緩控釋肥料在水稻上的應用效果綜述

程金秋+朱盈+魏海燕+李宏亮+李曉峰+陳雯+張洪程+戴其根+胡雅杰+崔培媛

摘要：緩控釋肥是一種根據作物養分需求緩慢釋放養分的新型肥料，它在水稻上的應用對于水稻生產的增產增效具有重要的意義。在介紹了緩控釋肥定義、分類的基礎上，重點研究綜述了緩控釋肥施用對水稻生長、氮素吸收利用、產量、品質和稻田生態環境等的影響，探討了現有的緩控釋肥施肥技術，并針對目前緩控釋肥在水稻應用中存在的問題提出了進一步研究的展望。

關鍵詞：緩控釋肥；水稻；應用效果；展望；發長發育；氮素吸收；生態環境

中圖分類號： S511.06文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0011-05

肥料對水稻的持續增產有著重要的作用，我國稻谷年產量從1980年的13 990萬t上升到2014年的20 650萬t，除良種培育和栽培措施改進之外，其中一個重要的因素就是肥料投入。據聯合國糧農組織估計，發展中國家糧食的增產55%依賴于化肥的作用，至2020年預估達到70%。肥料的大量施用，盡管增加了作物的產量，但也易通過揮發、淋洗和徑流而造成損失，既增加了環境壓力，又降低了肥料利用率。據樊小林等估計，中國目前主要糧食作物的氮磷鉀肥的當季利用率分別約為30%～35%、10%～20%和35%～50%，顯著低于發達國家水平[1]。因此，合理施用肥料、提高肥料利用效率是當前水稻生產提質增效，實現化肥、農藥施用零增長的重要措施之一。

與此同時，隨著經濟的發展、農村勞動力的大量轉移，省工節本、人工投入少、科技含量高的機械化輕簡化水稻栽培管理也成為現代稻作發展的重要特征之一。傳統的水稻速效肥料，由于肥效期短，在全生育期中需要分次施用，才能滿足水稻生長各個生育階段對肥料的需求，不僅費工，也難以提效。近年來，利用多種調控機制使養分按照設定的釋放速率和周期緩慢或控制釋放、以滿足作物在一定生長季內對養分需求的緩控釋肥得到了快速發展和應用，為現代作物生產簡化施肥、降低施肥勞動強度、提高肥料利用率提供了可能。且已有的研究表明，不同的緩控釋肥，在水稻、玉米[2]、小麥[3]等糧食作物以及白菜[4]、棉花[5]等經濟作物上均有不同程度的增產增效作用。為此，本試驗在前人研究的基礎上，系統綜述了緩控釋肥對水稻生長發育特性、產量、品質及其生態環境的影響等，探討了現有緩控釋肥在水稻生產中應用所存在的問題及其今后發展的方向，以期為新時期優質高效水稻生產合理施肥提供一定的參考。

1緩控釋肥概念及類型

緩釋肥料（slow release fertilizers，簡稱SRFs）指的是采用物理、化學和生物化學方法制造的能使肥料中養分（主要為氮和鉀）在土壤中緩慢釋放，使其作物有效性明顯延長的肥料；控釋肥料（controlled release fertilizers，簡稱CRFs）指的是以顆粒肥料（單質或復合肥）為核心，采用聚合物包膜，可定量控制肥料中養分釋放數量和釋放期，使養分供應與作物各生育期需肥規律相吻合的包膜復合肥和包膜尿素。國內外學者大多數同時使用這兩個概念，或直接稱為緩控釋肥料。但從某種意義上說控釋肥料是緩釋肥料的高級形式。

