0 引言
“农稳社稷,粮安天下”。粮食安全是国家安全的重要组成部分。化肥作为农业生产中的最基本要素,在确保中国粮食安全中的作用不容忽视。20世纪80年代,联合国粮农组织在亚太地区31个国家进行的大量田间试验表明：通过施肥,粮食单位面积产量提高55%,总产量提高30%
[1]。在2018年,中国农业生产中的化肥施用量维持在5.65×10
7 t
[2]。然而,大量肥料的不合理施用不仅降低肥料的综合利用率,而且增加土壤环境污染
[3,4]。与此同时,随着中国经济的大发展,农村大量劳动力转移。探索省工节本、稳定高效的简化施肥技术已是当务之急。简化管理即将一次性施肥技术与自动化农机有效结合,是减少生产环节和进行大面积作业的重要措施。研究表明缓/控释肥是一次性施肥技术的重要载体
[5]。缓/控释肥的养分能够根据作物吸收养分的规律有序供应,基本实现一次性施肥满足作物整个生长期的需求,在节约资源、提高肥料利用率,降低环境污染、实现农业绿色可持续发展等方面均具有重要意义
[4,6]。
缓/控释肥已成为中国肥料发展的主导方向,它具有环境友好、养分高效、省时省工的特点,符合中国低碳农业的发展需求,是农业生产实现化肥“零增长”的重要途径之一。大量研究表明,不同类型的缓/控释肥对水稻
[7]、小麦
[8]、玉米
[9]等粮食作物以及花生
[10]、棉花
[11]等经济作物均有一定的增产增效作用。本研究总结了缓/控释肥的发展现状及其在农业生产中对作物生长和生态环境的影响效应,探讨了现有缓/控释肥在农业生产应用中存在的问题,以为其在中国的推广应用提供理论依据。
1 缓/控释肥的发展现状
缓/控释肥是一种通过养分的化学复合和物理作用,使有效养分随时间的推移而缓慢释放的肥料,在平衡施肥、提高作物产量等方面发挥着巨大作用
[12]。美国是最早研究缓/控释肥的国家,并于1924年研制出尿醛肥料,获得第一个缓释肥料专利
[13]。国外缓/控释肥料类型主要有4种类型：树脂包衣控释肥料、硫包衣控释肥料、合成型微溶态脲醛类缓释肥料和添加生化抑制剂的稳定性肥料
[1]。20世纪60年代末,中科院南京土壤研究所研制出中国最早的缓释肥料——碳酸氢铵粒肥
[14]。随后,中国的缓/控释肥行业进入飞速发展阶段,相继研发出复混肥、包膜控释肥
[15]、种子包衣肥
[16]、保水缓/控释肥
[17,18]等多种缓/控释肥料。
与普通施肥相比,缓/控释肥一次施用基本满足作物整个生育期的需求,可以减少化肥施用量和施肥次数,提高肥料利用率,减轻环境污染
[4]。同时,还能改善作物品质,增强植株抗逆性。此外,缓控释肥还能调节土壤养分,改善土壤理化性状。但由于缓/控释肥的价格是普通肥料的3~8倍,国际上缓/控释肥主要使用在经济价值较高的植物上如花卉、水果、草坪等
[15]。中国是第一个将缓/控释肥应用到大田生产中的国家
[19]。据中国发布的首部缓/控释肥产业白皮书显示,在2006—2015年间,中国缓/控释肥产量的年均复合增长率约25%,累计推广面积高达3.5×10
7 hm
2,实现节支增收1100亿元,有力地支撑了中国“三农”事业的发展,预计2025年中国缓/控释肥的产能将达到0.76×10
7~1.13×10
7 t。目前,中国已经发展成为世界范围内最大的生产和消费缓/控释肥的国家。
2 缓/控释肥概念及作用机制
2.1 缓/控释肥的概念
缓/控释肥是指通过各种调控机制,使其养分按设定的释放规律有序释放的肥料。缓/控释肥包括缓释肥和控释肥。通过物理、化学和生物化学方法使肥料中的养分缓慢释放,延长肥效的肥料称为缓释肥。它的释放速率、释放方式和持续时间均受到施肥方式和环境条件的影响。通常将以颗粒肥料为核心,通过聚合物包膜,使肥料中养分的释放数量和释放期得到定量控制的肥料称为控释肥,它的养分释放规律与作物吸收养分的规律基本同步。从某种意义上来说控释肥料是缓释肥料的高级形式
[4,20-22]。
