緩控釋氮肥施用技術在水稻上應用研究進展與展望

王云翔 咸云宇 趙燦 王維領 霍中洋

（揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州225009；第一作者：844284179@qq.com；*通訊作者：huozy69@163.com）

我國是水稻生產和消費大國，水稻耕種面積占全國糧食作物種植面積的25%左右，產量約占全國糧食作物產量的31%，65%以上的人口以稻米為主食[1]，促進水稻高產穩產對我國實施糧食安全戰略有著重要作用。

水稻高產形成除了受遺傳因素決定外，也受栽培措施如肥料施用等的影響。氮素是水稻生長過程中不可或缺的營養元素之一，其對作物產量的貢獻率高達30%～50%[2]。不合理施用以及過量施用氮肥會造成諸多問題：降低氮素利用效率，大量氮素通過揮發、淋失、徑流、硝化和反硝化的方式進入大氣和水體之中，使得稻田養分流失、水體和大氣受到污染，加劇稻田生態環境惡化[3-4]。

氮肥因其養分釋放速率高、價格低廉，被農民廣泛接受，全世界每年消耗氮肥約有2 億t[5]。我國氮肥當季利用率低，只有30%～35%[6-8]，較國外發達國家低15～25 個百分點。過量及不合理施用是導致氮肥利用率低的重要原因。此外，常規氮肥多以分次精確施肥來滿足水稻對養分的需求，增加了勞動量。隨著我國社會經濟的發展，大量農村勞動力外流，農業從業人員不斷減少，傳統施肥方式面臨著挑戰，探索輕簡化、機械化施氮方式，提高氮素利用率和水稻產量是我國農業發展的重要方向。

為提高氮素利用效率，前人從肥料類型和施肥技術兩方面進行了探索，頗有成果。在施肥技術層面，提出了平衡施肥、氮肥深施、以水帶肥、測土配方施肥等[9]。在肥料類型上，研制出生物炭肥、水溶肥、微生物肥和緩控釋肥[10-13]。緩控釋肥由于其釋放速率緩慢，更加符合作物生長吸收養分需求，促進增產，并且能夠有效降低氮素損失，緩和環境壓力，被認為兼具增產、減少施肥次數和環境友好三大特征[14-16]，因此成為當前肥料研究的一個熱點，也是未來肥料發展的一個必然趨勢。

本文總結了緩控釋肥研究進展，探討了緩控釋肥在水稻生產上的應用技術及存在的問題，并提出相關建議。

1 緩控釋肥的研究進展

1.1 緩控釋肥的概念

20 世紀20年代緩控釋肥的概念被提出，但直到20 世紀50年代才被確定。緩控釋氮肥分為緩釋氮肥和控釋氮肥兩個概念。從廣義上講，緩釋肥和控釋肥并無明顯區別，即都是延長氮肥養分釋放時間，使得養分釋放速率延緩并遠低于速效氮肥，從而滿足作物生長各個時期養分需求的一種新型肥料[17]。而從狹義上來看，緩釋氮肥僅是延長了氮素釋放時間，而控釋氮肥是通過物理、化學和生物等調控機制對釋放模式進行一個設定，使之滿足作物吸收氮素的規律[18]。因此，控釋氮肥對養分釋放速率具有更高要求，其調控能力要優于緩釋氮肥，是緩釋氮肥的進一步發展。

1.2 緩控釋肥種類及釋放機理

緩控釋肥由于其釋放速率緩慢，能夠調節尿素水解的速率，從而延緩土壤中NH4的形成速率，達到減少NH3和N2O 損失的目的。由于NH4形成速率降低，也降低了NH4硝化和NO3-反硝化的速率，有效控制了N2O和NO 的排放量，降低氨揮發，提高了氮肥利用效率[5]。根據釋放機理的不同，緩控釋肥可以分為生物化學型、物理包膜型和化學型；根據養分釋放控制的不同，則分為擴散型、侵蝕型或化學反應型、膨脹型和滲透型[19]；而依據緩控釋肥加工工藝，可以分為化學合成微溶型緩釋肥、生化抑制型緩釋肥和包膜型緩釋肥。

