马瑞萍，梁熠，于祥

(宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

玉米是粮食、饲料和工业原料兼用农作物，对保障国家粮食安全发挥着重要作用。近年来，随着我国畜牧业和加工业的快速发展，对玉米的需求也随之迅速增大。氮肥作为现代农业生产投入的重要因素，对玉米增产起着极其重要的作用[1]。受此影响，目前农户主要通过增加氮肥输入来提高玉米籽粒产量，形成了靠氮素大量投入增产的农田高强度利用体系[2]。然而，连续过量施氮并未显著提高玉米产量，却降低了生产和投入效率，加速了对生态环境的负面影响，制约了玉米增产、土壤生产力提升和良好生态环境的农业可持续发展之路[1-4]。

缓/控释氮肥作为一种新型肥料具有延缓氮素释放速率，减少氮素损失，降低环境风险，适合于免耕和地膜覆盖耕作[5-6]等特点，受到了广泛的关注。然而，缓/控释氮肥在不同区域、不同种类玉米应用上的作用存在异同。黄淮海地区夏玉米生育期内气温高，降雨量大而集中，普通尿素“一炮轰”会导致硝态氮淋洗、径流损失量大，当季氮肥利用率较低；分次追肥过程繁琐，操作难度大，不适于农村劳动力减少，劳动成本较高的时代背景，所以应用缓/控释氮肥进行种肥同播逐渐成为一种简化技术趋势[7-8]。西北、东北春玉米区由于前期温度较低、降雨量少且分布不均匀，故多采用覆膜种植。由于春玉米生育期较长，中后期需肥量较大，普通尿素“一炮轰”可能导致玉米中后期“脱肥”，植株早衰，最终影响产量；而由于覆膜导致中后期分次追肥难度增大，加之劳动力投入较大，缓控释氮肥的研发与应用被寄予厚望[9-11]。目前，有关于缓控释氮肥的类型、施用量、时间及其与普通尿素配施比例等[12-16]方面在玉米上进行了大量研究，取得了丰硕成果。为此，本文在前人研究的基础上，系统综述了缓/控释氮肥输入对土壤氮素库与酶活性、玉米生物量及产量、植株氮素吸收利用及生态环境的影响，探讨了缓/控释氮肥在玉米生产应用中所存在的问题及其今后发展的方向，为简化农业生产提高氮肥利用效率提供一定理论基础和技术支撑。

1 缓/控释氮肥概念及特点

缓/控释氮肥(slow and controlled-release nitrogen)是以无机氮肥为基体，依据平衡施肥的理论，用物理化学及生物化学的手段调节和控制养分释放，通过工业制造生产的一种长、高效植物营养复合体[17]。Trenkel[18]提出其应满足下列标准：第一，在24 h内养分释放率不超过15%；第二，在28 d内的养分释放率低于75%；第三，在预设时间内养分释放率不低于75%；第四，专用控释肥基本实现同步营养，即养分释放曲线与相应作物吸收曲线相吻合。对缓/控释氮肥进行严格划分，其又可分为广义和狭义2个概念。广义的缓/控释氮肥是指氮素养分释放速率缓慢，释放期较长，在玉米的整个生长期都可以满足其生长需求的肥料。但狭义上，缓释氮肥和控释氮肥又有不同的定义。缓释氮肥(slow-release nitrogen)指氮素养分随着时间的延续而缓慢释放的肥料，缓释期和缓释量无定量规定；控释氮肥(controlled release nitrogen)指采用聚合物包膜，定量控制肥料中氮素释放数量和释放时期，使其养分释放规律与作物养分吸收基本同步的一类肥料。我国国家标准(GB/T 23348—2009)规定，控释肥料应同时达到以下3个要求：即在25 ℃常温静水浸提法测定下：(1)肥料中的养分在24 h内的释放率(即肥料的化学物质转变成植物可直接利用的有效形态)不超过15%；(2)在28 d内的养分释放率不超过80%；(3)在规定时间内，养分释放率不低于80%。

