包膜控釋肥在夏玉米生產(chǎn)中的應(yīng)用進展

李麗霞，趙現(xiàn)鋒，衣文平，肖 強，王 磊，賈靜麗，鄒國元*

（1．北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，北京 100097；2．北京市緩控釋肥料工程技術(shù) 研究中心，北京 100097；3．河北省柏鄉(xiāng)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 邢臺 055450）

玉米是我國主要的糧食作物，種植面積廣泛。按播種季節(jié)分為春玉米、夏玉米和秋玉米。黃淮海是我國夏玉米主產(chǎn)區(qū)，種植面積占全國的35%以上[1］。夏玉米的生育期在100 d左右，對氮的需求最多，鉀次之，磷最少。養(yǎng)分吸收的總趨勢是：苗期吸收量少，拔節(jié)后逐步加快，抽絲前后出現(xiàn)高峰，之后逐漸減少[2］。傳統(tǒng)施肥模式是播種前基施一次底肥，在拔節(jié)期或大喇叭口期于土壤表面撒施1次尿素。這種“基肥為主，追肥為輔”的方式不僅會增加勞動力的投入，而且在追肥時植株高大、葉片多，人工操作困難[3-4］。隨著農(nóng)業(yè)勞動力的減少，栽培成本增加。另外，為了提高產(chǎn)量，農(nóng)民往往過量施用化肥。夏玉米生育期正值雨季，施用的化肥快速轉(zhuǎn)化導(dǎo)致肥料當(dāng)季利用率低，氮素利用率僅在26%左右，極易造成面源污染[5-6］。因此，夏玉米栽培實現(xiàn)“高產(chǎn)、增效、輕簡、環(huán)?！笔菚r代提出的新要求。包膜控釋肥一次性施肥技術(shù)具有養(yǎng)分高效利用、產(chǎn)量增加、N2O排放降低、硝酸鹽淋溶減少等優(yōu)勢[7-12］，是滿足新要求的有效措施和發(fā)展方向之一。

過去很長一段時間內(nèi)，包膜控釋肥的高成本是制約其在大田作物上推廣應(yīng)用的主要因素。國內(nèi)以金正大公司、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為代表的企業(yè)和科研單位在控釋肥的產(chǎn)品研發(fā)方面已取得重大進展[13］。加之控釋肥與速效肥配合的施肥方案探索促使控釋肥在大田作物上的推廣應(yīng)用成為現(xiàn)實，即根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)部門提供的施肥配方，選用養(yǎng)分釋放率和釋放期穩(wěn)定的包膜控釋肥與速效肥按比例摻混得到控釋摻混專用肥，基肥一次施用不追肥[14］。通過標(biāo)題、關(guān)鍵詞“controlled release fertilizer/controlled release urea/coated fertilizer/coated urea” 和“maize/summer maize”檢索Web of Science數(shù)據(jù)庫以及“控釋肥/控釋尿素/包膜肥/包膜尿素”和“玉米/夏玉米”檢索知網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，自2005年以來國內(nèi)學(xué)者已在該領(lǐng)域取得較大進展，試驗點主要覆蓋區(qū)域如圖1所示。本文在概述包膜控釋肥的基礎(chǔ)上，對不同類型肥料在夏玉米上的應(yīng)用進行對比分析，并對影響其應(yīng)用效果的因素進行系統(tǒng)總結(jié)，旨在為控釋肥在夏玉米生產(chǎn)中的合理高效施用提供技術(shù)支撐，推動其大面積應(yīng)用。