1.2.1 化學合成微溶型緩釋肥

化學合成微溶型緩釋肥是利用化學鍵將肥料連接到聚合物上的一種含氮有機化合物，具有微溶性或難溶性。其中最具代表性的是脲甲醛緩釋氮肥，其由尿素和甲醛縮合而成。此外還有草酰胺、丁烯叉二脲和脲乙醛等醛類縮合物。這類緩釋肥具有較長的分子鏈以降低養分釋放速率，延長緩釋期。其優點是能被微生物完全降解，環境友好無殘留[19]。但由于生物作用，這種緩釋肥氮釋放速率的高低受多種因素影響，例如顆粒大小、生物活性、土壤溫度和酸堿度等[20]。且應用成本較高，目前多在經濟作物上使用，在水稻上推廣應用的潛力還有待發掘。

1.2.2 生化抑制型緩釋肥

生化抑制型緩釋肥又被稱作穩定性肥料，根據添加抑制劑的不同分為脲酶抑制型、硝化抑制型以及兩種抑制劑復合型[21]。脲酶抑制型肥料的作用方式是利用抑制劑來改變土壤微生物活性，控制氮素轉化過程，具體體現在降低尿素水解速率，增加土壤中銨濃度，以達到延緩硝態氮釋放速率的目的，從而使得肥料養分釋放高峰趨于作物吸收養分高峰[22]。常見的脲酶抑制劑有氫醌、N-丁基硫代磷酰胺、硼酸、泥炭或煤炭腐殖酸。硝化抑制型主要是抑制土壤微生物的亞硝化、硝化和反硝化作用。目前常用的硝化抑制劑是氰胺類化合物和炔烴及其衍生物[23]。硝化抑制型緩釋肥具有較為廣闊的應用前景。但由于土地肥力差異、作物種類不同、抑制劑品種多樣再加上土壤理化性質不同等因素，抑制附著能力有限，易水解，故而無法獲得長效。因此，脲酶或硝化抑制劑的使用還亟待進一步探索和研究。

1.2.3 包膜型緩釋肥

包膜緩釋肥是通過在傳統尿素顆粒表面覆上一層疏水性膜材料，以改變養分的溶出性，從而調節養分釋放速率的一種新型肥料[24]。根據包膜材質不同可劃分為無機物包膜和有機聚合物包膜兩大類。常見的無機包膜材料有硫磺、磷酸鹽、沸石等，主要應用的無機包膜肥料是硫包衣尿素[25]。無機包膜材料的優點是來源廣泛、生產成本低、便于降解、環境友好，缺點是其彈性較差而且較脆，難以形成連續的膠膜，緩釋效果不佳[26]。目前解決的方法是提高無機材料的粒徑來增強其緩釋效果。

有機包膜肥料具有較好的疏水性，其控釋效果更優，控釋期更長。根據包膜材質的來源不同分為合成高分子材料和天然高分子材料。合成高分子材料分為具有熱固性的聚烯烴類和具有熱塑性的樹脂類[27]。前者常用的材料有聚乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚氨酯等，后者常以脲醛樹脂為包膜材料[28-29]。其優點是膜層厚度可調控，且不受土壤環境影響，具有較好的控釋性能，缺點是制備工藝復雜、成本高，且膜殼在土壤中不易降解，殘留物會對土壤環境造成惡劣影響，破壞土壤生態環境[26]。天然高分子包膜肥料主要膜材料有淀粉、木質素、海藻酸鈉和腐殖酸等。這一類包膜材料的特點是來源豐富，制備成本較低，膜殼在土壤中更易被微生物降解，具備環境友好性[30-31]。不過由于其膜材料的自身性能導致控釋效果較差。目前科研人員致力于改良天然高分子包膜材料，以期提高其控釋性能，這一類包膜材料稱為半合成高分子材料，主要包括醋酸纖維素、乙基纖維素、醋酸酯淀粉和交聯淀粉等。以化學改性的方式改變天然高分子材料分子鏈上取代基的類型和數量，從而改善膜的通透性，促進養分高效控釋[32-34]。