目前，在我国玉米生产中常见的缓/控释氮肥的类型大致包括无机或有机聚合物包膜颗粒肥料(硫包膜尿素、树脂包膜尿素)、生物或化学降解有机氮化合物(脲甲醛、异丁烯环二脲)和低溶性的无机化合物(金属磷铵盐、磷矿粉包膜控释肥)，这些缓/控释氮肥具有肥效稳定，减少氮素淋洗、挥发，提高肥料利用率，简化施肥，降低成本，保护生态环境等优点，但其也存在成本较高、释放量和时间受环境影响大等问题[19-21]。

2 缓/控释氮肥输入对土壤氮素库与酶活性的影响

土壤氮素的供应能力是决定玉米产量品质形成的主要因子，而缓/控释氮肥的类型、输入量、输入时期、位置及其在土壤中的释放特性决定了玉米生育期内土壤中氮素的供应强度，强度变化不但影响土壤与植株间的供需关系，同时对土壤氮素累积和淋失产生较大影响。土壤氮素库包括土壤有机质氮库、微生物氮库、固定态氮库、铵态氮库和硝态氮库，在土壤中各库(形态)之间可以互相转化，保持动态平衡，土壤氮素库的平衡与土壤中各形态氮素含量和氮素表观损失量有着密切关系[22-23]。

土壤中无机氮的时空变化是土壤供氮能力的主要指标。王端[24]的研究结果表明，缓/控释氮肥可以有效降低拔节期到成熟期的土壤无机氮含量变化，使玉米生长期保持稳定的氮素养分供应，其中树脂包膜尿素的效果优于硫包膜尿素。缓/控释氮肥输入较普通尿素施用不仅可以显著提高玉米开花期至成熟期 0～30 cm 土层无机氮的含量，而且可以显著降低0～100 cm 土层的硝态氮残留和氮素表观损失量，有利于土壤氮素库保持氮素平衡，其中以树脂包膜尿素效果最佳[25-36]。有学者研究发现[27-29]，在单一玉米体系中，相比于普通氮肥处理，树脂包膜尿素一次性基施显著提高了玉米大喇叭口期之后0～20 cm土层的硝态氮含量，使土壤氮素供应能持续满足玉米需求，同时有效地控制了氮素向20 cm以下土壤层次的淋溶。其中春玉米在拔节期、灌浆期和成熟期0～20 cm土层的铵态氮含量显著提高，而0～20 cm土层的硝态氮含量只在灌浆期有显著提高，且成熟期0～60 cm土层的硝态氮含量均有下降，树脂包膜尿素还降低了春玉米的氮肥表观损失。夏玉米0～20 cm土层的硝态氮含量在生长中后期普遍较高，大喇叭口期以后显著高于常规尿素处理，20 cm以下土层的硝态氮含量则显著降低，而在完熟期0～20 cm土层的硝态氮和铵态氮含量均显著提高。造成春、夏玉米之间差异的原因可能有试验地土壤与气候、施肥方式与施用量等，主要原因可能是土壤类型不同，春玉米试验地土壤主要是黑土，属黏质土壤，偏酸性，更有利于氮素水解形成铵态氮；夏玉米试验地土壤类型为河潮土，质地砂性，酸碱度呈中性，后者有更高的淋失量。而复合群体玉米生产中，Li等[30]对秸秆还田小麦-玉米轮作体系进行混施控释氮肥处理研究，结果表明，控释氮肥处理的土壤硝态氮、铵态氮和总N均比常规尿素土壤处理高，分别高15.8%、10.0%和7.5%；冬小麦-夏玉米轮作体系减氮 30%的控释尿素处理同样减少了深层土壤硝态氮含量，有效控制了硝态氮淋失，但土壤表层硝态氮含量与普通尿素一次性基施处理相比无显著差异[31]。在小麦-玉米轮作体系中控释氮肥之所以能增加土壤氮素养分，是因为其养分释放较缓，后期土壤中可检测的氮素含量就较高，同时其满足了作物生长后期对养分的需求，减少了氮素表观损失量，维持了土壤氮素库的平衡。而对于大豆-玉米、花生-玉米复合体系等更多玉米复合群体中的缓/控释氮肥输入没有明确的研究，这也是我们今后需要研究的方向之一。

