馬泉 王亞華 王夢(mèng)堯 李春燕 丁錦峰 朱敏 郭文善 朱新開

摘要：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥過度使用、肥料利用率低下，因肥料施用不當(dāng)引起的土壤惡化、資源短缺、環(huán)境污染等環(huán)境問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。緩控釋肥料作為高效且環(huán)境友好型的肥料，對(duì)緩解農(nóng)業(yè)肥料用量日益增加，提高肥料利用率有重要作用。本文對(duì)緩控釋肥料的發(fā)展與運(yùn)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，很多研究證實(shí)緩控釋肥料對(duì)水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物有較高的應(yīng)用價(jià)值，但由于肥料釋放效果、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)生態(tài)效益等方面的限制，使得緩控釋肥料目前未能在農(nóng)業(yè)上廣泛推廣應(yīng)用。因此，構(gòu)建與完善緩控釋肥料的綜合評(píng)價(jià)體系非常迫切，這也是推動(dòng)其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：緩控釋肥;肥料利用率;效益;綜合評(píng)價(jià)體系

中圖分類號(hào)：S145.6?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0024-06

收稿日期：2019-10-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2018YFD0200500）;公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201503130）;江蘇省科研院校農(nóng)技推廣服務(wù)試點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：TG[17]007）;江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程;江蘇省和揚(yáng)州大學(xué)優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：馬?泉（1995—），男，江蘇灌云人，博士研究生，主要從事小麥綠色高效栽培生理研究。E-mail：mq_agriculture@163.com。

通信作者：朱新開，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效栽培與生理研究。E-mail：xkzhu@yzu.edu.cn。

我國(guó)水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵是通過協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)來(lái)提高單產(chǎn)水平[1-2]。肥料尤其是氮肥對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)40%～60%。研究認(rèn)為，適當(dāng)增加施氮量不僅能夠顯著提高作物產(chǎn)量，且對(duì)籽粒的蛋白質(zhì)含量和品質(zhì)也有一定的提高[3-4]。然而，目前氮肥施用問題非常嚴(yán)重，不合理施肥和氮肥過量施用導(dǎo)致大量氮素以揮發(fā)、淋失、硝化及反硝化等方式進(jìn)入大氣和水體，從而使農(nóng)田養(yǎng)分流失、水體污染等環(huán)境問題不斷加劇[5-10]。全世界的化肥施用量在40年內(nèi)增加了15倍，而糧食增產(chǎn)只有3～4倍，不斷增施氮肥的同時(shí)產(chǎn)量和氮肥利用率卻并沒有隨之同步提高[11]。因此，提高肥料尤其是氮肥的利用率、在保障穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時(shí)減少肥料投入是未來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)研究的重要方向之一。

科學(xué)合理的施肥是提高肥料利用率、保證糧食作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。為此，眾多學(xué)者在氮肥運(yùn)籌、測(cè)土配方施肥、葉色診斷等方面不斷地探索，以期獲得提高氮肥利用率的方法[12-13]。減少養(yǎng)分淋失和農(nóng)業(yè)污染等問題關(guān)鍵在于提高肥料利用率以減少氮素投入，而推廣應(yīng)用緩控釋肥是解決這一關(guān)鍵問題的重要途徑之一[14]。緩控釋肥的主要特點(diǎn)是肥效期長(zhǎng)且穩(wěn)定釋放，少次甚至1次施用就能滿足作物在整個(gè)生育期對(duì)養(yǎng)分的需求，研究證實(shí)緩控釋肥能夠顯著提高作物產(chǎn)量和氮素利用率[15-16]，減少施肥次數(shù)和施肥成本，同時(shí)緩解養(yǎng)分流失和水體污染等環(huán)境問題[17]。緩控釋肥的這些特點(diǎn)使其成為增加糧食產(chǎn)量、減少農(nóng)業(yè)肥料投入的潛在途徑[18]，但緩控釋氮肥的緩釋效果、肥料種類、配套施用技術(shù)以及作物或品種對(duì)緩控釋氮肥響應(yīng)的研究還存在一定爭(zhēng)議。因此，對(duì)緩控釋肥的研究進(jìn)展進(jìn)行綜合分析，并構(gòu)建其緩釋效果、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面的綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)緩控釋肥的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1?緩控釋肥的發(fā)展現(xiàn)狀