2 緩控釋肥在水稻上的施用技術

緩控釋肥在水稻生產上通常采用的是側深施肥方式，又叫作側條施肥。這種施肥方式是將緩控釋肥施于水稻根系一側3～8 cm 處，以增加水稻根系與緩控釋肥接觸面積，進而增強根系對氮素的吸收效果[35-36]。側深施肥一方面可以促進水稻根系生長，增加地上部分干物質積累，提高水稻產量，另一方面，相較于傳統撒施，側深施肥利于提高氮素利用效率，能減少氮肥用量和施肥次數，減少勞動力[37]。側深施肥氨揮發量和氮素淋失、徑流都有所下降，減少了農田的面源污染。由于水稻自身根系的生長特性，中后期應用側深施肥難度較大，生產上通常采用一次性施入基肥或者側深施基施與中后期追肥的分次施肥方式。

2.1 單種緩控釋肥一次性基施

一次性施肥技術是指在水稻整個生長生育過程中，僅在移栽時將全部肥料基施，并且中后期不追肥。這種技術能夠與緩控釋肥緩慢釋放性能以及側深施肥方式相結合，減少了勞動次數，能減少施氮量，提高氮素利用效率。

緩控釋肥一次性基施能提高水稻生育中后期的葉片葉綠素含量和凈光合速率，延緩葉片衰老，能提高土壤中養分含量，進而增加水稻產量[38]。YE 等[39]通過研究得出，在粳稻生產過程中，樹脂包膜緩控釋氮肥一次性基施與常規尿素分次施肥相比，其氮肥農學利用效率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力分別顯著增加29.9%、7.7%和11.5%。而氮素利用率提高的主要原因是吸氮量提高。不僅如此，一次性施肥還能顯著提高水稻單位面積有效穗數和群體穎花量，這是水稻能獲得高產的關鍵。王曉丹[40]研究得出，控釋氮肥一次性基施能滿足中穗型雜交秈稻高產形成的氮素需求。田昌等[41]研究得出，早、晚稻生產中采用樹脂包膜緩控釋肥一次性基施的方式，均能有效提高氮素吸收利用率，氮素利用率早稻達48.7%～75.6%、晚稻達68.8%～96.0%。何榮川[42]研究得出，硫包衣和樹脂包衣兩種緩控釋氮肥一次性撒施并不能滿足水稻生育期對氮素的需求，水稻產量和氮肥利用率低于常規分施。而一次性側深施肥顯著提高氮素利用率的原因可能是側深施肥增加了水稻根系無機氮含量，延長了肥效時間，增強了土壤固定養分的潛力，減少氮徑流損失。因此可知，緩控釋氮肥一次性基施要配合側深施肥方式。鄭圣先等[43]研究認為，在施氮量相等的情況下，緩控釋肥一次性基施相較于常規氮肥分次施用增產607.0 kg/hm2，增產效率達到常規施肥的1.5 倍，并且緩控釋肥一次性基施氮素利用效率高達72.3%，顯著高于常規施肥的35.5%。唐拴虎等[44]研究表明，緩控釋肥一次性基施能在水稻生長初期控制氮素釋放速率，在第9～50 d 氮素供應充足，50 d 后仍能保持充分的氮素供應，因此養分釋放完全滿足水稻本田期對養分的需求。李玥等[45]研究得出，樹脂包膜緩控釋氮肥對一季中秈稻的氮肥農學利用效率較常規施肥提高18.7%，氮肥吸收利用效率提高58.0%，氮肥偏生產力提高5.5%。何帥[46]研究表明，鄂北地區摻混包膜緩釋復合肥與腐殖酸緩釋復合肥一次性基施均能促進水稻增產，且包膜緩釋肥的增產效果要優于腐殖酸緩釋肥，主要原因是摻混包膜緩釋肥的肥效釋放速率更適應水稻前后期的養分需求，同時促進了對磷、鉀的吸收。由此可得，緩控釋肥一次性側深基施對水稻高產、提高氮素利用率具有重要意義，也為輕簡化栽培模式推廣提供了可能。