1 包膜控釋肥概述

控釋是指以各種調(diào)控機制使養(yǎng)分釋放按照設(shè)定的模式（養(yǎng)分釋放率和釋放期）與作物吸收養(yǎng)分的規(guī)律相一致[15］。包膜控釋肥是一類采用合適材料在速效肥外表進行包膜而成的肥料。根據(jù)膜材的不同分為有機聚合物（天然和人工合成2類）包膜肥料和無機包膜肥料[16-18］。主導(dǎo)產(chǎn)品有硫包膜、硫加樹脂包膜、溶劑型熱塑性樹脂包膜、水基樹脂包膜和無溶劑熱固性樹脂包膜控釋肥[19］。其中，熱塑性樹脂以聚烯烴類為主，熱固性樹脂以醇酸樹脂、聚氨酯、環(huán)氧樹脂最為常見。水浸泡法是國內(nèi)外評價包膜控釋肥養(yǎng)分釋放模式的常用方法[20］。包膜控釋肥通過滲透和擴散作用進行養(yǎng)分釋放，目前公認的釋放機制是破裂機制和擴散機制[21］。前者是指水汽透過膜后凝結(jié)在核上并溶解部分肥料引起內(nèi)部壓力累積，這時如果內(nèi)部壓力超過膜的承受力使包膜破裂，顆粒內(nèi)全部養(yǎng)分迅速釋放出來；該機制適合于包膜脆而無彈性的肥料，如硫包膜肥料。后者是指養(yǎng)分在濃度梯度或壓力梯度的作用下通過擴散而釋放出來；該機制適合于有機聚合物包膜肥料。包膜肥料在土壤中的釋放速率取決于膜材結(jié)構(gòu)及其厚度、肥料粒徑及其溶解性、土壤溫度、含水量及其微生物活性等，這直接影響其與作物吸收養(yǎng)分的一致 性[22-23］。

2 不同類型肥料在夏玉米上的應(yīng)用

不同類型肥料在夏玉米上的增產(chǎn)提效潛力不等。表1總結(jié)了幾種常用肥料及其特點。相比表1中提及的肥料，控釋肥在增產(chǎn)、提高養(yǎng)分利用率方面有明顯優(yōu)勢。孟凡勝等[24］比較等養(yǎng)分量的玉米專用配方肥、普通肥和控釋肥的效果時發(fā)現(xiàn)，控釋肥能顯著提高夏玉米的產(chǎn)量。較普通肥料的產(chǎn)量增幅達8.8%。其他文獻也有類似報道，等養(yǎng)分量的控釋肥較普通肥料的產(chǎn)量增幅在3%～16%之 間[25-27］。王小明等[28］通過連續(xù)2年的試驗比較了等養(yǎng)分量的有機無機、控釋、控失等3種復(fù)合肥對小麥玉米輪作下作物產(chǎn)量的影響?？蒯審?fù)合肥處理最優(yōu)，較常規(guī)施肥夏玉米增產(chǎn)17.8%。牟小翎等[29］以優(yōu)化施肥作對比，比較了聚谷氨酸類肥料、海藻酸類肥料和控釋肥對夏玉米產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分和肥料利用率的影響。施用兩類肥料后土壤堿解氮含量分別增加3.44%和4.01%，而控釋肥對籽粒產(chǎn)量和氮素利用率提高明顯，增幅分別為3.79%和41.20%。