緩控釋肥種類多，分類也有所差異。羅斌等將緩控釋肥分為穩定性肥料、合成有機氮類緩釋肥料、包膜（包裹）型緩控釋肥和載體類緩控釋肥4種類型[6]。楚召認為緩控釋肥主要分為微溶于水的合成有機氮化合物和包膜（包裹）緩控釋肥兩大類[7]。谷奪魁等根據大部分已開發和評價出的能控制氮有效性的材料和工藝將緩控施肥主要分為五大類：低溶性需分解的物質、微溶礦物、能逐漸分解的可溶物質、抗溶解處理普通水溶性產品和抑制微生物活性物質[8]。目前運用較為普遍的是將緩控釋肥分為包膜緩控釋肥、包裹材料緩控釋肥和具有有限水溶性的合成型微溶態緩控釋肥3種類型[9]。

2緩控釋肥對水稻生長的影響

2.1對根系的影響

水稻根系是水分和養分吸收的重要器官，也是多種激素、氨基酸和有機酸合成的重要場所，其形態特征和生理特性與地上部生長發育、產量及品質均有密切的關系[10]。施用緩控釋肥能促進水稻中后期根系發育，與對照常規施肥相比，顯著增加了根系質量、體積、總吸收面積、根長和根系密度，降低根半徑，同時還提高了水稻生育后期的根系活力，延緩根系衰老，增加根系對養分吸收[11-13]。彭玉等研究還發現，緩控釋肥的施用，在保證根系活力的同時可提高10 cm以下的深層根系分布比例、增加根尖數、延長總根長，增大植株養分攝取范圍，吸收足夠的土壤養分，有利于實現高產[14]。與常規速效肥料分次施用相比，一次性施用緩控釋肥還有利于提高水稻根深指數，提高植株抗根倒伏能力[12，15]。

水稻生育過程中，根系傷流強度、α-萘胺氧化力、關鍵酶活性是水稻根系活力特征的重要指標。相同施氮量下，一次性施肥緩控釋肥處理在齊穗后根系傷流強度均高于常規肥料一次性基施[14]。同時，水稻生育后期根系α-萘胺氧化量也能維持在較高水平，較普通尿素分次施肥下降幅度小，尤其是能在抽穗后期維持根系較高的活力，保證植株吸收大量的水分與養分，促進籽粒充分灌漿與結實[12，16]。鄭圣先等還指出，施用緩控釋肥處理，水稻生育后期根系中SOD、POD和CAT活性得以提高，抽穗期、乳熟期、蠟熟期和成熟期根系中MDA含量分別比常規尿素施肥低23.3%、15.1%、8.8%和6.1%，差異均極顯著[13]。

2.2對莖稈的影響

肥料施用對植株株高和莖稈節間形態有重要影響，目前已有的緩控釋肥對水稻株高的影響不盡相同，王斌等進行四季水稻的連續試驗發現緩控釋肥能明顯且穩定地促進株高的增加[17]；而趙勝利等研究認為緩控釋肥全量施用下并不能降低水稻株高，但減量40%的情況下施用可以達到降低株高的效果[18-22]。造成以上結果的差異可能與所施緩控釋肥用量與肥料復配類型等有重要關系。

在莖稈抗倒伏能力方面，一次性施用緩控釋肥的水稻生長前、中、后期的莖根比顯著高于水稻專用肥分次施肥處理，而莖基部粗度相似，說明一次性施用緩控釋肥能夠增加單位莖稈容量，提高水稻抗倒伏能力[12]。唐拴虎等采用盆栽和網箱試驗，探究3種緩控釋肥對水稻生長發育及抗倒伏能力的影響，結果表明，施用高鉀含量緩控釋肥的水稻莖基部粗度顯著大于低鉀含量的緩控釋肥，等養分下施用不同緩控釋肥處理水稻莖基部粗度均明顯高于常規分次施肥處理，且水稻莖根比降低[23]。由此可見，水稻生產中合理施用緩控釋肥可增加莖稈強度，降低倒伏風險。