2.2 緩控釋肥和尿素摻混一次性基施

單一施用緩控釋肥的方式具有一定局限性，一方面容易提高成本，與農民節省成本的想法不符合，另一方面因緩控釋肥肥效釋放緩慢，并不能完全滿足水稻前期對養分的需求[47-48]。為提高水稻生育前期養分供應，并保證控釋氮肥延長在中后期關鍵生育期的氮素需求，緩控釋肥宜與常規尿素摻混施用。邢曉鳴等[49]認為，單一緩控釋肥一次性基施雖然能獲得較高的莖蘗數，后期群體生長率和干物質轉化率較高，但是有效穗數和群體穎花量并不高，未能達到高產水平。相比之下，緩控釋肥和尿素摻混一次性基施能更好的改善這個問題。付月君[50]研究報道，控釋尿素與常規尿素混施較兩種肥料單施能顯著提高水稻產量，且產量隨著控釋氮肥比例增加而增加，配施處理水稻產量較單施處理平均增加8.2%，其中配施40%控釋氮肥處理水稻產量比單施控釋尿素處理高16.6%，比單施常規尿素處理高13.4%。這是因為配施在水稻生長前期促進生理生長而后期滿足生殖生長，利于對氮素的吸收利用，積累了足夠的干物質量，從而促進高產[51-52]。

2.3 不同緩控釋肥摻混一次性基施

緩控釋肥的養分釋放曲線多為“S”形或者倒“L”形，不同類型緩控釋肥的養分釋放高峰時期存在差異，均都符合單峰釋放規律。而水稻在生長發育過程中有兩個需氮高峰，分別是分蘗期和幼穗分化期[53]。單一緩控釋肥的養分釋放曲線并不能完全協同滿足水稻需氮曲線，容易造成前期或后期養分失衡。因此，有學者嘗試不同類型的緩控釋肥進行摻混配施。付正豪[54]研究發現，缽苗方式下以40 d 和100 d 兩種不同養分釋放期的控釋肥進行摻混基施能夠獲得高產，增產原因是40 d控釋期的控釋肥能滿足參試粳稻有效分蘗臨界葉齡期對養分的需求，促進分蘗發生，而100 d 控釋期的控釋肥能滿足水稻生育后期對養分的需求，進而增加有效穗數和群體穎花量。而且該施肥方式水稻植傷緩解快[55]，滿足大庫容對物質生產的需求。可見，不同緩釋肥配施能夠較好協調水稻不同時期對養分的需求，但這種施肥方式下肥料的高成本仍然是亟待解決的問題之一。

2.4 緩控釋肥與常規尿素分次施肥

水稻全生育期一般在150 d 左右，緩控釋肥一次性基施的養分釋放效果受土壤、水分、溫度影響，且不同地區的氣候和土壤下肥料釋放效果不穩定，因而實際養分控釋期很難符合水稻全生育期需求，容易造成水稻生育后期缺氮早衰，不利于水稻高產形成。并且緩釋肥成本高的問題依舊存在，故而一次性施肥技術仍備受爭議，限制了該技術在實際生產中的應用[56]。因此，部分學者致力于緩控釋肥基施加尿素追施的分次施肥技術研究。

魏海燕等[57]研究得出，多穗型品種南粳9108 的脲甲醛控釋尿素基施+分蘗期施速效尿素處理比常規尿素定量分施處理增產5.2%～5.9%；大穗型品種甬優2640 用緩控釋肥基施+分蘗期施速效尿素處理的水稻產量要高于緩釋肥和尿素均基施的處理，但差異不顯著。其增產原因主要是緩控釋肥和尿素一基一蘗施用能提高水稻分蘗，保證植株中后期具有較高的葉面積指數和光合勢，促進干物質積累。此外，水稻籽粒灌漿物質一部分是抽穗后通過光合產物中獲得，另一部分則是葉、莖鞘貯藏物質再分配獲得[58]。所以適宜的有效穗數以及較高的莖鞘干物質轉運率是獲得高產的前提[59-61]。程金秋[62]研究得出，早熟晚粳甬優1538 進行緩釋肥和尿素一基一穗分施效果要優于一基一蘗施用方式，主要原因是一基一穗分施方式能夠提高拔節至抽穗期和抽穗至成熟期的氮素積累量，并且后期氮素吸收速率和水稻劍葉SPAD 值也有所提高，從而提高了抽穗至成熟期的光合勢和干物質積累量。嚴田蓉等[63]研究得出，在以緩釋尿素為基肥的基礎上，直播稻在基肥與穗肥配比為4∶6 時產量顯著增加，手插稻在穗肥占比為20%時產量增加顯著，分別較普通尿素常規運籌（基蘗穗肥配比為3∶3∶4）增產15.55%和5.40%。故而在實際生產中，緩控釋肥施肥模式要依據水稻生長特性而決定，根據不同增產原理實現精準定量施肥。雖然兩次施肥相較于一次性施肥而言并未實現更好的輕簡化，但是在產量增收和效益提高方面有顯著效果。

