脲醛緩釋化肥研究進展

(1.南開大學化學學院元素有機化學國家重點實驗室，天津 300071 2.喀什大學化學與環(huán)境科學學院，新疆 喀什 844006)

氮肥是最常用的一種化肥，能夠為農(nóng)作物生長提供重要的養(yǎng)分，提高作物產(chǎn)量。但由于施肥方法、灌溉、水土流失等原因，氮肥流失嚴重。有研究表明，我國氮肥的利用率不超過40%。氮肥在土壤中的存在形態(tài)不穩(wěn)定，主要以硝酸鹽和氨的形式存在，容易在雨水與日照下發(fā)生淋溶和揮發(fā)。目前市售的速效氮肥以尿素為主，尿素在酸性和堿性條件下都不穩(wěn)定，在施用過程中易因揮發(fā)和淋溶而以氨氣的形式釋放到大氣中。為滿足作物生長的營養(yǎng)需求，需要不斷追施速效肥。這樣不僅施用了大量化肥，使得氮素沒有得到充分利用，影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)，而且還污染環(huán)境。因此，開發(fā)新的能長期穩(wěn)定釋放氮養(yǎng)分，且具有高氮素利用率的緩釋化肥，具有廣泛的前景[1]。

1 脲甲醛的來源與使用

脲甲醛是尿素與甲醛通過化學縮合制得的難溶緩釋氮肥，含氮量一般為36%，不易發(fā)生淋溶與揮發(fā)。脲醛化肥的緩釋性能可以持續(xù)在作物生長期發(fā)揮作用，向作物不斷提供營養(yǎng)，因此能減少施肥頻次。脲醛緩釋肥是最早實現(xiàn)商品化的緩釋氮肥，1948年，美國科學家Clart等人合成了世界上第一個緩釋脲醛肥料，完成了較完整的實驗室工藝流程，1955年，脲甲醛被作為一種商品肥料投入市場銷售。

上世紀，美國、歐洲、日本以及前蘇聯(lián)已經(jīng)投入使用脲醛緩釋肥，其占比可達緩釋肥總量的一半，主要應(yīng)用于園藝和草坪等。但由于脲醛緩釋肥的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，造價昂貴，在農(nóng)業(yè)上并未得到廣泛應(yīng)用。近年來，我國學者在脲甲醛化肥應(yīng)用于大田作物方面進行了很多研究，并取得一系列成果[2]。

2 脲甲醛在大田作物中的應(yīng)用

脲醛緩釋肥作用機制見圖1。在適宜的溫度、濕度、pH值條件下，脲甲醛緩釋肥中難溶的羥甲基脲被微生物分解為尿素，并在脲酶的作用下釋放出NH4+，最終在亞硝化和硝化細菌的作用下，氮素轉(zhuǎn)化為能夠被植物吸收的氮養(yǎng)分。

圖1 脲醛緩釋肥作用機制

2013年，馬春雪[3]利用低甲醛脲醛合成工藝制備了脲醛樹脂-石膏-膨潤土材料脲醛肥料。在室溫pH值5.0條件下，利用脲醛與石膏材料配比1∶1.2(摩爾比)，再與膨潤土以3∶1(質(zhì)量比)混合，可以制備出具有良好抗水性能的緩釋氮肥材料。該脲醛緩釋肥料在3次淋溶后,氮素仍然能持續(xù)釋放，具有良好的緩釋性能。缺點是生產(chǎn)過程中脲醛反應(yīng)體系易成團，不能一次完成造粒，而且當脲醛與石膏結(jié)合后，必須要在2h內(nèi)使用，長距離的運輸與儲存有諸多不便，極大限制了其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。

2000年，陳易飛[4]研究了6種不同脲甲醛緩釋肥料對水稻和小麥產(chǎn)量的影響，脲醛肥編號原則基于反應(yīng)時尿素與甲醛的比例以及甲醛的濃度，兩期實驗結(jié)果見表1。研究表明，脲甲醛1號緩釋性能強，但是水溶性差，對小麥的增產(chǎn)效果優(yōu)于水稻，對稻麥的總增產(chǎn)率為2.4%，相較尿素，氮素利用率增加了2.9%，但脲甲醛1號的氮含量與尿素相比差別不大，而脲醛緩釋肥的價格昂貴，單獨施用僅增產(chǎn)不增收。脲醛4-6號肥緩釋性能稍弱，但與尿素相比，對小麥和水稻的增產(chǎn)效果優(yōu)異，對稻麥的總增產(chǎn)率平均可達13.8%，氮素利用率提高了14.2%～20.8%，投入產(chǎn)出比可達1∶3.66，具有良好的經(jīng)濟效益。

