缓/控释肥料研究进展及其对农田氮素流失的防控效果

何阳 王秀荣 陈新平

摘要 缓/控释肥料的养分可以按照设定的释放规律和释放期缓慢或控制释放，延长植物对养分吸收利用的有效期，对于减少化肥施用和提高利用率至关重要。目前，缓/控释肥料应用的效果，以及对农田氮素流失的防控效果的综合性分析还较少。综合分析了国内15年缓/控释肥料的田间应用数据，从缓控释肥料的种类及作用机理，缓/控释肥料的应用效果，缓/控释肥料对农田氮素流失的防控，以及缓/控释肥料推广瓶颈与建议等几个方面，综述了缓/控释肥料的研究进展及其对农田氮素流失的防控效果，以期为缓/控释肥料在农田更好地推广应用提供支撑。

关键词 缓/控释肥料;农田氮素流失;氮肥利用率;防控效果

中图分类号 S 158  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）21-0007-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Review of Slow/Controlled Release Fertilizer and Its Prevention and Control Effects of Farmland Nitrogen Loss

HE Yang  WANG Xiu-rong  CHEN Xin-ping2

（1. Root Biology Center / State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642;2. College of Resources and Environment， Agricultural Green Development Research Center of Yangtze River Economic Belt， Southwest University， Chongqing 400000）

Abstract The nutrients of slow/controlled release fertilizers can be released slowly or controlled according to the given release pattern and period. Slow/controlled release fertilizers can prolong the effective period of nutrient absorption and utilization by plants， which is very important to reduce the application of chemical fertilizers and improve fertilizer use efficiency. At present， the comprehensive analysis of the slow/controlled release fertilizers on the application effects and prevention and control effects of nitrogen loss is seldom reported in farmland. This paper comprehensively analyzed the field application data of slow/controlled-release fertilizers in China for 15 years， and summarized the research progress of slow/controlled-release fertilizers and their prevention and control effects on nitrogen loss in farmland from the following several aspects， classification and nutrient release mechanisms， application effects， prevention and control of nitrogen loss in farmland， and bottlenecks and suggestions for promotion of slow/controlled-release fertilizers. The aim of the current review was to provide the support for the better application of slow/controlled release fertilizers in farmland.

Key words Slow/controlled release fertilizer;Nitrogen loss in farmland;Nitrogen use efficiency;Prevention and control effect

基金項目 国家自然科学基金项目（32072668）。

作者简介 何阳（1982—），男，陕西汉中人，硕士，从事作物养分管理研究。

*通信作者，研究员，博士，博士生导师，从事植物营养生理、植物营养遗传和根系生物学研究。

收稿日期 2021-03-16

根据联合国粮食与农业组织（FAO）统计数据，2002—2018年我国化肥平均年产量中，氮肥和磷酸盐类肥料产量均为世界第一，钾肥产量位居第四位。同时，我国平均年农业用肥量为世界第一。然而，由于在农业生产中肥料选择不当、养分配比不平衡、施肥技术落后等原因造成氮肥和磷肥利用率低[1-3]。每年农业施用的氮肥通过淋洗和径流等途径损失超过1 000万t，相当于超过2 000万t尿素，直接经济损失400多亿元，不仅对环境造成极大威胁，而且造成能源与资源的巨大浪费[4]。如何提高氮肥利用效率，减少氮素淋洗和径流等损失是我国农业可持续发展的必然要求[5]。而缓/控释肥料的应用可以提高肥料利用率，减少肥料施用量，同时降低环境污染的风险。因此，缓/控释肥料成为肥料研究和应用的趋势。

1 缓/控释肥料的种类及作用机理

广义上，缓/控释肥料是指营养释放速度相对迟缓，释放时间可控，释放期较普通化肥更长，且在作物生长的全部时期都能满足生长所需营养的肥料[6]。目前不同学者以及国家行业标准对缓/控释的定义有所差异。我国化工行业标准（HG/T 3931—2007）把缓/控释肥料定义：以各种调控机制使其养分释放缓慢，延长植物对其养分吸收利用的有效期，使其养分按照设定的释放规律和释放期缓慢或控制释放的肥料。

控释肥料通过采用各种高分子化合物进行包膜处理，在常规肥料颗粒表面形成一种薄膜，对化肥的水溶性进行严格阻控，有效地抑制了肥料养分的释放，使肥料养分释放时间和强度与作物养分吸收规律相吻合（或基本吻合）[5]。控释肥料的养分供应速度由包膜的厚度和环境温度控制，其中，温度是主要因素[7]。