表1 不同類型肥料及其特點

研究人員對不同種類的包膜控釋肥在夏玉米上的應(yīng)用也進行了評價。表2歸納了包膜控釋肥及其特點。硫加樹脂和回收熱塑性樹脂包膜控釋肥可實現(xiàn)夏玉米增產(chǎn)并提高氮素利用率[30-31］。谷佳林等[32］研究發(fā)現(xiàn)，硫包膜尿素可降低土壤硝態(tài)氮的累積和遷移。Zheng等[33］在比較硫包膜尿素、樹脂包膜尿素和硫加樹脂包膜尿素對玉米產(chǎn)量、氮素利用率、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的影響時發(fā)現(xiàn)，硫加樹脂包膜尿素施用效果最佳。與普通尿素處理相比，常量施用下增產(chǎn)13%。隨著聚氨酯包膜控釋肥在市場上的占比越來越大，應(yīng)用評價也逐步開 始[34］。揣峻峰等[35］研究了其對夏玉米產(chǎn)量的影響。與常規(guī)肥料相比，等養(yǎng)分條件下增產(chǎn)15.53%。趙洪猛等[36］和Chen等[37］探究了聚氨酯包膜磷酸二銨配施植物誘抗劑以及單施對鹽化潮土夏玉米 產(chǎn)量及磷素利用率的影響。不論是單施還是配施均可通過改善土壤磷素供應(yīng)強度提高產(chǎn)量。江麗華等[38］選取山東、河南、河北3個玉米種植大省的4個定位試驗點，研究了包括水基樹脂包膜尿素、環(huán)氧樹脂包膜控釋肥、聚氨酯包膜尿素在內(nèi)的10種緩控釋肥的一次性施用對夏玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)（SYI）的影響。結(jié)果表明，控釋肥的施用既起到了增產(chǎn)的效果，也達到了好的可持續(xù)性，SYI在0.65～0.70之間?？偟膩碇v，通過擴散和破裂機制釋放養(yǎng)分的包膜控釋肥均適用于夏玉米一次性施肥技術(shù)。

表2 控釋肥及其特點

3 包膜控釋肥應(yīng)用效果的影響因素

施用包膜控釋肥不僅有助于夏玉米干物質(zhì)積累，提高穗粒數(shù)、容重和千粒重，而且有助于改善玉米品質(zhì)[39-40］；不僅可以減少氮向土壤深層淋溶，而且還可以降低氮向大氣揮發(fā)的環(huán)境風(fēng)險[41-43］。應(yīng)用效果的好壞受以下因素的影響。

3.1 養(yǎng)分釋放特征

養(yǎng)分釋放率和釋放期是衡量包膜控釋肥養(yǎng)分釋放特征的重要指標(biāo)，也是影響應(yīng)用效果的重要因素。包膜控釋肥田間養(yǎng)分的供給量與夏玉米對養(yǎng)分的吸收動態(tài)一致可滿足全生育期的生長需要，在有效避免養(yǎng)分流失的同時，防止因施肥不及時造成的生長中后期出現(xiàn)脫肥。徐秋明等[44］曾發(fā)現(xiàn)肥料前期養(yǎng)分釋放過快會影響產(chǎn)量及氮素利用率。其他研究也表明，養(yǎng)分釋放特征存在的差異會使產(chǎn)量的增幅不等，增產(chǎn)可高達15.95%[45-49］。延遲釋放型包膜控釋肥的釋放過程由溶出抑制期、溶出期和衰減期3部分組成。楊俊剛等[50］將不同抑制期和釋放期的3種延遲釋放型包膜控釋肥混配后施用于夏玉米中。綜合玉米生長、根系分布、產(chǎn)量和氮素淋失風(fēng)險，減氮1/3的控釋肥處理的效果最佳。夏玉米上施用的包膜控釋肥的釋放期多數(shù)是2或3個月。鄭文魁[51］將釋放期為3個月的硫加樹脂包膜尿素和樹脂包膜尿素與尿素按3.5∶3.5∶3（玉米季）的質(zhì)量比復(fù)配后應(yīng)用于小麥玉米輪作中。8年的連續(xù)定位試驗結(jié)果表明，與相同施氮量的常規(guī)尿素分次施肥相比，包膜尿素處理玉米增產(chǎn)6.8%～9.8%，氮素利用率提高13.2%～14.3%。張玉鳳等[52］研究發(fā)現(xiàn)釋放期為2個月的包膜尿素在水和土壤中的氮素釋放規(guī)律相差較大，尤其是前1個月。提出增加開花期后的釋放量可以更好發(fā)揮控釋肥的應(yīng)用效果。另外，從施用時期的改變也可說明包膜控釋肥的養(yǎng)分釋放特征對應(yīng)用效果的影響。孫旭東等[53］將基施釋放期為3個月的樹脂包膜控釋肥改為拔節(jié)期施用，得出與基施包膜尿素處理相比，鄭單958和登海605的拔節(jié)期施包膜尿素處理分別增產(chǎn)2.10%和10.13%的結(jié)果。王建斌[54］也曾研究得出在玉米3～4葉苗期一次性施用控釋肥可替代分次習(xí)慣施肥。

