緩/控釋化學肥料研究進展

趙 蕓，丁曉麗，范東升，趙彥梁，苗志偉，

(1.南開大學化學學院 元素有機化學國家重點實驗室，天津 300071；2.喀什大學化學與環境科學學院，新疆 喀什 844006)

中國是世界上最主要的化肥生產與施用大國。近年來，我國化肥工業飛速發展，農產品需求的激增導致化肥的需求量急速增長。有關資料顯示，我國化肥平均施用量為 346.5 kg/hm2，超過歐美國家的2倍，遠超國際標準，肥料利用率低于40%。據世界糧農組織(FAO)統計，糧食增產50%以上的貢獻來自肥料的使用。化肥的大量使用滿足了人類對糧食的需求，但是普通化肥的大量施用，不僅會引起農產品品質的降低，還會引起土壤板結、水體富營養化、大氣污染等環境問題。緩/控釋化學肥料因施用量小、肥效利用率高、改良土壤環境等優點，受到了研究人員的廣泛關注[1,2]。

我國化肥利用率低下的原因之一，是化肥在施用到土壤后不能被作物有效吸收。施用到土壤中的化肥一部分下沉形成固氮(約40.59%)，一部分通過地表蒸發進入大氣環境中(約22.72%)，被作物正常吸收部分僅占26.17%，另外，田間雜草吸收10.50%(見圖1)。為了使肥料養分釋放時間以及強度和作物的需求達到平衡，必須對肥料養分的釋放進行有效控制，讓肥料釋放養分的時間和強度與作物的養分吸收規律相吻合，保證植物的養分供給，提高作物產量。

圖1 化肥利用率扇形圖

1 緩/控釋化學肥料

1.1 緩/控釋化學肥料的概念與區別

廣義來說，緩/控釋化學肥料是指其營養釋放速度相對遲緩，釋放時間可控，釋放期較普通化肥更長，且在作物生長的全部時期都能滿足其生長所需營養的肥料。國際糧農組織將“緩釋肥”(Slow release fertilizers，SRFs)定義為以物理或化合物形式存在的、營養成分能緩慢地被農作物吸收，并且能使其有效性延長的高效肥料。“控釋肥”(Controlled availability fertilizers，CAFs)的定義為不僅能夠緩慢釋放，其養分的釋放速率受植物本身生長的影響，即作物對養分的需求與養分釋放速度基本保持一致[3]。

狹義上“緩釋肥”與“控釋肥”各自具有不同的定義，緩釋肥又稱長效肥，通過在普通肥料表面包裹一層特殊的材質，達到降低養分釋放速率的效果，使得養分能夠滿足農作物在生長期的需求。控釋肥是更先進的緩釋肥，是指通過更加有效的包膜材質，滿足農作物在不同生長時期對養分不同含量的需求，即需求多少，釋放多少，使得肥料的利用率更加高效[4]。

1.2 緩/控釋化學肥料的標準

1997年，歐洲標準委員會(European Standards Committee，CEN)公布了緩釋肥料(TC260/WG4/TFsrf)的標準[5]，若在25C下養分釋放能滿足以下條件，則該肥料為緩釋肥料：①24h養分釋放不超過15%；②28d養分釋放不超過75%；③在植物生長周期規定的時間內，肥料養分至少有75%的釋放量。根據緩/控釋化學肥料的控釋原理，主要分為物理法、化學法和生物法三類。

2 緩/控釋化學肥料類型

2.1 物理法緩/控釋化學肥料

物理法緩/控釋化學肥料主要是應用物理障礙因素阻礙水溶性肥料與土壤中水的接觸, 從而達到養分控釋的目的。這類肥料以親水性聚合物包裹肥料顆粒或把可溶性活性物質分散于基質中，通過簡單微囊法和整體法的物理過程處理肥料，從而達到緩釋目的。

早在1907年，國外就提出包膜肥的設想，1961年TVA公司選用硫包膜，瀝青二次包膜制備出抗水性優良的包膜肥用于農業生產[6]。其中，單體硫作為涂層，能包裹肥料中的養分，同時，硫在空氣中被緩慢氧化的過程，也是涂層內養分釋放的過程，硫變成硫酸鹽被作物吸收。該薄膜肥價格低廉，能有效控制肥料的成本[7](見圖2)。

