緩控釋肥技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

緩控釋肥技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

目前，糧食產(chǎn)量主要基于農(nóng)業(yè)資源的高投資和高消耗。肥料利用率低，不僅浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫切需要高產(chǎn)、高效、生態(tài)、簡(jiǎn)化的農(nóng)業(yè)人才生產(chǎn)技術(shù)體系。緩/控釋肥技術(shù)核心是控制肥料逐步釋放,以滿足作物全生育期生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需要,可以解決中后期作物對(duì)養(yǎng)分的需求,且能明顯提高氮肥利用率、簡(jiǎn)化操作、減少環(huán)境污染,已成為國(guó)內(nèi)外肥料科學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。1緩慢控制和肥料制造的概念和標(biāo)準(zhǔn)1.1控釋肥與控釋肥緩/控釋肥是上世紀(jì)40年代誕生的一個(gè)新名詞,最初起源于美國(guó),歐洲、日本相繼開始了相關(guān)的研究,始終以肥料長(zhǎng)效、高效為主線發(fā)展至今。生物或化學(xué)作用下可分解的有機(jī)氮化合物(如脲甲醛)肥料通常被稱為緩釋肥,而對(duì)生物和化學(xué)作用等因素不敏感的包膜肥料通常被稱為控釋肥。控釋肥(slowandcontrolled-releasefertilizer)是在傳統(tǒng)肥料表面涂上一層特殊材料的膜,因此也稱包膜肥料,根據(jù)作物不同階段生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需求,而設(shè)計(jì)調(diào)控養(yǎng)分釋放速度和釋放量,使養(yǎng)分釋放曲線與作物對(duì)養(yǎng)分的需求相吻合。由于緩/控釋肥具有減少施肥量及施肥次數(shù)、節(jié)約化肥生產(chǎn)原料、提高肥料利用率、減少生態(tài)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn),因此2007年“中央一號(hào)文件”與《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)發(fā)展綱要(2005—2020年)》將緩/控釋肥作為重點(diǎn)發(fā)展的方向。1.2養(yǎng)份釋放率低,有歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN)以肥料養(yǎng)分在水中的溶出率為標(biāo)準(zhǔn),即在溫度25℃時(shí):①肥料中的有效養(yǎng)分在24h內(nèi)的釋放率不大于15%,②28d內(nèi)的養(yǎng)分釋放率不超過(guò)75%;③在規(guī)定時(shí)間內(nèi),養(yǎng)分釋放率不低于75%。Trenkel綜合了有關(guān)緩釋和控釋肥養(yǎng)份緩慢或控制釋放的釋放率和釋放時(shí)間的研究,特別提出將專用控釋肥的養(yǎng)份釋放曲線與相應(yīng)作物的養(yǎng)份吸收曲線相吻合作為標(biāo)準(zhǔn)之一。2007年10月1日起,我國(guó)首部《緩控釋肥料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為HG/T3931-2007)正式實(shí)施,通過(guò)同歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)評(píng)判緩/控釋肥比較。其區(qū)別在于:①初期養(yǎng)分釋放率不大于15%;②規(guī)定時(shí)間內(nèi),緩控釋養(yǎng)分釋放期的累積養(yǎng)分釋放率不低于80%。借鑒以往研究經(jīng)驗(yàn)和近兩年的研究結(jié)果,筆者認(rèn)為應(yīng)將“專用控釋肥的養(yǎng)分釋放曲線與相應(yīng)作物的養(yǎng)分吸收曲線相同步”這一條作為評(píng)判緩/控釋肥效果及生產(chǎn)的指標(biāo)之一。2緩解和控釋肥的發(fā)展2.1追氮施用量對(duì)作物產(chǎn)量的影響作物在生長(zhǎng)過(guò)程中,一般苗期個(gè)體小,需肥量少,生長(zhǎng)中期為需肥高峰期,如小麥在拔節(jié)期,玉米在喇叭口期。