2.3對葉片的影響

緩控釋肥施用對水稻葉片生長具有一定的促進作用。在秧苗期，緩控釋肥處理對水稻總葉片數和葉面積作用不明顯，與常規施肥基本相同[24]。邢曉鳴等研究3種緩控釋肥類型（摻混肥、4個月樹脂尿素、硫包衣尿素）以及2種不同施肥方式（一次性基施、分別與常規尿素按5 ∶1進行一基一蘗施用）對水稻生長的影響發現，與等氮量下常規施肥相比，在提高拔節和抽穗期水稻葉面積指數和光合勢上摻混肥優于硫包衣尿素和4個月樹脂尿素，均為一基一蘗施>一次性基施，主要和該肥料肥力釋放均勻，在保證適宜莖蘗數的基礎上提高莖蘗成穗率有關[25]。

葉綠素是植物代謝過程中進行光合作用和同化物質的基礎，是光合作用的重要色素。聶軍等和呂玉虎等研究發現，施用緩控釋肥較常規施肥能有效提高水稻生育后期功能葉中葉綠素含量與光合速率，延長水稻生育后期光合功能，延緩葉片衰老，從而提高水稻產量[26-27]；謝春生等在早稻和晚稻中也發現了相似規律[20]。水稻功能葉碳代謝關鍵酶活性是影響水稻生育后期光合功能的另一重要因素。聶軍等通過一次性基施緩控釋肥（含N 42%）試驗發現，自孕穗至抽穗后第32天，水稻功能葉中SOD和POD活性顯著高于常規施肥處理；葉片中MDA含量較施用尿素出現極顯著下降，表明施用緩控釋肥增強了清除超氧自由基的能力，降低了水稻葉片中細胞原生質膜系統的受損程度，從而有利于水稻功能葉維持正常的生理生化功能，延緩水稻生育后期的衰老進程，增加后期物質積累[26]。從地上部生物生物量來看，緩控釋肥處理下水稻在分蘗初期生物量低于常規施肥，而分蘗盛期至成熟期干物質顯著高于常規施肥[28]。同時不同緩控釋肥類型間也有所差異，其中樹脂控釋尿素較其他緩控釋肥效果更明顯[29]。綜上所述，緩控釋肥在水稻生育前期控制養分釋放速率，降低肥料損失，生育后期保證葉片較高的光合能力，延長光合時間，使光合產物不斷充實籽粒，提高結實率和千粒質量[17，30]，充分發揮水稻增產潛力。

3緩控釋肥對水稻氮素吸收利用的影響

3.1對氮素吸收的影響

合理地施用緩控釋肥對提高肥料利用率具有一定的促進作用。陳建生等通過盆栽試驗發現，水稻控釋肥“新農科”一次性施用相對常規施肥氮肥表觀利用率提高了12.2%～22.7%[31]。李玥等研究發現一次性基施樹脂包膜緩控釋肥，穗部氮積累量、氮肥農學利用率、氮肥表觀利用率和氮肥偏生產力較常規施肥分別提高51.83%、18.71%、57.97%和 5.54%[30]。諸海燾等研究發現水稻專用緩釋復混肥（N ∶P2O5 ∶K2O=24 ∶8 ∶10）在減少20%的氮肥用量下仍能提高水稻產量和8.16%的氮肥表觀利用率，并且環境效益顯著[32]。更有研究發現，氮素利用率較常規施肥最多可提高69.76%[33]。從水稻各生育時期對氮肥的吸收特性來看，常規施肥處理水稻在生育前期（移栽至幼穗分化期）、生育中期（幼穗分化期至齊穗期）和生育后期（齊穗期至成熟期）氮素吸收量占總吸氮量的57.7%～63.5%、34.7%～41.1%和 1.2%～1.8%，而緩控釋肥處理下分別為51.2%～62.7%、33.3%～38.1%和4.7%～10.1%，生育后期氮素吸收明顯增加[34-35]。表明緩控釋肥“前足、中控、后促”肥效釋放特性更為契合水稻生長規律，從而促進了水稻關鍵生育時期尤其是生育后期對氮素的吸收。

