緩控釋肥在茶園中應(yīng)用的研究進(jìn)展

胡雪荻，耿元波，梁 濤

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)資料之一，占生產(chǎn)性支出的50%[1]，20世紀(jì)世界農(nóng)作物產(chǎn)量增加的一半的貢獻(xiàn)來(lái)自于化肥。但是，不合理的施用造成化肥利用率低，養(yǎng)分流失嚴(yán)重，會(huì)對(duì)地下水、大氣等環(huán)境造成極大的威脅。而緩控釋肥通過(guò)改變化肥本身的性質(zhì)來(lái)提高肥料的利用率，其具有緩釋控釋養(yǎng)分、增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效改善土壤環(huán)境，減少農(nóng)業(yè)面源污染[2-3]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。近年來(lái)，科研工作者在緩控釋肥的選擇、施用量等方面進(jìn)行了一系列研究[4-5]，在水稻[6]、玉米[7-8]、棉花[9]、煙草[10]、花草[11]等生產(chǎn)活動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

茶樹(shù)是多年生喜氮作物，其一年采摘多次嫩葉，同時(shí)帶走大量養(yǎng)分，因此在茶樹(shù)整個(gè)生命周期中都需要不斷從土壤中攝取各種營(yíng)養(yǎng)元素，施肥是保證茶樹(shù)養(yǎng)分需求的關(guān)鍵技術(shù)。在1972～1992年間，肥料投入對(duì)茶葉增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為41%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)土地(25%)和勞動(dòng)力(8%)的貢獻(xiàn)率[12]。目前，按照茶樹(shù)新梢和根系生長(zhǎng)規(guī)律，茶園中行之有效的施肥方法是“一次基肥，3～4次追肥”?；手饕獮橛袡C(jī)肥和尿素，于每年10～11月施用；追肥以復(fù)合肥、尿素為主，于每年3、5、7月施用[13]。肥料施用量大且施用頻繁，隨之而來(lái)的是肥料利用率低、養(yǎng)分流失等問(wèn)題，使茶園環(huán)境和茶葉品質(zhì)面臨下降的壓力。緩控釋肥具有緩釋控釋養(yǎng)分的特點(diǎn)，可以防止局部養(yǎng)分過(guò)高造成的傷根，并緩解目前茶園環(huán)境污染問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)茶園科學(xué)施肥提供了新思路。本文在總結(jié)了緩控釋肥定義和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了施用緩控釋肥對(duì)茶園土壤和茶葉品質(zhì)、產(chǎn)量的影響，并對(duì)未來(lái)緩控釋肥在茶園應(yīng)用的研究提出了建議，對(duì)緩控釋肥在茶園中的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 緩控釋肥的定義、作用機(jī)理及分類

廣義上，控釋肥料包括了緩釋肥料[14]，國(guó)際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)將其定義為：(1)所含營(yíng)養(yǎng)在施肥后能緩慢被植物吸收與利用；(2)比速效肥有更長(zhǎng)的肥效。我國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HG/T 3931—2007)《緩控釋肥料》將其定義為：以各種調(diào)控機(jī)制使其養(yǎng)分釋放緩慢，延長(zhǎng)植物對(duì)其養(yǎng)分吸收利用的有效期，使其養(yǎng)分按照設(shè)定的釋放規(guī)律和釋放期緩慢或控制釋放的肥料。狹義上，緩控釋肥分為緩釋肥料和控釋肥料，緩釋肥料是指施入土壤后肥料養(yǎng)分比普通化肥釋放緩慢的一類肥料[15]，其養(yǎng)分的釋放與作物吸收需求不一定同步[16]；控釋肥是指通過(guò)各種措施預(yù)先設(shè)定肥料只在作物生長(zhǎng)季釋放的模式，使得養(yǎng)分的釋放規(guī)律與作物吸收同步[14]。