隨著作物產(chǎn)量的持續(xù)提高,以往的“一炮轟”追肥方式已經(jīng)滿足不了高產(chǎn)的需要,尤其對(duì)于氮肥來(lái)說(shuō),養(yǎng)分釋放快,且易流失,因此減少底氮用量,提高追氮用量的施肥方式在不同作物上均起到了增產(chǎn)的作用,越來(lái)越多的研究集中在了前氮后移技術(shù)方面,涉及較多的作物有小麥、玉米、水稻,且細(xì)化到葉齡等指標(biāo)。而緩/控釋肥則可以解決需肥高峰期的問(wèn)題,根據(jù)作物需肥規(guī)律將養(yǎng)分釋放與之達(dá)到最大吻合,可以滿足作物全程對(duì)養(yǎng)分的需求。2.2施肥方式不當(dāng)淺層地下水硝態(tài)氮的面源污染已受到廣泛的關(guān)注,直接影響到人們的生活用水和身體健康,已有的研究表明硝態(tài)氮污染與施氮量過(guò)大,和施氮方式不當(dāng)造成硝態(tài)氮淋洗到地下等有一定關(guān)系。以往的施肥方式肥料利用率地下,不僅造成了資源極大浪費(fèi),也導(dǎo)致了環(huán)境污染,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)性受到極大挑戰(zhàn)。緩/控釋肥為解決這一問(wèn)題提供了較好的途徑,通過(guò)緩釋、控釋技術(shù)減少了硝態(tài)氮的淋洗,提高了肥料利用率,是糧食高產(chǎn)、資源高效、環(huán)境友好的作物栽培技術(shù)。2.3機(jī)械化栽植技術(shù)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)村勞動(dòng)力外出務(wù)工成為農(nóng)村的主要經(jīng)濟(jì)支柱,也造成了農(nóng)村農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫切要求減輕勞動(dòng)力投入,易于機(jī)械化的簡(jiǎn)化、高產(chǎn)、高效的栽培技術(shù)。緩/控釋肥技術(shù)通過(guò)一次施肥實(shí)現(xiàn)作物全程的需要,簡(jiǎn)化了操作程序,減少用工,起到了節(jié)本簡(jiǎn)化的作用。3緩/控釋肥的發(fā)展緩/控釋肥的研究以美國(guó)起步最早,1948年美國(guó)人K.G.C1art等人合成了世界上第一個(gè)緩釋縮合肥料尿素一甲醛,從最初的縮合技術(shù)到現(xiàn)在的涂層和包膜技術(shù),從縮合肥料逐步過(guò)渡到包膜肥料,包膜材料從石蠟、松香到聚烯類等,到后來(lái)硫磺、聚乙烯等,而遵循的道路一直是提高緩釋效果,延長(zhǎng)緩釋時(shí)間。我國(guó)緩/控釋肥研究相對(duì)起步略晚,但隨著近年來(lái)農(nóng)業(yè)面源污染、食品衛(wèi)生安排、社會(huì)資源消耗、增加農(nóng)業(yè)收入等多方面的壓力加大,促進(jìn)了緩/控釋肥料行業(yè)的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。早在20世紀(jì)60年代末,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所就開始長(zhǎng)效氮肥的研究,在國(guó)內(nèi)首先研制成功了包膜長(zhǎng)效碳酸氫銨。近幾年我國(guó)緩/控釋肥料發(fā)展迅速。緩/控釋肥經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,在包膜材料的選擇、養(yǎng)分釋放機(jī)理及評(píng)價(jià)方法等方面均有一定的進(jìn)展。從生產(chǎn)工藝和肥料特征來(lái)看,緩/控釋肥料可分為4種類型:一是包膜型(硫包膜、石蠟包膜、聚合物包膜等),包膜肥料方面發(fā)展迅速,隨著工藝的改進(jìn),逐漸將殺蟲劑、微肥、保水劑等技術(shù)結(jié)合肥料中去,研制出多功能緩/控釋肥主要有保水型緩釋肥、殺蟲抗病型緩釋肥等;二是合成微溶態(tài)型(脲甲醛、草酰胺等);三是化學(xué)抑制型;四是基質(zhì)復(fù)合與膠粘型(添加風(fēng)化煤、磷礦粉)。包膜材料是現(xiàn)代緩/控釋肥料核心技術(shù)之一,緩/控釋肥的發(fā)展就是包膜材料不斷研究和創(chuàng)新的過(guò)程,同時(shí)也是生產(chǎn)工藝不斷發(fā)展的過(guò)程。