3.2 比例

包膜控釋肥與速效肥混施既能在維持產(chǎn)量、提高肥料利用率的基礎(chǔ)上降低肥料成本，又能彌補單一控釋肥在部分區(qū)域夏玉米前期養(yǎng)分不足的問 題[55］，常見的控釋肥比例（即控氮比）可低至10%，高達70%。胡鳳仙[56］詳細研究了控氮比從10%增加到68.75%對產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響。控氮比增加有利于增產(chǎn)增效，且隨著控氮比的增加而遞增。閆童等[57］研究了控氮比為100%、70%和50%的處理對產(chǎn)量及氮素積累的影響。與尿素處理相比，控釋肥處理能顯著提高肥料表觀利用率和農(nóng)學(xué)效率，產(chǎn)量也顯著提高，其中控氮比為70%全量處理增產(chǎn)率最高，達到了12.33%。除產(chǎn)量和肥料利用率外，李偉等[58］考察了控氮比對0～60 cm土層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量動態(tài)分布的影響。各生育期控氮比高的處理土壤銨態(tài)氮含量較高，不過差異不顯著。胡斌等[59］對控氮比與氮淋溶的關(guān)系也進行了研究。在玉米生長中后期的0～20 cm土層中控釋肥處理保持了較高的硝態(tài)氮含量，尤其在大口期以后高于常規(guī)施肥處理；20 cm以下土層中，常規(guī)施肥處理的硝態(tài)氮含量在多個生育期顯著高于控釋肥處理，控釋肥有效控制了氮素淋溶。曹兵 等[60］進一步研究了2個減氮水平（10%和20%）下不同控氮比（30%和50%）的控釋肥的影響。綜合產(chǎn)量、氮肥利用率、施肥經(jīng)濟效益和土壤硝態(tài)氮殘留因素，控氮比為30%的施氮效果最好。綜上，以控氮比30%～70%施用效果最佳，考慮到經(jīng)濟效益，30%和40%為控氮比的推薦值。

3.3 施用量

肥料施用量不足影響產(chǎn)量，而施用量過高，肥料利用率降低，表觀盈余量增加，產(chǎn)量也降低[61-63］。魯欣欣等[64］研究了控釋肥用量（0～1364 kg/hm2）對夏玉米葉片含氮量時空分布的影響。玉米中位葉葉片含氮量和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，施肥量為1023 kg/hm2時達到最大值。李嵐?jié)萚65］在中高產(chǎn)田區(qū)開展了小麥玉米輪作下施氮模式對產(chǎn)量、氮素利用率的影響研究。不論是產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子還是氮素利用率，變化趨勢為控釋摻混肥等量施用＞減量施用＞尿素分次施用＞尿素一次施用＞不施肥。趙斌等[66-67］研究了氮肥減量25%和50%對花后光合產(chǎn)物和氮素積累、分配及產(chǎn)量的影響。相比常規(guī)施肥，減量25%時控釋肥處理增產(chǎn)10%。減量50%時產(chǎn)量無明顯變化。對田間土壤原位氨揮發(fā)研究表明，控釋肥處理氨揮發(fā)速率上升緩慢，最大揮發(fā)高峰出現(xiàn)時間比常規(guī)施肥處理晚7 d，土壤氨揮發(fā)量減少51.34%～91.34%。關(guān)于減產(chǎn)的風(fēng)險評估，目前并無定論。許海濤等[68］研究氮肥減量10%～30%對農(nóng)藝指標(biāo)、產(chǎn)量及氮素利用率的影響時得出，減量30%已有減產(chǎn)可能。史桂芳等[69］和Shi等[70］探討減量施用控釋肥對產(chǎn)量、經(jīng)濟效益及環(huán)境的影響時發(fā)現(xiàn)，除60%控釋肥處理略有減產(chǎn)外，其余控釋肥處理均表現(xiàn)出不同程度的增產(chǎn)，增產(chǎn)率為1.1%～7.4%。孫克剛等[71］在中低肥力點開展的2年田間試驗得出，即使減氮20%處理低肥力點也存在減產(chǎn)風(fēng)險。綜上所述，為防止減產(chǎn)，控釋肥的施用量需依據(jù)土壤肥力或者區(qū)域來定。通常，等氮量施用時大部分地區(qū)增產(chǎn)?？蒯尫室淮涡允┓始夹g(shù)可以在減氮25%以內(nèi)確保穩(wěn)產(chǎn)，中高肥力點可適當(dāng)增加減氮量到40%左右。

