袋控缓释肥料的研究发展与技术创新

曹继钊，潘 波，林海能

（1.广西壮族自治区林业科学研究院 国家林业和草原局中南速生材繁育实验室 广西优良用材林资源培育重点实验室，广西南宁 530002；2.广西华沃特生态肥业股份有限公司，广西南宁 530028）

我国是农业大国，化肥在粮食和农业生产中有不可替代的作用［1］。大部分传统农业生产，片面地追求产量，过分依赖化肥，导致化肥的过量使用，造成农业面源污染风险加剧、土壤环境质量和农产品质量下降，严重影响人民群众生活水平的提高和对美好生活的追求。2015年农业部印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，2019年中央一号文件提出“开展农业节肥节药行动，实现化肥农药使用量负增长”，可见党和国家高度重视肥料的使用和发展。肥料的发展要有利于农产品的品质安全、土壤的持续健康和环境的绿色生态，施肥也要朝着高质量、科学和环保的方向发展。肥料品种的创新势在必行，新型肥料的发展迎来了前所未有的机遇和挑战。袋控缓释肥料是国际公认的科技含量较高的新型肥料产品之一［2］，也是丘陵山地作物栽培较佳的缓/控释肥料品种，加大其技术创新和推广应用，意义重大。

1 袋控缓释肥料的发展进程

1.1 发展现状

国际肥料工业协会（IFA）的报告显示，2016年全球肥料市值为1 556 亿美元，中国的肥料市值为570 亿美元，占全球肥料市场的37%，是全球最大的肥料应用市场；新型肥料的使用量占全球使用总量的46%，是肥料市场的主力军。目前，中国的新型肥料主要分为功能性肥料、缓/控释肥料、商品有机肥肥料、微生物肥料和水溶性肥料5 大类。缓/控释肥料作为一种环保、高效、省时和省工的新型肥料，现已成为中国肥料发展的主要方向。缓/控释肥料的应用是实现中国化肥零增长的重要途径之一，关系着国家粮食安全和农业可持续发展［3］。

1.2 袋控缓释肥料试验研究

袋控缓释肥料是将传统施用的养分肥料按一定配方配比掺混均匀后通过可预期降解的材料进行小定量包袋（包膜）的一类缓/控释肥料，通过筛选包袋材料的材质、密度、孔隙度和降解速度或进行不同材质的复合、复层等方式控制肥料的养分释放速度，满足不同植物不同生长阶段的养分需求，减少肥料流失，提高肥料利用率，达到肥料使用长效、高效和环保的目的。由于其具有显著的优越性，逐渐成为新型肥料研究的热点。

科学施肥是近代农业发展最重要的基础手段。袋控缓释肥料研究在我国起步较晚，21世纪后才有部分学者进行研究。2005—2007年在苹果（Malus pumila）、冬枣（Ziziphus jujuba）和桃树（Amygdalus persica）上进行了相关的研究应用；苹果和冬枣的袋控缓释肥料以尿素、磷酸二铵和硫酸钾配制的复混肥为原料，将其装入纸塑复合袋后封口，并按制造工艺针刺微孔，规格为每袋100 g 50 孔［4-5］；桃树的肥料为尿素、磷酸氢二铵和硫酸钾复混，通过工业流水线做成95 g/袋和47.5 g/袋两种包装，袋上打有微孔，设计有95 g/袋0、3、5、7 排孔和50 g/袋0、3、5排孔［6］。应用的包袋材料以牛皮纸和聚乙烯塑料袋为主，复层后装入肥料再针刺微孔，工艺较繁琐，严格来讲只是一种肥料的施用方法，没有形成袋控缓释肥料产品或商品，同时聚乙烯塑料袋在土壤中较难分解，环保性能较差，易造成污染，不宜大面积推广应用。

2010—2011年，研究人员在葡萄（Vitis vinifera）上开展研究应用［7-11］。使用的缓释袋为牛皮纸缝制而成，规格为10 cm×20 cm，扎孔直径为5 mm，每袋扎孔10个。包袋材料仅为单层牛皮纸，打孔后装入肥料，容易吸湿污染牛皮纸，保存时间不长，只能现制作现施用，无法形成商品进行销售。

2012—2015 年相关研究主要集中在桃树等果树上［12-18］。使用的缓释袋为纸塑复合材料，袋宽9 cm，袋长10 cm，袋上正反面均匀打有5 排微孔，微孔直径0.2 mm、间距0.5 cm。在番茄（Lycopersicon esculentum）上也有少许试验研究，采用包装机制作［19］。

2016—2019年，山东农业大学的研究人员在苹果和桃树上开展试验研究，缓释袋材料仍为纸塑复合，正反面均打3 排微孔，微孔直径0.2 mm、间距0.5 cm，袋宽9 cm，袋长16 cm，金正大生态工程集团股份有限公司提供［20-24］；吕红翠［2］在杉木（Cunninghamia lanceolata）上开展相关试验研究，在塑料袋一面设置2排对称孔，施肥时有孔的一面朝上；马婷婷等［25］在苹果上开展应用研究，试验材料为山东泰安安润丰农业科技发展有限公司生产的“沁园春”牌袋装果蔬可控缓释肥料；广西壮族自治区林业科学研究院的研究人员在油茶（Camellia oleifera）、桉树和杉木上开展研究，主要试验方法为采用无纺布袋和纸布复层袋包缓释肥（牛皮纸和无纺布复层）进行盆栽施肥试验［26-29］（图1）。

