料的利用率更加高效[4]。

1.2 缓/控释化学肥料的标准

1997年，欧洲标准委员会(European Standards Committee，CEN)公布了缓释肥料(TC260/WG4/TFsrf)的标准[5]，若在25C下养分释放能满足以下条件，则该肥料为缓释肥料：①24h养分释放不超过15%；②28d养分释放不超过75%；③在植物生长周期规定的时间内，肥料养分至少有75%的释放量。根据缓/控释化学肥料的控释原理，主要分为物理法、化学法和生物法三类。

2 缓/控释化学肥料类型

2.1 物理法缓/控释化学肥料

物理法缓/控释化学肥料主要是应用物理障碍因素阻碍水溶性肥料与土壤中水的接触, 从而达到养分控释的目的。这类肥料以亲水性聚合物包裹肥料颗粒或把可溶性活性物质分散于基质中，通过简单微囊法和整体法的物理过程处理肥料，从而达到缓释目的。

早在1907年，国外就提出包膜肥的设想，1961年TVA公司选用硫包膜，沥青二次包膜制备出抗水性优良的包膜肥用于农业生产[6]。其中，单体硫作为涂层，能包裹肥料中的养分，同时，硫在空气中被缓慢氧化的过程，也是涂层内养分释放的过程，硫变成硫酸盐被作物吸收。该薄膜肥价格低廉，能有效控制肥料的成本[7](见图2)。

图2 硫包膜化肥示意

我国的农业专家同样在薄膜肥领域开展研究工作，2014年，王晶[8]利用具有缓释作用的壳聚糖作为薄膜材料制备包膜肥，探究其缓释性能。表征结果显示，当选用壳聚糖、壳聚糖-戊二醛双层包膜时，化肥缓释效果最好，24h氮释放量为43.1%，28d累积氮含量释放超过60%。

2018年，王海燕[9]利用聚乳酸作为包膜材料包埋无机肥，研究其缓释性能。研究结果表明，所制备的缓释肥在24h养分释放量为3.4%，28d后释放量为45.1%，满足国家标准GB/T 23348-2009规定的24h和28d养分释放率分别不超过15%和75%的要求。利用聚乳酸包膜材料制成的缓释肥缓释周期可达到欧美缓释肥行业标准，基本符合作物生长的需肥曲线，能满足作物的生长需求。同时，聚乳酸可在微生物作用下，缓慢分解成二氧化碳和水，极大地降低了环境污染。该包膜肥的缺点是聚乳酸价格比较昂贵，需要进一步优化聚乳酸的生产工艺，以降低成本，满足包膜肥的生产需求。

2007年，王茹芳等[10]研究了掺混型缓释肥对小麦的影响。结果表明，施用掺混型缓释肥较常规化肥，能增产24 %，同时使小麦中氨基酸含量提高了21%，可溶性糖含量超过50%。研究发现，通过使用掺混速效肥和缓释肥，有效控制了氮素的释放速率，提高了养分的利用率，从而改善作物品质。

包膜控释肥养分控释效果好, 我国开发的包膜肥主要集中于氮肥，但氮素被包裹后往往导致作物生长前期养分不足，如果在使用速效氮肥的同时，配合磷肥和钾肥共同使用，效果更好[11]。

2.2 化学法缓/控释化学肥料

化学法缓/控释化学肥料主要通过化学合成方法生产缓溶性或难溶性的肥料, 将肥料直接或间接地以共价键或离子键形式添加到预先形成的聚合物上，构成新型缓释肥料聚合物。

2016年，曲均峰等[12]对比了含不同氮比例的脲醛缓释肥与普通复合肥的肥效，研究表明，在减少20%脲醛缓释肥施用量时，能小幅提高小麦的产量，肥效的综合利用率得到明显提升。同时，研究指出，当脲醛中氮比例增加时，肥料的时效明显延长，使用脲醛缓释肥明显增加了小麦的有效穗数，进而提高作物产量。

2017年，杨军芳等[13]研究了脲甲醛缓释肥对小麦产量的影响，研究结果表明，在施用等量养分的条件下，脲甲醛与尿素(质量比1:1)1次底施与普通复合肥3次施肥相比，小麦产量差别不大，但前者的养分利用率明显超过后者。脲甲醛掺混肥能有效省时省工，降低肥料用量，但脲甲醛价格昂贵，限制了其大面积推广使用。

2018年，苗志伟等[14]以磷酸和尿素为原料，通过聚合反应合成了聚磷酸铵缓释肥料，聚磷酸铵作为高浓度氮磷肥料，可以有效提高氮磷利用率，促进作物吸收，降低化肥使用量，该研究成果为降低缓释肥生产成本提供了新的选择。聚合反应的反应方程式如下：