3 施用緩控釋肥對稻田環境的影響

緩控釋肥除了具有增產增效、減少勞動成本投入的益處之外，在改善土壤性狀、降低農業環境污染以及減輕生態環境惡化方面也體現出其優勢[64]。

李玥[45]研究表明，樹脂包膜緩釋肥能夠提高土壤有機質含量，并且在耕層0～10 cm 范圍內有機質含量最高。魯艷紅等[65]報道，施用緩控釋氮肥能降低不同土壤中的堿解氮，還能減緩土壤有機碳含量的降低，且施100%控釋氮肥緩減效應最大，施70%控釋氮肥次之，施尿素最小。另外，紀雄輝等[66]研究發現，與施用尿素相比，施用控釋尿素能顯著降低稻田表層水總氮含量、NH4+濃度峰值，明顯降低pH 值。氮素徑流損失監測結果顯示，洞庭湖區雙季稻田施用尿素處理總氮徑流損失量為7.5 kg/hm2，占施氮量的2.5%；施用100%控釋肥和70%控釋肥的處理氮損失量比施用常規化肥處理分別減少24.5%和27.2%。聶軍等[67]研究表明，施用速效尿素會提高稻田水層pH 值，而施入等氮量控釋肥則顯著降低水層pH 值，pH 值與無氮處理無顯著差異。張英鵬等[68]研究了不同氮肥調控處理對土壤硝態氮時空變化的影響，發現施用控釋肥能減少硝態氮在不同土層的積累，減少淋溶風險。另外，緩釋肥因其釋放速率緩慢能夠減少移栽至分蘗期及抽穗至灌漿期的氮淋溶量，總的氮淋溶量能降低50.0%左右[69]。綜上可知，施用緩控釋肥能降低稻田表層氮含量最高時期的表層水徑流的氮素濃度，因而能大大減少氮徑流損失，還能改善土壤酸堿性。在影響大氣環境方面，緩控釋肥亦表現出積極作用。在前期養分釋放緩慢，降低了土壤溶液中的NO3濃度，從而顯著降低N2O 的排放[70]。杜建軍等[71]研究了不同類型緩控釋氮肥一次性施入土壤中氨揮發量的差異，發現與常規氮肥相比，不同緩控釋氮肥處理可有效減少氨揮發量16.6%～37.8%。CH4是重要的溫室氣體，稻田排放的CH4占全球CH4總排放量的15.0%～20.0%。施用緩控釋肥能降低CH4的排放，減輕溫室效應。武茹[72]研究得出，減少稻田的溫室氣體排放是通過減氮來減少產甲烷菌的養分需求，抑制CH4的產生；與農民常規高產施肥措施相比，施用控釋尿素處理的CH4產生量降低51.0～86.0 kg/hm2，減幅達10.2%～24.4%。可能是緩控釋肥由于養分釋放緩慢，增加了土壤中銨離子濃度，同時提高了土壤中甲烷氧化菌的活性。此外，緩控釋肥處理提高了水稻地上部生物量，使根系從土壤中獲得更多的氧氣，為CH4的氧化提供了有利條件。綜上所述，合理化施用緩控釋肥不僅能改善土壤理化性質，同時能減輕溫室氣體排放。

