《Molecules》：Controlled-Release Fertilizers: Innovations, Challenges, and Practical Applications
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保证高产作物生产力的同时减少养分损失和环境影响，是现代施肥策略的核心挑战。控释肥料（Controlled-Release Fertilizers，CRFs）通过将可溶性养分源包裹在可调节水分渗透和离子扩散的包膜或基质中，已成为使养分有效性同步于植物需求的关键工
保证高产作物生产力的同时减少养分损失和环境影响，是现代施肥策略的核心挑战。控释肥料（Controlled-Release Fertilizers，CRFs）通过将可溶性养分源包裹在可调节水分渗透和离子扩散的包膜或基质中，已成为使养分有效性同步于植物需求的关键工具。本叙述性综述综合了CRF材料和技术的近期进展，特别关注生物可降解和生物基系统、水凝胶、纳米结构载体以及基于挤出的基质配方。它概述了包膜和基质材料的主要类别、其释放机制、农艺性能，以及在养分利用效率、作物产量和品质、土壤和水体保护方面已得到证实的效益。该综述还分析了当前限制CRFs大规模应用的主要科学、技术、环境和经济障碍，包括持久性聚合物包膜造成的微塑料污染，以及在多变田间条件下调整释放曲线的困难。重点介绍了新兴方向，如复合和多层生物基包膜、超疏水和刺激响应结构、生物炭和堆肥基质、从废物流中回收养分，以及与精准农业和传感器技术的整合。本文确定了未来研究的优先方向，以将具有前景的CRF概念转化为稳健、经过田间验证且可持续的施肥解决方案。
1. 引言
现代农业面临人口增长、土壤退化和气候压力等挑战，需要在提高作物生产力的同时减少环境污染。常规矿质肥料因溶解度高，容易发生淋溶、挥发和固定等损失，导致养分利用效率较低。控释肥料（Controlled-Release Fertilizers，CRFs）通过包膜、包囊或基质系统调节养分释放，使养分供应与植物需求同步，从而减少损失并改善环境效益。但CRFs仍有生产成本高、聚合物涂层残留等局限。本综述旨在分析CRF的材料体系、释放机理、应用效果及主要制约因素，并展望未来研究方向。
2. 控释肥料的分类
CRFs属于增效肥料，其养分释放被物理屏障有意延迟或调节，区别于普通速溶性肥料。根据CEN标准，控释产品需满足24小时内释放量不超过15%、28天内不超过75%、且在标示释放期内至少释放75%等性能条件。缓释肥料（Slow-Release Fertilizers，SRFs）与CRFs不同，SRFs的释放依赖养分源本身的低溶解度或微生物分解，释放速率难以精确预设；而CRFs通过包膜或基质等物理结构实现可设计的释放行为。
2.1 缓释肥料与控释肥料
缓释肥料包括脲醛、亚甲基脲、异丁叉二脲等，其养分释放受土壤温度、湿度、pH、氧含量和微生物活性影响较大。控释肥料则通常含有易溶性养分源，释放过程由工程物理结构（如包膜、半透膜）控制，主要通过涂层厚度、孔隙率、疏水性、交联密度等配方参数来调节。CEN性能标准用于评价控释效果，但并不能界定材料性质或是否包膜，因此生物基材料不应仅因释放较慢而称为CRF。
2.2 包膜系统与基质系统
包膜型CRFs是典型的核壳结构，可溶性肥料核心外覆一层或多层半透性屏障。水分渗入后溶解养分，养分溶液通过微孔或溶胀的聚合物扩散出来，释放曲线通常包含滞后阶段、稳态释放阶段和衰减阶段。包膜材料包括硫磺、合成聚合物、生物基聚合物、无机材料及多层复合包膜。基质型CRFs将养分分散在连续载体相中，释放由溶胀、扩散、溶解及载体侵蚀或降解控制，包括聚合物基质、水凝胶、矿物基质和复合基质。基质系统可通过挤出等无溶剂方法制造，并可附加保水等额外功能。
2.3 其他CRF分类
按材料来源，CRFs可分为合成聚合物、硫基、无机矿物、生物基聚合物和有机-无机复合材料。按制造技术，可分为包膜颗粒、微胶囊、挤出复合材料、水凝胶基质和纳米复合配方。按释放动力学，可区分线性、抛物线或S型释放曲线，并考虑滞后阶段、稳态阶段和衰减阶段。动力学分类对农艺评价非常重要，因为养分释放与作物需求的时间匹配程度决定其价值。
3. CRF材料、技术与养分释放机制
当前CRF市场仍以树脂和热塑性聚合物包膜为主，但研究重心正向生物基包膜、基质系统、水凝胶和纳米复合材料转移。早期硫包衣尿素虽为重要里程碑，但存在脆裂、脱层和释放不均匀等问题。合成聚合物如聚氨酯、聚乙烯等可提供更精准的释放控制，但其不可降解性引发微塑料污染担忧。挤出法作为一种无溶剂、连续化的制造技术，在基质型CRF领域显示出良好前景。
3.1 CRF材料与技术发展
生物基包膜材料包括淀粉、纤维素、壳聚糖、木质素、海藻酸盐、天然橡胶衍生物和植物油基聚氨酯等。木质素因其疏水性和可反应官能团成为热点，常与黏土、石蜡、环氧树脂等复合以增强阻隔性。水凝胶和复合基质可同时实现保水和控释。多层包膜系统可整合疏水内层与水凝胶外层，兼具扩散控制、保水和微量养分输送等功能。挤出法可显著减少有机溶剂使用，降低能耗，并便于加入生物炭、粘土、淀粉等可再生填料，符合循环经济方向。