缓释肥料通过包膜、物理吸附、化学反应等方式使养分在土壤中缓慢释放，延长肥料在土壤中的有效期。不同于控释肥料，缓释肥的包裹膜通常由一种或多种枸溶性或微溶性无机肥料、无机化合物或矿物构成。由于水溶性肥料被非水溶性肥料或微溶性化合物所包裹，在土壤中能在一段时间内缓慢释放供植物持续吸收利用[8]。将肥料经一定的工艺处理，吸附到载体上，当缓释肥料施入土壤后，其在土壤中缓慢地从载体上解析，达到缓释作用[9]。尿素与醛类在一定条件下反应可制得有机微溶性缓释肥料，主要包括脲甲醛（MU）、异丁叉二脲（IBDU）、丁烯叉二脲（CDU）[10-11]。该类缓释肥料施入土壤后，在土壤微生物、土壤温度和湿度等因素作用下，缓慢释放氮素[12-14]。稳定性肥料是指经过一定工艺加入脲酶抑制剂和（或）硝化抑制剂，施入土壤后能通过脲酶抑制剂抑制尿素的水解，和（或）通过硝化抑制剂减缓铵态氮的硝化，使肥效期得到延长的一类含氮肥料，从功能上可视为缓释肥料[7，15]。土壤脲酶抑制剂是对土壤脲酶活性有抑制作用的化合物或元素[16]。脲酶抑制剂有氢醌、N-丁基硫代磷酰三胺、邻苯基磷酰二胺、硫代磷酰三胺等[17]。

2 缓/控释肥料的应用效果

以“缓释肥”“控释肥”“产量”为关键词，在知网数据库检索2009年8月—2020年8月发表的文章，最终收集到包含缓/控释肥料施肥和常规肥料处理，且同时具有产量等指标的有效文献共计337篇。由图1、2可知，关于缓/控释肥料的应用研究主要集中在粮食作物，共计225篇，占所有研究文献的67%，其次为蔬菜作物。在粮食作物中，研究主要集中在水稻上，共计102篇，占缓/控释肥料应用在粮食作物研究文献的45%。

2.1 缓/控释肥料提高作物产量

以“缓释肥”“控释肥”“水稻”作为关键词，在知网数据库检索2006—2020年的发表文章，收集到包含种植户习惯施肥（常规肥料）和缓/控释肥料处理，且含有施氮量、产量、氮肥利用率等测定指标的有效文章共计50篇。随后，整理出69组种植户习惯施肥（常规肥料）处理与施用缓/控释肥料处理的试验数据集，并细分为等氮量数据集（27组）和减氮量数据集（48组）。由图3可知，在等氮量条件下，施用缓/控释肥料的水稻产量为8.77 t/hm 而施用常规肥料的水稻产量为8.42 t/hm2。总体上，缓/控释肥料与常规肥料相比，水稻产量无显著差异。但进一步分析发现，当施氮量大于平均值203.6 kg/hm2时，缓/控释肥料与常规肥料对产量的影响差异显著，施用缓/控释肥料的水稻产量从8.21 t/hm2提高到8.96 t/hm 增产幅度达9.14%。

研究表明，苹果、葡萄、蜜柚和柑橘等果树上施用缓/控释肥后，产量均有不同程度的提高，增产幅度分别为4.55%～25.13%[18-20]、7.2%～14.5%[21]、4.76%[22]、12%～26%[23]。缓/控释肥料能够提高作物产量，减少施肥次数，提高农产品品质。在同等氮素施肥量的前提下，大白菜底肥一次性施用包膜控釋肥料与施用传统复合肥2次（底肥、莲座期）相比，单株结球质量增加了0.42 kg，产量提高了419%[24]。

2.2 缓/控释肥料提高氮肥利用率

缓/控释肥在增产的同时，也提高了水稻的氮肥利用效率[25]。在等氮量条件下，与常规肥料的氮肥利用率30.1%相比，缓/控释肥料处理提高到44.4%。这与符建荣[25]在日本水稻上的研究结果基本一致。与传统氮肥相比，等氮量施用树脂包膜类控释氮肥后，水稻产量显著增加4.0%～9.2%，氮肥利用率由20.9%～311%提高到34.0%～37.4%。

