新型緩控釋增效肥研究進展和發展前景

岳煥芳，王克武，孟范玉，安順偉，胡瀟怡，王志平

（北京市農業技術推廣站，北京 100029）

化肥對于我國糧食的豐收增產起到了40%以上的作用。我國的化肥種類多種多樣，2016年我國化肥施用量為5 984.1萬t（按折純法計算，數據來源于農業農村部年報）；但是我國的肥料利用率平均僅約為30%，遠低于國際水平。糧食增產及農業綠色發展的需求與傳統化肥的矛盾，需要新型化肥產品來解決，2015年我國啟動化肥減施增效行動，頒布了“到2020年化肥使用量零增長行動方案”等系列文件，減少化肥用量，提高肥料利用效率，勢在必行。通過研發新型緩控釋增效肥相關技術和產品，解決化肥發展過程中遇到的問題，將會是肥料研發重點之一。

1 新型緩控釋增效肥簡介

1.1 新型緩控釋增效肥定義

對于緩控釋肥的定義不同學者各有自己的見解，美國作物營養協會給出的定義是：所含養分比速效肥具有更長肥效的肥料，主要是從肥料養分釋放速度方面給出界定。國際肥料工業協會則將緩控釋肥分成尿素與醛類的縮合物和包膜肥料兩大類。傳統的緩控釋肥主要是通過降低養分釋放速度實現化肥養分的長效供應，新型緩控釋肥首先可以實現肥料的養分釋放速率與作物養分吸收同步，通過新型包膜材料或者納米技術，實現養分釋放速度的可控性；其次，通過添加信號物質，實現植物和化肥的互動，緩控釋肥可以識別植物釋放的養分需求信號，從而實現養分供應。所以，新型緩控釋肥應該是將化肥制造和植物營養有機結合，將植物養分需求規律作為主導因素，采用新型的技術手段實現養分的按需供給，從而提高肥料利用率和施用效果的新型肥料。

1.2 新型緩控釋增效肥研發背景

新型緩控釋肥的研發和推廣，是在技術和時代大背景下衍生的必然趨勢。國外對于緩控釋肥的研究起步較早，至今已有50余年的歷史，已經有成熟的硫包衣和聚合物包膜等產品，主要用在園藝和草坪等高端經濟作物上，價格普遍較高。我國緩控釋肥起步較晚，20世紀60年代末，南京土壤研究所最早開始相關研究，成功研制出碳酸氫銨粒肥[1]，2015年，我國緩控釋肥產能從2001年的6.5萬t，變為300萬t，平均每年增加30%[2]。從20世紀90年代開始，緩控釋肥成為研究熱點，我國緩控釋肥行業經過50余年的發展，技術已經逐步成熟，同時我國化肥行業整體面臨著嚴峻的考驗，普通化肥產能過剩，結構不合理，以尿素為例，2013年國內尿素產能富余1 200萬～1 400萬t。具有高效、高產、生態、環保優勢的緩控釋肥代表了肥料重要發展方向之一，未來市場前景可期。

1.3 新型緩控釋增效肥優缺點

新型緩控釋肥通過新型包膜材料，采用納米技術，添加特殊物質等方法，延緩養分釋放，并根據作物養分需求規律，進行特定養分的釋放，一方面通過減少施肥次數，節省人工，根據作物需求釋放養分，可以提高肥料的吸收利用效率；另一方面可以減少養分流失，降低農業面源污染。但是，目前新型緩控釋肥發展也存在一定的局限性：第一，新技術新產品大部分還處于試驗示范階段，能得到大范圍推廣應用的少之又少；第二，價格偏高，與普通肥料相比，每667 m2增加幾十元甚至上百元的成本，種植戶無法接受。所以，目前緩控釋肥占肥料總消耗量的比重偏低，僅約為1%。

2 新型緩控釋增效肥研究現狀

目前產業化應用較多的緩控釋肥包括脲醛類緩釋肥、硫包膜肥和聚合物包膜肥等，近些年隨著技術的進步，越來越多的新型材料和技術被用于緩控增效肥產品，比如新型包膜材料的開發應用，用于解決傳統包膜材料價格貴、養分控制不是很理想、材料降解不完全等問題；納米技術的應用，改變養分釋放效率；通過添加信號物質，利用生物學的方法提高利用效率。

