袋控緩釋肥料的研究發展與技術創新

曹繼釗，潘 波，林海能

（1.廣西壯族自治區林業科學研究院 國家林業和草原局中南速生材繁育實驗室 廣西優良用材林資源培育重點實驗室，廣西南寧 530002；2.廣西華沃特生態肥業股份有限公司，廣西南寧 530028）

我國是農業大國，化肥在糧食和農業生產中有不可替代的作用［1］。大部分傳統農業生產，片面地追求產量，過分依賴化肥，導致化肥的過量使用，造成農業面源污染風險加劇、土壤環境質量和農產品質量下降，嚴重影響人民群眾生活水平的提高和對美好生活的追求。2015年農業部印發了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，2019年中央一號文件提出“開展農業節肥節藥行動，實現化肥農藥使用量負增長”，可見黨和國家高度重視肥料的使用和發展。肥料的發展要有利于農產品的品質安全、土壤的持續健康和環境的綠色生態，施肥也要朝著高質量、科學和環保的方向發展。肥料品種的創新勢在必行，新型肥料的發展迎來了前所未有的機遇和挑戰。袋控緩釋肥料是國際公認的科技含量較高的新型肥料產品之一［2］，也是丘陵山地作物栽培較佳的緩/控釋肥料品種，加大其技術創新和推廣應用，意義重大。

1 袋控緩釋肥料的發展進程

1.1 發展現狀

國際肥料工業協會（IFA）的報告顯示，2016年全球肥料市值為1 556 億美元，中國的肥料市值為570 億美元，占全球肥料市場的37%，是全球最大的肥料應用市場；新型肥料的使用量占全球使用總量的46%，是肥料市場的主力軍。目前，中國的新型肥料主要分為功能性肥料、緩/控釋肥料、商品有機肥肥料、微生物肥料和水溶性肥料5 大類。緩/控釋肥料作為一種環保、高效、省時和省工的新型肥料，現已成為中國肥料發展的主要方向。緩/控釋肥料的應用是實現中國化肥零增長的重要途徑之一，關系著國家糧食安全和農業可持續發展［3］。

1.2 袋控緩釋肥料試驗研究

袋控緩釋肥料是將傳統施用的養分肥料按一定配方配比摻混均勻后通過可預期降解的材料進行小定量包袋（包膜）的一類緩/控釋肥料，通過篩選包袋材料的材質、密度、孔隙度和降解速度或進行不同材質的復合、復層等方式控制肥料的養分釋放速度，滿足不同植物不同生長階段的養分需求，減少肥料流失，提高肥料利用率，達到肥料使用長效、高效和環保的目的。由于其具有顯著的優越性，逐漸成為新型肥料研究的熱點。

科學施肥是近代農業發展最重要的基礎手段。袋控緩釋肥料研究在我國起步較晚，21世紀后才有部分學者進行研究。2005—2007年在蘋果（Malus pumila）、冬棗（Ziziphus jujuba）和桃樹（Amygdalus persica）上進行了相關的研究應用；蘋果和冬棗的袋控緩釋肥料以尿素、磷酸二銨和硫酸鉀配制的復混肥為原料，將其裝入紙塑復合袋后封口，并按制造工藝針刺微孔，規格為每袋100 g 50 孔［4-5］；桃樹的肥料為尿素、磷酸氫二銨和硫酸鉀復混，通過工業流水線做成95 g/袋和47.5 g/袋兩種包裝，袋上打有微孔，設計有95 g/袋0、3、5、7 排孔和50 g/袋0、3、5排孔［6］。應用的包袋材料以牛皮紙和聚乙烯塑料袋為主，復層后裝入肥料再針刺微孔，工藝較繁瑣，嚴格來講只是一種肥料的施用方法，沒有形成袋控緩釋肥料產品或商品，同時聚乙烯塑料袋在土壤中較難分解，環保性能較差，易造成污染，不宜大面積推廣應用。

