袋控緩釋肥料的研究發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

曹繼釗，潘 波，林海能

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 國家林業(yè)和草原局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002；2.廣西華沃特生態(tài)肥業(yè)股份有限公司，廣西南寧 530028）

我國是農(nóng)業(yè)大國，化肥在糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有不可替代的作用［1］。大部分傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，片面地追求產(chǎn)量，過分依賴化肥，導(dǎo)致化肥的過量使用，造成農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)加劇、土壤環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響人民群眾生活水平的提高和對(duì)美好生活的追求。2015年農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》，2019年中央一號(hào)文件提出“開展農(nóng)業(yè)節(jié)肥節(jié)藥行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥使用量負(fù)增長”，可見黨和國家高度重視肥料的使用和發(fā)展。肥料的發(fā)展要有利于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)安全、土壤的持續(xù)健康和環(huán)境的綠色生態(tài)，施肥也要朝著高質(zhì)量、科學(xué)和環(huán)保的方向發(fā)展。肥料品種的創(chuàng)新勢在必行，新型肥料的發(fā)展迎來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。袋控緩釋肥料是國際公認(rèn)的科技含量較高的新型肥料產(chǎn)品之一［2］，也是丘陵山地作物栽培較佳的緩/控釋肥料品種，加大其技術(shù)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，意義重大。

1 袋控緩釋肥料的發(fā)展進(jìn)程

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

國際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)（IFA）的報(bào)告顯示，2016年全球肥料市值為1 556 億美元，中國的肥料市值為570 億美元，占全球肥料市場的37%，是全球最大的肥料應(yīng)用市場；新型肥料的使用量占全球使用總量的46%，是肥料市場的主力軍。目前，中國的新型肥料主要分為功能性肥料、緩/控釋肥料、商品有機(jī)肥肥料、微生物肥料和水溶性肥料5 大類。緩/控釋肥料作為一種環(huán)保、高效、省時(shí)和省工的新型肥料，現(xiàn)已成為中國肥料發(fā)展的主要方向。緩/控釋肥料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)中國化肥零增長的重要途徑之一，關(guān)系著國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［3］。

1.2 袋控緩釋肥料試驗(yàn)研究

袋控緩釋肥料是將傳統(tǒng)施用的養(yǎng)分肥料按一定配方配比摻混均勻后通過可預(yù)期降解的材料進(jìn)行小定量包袋（包膜）的一類緩/控釋肥料，通過篩選包袋材料的材質(zhì)、密度、孔隙度和降解速度或進(jìn)行不同材質(zhì)的復(fù)合、復(fù)層等方式控制肥料的養(yǎng)分釋放速度，滿足不同植物不同生長階段的養(yǎng)分需求，減少肥料流失，提高肥料利用率，達(dá)到肥料使用長效、高效和環(huán)保的目的。由于其具有顯著的優(yōu)越性，逐漸成為新型肥料研究的熱點(diǎn)。

科學(xué)施肥是近代農(nóng)業(yè)發(fā)展最重要的基礎(chǔ)手段。袋控緩釋肥料研究在我國起步較晚，21世紀(jì)后才有部分學(xué)者進(jìn)行研究。2005—2007年在蘋果（Malus pumila）、冬棗（Ziziphus jujuba）和桃樹（Amygdalus persica）上進(jìn)行了相關(guān)的研究應(yīng)用；蘋果和冬棗的袋控緩釋肥料以尿素、磷酸二銨和硫酸鉀配制的復(fù)混肥為原料，將其裝入紙塑復(fù)合袋后封口，并按制造工藝針刺微孔，規(guī)格為每袋100 g 50 孔［4-5］；桃樹的肥料為尿素、磷酸氫二銨和硫酸鉀復(fù)混，通過工業(yè)流水線做成95 g/袋和47.5 g/袋兩種包裝，袋上打有微孔，設(shè)計(jì)有95 g/袋0、3、5、7 排孔和50 g/袋0、3、5排孔［6］。應(yīng)用的包袋材料以牛皮紙和聚乙烯塑料袋為主，復(fù)層后裝入肥料再針刺微孔，工藝較繁瑣，嚴(yán)格來講只是一種肥料的施用方法，沒有形成袋控緩釋肥料產(chǎn)品或商品，同時(shí)聚乙烯塑料袋在土壤中較難分解，環(huán)保性能較差，易造成污染，不宜大面積推廣應(yīng)用。

2010—2011年，研究人員在葡萄（Vitis vinifera）上開展研究應(yīng)用［7-11］。使用的緩釋袋為牛皮紙縫制而成，規(guī)格為10 cm×20 cm，扎孔直徑為5 mm，每袋扎孔10個(gè)。包袋材料僅為單層牛皮紙，打孔后裝入肥料，容易吸濕污染牛皮紙，保存時(shí)間不長，只能現(xiàn)制作現(xiàn)施用，無法形成商品進(jìn)行銷售。