图1 广西林科院研制的袋控缓释肥产品Fig.1 Bag controlled slow-release fertilizer developed by Guangxi Forestry Research Institute

袋控缓释肥料主要在桃树、葡萄和苹果等果树上应用，近年来在杉木、桉树和油茶等林业树种上的应用也逐渐成为热点。袋包材料从塑料袋（主要成分为聚乙烯）和纸袋（牛皮纸为主），到纸塑复层材料（牛皮纸和聚乙烯塑料），再到牛皮纸与无纺布复层的纸布复层材料（无纺布主要成分为聚丙烯，易生物完全降解）；由制作包装好肥料后机械打孔进步到不用人为机械打孔，只需选择牛皮纸和无纺布的材料密度筛选适宜的孔隙，在内层无纺布制作时添加溶孔原料（如矿质原料和易腐解的生物质纤维）。此类肥料施入土壤中，溶孔原料与土壤中的酸性或碱性物质发生反应后，产生小孔，肥料养分随着水分的渗透和袋内外压力差逐渐释放到土壤中供给植物生长，有效解决了人为打孔的繁琐程序，同时可以工厂化生产，长时间保存和销售，从试验逐渐走向商品化和市场化。

1.3 袋控缓释肥料施用效果

根据有关专家学者的研究结论，袋控缓释肥料的肥效主要体现在5个方面。

1.3.1 土壤性质方面

物理性质方面，施用袋控缓释肥料可减缓土壤孔隙度和毛管孔隙度的降低［2］。

化学性质方面，施用袋控缓释肥料可提高土壤pH值、有机质含量、全氮、全磷和全钾含量及碱解氮和速效钾含量，能明显提高交换性钙和镁离子含量，使养分供应更稳定且更持久［2］；在番茄上应用袋控缓释肥料，结果显示0～20 cm 土层中的溶液铵态氮浓度为传统施肥的2 倍多，土壤上层的氮素保持在较高水平，减少了随水分进入深层土壤的比例［19］；与普通肥料相比，施用袋控缓释肥料能显著提高土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性，施肥60 天后分别提高了6.31%、11.58%、9.05%和32.14%，差异显著［24］。

1.3.2 植物生理方面

施用袋控缓释肥料能提高葡萄叶片中的全磷和全钾含量及叶绿素含量和净光合速率［7］；能使葡萄中的可溶性固形物增加3.7%，达到19.93%［8］。

1.3.3 肥料养分方面

沙建川等［20-21］在苹果上应用袋控缓释肥料，结果表明其能显著提高苹果植株的氮素利用率，与一半散施和全部散施相比，氮素损失分别降低了14.97%和21.21%，氮素利用率分别上升了8.84%和16.54%，同时可以减少钾、钠、钙和镁等盐基离子的淋失量，养分供应稳定且持久，土壤Nmin、有效磷和有效钾含量均显著高于散施处理。潘波等在油茶上应用袋控缓释肥料，结果表明，在肥料埋袋处理的28 天时间里，肥料中的氮素流失率比掺混肥和尿素分别减少了20.45% 和20.62%［26-27］；在杉木试验中，处理的47 天时间里，3 种杉木缓释肥料的氮素流失率比普通杉木专用肥料分别减少了64.36%、57.78% 和72.07%，总养分流失率分别减少了37.90%、38.63%和40.38%［29］。Xiao 等［30］的研究表明，BCRF（袋控缓释肥料）在不降低桃产量的前提下，氮肥施用量较普通施肥方式减少了65%～82%，可使桃树早熟品种、中熟品种和晚熟品种的氮肥施用量分别减少69.1%～81.7%、69.0%～78.4% 和65.3%～76.2%，在鲜桃生产中施用袋控缓释肥料有降低氮肥施用量和降低肥料投入成本的潜力。

总而言之，袋控缓释肥料的施用可显著减少肥料中氮素的流失和挥发、磷素的固定和钾的迁移，大幅度减少肥料养分流失，提高养分利用率。

1.3.4 增产增效方面

施用袋控缓释肥料可使桃树产量提高37%［6］；可显著提高苹果果实中的可溶性固形物和可溶性糖含量，减少可滴定酸含量，糖酸比提高10.7%［23］；能明显促进杉木生长，施肥3年的胸径和蓄积比对照分别高出43.03%的31.67%［2］；在葡萄上施用袋控缓释肥料比常规施肥，产量提高38.9%～50.7%［11］。袋控缓释肥料施用简单，省工省时且节肥，能减少污染，有效解决施肥中养分的平衡供应问题，可长期供给植物养分，促进植物生长，缓解植物因养分缺乏而出现生长缓慢或停滞，在提高植物生长量和产量上优于其它肥料，是一种理想的施肥方式。