緩控釋肥被廣泛認(rèn)為是高效且環(huán)境友好型的肥料，美國(guó)作物營(yíng)養(yǎng)協(xié)會(huì)（AAPFCO）將其定義為施用后含有的養(yǎng)分離子能緩慢地被作物吸收與利用、肥效比普通速效肥更長(zhǎng)的一類肥料，它的原理一般是以速效化肥為基礎(chǔ)，通過各種技術(shù)措施盡量減緩或控制肥料養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化過程和釋放速率，使養(yǎng)分釋放規(guī)律盡量滿足作物的養(yǎng)分吸收需求，從而提高肥料利用率、降低氮素?fù)p失、減少環(huán)境污染[19-22]。緩釋肥和控釋肥在作用機(jī)理上沒有本質(zhì)的區(qū)別，其核心目標(biāo)都是減慢和控制養(yǎng)分釋放，控釋肥是緩釋肥發(fā)展進(jìn)一步的研究產(chǎn)物，在本研究中不作區(qū)分。緩控釋肥的研發(fā)與推廣為化肥的增效減量提供了一個(gè)切實(shí)可行的發(fā)展方向。

緩控釋肥的發(fā)展時(shí)間晚，1948年美國(guó)的Clart等首先研究了尿素-甲醛縮合物緩釋肥的制備和性質(zhì)，從1950年以后，其他發(fā)達(dá)國(guó)家先后展開了緩控釋肥的研究試驗(yàn)。日本最初學(xué)習(xí)美國(guó)的技術(shù)來(lái)研究緩釋肥，主要開展了高分子包膜肥料的研究，而西方國(guó)家主要偏向于微溶性含氮化合物緩釋肥的研究。前期各國(guó)主要在生產(chǎn)工藝、緩控釋材料、養(yǎng)分釋放機(jī)理等方面展開對(duì)緩控釋肥的研究，目前則重點(diǎn)研究養(yǎng)分的控釋尤其是研究特定作物的專用緩釋肥。20世紀(jì)后期，我國(guó)許多專家和科研機(jī)構(gòu)迅速展開了針對(duì)緩控釋肥的各項(xiàng)研究，目前已經(jīng)研發(fā)出許多有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的緩控釋材料和肥料。當(dāng)前我國(guó)的研究主要集中在肥料的包膜材料上，通過改變包膜材料的化學(xué)組分實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的緩慢釋放。

緩控釋肥在農(nóng)業(yè)大田規(guī)模種植上的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到許多研究者的證實(shí)和認(rèn)可，但目前緩控釋肥養(yǎng)分釋放的機(jī)理、釋放周期、緩釋材料等方面的諸多問題還沒有研究透徹，并且目前市場(chǎng)上可根據(jù)各種作物生育期需肥規(guī)律研制的專用緩釋肥還較少，此外由于價(jià)格昂貴，緩控釋肥現(xiàn)階段多應(yīng)用于草坪和花卉等園藝作物上，如何加快緩控釋肥在大田作物上的推廣應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

2?緩控釋肥的主要類型與作用機(jī)理

緩控釋氮肥是可以延緩氮素的釋放速率，并供植物持續(xù)吸收利用的一種新型氮肥[23-24]，但不同緩控釋肥的緩釋機(jī)理、養(yǎng)分釋放特征、緩釋材料等方面有較大差異。通常按照緩控釋肥的化學(xué)組成和作用機(jī)理等，將緩控釋肥主要分為如表1所示的幾種類型[18，25-29]。

3?緩控釋肥在生產(chǎn)上的應(yīng)用研究進(jìn)展

緩控釋肥具有肥效長(zhǎng)、養(yǎng)分利用率高、環(huán)境污染小、使用方便快捷等特點(diǎn)[30]。其養(yǎng)分緩慢釋放可以有效避免由于施肥引起的土壤離子濃度短期內(nèi)過高，能持續(xù)保持土壤養(yǎng)分離子的數(shù)量和活性，從而增加可被植物吸收利用的養(yǎng)分離子含量[31]。在施氮量相同的條件下，施用緩控釋肥可以明顯提高產(chǎn)量和肥料利用率，且減少施肥次數(shù)可以節(jié)約施肥的人工成本，符合張夫道等提出的緩釋肥是今后肥料發(fā)展方向的觀點(diǎn)[22]。