土壤酶活性是土壤总生物学活性的体现，也是土壤综合肥力特征和养分转化进程的体现，对农田生态系统养分循环有重要作用，其变化与土壤养分的有效性息息相关。前人[32-33]研究结果表明，控释肥及其树脂残膜能够提高土壤酶活性。李东坡等[34]在研究缓/控释氮肥对玉米苗期土壤生物学活性的影响中发现，不同缓/控释氮肥处理土壤硝酸还原酶活性普遍增强，但相互间差异不显著；而施用含脲酶抑制剂nBPT涂层的尿素会显著抑制土壤脲酶活性。冯爱青等[35]研究也表明，相较于普通尿素，缓/控释氮肥输入可以提高部分土壤酶活性，其中施用70%控释氮肥对脱氢酶活性的提高最显著，100%施用控释氮肥对脲酶和中性磷酸酶活性的提高最显著，但施用控释氮肥对过氧化氢酶活性无显著影响。酶活性提高有利于土壤养分分解和土壤微生物活性提高，其中脲酶活性与土壤硝态氮和铵态氮含量显著相关[36]，即其活性与土壤氮素库显著相关，缓/控释氮肥对酶活性的影响是氮素肥料和包膜材料共同作用的结果，不同的研究者应用的缓/控释氮肥包膜材料和肥料含氮量不同，因此，得出不同的结论。

3 玉米生物量及产量对缓/控释氮肥输入的响应

玉米生物量及产量会因为缓/控释氮肥自身特性及环境而发生较大变化。前人就不同类型缓/控释氮肥对不同区域春、夏玉米的生物量及产量影响进行了大量研究。有研究[37-38]表明，不同种类的缓/控释氮肥和不同组分的脲甲醛缓释肥能满足玉米整个生育期的养分需求，可以不同程度的提高玉米产量，增产达7.3%～11.8%。司东霞等[39]分析了4 种控释氮肥对夏玉米同化物积累的影响，结果表明，不同控释肥料对玉米生长和产量的影响存在差异，聚酯包膜尿素 (CRU) 显著增加了夏玉米花后干物质的累积量，产量相较于区域氮素推荐施肥技术(Nopt)提高4.2%，而磷矿粉包膜控释肥(NhnP)和腐殖酸包膜控释肥(NhnF)花前、花后干物质积累比例与Nopt相近，且这2种控释肥一次性基施均会导致减产，产量分别降低4.3%～8.1%和0.1%～4.3%。孙晓等[40]研究了树脂尿素、控释尿素(CLU)、硫包衣尿素(SCU)、脲甲醛(UF)、多肽尿素和稳定尿素等6 种缓/控释尿素在黄土台塬区春玉米上的应用，结果表明，缓/控释氮肥氮素释放基本集中在大喇叭口期，更有利于玉米植株生育后期的干物质积累，且与普通尿素相同减量处理下各缓/控释尿素一次基施未出现显著减产，其中SCU和CLU分别增产 4.5%和 2.7%。缓/控释氮肥能够提高玉米生物量和产量是因为其缓释特性符合玉米的养分需求规律，但不同缓/控释尿素因生产工艺、控释原理、释放时期、地域环境及玉米品种的不同,对玉米生长、生物量积累和产量增长的影响差异很大，其中地域环境可能是主要影响因素，因为土壤温度和水分是影响缓/控释氮肥的包膜溶解和氮素释放的主要因素[41]。