2.1 新型包膜緩控增效肥

包膜緩控釋肥是以顆粒化肥為核心，利用各種包膜材料，采用物理或者化學的方法給肥料打造一個微囊，延長肥料養分釋放時間。新型包膜材料可以控制肥料養分按需釋放，根據作物的養分需求規律供給養分，而這其中包膜材料是起到關鍵因素的物質，包膜材料的組成、厚度、膜孔隙度等指標對于緩控釋肥效果起到至關重要的作用。

2.1.1 新型無機包膜材料

無機包膜材料是研究歷史最長，也是目前應用較為廣泛的包膜材料，以美國的包硫尿素為代表。目前，硫包衣在緩控釋肥中仍占據重要地位，它為作物緩慢釋放養分含量的同時，可以補充硫元素，還可以起到殺菌等作用。但是硫包衣可能會在土壤中轉化成硫酸，造成土壤酸化。如果在水田使用，還可能在厭氧環境中轉化成硫化氫等有害物質[3]。

可以作為新型包膜材料的物質，應用最多的是孔隙度大和表面活性高的天然物質。硅藻土具有吸附性好、松散密度小、多孔等優點，可以實現保肥和緩釋、延長肥效的功能，是一種比較理想的新型包衣材料。沸石是一種內含沸石水、堿金屬Na、K和堿土金屬Ca的鋁硅酸，可以起到保氮、減少磷固定的作用，同時含有鉀和微量元素，是一種良好的新型無機包膜材料。紀銳琳等[4]利用竹炭和高分子聚合物作為新型包膜材料，取得了良好的效果。高表面活性礦物膨潤土、松香、羧甲基纖維素鈉等物質都曾被用于新型包膜材料。“肥包肥”是一種新型的包膜形式，是由鄭州大學許秀成教授首先開發研究的[5]，通過這種方式可以有效地減緩氨的揮發，增加碳銨肥料的利用率。鈣鎂磷肥、酸化磷礦和金屬磷酸銨鉀鹽都被成功作為包膜材料，并應用于生產。

2.1.2 新型有機包膜材料

采用有機物作為包膜材料，可以較好地控制膜層，目前有機包膜材料主要可以分為天然和人工合成兩大類。可以作為有機包膜材料的天然物質包括：瓜爾膠、木質素、阿拉伯膠、殼聚糖、腐植酸、明膠、植物油、海藻酸鈉、天然橡膠、纖維素和淀粉等，具有來源廣、穩定、無毒、成膜性好等優點，但是也存在容易被生物降解，影響控釋效果的問題，一般需要改性后再使用，比如殼聚糖是由甲殼素脫乙酞基得到的一種衍生物，具有良好的成膜性，且無毒無污染，是一種良好的天然有機包膜材料。

合成有機包膜材料又分為半合成和合成兩大類，半合成是指各種天然聚合物經過石化反應產品結合等措施，改性后形成的一類聚合物[6]，以纖維素的衍生物為主，具有黏度大、成膜性良好和易水解的優點；合成有機包膜材料包括：三聚酞胺、環氧聚酷、聚苯乙烯、聚乙烯、有機硅聚合物、尿醛樹脂、聚酞胺、氯乙烯－醋酸乙烯共聚物、合成橡膠等，應用比較多的是美國的Osmocote和日本的Meister兩類聚合物包膜材料，即美國ADM公司是有機高分子聚合物包膜尿素，日本則是以聚烯烴為主體，再加入一些高分子聚合物進行共聚的產物。合成有機包膜材料薄而均勻，韌性好，適用于機械化施肥，同時可以實現養分釋放的可控性。但是，也存在包膜材料在土壤中降解緩慢，價格偏高等問題。

2.1.3 可降解新型包膜材料

包膜肥料在養分釋放完以后，包膜材料如果殘留在土壤中，不容易降解，日積月累，將會對農業環境、土壤造成嚴重的影響，因此可降解新型包膜材料逐漸成為研究熱點。天然可降解的材料有很多，包括淀粉、纖維素、木質素、甲殼素、殼聚糖、糖聚合物、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、藻朊酸鹽等，國內外學者在使用天然可降解物質作為包膜材料方面也做了很多探索，日本學者以淀粉作為黏結劑，用稻米殼粉包裹硫酸銨，印度學者從楝樹油脂中提取出凝膠物，可以實現控制養分釋放和抑制硝化作用的功能。

