摘 要：缓控释肥是一种能够减缓或控制养分释放的新型肥料，具有提高肥料利用率和作物产量、减少环境污染等优点。本文介绍了缓控释肥料的概念、类型，综述了缓控释肥料的国内外研究进展，分析了缓控释肥料在水稻上的应用及存在的问题，并进行了展望。
关键词：水稻;缓控释肥;产量;品质;肥料利用率
目前水稻生产上所用肥料多为速效肥料，释放快、肥效短，难以保证养分长时间供应，后续需要进行多次追肥，才能保证水稻不同生长阶段对养分的需求。前期施肥量过大以及速效肥本身的性质往往造成肥料损失大、利用率低，且后续追肥还费时费工。
缓控释肥料作为一种新型肥料，其养分释放速率缓慢、释放期长，养分释放规律能够与作物养分吸收基本同步，达到养分供需平衡，一次施肥就能够满足作物整个生长期对养分的需求，为现代农业生产简化施肥过程、减少施肥成本、减轻环境污染、降低施肥强度、提高肥料利用率提供了可能[1-3]。本文在介绍缓控释肥国内外研究进展的基础上，分析了其对水稻产量、品质、氮素吸收利用的影响，综述了在水稻生产的施肥技术，探讨了水稻应用缓控释肥面临的问题并给出建议，旨在为缓控释肥在水稻上合理施用提供参考。
1 缓控释肥的概念及类型
1.1 概念
广义上讲缓控释肥是指肥料养分与释放速率缓慢，释放期较长，在作物的整个生长期都可以满足作物生长需要的肥料。但狭义上缓释肥和控释肥又有各自不同的定义。缓释肥指的是采用物理、化学或生物方法制造，阻碍有效养分在土壤中过快释放，进而对作物的营养供应起延长作用的肥料[4]。但生产上对其养分释放速率、养分释放模式和养分释放持续时间长短不能很好控制。控释肥指的是多采用聚合物包膜的颗粒肥料。控释肥料颗粒中化学养分的释放速度受聚合物降解快慢的影响，养分释放量和释放时间易被控制，促使肥料养分释放和作物养分吸收保持一致。因此，控释肥又被认为是缓释肥的高级形式，但许多研究者对缓释肥和控释肥并未进行严格区分[5]。
1.2 缓控释肥的类型
目前较为普遍的是将缓控释肥分为包膜缓控释肥、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[6]。
1.2.1 包膜缓控释肥
肥料的包裹层是缓控释肥的主要研究内容，按照包裹层材料不同，包膜缓控释肥分为无机包膜肥和有机包膜肥。
无机包膜肥多选用硅酸盐、石膏等无机材料作为包裹层，而目前无机材料中硫磺被普遍使用。无机材料成本低廉，对土壤几乎无危害，能够起到缓释作用，适合生长周期较长的农作物。但无机物包膜材料也存在弹性较差和脆性较高等问题，导致肥料颗粒的膜层在储存或运输过程中容易脱落，致使肥料养分释放快，低于肥料本身预定的释放有效期，影响缓释性质，不能真正达到对肥料有效控释的目的[7]。
有机包膜肥包裹材料来源可天然获取或者人工合成。天然高分子材料无毒无害、降解快、种类多，一般包括橡胶、纤维素等稳定物质;合成高分子材料多选择热塑性好、弹性强的聚烯烃类物质，例如聚乙烯、脲醛树脂等;半合成高分子材料以纤维素的衍生物为主，水解快、易形成膜[8]。目前有机聚合物包膜肥实际产能和市场占有率不高，究其原因在于有机包膜材料生产成本 过高，使其主要面向草坪、花卉等非传统农业市场，难以面向大田作物。所以，降低有机聚合物包膜材料的成本，研究易降解、环境友好、面向大田的包膜控释肥料，才能更好推动其长足发展。
1.2.2 包裹材料缓控释肥
包裹材料缓控释肥是以一种或者多种植物营养物质包裹另一种肥料而形成的复合体[9]。由于包裹肥料选用一种或者多种植物营养物质作为包裹材料，这就使得包裹材料产品中用作包裹层的物料所占比例可以更高、质量更大，一般可达到肥料总质量的 30%~80%[6]。