2010—2011年，研究人員在葡萄（Vitis vinifera）上開展研究應用［7-11］。使用的緩釋袋為牛皮紙縫制而成，規格為10 cm×20 cm，扎孔直徑為5 mm，每袋扎孔10個。包袋材料僅為單層牛皮紙，打孔后裝入肥料，容易吸濕污染牛皮紙，保存時間不長，只能現制作現施用，無法形成商品進行銷售。

2012—2015 年相關研究主要集中在桃樹等果樹上［12-18］。使用的緩釋袋為紙塑復合材料，袋寬9 cm，袋長10 cm，袋上正反面均勻打有5 排微孔，微孔直徑0.2 mm、間距0.5 cm。在番茄（Lycopersicon esculentum）上也有少許試驗研究，采用包裝機制作［19］。

2016—2019年，山東農業大學的研究人員在蘋果和桃樹上開展試驗研究，緩釋袋材料仍為紙塑復合，正反面均打3 排微孔，微孔直徑0.2 mm、間距0.5 cm，袋寬9 cm，袋長16 cm，金正大生態工程集團股份有限公司提供［20-24］；呂紅翠［2］在杉木（Cunninghamia lanceolata）上開展相關試驗研究，在塑料袋一面設置2排對稱孔，施肥時有孔的一面朝上；馬婷婷等［25］在蘋果上開展應用研究，試驗材料為山東泰安安潤豐農業科技發展有限公司生產的“沁園春”牌袋裝果蔬可控緩釋肥料；廣西壯族自治區林業科學研究院的研究人員在油茶（Camellia oleifera）、桉樹和杉木上開展研究，主要試驗方法為采用無紡布袋和紙布復層袋包緩釋肥（牛皮紙和無紡布復層）進行盆栽施肥試驗［26-29］（圖1）。

圖1 廣西林科院研制的袋控緩釋肥產品Fig.1 Bag controlled slow-release fertilizer developed by Guangxi Forestry Research Institute

袋控緩釋肥料主要在桃樹、葡萄和蘋果等果樹上應用，近年來在杉木、桉樹和油茶等林業樹種上的應用也逐漸成為熱點。袋包材料從塑料袋（主要成分為聚乙烯）和紙袋（牛皮紙為主），到紙塑復層材料（牛皮紙和聚乙烯塑料），再到牛皮紙與無紡布復層的紙布復層材料（無紡布主要成分為聚丙烯，易生物完全降解）；由制作包裝好肥料后機械打孔進步到不用人為機械打孔，只需選擇牛皮紙和無紡布的材料密度篩選適宜的孔隙，在內層無紡布制作時添加溶孔原料（如礦質原料和易腐解的生物質纖維）。此類肥料施入土壤中，溶孔原料與土壤中的酸性或堿性物質發生反應后，產生小孔，肥料養分隨著水分的滲透和袋內外壓力差逐漸釋放到土壤中供給植物生長，有效解決了人為打孔的繁瑣程序，同時可以工廠化生產，長時間保存和銷售，從試驗逐漸走向商品化和市場化。

1.3 袋控緩釋肥料施用效果

根據有關專家學者的研究結論，袋控緩釋肥料的肥效主要體現在5個方面。

1.3.1 土壤性質方面

物理性質方面，施用袋控緩釋肥料可減緩土壤孔隙度和毛管孔隙度的降低［2］。

化學性質方面，施用袋控緩釋肥料可提高土壤pH值、有機質含量、全氮、全磷和全鉀含量及堿解氮和速效鉀含量，能明顯提高交換性鈣和鎂離子含量，使養分供應更穩定且更持久［2］；在番茄上應用袋控緩釋肥料，結果顯示0～20 cm 土層中的溶液銨態氮濃度為傳統施肥的2 倍多，土壤上層的氮素保持在較高水平，減少了隨水分進入深層土壤的比例［19］；與普通肥料相比，施用袋控緩釋肥料能顯著提高土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性，施肥60 天后分別提高了6.31%、11.58%、9.05%和32.14%，差異顯著［24］。

