脲醛緩釋化肥研究進(jìn)展

(1.南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院元素有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071 2.喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844006)

氮肥是最常用的一種化肥，能夠?yàn)檗r(nóng)作物生長提供重要的養(yǎng)分，提高作物產(chǎn)量。但由于施肥方法、灌溉、水土流失等原因，氮肥流失嚴(yán)重。有研究表明，我國氮肥的利用率不超過40%。氮肥在土壤中的存在形態(tài)不穩(wěn)定，主要以硝酸鹽和氨的形式存在，容易在雨水與日照下發(fā)生淋溶和揮發(fā)。目前市售的速效氮肥以尿素為主，尿素在酸性和堿性條件下都不穩(wěn)定，在施用過程中易因揮發(fā)和淋溶而以氨氣的形式釋放到大氣中。為滿足作物生長的營養(yǎng)需求，需要不斷追施速效肥。這樣不僅施用了大量化肥，使得氮素沒有得到充分利用，影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)，而且還污染環(huán)境。因此，開發(fā)新的能長期穩(wěn)定釋放氮養(yǎng)分，且具有高氮素利用率的緩釋化肥，具有廣泛的前景[1]。

1 脲甲醛的來源與使用

脲甲醛是尿素與甲醛通過化學(xué)縮合制得的難溶緩釋氮肥，含氮量一般為36%，不易發(fā)生淋溶與揮發(fā)。脲醛化肥的緩釋性能可以持續(xù)在作物生長期發(fā)揮作用，向作物不斷提供營養(yǎng)，因此能減少施肥頻次。脲醛緩釋肥是最早實(shí)現(xiàn)商品化的緩釋氮肥，1948年，美國科學(xué)家Clart等人合成了世界上第一個(gè)緩釋脲醛肥料，完成了較完整的實(shí)驗(yàn)室工藝流程，1955年，脲甲醛被作為一種商品肥料投入市場(chǎng)銷售。

上世紀(jì)，美國、歐洲、日本以及前蘇聯(lián)已經(jīng)投入使用脲醛緩釋肥，其占比可達(dá)緩釋肥總量的一半，主要應(yīng)用于園藝和草坪等。但由于脲醛緩釋肥的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，造價(jià)昂貴，在農(nóng)業(yè)上并未得到廣泛應(yīng)用。近年來，我國學(xué)者在脲甲醛化肥應(yīng)用于大田作物方面進(jìn)行了很多研究，并取得一系列成果[2]。

2 脲甲醛在大田作物中的應(yīng)用

脲醛緩釋肥作用機(jī)制見圖1。在適宜的溫度、濕度、pH值條件下，脲甲醛緩釋肥中難溶的羥甲基脲被微生物分解為尿素，并在脲酶的作用下釋放出NH4+，最終在亞硝化和硝化細(xì)菌的作用下，氮素轉(zhuǎn)化為能夠被植物吸收的氮養(yǎng)分。

圖1 脲醛緩釋肥作用機(jī)制

2013年，馬春雪[3]利用低甲醛脲醛合成工藝制備了脲醛樹脂-石膏-膨潤土材料脲醛肥料。在室溫pH值5.0條件下，利用脲醛與石膏材料配比1∶1.2(摩爾比)，再與膨潤土以3∶1(質(zhì)量比)混合，可以制備出具有良好抗水性能的緩釋氮肥材料。該脲醛緩釋肥料在3次淋溶后,氮素仍然能持續(xù)釋放，具有良好的緩釋性能。缺點(diǎn)是生產(chǎn)過程中脲醛反應(yīng)體系易成團(tuán)，不能一次完成造粒，而且當(dāng)脲醛與石膏結(jié)合后，必須要在2h內(nèi)使用，長距離的運(yùn)輸與儲(chǔ)存有諸多不便，極大限制了其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。

2000年，陳易飛[4]研究了6種不同脲甲醛緩釋肥料對(duì)水稻和小麥產(chǎn)量的影響，脲醛肥編號(hào)原則基于反應(yīng)時(shí)尿素與甲醛的比例以及甲醛的濃度，兩期實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。研究表明，脲甲醛1號(hào)緩釋性能強(qiáng)，但是水溶性差，對(duì)小麥的增產(chǎn)效果優(yōu)于水稻，對(duì)稻麥的總增產(chǎn)率為2.4%，相較尿素，氮素利用率增加了2.9%，但脲甲醛1號(hào)的氮含量與尿素相比差別不大，而脲醛緩釋肥的價(jià)格昂貴，單獨(dú)施用僅增產(chǎn)不增收。脲醛4-6號(hào)肥緩釋性能稍弱，但與尿素相比，對(duì)小麥和水稻的增產(chǎn)效果優(yōu)異，對(duì)稻麥的總增產(chǎn)率平均可達(dá)13.8%，氮素利用率提高了14.2%～20.8%，投入產(chǎn)出比可達(dá)1∶3.66，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 施用不同脲甲醛肥料對(duì)稻、麥產(chǎn)量的影響