表1 施用不同脲甲醛肥料對稻、麥產(chǎn)量的影響

高產(chǎn)冬小麥對氮素吸收的規(guī)律呈現(xiàn)“M”形，為實現(xiàn)小麥的高產(chǎn)，氮素追肥應(yīng)在分蘗期和拔節(jié)-孕穗期[5]。2017年，楊軍芳[6]研究了不同配比速效氮與緩釋氮的脲醛緩釋肥料對冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當尿素與脲甲醛緩釋肥料1∶1配施時，一次性底施后所得的冬小麥的產(chǎn)量與等含量尿素一次底施，兩次追施無顯著差異。兩種施肥方式相比于不施用氮肥，產(chǎn)量分別提高了22.5%和21.2%。由此可見，脲甲醛與尿素1∶1配施,氮源配比合理，肥效遲速兼?zhèn)?，與小麥需肥周期大致符合，一次性施肥省時省工，能大幅提高小麥的產(chǎn)量水平。

在小麥生長過程中，如果肥料氮素釋放過快，容易引起小麥貪青晚熟，莖葉徒長。如果肥料氮釋放過慢，則會造成氮素供應(yīng)不足，影響小麥的產(chǎn)量和質(zhì)量。2017年，周華敏[7]探究了常規(guī)施肥(尿素基施CCF1)、基肥加兩次追肥(尿素基施，尿素追施：CCF2)以及不同總氮占比的脲醛緩釋摻混肥對小麥生長的影響及經(jīng)濟效益。研究發(fā)現(xiàn)，當脲醛占總氮50%時，能促進小麥在全生育期對磷的吸收與積累以及生長后期對鉀的吸收和運輸，能夠很大程度上提高小麥的品質(zhì)。與CCF2相比，小麥增產(chǎn)11.36%，每公頃純收入增加了1 582元，增產(chǎn)增收效果優(yōu)異。因此，合適的脲醛氮素比例能提高氮素利用率，且兼具良好的經(jīng)濟效益。

2017年，陸世忠[8]報道了施用“施可豐”脲醛緩釋肥料與普通復(fù)合肥料對水稻的產(chǎn)量及收益的影響。研究結(jié)果(見圖2)顯示，緩釋肥減氮處理較習慣施肥產(chǎn)量增加了13.7%，每公頃增收達3 801.75元。由此可見，“施可豐”脲醛緩釋肥對水稻的增產(chǎn)增收有較好的效果。

圖2 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量以及收入的影響

2017年，李飛[9]研究了施用普通氮肥與脲醛緩釋肥料對水稻產(chǎn)量以及氮肥利用率的影響。實驗結(jié)果見表2。研究發(fā)現(xiàn)，一次性施入脲醛復(fù)合肥能較不施肥增產(chǎn)26.4%～32.2%，高于農(nóng)民慣用施肥的增產(chǎn)量(25%)；在減氮10%～15%的情況下，使用一次性施入脲醛復(fù)合肥的方式較“一基一追”的施肥方式，水稻產(chǎn)量提高了1.1%～2.2%，基本與“一基一追”施肥方式的產(chǎn)量相當。一次性施用脲醛復(fù)合肥能較“一基一追”施肥方式提高氮肥利用率5.68%～11.72%，其中，處理3的氮肥利用率可達33.21%。說明脲醛緩釋氮肥在保證產(chǎn)量的同時，既可以減少氮肥的投入，又能節(jié)約追肥的人工成本。

表2 不同處理下水稻產(chǎn)量增量以及氮素利用率

注：處理1，不施氮肥；處理2，15-15-15復(fù)合肥基施，分蘗期追施尿素；處理3，全量一次性施用尿素∶脲醛(U∶F)=7∶3的復(fù)合氮肥；處理4，90%全量處理3中的UF用量；處理5，85%處理3中UF的用量。

3 脲甲醛在經(jīng)濟作物中的應(yīng)用

香蕉比一般果樹需肥量大，全年追肥10～15次。2012年，曲均峰[10]研究了脲醛緩釋肥與尿素對香蕉的品質(zhì)以及產(chǎn)量的影響。對比后發(fā)現(xiàn)，中海石油化學股份有限公司自制的脲醛緩釋肥在與速效肥等氮含量、3次施肥的條件下，香蕉產(chǎn)量依然增加，株高和單果重等農(nóng)藝性狀也有所提高。其中，香蕉中可溶物固含量、可溶性糖及Vc含量與未施肥的香蕉相比稍有降低。而市售大顆粒尿素與市場采購的小顆粒尿素在施肥8次的條件下，與脲甲醛緩釋肥料肥效相當。由此可見，脲甲醛的使用降低了施肥次數(shù)，增加了果實產(chǎn)量，有助于降低成本。