目前作為包膜材料應(yīng)用較廣的有高表面活性礦物、有機(jī)聚合物、抑制劑類等。高表面活性礦物如沸石,沸石化肥是一類價(jià)廉的緩效肥;有機(jī)聚合物有天然高分子、合成高分子、半合成高分子等,天然高分子材料如橡膠、木質(zhì)素、淀粉等,來(lái)源廣,易被生物降解,而合成高分子相對(duì)分解慢,成本高;抑制劑類用作緩/控釋肥生產(chǎn),如尿酶抑制劑、硝化抑制劑等。脲酶抑制劑主要是抑制土壤中分解尿素的脲酶活性,從而延緩尿素水解和氨的釋放,提高氮肥的利用率。目前對(duì)緩/控釋肥料養(yǎng)分釋放的評(píng)價(jià)方法有:溶液溶出率法、土壤溶出率法、塑缽培養(yǎng)稱重、淋溶評(píng)價(jià)法、擴(kuò)散和滲透率法、同位素示綜法等,目前國(guó)內(nèi)主要以溶液溶出率法和土壤溶出率法較為普遍。在世界范圍內(nèi),以美國(guó)、歐洲、以色列、日本等對(duì)緩/控釋肥用量較大,而多數(shù)也以經(jīng)濟(jì)作物和高效益草坪等用量較大,其中美國(guó),歐盟等主要用于非農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,高爾夫球場(chǎng)、草坪,景觀植物等,而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也主要用在蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物,可見(jiàn)成本高是限制其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的原因之一;在日本主要用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,如水稻、蔬菜和水果。與普通肥料相比,緩/控釋肥的應(yīng)用比例仍相對(duì)較小。4用于研究和開發(fā)緩沖控釋肥料4.1緩/控釋肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的效益緩/控釋肥滿足作物不同生長(zhǎng)階段肥料的需求,越來(lái)越多的研究表明,其通過(guò)提高作物生長(zhǎng)后期供肥能力,促進(jìn)作物生長(zhǎng),最終提高作物產(chǎn)量,且在不同作物上均表現(xiàn)增產(chǎn)效果。王茹芳等在盆栽條件下通過(guò)對(duì)粘土-聚酯膠結(jié)肥和塑料-淀粉膠結(jié)肥研究,結(jié)果表明,施用兩種類型肥料均能顯著增加冬小麥產(chǎn)量,與對(duì)照(等氮磷鉀養(yǎng)分)相比分別增產(chǎn)14.85%、27.48%,這為包膜材料的選擇提供了依據(jù)。已有關(guān)于冬小麥方面的研究表明,緩/控釋肥較等NPK量肥料或尿素基施增產(chǎn)10%左右,返青至拔節(jié)期植株含氮量明顯提高,千粒重、穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量均有所增加[,6,7,9,10],濕面筋含量、沉降值和穩(wěn)定時(shí)間也明顯增加;產(chǎn)量、產(chǎn)量相關(guān)因子、植株含氮量及肥料利用率等指標(biāo)均接近于前氮后移(底追各半)效果。緩/控釋肥與等量或減量20%～25%的未包膜復(fù)合肥處理比較,可使早稻產(chǎn)量增加5.0%～12.8%,使晚稻實(shí)際產(chǎn)量提高7.5%-13.6%,均達(dá)顯著水平;緩/控釋肥在玉米、大豆等作物上也取得較好的增產(chǎn)效果。在對(duì)緩/控釋肥的研究過(guò)程中,包膜肥料的養(yǎng)分釋放期雖然延長(zhǎng),但有的包膜肥料也出現(xiàn)了前期供肥不足的問(wèn)題,因此可將速效養(yǎng)分和緩/控釋肥配比進(jìn)行使用,此方面研究成為近期研究熱點(diǎn)之一。通過(guò)在冬小麥上研究結(jié)果表明,摻混性緩/控釋肥較普通尿素產(chǎn)量顯著增加,促進(jìn)穗粒數(shù)、穗粒重及千粒重的增加;改善小麥籽粒的品質(zhì),蛋白質(zhì)含量明顯提高或不降低,氨基酸含量、濕面筋含量、總糖含量均呈增加的趨勢(shì),較單一施用緩/控釋肥效果好。緩/控釋肥在提高產(chǎn)量的同時(shí),也改善了作物品質(zhì)。目前在小麥、玉米、水稻、棉花、大豆等作物上研究應(yīng)用較多,已有的研究也表明緩/控釋肥在不同作物均取得了相同的結(jié)果,但對(duì)作物品質(zhì)方面報(bào)道相對(duì)較少。