1.3.2 植物生理方面

施用袋控緩釋肥料能提高葡萄葉片中的全磷和全鉀含量及葉綠素含量和凈光合速率［7］；能使葡萄中的可溶性固形物增加3.7%，達到19.93%［8］。

1.3.3 肥料養分方面

沙建川等［20-21］在蘋果上應用袋控緩釋肥料，結果表明其能顯著提高蘋果植株的氮素利用率，與一半散施和全部散施相比，氮素損失分別降低了14.97%和21.21%，氮素利用率分別上升了8.84%和16.54%，同時可以減少鉀、鈉、鈣和鎂等鹽基離子的淋失量，養分供應穩定且持久，土壤Nmin、有效磷和有效鉀含量均顯著高于散施處理。潘波等在油茶上應用袋控緩釋肥料，結果表明，在肥料埋袋處理的28 天時間里，肥料中的氮素流失率比摻混肥和尿素分別減少了20.45% 和20.62%［26-27］；在杉木試驗中，處理的47 天時間里，3 種杉木緩釋肥料的氮素流失率比普通杉木專用肥料分別減少了64.36%、57.78% 和72.07%，總養分流失率分別減少了37.90%、38.63%和40.38%［29］。Xiao 等［30］的研究表明，BCRF（袋控緩釋肥料）在不降低桃產量的前提下，氮肥施用量較普通施肥方式減少了65%～82%，可使桃樹早熟品種、中熟品種和晚熟品種的氮肥施用量分別減少69.1%～81.7%、69.0%～78.4% 和65.3%～76.2%，在鮮桃生產中施用袋控緩釋肥料有降低氮肥施用量和降低肥料投入成本的潛力。

總而言之，袋控緩釋肥料的施用可顯著減少肥料中氮素的流失和揮發、磷素的固定和鉀的遷移，大幅度減少肥料養分流失，提高養分利用率。

1.3.4 增產增效方面

施用袋控緩釋肥料可使桃樹產量提高37%［6］；可顯著提高蘋果果實中的可溶性固形物和可溶性糖含量，減少可滴定酸含量，糖酸比提高10.7%［23］；能明顯促進杉木生長，施肥3年的胸徑和蓄積比對照分別高出43.03%的31.67%［2］；在葡萄上施用袋控緩釋肥料比常規施肥，產量提高38.9%～50.7%［11］。袋控緩釋肥料施用簡單，省工省時且節肥，能減少污染，有效解決施肥中養分的平衡供應問題，可長期供給植物養分，促進植物生長，緩解植物因養分缺乏而出現生長緩慢或停滯，在提高植物生長量和產量上優于其它肥料，是一種理想的施肥方式。

1.3.5 環境保護方面

與普通肥料相比，袋控緩釋肥料能顯著延后和削減NH3、N2O 和CO2的排放高峰，可減少NH3、N2O和CO2的累積排放量，分別減少52.17% ～59.70%，48.57% ～49.50%和23.49% ～30.57%；減少土壤氮素損失56.04%，減少由N2O 和CO2的排放造成的溫室氣體效應潛勢27.75% ～28.63%［7］。BCRF 可降低CO2和N2O 的綜合溫室效應，相比普通肥料處理，平均GWP值在20 ～，50 ～和100 ～年尺度上分別減少了28.31%，28.63%和27.72%［30］。

進入新時代，林業成為“綠水青山就是金山銀山”新發展理念的實踐主體，生態建設和產業高質量發展是林業發展的責任和使命，創新施肥科學理論和提高技術水平是實現林業“減肥增效”和土壤健康、綠色發展的重要途徑。林木生長周期長，影響因素多，需定點、定位、定量和常年施肥，種植地多為丘陵山地，土層淺薄，保水保肥能力差，易造成肥料流失，且生理性缺素病害較易發生，施肥用藥難度大、成本高。研究和推廣有利于環境保護和林地可持續經營的新型肥料勢在必行。袋控緩釋肥料能減少肥料養分流失，提高養分利用率，較長時間持續供給植物所需養分，提高林產品產量和品質。