2012—2015 年相關(guān)研究主要集中在桃樹等果樹上［12-18］。使用的緩釋袋為紙塑復(fù)合材料，袋寬9 cm，袋長10 cm，袋上正反面均勻打有5 排微孔，微孔直徑0.2 mm、間距0.5 cm。在番茄（Lycopersicon esculentum）上也有少許試驗(yàn)研究，采用包裝機(jī)制作［19］。

2016—2019年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員在蘋果和桃樹上開展試驗(yàn)研究，緩釋袋材料仍為紙塑復(fù)合，正反面均打3 排微孔，微孔直徑0.2 mm、間距0.5 cm，袋寬9 cm，袋長16 cm，金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司提供［20-24］；呂紅翠［2］在杉木（Cunninghamia lanceolata）上開展相關(guān)試驗(yàn)研究，在塑料袋一面設(shè)置2排對(duì)稱孔，施肥時(shí)有孔的一面朝上；馬婷婷等［25］在蘋果上開展應(yīng)用研究，試驗(yàn)材料為山東泰安安潤豐農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的“沁園春”牌袋裝果蔬可控緩釋肥料；廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院的研究人員在油茶（Camellia oleifera）、桉樹和杉木上開展研究，主要試驗(yàn)方法為采用無紡布袋和紙布復(fù)層袋包緩釋肥（牛皮紙和無紡布復(fù)層）進(jìn)行盆栽施肥試驗(yàn)［26-29］（圖1）。

圖1 廣西林科院研制的袋控緩釋肥產(chǎn)品Fig.1 Bag controlled slow-release fertilizer developed by Guangxi Forestry Research Institute

袋控緩釋肥料主要在桃樹、葡萄和蘋果等果樹上應(yīng)用，近年來在杉木、桉樹和油茶等林業(yè)樹種上的應(yīng)用也逐漸成為熱點(diǎn)。袋包材料從塑料袋（主要成分為聚乙烯）和紙袋（牛皮紙為主），到紙塑復(fù)層材料（牛皮紙和聚乙烯塑料），再到牛皮紙與無紡布復(fù)層的紙布復(fù)層材料（無紡布主要成分為聚丙烯，易生物完全降解）；由制作包裝好肥料后機(jī)械打孔進(jìn)步到不用人為機(jī)械打孔，只需選擇牛皮紙和無紡布的材料密度篩選適宜的孔隙，在內(nèi)層無紡布制作時(shí)添加溶孔原料（如礦質(zhì)原料和易腐解的生物質(zhì)纖維）。此類肥料施入土壤中，溶孔原料與土壤中的酸性或堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，產(chǎn)生小孔，肥料養(yǎng)分隨著水分的滲透和袋內(nèi)外壓力差逐漸釋放到土壤中供給植物生長，有效解決了人為打孔的繁瑣程序，同時(shí)可以工廠化生產(chǎn)，長時(shí)間保存和銷售，從試驗(yàn)逐漸走向商品化和市場化。

1.3 袋控緩釋肥料施用效果

根據(jù)有關(guān)專家學(xué)者的研究結(jié)論，袋控緩釋肥料的肥效主要體現(xiàn)在5個(gè)方面。

1.3.1 土壤性質(zhì)方面

物理性質(zhì)方面，施用袋控緩釋肥料可減緩?fù)寥揽紫抖群兔芸紫抖鹊慕档停?］。

化學(xué)性質(zhì)方面，施用袋控緩釋肥料可提高土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷和全鉀含量及堿解氮和速效鉀含量，能明顯提高交換性鈣和鎂離子含量，使養(yǎng)分供應(yīng)更穩(wěn)定且更持久［2］；在番茄上應(yīng)用袋控緩釋肥料，結(jié)果顯示0～20 cm 土層中的溶液銨態(tài)氮濃度為傳統(tǒng)施肥的2 倍多，土壤上層的氮素保持在較高水平，減少了隨水分進(jìn)入深層土壤的比例［19］；與普通肥料相比，施用袋控緩釋肥料能顯著提高土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性，施肥60 天后分別提高了6.31%、11.58%、9.05%和32.14%，差異顯著［24］。

