缓控释肥技术的发展与应用

缓控释肥技术的发展与应用

目前，粮食产量主要基于农业资源的高投资和高消耗。肥料利用率低，不仅浪费资源，而且污染环境。农业生产迫切需要高产、高效、生态、简化的农业人才生产技术体系。缓/控释肥技术核心是控制肥料逐步释放,以满足作物全生育期生长发育对养分的需要,可以解决中后期作物对养分的需求,且能明显提高氮肥利用率、简化操作、减少环境污染,已成为国内外肥料科学研究的主要内容之一。1缓慢控制和肥料制造的概念和标准1.1控释肥与控释肥缓/控释肥是上世纪40年代诞生的一个新名词,最初起源于美国,欧洲、日本相继开始了相关的研究,始终以肥料长效、高效为主线发展至今。生物或化学作用下可分解的有机氮化合物(如脲甲醛)肥料通常被称为缓释肥,而对生物和化学作用等因素不敏感的包膜肥料通常被称为控释肥。控释肥(slowandcontrolled-releasefertilizer)是在传统肥料表面涂上一层特殊材料的膜,因此也称包膜肥料,根据作物不同阶段生长发育对养分的需求,而设计调控养分释放速度和释放量,使养分释放曲线与作物对养分的需求相吻合。由于缓/控释肥具有减少施肥量及施肥次数、节约化肥生产原料、提高肥料利用率、减少生态环境污染等优点,因此2007年“中央一号文件”与《国家中长期科学发展纲要(2005—2020年)》将缓/控释肥作为重点发展的方向。1.2养份释放率低,有欧洲标准委员会(CEN)以肥料养分在水中的溶出率为标准,即在温度25℃时:①肥料中的有效养分在24h内的释放率不大于15%,②28d内的养分释放率不超过75%;③在规定时间内,养分释放率不低于75%。Trenkel综合了有关缓释和控释肥养份缓慢或控制释放的释放率和释放时间的研究,特别提出将专用控释肥的养份释放曲线与相应作物的养份吸收曲线相吻合作为标准之一。2007年10月1日起,我国首部《缓控释肥料》行业标准(标准编号为HG/T3931-2007)正式实施,通过同欧洲标准委员会评判缓/控释肥比较。其区别在于:①初期养分释放率不大于15%;②规定时间内,缓控释养分释放期的累积养分释放率不低于80%。借鉴以往研究经验和近两年的研究结果,笔者认为应将“专用控释肥的养分释放曲线与相应作物的养分吸收曲线相同步”这一条作为评判缓/控释肥效果及生产的指标之一。2缓解和控释肥的发展2.1追氮施用量对作物产量的影响作物在生长过程中,一般苗期个体小,需肥量少,生长中期为需肥高峰期,如小麦在拔节期,玉米在喇叭口期。随着作物产量的持续提高,以往的“一炮轰”追肥方式已经满足不了高产的需要,尤其对于氮肥来说,养分释放快,且易流失,因此减少底氮用量,提高追氮用量的施肥方式在不同作物上均起到了增产的作用,越来越多的研究集中在了前氮后移技术方面,涉及较多的作物有小麦、玉米、水稻,且细化到叶龄等指标。而缓/控释肥则可以解决需肥高峰期的问题,根据作物需肥规律将养分释放与之达到最大吻合,可以满足作物全程对养分的需求。2.2施肥方式不当浅层地下水硝态氮的面源污染已受到广泛的关注,直接影响到人们的生活用水和身体健康,已有的研究表明硝态氮污染与施氮量过大,和施氮方式不当造成硝态氮淋洗到地下等有一定关系。以往的施肥方式肥料利用率地下,不仅造成了资源极大浪费,也导致了环境污染,农业生产的持续性受到极大挑战。缓/控释肥为解决这一问题提供了较好的途径,通过缓释、控释技术减少了硝态氮的淋洗,提高了肥料利用率,是粮食高产、资源高效、环境友好的作物栽培技术。