緩/控釋肥研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

史萬杰 ， 熊海蓉 ， 文祝友 ， 熊遠福* ， 李祎成

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學 化學與材料科學學院 ， 湖南 長沙 410128 ； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學 分析測試中心 ， 湖南 長沙 410128 ； 3.湖南農(nóng)業(yè)大學 動物科學技術學院 ， 湖南 長沙 410128)

普通肥料的利用率低和營養(yǎng)物質(zhì)的嚴重浪費使化學肥料的使用效果變得越來越差，隨著普通化肥使用量的增加，糧食的單位面積產(chǎn)量卻在下降。造成化學肥料利用率不高的主要因素就是在施肥時會因為肥料的流失和揮發(fā)而損失掉一部分。施肥的同時有一小部分氨轉(zhuǎn)化成一氧化氮擴散到大氣中，破壞了臭氧層，產(chǎn)生了很嚴重的影響[1]。化學肥料利用率低不僅會污染周圍的環(huán)境，還浪費了大量的人力物力，造成資源的浪費。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，國外氮肥利用率為50%～55%，我國卻只有35%～50%，遠遠落后于國際水平[2]。

緩/控釋肥是一種新型肥料，可以最大程度地利用肥料，有效減少肥料對環(huán)境的危害，提高肥料的經(jīng)濟、環(huán)境等各方面效益，是全世界肥料領域研究的重點與前沿[3-4]。有數(shù)據(jù)顯示，施用緩/控釋肥每年可以節(jié)約一半以上的肥料用量，十分契合各國提倡的“節(jié)約資源、保護環(huán)境”的理念。

1 緩/控釋肥簡介

1.1 緩/控釋肥的定義

緩釋肥料(slow release fertilizers,簡稱SRFs)是一種在土壤中釋放養(yǎng)分，并長期為作物提供養(yǎng)分，其釋放速率遠遠低于目前普通速效肥的肥料，但僅僅只能延緩無法完全控制肥料釋放期的長短；控釋肥料(controlled release fertilizers,簡稱CRFs)是在土壤中釋放肥料養(yǎng)分的速率符合農(nóng)作物的需求規(guī)律的化學肥料，它是將作物對養(yǎng)分的需求規(guī)律與控制養(yǎng)分釋放的技術結(jié)合研制出的，比緩釋肥料更高級。美國作物營養(yǎng)協(xié)會(AAPFCO)將能夠使養(yǎng)分緩慢地釋放或釋放的養(yǎng)分能被作物緩慢地吸收和利用，并且肥效比速效肥更長的肥料稱之為緩/控釋肥料。

1.2 緩/控釋肥的特點

普通肥料施入土壤后會快速溶解并釋放養(yǎng)分，農(nóng)民只有大量施用肥料才能保證農(nóng)作物的正常生長和發(fā)育。與普通的化學肥料相比，緩/控釋肥料具有以下優(yōu)勢：①能延長化學肥料中養(yǎng)分的釋放時間，長期為農(nóng)作物提供養(yǎng)分。洪瑜等[5]用自行開發(fā)的控釋肥料代替常規(guī)肥料，開展靜水浸泡與盆栽試驗，發(fā)現(xiàn)控釋肥在土壤中釋放氮素的時間可以達到75天以上，可以滿足水稻生長發(fā)育期間對氮素的需求，從而保證了作物的產(chǎn)量。②一次施用肥料不僅可以降低成本，而且可以節(jié)省勞動力。劉兆輝等[6]發(fā)現(xiàn)一次性施肥技術不僅實現(xiàn)了作物高產(chǎn)，而且還解決了我國勞動力不足的難題；③可以減少因施肥過量而使作物死亡現(xiàn)象的發(fā)生；④可以有效地避免過量的肥料流入到土壤中，污染土壤周圍的環(huán)境。王強等[7]探究了不同的緩/控釋肥類型、施用的比例和氮肥的施用量對單施肥模式下植物體內(nèi)氮素含量的影響，結(jié)果表明，雖然肥料用量大于多次施肥模式，但并沒有使田間氮肥流失的可能性增加，間接降低了人工成本。