1.3.2 植物生理方面

施用袋控緩釋肥料能提高葡萄葉片中的全磷和全鉀含量及葉綠素含量和凈光合速率［7］；能使葡萄中的可溶性固形物增加3.7%，達(dá)到19.93%［8］。

1.3.3 肥料養(yǎng)分方面

沙建川等［20-21］在蘋果上應(yīng)用袋控緩釋肥料，結(jié)果表明其能顯著提高蘋果植株的氮素利用率，與一半散施和全部散施相比，氮素?fù)p失分別降低了14.97%和21.21%，氮素利用率分別上升了8.84%和16.54%，同時(shí)可以減少鉀、鈉、鈣和鎂等鹽基離子的淋失量，養(yǎng)分供應(yīng)穩(wěn)定且持久，土壤Nmin、有效磷和有效鉀含量均顯著高于散施處理。潘波等在油茶上應(yīng)用袋控緩釋肥料，結(jié)果表明，在肥料埋袋處理的28 天時(shí)間里，肥料中的氮素流失率比摻混肥和尿素分別減少了20.45% 和20.62%［26-27］；在杉木試驗(yàn)中，處理的47 天時(shí)間里，3 種杉木緩釋肥料的氮素流失率比普通杉木專用肥料分別減少了64.36%、57.78% 和72.07%，總養(yǎng)分流失率分別減少了37.90%、38.63%和40.38%［29］。Xiao 等［30］的研究表明，BCRF（袋控緩釋肥料）在不降低桃產(chǎn)量的前提下，氮肥施用量較普通施肥方式減少了65%～82%，可使桃樹早熟品種、中熟品種和晚熟品種的氮肥施用量分別減少69.1%～81.7%、69.0%～78.4% 和65.3%～76.2%，在鮮桃生產(chǎn)中施用袋控緩釋肥料有降低氮肥施用量和降低肥料投入成本的潛力。

總而言之，袋控緩釋肥料的施用可顯著減少肥料中氮素的流失和揮發(fā)、磷素的固定和鉀的遷移，大幅度減少肥料養(yǎng)分流失，提高養(yǎng)分利用率。

1.3.4 增產(chǎn)增效方面

施用袋控緩釋肥料可使桃樹產(chǎn)量提高37%［6］；可顯著提高蘋果果實(shí)中的可溶性固形物和可溶性糖含量，減少可滴定酸含量，糖酸比提高10.7%［23］；能明顯促進(jìn)杉木生長，施肥3年的胸徑和蓄積比對(duì)照分別高出43.03%的31.67%［2］；在葡萄上施用袋控緩釋肥料比常規(guī)施肥，產(chǎn)量提高38.9%～50.7%［11］。袋控緩釋肥料施用簡單，省工省時(shí)且節(jié)肥，能減少污染，有效解決施肥中養(yǎng)分的平衡供應(yīng)問題，可長期供給植物養(yǎng)分，促進(jìn)植物生長，緩解植物因養(yǎng)分缺乏而出現(xiàn)生長緩慢或停滯，在提高植物生長量和產(chǎn)量上優(yōu)于其它肥料，是一種理想的施肥方式。

1.3.5 環(huán)境保護(hù)方面

與普通肥料相比，袋控緩釋肥料能顯著延后和削減NH3、N2O 和CO2的排放高峰，可減少NH3、N2O和CO2的累積排放量，分別減少52.17% ～59.70%，48.57% ～49.50%和23.49% ～30.57%；減少土壤氮素?fù)p失56.04%，減少由N2O 和CO2的排放造成的溫室氣體效應(yīng)潛勢27.75% ～28.63%［7］。BCRF 可降低CO2和N2O 的綜合溫室效應(yīng)，相比普通肥料處理，平均GWP值在20 ～，50 ～和100 ～年尺度上分別減少了28.31%，28.63%和27.72%［30］。

進(jìn)入新時(shí)代，林業(yè)成為“綠水青山就是金山銀山”新發(fā)展理念的實(shí)踐主體，生態(tài)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展是林業(yè)發(fā)展的責(zé)任和使命，創(chuàng)新施肥科學(xué)理論和提高技術(shù)水平是實(shí)現(xiàn)林業(yè)“減肥增效”和土壤健康、綠色發(fā)展的重要途徑。林木生長周期長，影響因素多，需定點(diǎn)、定位、定量和常年施肥，種植地多為丘陵山地，土層淺薄，保水保肥能力差，易造成肥料流失，且生理性缺素病害較易發(fā)生，施肥用藥難度大、成本高。研究和推廣有利于環(huán)境保護(hù)和林地可持續(xù)經(jīng)營的新型肥料勢在必行。袋控緩釋肥料能減少肥料養(yǎng)分流失，提高養(yǎng)分利用率，較長時(shí)間持續(xù)供給植物所需養(yǎng)分，提高林產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。

