緩控釋肥在茶園中應用的研究進展

胡雪荻，耿元波，梁 濤

(1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2.中國科學院大學，北京 100049)

肥料是農業(yè)生產中重要的生產資料之一，占生產性支出的50%[1]，20世紀世界農作物產量增加的一半的貢獻來自于化肥。但是，不合理的施用造成化肥利用率低，養(yǎng)分流失嚴重，會對地下水、大氣等環(huán)境造成極大的威脅。而緩控釋肥通過改變化肥本身的性質來提高肥料的利用率，其具有緩釋控釋養(yǎng)分、增產穩(wěn)產的優(yōu)點，可以有效改善土壤環(huán)境，減少農業(yè)面源污染[2-3]，在農業(yè)生產中的應用越來越廣泛。近年來，科研工作者在緩控釋肥的選擇、施用量等方面進行了一系列研究[4-5]，在水稻[6]、玉米[7-8]、棉花[9]、煙草[10]、花草[11]等生產活動中得到廣泛的應用，并取得了較好的經濟和環(huán)境效益。

茶樹是多年生喜氮作物，其一年采摘多次嫩葉，同時帶走大量養(yǎng)分，因此在茶樹整個生命周期中都需要不斷從土壤中攝取各種營養(yǎng)元素，施肥是保證茶樹養(yǎng)分需求的關鍵技術。在1972～1992年間，肥料投入對茶葉增產的貢獻率為41%，遠遠超過土地(25%)和勞動力(8%)的貢獻率[12]。目前，按照茶樹新梢和根系生長規(guī)律，茶園中行之有效的施肥方法是“一次基肥，3～4次追肥”。基肥主要為有機肥和尿素，于每年10～11月施用；追肥以復合肥、尿素為主，于每年3、5、7月施用[13]。肥料施用量大且施用頻繁，隨之而來的是肥料利用率低、養(yǎng)分流失等問題，使茶園環(huán)境和茶葉品質面臨下降的壓力。緩控釋肥具有緩釋控釋養(yǎng)分的特點，可以防止局部養(yǎng)分過高造成的傷根，并緩解目前茶園環(huán)境污染問題，為實現(xiàn)茶園科學施肥提供了新思路。本文在總結了緩控釋肥定義和作用機理的基礎上，分析了施用緩控釋肥對茶園土壤和茶葉品質、產量的影響，并對未來緩控釋肥在茶園應用的研究提出了建議，對緩控釋肥在茶園中的推廣應用具有重要意義。

1 緩控釋肥的定義、作用機理及分類

廣義上，控釋肥料包括了緩釋肥料[14]，國際肥料工業(yè)協(xié)會將其定義為：(1)所含營養(yǎng)在施肥后能緩慢被植物吸收與利用；(2)比速效肥有更長的肥效。我國化工行業(yè)標準(HG/T 3931—2007)《緩控釋肥料》將其定義為：以各種調控機制使其養(yǎng)分釋放緩慢，延長植物對其養(yǎng)分吸收利用的有效期，使其養(yǎng)分按照設定的釋放規(guī)律和釋放期緩慢或控制釋放的肥料。狹義上，緩控釋肥分為緩釋肥料和控釋肥料，緩釋肥料是指施入土壤后肥料養(yǎng)分比普通化肥釋放緩慢的一類肥料[15]，其養(yǎng)分的釋放與作物吸收需求不一定同步[16]；控釋肥是指通過各種措施預先設定肥料只在作物生長季釋放的模式，使得養(yǎng)分的釋放規(guī)律與作物吸收同步[14]。

緩控釋肥養(yǎng)分釋放主要通過擴散機制[17]，土壤水分從包膜膜孔進入，溶解一部分肥料，通過膜孔釋放出來。當作物吸收養(yǎng)分時，肥料膜外側養(yǎng)分濃度下降，造成膜內外濃度梯度增大，肥料釋放速度加快，實現(xiàn)養(yǎng)分釋放與作物需肥規(guī)律一致[18]。另一方面，緩控釋肥的釋放還與溫度有關[19]，當溫度升高時，植物生長加快，養(yǎng)分需求量增大，肥料釋放速度加快；反之，肥料釋放速率變慢或停止釋放。

緩控釋肥的分類方式很多，按照其溶解性釋放方式通常分為3種類型[20]：物理障礙性因素控制的水溶性肥料(如包膜顆粒肥料和基質復合肥料)、微溶有機氮化合物(如脲甲醛和其它脲醛縮合物)、微溶性的無機化合物(如金屬磷銨鹽、部分酸化磷酸鹽等)。Fan等[21]根據(jù)釋放控制方式將緩控釋肥劃分為擴散型、侵蝕或化學反應型、膨脹型和滲透型。

表1 緩控釋肥的主要種類[20,22-25]