3.4 水分

水分和氮素的耦合會對施肥效果產(chǎn)生影響。李廣浩等[72］探討了控釋尿素水氮耦合對夏玉米產(chǎn)量和光合特性的影響。在提高光合特性方面具有顯著的水氮耦合效應(yīng)，水分為主效應(yīng)，控釋尿素為次效應(yīng)，合理的水氮運籌能夠有效提高穗位葉的葉綠素含量，增強花后穗位葉的光合和熒光特性，促進光合產(chǎn)物向籽粒的運轉(zhuǎn)與分配，進而提高產(chǎn)量。邵國慶等[73-74］在研究水分和控釋肥對氮素利用、產(chǎn)量、品質(zhì)、根冠生長影響時發(fā)現(xiàn)，灌漿水可以顯著提高控釋肥的“前控后?！毙Ч?，有利于高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)同步。Li等[75］研究了灌溉管理和氮素交互作用對產(chǎn)量、氮素吸收和光合特性的影響。交互作用可以延緩葉片衰老，提高葉綠素含量，改善灌漿期的光合性能，從而有效緩解輕度干旱對夏玉米的不利影響。相比輕度水分脅迫，灌溉充足時可少施用氮100 kg/hm2控釋肥。張婧等[76］考察了灌溉（或降雨）時控釋肥對土壤N2O排放的影響?？蒯尫侍幚硗寥繬2O排放峰高值出現(xiàn)在基肥施用并伴隨灌溉（或降雨）后，一般持續(xù)時間為7～10 d，后期降雨會引起微弱的N2O排放峰。這樣，優(yōu)化施肥灌溉方案是控釋肥應(yīng)用效果提高的措施之一。

3.5 施肥和耕作方式

施肥和耕作方式也是影響控釋肥應(yīng)用效果的重要因素。在施肥的過程中，控釋肥施用深度、位置在高產(chǎn)高效種植過程中非常關(guān)鍵。丁相鵬等[77］探究了控釋尿素不同施用深度對氮素吸收與利用的影響。施肥深度對產(chǎn)量呈先增后減的趨勢?；┥疃瓤刂圃?0～15 cm可顯著提高夏玉米的氮素吸收積累量，增加氮素利用率。王務(wù)帥[78］進一步研究了小麥玉米輪作下產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分含量與施肥方式的關(guān)系?？蒯屇蛩刂觊g穴施較側(cè)施和底施對玉米增產(chǎn)效果顯著，種肥同播距離種子3～5 cm處側(cè)施為佳。王賀[79］認為相比側(cè)施，種子正下方施用控釋肥能夠促使養(yǎng)分擴散區(qū)域與玉米根系吸收區(qū)域耦合。另外，分層施肥有利于減少徑流揮發(fā)損失，提高肥料利用率[80-83］。鄒忠君等[84］考察了分層施用硫包衣尿素的效果，植株長勢良好，比常規(guī)分期施肥增產(chǎn)12.1%。隨著種肥同播技術(shù)的推廣，目前基施深度10～15 cm、距離種子3～5 cm處側(cè)施控釋肥的方式最為常見。