菠蘿的生長周期長達18個月，在生長后期由于“封行”，使得追施化肥成為難題。2013年，曲均峰[11]研究了不同施肥比例與施肥方案對菠蘿產(chǎn)量及果實品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，80%全氮3次施脲醛緩釋肥較5次施用普通尿素(PU)，菠蘿減產(chǎn)2.8%；分3次全氮量施用脲醛化肥較5次施用PU，菠蘿產(chǎn)量增產(chǎn)3.6%，由此說明，氮養(yǎng)分含量影響菠蘿產(chǎn)量。與不施肥(CK)對照，發(fā)現(xiàn)施用脲醛肥后菠蘿的果長、果周、單果質(zhì)量都有大幅提升，說明施入脲醛緩釋化肥有助于改善菠蘿的品質(zhì)。

2015年，何佩華[12]發(fā)現(xiàn)脲醛緩釋復(fù)混肥能顯著促進花菜生殖生長、增大花菜的直徑和提高產(chǎn)量。在施肥量相同的條件下，不同比例脲醛復(fù)混肥較常規(guī)速效肥氮素利用率能增加6.44%～19.83%，肥效顯著，而且只需一次施肥便能滿足花菜生長的需要，說明緩釋肥與速效肥摻混使用不僅可以提高肥效，提高花菜產(chǎn)量與生殖性狀，還能減少人工成本。

甘蔗生長期較長，需肥量大，在整個生長周期內(nèi)對氮肥的需求比較均衡，但傳統(tǒng)的氮肥具有揮發(fā)性和水溶性，雨水沖刷和日照條件下容易流失，因而氮損失較為嚴重[13-14]。脲醛緩釋肥難溶于水，難揮發(fā)，其中的氮素可隨時間緩慢釋放，為作物生長持續(xù)提供養(yǎng)分。2017年，許樹寧等[15]研究了兩種不同的脲醛緩釋肥料(綠茵脲醛緩釋復(fù)合肥和住商脲醛緩釋復(fù)合肥)對甘蔗生長的影響。研究結(jié)果表明，兩種緩釋肥在采用2次施肥的條件下，較常規(guī)3次施肥，產(chǎn)量增加了8.1%～8.7%，單位面積糖增產(chǎn)11.9%，增效成果優(yōu)異(見表3)。

表3 各處理甘蔗糖分比較

2019年，鄭富海等[16]研究了不同施用比例的脲甲醛泡沫肥料對香石竹質(zhì)量的影響。研究表明，當施用脲甲醛泡沫為6.05kg/m3時，與不施肥(CK)相比，總根長增長4.2%，根直徑增長10.1%，根表面積增長19.9%，促進香石竹生長效果明顯。同時，該配方下香石竹的積累量明顯增加，說明脲甲醛泡沫肥料有助于提高香石竹的品質(zhì)。

2019年，苗志偉研究了廣東太爾膠粘劑公司生產(chǎn)的固態(tài)與液態(tài)脲醛緩釋肥料對油菜、小白菜和秋播大白菜產(chǎn)量以及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，固體脲醛緩釋肥與普通復(fù)合肥施用在大麥上，效果差異并不顯著。脲醛緩釋肥料對油菜產(chǎn)量影響的研究結(jié)果見表4，研究發(fā)現(xiàn)，在使用固體脲甲醛緩釋肥以后，相比于不施肥(CK)，油菜產(chǎn)量增加59.5%，相比于普通肥料，產(chǎn)量增加了8.7%。使用液態(tài)脲甲醛緩釋肥后，相比于不施肥(CK)，油菜產(chǎn)量增加了34.4%，相比于普通肥料，產(chǎn)量下降8.4%，由此可見，針對油菜作物，固體脲醛緩釋肥釋放周期能更好地適應(yīng)油菜的生長歷程，提高油菜產(chǎn)量。

表4 不同脲醛緩釋肥對油菜產(chǎn)量的影響

4 結(jié)語

脲醛緩釋肥具有一次施肥、無需追施的優(yōu)點，省時省工，能有效降低人力成本，增加農(nóng)民收入，是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的化肥“減量增效”、“精準施肥”優(yōu)先推薦的肥料品種之一。脲醛肥料中氮素的釋放有賴于微生物的分解，而氮的釋放受到土壤性質(zhì)和外界條件(溫度、濕度等)的影響，因而開發(fā)能適應(yīng)不同環(huán)境條件的脲醛緩釋肥是急需解決的關(guān)鍵問題。未來隨著我國農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，脲醛緩釋肥必將迎來新的更快的發(fā)展。