由于淀粉等這些天然物質分子中大多含有羥基及其他極性基團，容易形成氫鍵，造成難溶，耐水性、柔韌性差等問題；所以，利用這些天然可降解的材料與不可降解的包膜材料進行合成改性，可達到良好的降解效果。聚乙烯醇是一種常見包膜材料，常被用作改性對象，日本學者在聚烯烴類包膜材料中添加光氧化劑——醋酸鐵，實現包膜材料的可降解；陳松嶺等[7]以殼聚糖為改性劑、二氧化硅為添加劑對聚乙烯醇進行改性，研發出具有良好的生物降解性的包膜材料。Zou等[8]采用檸檬酸對聚乙烯醇進行改性，提高包膜材料的降解度。另外，還有聚合物溶液包膜和光降解材料包膜[9]，以及利用工農業廢棄物和活性礦物開發的環境友好型包膜控釋肥料。

2.2 納米緩控增效肥

納米技術是20世紀80年代興起的一項高新技術，被譽為21世紀的第3次工業革命，納米材料由于具有小尺寸效應和表面界面效應等特性，可以大大提高肥料利用效率，同時減少肥料對土壤和環境的污染。在2002年，由中國農業科學院土壤肥料研究所張夫道研究員首先提出了納米肥料概念，并提出了納米肥料的制備工藝，被列入國家“863”高科技發展計劃項目。經過10余年的發展，國內外學者在納米肥料領域已經取得了很大的進步。根據肥料結構和效應，將納米肥料主要分為4大類：納米結構肥料、納米膠結包膜肥料、納米碳增效肥料和納米生物復合肥料[10]。

2.2.1 納米結構肥料

納米結構肥料是指采用納米技術將普通的氮肥和磷肥制備成納米級肥料，或者是將土壤中難溶解的磷礦石等天然營養礦石，采用高能球磨或液相沉淀法技術做成納米結構肥料；納米結構的尺寸在50～80 nm，肥料復合組分和養分均達到納米級標準。納米肥料的小尺寸效應，使其具有帶磁效應，促進養分被作物吸收；納米肥料的表面效應，增大肥料的表面能，也可以提高肥料的施用效果；同時，納米肥料還可以提高作物多種酶的活性，促進生長[11]。

國內外學者在馬鈴薯、甜菜和玉米等作物上開展了很多納米結構肥料效果試驗，證實了水懸浮納米分散鐵粒可以提高作物產量。Zheng等[12]采用納米二氧化鈦提高了菠菜的發芽率。國內學者利用納米結構技術，對鈣、硅和鋅等微量元素進行了效果試驗，證實該技術可以提高營養元素吸收利用效率，促進作物生長。納米技術應用在蘋果和花生上，可以促進鈣的吸收利用，利用納米TiO2、SiO2肥料，可以促進大豆根系活力；但是，大部分試驗還是以效果應用為主，對于肥料作用機理方面的研究仍不足。

2.2.2 納米膠結包膜肥料

納米膠結包膜肥料是指使用腐植酸、納米高嶺土、納米蒙脫土、納米沸石、納米風化煤、高分子樹脂、淀粉等納米材料，制備膠結包膜，將顆粒肥包裹。納米肥料膠結包膜劑膠團直徑小于100 nm，小尺寸效應使得肥料帶有磁性，促進養分的吸收利用；同時納米膠結包膜劑具有較高的膠體穩定性和優異的吸附性能，可以促進作物持續吸收養分；納米材料獨特的物理化學特性，還可以有效刺激植物，促進作物代謝，改善其生長環境[13]，可以有效解決普通緩控釋肥養分釋放速度過快，不能與作物養分吸收利用規律一致，肥料容易固定、揮發，包膜材料難降解等問題。

王署娟等[14]利用膨潤土能強烈吸附尿素和NH4＋，并且具有控釋作用和保水保肥的效果，制備納米膨潤土包膜尿素，證實可極顯著地提高小白菜的產量，并可提高N、P、K養分累積量和氮肥利用率；杜杰等[15]以多壁碳納米管為改性材料制備水基聚丙烯酸酯復合材料，研制出包膜尿素，有效地減少了養分釋放速率，延長了控施期。李麗霞等[16]利用納米TiO2與低密度聚乙烯（LDPE）復合形成包膜液，制備成具有光催化活性的納米包膜控釋肥，有效延長釋放期，經紫外光照射18 d后包膜材料失重率可達13%。