在耕作方式方面，于青[85］比較了小麥玉米兩熟區(qū)立稈免耕、碎稈免耕和秸稈還田+旋耕下控釋肥的施用效果。等養(yǎng)分量下3種耕作方式的產(chǎn)量依次增加。高永祥等[86］開展的夏玉米田間長期定位試驗也得出，秸稈還田配施控釋摻混尿素可協(xié)同增效，顯著提高土壤肥力、產(chǎn)量、氮素利用率和凈 收益。

4 結(jié)論與展望

包膜控釋肥的膜材特性及厚度、肥料粒徑及溶解性、土壤溫度、含水量及微生物活性等因素直接影響其在土壤中的養(yǎng)分釋放特征，也影響與作物吸收養(yǎng)分規(guī)律的吻合度。在包膜控釋肥的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化取得重大進展的基礎(chǔ)上，已將不同種類的包膜控釋肥如硫包膜、硫加樹脂包膜、溶劑型熱塑性樹脂包膜、水基樹脂包膜和無溶劑熱固性樹脂包膜控釋肥應(yīng)用于夏玉米生產(chǎn)中。施用包膜控釋肥對夏玉米生產(chǎn)的綜合效應(yīng)（包括產(chǎn)量、品質(zhì)、肥料利用率、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益）普遍好于施用普通復(fù)合肥、控失復(fù)合肥、有機無機復(fù)合肥、聚谷氨酸肥料/腐植酸肥料等，其應(yīng)用效果的好壞受控釋肥的養(yǎng)分釋放特征、比例、施用量、水分、施肥和耕作方式等因素的影響。在黃淮海地區(qū)一次性基施，田間養(yǎng)分供給與夏玉米對養(yǎng)分的吸收動態(tài)一致的控氮比為30%或40%的控釋摻混肥，深度控制在10～15 cm間、種肥同播距離種子側(cè)下方3～5 cm處綜合效果最佳。為防止減產(chǎn)，控釋肥的施用量需依據(jù)土壤肥力或者區(qū)域來確定范圍。通?？蒯尫室淮涡允┓始夹g(shù)可以在減氮25%以內(nèi)確保穩(wěn)產(chǎn)，中高肥力點可適當(dāng)增加減氮量到40%左右，雖然包膜控釋肥一次性施肥技術(shù)是提高肥料利用率、減輕環(huán)境污染的一個有效措施和發(fā)展方向，但是目前仍存在一些問題尚未解決：

（1）包膜控釋肥料的養(yǎng)分釋放評價方法。水浸泡法是目前評價包膜控釋肥質(zhì)量好壞的方法。然而，由于包膜材料、包膜工藝和控釋機制的不同，控釋肥養(yǎng)分釋放特征受環(huán)境因素影響的程度不一，評價方法也應(yīng)不同。尤其是隨著土壤微塑料污染的關(guān)注日益增加，關(guān)于可生物降解包膜控釋肥的研發(fā)已受到重視，相關(guān)控釋肥正逐步實現(xiàn)工業(yè)化。若把一種方法套用在所有包膜控釋肥上，勢必會影響對實際應(yīng)用效果的判斷。因此，考慮“肥、土壤、作物”系統(tǒng)中土壤、作物對控釋肥養(yǎng)分釋放的影響，有必要建立適應(yīng)不同類型控釋材料和機制的養(yǎng)分釋放評價方法。

（2）應(yīng)用效果的評價。測土配方施肥技術(shù)是基于田塊的肥料配方設(shè)計。然而，在目前評價包膜控釋肥應(yīng)用效果時，對照大多是農(nóng)民習(xí)慣施肥，并不總是與基于測土配方的優(yōu)化施肥量進行比較，這勢必會影響對包膜控釋肥一次性施肥技術(shù)應(yīng)用效果的科學(xué)評價。

（3）包膜控釋肥的推廣。加強政策引導(dǎo)，開展配套技術(shù)指導(dǎo)服務(wù)，實現(xiàn)包膜控釋肥在夏玉米上的規(guī)?；瘧?yīng)用。