相较于水稻种植而言，蔬菜种植具有高施肥量、高复种指数、高经济效益、高频度农事操作等特点[26]。在华南地区蔬菜种植体系中，氮肥利用率仅为18.4%～20.6%[27]。在五月蔓油菜盆栽试验中，每盆基施等量氮素（1.80 g），施用包膜尿素与尿素相比，地上部鲜重增加35.99%，氮肥利用率由41.05%提高到58.59%[28]。

2.3 缓/控释肥料减少肥料施用量

施用缓/控释氮肥是减少化肥施用量的重要举措[29]。一定程度上减少缓/控释肥料用量，不会降低水稻产量，同时，可以提高肥料利用率，减少氮素流失。在减施氮肥17.9%的条件下，与传统肥料相比，施用缓/控释肥料后水稻产量基本持平（图4）。

在其他粮食作物上减量施用缓/控释肥料，同样可以在不降低作物产量的同时，提高肥料利用率，减少氮素流失。在华北地区小麦常规肥料施氮量为315 kg/hm 而通过控释肥减量20%方式，小麦地上部吸氮量显著增加，周年产量提高4.8%[30]。在果树上，与常规肥料相比，减量20%施用控释肥后，苹果产量增加7.17%[18]，杏产量基本持平[31]。

综上所述，通过缓/控释肥料的应用，等施氮量的条件下，与施用常规肥料相比氮肥利用率极显著增加;在一定程度上减少施氮量的情况下，与施用常规肥料相比产量增加或持平。因此，缓/控释肥料的应用，可以提高氮肥利用率，减少氮肥施用量，从而减少了氮素流失，降低了因化肥过量施用对环境造成的污染[32-33]。

3 缓/控釋肥料农田氮素流失的防控

3.1 农田氮素流失及其危害

我国化肥年施用量高达5 984.1万t，单位耕地面积的化肥施用量达446.12 kg/hm 远高于国际认定的225 kg/hm2的安全上限[29]。目前主要粮食作物的氮肥利用率平均为27.5%[34-35]，较低的利用率造成资源浪费。《第一次全国污染源普查公报》显示，我国农业总氮（TN）的排放量为270.46万t，占总排放量的57.2%。其中全国种植业总氮流失量为159.78万t，占农业总排放量的59.1%。农田氮素流失是农业面源污染的重要来源[36-37]。部分未被植株吸收利用的氮素通过淋洗和径流进入江河湖泊，导致水质严重恶化，造成环境污染[38]。由此可见，过量施肥和肥料利用率低，加剧农田氮素的流失，不但增加了环境污染的风险，同时也增加了农业生产的成本[39]。

3.2 农田氮素流失主要途径

农田氮素流失的2种基本途径是淋溶损失和地表径流[40]。影响氮素淋溶和径流输出的关键因素主要包括降雨强度、灌溉量、坡度、覆盖度、肥料种类以及肥料用量等。降雨会影响氮素流失中总氮、铵态氮和有机氮组分，如果在氮肥施用后20 d内发生降雨将会显著增加稻田氮素损失[41]。旱地降雨地表径流含有大量的泥沙负荷，而泥沙颗粒物会富集大量的氮素养分[42]。不同形态氮和泥沙的平均流失率随着降雨强度的增强而增加[43]。除降雨外，灌溉量也是影响氮素流失的关键因素。研究表明不同稻田水分管理能显著影响稻田的氮素损失。干湿交替灌溉与常规淹水相比，大幅降低41.9%的田间灌溉量和57.9%的径流量，进而总氮（TN）和铵态氮（NH4-N）径流流失量分别降低52.6%和51.8%，同时降低了14.2%的渗漏水量和94%的总氮（TN）淋失量[44-45]。坡度和植被覆盖度主要影响径流强度和次数。在一定坡度范围内，坡耕地的次降雨地表径流量和径流侵蚀模数，随着坡度的增大而增加[46]。董月群等[47]研究表明，植被覆盖可以减小坡面25%～70%径流的产生，降低40%～90%泥沙的产生。刘彬彬[48]研究表明，3种不同牧草与玉米覆盖比较，平均径流中总氮流失量、平均泥沙中总氮流失量、平均氮素总流失量分别降低30.63%、20.19%、22.66%。