3.1?緩控釋肥合理施用的研究進(jìn)展

合理施用緩控釋肥是實(shí)現(xiàn)最大化增產(chǎn)增效的重要措施。首先，要選擇適宜的肥料種類，不同作物對(duì)緩控釋肥養(yǎng)分釋放的要求存在較大差異，因此根據(jù)不同作物研制的專用緩釋肥具有較高的應(yīng)用潛力[32-33]。其次，不同緩控釋肥對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)存在巨大差異。溫度、水分是影響緩控釋肥養(yǎng)分釋放的主要環(huán)境因素，因此選擇的緩控釋肥對(duì)于施肥地區(qū)的降水和溫度要有較好的耐受性。在降水較多的南方地區(qū)，推薦施用樹脂包膜的緩控釋肥，其對(duì)水分的耐受性更高，具有較好的穩(wěn)定性;而硫包膜和脲甲醛等緩釋肥可在水分含量較高的條件下會(huì)加速溶解釋放，更適合在降水較少的北方地區(qū)應(yīng)用。

對(duì)于緩控釋肥施肥方式，有研究認(rèn)為緩控釋肥施用1次就可明顯提高籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量[34];也有研究認(rèn)為施肥1次效果不突出，采取基肥加1次追肥合計(jì)2次施肥的方式更能滿足作物的養(yǎng)分需求，對(duì)作物的增產(chǎn)效果更為顯著[35-36]。尤其是生育期較長(zhǎng)的作物如冬小麥，應(yīng)該將肥料養(yǎng)分釋放特性與其生育期內(nèi)2個(gè)養(yǎng)分需求高峰相結(jié)合，基肥加返青或拔節(jié)期1次追肥更能使養(yǎng)分釋放充分滿足作物生長(zhǎng)需求。在肥料用量方面，前人研究表明，與施用普通尿素相比，緩控釋肥可減少10%～30%的施氮量仍能夠達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)或高產(chǎn)的效果[37-38]。緩控釋肥的減氮施用符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展節(jié)氮增效的目標(biāo)，可控制成本。因此，合理施用緩控釋肥是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、節(jié)約農(nóng)業(yè)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等多重目的重要方式之一。

3.2?緩控釋肥料的增產(chǎn)增效研究進(jìn)展

緩控釋肥能夠?qū)崿F(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要原因是其在作物的全生育期特別是中后期的養(yǎng)分供應(yīng)比普通尿素更為合理、高效[34]。緩控釋肥施入土壤后養(yǎng)分持續(xù)釋放，能有效避免前期養(yǎng)分大量損失，同時(shí)保證養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)以滿足作物的生長(zhǎng)需求，在實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的同時(shí)也有效提高氮肥利用率。目前緩控釋肥在主要農(nóng)作物上的應(yīng)用效果已取得了一定進(jìn)展。

3.2.1?緩控釋肥在水稻上的應(yīng)用?蔣曦龍等研究表明，控釋氮肥1次基施與普通尿素多次施用相比產(chǎn)量可提高8.51%～13.03%，氮肥利用率可提高571%～71.2%[39]。邢曉鳴等認(rèn)為，緩釋肥一基一蘗2次施肥的增產(chǎn)效果要優(yōu)于全部基施，且不同緩釋期的摻混緩釋肥的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益最高[35]。緩控釋肥對(duì)水稻的影響主要在于增加有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)，提高生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、氮素利用率等，對(duì)結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量影響較低[39]。緩控釋肥在水稻苗期的作用不明顯，但后期能有效促進(jìn)水稻氮素供應(yīng)、增加氮素轉(zhuǎn)換與積累、協(xié)調(diào)作物各器官養(yǎng)分的吸收與調(diào)配，從而避免水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過旺，有效緩解貪青晚熟和倒伏現(xiàn)象[40-41]。