緩控釋肥養(yǎng)分釋放主要通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制[17]，土壤水分從包膜膜孔進(jìn)入，溶解一部分肥料，通過(guò)膜孔釋放出來(lái)。當(dāng)作物吸收養(yǎng)分時(shí)，肥料膜外側(cè)養(yǎng)分濃度下降，造成膜內(nèi)外濃度梯度增大，肥料釋放速度加快，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分釋放與作物需肥規(guī)律一致[18]。另一方面，緩控釋肥的釋放還與溫度有關(guān)[19]，當(dāng)溫度升高時(shí)，植物生長(zhǎng)加快，養(yǎng)分需求量增大，肥料釋放速度加快；反之，肥料釋放速率變慢或停止釋放。

緩控釋肥的分類方式很多，按照其溶解性釋放方式通常分為3種類型[20]：物理障礙性因素控制的水溶性肥料(如包膜顆粒肥料和基質(zhì)復(fù)合肥料)、微溶有機(jī)氮化合物(如脲甲醛和其它脲醛縮合物)、微溶性的無(wú)機(jī)化合物(如金屬磷銨鹽、部分酸化磷酸鹽等)。Fan等[21]根據(jù)釋放控制方式將緩控釋肥劃分為擴(kuò)散型、侵蝕或化學(xué)反應(yīng)型、膨脹型和滲透型。

表1 緩控釋肥的主要種類[20,22-25]

2 緩控釋肥對(duì)茶園土壤及養(yǎng)分的影響

2.1 改善茶園土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保水保肥性

緩控釋肥對(duì)茶園土壤物理性質(zhì)的影響研究主要是針對(duì)包膜材料對(duì)土壤透水性、田間持水量的作用。緩控釋肥采用的無(wú)機(jī)膜材料如沸石、硅藻土、硫磺等[26]，具有較大的孔隙度和比表面積，可以增大土壤表層的孔隙度，使土壤容重降低。緩控釋肥養(yǎng)分完全釋放后，殘膜作為非肥料成分，其在一定含量范圍內(nèi)，可以改善土壤環(huán)境。戴九蘭等[27]經(jīng)過(guò)室內(nèi)殘膜強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，殘膜量小于0.008 g/g時(shí)土壤的透水性較低，有利于提高土壤的田間持水量和保水性，當(dāng)殘留量增加到0.01 g/g時(shí)，土壤透水明顯加快，田間持水量和保水性降低。對(duì)于施用緩控釋肥對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響還需要進(jìn)一步研究證明。

2.2 緩控釋肥影響茶園土壤化學(xué)性質(zhì)

2.2.1 對(duì)茶園土壤酸化的影響

相關(guān)研究報(bào)道施用緩控釋肥可以減緩茶園土壤酸化的進(jìn)程。丁濟(jì)娜等[30]研究表明，相比較于施用尿素，茶園施用緩控釋肥可以減緩?fù)寥纏H值的下降趨勢(shì)。此外，化全縣等[31]研究發(fā)現(xiàn)，緩控釋肥的包膜材料如聚乙烯醇等隨肥料施入紅壤等酸性土壤中，可以使土壤pH值提高，緩解紅壤酸化的狀況。

2.2.2 對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

緩控釋肥維持土壤養(yǎng)分平衡主要是通過(guò)減緩或控制養(yǎng)分釋放的作用，使養(yǎng)分無(wú)法一次性釋放，從而避免在降雨等作用下?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素流失而造成土壤脫肥的現(xiàn)象。施用控釋肥后的土壤電導(dǎo)率維持在較高的水平，電導(dǎo)率與土壤溶液中含鹽量相關(guān)，在一定程度上電導(dǎo)率越高，土壤溶液中能被根系吸收的離子量越大[32]，土壤養(yǎng)分含量越高。