2 緩控釋肥對茶園土壤及養(yǎng)分的影響

2.1 改善茶園土壤結構，提高土壤保水保肥性

緩控釋肥對茶園土壤物理性質的影響研究主要是針對包膜材料對土壤透水性、田間持水量的作用。緩控釋肥采用的無機膜材料如沸石、硅藻土、硫磺等[26]，具有較大的孔隙度和比表面積，可以增大土壤表層的孔隙度，使土壤容重降低。緩控釋肥養(yǎng)分完全釋放后，殘膜作為非肥料成分，其在一定含量范圍內，可以改善土壤環(huán)境。戴九蘭等[27]經過室內殘膜強化實驗發(fā)現(xiàn)，殘膜量小于0.008 g/g時土壤的透水性較低，有利于提高土壤的田間持水量和保水性，當殘留量增加到0.01 g/g時，土壤透水明顯加快，田間持水量和保水性降低。對于施用緩控釋肥對土壤結構的影響還需要進一步研究證明。

2.2 緩控釋肥影響茶園土壤化學性質

2.2.1 對茶園土壤酸化的影響

相關研究報道施用緩控釋肥可以減緩茶園土壤酸化的進程。丁濟娜等[30]研究表明，相比較于施用尿素，茶園施用緩控釋肥可以減緩土壤pH值的下降趨勢。此外，化全縣等[31]研究發(fā)現(xiàn)，緩控釋肥的包膜材料如聚乙烯醇等隨肥料施入紅壤等酸性土壤中，可以使土壤pH值提高，緩解紅壤酸化的狀況。

2.2.2 對土壤養(yǎng)分含量的影響

緩控釋肥維持土壤養(yǎng)分平衡主要是通過減緩或控制養(yǎng)分釋放的作用，使養(yǎng)分無法一次性釋放，從而避免在降雨等作用下營養(yǎng)元素流失而造成土壤脫肥的現(xiàn)象。施用控釋肥后的土壤電導率維持在較高的水平，電導率與土壤溶液中含鹽量相關，在一定程度上電導率越高，土壤溶液中能被根系吸收的離子量越大[32]，土壤養(yǎng)分含量越高。

2.3 提高養(yǎng)分利用率

近10年來，我國茶葉產量隨著化肥施用量的增加而增長，但是單位肥料的增產率卻不斷降低，這主要是化肥利用率低造成的[1]。在我國，化肥的當季利用率不足40%，其中氮利用率約30%～35%，磷為10%～20%，鉀為35%～50%[44]?！笆晃濉币詠砦覈鴮π滦头柿霞哟罅搜芯苛Χ?，取得了較好的成果，如緩控釋肥。緩控釋肥的氮素利用率較普通肥料的利用率有明顯的提高，如緩釋復合肥的氮素利用率可提高11.4%[45]。有研究表明，控釋肥氮、磷、鉀的利用率可分別提高到55%～80%、35%～50%、60%～70%[11,46]。試驗表明，一次基施控釋肥技術在盆栽試驗中可以提高氮利用率12.2%～22.7%，磷素利用率提高7%～35%，小區(qū)試驗中氮素利用率為17.1%[47]。同時，緩控釋肥可以在較長時間內滿足作物對養(yǎng)分的需求。一般控釋肥施入土壤后9 d會達到釋放高峰，在9～50 d內可以保持較高的養(yǎng)分濃度水平，50 d之后，土壤中氮素供應量仍然充足[48]。戴建軍等[49]測得2種水溶性樹脂包膜控釋肥的肥效期分別高達280、353 d。

3 緩控釋肥對茶園土壤氮素流失的影響

氮肥利用率低、流失嚴重是茶園面臨的重要問題。我國茶園主要分布在丘陵地帶，地勢起伏，且春芽萌發(fā)期為多雨季節(jié)，雨水的沖刷不利于茶樹對肥料養(yǎng)分的吸收，易造成氮素的大量流失[50]；另一方面，土壤中的氮素通過N2O等溫室氣體釋放于大氣中。

3.1 減少茶園氮素徑流損失和淋溶損失

3.2 降低茶園N2O排放量

N2O是重要的溫室氣體，比CO2、CH4具有增溫潛勢更強和滯留時間更長的特點，對于氣候變暖有更大的推動作用[58]。農田N2O排放是近幾十年來大氣中N2O濃度上升的主要原因[59-60]。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報告指出，全球大氣中的N2O主要來自農業(yè)排放，占總排放量的80%[61-62]。

4 緩控釋肥對茶葉產量和品質的影響

在我國，緩控釋肥在花卉、果樹、作物、蔬菜等方面的試驗都取得了較好的效果(表2)。茶葉是我國主要的經濟作物之一，需肥量較大且以氮肥為主，近年來，科研工作者將緩控釋肥施用于茶園，對改善茶葉品質和提高產量有促進作用。