4 緩控釋肥應用的問題與展望

緩控釋肥在水稻生產上已經得到了較好的應用，在提高氮素利用效率和增產增效方面體現了其優越性。但仍然存在許多挑戰，如施肥成本較高、缺少專用性緩釋肥、評價體系構建不完善、施肥技術與配套設施不匹配等。針對以上問題提出以下幾點建議，以期為推進緩控釋氮肥在水稻上的廣泛應用提供參考。

4.1 降低肥料成本，提高經濟效益

緩釋肥價格是常規尿素的2.5～8.0 倍，緩控釋肥昂貴的價格一直是農業生產者較為關注的一個問題，極大限制了其大面積應用，目前多應用于花卉、瓜果等經濟作物中[73]。另外，緩控釋肥與側深施肥方式結合才能更好發揮出其緩釋的優勢。機插側深施肥需要使用施肥機，我國缺乏適用于水稻施肥的機械，而人工進行側深施肥也同樣增加勞動成本。水稻作為糧食作物，施用緩控釋肥很難獲得相應的經濟效益。

因而建議改變緩控釋肥生產方式，增強對肥料種類來源以及肥效的研究，探索研制新型環保、可控的包膜材料，并且進一步革新緩控釋肥的加工工藝，降低肥料生產成本。除此之外，政府可以加大資金投入，一方面扶持肥料生產企業，推動緩控釋肥行業規模化和產業化，另一方面，降低施用緩控釋肥帶來肥料成本增加的影響，對使用緩控釋肥的農戶予以適當補貼，鼓勵農民選擇緩控釋肥。

4.2 研究專用性緩釋肥及配套施肥技術

水稻對氮素的吸收受多重因素影響，諸如種植環境、水稻品種等，水稻不同生育時期對養分吸收也不同。因此，緩控釋肥種類及其施肥方式的選擇要具備針對性。種植環境包括土壤類型、理化性質、酸堿度，以及氣候條件、溫度和降水量等，這些因素對緩控釋肥的釋放周期及釋放速率有很大影響。水稻吸收養分的規律除了由自身品種類型決定，與種植方式、種植密度及田間管理也存在關聯[74-76]。前人研究表明，在雙季稻上施用緩控釋肥可以通過合理減氮來提升經濟效益[77]。當前大部分緩控釋肥的效果較為單一，僅能延長釋放時間，而不能根據栽培條件進行調控從而保證養分釋放規律和吸收規律同步。另外，緩控釋肥的施肥時期與方式與速效尿素不同，因此需要對緩控釋肥的施肥技術進行探究和推廣。建議著力研究不同水稻的吸肥特性，并且針對性研制特定釋放性能的緩控釋肥。開發新型控釋材料，推動加工工藝技術的創新，進一步提高緩控釋肥的穩定性，避免受環境因素的影響而降低釋放效果。

4.3 構建完善緩控釋肥應用評價體系

當前對緩控釋肥應用的評價主要體現在其釋放性能和經濟效益上。釋放性能是緩控釋肥的本質特性，同時也是評價其緩釋效果的重要指標。而關于釋放性能的評價測試方法國際上尚無統一標準。常用的方法有靜水出溶率法、土壤培養法、生物學培養法、同位素示蹤法和電超慮法[78]。這些測試方法能一定程度上反映緩控釋肥的靜水釋放性能，但無法完全代表在大田中的釋放性能，也未能突出顯示氮素在土壤之間的定量的、動態的變化過程。再者，評價體系中缺乏對環境效益的研究。目前主要集中于研究緩控釋肥的氮素釋放特性對環境的影響，而膜材料殘留對稻田的綜合影響尚不明確。聚合物包膜難以降解，長期在土壤中勢必會造成危害。這種影響與稻田生產、糧食安全性之間的關系，包括土壤殘留物被充分降解所需要的時間都需要被明確，可以通過土壤檢測、氣體檢測確定殘留物和排放氣體的一個具體值，建立模型，并作為緩控釋肥的應用評價指標。不僅如此，還需要從國家層面制定嚴格的評價標準，促進市場規范，保障緩控釋肥安全、高效應用。