2.2 缓/控释肥的类型和作用机制
Fan等
[23]根据缓/控释肥的释放控制方式将其分为以下4种类型：扩散型、侵蚀（化学反应）型、膨胀型和渗透型。目前缓/控释肥主要可以分为3种类型：包膜缓/控释肥、包裹材料缓/控释肥和具有有限水溶性的合成型微溶态缓/控释肥
[4]。缓/控释肥的养分释放主要通过扩散机制,当作物吸收养分时,肥料膜内外侧形成浓度差,促进肥料养分的释放。温度是缓/控释肥养分释放的另一个影响因素。植物的生长随温度的升高而加快,肥料释放速度也随养分需求量的加大而加快
[21]。由于生产工艺的不同,不同缓/控释肥在养分比例和理化性状方面存在本质差异,致使其在使用过程中对作物产生不同影响。缓/控释肥的养分释放特征除了与自身特性直接相关外,同时与包膜材料
[7]、肥料运筹方式
[24]、土壤理化性质、地力水平和灌溉方式
[25]等因素息息相关。
3 缓/控释肥在农业生产上的应用研究
3.1 施用缓/控释肥对水稻生长的影响
吕健飞等
[26]研究表明缓/控释肥能根据水稻的需肥规律缓慢释放养分,提高肥料利用率,适当减氮节肥也能保持水稻较高产量。程金秋等
[27]的研究表明缓/控释肥的合理施用能够增加水稻产量,缓/控释肥的种类、施肥方式和栽培条件对缓/控释肥的增产效果均具有一定的决定作用。施用水稻缓/控释肥可显著提高水稻对氮磷养分的吸收利用率,减少无效分蘖,增加水稻有效穗数、每穗实粒数,提高千粒重,优化穗粒结构,改善水稻农学性状
[12,28-32]。缓/控释肥可提高水稻生育后期功能叶的叶绿素含量和光合效率,延缓叶片衰老,增加群体干物质、叶面积指数等从而实现水稻增产
[33,34,35]。与常规施肥相比,缓/控释肥能促进水稻中后期根系发育,显著增加根总吸收面积、根系重量、根体积、根长和根密度
[36]。同时,施用缓/控释肥能延缓根系衰老,提高水稻生育后期的根系活力,增加根系对养分吸收,提高水稻根深指数,增强水稻植株的抗倒伏能力
[36,37,38,39]。缓/控释肥对稻米品质也有一定的改善作用。一次性全量施用缓控释肥时,水稻糙米的蛋白质和总氨基酸含量均显著提高
[40,41]。
3.2 施用缓/控释肥对小麦生长的影响
缓/控释肥处理能够提高小麦的氮肥利用率,增加小麦生长中后期的干物质积累,提高产量
[22]。同时,施用缓/控释肥能够改善小麦籽粒不同层次二至五层品质及小麦溶剂保持力,显著提高小麦籽粒中蛋白质含量
[42,43]。与普通肥料分次施用相比,一次性施用不同类型的缓/控释肥料,养分供应均可满足冬小麦整个生育期的养分需求,增产率均大于5%,显著增加了小麦的有效穗数,穗粒数和千粒重,具有较高的经济效益
[8,44]。
3.3 施用缓/控释肥对玉米生长的影响
一次性基施缓/控释肥可以提高玉米产量和氮肥利用率
[9]。研究表明一次性基施缓/控释肥能够较好地协调养分供应与夏玉米养分吸收,促进玉米叶面积增大、根系增多,优化玉米的产量性状,增加夏玉米单株干物质积累和氮素积累量,增加穗粒数和单穗粒重,提高千粒重,可达到接近或增加常规尿素2次或3次施肥对夏玉米的增产效果,实现夏玉米一次性施肥高产的效果
[9,45-46]。
3.4 施用缓/控释肥对其他作物生长的影响
茶树的根系活力因缓/控释肥的施用而提高
[47]。施用缓/控释肥能够提高茶叶中氨基酸和咖啡碱的含量,改善茶叶品质,提高茶叶量
[21,48]。王黎等
[20]研究表明施用缓/控释肥可提高烟叶成熟度并增加烟株的有效叶片数,增强烟株抗性,增加烟叶的产量和产值。缓/控释肥还可以降低蔬菜中的硝酸盐和草酸的含量,提高维生素C和可溶性糖含量,改善蔬菜品质。施用缓控释肥还能提高蔬菜产量
[49]。缓/控释肥能够增加果树叶片中的叶绿素含量,提高氮素在叶片和枝条中的含量,增加糖、钙、维生素C等在果实中的含量,促进果实着色,有效提高果实的单果重,增加果实产量