3.2.2?緩控釋肥在小麥上的應(yīng)用?王茹芳等研究表明，和普通氮肥相比，膠結(jié)型緩釋肥可實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)1485%～27.48%，摻混型緩釋肥可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)2377%[42-43]。周華敏等認(rèn)為，與普通氮肥多次施用相比，脲醛摻混肥施用增產(chǎn)可達(dá)1.76%～1201%，氮肥利用率可增加13.65%以上[44]。曲均峰等研究表明，一次性基施脲醛緩釋氮肥能顯著增加小麥的有效穗數(shù)，但是對(duì)每穗粒數(shù)和粒質(zhì)量影響不明顯[45];王茹芳等認(rèn)為，膠結(jié)型緩釋肥對(duì)產(chǎn)量、干物質(zhì)量、穗粒數(shù)、穗粒質(zhì)量等均有顯著影響，并且將尿素、膠結(jié)肥、包膜肥摻混施用能有效增加穗粒數(shù)、穗粒質(zhì)量及千粒質(zhì)量，同時(shí)改善小麥品質(zhì)[42-43];傅送保等指出，緩釋肥對(duì)有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)有明顯促進(jìn)作用，但對(duì)籽粒質(zhì)量影響不大，主要影響小麥在拔節(jié)期至抽穗期的生長(zhǎng)發(fā)育[46]。綜上所述，不同種類的緩釋肥均能夠?qū)π←湹娜后w、產(chǎn)量和氮肥利用率等有一定的提升，但不同緩控釋肥種類、用量、運(yùn)籌等因素對(duì)小麥產(chǎn)量影響的效應(yīng)有差異。

3.2.3?緩控釋肥在玉米上的應(yīng)用?王宜倫等研究表明，玉米專用緩釋肥和普通氮肥2次施用相比，產(chǎn)量和氮肥利用率分別提高4.88%和2.95%[33]。李敏等認(rèn)為，緩釋氮肥或緩釋氮肥與尿素?fù)交炜稍霎a(chǎn)28%～33.0%，氮肥利用率可增加9.61%～2761%[47]。研究認(rèn)為，緩釋肥對(duì)玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響主要是增加粒質(zhì)量，同時(shí)對(duì)穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)也有一定影響，且收獲產(chǎn)量相當(dāng)時(shí)，施用緩釋氮肥比尿素節(jié)省30%的施氮量[47-48]。籽粒產(chǎn)量的增加以及施肥次數(shù)減少帶來(lái)的施肥成本降低，使得緩控釋肥在主要農(nóng)作物上的應(yīng)用從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)講是可行的。

4?緩控釋肥的應(yīng)用評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

目前許多研究已經(jīng)證實(shí)，緩控釋肥在農(nóng)作物生產(chǎn)上有較大的應(yīng)用價(jià)值，是未來(lái)肥料發(fā)展的主要方向之一。但是，目前由于技術(shù)不成熟、肥料成本高等問題導(dǎo)致其在大田生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用還很困難，如何綜合考慮其緩釋效果和效益，構(gòu)建緩控釋肥料應(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)于提高其利用價(jià)值和推廣應(yīng)用是非常必要的。

4.1?緩控釋肥的養(yǎng)分緩釋效應(yīng)評(píng)價(jià)

緩控釋肥的緩釋效果主要由肥料類型、作物種類、外界環(huán)境等因素影響，對(duì)于緩釋效果的衡量應(yīng)該綜合考慮其與作物、環(huán)境間的互作關(guān)系。緩控釋肥的緩釋效果評(píng)價(jià)應(yīng)該從肥料本身、對(duì)肥料利用效率的提升、環(huán)境與緩控釋肥的互作、緩控釋肥與作物養(yǎng)分需求的匹配這幾個(gè)方面綜合考量，從而建立起相應(yīng)的指標(biāo)。

緩控釋肥的本質(zhì)特性是養(yǎng)分釋放特性，也是評(píng)價(jià)其緩釋效果的重要依據(jù)。不同的緩釋材料或制造工藝對(duì)緩控釋肥的養(yǎng)分緩釋周期及釋放特性影響非常明顯。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多對(duì)緩控釋肥的養(yǎng)分釋放特性測(cè)定的研究，但到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法[49]。目前常見的測(cè)定緩控釋肥養(yǎng)分釋放的方法主要有水中溶出率法、模擬土壤下溶出率法、擴(kuò)散和滲透率法、同位素示蹤法等。以上幾種方法在一定程度上能反映緩控釋肥的緩釋效果，但無(wú)法完全符合各種緩控釋肥在田間的實(shí)際釋放情況，其結(jié)果難以充分評(píng)價(jià)緩控釋肥在生產(chǎn)上的實(shí)際效果。如何準(zhǔn)確測(cè)定養(yǎng)分釋放特性是評(píng)價(jià)緩控釋肥效果的基礎(chǔ)。

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