2.3机械化栽植技术随着社会经济的发展,农村劳动力外出务工成为农村的主要经济支柱,也造成了农村农业劳动力的严重不足,农业生产迫切要求减轻劳动力投入,易于机械化的简化、高产、高效的栽培技术。缓/控释肥技术通过一次施肥实现作物全程的需要,简化了操作程序,减少用工,起到了节本简化的作用。3缓/控释肥的发展缓/控释肥的研究以美国起步最早,1948年美国人K.G.C1art等人合成了世界上第一个缓释缩合肥料尿素一甲醛,从最初的缩合技术到现在的涂层和包膜技术,从缩合肥料逐步过渡到包膜肥料,包膜材料从石蜡、松香到聚烯类等,到后来硫磺、聚乙烯等,而遵循的道路一直是提高缓释效果,延长缓释时间。我国缓/控释肥研究相对起步略晚,但随着近年来农业面源污染、食品卫生安排、社会资源消耗、增加农业收入等多方面的压力加大,促进了缓/控释肥料行业的技术研发与产业化的发展。早在20世纪60年代末,中国科学院南京土壤研究所就开始长效氮肥的研究,在国内首先研制成功了包膜长效碳酸氢铵。近几年我国缓/控释肥料发展迅速。缓/控释肥经历了半个多世纪的发展,在包膜材料的选择、养分释放机理及评价方法等方面均有一定的进展。从生产工艺和肥料特征来看,缓/控释肥料可分为4种类型:一是包膜型(硫包膜、石蜡包膜、聚合物包膜等),包膜肥料方面发展迅速,随着工艺的改进,逐渐将杀虫剂、微肥、保水剂等技术结合肥料中去,研制出多功能缓/控释肥主要有保水型缓释肥、杀虫抗病型缓释肥等;二是合成微溶态型(脲甲醛、草酰胺等);三是化学抑制型;四是基质复合与胶粘型(添加风化煤、磷矿粉)。包膜材料是现代缓/控释肥料核心技术之一,缓/控释肥的发展就是包膜材料不断研究和创新的过程,同时也是生产工艺不断发展的过程。目前作为包膜材料应用较广的有高表面活性矿物、有机聚合物、抑制剂类等。高表面活性矿物如沸石,沸石化肥是一类价廉的缓效肥;有机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胶、木质素、淀粉等,来源广,易被生物降解,而合成高分子相对分解慢,成本高;抑制剂类用作缓/控释肥生产,如尿酶抑制剂、硝化抑制剂等。脲酶抑制剂主要是抑制土壤中分解尿素的脲酶活性,从而延缓尿素水解和氨的释放,提高氮肥的利用率。目前对缓/控释肥料养分释放的评价方法有:溶液溶出率法、土壤溶出率法、塑钵培养称重、淋溶评价法、扩散和渗透率法、同位素示综法等,目前国内主要以溶液溶出率法和土壤溶出率法较为普遍。在世界范围内,以美国、欧洲、以色列、日本等对缓/控释肥用量较大,而多数也以经济作物和高效益草坪等用量较大,其中美国,欧盟等主要用于非农业领域,高尔夫球场、草坪,景观植物等,而农业领域也主要用在蔬菜、水果等经济作物,可见成本高是限制其在农业应用的原因之一;在日本主要用于农业领域,如水稻、蔬菜和水果。与普通肥料相比,缓/控释肥的应用比例仍相对较小。4用于研究和开发缓冲控释肥料4.1缓/控释肥在农业生产中的效益缓/控释肥满足作物不同生长阶段肥料的需求,越来越多的研究表明,其通过提高作物生长后期供肥能力,促进作物生长,最终提高作物产量,且在不同作物上均表现增产效果。王茹芳等在盆栽条件下通过对粘土-聚酯胶结肥和塑料-淀粉胶结肥研究,结果表明,施用两种类型肥料均能显著增加冬小麦产量,与对照(等氮磷钾养分)相比分别增产14.85%、27.48%,这为包膜材料的选择提供了依据。