高產(chǎn)冬小麥對(duì)氮素吸收的規(guī)律呈現(xiàn)“M”形，為實(shí)現(xiàn)小麥的高產(chǎn)，氮素追肥應(yīng)在分蘗期和拔節(jié)-孕穗期[5]。2017年，楊軍芳[6]研究了不同配比速效氮與緩釋氮的脲醛緩釋肥料對(duì)冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)尿素與脲甲醛緩釋肥料1∶1配施時(shí)，一次性底施后所得的冬小麥的產(chǎn)量與等含量尿素一次底施，兩次追施無顯著差異。兩種施肥方式相比于不施用氮肥，產(chǎn)量分別提高了22.5%和21.2%。由此可見，脲甲醛與尿素1∶1配施,氮源配比合理，肥效遲速兼?zhèn)洌c小麥需肥周期大致符合，一次性施肥省時(shí)省工，能大幅提高小麥的產(chǎn)量水平。

在小麥生長過程中，如果肥料氮素釋放過快，容易引起小麥貪青晚熟，莖葉徒長。如果肥料氮釋放過慢，則會(huì)造成氮素供應(yīng)不足，影響小麥的產(chǎn)量和質(zhì)量。2017年，周華敏[7]探究了常規(guī)施肥(尿素基施CCF1)、基肥加兩次追肥(尿素基施，尿素追施：CCF2)以及不同總氮占比的脲醛緩釋摻混肥對(duì)小麥生長的影響及經(jīng)濟(jì)效益。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脲醛占總氮50%時(shí)，能促進(jìn)小麥在全生育期對(duì)磷的吸收與積累以及生長后期對(duì)鉀的吸收和運(yùn)輸，能夠很大程度上提高小麥的品質(zhì)。與CCF2相比，小麥增產(chǎn)11.36%，每公頃純收入增加了1 582元，增產(chǎn)增收效果優(yōu)異。因此，合適的脲醛氮素比例能提高氮素利用率，且兼具良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2017年，陸世忠[8]報(bào)道了施用“施可豐”脲醛緩釋肥料與普通復(fù)合肥料對(duì)水稻的產(chǎn)量及收益的影響。研究結(jié)果(見圖2)顯示，緩釋肥減氮處理較習(xí)慣施肥產(chǎn)量增加了13.7%，每公頃增收達(dá)3 801.75元。由此可見，“施可豐”脲醛緩釋肥對(duì)水稻的增產(chǎn)增收有較好的效果。

圖2 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量以及收入的影響

2017年，李飛[9]研究了施用普通氮肥與脲醛緩釋肥料對(duì)水稻產(chǎn)量以及氮肥利用率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。研究發(fā)現(xiàn)，一次性施入脲醛復(fù)合肥能較不施肥增產(chǎn)26.4%～32.2%，高于農(nóng)民慣用施肥的增產(chǎn)量(25%)；在減氮10%～15%的情況下，使用一次性施入脲醛復(fù)合肥的方式較“一基一追”的施肥方式，水稻產(chǎn)量提高了1.1%～2.2%，基本與“一基一追”施肥方式的產(chǎn)量相當(dāng)。一次性施用脲醛復(fù)合肥能較“一基一追”施肥方式提高氮肥利用率5.68%～11.72%，其中，處理3的氮肥利用率可達(dá)33.21%。說明脲醛緩釋氮肥在保證產(chǎn)量的同時(shí)，既可以減少氮肥的投入，又能節(jié)約追肥的人工成本。

表2 不同處理下水稻產(chǎn)量增量以及氮素利用率

注：處理1，不施氮肥；處理2，15-15-15復(fù)合肥基施，分蘗期追施尿素；處理3，全量一次性施用尿素∶脲醛(U∶F)=7∶3的復(fù)合氮肥；處理4，90%全量處理3中的UF用量；處理5，85%處理3中UF的用量。

3 脲甲醛在經(jīng)濟(jì)作物中的應(yīng)用

香蕉比一般果樹需肥量大，全年追肥10～15次。2012年，曲均峰[10]研究了脲醛緩釋肥與尿素對(duì)香蕉的品質(zhì)以及產(chǎn)量的影響。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，中海石油化學(xué)股份有限公司自制的脲醛緩釋肥在與速效肥等氮含量、3次施肥的條件下，香蕉產(chǎn)量依然增加，株高和單果重等農(nóng)藝性狀也有所提高。其中，香蕉中可溶物固含量、可溶性糖及Vc含量與未施肥的香蕉相比稍有降低。而市售大顆粒尿素與市場(chǎng)采購的小顆粒尿素在施肥8次的條件下，與脲甲醛緩釋肥料肥效相當(dāng)。由此可見，脲甲醛的使用降低了施肥次數(shù)，增加了果實(shí)產(chǎn)量，有助于降低成本。