3.2對氮代謝相關酶活性的影響

水稻施用緩控釋肥下氮素的吸收與利用率的提高和氮代謝相關酶活性密不可分，其中硝酸還原酶、谷氨酰胺合成和轉化酶和蛋白水解酶起關鍵性作用。杜君等研究表明，緩控釋肥處理下，水稻生育后期功能葉中（尤其是抽穗期至乳熟期）硝酸還原酶活性顯著高于常規施肥，而谷氨酰胺合成和轉化酶活性的增強作用可從抽穗期維持到蠟熟期，在抽穗期和乳熟期最明顯，籽粒蠟熟期谷氨酰胺合成和轉化酶活性也分別提高了31.6%和27.1%[36]。由此說明緩控釋肥施用可以增強植株體內氮代謝相關酶的活性，促進水稻生育后期氮素吸收與同化，增加吸氮量的同時提高利用率。此外，施用緩控釋肥，使得乳熟期和蠟熟期葉片中的蛋白水解酶活性也得到提高，有利于生育后期葉片中蛋白質水解，并向籽粒進行再運轉[37]。

4緩控釋肥對水稻產量及品質的影響

4.1對水稻產量的影響

水稻生產中，在一定的施氮范圍內，增施氮肥可以顯著增加水稻的產量，超過一定范圍或氮肥不足均會導致產量及部分產量構成因子呈下降趨勢[38]。因此，研究緩控釋肥施氮量對水稻產量的影響也具有重要意義。等氮量施用下，唐拴虎等將包膜尿素復混肥、“農科控釋肥”和“樂喜施”控釋肥3種不同類型緩控釋肥一次性基施后發現，在移栽后的前30 d內氮素釋放量較高，中后期氮素供應充足，成穗率高，較常規施肥增產5.51%～21.56%[23]。陳賢友等探究硫磺加樹脂雙層包膜尿素和普通尿素按1 ∶0、7 ∶3和5 ∶5比例配比一次性基施對水稻產量的影響[39]，結果表明3種處理產量分別為 7 664.0、7 172.5、7 008.2 kg/hm2，較常規施肥增產 17.75%、10.49%和7.96%。李敏等研究發現，控釋期為90 d的樹脂膜和硫膜控釋尿素與普通尿素以7 ∶3比例一次性基施均能顯著提高水稻籽粒產量，增幅為7.9%～31.7%[29]。諸海燾等采用測土配方和平衡施肥原理制成N ∶P2O5 ∶K2O=24 ∶8 ∶10 的水稻專用緩釋復混肥，與常規施肥相比，等氮處理下水稻增產7.06%，而等價處理僅增產0.66%，表明緩控釋肥等氮量下增產效果顯著，而由于緩控釋肥生產工藝和流程更加復雜，提高了肥料成本，從而等氮量下經濟效益不明顯[32]。為了降低生產成本，許多學者在緩控釋肥減量情況下對產量的影響進行了相關研究，發現減肥增產是可行的。俞衛星等指出，緩控釋肥減量20%～30%情況下，緩控釋肥處理產量與常規施肥相比不減產甚至增產，在中肥力土壤和低肥力土壤上表現相同規律[22，40]。Geng等進行連續7年的大田試驗，結果表明緩控釋肥減量30%下水稻產量與常規施肥一致，維持土壤肥力并降低勞動力成本，在減量50%下產量略有降低，與常規施肥相比仍未表現出顯著差異[41]。也有研究發現，緩控釋肥在一次性施用下易造成水稻前期氮素供應不足、后期養分偏多的現象，不利于水稻高產甚至減產，為了彌補這一不足，有學者采用等氮量下緩控釋肥與普通尿素摻混施、測土配方與平衡施肥等方法，增產7.06%～10.49%[32，39，42]。綜合前人的研究表明，緩控釋肥的合理施用對水稻具有增產作用，增產效果因緩控釋肥肥料種類、施肥方式和栽培條件等有所差異。