已有关于冬小麦方面的研究表明,缓/控释肥较等NPK量肥料或尿素基施增产10%左右,返青至拔节期植株含氮量明显提高,千粒重、穗粒数、籽粒产量及蛋白质含量均有所增加[,6,7,9,10],湿面筋含量、沉降值和稳定时间也明显增加;产量、产量相关因子、植株含氮量及肥料利用率等指标均接近于前氮后移(底追各半)效果。缓/控释肥与等量或减量20%～25%的未包膜复合肥处理比较,可使早稻产量增加5.0%～12.8%,使晚稻实际产量提高7.5%-13.6%,均达显著水平;缓/控释肥在玉米、大豆等作物上也取得较好的增产效果。在对缓/控释肥的研究过程中,包膜肥料的养分释放期虽然延长,但有的包膜肥料也出现了前期供肥不足的问题,因此可将速效养分和缓/控释肥配比进行使用,此方面研究成为近期研究热点之一。通过在冬小麦上研究结果表明,掺混性缓/控释肥较普通尿素产量显著增加,促进穗粒数、穗粒重及千粒重的增加;改善小麦籽粒的品质,蛋白质含量明显提高或不降低,氨基酸含量、湿面筋含量、总糖含量均呈增加的趋势,较单一施用缓/控释肥效果好。缓/控释肥在提高产量的同时,也改善了作物品质。目前在小麦、玉米、水稻、棉花、大豆等作物上研究应用较多,已有的研究也表明缓/控释肥在不同作物均取得了相同的结果,但对作物品质方面报道相对较少。由于缓/控释肥成本较普通肥料偏高,因此也应关注在缓/控释肥和普通肥料相同价值条件下所产生的经济效益,这将有助于该项技术的推广应用。4.2对土壤养分利用率的影响据统计中国每年生产、施用的氮肥量(以纯氮计算,下同)约为2千万t,其肥料的当季利用率只有30%～50%,累计利用率为45%～60%,因氮肥利用率低造成直接经济损失折合人民币达239.4亿元。而在生产中,往往由于一次性施入氮肥过大,往往导致氮肥随水淋洗土壤深层,不被作物利用,且造成地下水污染。缓/控释肥通过促进小麦中后期生长发育,使氮和钾利用效率均得到提高。较普通肥料前期氮素淋洗量明显减少,减少由于肥料利用不当造成的环境污染。谢培才等报道,包膜缓释肥能显著提高氮磷钾的利用率,使氮素利用率在小麦和玉米上分别比普通复合肥平均提高9.14%和5.03%;使磷素利用率分别比普通复合肥平均提高17.52%和11.22%;使钾素利用率分别比普通复合肥平均提高8.35%和11.26%。在大豆上试验结果表明,控释尿素比普通尿素氮肥利用效率提高3.06%～11.93%,尿素N残留量增加1.25%～5.89%。缓/控释肥技术通过调控养分释放速度,有效地起到了提高肥料利用率的作用。已有的研究较多的证明了这一结论,主要集中在氮肥利用率方面,而磷钾相对报道较少。研究表明,缓/控释肥较尿素全底施的氮肥利用效率有效得到提高,降低了土壤硝态氮含量。在保证产量不降低的同时,减少了肥料用量,提高了肥料利用率,因此针对目前生产上“一炮轰”的施氮习惯,不仅浪费资源,也容易造成污染,通过缓/控释肥的应用将得到逐步改变。4.3控释肥对土壤水分的影响缓/控释肥料除了能提高肥料利用和提高作物产量之外,也调节了土壤供肥能力的时空变化。研究表明,施用包膜控释尿素比普通尿素能提高土壤全氮、碱解氮、硝态氮、铵态氮,且包膜控释尿素可增强土壤多酚氧化酶、磷酸酶、脲酶活性,这些酶活性与土壤养分之间具有极显著或显著的相关性。缓/控释肥很好的保证了土壤后期速效养分的供应,提高了小麦中后期土壤速效氮、速效磷的含量。由于一些包膜材料的本身特性和残留等问题,也改善土壤的物理化学性状,影响到土壤的孔隙度与孔隙大小的分配,增加土壤水分的有效性改善土壤的保水、释水性能。史衍玺等研究结果表明,土壤中控释肥残膜含量在0.008范围内,控释肥残膜可明显降低土壤的透水性,提高土壤的田间持水量和保水性。