3.2 先进技术方向
纳米填料（如纳米黏土、纳米二氧化硅、埃洛石纳米管、碳纳米材料、纳米生物炭等）可提高包膜致密度、增大扩散路径曲折度并增强机械强度，但也面临团聚、分散稳定性及工业放大等问题。超疏水CRFs通过低表面能化学和微纳粗糙度减少水分侵入，但涂层易在运输和田间操作中磨损。金属有机框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）因其高比表面积和可调孔径而可用于养分载体，但原料成本和土壤稳定性仍是瓶颈。从废水中回收铵和磷酸盐（如电渗析、鸟粪石沉淀、生物炭吸附）是向循环经济过渡的重要方向，但需控制污染物并实现标准化。
3.3 养分释放机制
养分释放不是单一过程，而是由配方结构、材料性质、养分源和环境条件共同决定。多数包膜CRFs的释放可分为三个阶段：滞后阶段（水分渗入并溶解养分）、稳态释放阶段（养分通过微孔或溶胀聚合物扩散）和衰减阶段（养分浓度梯度下降，释放速率降低）。环境因素如温度、湿度、pH、微生物活性对三阶段的影响显著。因此，动力学模型应基于主导释放机制进行选择，而非对所有CRF体系一概而论。
4. CRFs的农业应用
CRFs已广泛应用于大田作物、园艺作物、果树、苗圃和旱地土壤等。在大田作物中，CRFs可替代多次追肥，减少劳动力并提高养分利用效率（Nutrient Use Efficiency，NUE）。例如，生物炭包衣尿素可使油菜氮利用效率提高约20%；控释尿素使玉米产量提高21.9%–65.5%，籽粒淀粉含量提高18.1%–76.6%。在园艺作物中，CRFs能提高番茄产量和品质，增加可溶性糖、维生素C、番茄红素等含量。果树方面，苹果和桃树应用CRFs后，营养生长和果实品质得到改善。CRFs还可减少幼苗期的渗透胁迫和肥料灼伤，在育苗和移栽系统中具有优势。在干旱或质地较粗的土壤中，含凝胶的基质型CRFs可结合保水与控释。环境效益方面，CRFs可显著降低养分淋溶、氨挥发和温室气体排放，改善土壤结构并刺激微生物活性。经济上，减少追肥次数可节省劳动力，但如果CRF价格达到常规肥料的约两倍，净收益可能消失。
5. 主要的科学、技术、环境与经济问题
核心科学挑战是实现养分释放与作物动态需求在田间条件下的同步。植物养分吸收通常呈S形曲线，而土壤温湿度、根系活动等变化会使实验室优化的释放曲线偏离实际。长期遗留问题包括涂层材料对土壤生物群落和生态过程的影响。技术方面，硫基包膜易脆裂和脱层，合成聚合物涂层需使用有机溶剂并严格控制涂层均匀性，批次间差异大。生物基材料虽可再生，但机械强度低、亲水性强、保质期有限，难以直接替代合成聚合物。环境问题最为突出的是合成聚合物包膜在养分释放后残留于土壤，估算残量可达50 kg/ha/年，导致“白色污染”和微塑料累积。此外，某些树脂体系中的干燥剂和溶剂含有毒物质，需进行全生命周期评估。经济方面，生产成本高和规模化困难制约市场普及，尤其当CRF价格超过常规肥料约两倍时，经济效益可能为负。
6. 结论与发展方向
CRFs是提高养分管理和环境可持续性的重要工具，但实际效果依赖产品结构、释放机制、土壤条件、作物需求及制造工艺的复杂交互。不能简单地将生物基材料视为合成聚合物的直接替代品，而应同时实现同步释放、安全降解、田间可靠性、规模化生产和经济可行性。
6.1 结论
证据表明，CRFs在适宜条件下可提高产量、品质和养分利用效率，减少养分损失，但其效益不能一概而论。硫基包膜成本低但易开裂，合成聚合物包膜释放可控但残留微塑料，生物基包膜可降解但可能释放过快。未来可持续CRF必须是多目标优化的结果。
6.2 短期可行重点
短期研究应优先提高现有CRF体系的可靠性，包括优化涂层厚度、交联密度、疏水性和机械强度，以减少爆发释放和延迟拖尾。可制造性方面，应发展无溶剂或低溶剂包膜、挤出、UV固化等可扩展工艺，并报告配方规格及批次间变异。农艺验证应使用等效养分速率对照，并系统测量氮利用效率、氨挥发、硝态氮淋溶、氧化亚氮排放、残留包膜质量和土壤微生物响应等指标，配合多季田间试验。
6.3 长期前沿方向
中长期研究应发展多功能养分输送系统，将控释与保水、养分回收、微量养分供应、温室气体减排和抑制病原体等功能结合。具体方向包括多层生物基包膜、可降解聚合物-矿物复合材料、含生物炭基质、超疏水表面、纳米结构屏障和刺激响应材料。先进体系如MOFs、纳米填料和废水回收养分需从初始阶段评估原料成本、制造复杂度、田间稳定性、生态毒性和残留物归趋。与精准农业整合时，应利用传感器、模型和决策支持系统优化CRF选择和变率施用，但需注意CRF释放曲线不能实时调整。
6.4 基本方法学空白
目前缺乏标准化的CRF长期田间试验协议，不同研究的培养基质、温度、土壤类型、肥料用量和评价指标差异大，可比性差。建议建立包含完整作物周期、多季评估、多种土壤和气候条件、常规肥料对照及标准化指标的统一方案。生物降解测试也缺乏专用标准，应结合质量损失、分子量降低、矿化、二氧化碳释放、微塑料生成和微生物响应等综合判定。此外，需建立CRF专属生命周期评价体系，将养分利用效率、淋溶、氨挥发、氧化亚氮排放、残留聚合物、微塑料、溶剂和能耗等纳入核算，以全面比较环境收益与负担。