4.2對稻米品質的影響

隨著人們生活水平的提高，對稻米品質提出了更高的要求，研究緩控釋肥對稻米品質的影響具有十分重要的意義。莫釗文等研究表明，在0～1 500 kg/hm2范圍內，施用緩控釋肥一定程度上可以提高精米率、整精米率、直鏈淀粉、蛋白質含量，降低堊白粒率，水稻N、P、K總積累量和每100 kg稻谷需N、P、K量與碾磨品質、直鏈淀粉含量、蛋白質含量呈顯著正相關，與堊白粒率呈負相關，施用緩控釋肥1 200 kg/hm2為獲得較優品質和較高養分吸收和利用的肥料水平[43]。居靜等利用S型和直線型釋放曲線的兩種緩控釋肥與常規氮肥對比發現，施用緩控釋肥不能明顯提高稻米加工品質，在一定程度上增加了稻米堊白率和堊白度，其中S型緩控釋肥效果更顯著[44]。造成以上差異的原因可能與施肥方式、肥料類型及施肥量有關。等氮量下一次性施用緩控釋肥與常規施肥相比可明顯提高籽粒蛋白質含量，從營養價值來看，籽粒蛋白質含量越高，其營養價值越高[21]。羅蘭芳等認為一次性全量施用緩控釋肥與常規施肥相比能極顯著提高水稻糙米蛋白質和總氨基酸含量，以及除蘇氨酸以外的所有必需氨基酸組分含量[34]。由此可見，施用緩控釋肥在提高水稻產量的基礎上提高稻米品質是可行的。

5緩控釋肥對生態環境的影響

施用常規速效氮素，常因氨揮發、氮素的徑流和淋洗等原因，對大氣和水體造成污染。鄭圣先等研究發現，尿素處理下17 d氨揮發量為547.7 mg/m2，占施入氮量的4.7%，而緩控釋肥處理可顯著降低氨的揮發量，僅為2.2%[45]。其作用機制主要通過減緩養分釋放速率降低土壤溶液中氨態氮濃度，從而降低氨揮發損失[46]。Xu等在直播稻中也發現相似規律，還發現緩控釋肥配合5 cm深施更能減少氨揮發[47]。除此之外，緩控釋肥還具有減少氮素的滲透與淋失的作用。等氮量施肥下，硫包膜控釋尿素較普通尿素稻田全氮淋失量降低44.6%[48]；控釋BB肥和樹脂包膜尿素處理分別降低261%和39.5%[49]。并且在減量30%條件下，氮素徑流損失量與常規施肥相比仍降低27.2%，甚至略高于控釋氮肥等氮量施用[50-51]。Zheng等發現淋失 15N總量的97.2%主要是NO3--N淋失量，而緩控釋肥的NO3--N淋失量僅占常規施肥的72.9%，差異達顯著水平[52]。研究還發現，緩控釋肥對減少硝化-反硝化損失量也有一定促進作用。用氮素平衡賬中的虧缺量扣除氨的損失量后計為硝化-反硝化損失量的結果表明，水稻控釋氮肥氮的硝化-反硝化損失量占施入氮量的3.46%，而尿素處理卻高達37.75%[53]。從N2O排放量來看，緩控釋肥處理在常規施肥基礎上可降低11%～50%[54-55]。此外，還可以降低甲烷的排放、提高土壤中有機質含量等[19，55]。由此可見，緩控釋肥是生態友好型肥料，適宜在水稻種植地區大范圍推廣，在保護農田生態環境、促進我國農業可持續發展方面具有重要意義。

6緩控釋肥施肥技術

緩控釋肥具備緩慢釋放的特點，減少施肥次數的同時能夠滿足水稻生長對養分的需求，但緩控釋肥施用量、施用時間、施肥方式和施肥深度的不同會引起緩控釋肥肥效表現出差異。生產中在選用合適緩控釋肥基礎上配套相應施肥技術至關重要。