目前对养分方面研究较多地认为缓/控释肥促进了作物生长中后期的速效养分的供应,同时一些特殊的包膜材料配方也起到了一定的辅助作用,如保水剂、杀虫剂、微量营养元素的加入等,均丰富了缓/控释肥生产工艺及配方的发展;而对于残膜的环境生态效应及改善土壤物理化学性状等方面的研究,相对薄弱,亟待开发出环保、可持续的包膜材料,加强其持续后效的研究。4.4对小麦幼苗干物重和叶绿素合成的影响缓/控释肥养分释放缓慢,与作物生长需肥基本一致,有利于作物的生长发育。也解决了生产上由于底肥过多,导致根系周围盐分浓度过高而引起烧苗。研究表明,复合包裹控释肥明显促进小麦中后期生长发育,使叶片净光合速率、干重、植株全量提高,并使籽粒灌浆速灌浆持续时间延长,促进了冬小麦后期干物与转移。通过对不同包膜材料研究表明,施用胶结型缓释肥能够促进小麦各生育时期叶绿素合成;与ck(等氮磷钾养分)相比,施用粘土-聚酯胶结肥和塑料-淀粉胶结肥分别使小麦中后期干物重增加9.24%～45.56%和7.53%～45.64%;使植株内氮素含量分别增加4.43%～12.96%,5.70%～14.42%。缓/控释肥在玉米上有一定的增产作用,适量的缓控施肥能提高和优化夏玉米生长中后期的生理指标,进而提高产量,高于二次追肥处理,但二者差异不显著;邹应斌等通过对包膜肥料在水稻上的效果表明,包膜肥料前期较对照无效分蘖减少,后期叶绿素含量高于对照。缓/控释肥提高了生育期间的生理生态指标,如灌浆速率、光合速率、植株体含氮量、叶绿素等,为缓控释技术提供了较多的理论支撑。4.5前氮后移技术氮肥在作物增产中扮演着重要角色,随着产量的持续提高,施氮技术也在不断改进,后期追施氮肥以满足作物生长需求则成为一项主要技术。前氮后移技术就是根据作物需肥规律,保持总氮量不变,降低底氮量,在作物后期进行追氮,这一技术在小麦、水稻、玉米等主要作物上增产明显,且目前在经济作物和杂粮作物均有应用。前氮后移技术不仅提高氮肥利用效率,也降低了肥料投入量。根据河南省农科院小麦研究中心多年来在不同地点试验和示范表明,这一技术可以提高小麦产量5%～10%,且可以提高强筋小麦湿面筋和稳定时间等品质指标。缓/控释肥技术是解决前氮后移技术的最佳途径,通过调控氮肥释放时间和释放量,达到氮肥供求的最佳结合点。根据我们近几年对强筋小麦需氮规律研究来看,小麦在返青期前需氮量有限,在拔节期和孕穗期适当补氮对提高产量和品质均有一定作用。由于小麦生长期较长,而目前的缓/控释肥很难将氮肥控释至孕穗期。这就需要不断改进包膜材料、包膜厚度以及生产工艺来实现。5缓解和控释肥料的问题和现状5.1主要农村基施类型从目前缓/控释肥应用来看,很难达到专用,一种缓/控释肥往往在不同地点使用,且跨省份、跨作物施用。而未充分考虑地域差异、气候差异、土壤差异等特点,也往往导致缓释效果降低。通常认为,缓释/控释肥料具有缓慢、稳定释放其养分的特性,一次基施可满足作物整个生育期对养分的需求。但是不同作物、不同土壤条件下作物生育期间需肥特点有所差异。因此,要结合我国推行的测土配方施肥技术,根据不同土壤肥力、土壤质地,形成不同的工艺技术,开发专用缓控释复混肥料,提高其专用性。5.2包膜材料的优化目前国内缓/控释肥价格偏高仍是限制推广的原因之一,缓/控释肥是肥料的再生产过程,必然导致肥料价格提高。这其中也由于工艺和包膜材料的复杂造成的,因此,从包膜材料选择,改进生产工艺流程和设备,节能降耗等出发,降低生产成本,减少与传统