2.3 提高養(yǎng)分利用率

近10年來(lái)，我國(guó)茶葉產(chǎn)量隨著化肥施用量的增加而增長(zhǎng)，但是單位肥料的增產(chǎn)率卻不斷降低，這主要是化肥利用率低造成的[1]。在我國(guó)，化肥的當(dāng)季利用率不足40%，其中氮利用率約30%～35%，磷為10%～20%，鉀為35%～50%[44]?！笆晃濉币詠?lái)我國(guó)對(duì)新型肥料加大了研究力度，取得了較好的成果，如緩控釋肥。緩控釋肥的氮素利用率較普通肥料的利用率有明顯的提高，如緩釋復(fù)合肥的氮素利用率可提高11.4%[45]。有研究表明，控釋肥氮、磷、鉀的利用率可分別提高到55%～80%、35%～50%、60%～70%[11,46]。試驗(yàn)表明，一次基施控釋肥技術(shù)在盆栽試驗(yàn)中可以提高氮利用率12.2%～22.7%，磷素利用率提高7%～35%，小區(qū)試驗(yàn)中氮素利用率為17.1%[47]。同時(shí)，緩控釋肥可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)滿足作物對(duì)養(yǎng)分的需求。一般控釋肥施入土壤后9 d會(huì)達(dá)到釋放高峰，在9～50 d內(nèi)可以保持較高的養(yǎng)分濃度水平，50 d之后，土壤中氮素供應(yīng)量仍然充足[48]。戴建軍等[49]測(cè)得2種水溶性樹(shù)脂包膜控釋肥的肥效期分別高達(dá)280、353 d。

3 緩控釋肥對(duì)茶園土壤氮素流失的影響

氮肥利用率低、流失嚴(yán)重是茶園面臨的重要問(wèn)題。我國(guó)茶園主要分布在丘陵地帶，地勢(shì)起伏，且春芽萌發(fā)期為多雨季節(jié)，雨水的沖刷不利于茶樹(shù)對(duì)肥料養(yǎng)分的吸收，易造成氮素的大量流失[50]；另一方面，土壤中的氮素通過(guò)N2O等溫室氣體釋放于大氣中。

3.1 減少茶園氮素徑流損失和淋溶損失

3.2 降低茶園N2O排放量

N2O是重要的溫室氣體，比CO2、CH4具有增溫潛勢(shì)更強(qiáng)和滯留時(shí)間更長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)于氣候變暖有更大的推動(dòng)作用[58]。農(nóng)田N2O排放是近幾十年來(lái)大氣中N2O濃度上升的主要原因[59-60]。政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)報(bào)告指出，全球大氣中的N2O主要來(lái)自農(nóng)業(yè)排放，占總排放量的80%[61-62]。

4 緩控釋肥對(duì)茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

在我國(guó)，緩控釋肥在花卉、果樹(shù)、作物、蔬菜等方面的試驗(yàn)都取得了較好的效果(表2)。茶葉是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，需肥量較大且以氮肥為主，近年來(lái)，科研工作者將緩控釋肥施用于茶園，對(duì)改善茶葉品質(zhì)和提高產(chǎn)量有促進(jìn)作用。

表2 緩控釋肥對(duì)不同植物的作用效果

4.1 改善茶葉品質(zhì)

茶葉品質(zhì)是茶葉中眾多化合物，特別是能溶于茶湯的物質(zhì)對(duì)人類感官刺激的綜合效應(yīng)。茶葉中的茶多酚、游離氨基酸、咖啡堿等物質(zhì)直接影響茶葉品質(zhì)，其中，茶多酚是茶湯濃度的主要物質(zhì)，氨基酸是使茶湯鮮爽的主要物質(zhì)，酚氨比(茶多酚/氨基酸)反映茶湯的醇度[83]。氨基酸含量越高，茶多酚含量適中，酚氨比降低，則綠茶品質(zhì)較好[84]；咖啡堿對(duì)紅茶的口味影響較大[85]。施用緩控釋肥可以提高茶樹(shù)根系的活力，促進(jìn)茶樹(shù)對(duì)氮和磷的吸收[33]，從而能夠顯著增加茶葉中氨基酸、咖啡堿含量[34,41]。付乃峰等[86]研究表明，施用茶葉專用控釋肥可以有效降低春茶的酚氨比，提高春茶的品質(zhì)；而夏茶中咖啡堿的含量會(huì)減少，在一定程度上可以降低夏茶的苦澀味[87]。劉騰飛等[37]在茶園中施用硫包膜和樹(shù)脂包膜的茶樹(shù)專用控釋肥，發(fā)現(xiàn)可以提高茶葉中氨基酸的含量，使酚氨比降低，茶葉的鮮爽度和爽口性得到大幅度的提高，從而有利于提高綠茶的品質(zhì)。

