史萬杰 ， 熊海蓉 ， 文祝友 ， 熊遠(yuǎn)福* ， 李祎成

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 ， 湖南 長沙 410128 ； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 分析測試中心 ， 湖南 長沙 410128 ； 3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 ， 湖南 長沙 410128)

普通肥料的利用率低和營養(yǎng)物質(zhì)的嚴(yán)重浪費(fèi)使化學(xué)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(xué)肥料利用率不高的主要因素就是在施肥時會因?yàn)榉柿系牧魇Ш蛽]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(kuò)散到大氣中，破壞了臭氧層，產(chǎn)生了很嚴(yán)重的影響[1]?；瘜W(xué)肥料利用率低不僅會污染周圍的環(huán)境，還浪費(fèi)了大量的人力物力，造成資源的浪費(fèi)。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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)、環(huán)境等各方面效益，是全世界肥料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)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(hù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)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(shù)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(diǎn)

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(xué)肥料相比，緩/控釋肥料具有以下優(yōu)勢：①能延長化學(xué)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(yàn)，發(fā)現(xiàn)控釋肥在土壤中釋放氮素的時間可以達(dá)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(shù)不僅實(shí)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(qiáng)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(diǎn)，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(dāng)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(jī)包衣肥和有機(jī)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(jī)包膜緩/控釋肥

無機(jī)包衣的緩/控釋肥料通常使用硫黃、硅酸鹽等無機(jī)物作為包衣材料。其中，研究硫包膜肥料的時間較久，技術(shù)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(bǔ)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(jī)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(dá)到對肥料的控釋。有數(shù)據(jù)表明，無機(jī)材料的細(xì)度也是影響無機(jī)包膜肥對養(yǎng)分的緩釋效果的重要因素。隨著細(xì)度的增加，無機(jī)材料的比表面積也相應(yīng)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(xì)度成正比，材料的細(xì)度提高后，比表面積也會增加，從而導(dǎo)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(jī)包膜肥料未來研究的重點(diǎn)。

1.3.1.2有機(jī)聚合物包膜緩/控釋肥

有機(jī)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(diǎn)，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(diǎn)。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(diǎn)。

1.3.2非包膜型緩/控釋肥

1.3.2.1合成型緩/控釋肥

化學(xué)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(jī)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(xué)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(kuò)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(jìn)入疏水膜向膜內(nèi)擴(kuò)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(jī)制；②滲透機(jī)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(kuò)散而釋放。非彈性的包衣肥料通常通過損壞機(jī)制向外界釋放養(yǎng)分，而滲透機(jī)制是有機(jī)包衣肥料中常采用的釋放機(jī)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(jī)物等確定。例如，土壤存在水分含量的多少會影響無機(jī)包膜肥料的緩釋效果，而有機(jī)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(jìn)展

2.1 國外緩/控釋肥研究進(jìn)展

國外緩/控釋肥料的研究早在20世紀(jì)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(lǐng)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(jì)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(lǐng)域。阻礙緩/控釋肥大范圍推廣的重要因素是高成本，導(dǎo)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(jìn)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(jì)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(jì)80年代，鄭州工業(yè)大學(xué)與南京土壤研究所聯(lián)合開發(fā)了一種復(fù)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(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著研究的不斷進(jìn)行，緩/控釋肥料有了初步的進(jìn)展。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出應(yīng)用于樹木的專用緩/控釋肥料；鄭州工業(yè)大學(xué)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(jì)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(xué)和物理的微乳化和高剪切技術(shù)，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(fù)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(yīng)用規(guī)模較小，主要用于草坪、瓜果和煙草等高經(jīng)濟(jì)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(yīng)用，2014年湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jìn)行試驗(yàn)，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(yuǎn)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(shù)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(jìn)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(diǎn)，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(yīng)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(dá)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(hù)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(jìn)行包膜以期達(dá)到養(yǎng)分控釋目的；或者對作物種子進(jìn)行包肥處理，發(fā)展種子包衣肥技術(shù)；將包膜技術(shù)與土壤肥料、植物營養(yǎng)、微生物工程、環(huán)境工程等前沿學(xué)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]。