草酰胺(CONH2)2含氮量为31.8%，微溶于水，具有原料成本低、生产方法简单、降解无毒等优点，可用作缓释肥。2015年，沈文忠等[15]报道在同等施肥量的条件下，草酰胺能促进水稻增产1%～9%，当草酰胺使用量降低30%时，单次施肥仍然能够保证水稻产量无大幅降低，可以在水稻生产中有效降低化肥使用量和人工成本。

德国的缓释肥产品“富劳利得”是利用丁烯叉二脲(CDU)与单质肥料混合复配制得，经试验证明，CDU的后续肥效高于脲甲醛[16]。丁烯叉二脲是化工生产中常用的原料，生产成本较高，我国化学家陈昂以尿素和电石厂生产乙醛产生的废液为原料，成功合成了纯度较高的CDU，该工艺简单易行，能变废为宝，价廉环保[17]。

2.3 生物法缓/控释化学肥料

生物法生产缓/控释肥料工艺简单，成本较低，但是单独使用时养分控释效果不稳定, 肥效期较短, 往往需要借助于肥料的物理化学加工和化肥深施技术，才能获得较好的施肥效果。

2011年，胡可等[18]研究菌剂加入缓释肥中对土壤的影响。研究结果表明，菌剂与缓释肥配施，能明显改善土壤的微生物活性和均匀度，恢复和提高土壤的生态功能。而且，经该肥料处理的高粱发芽率高于80%，对植物无毒无害。

2015年，陈序根等[19]利用酶硝化双抑制剂制备的缓释肥施用于番茄植株，研究者开发了两类不同的缓释肥：①加入双氰胺(硝化抑制剂)和N-丁基硫代磷酰三胺(脲酶抑制剂)的缓释肥(TSRF1)；②加入氢醌(脲酶抑制剂)和双氰胺的缓释肥(TSRF2)。这两类缓释肥均能有效降低氮素累积释放量，而且能促进营养成分的吸收，进而提高氮、磷、钾的利用率。其中，TSRF1能使番茄产量提高30%。

2015年，孙会峰等[20]研究了秸秆与缓释肥配施对水稻氮素吸收量和产量的影响。研究结果表明，与常规施肥相比，秸秆与缓释肥配施有效穗数增加7.5%～23.6%，千粒重也有所提高，水稻增产13.4%～17.8%，稻粒中淀粉和氨基酸含量也明显增多，氮素利用率提高至71.6%～77.6%，施用效果极佳。图3中列出不同施肥方案下的水稻产量，其中，秸秆与缓释肥配施对水稻增产效果明显。

图3 不同施肥方案下的水稻产量

3 不同类型缓/控释化学肥料的应用

提高化学肥料利用率的重要手段之一，是发展以缓/控释肥为主的新型肥料，该肥料具有多营养、能够全降解的特征，对比普通速溶性化学肥料，其在提高作物产量、改善果实品质以及减少环境污染方面具有显著效果。

2013年，朱国梁等[21]研究发现，在施用等量的氮、磷、钾养分的条件下，缓释尿素(CRU)和缓释肥(CRF)较常规复合肥(CF)能提高黄瓜的维生素C(Vc)含量和可溶性蛋白质含量，并且能显著降低硝酸盐的含量，降低果实内的硝酸积累，提高果实品质。其中，CRF-B(缓释周期为120d)的缓释肥氮、磷、钾的利用率最高，综合效果最好。

2015年，黄振瑞等[22]研究了两种缓释肥T1(与常规肥等养分含量)和T2(较常规肥降低20%养分含量)对甘蔗生产的影响。研究发现，T1在成熟期较常规施肥能显著提高甘蔗干物质积累量，T2较常规施肥能提高9%的氮素利用率。采用“一基一追”缓释肥，有效提高了甘蔗产量，而且减少了一次施肥量。当使用养分含量降低20%的缓释肥时，甘蔗产量仍然不低于常规施肥。

2019年，周茂林等[23]在一次性施入等量氮肥的条件下，进行玉米的田间试验。研究表明，“沃夫特”、“百事达”、“史丹利”三种缓释肥料较常规氮肥分别可增产11.03%、8.43%和3.84%，且能明显提高植株高度。由此可见，选用适宜的缓释肥能有效简化施肥程序，提高生产效益。图4显示不同化肥处理下玉米产量比较结果。

图4 不同化肥处理下玉米产量比较

注：折合产量/(kg/hm2)

4 结语

缓/控释化学肥料的应用已成为减少环境污染和提高化肥养分利用率的重要手段之一，缓/控释化学肥料正在向着高效、环保、价格低廉、可降解等方向发展。未来缓/控释化学肥料将主要围绕以下三方面开展研究：①缓/控释化学肥料的养分释放周期与作物的生长周期能否吻合；②新型高分子缓/控释化学肥料的研究与开发；③开发高养分含量缓/控释化学肥料，有效提高氮磷利用率，促进作物吸收，降低化肥使用量。未来随着国家对农业生产“肥药双减”目标的进一步要求，缓/控释化学肥料一定会迎来发展的大好机遇。