2 袋控緩釋肥料未來的發(fā)展趨勢

緩/控釋肥料發(fā)展速度較快，但多局限于肥料小顆粒的包膜和添加化學(xué)抑制劑等途徑對(duì)氮肥進(jìn)行控釋，在肥料養(yǎng)分釋放方面沒有真正達(dá)到與作物生長所需養(yǎng)分一致的要求，同時(shí)多數(shù)需要較復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備，肥料價(jià)格普遍較高，在國內(nèi)施用的針對(duì)性和專業(yè)性也不強(qiáng)，施肥效果不明顯，市場推廣較難。袋控緩釋肥料雖然研究時(shí)間不長，但理論與實(shí)踐結(jié)合緊密，實(shí)際增產(chǎn)增效顯著，未來發(fā)展?jié)摿^大。

袋控緩釋肥料的研究原理符合實(shí)際。其主要是根據(jù)水肥耦合、植物生長與水分和養(yǎng)分具有較強(qiáng)正相關(guān)性的原理來研制的。肥料養(yǎng)分的釋放與土壤水分呈較強(qiáng)的正相關(guān)性，水分越多肥料養(yǎng)分釋放越多，植物生長越快，可以實(shí)現(xiàn)肥料養(yǎng)分釋放速度與植物需求的協(xié)調(diào)。袋控緩釋肥料能有效阻止肥料與空氣、土壤和地表水直接長期接觸，減少肥料流失，提高肥料利用率；可減弱氮元素氨化與硝化作用，減少氮因氣體揮發(fā)而損失；可減少硝態(tài)氮等隨地表徑流和地下滲透而淋失；可減少有效磷在土壤中的固定，提高磷的利用率；可減弱鉀的移動(dòng)強(qiáng)度，減少流失。

袋控緩釋肥料的制作工藝明晰，成本優(yōu)勢明顯。袋控緩釋肥料的核心研究在于肥料包袋（包膜）材料的選擇和養(yǎng)分的釋放。在選擇可預(yù)期降解且生態(tài)環(huán)保材料方面，廣西林科院的研究在一定程度上解決了肥料的商品性問題，不需要特殊的造粒和包膜工藝設(shè)備，產(chǎn)品應(yīng)用綜合效益潛力大。在南方的自然雨水條件下，施用袋控緩釋肥料不需要進(jìn)行水分特殊調(diào)節(jié)；北方地區(qū)較干旱，與水肥一體化設(shè)施結(jié)合，其施用效果更好。

袋控緩釋肥料的研究拓展空間較大。袋控緩釋肥料研究的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)肥料養(yǎng)分的釋放速率與各類植物養(yǎng)分需求完全一致，從而達(dá)到肥料基本不流失的終極目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)肥料養(yǎng)分的最大作用和“減肥增效”的最大功效。今后可向機(jī)械化和智能化施肥作業(yè)、易變價(jià)營養(yǎng)元素的補(bǔ)給、抗逆性多功能物質(zhì)的添加（如抗病防蟲的生物農(nóng)藥）、多層釋放技術(shù)及易溶有機(jī)物的添加等方向深入拓展，發(fā)展空間廣闊，增產(chǎn)增效和生態(tài)環(huán)保潛力較大。

建議有關(guān)部門和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)，加快袋控緩釋肥料高產(chǎn)、高效和環(huán)保機(jī)理機(jī)制的深入研究，盡快形成袋控緩釋肥料的商品化和產(chǎn)業(yè)化并推廣應(yīng)用，真正解決化肥施用的科學(xué)難題，更快、更好地服務(wù)于農(nóng)林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)保需求。

3 結(jié)論與討論

為適應(yīng)農(nóng)林業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和高質(zhì)量綠色發(fā)展的要求，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)資料發(fā)展，尤其是農(nóng)資肥料的新方法、新技術(shù)和新工藝的研究發(fā)展及肥料產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。“減肥增效、綠色發(fā)展”成為植物營養(yǎng)與肥料學(xué)科研究發(fā)展的熱點(diǎn)。新型肥料不但要遵從“養(yǎng)分歸還學(xué)說、最小養(yǎng)分律、報(bào)酬遞減率和綜合作用律”4 大理論，做到全面、均衡和精準(zhǔn)，更要在提高養(yǎng)分利用率和持續(xù)供給養(yǎng)分方面加大研究力度，真正實(shí)現(xiàn)肥料的高質(zhì)高效和生態(tài)環(huán)保。袋控緩釋肥料的研究發(fā)展時(shí)間不長，但在持續(xù)精準(zhǔn)供給植物肥料養(yǎng)分、大幅減少肥料養(yǎng)分損失、降低傳統(tǒng)緩/控釋肥料工藝生產(chǎn)成本和生態(tài)環(huán)境友好等方面具有明顯優(yōu)勢。袋控緩釋肥料的研究發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，值得深入研究和大力推廣應(yīng)用。