2.2.3 納米碳增效肥料

納米碳為低燃點和絕緣的改性碳，為多孔圓球形結構，特性與石墨相近，擁有大表面積，有快速吸水功能，遇水后變成超導體，可以有效提高土壤中無機營養元素的遷移速率，提高肥料利用效率，達到增產、節肥的目的。將納米碳應用于肥料領域的研究逐漸成為熱點，很多專家學者驗證了納米碳肥料的田間應用效果，沈光業[17]驗證了納米碳可以提高桃的產量和品質；李小龍等[18]在煙草上的效果試驗表明，納米碳可以增加煙葉單葉質量和產量；薛照文[19]明確了納米碳肥料在馬鈴薯上的合理施用量，同產量下節肥10%～40%。

2.2.4 納米生物復合肥料

納米生物復合肥料是指以植物營養學、植物學和生物學為理論依據，在普通肥料中添加生物有益菌種、中微量元素和營養組分的新型肥料。納米生物復合肥料養分穩定，作物吸收利用效率高，可以提高作物的抗逆性，促進生長，改良土壤。目前市場中納米生物肥產品較少，與之相關的試驗報道有限，馬來西亞IBG公司的易健生物肥宣稱為國內首例納米化復合型生物肥料，但目前尚未發現具體作物的田間效果試驗。

2.3 添加類緩控增效肥

為了提高肥料利用效率，延長養分釋放時長，可以在肥料中添加特殊成分，比如尿素硝酸銨溶液中有3種形態的氮：硝態氮、銨態氮和酰胺態氮，可以達到緩釋和速效的效果，這是通過添加不同形態的元素實現緩釋，還可以通過添加生物化學物質、離子交換物質等途徑，達到肥料提質增效的目的。

2.3.1 新型生化緩控施肥

新型生化緩控釋肥主要是針對尿素的改性，尿素在土壤中容易分解成NH3揮發，在肥料中添加脲酶抑制劑類物質，通過對脲酶催化過程中的疏基產生影響，減緩尿素水解，延長肥效時間，提高作物對氮元素的吸收利用。目前，國內外已經發現的脲酶抑制劑有機和無機化合物有幾百種，也從微生物中篩選出了脲酶抑制劑菌株，腐植酸類物質也可以作為抑制劑添加到肥料中，但是目前研究多集中在其對尿素水解進程的抑制方面，田間效果試驗數據鮮有報道。

2.3.2 新型離子交換肥料

離子交換肥料將礦物元素和離子交換劑混合，使肥料帶負電荷，當土壤中的特定養分被作物吸收利用后，肥料可以緩慢進行養分釋放，提高肥料利用效率。但是，目前相關研究內容較少，美國丹佛地質勘查中心利用離子交換技術研發含磷的肥料，將磷礦粉和沸石離子交換劑混合，形成可以被作物吸收的磷酸鹽，磷酸鹽緩慢釋放，可以避免土壤對可溶性磷肥的固定引起的土壤板結現象的發生。

3 新型緩控增效肥發展趨勢和展望

緩控釋肥料的出現為提高肥料利用效率提供了新思路，而新型緩控釋肥料將植物營養與納米技術、包膜新材料和生化技術等有機結合，讓緩控釋變得更加科學、更加智能，可以有效地解決我國面臨的化肥生產原材料煤、氣和礦石資源有限的尷尬現狀，同時可以緩解肥料所造成的農業面源污染問題。隨著資源節約型和環境友好型社會建設的推進，新型緩控釋肥料的發展具有廣闊的市場前景和潛力。但是，目前緩控釋肥料市場總額僅僅占據化肥總量的1%，新型緩控釋肥則更是鳳毛麟角，大部分技術的產品還處于理論研究或者試驗階段，比如利用生物傳感技術，實現根據作物根系分泌物中的信號物質，調控緩控釋肥料養分的釋放，真正地實現養分按需供給，目前僅僅停留在理論階段，并沒有實際的產品落地。相信隨著政府政策的引導、社會資源的傾斜、科研學者的投入，新型緩控釋肥未來可以真正地實現技術落地，產品商品化，造福農業生產。