圖2 硫包膜化肥示意

我國的農業專家同樣在薄膜肥領域開展研究工作，2014年，王晶[8]利用具有緩釋作用的殼聚糖作為薄膜材料制備包膜肥，探究其緩釋性能。表征結果顯示，當選用殼聚糖、殼聚糖-戊二醛雙層包膜時，化肥緩釋效果最好，24h氮釋放量為43.1%，28d累積氮含量釋放超過60%。

2018年，王海燕[9]利用聚乳酸作為包膜材料包埋無機肥，研究其緩釋性能。研究結果表明，所制備的緩釋肥在24h養分釋放量為3.4%，28d后釋放量為45.1%，滿足國家標準GB/T 23348-2009規定的24h和28d養分釋放率分別不超過15%和75%的要求。利用聚乳酸包膜材料制成的緩釋肥緩釋周期可達到歐美緩釋肥行業標準，基本符合作物生長的需肥曲線，能滿足作物的生長需求。同時，聚乳酸可在微生物作用下，緩慢分解成二氧化碳和水，極大地降低了環境污染。該包膜肥的缺點是聚乳酸價格比較昂貴，需要進一步優化聚乳酸的生產工藝，以降低成本，滿足包膜肥的生產需求。

2007年，王茹芳等[10]研究了摻混型緩釋肥對小麥的影響。結果表明，施用摻混型緩釋肥較常規化肥，能增產24 %，同時使小麥中氨基酸含量提高了21%，可溶性糖含量超過50%。研究發現，通過使用摻混速效肥和緩釋肥，有效控制了氮素的釋放速率，提高了養分的利用率，從而改善作物品質。

包膜控釋肥養分控釋效果好, 我國開發的包膜肥主要集中于氮肥，但氮素被包裹后往往導致作物生長前期養分不足，如果在使用速效氮肥的同時，配合磷肥和鉀肥共同使用，效果更好[11]。

2.2 化學法緩/控釋化學肥料

化學法緩/控釋化學肥料主要通過化學合成方法生產緩溶性或難溶性的肥料, 將肥料直接或間接地以共價鍵或離子鍵形式添加到預先形成的聚合物上，構成新型緩釋肥料聚合物。

2016年，曲均峰等[12]對比了含不同氮比例的脲醛緩釋肥與普通復合肥的肥效，研究表明，在減少20%脲醛緩釋肥施用量時，能小幅提高小麥的產量，肥效的綜合利用率得到明顯提升。同時，研究指出，當脲醛中氮比例增加時，肥料的時效明顯延長，使用脲醛緩釋肥明顯增加了小麥的有效穗數，進而提高作物產量。

2017年，楊軍芳等[13]研究了脲甲醛緩釋肥對小麥產量的影響，研究結果表明，在施用等量養分的條件下，脲甲醛與尿素(質量比1:1)1次底施與普通復合肥3次施肥相比，小麥產量差別不大，但前者的養分利用率明顯超過后者。脲甲醛摻混肥能有效省時省工，降低肥料用量，但脲甲醛價格昂貴，限制了其大面積推廣使用。

2018年，苗志偉等[14]以磷酸和尿素為原料，通過聚合反應合成了聚磷酸銨緩釋肥料，聚磷酸銨作為高濃度氮磷肥料，可以有效提高氮磷利用率，促進作物吸收，降低化肥使用量，該研究成果為降低緩釋肥生產成本提供了新的選擇。聚合反應的反應方程式如下：

草酰胺(CONH2)2含氮量為31.8%，微溶于水，具有原料成本低、生產方法簡單、降解無毒等優點，可用作緩釋肥。2015年，沈文忠等[15]報道在同等施肥量的條件下，草酰胺能促進水稻增產1%～9%，當草酰胺使用量降低30%時，單次施肥仍然能夠保證水稻產量無大幅降低，可以在水稻生產中有效降低化肥使用量和人工成本。

德國的緩釋肥產品“富勞利得”是利用丁烯叉二脲(CDU)與單質肥料混合復配制得，經試驗證明，CDU的后續肥效高于脲甲醛[16]。丁烯叉二脲是化工生產中常用的原料，生產成本較高，我國化學家陳昂以尿素和電石廠生產乙醛產生的廢液為原料，成功合成了純度較高的CDU，該工藝簡單易行，能變廢為寶，價廉環保[17]。