土壤肥力水平、施肥方式等对控释氮肥输入效果也有较大影响。王永军等[42]就不同地力水平下控释尿素的输入效果、适宜释放期、控释尿素的选择方面进行了研究。结果表明，与普通尿素相比，控释尿素输入显著增加玉米干物质积累量，且使干物质向开花后分配比例增加；释放期不同的控释尿素在不同地力水平下增产效果也存在差异，当地力水平较低时，释放期30 d的控释尿素效果好于60 d，而当地力水平较高时，2种控释期尿素效果与上述结果相反。这是由于低地力水平地块玉米生长前期养分供应不足，需要较早的肥力补充，而高地力地块前期养分充足。陈召月等[43]研究发现，缓释肥不同施用方式也对夏玉米的干物质积累和产量构成均有积极作用，缓释肥常规施用和异位分层施用相较于农户习惯施肥使干物质积累总量显著提高7.13%、13.28%，产量增加7.39%、11.45%，且缓释肥使花后干物质积累对籽粒的贡献率显著提高，其中缓释肥异位分层施用效果最优，因为异位分层施肥可以增加根系对养分的接触面积，更有利于养分的吸收和积累。还有学者[44]发现缓释肥对鲜食玉米的干物质积累量和产量有显著的促进作用。

近年来，随着研究的深入，学者发现在东北及西北黄土高原地区，由于春玉米生长前期土壤温度和水分含量偏低，100%采用控释尿素一次性基施可能导致氮素释放受到限制，对稳定和提高玉米产量具有一定的风险[23]。因此，控释氮肥与普通尿素进行掺混施用是行之有效的一次性替代施肥技术。有关于二者掺混比例不同学者的研究结果存在差异。衣文平等[45-47]认为，树脂包膜尿素与普通尿素配比为2.5∶7.5～4∶6范围内，春玉米千粒重增加，产量最高。也有学者[48-51]认为，树脂包膜尿素所占比例在50%～75%时，可提高春玉米干物质积累，优化干物质分配，获得较好的产量、产量构成和品质。还有学者认为，控释氮肥与尿素掺混施用能显著提高春玉米地上部干重和产量，但不同掺混比例之间差异不显著[52]。Tang等[53]还发现，相同的配施比例下不同地膜覆盖对玉米的生长和产量也有不同的影响，控释尿素和常规尿素配施比为1∶2的施肥处理下3种覆盖处理3年平均产量较常规尿素分次施用处理分别提高5.8%、4.0%和4.6%，其中地膜覆盖在配施处理下的产量和经济效益最高。究其原因，可能由于研究区域气候特点、土壤环境、施氮水平、控释肥类型及不同玉米品种氮素需求量等综合因素导致的结果。

4 缓/控释氮肥输入对玉米植株氮素吸收利用的影响

常规尿素可作为基肥和追肥短期、快速地为作物提供充足的氮素，但受土壤、气候、肥效等条件的影响，中后期易造成供肥不足，影响植株氮素积累。缓/控释氮肥的包膜材料可以减缓氮素释放、转化和分解速度，使氮肥肥效持久，更有利于作物对氮肥的吸收利用[41,54-55]。施用控释肥可以改善土壤团聚体结构、增加其稳定性和提高腐殖酸含量，进而促进玉米对氮素的吸收和利用[56]。

前人研究结果表明，缓/控释氮肥不同肥料类型、施肥深度和施肥方式都会对玉米氮素吸收利用产生影响。解文艳等[57]对硫包衣尿素、多酶金缓释尿素和树脂包膜尿素3种控释氮肥研究发现，相较于一次性基施普通尿素，缓/控释氮肥可以显著提高春玉米成熟期地上部氮吸收量和氮素利用效率，其中硫包衣尿素提高最为显著，氮吸收量平均提高了16.70%，氮肥农学利用效率平均提高151.76%，肥料贡献率平均增加112.42%。刘威等[58]研究控释尿素0～20 cm不同施肥深度玉米产量和氮肥利用效率发现，施肥深度为15 cm时较为适宜鲜食玉米生产，并结合前人研究得出合理深施有利于玉米对氮肥吸收利用的结论。苏琳[59]进行了玉米不同缓/控释氮肥施肥方式的研究，发现不同空间位施肥对玉米氮肥利用有显著影响，其中控释尿素底施处理更显著的提高了玉米植株地上部吸氮量和氮素利用效率，而陈召月等[43]研究也证明，不同施肥方式对玉米氮素利用率有显著影响。