由于緩/控釋肥成本較普通肥料偏高,因此也應(yīng)關(guān)注在緩/控釋肥和普通肥料相同價(jià)值條件下所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益,這將有助于該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。4.2對(duì)土壤養(yǎng)分利用率的影響據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)每年生產(chǎn)、施用的氮肥量(以純氮計(jì)算,下同)約為2千萬(wàn)t,其肥料的當(dāng)季利用率只有30%～50%,累計(jì)利用率為45%～60%,因氮肥利用率低造成直接經(jīng)濟(jì)損失折合人民幣達(dá)239.4億元。而在生產(chǎn)中,往往由于一次性施入氮肥過(guò)大,往往導(dǎo)致氮肥隨水淋洗土壤深層,不被作物利用,且造成地下水污染。緩/控釋肥通過(guò)促進(jìn)小麥中后期生長(zhǎng)發(fā)育,使氮和鉀利用效率均得到提高。較普通肥料前期氮素淋洗量明顯減少,減少由于肥料利用不當(dāng)造成的環(huán)境污染。謝培才等報(bào)道,包膜緩釋肥能顯著提高氮磷鉀的利用率,使氮素利用率在小麥和玉米上分別比普通復(fù)合肥平均提高9.14%和5.03%;使磷素利用率分別比普通復(fù)合肥平均提高17.52%和11.22%;使鉀素利用率分別比普通復(fù)合肥平均提高8.35%和11.26%。在大豆上試驗(yàn)結(jié)果表明,控釋尿素比普通尿素氮肥利用效率提高3.06%～11.93%,尿素N殘留量增加1.25%～5.89%。緩/控釋肥技術(shù)通過(guò)調(diào)控養(yǎng)分釋放速度,有效地起到了提高肥料利用率的作用。已有的研究較多的證明了這一結(jié)論,主要集中在氮肥利用率方面,而磷鉀相對(duì)報(bào)道較少。研究表明,緩/控釋肥較尿素全底施的氮肥利用效率有效得到提高,降低了土壤硝態(tài)氮含量。在保證產(chǎn)量不降低的同時(shí),減少了肥料用量,提高了肥料利用率,因此針對(duì)目前生產(chǎn)上“一炮轟”的施氮習(xí)慣,不僅浪費(fèi)資源,也容易造成污染,通過(guò)緩/控釋肥的應(yīng)用將得到逐步改變。4.3控釋肥對(duì)土壤水分的影響緩/控釋肥料除了能提高肥料利用和提高作物產(chǎn)量之外,也調(diào)節(jié)了土壤供肥能力的時(shí)空變化。研究表明,施用包膜控釋尿素比普通尿素能提高土壤全氮、堿解氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮,且包膜控釋尿素可增強(qiáng)土壤多酚氧化酶、磷酸酶、脲酶活性,這些酶活性與土壤養(yǎng)分之間具有極顯著或顯著的相關(guān)性。緩/控釋肥很好的保證了土壤后期速效養(yǎng)分的供應(yīng),提高了小麥中后期土壤速效氮、速效磷的含量。由于一些包膜材料的本身特性和殘留等問(wèn)題,也改善土壤的物理化學(xué)性狀,影響到土壤的孔隙度與孔隙大小的分配,增加土壤水分的有效性改善土壤的保水、釋水性能。史衍璽等研究結(jié)果表明,土壤中控釋肥殘膜含量在0.008范圍內(nèi),控釋肥殘膜可明顯降低土壤的透水性,提高土壤的田間持水量和保水性。目前對(duì)養(yǎng)分方面研究較多地認(rèn)為緩/控釋肥促進(jìn)了作物生長(zhǎng)中后期的速效養(yǎng)分的供應(yīng),同時(shí)一些特殊的包膜材料配方也起到了一定的輔助作用,如保水劑、殺蟲劑、微量營(yíng)養(yǎng)元素的加入等,均豐富了緩/控釋肥生產(chǎn)工藝及配方的發(fā)展;而對(duì)于殘膜的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)及改善土壤物理化學(xué)性狀等方面的研究,相對(duì)薄弱,亟待開發(fā)出環(huán)保、可持續(xù)的包膜材料,加強(qiáng)其持續(xù)后效的研究。4.4對(duì)小麥幼苗干物重和葉綠素合成的影響緩/控釋肥養(yǎng)分釋放緩慢,與作物生長(zhǎng)需肥基本一致,有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育。也解決了生產(chǎn)上由于底肥過(guò)多,導(dǎo)致根系周圍鹽分濃度過(guò)高而引起燒苗。