[50]。研究表明控释肥可以增加花生的有效分枝数,有利于花生保持较高的叶面积系数和净光合速率,促进茎叶和荚果的干物质积累,增加单株结果数和饱果数,提高百果重和百仁重
[9,51]。李伶俐等
[11]的研究表明控释氮肥处理可提高中后期棉叶叶肉细胞实际光化学效率和潜在光化学活性,从而改善叶肉细胞的光合能力,提高叶片光合效率,增加单株结铃数和铃重。此外,棉花控释专用肥能显著增加棉花生育中、后期棉纤维长度、比强度、马克隆值和成熟度
[52]。
4 缓/控释肥施用对生态环境的影响
农业面源污染已经成为全世界关心的重要环境问题之一
[53,54],而农田氮素流失是农业面源污染的重要来源
[55,56]。缓/控释肥不仅能够提高肥料利用率,还可以有效避免因大量施用肥料造成的大气、水源和土壤环境污染
[20]。不同类型的缓/控释肥料均能显著降低稻田地表径流总氮流失量和水稻氮素偏流失率
[57]。金树权等
[58]的研究表明侧深施缓控释肥可以有效降低施肥初期田面水铵态氮峰值浓度,从而减少氨挥发,且在减量条件下不会对水稻产量产生影响。有研究表明一次性基施缓/控释肥可使玉米氮肥利用率提高37.5%,使氨挥发、N
2O排放、氮淋溶和氮径流平均降低58.6%、24.5%、25.7%和22.4%
[46]。同时,缓/控释氮肥与干湿交替灌溉相结合能够促进水稻生长,提高水稻水分利用效率和氮素利用效率,是节约用水的有效手段
[24,59]。
在一定范围内,缓/控释肥的包膜材料具有降低土壤体积质量、改善土壤团粒结构、优化土壤环境和提高土壤肥力的多重作用
[21]。戴九兰等
[60]发现当控释肥残膜含量在每克土壤中维持在0.008 g范围内时,土壤的透水性明显降低,土壤的田间持水量和保水性得到有效提高。郑磊等
[61]发现适量硫膜还可改善土壤中Ca、Mg的活化程度,提高水稻的氮肥利用率,增加水稻产量。丁济娜等
[62]的研究表明施用缓/控释肥可以减缓土壤pH的下降趋势。缓/控释肥的包膜材料随肥料施入红壤等酸性土壤中,可以提高土壤pH,有效缓解红壤酸化的状况
[63]。同时,施用缓控释肥还可以提高土壤的保水保肥性,增加土壤中铵态氮的含量
[21]。在轻度盐碱地上应用硫包膜尿素具有降低土壤pH的作用
[15]。
尽管缓/控释肥的施用提高了农作物的产量,一定程度上降低了环境污染。但是,树脂类包膜肥料在养分释放后,包膜残留在土壤中短期内难以降解,长此以往将会造成土壤环境污染
[64]。因此,通过物理、化学、生物等方法开发环境友好型、可生物降解的新型缓/控释肥料,不仅有利于提高农作物的产量和品质,同时,也有利于减轻环境污染,保证现代农业的可持续发展
[17]。
5 缓/控释肥在农业生产应用中存在的问题及对策
肥料在保障粮食安全中发挥着不可替代的支撑作用
[1]。朱兆良认为提高肥料利用效率可以从以下几个方面努力：（1）平衡过量施肥与施肥不足之间的矛盾。（2）充分利用土壤和环境养分,根据作物相对产量合理使用肥料。（3）实现作物高产与养分资源高效利用。（4）研制新型包膜肥料。大量研究表明,缓/控释肥养分释放规律与作物需肥规律相一致,且一次性施肥基本满足作物生长需求,可以减少劳动力,提高肥料利用率,减少环境污染。目前,中国缓/控释肥的研发水平仍落后于发达国家,施肥技术与农机不能有效结合,缺乏科学合理的施肥技术,大面积推广应用受到限制,不能达到全面提高肥料利用率、改善农业生态环境的目的
[65,66,67]。
5.1 缓控释肥在施用过程中存在的主要问题
5.1.1 缓控释肥的市场价格相对较高,产品鱼目混杂 缓/控释肥制备需要新型的膜材料、生产工艺相对复杂,价格较普通肥料偏高,农业生产成本过高。农民受生产成本的影响,往往选择价格低廉的劣质缓/控释肥,施用后达不到预期效果,这些严重制约了缓/控释肥的普及推广。