很多学者认为，控释尿素与常规尿素混施可能是提高氮肥利用率的一种有效途径。刘诗璇等[60]研究表明，不同配施比例对氮素的吸收利用有显著影响，该研究结果表明，控释氮肥与常规尿素配施比为3∶7时氮肥利用率最高。而郭家萌等[61]通过研究2个氮效率玉米品种的不同施肥方式发现，在控释氮肥与普通尿素比例为1∶2时，氮低效品种YH988的氮素积累量和氮素利用率达到最大，而氮高效品种 ZD958则在比例为2∶1时达到最大。这是由于不同地区的气候、土壤差异以及栽培所用的玉米品种不同等因素造成的差异。Fan等[62]进行了控释氮肥减氮配施试验，结果表明，控释氮肥配施处理在减氮20%的情况下，籽粒产量与普通尿素处理基本相同，氮肥利用率提高4.7%～26.6%，其中配施比例为50∶50的减氮20%处理在华北平原玉米生产中可以得到最好的效果。也有学者[63]发现，控释氮肥减量输入对鲜食玉米吸氮量和氮素吸收利用有显著提升作用，以70%控释氮肥最优。缓/控释氮肥配施较单施有更高的吸氮量和氮素利用率，是因为缓/控释氮肥因其缓释特性，前期不能为玉米生长提供充足的养分,而配施一定比例的普通尿素就可以弥补这一缺陷，既满足玉米前期生长所需养分，又可以及时为玉米花后干物质积累提供养分。

5 缓/控释氮肥输入对环境效应的影响

过量氮肥输入会对环境造成危害。氮肥进入土壤-作物系统后一部分被作物吸收，另一部分在土壤剖面以无机或有机氮形态结合残留，最后一部分以氨挥发、硝化-反硝化、淋洗或径流等各种途径损失至环境,导致大气污染、地表水体富营养化、地下水硝酸盐污染，对环境造成危害，还会对农产品产生污染[64-65]。

不合理的氮肥输入及高温和短期大量降雨环境可能使部分氮素通过液相或者气相形态损失，进而引发严重的环境问题[66]。农田氮素的大量盈余在较广泛的范围内分散而微量的向更深层的土壤或水体流失，并对地下水和湖库型水源地造成潜在的威胁，造成农业面源污染问题。氮素的地表径流和淋洗是造成氮液相损失的2种形式，是地表水富营养化等农业面源污染问题的诱因之一[67]。地表径流中氮素的主要流失形态为溶解态氮，包括硝态氮、氨态氮和溶解态有机氮。前人研究表明，控释氮肥可减少径流氮素损失，较常规施肥处理，适当减少控释氮肥量(减量10%～30%)，能显著降低硝态氮流失，进而减少总氮和溶解态氮的损失量[66,68]。罗付香等[69]通过研究坡耕地玉米施用不同形态氮肥下的氮素径流，发现地膜覆盖和缓控释肥施用能够降低氮素的流失，提高氮肥利用效率。王磊[70]的研究也表明，缓/控释尿素可以减少氮素的淋溶损失，且由于不同缓控释尿素缓释速率不同，对淋溶损失的降低幅度也不同，降低幅度约为21.99%～39.87%。氮素淋洗损失受到地形地貌、土壤性质、肥料种类、施肥方式等多种因素的影响，主要以硝态氮的形式淋洗。土壤中存在氮素残留和水分运动是发生土壤氮素淋洗的2个必要条件，缓/控释氮肥释放特性符合玉米生长的养分需求规律，氮素能够及时被植株吸收，土壤中残留量少，水分运动能够带走的氮素减少，氮素淋洗损失就相应降低，长期施用可以有效防治农业面源污染[71-72]。