研究表明,復(fù)合包裹控釋肥明顯促進(jìn)小麥中后期生長(zhǎng)發(fā)育,使葉片凈光合速率、干重、植株全量提高,并使籽粒灌漿速灌漿持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),促進(jìn)了冬小麥后期干物與轉(zhuǎn)移。通過(guò)對(duì)不同包膜材料研究表明,施用膠結(jié)型緩釋肥能夠促進(jìn)小麥各生育時(shí)期葉綠素合成;與ck(等氮磷鉀養(yǎng)分)相比,施用粘土-聚酯膠結(jié)肥和塑料-淀粉膠結(jié)肥分別使小麥中后期干物重增加9.24%～45.56%和7.53%～45.64%;使植株內(nèi)氮素含量分別增加4.43%～12.96%,5.70%～14.42%。緩/控釋肥在玉米上有一定的增產(chǎn)作用,適量的緩控施肥能提高和優(yōu)化夏玉米生長(zhǎng)中后期的生理指標(biāo),進(jìn)而提高產(chǎn)量,高于二次追肥處理,但二者差異不顯著;鄒應(yīng)斌等通過(guò)對(duì)包膜肥料在水稻上的效果表明,包膜肥料前期較對(duì)照無(wú)效分蘗減少,后期葉綠素含量高于對(duì)照。緩/控釋肥提高了生育期間的生理生態(tài)指標(biāo),如灌漿速率、光合速率、植株體含氮量、葉綠素等,為緩控釋技術(shù)提供了較多的理論支撐。4.5前氮后移技術(shù)氮肥在作物增產(chǎn)中扮演著重要角色,隨著產(chǎn)量的持續(xù)提高,施氮技術(shù)也在不斷改進(jìn),后期追施氮肥以滿足作物生長(zhǎng)需求則成為一項(xiàng)主要技術(shù)。前氮后移技術(shù)就是根據(jù)作物需肥規(guī)律,保持總氮量不變,降低底氮量,在作物后期進(jìn)行追氮,這一技術(shù)在小麥、水稻、玉米等主要作物上增產(chǎn)明顯,且目前在經(jīng)濟(jì)作物和雜糧作物均有應(yīng)用。前氮后移技術(shù)不僅提高氮肥利用效率,也降低了肥料投入量。根據(jù)河南省農(nóng)科院小麥研究中心多年來(lái)在不同地點(diǎn)試驗(yàn)和示范表明,這一技術(shù)可以提高小麥產(chǎn)量5%～10%,且可以提高強(qiáng)筋小麥濕面筋和穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)指標(biāo)。緩/控釋肥技術(shù)是解決前氮后移技術(shù)的最佳途徑,通過(guò)調(diào)控氮肥釋放時(shí)間和釋放量,達(dá)到氮肥供求的最佳結(jié)合點(diǎn)。根據(jù)我們近幾年對(duì)強(qiáng)筋小麥需氮規(guī)律研究來(lái)看,小麥在返青期前需氮量有限,在拔節(jié)期和孕穗期適當(dāng)補(bǔ)氮對(duì)提高產(chǎn)量和品質(zhì)均有一定作用。由于小麥生長(zhǎng)期較長(zhǎng),而目前的緩/控釋肥很難將氮肥控釋至孕穗期。這就需要不斷改進(jìn)包膜材料、包膜厚度以及生產(chǎn)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。5緩解和控釋肥料的問(wèn)題和現(xiàn)狀5.1主要農(nóng)村基施類型從目前緩/控釋肥應(yīng)用來(lái)看,很難達(dá)到專用,一種緩/控釋肥往往在不同地點(diǎn)使用,且跨省份、跨作物施用。而未充分考慮地域差異、氣候差異、土壤差異等特點(diǎn),也往往導(dǎo)致緩釋效果降低。通常認(rèn)為,緩釋/控釋肥料具有緩慢、穩(wěn)定釋放其養(yǎng)分的特性,一次基施可滿足作物整個(gè)生育期對(duì)養(yǎng)分的需求。但是不同作物、不同土壤條件下作物生育期間需肥特點(diǎn)有所差異。因此,要結(jié)合我國(guó)推行的測(cè)土配方施肥技術(shù),根據(jù)不同土壤肥力、土壤質(zhì)地,形成不同的工藝技術(shù),開發(fā)專用緩控釋復(fù)混肥料,提高其專用性。5.2包膜材料的優(yōu)化目前國(guó)內(nèi)緩/控釋肥價(jià)格偏高仍是限制推廣的原因之一,緩/控釋肥是肥料的再生產(chǎn)過(guò)程,必然導(dǎo)致肥料價(jià)格提高。這其中也由于工藝和包膜材料的復(fù)雜造成的,因此,從包膜材料選擇,改進(jìn)生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備,節(jié)能降耗等出發(fā),降低生產(chǎn)成本,減少與傳統(tǒng)