表2 緩控釋肥對不同植物的作用效果

4.1 改善茶葉品質

茶葉品質是茶葉中眾多化合物，特別是能溶于茶湯的物質對人類感官刺激的綜合效應。茶葉中的茶多酚、游離氨基酸、咖啡堿等物質直接影響茶葉品質，其中，茶多酚是茶湯濃度的主要物質，氨基酸是使茶湯鮮爽的主要物質，酚氨比(茶多酚/氨基酸)反映茶湯的醇度[83]。氨基酸含量越高，茶多酚含量適中，酚氨比降低，則綠茶品質較好[84]；咖啡堿對紅茶的口味影響較大[85]。施用緩控釋肥可以提高茶樹根系的活力，促進茶樹對氮和磷的吸收[33]，從而能夠顯著增加茶葉中氨基酸、咖啡堿含量[34,41]。付乃峰等[86]研究表明，施用茶葉專用控釋肥可以有效降低春茶的酚氨比，提高春茶的品質；而夏茶中咖啡堿的含量會減少，在一定程度上可以降低夏茶的苦澀味[87]。劉騰飛等[37]在茶園中施用硫包膜和樹脂包膜的茶樹專用控釋肥，發(fā)現(xiàn)可以提高茶葉中氨基酸的含量，使酚氨比降低，茶葉的鮮爽度和爽口性得到大幅度的提高，從而有利于提高綠茶的品質。

葉綠素是構成干茶和茶底綠色的主要色素[88]，茶葉中葉綠素的含量與土壤中氮素的含量相關，施用緩控釋肥能夠維持土壤中氮素含量的穩(wěn)定，有利于提高茶葉中葉綠素的含量，從而促進茶樹光合作用和營養(yǎng)物質的累積[34]，因此茶樹葉片顏色翠綠，芽頭持葉期較長，產生開花葉的現(xiàn)象較少，制成的鮮茶手感油軟，干茶能達到圓、光、直的要求[87]。同時，茶園土壤施用控釋復合肥后可以提高土壤中有效鎂的含量，鎂元素被認為是茶樹生長發(fā)育的第4要素，是葉綠素的重要組成元素，可以提高茶葉氨基酸含量[89]，與茶葉的品質和等級有著重要關系[90]。李元沅等[91]在茶園中施用茶葉緩釋肥，發(fā)現(xiàn)可以增加茶葉中硒、鋅含量，提高茶葉中營養(yǎng)物質的含量。

4.2 提高茶葉產量

黃高升[94]施用可控緩效茶葉專用肥，可使鐵觀音春、夏、秋、冬產量均有顯著提高。林閩法[95]在茶園中施用甲殼素控釋肥，包膜型甲殼素控釋肥可以明顯提高春、夏、秋、冬茶的產量，而包裹型甲殼素控釋肥對秋茶和冬茶的產量提高有明顯作用，對春茶和夏茶產量的提高并不明顯，原因是包裹性控釋肥的包裹層較厚，釋放速度相對更慢，在春、夏茶采摘期養(yǎng)分供應不足，但是其后勁較大，建議在施用過程中可以將包裹性和包膜型控釋肥結合施用。

5 總結與展望

綜上所述，緩控釋肥在茶園中施用可以協(xié)調土壤養(yǎng)分供應與茶樹吸收養(yǎng)分，有效提高茶葉產量和品質。但是，對于緩控釋肥在茶園施用的研究還較少，未來仍是重要的研究方向。

基于以上分析，對于緩控釋肥在茶園中應用研究應關注以下幾個方面：

(1)重點關注緩控釋肥在茶園中的施用方法、施用量以及最佳的施用時間。同時，加強研究各種營養(yǎng)元素綜合配比適用于茶樹的緩控釋復合肥的力度。目前，緩控釋肥的研究主要集中在氮素利用方面，茶樹的生長還需要P、K和各種微量元素，對其他元素的研究也是緩控釋肥未來研究的重點。

(2)隨著茶園土壤污染問題的日益突出，應重點關注緩控釋肥殘膜對茶園土壤的環(huán)境效應，研制適合茶園施用的可降解包膜材料。緩控釋肥包膜在一定含量范圍內可以改善土壤環(huán)境，但是其降解慢或者難以降解，最終會對環(huán)境造成危害。這一問題已引起了廣泛的關注，但是對茶園土壤的研究較少。

(3)加強研究緩控釋肥施入后對茶園土壤結構及物理性質方面的影響。茶園土壤的保水性、持水性、孔隙度都關系著茶樹根系的生長和營養(yǎng)物質的獲取，進而影響茶葉產量和品質。目前，針對緩控釋肥對土壤理化性質研究較少，對這一問題應提高關注。

(4)形成茶園肥料施用效果的評價體系。針對茶園土壤肥力、茶園環(huán)境效應、茶葉產量品質等指標，形成明確的評價標準，為茶園合理施肥的篩選提供科學依據(jù)。

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