氧化亚氮(N2O)和氨气(NH3)是土壤氮素气态损失的两种重要形式，二者排放量的增加可能引发温室效应等一系列环境问题。氮素的硝化-反硝化损失也是农田氮素流失的重要途径，是N2O和NH3损失的主要路径。控释氮肥通过有效阻断膜内肥料与土壤微生物和各种酶的直接接触，从而减少N2O和NH3的损失。不同学者[73-75]研究发现，相比于普通尿素分次施用，树脂包膜尿素和硫包膜尿素能够减少总N2O 排放量，同时降低氨挥发速率，减少土壤氨挥发累积损失量，有效降低和延迟土壤氨挥发通量峰值，且树脂包膜尿素减缓效果优于硫包膜尿素。研究者[76-78]还发现，土壤N2O排放和氨挥发量与施氮量显著相关，玉米生育期内，N2O排放量和氨挥发量均随施氮量的增加而增大，在氮肥用量较大的情况下，控释氮肥相较于普通氮肥对减少氮肥气态损失没有优越性，适量降低控释氮肥用量既对春玉米土壤N2O和氨挥发的减排有一定的作用，又能稳产增效。丁洪等[79-80]研究发现，缓/控释氮肥可以显著降低土壤氮素的硝化-反硝化损失，其中控释肥处理比常规尿素处理土壤反硝化损失降低了 3.45%～3.60%，缓释氮肥的总硝化速率比其他氮肥处理降低32.6%～42.0%，反硝化速率降低21.0%～28.5%。缓/控释氮肥通过降低肥料水解转化为土壤铵态氮的速度，进而达到控制氮素释放减少硝化-反硝化损失的效果。

可见，缓/控释氮肥可以通过减少氮素的各种形式的损失进而降低农业生产对环境造成的危害，同时可以减少农产品的污染，提高氮肥利用效率和保障农产品的质量。

6 缓/控释氮肥在玉米研究应用上存在的问题与展望

近年来的研究表明，缓/控释氮肥输入可以增加土壤中无机氮的供给，维持土壤氮素库平衡，提高土壤酶活性，同时可以提高玉米的氮素积累量和氮素吸收利用效率，增加玉米生物量与产量，并且对于环境保护有积极作用，有益于玉米增产增效、土壤生产力提升和农业可持续发展。目前，对于缓/控释氮肥在玉米上的应用已有许多研究，但仍有许多问题需要更进一步地探讨研究。对于更多不同玉米复合群体中缓/控释氮肥的应用效果和作用机理研究较少；缓/控释氮肥输入土壤后的长期效应还有待进一步研究；缓/控释氮肥输入与玉米生长环境的适应性需要深入观察和分析，同时可以结合不同的农田操作进行分析；对于旱作和灌溉条件下缓/控释氮肥输入与玉米生长和氮素吸收利用的关系值得深入研究与探讨；如今已有对部分缓/控释氮肥残膜的研究，但还需要研究不同缓/控释氮肥的残膜对玉米生长和环境效应的影响。

针对我国缓/控释氮肥发展现状和趋势、农田氮肥管理现状及存在问题，今后的研究可重点关注：1)加大对玉米复合群体缓/控释氮肥输入效果的研究，探究最适于玉米生产的复合群体和缓/控释氮肥应用方式，明确缓/控释氮肥对玉米复合群体的主要作用机理；2)进一步研究缓/控释氮肥输入及其释放与玉米生长环境的适应性和缓/控释氮肥对玉米生产的长期效应，结合不同田间操作和不同缓/控释氮肥，探究缓/控释氮肥最佳释放环境和玉米最佳生长环境及其相关性；3)加强旱作和灌溉2种条件下缓/控释氮肥输入对玉米生长和氮素吸收利用的影响研究，探明2种条件下缓/控释氮肥输入的玉米生长状况和氮素吸收利用状况以及存在的差异，并分析其原因；4)深入研究不同缓/控释氮肥的残膜对玉米不同时期不同器官生长和环境效应的影响，目前对于缓/控释氮肥残膜的研究较少，且由于膜材料的不同，降解性和所含成分不同，对于玉米生长、器官建成和环境的影响存在差异。