盡管緩/控釋肥有諸多優(yōu)點，但是目前市場上的緩/控釋肥還存在很多局限性：①目前市面上存在的緩/控釋肥釋放養(yǎng)分的模式不能完全符合作物對養(yǎng)分的吸收規(guī)律；②生產(chǎn)緩/控釋肥需要很高的成本，是傳統(tǒng)肥料的2～5倍，這極大地阻礙了緩/控釋肥在農(nóng)村地區(qū)的普及；③目前市面上的緩/控釋肥大多是包膜緩/控釋肥，所用的包衣材料在土壤中不易被微生物分解，會對環(huán)境造成一定污染。

1.3 緩/控釋肥的類型

當前，緩/控釋肥的類型很多。一般來說，緩/控釋肥料可分為兩種：一種是包衣型緩/控釋肥料，分為無機包衣肥和有機聚合物包衣肥；另一種是未包衣的緩/控釋肥料，如合成型緩/控釋肥料和抑制型緩/控釋肥料。

1.3.1包膜型緩/控釋肥

1.3.1.1無機包膜緩/控釋肥

無機包衣的緩/控釋肥料通常使用硫黃、硅酸鹽等無機物作為包衣材料。其中，研究硫包膜肥料的時間較久，技術也較成熟。硫包膜肥料已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，這種肥料可以使氮的利用率提升一倍，適合生長周期長的農(nóng)作物，并補充了土壤中硫元素的含量。硫包膜肥料是通過調(diào)節(jié)包衣的厚度和包衣材料中石蠟的比例來控制肥料的釋放速率。無機包膜材料能夠大面積推廣的原因在于它們的包衣原料比較多，而且對肥料的緩釋效果也比較明顯。但它具有諸如彈性較差和脆性高等弊端，使其很難真正達到對肥料的控釋。有數(shù)據(jù)表明，無機材料的細度也是影響無機包膜肥對養(yǎng)分的緩釋效果的重要因素。隨著細度的增加，無機材料的比表面積也相應增加，養(yǎng)分釋放的速度就會減緩；但是，比表面積與材料的細度成正比，材料的細度提高后，比表面積也會增加，從而導致一些不良現(xiàn)象。因此，怎樣使包衣材料的比表面能降低是無機包膜肥料未來研究的重點。

1.3.1.2有機聚合物包膜緩/控釋肥

有機聚合物包膜緩/控釋肥所用的包衣材料可大致分為天然聚合物、合成聚合物和半合成聚合物三類。天然高分子材料：天然橡膠、阿拉伯膠、明膠纖維素、木質(zhì)素等，具有材料豐富，穩(wěn)定性高，易分解的特點，是環(huán)保材料。合成高分子材料：熱塑性聚烯烴，熱固性樹脂，例如脲醛樹脂，具有成膜性好、黏度高的優(yōu)點。半合成聚合物材料：這種材料主要是纖維素的衍生物，具有易水解和容易包膜等優(yōu)點。

1.3.2非包膜型緩/控釋肥

1.3.2.1合成型緩/控釋肥

化學合成型緩/控釋肥易溶于水，其原理是肥料在水解的過程中緩慢釋放一些植物需要的營養(yǎng)物質(zhì)。主要有兩個類別：①有機氮化合物，最典型的是脲醛肥料，它是由尿素和甲醛混合制成控釋肥料脲甲醛(UF)，是最早出現(xiàn)的控釋肥料；②化學合成型控釋肥料是采用異丁叉二脲(IBDU)和草酰胺等材料制成的[8]。AARNIO等[9]試驗了脲醛肥料和尿素混合物的使用效果，結(jié)果表明其養(yǎng)分釋放速率慢，肥料利用率較高。但是，由于土壤的濕度、酸度、堿度及微生物等諸多因素都會對脲醛肥料養(yǎng)分的釋放速率產(chǎn)生影響，高昂的成本和商品價格等原因，農(nóng)民購買的積極性呈現(xiàn)下降趨勢。