3.3 缓/控释肥料防控农田氮素流失

肥料的选择和施用同样是影响氮素流失的重要因素。施用缓/控释肥料显著降低了氮素流失量[37]。侯朋福等[49]通过3年的定位监测试验发现，等氮量施用不同肥料，在稻田径流易发期，缓/控释肥料氮素流失量低于常规肥料。叶玉适等[44-45]研究表明，在等氮量处理下，控释BB肥（Bulk Blending Fertilizer）和树脂包膜尿素较常规尿素田面水总氮（TN）平均浓度分别降低246%和78.3%，总氮（TN）径流流失量分别降低29.4%和328%;同时，水稻全生育期渗漏水总氮（TN）平均浓度分别降低10.2%和43.3%，总氮（TN）淋失量分别降低26.1%和395%。在旱地作物玉米试验中，相对于常规复合肥处理，等量控释复合肥处理氮素的总流失量降低了26.3%[50]。施肥量越大流失量越大[51]。司友斌等[52]研究表明，地表氮素流失量与施氮量密切相关，在一定施氮量的基础上每增施1 kg/hm 通过径流损失的氮素就会增加0.56～0.72 kg/hm2。施用缓/控释肥料是减少化肥施用量的重要举措[29]。研究表明，与常规氮肥相比，缓/控释肥料氮肥利用率高，在施氮量减少30%～40%，可以实现水稻稳产和高产[3 53]，同时，能够有效降低氮素流失的风险性。

4 缓/控释肥料推广瓶颈与建议

4.1 缓/控释肥料推广瓶颈

4.1.1 缓/控释肥料使用成本高。

缓/控释肥料价格高是限制其在农业生产中，尤其是在大田作物上推广应用的主要因素[1]。缓/控释肥料价格通常是普通肥料的2～8倍[54-55]，如在国外包膜控释肥料尿素的价格为普通尿素的5～6倍[56]。缓/控释肥料价格高主要是由于生产成本高、流通成本高[57]。一方面，包膜材料成本价格高，生产工艺要求高。另一方面，产品宣传推广和消费者赊销行为也是导致缓/控释肥料价格过高的重要因素 [57]。

4.1.2 种植户对缓/控释肥料认知不足。

种植户对控缓释肥料的认知不足也是一个原因。缓/控释肥料的应用，不但可以增加种植户的经济效益，同时也会创造环境效益。从种植户利益出发，缓/控释肥料可以提高作物产量，减少人工成本[20，24]，提升作物品质[19，58]。从降低环境风险出发，缓/控释肥料能够减缓或控制养分的释放，提高肥料利用率，减少肥料的淋洗等损失，缓解对生态环境的影响[59]。但种植户往往通过增加施肥量来保证自身利益的最大化，并不会考虑环境效益。据统计，83.3%的农户认为大量施肥对环境没有影响[60]。种植户对于缓/控释肥料等新型肥料，接受认可程度较低[57]。

4.2 缓/控释肥料推广建议

4.2.1 降低缓/控释肥料的使用成本。

如何降低肥料成本是缓/控释肥料推广和应用遇到的首要问题。在缓/控释肥料的生产、流通、施用过程中，各环节承载的主体不同，面临的问题不同，但都有追求效益的目标。首先从生产环节，肥料生产商应从包膜材料选择入手，选择更廉价、环境友好的包膜材料，改进生产工艺流程和设备，降低生产成本，减少与传统肥料的价格差距。其次，在整个链条中，政府部门需要发挥政策引导和财政补贴的作用。对缓/控释肥料的生产企业、流通企业给予一定的优惠政策或补贴。政府部门可以引导和鼓励各个环节的主体都参与，采取“企业让一点，政府补一点，种植户出一点”的模式，降低缓/控释肥料的使用成本。与此同时，当缓/控释肥料应用达到一定面积，肥料的需求量达到一定量级，企业的生产规模达到一定程度，也能够相应地降低种植户的使用成本。

4.2.2 推广和宣传缓/控释肥料。

企业和政府相关部门可以通过组织培训，让农业技术人员和种植户学习缓/控释肥料的相关知识和施肥技术，了解缓/控释肥料带来的经济效益和环境效益。让种植户明白，他们本身既是过量施肥的受害者，又是积极行动的受益者，从而携手共同防治和管控农业面源污染[61]。在提高缓/控释肥料认知的同时，需要充分考虑当地土壤状况、作物需肥规律、种植户用肥习惯等因素，设计、布局和示范，摸索最佳的缓/控释肥施用方法和用量，让种植户实实在在体验和感受到缓/控释肥料带来的经济效益与生态效益。

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