1.3.5 环境保护方面

与普通肥料相比，袋控缓释肥料能显著延后和削减NH3、N2O 和CO2的排放高峰，可减少NH3、N2O和CO2的累积排放量，分别减少52.17% ～59.70%，48.57% ～49.50%和23.49% ～30.57%；减少土壤氮素损失56.04%，减少由N2O 和CO2的排放造成的温室气体效应潜势27.75% ～28.63%［7］。BCRF 可降低CO2和N2O 的综合温室效应，相比普通肥料处理，平均GWP值在20 ～，50 ～和100 ～年尺度上分别减少了28.31%，28.63%和27.72%［30］。

进入新时代，林业成为“绿水青山就是金山银山”新发展理念的实践主体，生态建设和产业高质量发展是林业发展的责任和使命，创新施肥科学理论和提高技术水平是实现林业“减肥增效”和土壤健康、绿色发展的重要途径。林木生长周期长，影响因素多，需定点、定位、定量和常年施肥，种植地多为丘陵山地，土层浅薄，保水保肥能力差，易造成肥料流失，且生理性缺素病害较易发生，施肥用药难度大、成本高。研究和推广有利于环境保护和林地可持续经营的新型肥料势在必行。袋控缓释肥料能减少肥料养分流失，提高养分利用率，较长时间持续供给植物所需养分，提高林产品产量和品质。

2 袋控缓释肥料未来的发展趋势

缓/控释肥料发展速度较快，但多局限于肥料小颗粒的包膜和添加化学抑制剂等途径对氮肥进行控释，在肥料养分释放方面没有真正达到与作物生长所需养分一致的要求，同时多数需要较复杂的生产工艺和生产设备，肥料价格普遍较高，在国内施用的针对性和专业性也不强，施肥效果不明显，市场推广较难。袋控缓释肥料虽然研究时间不长，但理论与实践结合紧密，实际增产增效显著，未来发展潜力较大。

袋控缓释肥料的研究原理符合实际。其主要是根据水肥耦合、植物生长与水分和养分具有较强正相关性的原理来研制的。肥料养分的释放与土壤水分呈较强的正相关性，水分越多肥料养分释放越多，植物生长越快，可以实现肥料养分释放速度与植物需求的协调。袋控缓释肥料能有效阻止肥料与空气、土壤和地表水直接长期接触，减少肥料流失，提高肥料利用率；可减弱氮元素氨化与硝化作用，减少氮因气体挥发而损失；可减少硝态氮等随地表径流和地下渗透而淋失；可减少有效磷在土壤中的固定，提高磷的利用率；可减弱钾的移动强度，减少流失。

袋控缓释肥料的制作工艺明晰，成本优势明显。袋控缓释肥料的核心研究在于肥料包袋（包膜）材料的选择和养分的释放。在选择可预期降解且生态环保材料方面，广西林科院的研究在一定程度上解决了肥料的商品性问题，不需要特殊的造粒和包膜工艺设备，产品应用综合效益潜力大。在南方的自然雨水条件下，施用袋控缓释肥料不需要进行水分特殊调节；北方地区较干旱，与水肥一体化设施结合，其施用效果更好。

袋控缓释肥料的研究拓展空间较大。袋控缓释肥料研究的目标是实现肥料养分的释放速率与各类植物养分需求完全一致，从而达到肥料基本不流失的终极目标，实现肥料养分的最大作用和“减肥增效”的最大功效。今后可向机械化和智能化施肥作业、易变价营养元素的补给、抗逆性多功能物质的添加（如抗病防虫的生物农药）、多层释放技术及易溶有机物的添加等方向深入拓展，发展空间广阔，增产增效和生态环保潜力较大。

建议有关部门和科研机构联合攻关，加快袋控缓释肥料高产、高效和环保机理机制的深入研究，尽快形成袋控缓释肥料的商品化和产业化并推广应用，真正解决化肥施用的科学难题，更快、更好地服务于农林业高质量发展和生态环保需求。

3 结论与讨论

为适应农林业供给侧结构改革和高质量绿色发展的要求，农林业生产资料发展，尤其是农资肥料的新方法、新技术和新工艺的研究发展及肥料产品的转型升级迫在眉睫。“减肥增效、绿色发展”成为植物营养与肥料学科研究发展的热点。新型肥料不但要遵从“养分归还学说、最小养分律、报酬递减率和综合作用律”4 大理论，做到全面、均衡和精准，更要在提高养分利用率和持续供给养分方面加大研究力度，真正实现肥料的高质高效和生态环保。袋控缓释肥料的研究发展时间不长，但在持续精准供给植物肥料养分、大幅减少肥料养分损失、降低传统缓/控释肥料工艺生产成本和生态环境友好等方面具有明显优势。袋控缓释肥料的研究发展和技术创新具有重要的现实意义，值得深入研究和大力推广应用。