2.3 生物法緩/控釋化學肥料

生物法生產緩/控釋肥料工藝簡單，成本較低，但是單獨使用時養分控釋效果不穩定, 肥效期較短, 往往需要借助于肥料的物理化學加工和化肥深施技術，才能獲得較好的施肥效果。

2011年，胡可等[18]研究菌劑加入緩釋肥中對土壤的影響。研究結果表明，菌劑與緩釋肥配施，能明顯改善土壤的微生物活性和均勻度，恢復和提高土壤的生態功能。而且，經該肥料處理的高粱發芽率高于80%，對植物無毒無害。

2015年，陳序根等[19]利用酶硝化雙抑制劑制備的緩釋肥施用于番茄植株，研究者開發了兩類不同的緩釋肥：①加入雙氰胺(硝化抑制劑)和N-丁基硫代磷酰三胺(脲酶抑制劑)的緩釋肥(TSRF1)；②加入氫醌(脲酶抑制劑)和雙氰胺的緩釋肥(TSRF2)。這兩類緩釋肥均能有效降低氮素累積釋放量，而且能促進營養成分的吸收，進而提高氮、磷、鉀的利用率。其中，TSRF1能使番茄產量提高30%。

2015年，孫會峰等[20]研究了秸稈與緩釋肥配施對水稻氮素吸收量和產量的影響。研究結果表明，與常規施肥相比，秸稈與緩釋肥配施有效穗數增加7.5%～23.6%，千粒重也有所提高，水稻增產13.4%～17.8%，稻粒中淀粉和氨基酸含量也明顯增多，氮素利用率提高至71.6%～77.6%，施用效果極佳。圖3中列出不同施肥方案下的水稻產量，其中，秸稈與緩釋肥配施對水稻增產效果明顯。

圖3 不同施肥方案下的水稻產量

3 不同類型緩/控釋化學肥料的應用

提高化學肥料利用率的重要手段之一，是發展以緩/控釋肥為主的新型肥料，該肥料具有多營養、能夠全降解的特征，對比普通速溶性化學肥料，其在提高作物產量、改善果實品質以及減少環境污染方面具有顯著效果。

2013年，朱國梁等[21]研究發現，在施用等量的氮、磷、鉀養分的條件下，緩釋尿素(CRU)和緩釋肥(CRF)較常規復合肥(CF)能提高黃瓜的維生素C(Vc)含量和可溶性蛋白質含量，并且能顯著降低硝酸鹽的含量，降低果實內的硝酸積累，提高果實品質。其中，CRF-B(緩釋周期為120d)的緩釋肥氮、磷、鉀的利用率最高，綜合效果最好。

2015年，黃振瑞等[22]研究了兩種緩釋肥T1(與常規肥等養分含量)和T2(較常規肥降低20%養分含量)對甘蔗生產的影響。研究發現，T1在成熟期較常規施肥能顯著提高甘蔗干物質積累量，T2較常規施肥能提高9%的氮素利用率。采用“一基一追”緩釋肥，有效提高了甘蔗產量，而且減少了一次施肥量。當使用養分含量降低20%的緩釋肥時，甘蔗產量仍然不低于常規施肥。

2019年，周茂林等[23]在一次性施入等量氮肥的條件下，進行玉米的田間試驗。研究表明，“沃夫特”、“百事達”、“史丹利”三種緩釋肥料較常規氮肥分別可增產11.03%、8.43%和3.84%，且能明顯提高植株高度。由此可見，選用適宜的緩釋肥能有效簡化施肥程序，提高生產效益。圖4顯示不同化肥處理下玉米產量比較結果。

圖4 不同化肥處理下玉米產量比較

注：折合產量/(kg/hm2)

4 結語

緩/控釋化學肥料的應用已成為減少環境污染和提高化肥養分利用率的重要手段之一，緩/控釋化學肥料正在向著高效、環保、價格低廉、可降解等方向發展。未來緩/控釋化學肥料將主要圍繞以下三方面開展研究：①緩/控釋化學肥料的養分釋放周期與作物的生長周期能否吻合；②新型高分子緩/控釋化學肥料的研究與開發；③開發高養分含量緩/控釋化學肥料，有效提高氮磷利用率，促進作物吸收，降低化肥使用量。未來隨著國家對農業生產“肥藥雙減”目標的進一步要求，緩/控釋化學肥料一定會迎來發展的大好機遇。