1.3.2.2抑制型緩/控釋肥

抑制型緩/控釋肥料是一類將肥料和抑制劑結(jié)合起來得到的肥料，這些抑制劑可以延緩尿素的水解速率和胺態(tài)氮的硝化作用，從而避免沒有被植物吸收的養(yǎng)分流失到土壤中。1940年，CONRAD及其同事發(fā)現(xiàn)，往土壤中加入抑制尿素酶活性的物質(zhì)之后，尿素的水解速率會變慢。雙氰胺(DCD)是一種通常用于增加氮肥利用率的硝化抑制劑。陳振華等[10]通過實驗證明，DCD可以降低尿素的水解速度，并使其以交換態(tài)銨根離子的形式在土壤中保留更長時間。

1.4 包膜緩/控釋肥的作用機理

目前，許多研究人員正在研究緩/控釋包膜肥料的釋放原理，也取得了不錯的研究結(jié)果[11]。包膜肥料中的養(yǎng)分經(jīng)由滲透和擴散過程轉(zhuǎn)移到外界，養(yǎng)分的釋放原理可以分為兩類。①空氣中的水蒸氣進入疏水膜向膜內(nèi)擴散，從而使包膜肥料內(nèi)部壓力增大，造成包衣膜的膨脹或破裂，稱為損壞機制；②滲透機制，包膜肥料中的養(yǎng)分在外界濃度和膜內(nèi)濃度存在差異時通過擴散而釋放。非彈性的包衣肥料通常通過損壞機制向外界釋放養(yǎng)分，而滲透機制是有機包衣肥料中常采用的釋放機制。

包膜緩/控釋肥料釋放養(yǎng)分的時長可以由包衣原料、包衣厚度、膜孔徑、膜孔密度、土壤溫度、濕度、pH值和有機物等確定。例如，土壤存在水分含量的多少會影響無機包膜肥料的緩釋效果，而有機聚合物包膜肥料的釋放速率則受土壤溫度的高低影響較大[12]。

2 緩/控釋肥研究進展

2.1 國外緩/控釋肥研究進展

國外緩/控釋肥料的研究早在20世紀60年代就已經(jīng)開始，1961年美國就生產(chǎn)了硫包膜尿素(SCU)，是世界上最早的緩/控釋肥料。但是由于控釋效果不理想，研究人員又在肥料顆粒表面覆上一層烯烴聚合物，由于它的成本比聚合物包膜低，因此在迅速占領了美國市場。美國ADM公司大規(guī)模生產(chǎn)樹脂型包衣肥料，是由熱固性樹脂作為包衣材料研制成的。之后美國又研制出能被光解或生物降解的包衣材料，以期最大程度地減少對環(huán)境的污染。歐洲一些國家研究的方向大多是難溶于水的含氮化合物緩/控釋肥料[13]。在德國，采用能夠被生物降解的醋酸纖維素、木質(zhì)素等材料作包衣原料生產(chǎn)包膜肥料，不僅如此，還開發(fā)出樹脂包膜NPK復合肥和中量元素、微量元素系列的配方肥。西班牙GARCA等[14]使用松樹木質(zhì)素為包膜材料，天然樹脂為密封劑生產(chǎn)的包膜尿素。實驗表明，可以充分降低氮的釋放速率。荷蘭開發(fā)了可生物降解的包衣肥料，其包衣材料是用菊粉、甘油、土豆等材料制成的。英國向玻璃態(tài)磷酸鹽中添加了K、Ca和Mg元素等元素，但是由于該包膜肥僅適合幼樹苗生長，所以這種玻璃態(tài)控釋肥應用范圍不廣。

在全球范圍內(nèi)，很多國家對緩/控釋肥需求特別大，比如美國、日本等國家，但他們大部分是用在草坪、高爾夫球場、景觀植物等高經(jīng)濟價值的非農(nóng)業(yè)方面，小部分用于蔬菜、瓜果等農(nóng)業(yè)領域。阻礙緩/控釋肥大范圍推廣的重要因素是高成本，導致緩/控釋肥的銷售量還是沒有傳統(tǒng)肥料的銷售量高。