2 袋控緩釋肥料未來的發展趨勢

緩/控釋肥料發展速度較快，但多局限于肥料小顆粒的包膜和添加化學抑制劑等途徑對氮肥進行控釋，在肥料養分釋放方面沒有真正達到與作物生長所需養分一致的要求，同時多數需要較復雜的生產工藝和生產設備，肥料價格普遍較高，在國內施用的針對性和專業性也不強，施肥效果不明顯，市場推廣較難。袋控緩釋肥料雖然研究時間不長，但理論與實踐結合緊密，實際增產增效顯著，未來發展潛力較大。

袋控緩釋肥料的研究原理符合實際。其主要是根據水肥耦合、植物生長與水分和養分具有較強正相關性的原理來研制的。肥料養分的釋放與土壤水分呈較強的正相關性，水分越多肥料養分釋放越多，植物生長越快，可以實現肥料養分釋放速度與植物需求的協調。袋控緩釋肥料能有效阻止肥料與空氣、土壤和地表水直接長期接觸，減少肥料流失，提高肥料利用率；可減弱氮元素氨化與硝化作用，減少氮因氣體揮發而損失；可減少硝態氮等隨地表徑流和地下滲透而淋失；可減少有效磷在土壤中的固定，提高磷的利用率；可減弱鉀的移動強度，減少流失。

袋控緩釋肥料的制作工藝明晰，成本優勢明顯。袋控緩釋肥料的核心研究在于肥料包袋（包膜）材料的選擇和養分的釋放。在選擇可預期降解且生態環保材料方面，廣西林科院的研究在一定程度上解決了肥料的商品性問題，不需要特殊的造粒和包膜工藝設備，產品應用綜合效益潛力大。在南方的自然雨水條件下，施用袋控緩釋肥料不需要進行水分特殊調節；北方地區較干旱，與水肥一體化設施結合，其施用效果更好。

袋控緩釋肥料的研究拓展空間較大。袋控緩釋肥料研究的目標是實現肥料養分的釋放速率與各類植物養分需求完全一致，從而達到肥料基本不流失的終極目標，實現肥料養分的最大作用和“減肥增效”的最大功效。今后可向機械化和智能化施肥作業、易變價營養元素的補給、抗逆性多功能物質的添加（如抗病防蟲的生物農藥）、多層釋放技術及易溶有機物的添加等方向深入拓展，發展空間廣闊，增產增效和生態環保潛力較大。

建議有關部門和科研機構聯合攻關，加快袋控緩釋肥料高產、高效和環保機理機制的深入研究，盡快形成袋控緩釋肥料的商品化和產業化并推廣應用，真正解決化肥施用的科學難題，更快、更好地服務于農林業高質量發展和生態環保需求。

3 結論與討論

為適應農林業供給側結構改革和高質量綠色發展的要求，農林業生產資料發展，尤其是農資肥料的新方法、新技術和新工藝的研究發展及肥料產品的轉型升級迫在眉睫。“減肥增效、綠色發展”成為植物營養與肥料學科研究發展的熱點。新型肥料不但要遵從“養分歸還學說、最小養分律、報酬遞減率和綜合作用律”4 大理論，做到全面、均衡和精準，更要在提高養分利用率和持續供給養分方面加大研究力度，真正實現肥料的高質高效和生態環保。袋控緩釋肥料的研究發展時間不長，但在持續精準供給植物肥料養分、大幅減少肥料養分損失、降低傳統緩/控釋肥料工藝生產成本和生態環境友好等方面具有明顯優勢。袋控緩釋肥料的研究發展和技術創新具有重要的現實意義，值得深入研究和大力推廣應用。