根据 HG/T 4217-2011 标准，目前包裹材料产品被分为两种类型，但都以尿素为核心，不同之处在于一种以钙镁磷肥为主要包裹层，一种以二价磷酸铵钾盐为主要包裹层[10]。所有粒状的水溶性肥料都可作为包裹材料的核心，而尿素作为氮肥的主要品种，其颗粒大小均一、粒型圆整的特点使其适合作为包裹层的核心原料，因此大部分包裹材料的核心以尿素为主。
作为新型缓控释肥料产品，包裹材料缓控释肥具有以下主要特点：1)完全植物营养，包裹材料产品空间结构分布为肥料包裹肥料，产品中每一层的有效成分均为植物营养，通过改变不同特性肥料的空间结构及利用原料间的化学反应，来发挥缓释或控释作用[9];2)均一释放特性，包裹肥料包裹层为枸溶性无机肥料，肥料有效成分多为极性分子，与同为极性分子的水具有相亲性，这个特点使得包裹肥前期养分释放率较高，同时产品中每粒肥料能够保证具有相同的释放性能及养分构成[11];3)缓释化和复合化同步实现，包裹缓控释肥生产和复合肥生产过程合二为一，简化生产流程，节约生产成本[12]。
1.2.3 水溶性合成型微溶态缓控释肥
微溶性含氮化合物作为缓控释肥料的重要类型之一，它是通过离子键或者共价键将肥料连接到聚合物上构成的一种新型组合物[13]。一般由尿素和醛类缩合的方法制得，其产品主要包括脲甲醛肥料、磷酸铵镁等，其中脲甲醛肥料最具有代表性，其价格较其他微溶态缓控释肥低，所以脲甲醛肥料在市场中占主导地位，同时脲甲醛肥料也是国际上最早实际应用的缓控释肥料品种之一。
微溶态缓控释肥在非农业市场应用广泛，在农业市场上的应用较少，但呈增加趋势。良好的缓释性使其适合加工成团粒肥、掺混肥等，也能延缓养分释放，改善肥料状态，对促进我国肥料事业发展具有重要意义。
2 缓控释肥的研究进展
2.1 国外研究进展
1948 年，美国 CLART 等[14]对尿素-甲醛缩合物缓释肥料的制备方法和性质特点进行了研究，自此开辟了美国缓控释肥研究先河，当时其研究对象主要是聚合物包硫尿素，价格相对较高，后续经改进的包硫尿素是用相对廉价的烯烃聚合物作为包膜层，因价格低而风靡美国市场。1964 年，美国 ADM 公司树脂型包膜肥料工业化生产成熟，其产品如 Osmocote 至今仍然得到广泛使用[15]。1966 年，美国杜邦公司制备的脲甲醛尿素如今仍广泛使用[16]。日本对于缓控释肥的应用与研究处在领先地位，主要集中在高分子包膜肥料的研究，如热固型包膜肥、聚烯烃包膜肥等[17]。
欧洲一些国家研究的缓控释肥多为难溶于水的含氮化合物，德国主要研究醋酸纤维素、木质素等能够被生物降解的材料来生产包膜肥料，还开发出以树脂作为包衣材料的 NPK 复合肥以及中微量系列配方肥[18]。荷兰使用菊粉、甘油、土豆等作为包衣材料，开发出可生物降解的包衣肥料[8]。英国则集中开展玻璃态控释肥的研究，但仅仅限于在树苗施用[19]。
近年来，国外正致力于缓控释肥包膜材料的研究，未来对于包膜材料的要求：一是要无毒无害、易降解;二是要实现养分释放模式多样化、精确化。目前，天然有机高分子材料常被作为包膜材料，由于其来源广泛，可生物降解，具有较好的发展前景[20]。
2.2 国内研究进展
20 世纪 60 年代末，我国对缓控释肥展开研究。 1973 年，中国科学院南京土壤研究所以钙镁磷肥等为包裹材料生产出长效碳铵包裹肥料，该肥料缓释效果良好，并能延缓氨挥发[21-22]。20 世纪 80 年代，郑州工业大学掌握了肥料作为涂层覆盖在另一种肥料颗粒上生产缓控释肥的工艺，以此为基础钙镁磷肥包裹尿素和磷酸铵钾盐包裹尿素应运而生，并在国内外推广[23]。进入 20 世纪 90 年代，我国对缓控释肥的研究与开发十分迅速。沈阳农业大学把聚乙烯醇(PVA)和淀粉结合作为包膜剂生产包膜肥料，该包膜具有良好的缓释效果，能够调控养分释放速率，且在土壤中可完全被生物降解[24]。兰州大学以丙烯酸、丙烯酰胺为主要原料制备的缓释肥料具有良好的吸水保水性[25]。郑州大学生产的钙镁磷肥包裹的缓控释肥获多项国际专利，并在国内及美国推广应用[26]。北京市农林科学院研制出树脂包衣缓控释肥，并以此为基础又研发出多种肥料新产品[27]。山东农业大学经多年努力，研发了热塑性树脂、硫包膜等多种包膜缓控释肥[28]。