2.2 國內(nèi)緩/控釋肥研究進展

我國的科研人員開始從事研究緩/控釋肥的研究是在20世紀60年代末。中科院南京土壤所率先開始了對緩/控釋肥的初步研究，并生產(chǎn)出我國第一種緩釋肥料—碳酸氫銨粒肥，它既可以控制肥料的釋放期，還能延緩氨揮發(fā)到大氣中[15]。20世紀80年代，鄭州工業(yè)大學與南京土壤研究所聯(lián)合開發(fā)了一種復合肥包膜的緩釋肥料，是在尿素顆粒表面包裹一層含有磷酸鹽的物質(zhì)。進入20世紀90年代，隨著研究的不斷進行，緩/控釋肥料有了初步的進展。吉林農(nóng)業(yè)大學研制出應用于樹木的專用緩/控釋肥料；鄭州工業(yè)大學也開發(fā)出全營養(yǎng)型包膜肥料，是一種專門為草地提供營養(yǎng)的緩釋肥。21世紀以來，在科研人員的不懈努力下，我國的緩/控釋肥發(fā)展迅速，許多緩/控釋肥料已經(jīng)接近國際水平。例如，具有緩釋功能的納米級膠結(jié)包膜劑，該包膜劑采用化學和物理的微乳化和高剪切技術，提高了聚合物的性能并且可以大大延長肥料的釋放期；熱固性樹脂、硫包膜尿素和將環(huán)氧樹脂改性之后再包膜得到的緩釋肥以及含有多種養(yǎng)分的復合緩控釋肥等。由于它們大多只適用于玉米、小麥等作物，所以消耗總量非常低[16-17]。

目前市面上的緩/控釋肥成本都比較高，其應用規(guī)模較小，主要用于草坪、瓜果和煙草等高經(jīng)濟價值作物。為了降低緩/控釋肥的成本、使其能在水稻等大田作物上推廣應用，2014年湖南農(nóng)業(yè)大學研發(fā)出尿素控釋包衣劑，在室溫下將普通尿素包衣成為控釋尿素；并且在水稻、玉米、油菜和棉花等作物上進行試驗，結(jié)果表明，尿素的利用率與原來相比提高了27.6%～48.3%，其生產(chǎn)工序較為簡便，成本低，對環(huán)境沒有太大的威脅[18]。熊遠福等[19]2015年將可被微生物降解的高分子聚合物作為成膜材料與控釋技術結(jié)合起來，研發(fā)出鉀肥控釋包膜材料，適合在常溫下對普通鉀肥進行包膜，并且可以通過調(diào)節(jié)包膜質(zhì)量比、致孔劑用量來獲得不同控釋期的包膜鉀肥。

3 緩/控釋肥存在的問題及發(fā)展趨勢

減少環(huán)境的污染問題是今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本方向。緩/控釋肥料存在的問題無疑是各個國家要研究的重點，也會是緩/控釋肥料將來的發(fā)展方向。

從各國的緩/控釋肥料發(fā)展情況來看，目前最大的問題是緩/控釋肥料的成本非常高，是普通肥料的幾倍，很難推廣使用。一方面，可以改良生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本，另一方面，也可以尋找或者研制出成本較低的膜材料[20]。其次，阻礙緩/控釋肥發(fā)展的另一問題為緩/控釋效果不佳，目前研究出的緩/控釋肥存在施用后前期釋放速率過大、釋放周期短等弊端，難以使釋放速率與作物的生長周期一致，應根據(jù)植物需肥規(guī)律來調(diào)整養(yǎng)分釋放規(guī)律從而達到控釋的目的。第三，緩/控釋肥的環(huán)境污染問題，多數(shù)包膜肥料在土壤中難以降解，會對土壤造成二次污染。因此，水基成膜法逐漸引起了人們的重視，可以利用水不溶性聚合物材料的水分散體(乳液)作為包衣劑制備包膜肥，可顯著提高肥料的利用率并保護了環(huán)境，還能節(jié)省成本、節(jié)約資源。

未來緩/控釋肥的研究趨勢是：除了從提高肥料利用率、節(jié)約成本和減少環(huán)境污染的角度出發(fā)，篩選膜材料以外，還可以嘗試開辟新路徑，比如將多種膜材料混合進行包膜以期達到養(yǎng)分控釋目的；或者對作物種子進行包肥處理，發(fā)展種子包衣肥技術；將包膜技術與土壤肥料、植物營養(yǎng)、微生物工程、環(huán)境工程等前沿學科結(jié)合，研制出養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物需肥規(guī)律相匹配的控釋肥料[21]。