5.1.2 生产技术薄弱,缺乏“专属”性缓/控释肥 中国目前生产的缓/控释肥料技术有待提升,缓/控释肥料在控释机理、控释条件、释放周期和控释材料等方面还存在不少问题,缓释肥养分释放与相应作物的养分需求规律同步性不完善,施肥效果不理想。缓/控释肥中核芯养分相对单一,文献报道中缓/控释肥处于实验室研究阶段的相对较多,且多为以氮元素为核心的肥料,“专属”性缓/控释肥的研究较少。
5.1.3 施肥技术与农机不能有效结合 中国机械化水平较低,缓/控释肥多采用可降解纸包装,目前袋装缓/控释肥主要采用手工开沟施肥,需要大量的劳动力,现有农业机械不能与一次性施肥技术有效结合。
5.1.4 施用方法不当,施用时期、施用量混乱 作物的需肥特点因作物品种和土壤条件的不同而有所差异。农民对缓/控释肥的认知水平有限,对缓/控释肥的配套施肥技术掌握程度相对较低,施肥作业不合理,对缓控释肥料不分时期乱施用,随意加大施肥量,往往导致缓/控释效果降低,甚至造成作物减产。
5.1.5 市场宣传推广力度不够,缺乏规范 相关部门缺乏针对缓/控释肥施用的农艺指导,业界引领宣传不够。缓/控释肥管理不够规范,法律法规不健全,行业标准不完善,对一次性施肥技术在田间的应用效果缺乏科学系统的评价。市场管理不到位,鱼龙混杂,以假乱真等问题均制约着缓/控释肥的发展。
5.1.6 包膜材料会对环境造成污染 缓/控释肥重要的生产方法之一是包膜型制备工艺,但长期使用,包膜材料会破坏土壤原有的生态环境。同时,残留在包膜肥料中的有毒有机溶剂对会植物和周围环境造成污染。另一方面硫包衣尿素肥料中硫元素如果被过量的施入土壤,会严重破坏土壤原有菌群微生物平衡,同时加速土壤酸化。
5.2 对策与建议
5.2.1 生产工艺与栽培技术有机结合,科学合理施肥 缓/控释肥生产企业要结合中国推行的测土配方施肥技术,充分考虑地域、土壤差异及作物种类,形成不同的生产工艺技术,开展不同类型核芯肥料的研究,开发针对性更强的缓/控释肥产品,使缓/控释肥的产品种类全面化,施用方式专用化,达到“对症”施肥的效果,提高缓/控释肥的养分利用率。同时,根据一次性施肥技术需求研发相应的农业机械,将农机与农艺有效的结合起来。集成施肥与播种技术,形成种肥同播、一播全苗、保肥长效综合栽培技术。农户要根据作物生育期的长短和需肥特性有针对性地选择购买。缓/控释肥的施用量要根据目标产量、品种特性、土壤肥力等具体情况进行调整。
5.2.2 降低生产成本,加大扶持力度,推进缓/控释肥的研究进程 生产厂家需要创新研发机制,改进生产工艺流程和设备,研制低成本、原料丰富、天然可降解、环境友好的高效包膜材料。国家应出台相关优惠政策和措施,建立理论研究与科技成果产业化平台,推进科研机构与企业之间的技术交流和科技创新,不断提高产品的国际竞争力。
5.2.3 加大市场推广和监管力度,促进缓/控释肥行业健康发展 政府应充分发挥职能部门作用,加大宣传和推广力度,定期组织缓/控释肥的科学知识普及、培训工作。建立土壤肥料研究和技术推广工作的长效机制和与农民交流的网络信息平台。同时,加大市场监管力度,制定一系列法律和法规,规范缓/控释肥料的生产、管理和科学应用。严厉打击非法企业造假、售假及虚假宣传,确保市场有序竞争,切实保护农民合法权益。
6 展望
缓/控释肥的发展对维护中国粮食安全、推动化肥施用零增长、保证农业绿色可持续发展等方面均具有重要作用。在中国劳动力短缺情况下,一次性施肥技术为实现中国粮食可持续生产提供了一个有效途径。目前,缓/控释肥的研究主要集中在氮肥控释肥上,需要开发及应用多种核心元素肥料,使缓/控释肥料的品种更为多元化。为推动中国缓/控释肥的研究进程,企业和科学工作者应着眼于新技术、新概念和新理论的应用,联合开展更多有针对性的研究。为了实现肥料产业节能减排、环境友好、养分高效的目标,需要研制出更多高效、环保、低成本的新型肥料,助力农业大发展。
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