葉綠素是構(gòu)成干茶和茶底綠色的主要色素[88]，茶葉中葉綠素的含量與土壤中氮素的含量相關(guān)，施用緩控釋肥能夠維持土壤中氮素含量的穩(wěn)定，有利于提高茶葉中葉綠素的含量，從而促進(jìn)茶樹(shù)光合作用和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的累積[34]，因此茶樹(shù)葉片顏色翠綠，芽頭持葉期較長(zhǎng)，產(chǎn)生開(kāi)花葉的現(xiàn)象較少，制成的鮮茶手感油軟，干茶能達(dá)到圓、光、直的要求[87]。同時(shí)，茶園土壤施用控釋復(fù)合肥后可以提高土壤中有效鎂的含量，鎂元素被認(rèn)為是茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的第4要素，是葉綠素的重要組成元素，可以提高茶葉氨基酸含量[89]，與茶葉的品質(zhì)和等級(jí)有著重要關(guān)系[90]。李元沅等[91]在茶園中施用茶葉緩釋肥，發(fā)現(xiàn)可以增加茶葉中硒、鋅含量，提高茶葉中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。

4.2 提高茶葉產(chǎn)量

黃高升[94]施用可控緩效茶葉專用肥，可使鐵觀音春、夏、秋、冬產(chǎn)量均有顯著提高。林閩法[95]在茶園中施用甲殼素控釋肥，包膜型甲殼素控釋肥可以明顯提高春、夏、秋、冬茶的產(chǎn)量，而包裹型甲殼素控釋肥對(duì)秋茶和冬茶的產(chǎn)量提高有明顯作用，對(duì)春茶和夏茶產(chǎn)量的提高并不明顯，原因是包裹性控釋肥的包裹層較厚，釋放速度相對(duì)更慢，在春、夏茶采摘期養(yǎng)分供應(yīng)不足，但是其后勁較大，建議在施用過(guò)程中可以將包裹性和包膜型控釋肥結(jié)合施用。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，緩控釋肥在茶園中施用可以協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)與茶樹(shù)吸收養(yǎng)分，有效提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。但是，對(duì)于緩控釋肥在茶園施用的研究還較少，未來(lái)仍是重要的研究方向。

基于以上分析，對(duì)于緩控釋肥在茶園中應(yīng)用研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

(1)重點(diǎn)關(guān)注緩控釋肥在茶園中的施用方法、施用量以及最佳的施用時(shí)間。同時(shí)，加強(qiáng)研究各種營(yíng)養(yǎng)元素綜合配比適用于茶樹(shù)的緩控釋復(fù)合肥的力度。目前，緩控釋肥的研究主要集中在氮素利用方面，茶樹(shù)的生長(zhǎng)還需要P、K和各種微量元素，對(duì)其他元素的研究也是緩控釋肥未來(lái)研究的重點(diǎn)。

(2)隨著茶園土壤污染問(wèn)題的日益突出，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注緩控釋肥殘膜對(duì)茶園土壤的環(huán)境效應(yīng)，研制適合茶園施用的可降解包膜材料。緩控釋肥包膜在一定含量范圍內(nèi)可以改善土壤環(huán)境，但是其降解慢或者難以降解，最終會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。這一問(wèn)題已引起了廣泛的關(guān)注，但是對(duì)茶園土壤的研究較少。

(3)加強(qiáng)研究緩控釋肥施入后對(duì)茶園土壤結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)方面的影響。茶園土壤的保水性、持水性、孔隙度都關(guān)系著茶樹(shù)根系的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的獲取，進(jìn)而影響茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，針對(duì)緩控釋肥對(duì)土壤理化性質(zhì)研究較少，對(duì)這一問(wèn)題應(yīng)提高關(guān)注。

(4)形成茶園肥料施用效果的評(píng)價(jià)體系。針對(duì)茶園土壤肥力、茶園環(huán)境效應(yīng)、茶葉產(chǎn)量品質(zhì)等指標(biāo)，形成明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為茶園合理施肥的篩選提供科學(xué)依據(jù)。

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