目前，我国开发出了聚氨酯类、水基聚合物等多种包膜材料，未来对于缓控释肥的研发，我国也将继续朝着精准、环保的方向前进。
3 缓控释肥在水稻上的应用研究
3.1 缓控释肥施肥技术在水稻上的应用
20 世纪 90 年代，水稻侧条施肥技术在日本得到推广，它的技术要点是把缓控释肥集中在根系附近，便于水稻吸收，同时达到减少养分流失，提高肥料利用效率的目的[29]。日本还曾推广了控释氮肥工厂化箱式育苗技术[30]和免耕种肥接触直播技术[31]，以搭配缓控释肥的施用。山东农业大学提出了以控释氮肥的形式全部施入育苗盘内的施肥方法，该方法一方面能够直接应用于稻田，另一方面借助根系紧紧吸附控释氮肥，随机械或人工插秧直接进入土壤，在根系附近缓慢释放供给植株生长发育，不用再进行追肥，省时省工，节约成本[32]。
目前市场上缓控释肥种类多，缓释期也不同，同时缓控释肥多作为基肥，但不同的水稻品种由于遗传特性不同，养分吸收特性及模式也存在差异，导致肥料养分释放和作物养分吸收难以匹配。李敏等[33]通过盆栽试验研究发现，硫膜控释尿素配施普通尿素效果更好，而树脂膜控释尿素更适合一次性施用。程金秋[34]把控释肥料与普通尿素按一基一蘖、一基一穗配施，发现水稻干物质积累与吸收、光合特性均优于常规分次施肥。
近年来，南京农业大学针对机插水稻施肥不合理、氮肥损失严重等问题，基于水稻氮肥吸收规律及水稻精确定量栽培技术原理，构建了水稻机插缓混一次性施肥技术，多年多点示范表明，该技术经济、环保、高效，在机插稻推广地区得到广泛应用[35-36]。2020—2021 年，水稻机插缓混一次性施肥技术被列为农业农村部引领性技术，并在适用地区集中开展缓控释肥技术的示范展示和培训，进一步加快成果转化，推动农业提质增效[37-38]。
3.2 缓控释肥在水稻上的应用效果
3.2.1 缓控释肥对水稻产量的影响
谢春生等[39]对植物素包膜控释肥、磷酸铵镁包膜控释肥、聚合物包膜尿素一次性施用效果研究发现，在等量氮肥水平下，较常规分次施肥早稻增产 10.75%～ 15.91%，晚稻增产 4.76%～14.05%，增产原因是控释肥处理的水稻成穗率显著，每穗粒数增加。蒋伟勤等[40]将 2 种不同缓释期的控释肥组配成控混肥，并与常规氮肥掺混进行一次性基施，结果表明，100 d+80 d、100 d+ 120 d 的处理在关键生育时期释放的养分更能满足南粳 9108、丰粳 1606 的需要，使水稻群体光合性能提升，干物质生产能力增强，群体颖花量和有效穗数显著增加，100 d+80 d 处理两品种较对照分别增产 4.66%、 4.29%。魏海燕等[41]选用 3 种缓控释肥搭配普通尿素施用，设置基施、一基一蘖两种施肥方式，与常规分次施肥对比，缓控释肥处理没有增加甬优 2640 的产量，原因在于其前中期肥力相对集中，后期无法满足水稻生长所需，叶面积指数低、光合弱、干物质生产少，同时甬优 2640 群体颖花过大、穗大粒多的特点也是重要因素。缓控释肥的生产成本高于普通速效肥料，如果等氮条件下无法提高水稻产量或者达到平产水平，无疑会增加农民生产成本，不利于缓控释肥的推广。针对这个问题，许多学者对缓控释肥减量施用是否可行展开研究。蒋琪等[42]研究表明，控释肥处理在减氮 9.82%情况下，较常规施肥处理增产 2.01%，增收 930.47 元/hm2 。俞卫星等[43]认为，等氮条件下，缓控释肥处理产量、效益最高，即使减氮 20%～30%，缓控释肥处理也能够保证与常规施肥处理相近的产量。由此可见，合理施用缓控释肥可以增加水稻产量，提高经济效益。
3.2.2 缓控释肥对水稻品质的影响