日本從20世紀90年代開始推廣水稻側條施施肥技術，將緩控釋肥一次性施于秧苗一側5～8 cm深處，該方法可將緩控釋肥呈條狀集中不分散，逐漸釋放養分供給水稻的同時減少養分的固定和流失，從而提高肥料利用效率[56]；在1995年研發了“控釋氮肥工廠化箱式育苗”[57]和“免耕種肥接觸直播”[58]技術，由于成本較高、技術要求高很難在中國推廣。山東農業大學在此基礎上研制出育苗秧盤全量施肥法，將全生育期間水稻所需要的專用種衣尿素肥料一次性施于育苗秧盤底部的方法。采用延遲釋放型控釋肥，該肥料在抑制期的養分溶出速率及累計溶出量均極低，既滿足水稻在30～40 d及灌漿至成熟期對少量養分的需求，不會造成種子和幼苗高濃度鹽分積累，又滿足分蘗至灌漿期大量的氮素供應，且肥料施于水稻近根處可明顯提高氮素的利用效率。該方法在移栽作業的同時完成施肥作業，具備省工節本的優點[24]。

由于部分緩控釋肥養分釋放速率和模式與水稻養分吸收速率和模式有所差異，趙勝利等與邢曉鳴等將緩控釋肥與其他肥料按一基一蘗與一基一穗方式進行配施，發現水稻產量、群體干物質、葉面積指數、葉綠素含量和光合勢等方面表現出不同程度增加[18，25]。諸海燾等采用測土配方與平衡施肥原理制成水稻專用緩釋肥[32]，提高產量的同時提高了肥料利用效率，環境效益顯著。

在直播稻中，羅錫文等研究出機械同步深施肥的方法，同步進行開溝、起壟和播種，壟面上播種小溝增加了水稻根系入土深度，同時將肥料施入溝內[43]，有利于緩控釋肥與水稻根系接觸，促進水稻根系的生長及對養分的吸收，降低肥料損耗，還可降低氨揮發比率以及延緩氨揮發進程[59]。

總而言之，能夠對水稻起到增產增效、減輕環境壓力的緩控釋肥施用方法均需要在水稻根際進行深施，同時，針對不同生長類型水稻品種，還可以與普通尿素進行適當配施來滿足水稻全生育期對養分的需求。

7緩控釋肥在水稻上應用存在的問題及展望

7.1提高生產技術，降低生產成本，促進緩控釋肥應用

目前限制緩控釋肥在大田作物生產中應用的主要因素仍是價格偏高，是常規肥料的3～8倍（部分控釋的摻混肥大約為2～5倍），緩控釋肥是化肥的再生產過程，必定增加生產成本，生產中運用最多的是花卉類經濟作物，在水稻生產中應用大多處于研究和試驗階段，因此，改進生產工藝和流程，節能減耗，降低生產成本，減少與傳統肥料之間的價格差距，是目前亟待解決的關鍵問題。

7.2研發針對不同類型水稻品種的專用緩控釋肥

從目前緩控釋肥類型來看，市場上已有多種適合水稻生長的專用緩控釋肥。我國水稻品種類型較多，主要有早稻和晚稻、秈稻和粳稻、雜交稻等，具有一定的生態區域性，不同水稻類型的養分吸收量、吸收速率和模式間也有所差異。同種緩控釋肥的肥效釋放速率和模式不能同時滿足各種品種水稻生長需求。因此，要結合目前推行的測土配方施肥技術，根據不同地區土壤、溫度和栽培水稻品種等因素形成不同緩控釋肥的工藝技術，生產出區域適應性強、水稻吸收效果好的不同類型水稻專用緩控釋肥。

7.3科學合理的施肥技術

由于緩控釋肥發展起步較晚，緩控釋肥施肥技術目前尚未成熟。施肥深度、施肥位置和施肥時間等對水稻產量、品質和肥料利用率均有不同程度影響。為了提高肥料的利用效率、促進水稻吸收，要根據不同生態區氣候條件、土壤條件、水分管理和水稻品種確定適宜的緩控釋肥類型及用量，并配套相應的施肥技術，為充分發揮緩控釋肥肥效、保證水稻穩產提供保障。

7.4殘膜導致生態問題

當前對于緩控釋肥包膜材料殘留問題研究較少，由于包膜材料選材不同，連年施用是否造成生態環境污染、如何評價殘膜問題，需要進一步改進和完善，也需要生產和推廣施肥性能好且環保無殘留的包膜緩控釋肥。

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