菠蘿的生長周期長達(dá)18個(gè)月，在生長后期由于“封行”，使得追施化肥成為難題。2013年，曲均峰[11]研究了不同施肥比例與施肥方案對(duì)菠蘿產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，80%全氮3次施脲醛緩釋肥較5次施用普通尿素(PU)，菠蘿減產(chǎn)2.8%；分3次全氮量施用脲醛化肥較5次施用PU，菠蘿產(chǎn)量增產(chǎn)3.6%，由此說明，氮養(yǎng)分含量影響菠蘿產(chǎn)量。與不施肥(CK)對(duì)照，發(fā)現(xiàn)施用脲醛肥后菠蘿的果長、果周、單果質(zhì)量都有大幅提升，說明施入脲醛緩釋化肥有助于改善菠蘿的品質(zhì)。

2015年，何佩華[12]發(fā)現(xiàn)脲醛緩釋復(fù)混肥能顯著促進(jìn)花菜生殖生長、增大花菜的直徑和提高產(chǎn)量。在施肥量相同的條件下，不同比例脲醛復(fù)混肥較常規(guī)速效肥氮素利用率能增加6.44%～19.83%，肥效顯著，而且只需一次施肥便能滿足花菜生長的需要，說明緩釋肥與速效肥摻混使用不僅可以提高肥效，提高花菜產(chǎn)量與生殖性狀，還能減少人工成本。

甘蔗生長期較長，需肥量大，在整個(gè)生長周期內(nèi)對(duì)氮肥的需求比較均衡，但傳統(tǒng)的氮肥具有揮發(fā)性和水溶性，雨水沖刷和日照條件下容易流失，因而氮損失較為嚴(yán)重[13-14]。脲醛緩釋肥難溶于水，難揮發(fā)，其中的氮素可隨時(shí)間緩慢釋放，為作物生長持續(xù)提供養(yǎng)分。2017年，許樹寧等[15]研究了兩種不同的脲醛緩釋肥料(綠茵脲醛緩釋復(fù)合肥和住商脲醛緩釋復(fù)合肥)對(duì)甘蔗生長的影響。研究結(jié)果表明，兩種緩釋肥在采用2次施肥的條件下，較常規(guī)3次施肥，產(chǎn)量增加了8.1%～8.7%，單位面積糖增產(chǎn)11.9%，增效成果優(yōu)異(見表3)。

表3 各處理甘蔗糖分比較

2019年，鄭富海等[16]研究了不同施用比例的脲甲醛泡沫肥料對(duì)香石竹質(zhì)量的影響。研究表明，當(dāng)施用脲甲醛泡沫為6.05kg/m3時(shí)，與不施肥(CK)相比，總根長增長4.2%，根直徑增長10.1%，根表面積增長19.9%，促進(jìn)香石竹生長效果明顯。同時(shí)，該配方下香石竹的積累量明顯增加，說明脲甲醛泡沫肥料有助于提高香石竹的品質(zhì)。

2019年，苗志偉研究了廣東太爾膠粘劑公司生產(chǎn)的固態(tài)與液態(tài)脲醛緩釋肥料對(duì)油菜、小白菜和秋播大白菜產(chǎn)量以及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，固體脲醛緩釋肥與普通復(fù)合肥施用在大麥上，效果差異并不顯著。脲醛緩釋肥料對(duì)油菜產(chǎn)量影響的研究結(jié)果見表4，研究發(fā)現(xiàn)，在使用固體脲甲醛緩釋肥以后，相比于不施肥(CK)，油菜產(chǎn)量增加59.5%，相比于普通肥料，產(chǎn)量增加了8.7%。使用液態(tài)脲甲醛緩釋肥后，相比于不施肥(CK)，油菜產(chǎn)量增加了34.4%，相比于普通肥料，產(chǎn)量下降8.4%，由此可見，針對(duì)油菜作物，固體脲醛緩釋肥釋放周期能更好地適應(yīng)油菜的生長歷程，提高油菜產(chǎn)量。

表4 不同脲醛緩釋肥對(duì)油菜產(chǎn)量的影響

4 結(jié)語

脲醛緩釋肥具有一次施肥、無需追施的優(yōu)點(diǎn)，省時(shí)省工，能有效降低人力成本，增加農(nóng)民收入，是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的化肥“減量增效”、“精準(zhǔn)施肥”優(yōu)先推薦的肥料品種之一。脲醛肥料中氮素的釋放有賴于微生物的分解，而氮的釋放受到土壤性質(zhì)和外界條件(溫度、濕度等)的影響，因而開發(fā)能適應(yīng)不同環(huán)境條件的脲醛緩釋肥是急需解決的關(guān)鍵問題。未來隨著我國農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，脲醛緩釋肥必將迎來新的更快的發(fā)展。