在保证水稻高产稳产的基础上，缓控释肥对水稻品质的影响也有许多研究。李宏亮[44]研究发现，相比常规分次施肥，施用缓控释肥不能明显提高稻米碾磨品质;但降低垩白度和垩白粒率，显著改善外观品质;同时使水稻蛋白质含量降低，直链淀粉含量增加，最高黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值和回复值提高，消减值下降，最终蒸煮食味品质更优。付正豪[45]研究表明，与对照相比，施用控释肥能够明显改善稻米食味品质，提高加工品质和外观品质。俞卫星等[43]研究发现，等量氮肥水平下，缓控释肥处理的稻米品质优于常规施肥，而减氮条件下缓控释肥处理的稻米品质与常规施肥接近或有所降低。郑磊等[46]研究认为，缓控释肥处理的水稻籽粒蛋白质含量显著提高，营养价值更优。综合以上研究可知，缓控释肥对稻米品质的影响与肥料类型、肥料配比、施肥量等因素有关，合理施用缓控释肥一定程度上能够提升稻米品质，但如何平衡各品质之间的关系仍有待研究。
3.2.3 缓控释肥对肥料利用率的影响
缓控释肥的合理施用有利于水稻氮素吸收与利用，进而提高肥料利用率。陈立才等[47]研究发现，控释肥处理的氮肥利用效率较常规施肥处理显著提高 9.65%～13.56%。侯红乾等[48]研究发现，相比常规分次施肥，一次性基施缓控释肥显著提高了双季稻吸氮量、氮肥利用率，其中减氮 20%的缓控施肥处理氮肥利用率最高，保证产量的同时兼顾经济效益。曲均峰等[49-50]通过研究控释肥与普通尿素按不同比例组配施用发现，氮肥利用率随着控释肥比例增加而提高，但控释肥合理配施普通尿素更符合实际生产，其原因是缓控释肥一方面能够弥补普通尿素释放快、损失大造成的肥料利用率低的问题，另一方面能够保证后期养分供应，促进水稻生育中后期氮素吸收与利用。金丹丹等[51]研究表明，齐穗期缓控释肥处理剑叶中硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、亚硝酸还原酶活性较常规施肥处理显著提高，有利于水稻生育后期氮素的吸收与转化，提高利用率。综上所述，缓控释肥能够弥补水稻常规施肥因前期施肥大、损失快而造成的中后期脱肥现象，保障后期养分充足，促进氮肥吸收利用。
4 展望
缓控释肥作为一种促高产高效的新型肥料，它的出现为提高肥料利用率、节省劳动力提供了新思路，在未来具有良好的发展前景。基于研究和分析，我们提出关于缓控释肥在农业生产应用中几点建议。
4.1 推动缓控释肥产业化发展，降低其生产成本
缓控释肥生产工艺复杂，制备成本相对偏高，其价格高于普通肥料，限制了其在水稻生产等农业领域的普及推广。因此，在研发和生产缓控释肥产品过程中，在注重产品质量的同时要降低生产成本，使其符合农业生产实际。
4.2 加强水稻等多种作物的专用缓控释肥研究与应用
目前市场上缓控释肥产品混杂，缺乏市场监督和规范，农民难以分辨，往往因选用不当造成损失。应根据不同地方的生产实际，研发生产出适用于水稻等多种作物的专用缓控释肥，确保缓控释肥正确施用。
4.3 加强研发廉价、可降解、生态安全的包膜材料
目前缓控释肥所用的包膜材料种类多，多次施用造成的残留问题是否会给土壤、作物、环境造成危害仍有待研究。未来要加强可降解、无毒无害包膜材料的研究，进一步减轻或缓解缓控释肥可能带来的环境问题，促进其向绿色环保方向发展。
4.4 加强缓控释肥施肥技术推广
通过建立健全缓控释肥相关信息平台及推广应用中心，提高农民认知水平，完善配套缓控释肥施用技术并进行推广，争取让缓控释肥真正实现技术落地，投入更大规模生产实践。——论文作者：吴周周 刘佳欣 陈粤彤 周婵婵 王术 * 贾宝艳 黄元财 王岩 王韵
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