微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放速率與預(yù)測

肖　強(qiáng)，隗公臣，呂　東，孫　鵬，衣文平，

倪小會1，4，徐秋明1，4，李麗霞1，4，曹兵1，4

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所， 北京 100097； 2.北京市房山區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所， 北京 100015；

3.鞍山市國土資源勘測設(shè)計院， 遼寧 鞍山 114002； 4.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心， 北京 100097；

5.遼寧省國土資源廳征轉(zhuǎn)用地管理處， 遼寧 沈陽 110032)

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微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放速率與預(yù)測

肖強(qiáng)1，4，隗公臣2，呂東3，孫鵬5，衣文平1，4，

倪小會1，4，徐秋明1，4，李麗霞1，4，曹兵1，4

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所， 北京 100097； 2.北京市房山區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所， 北京 100015；

3.鞍山市國土資源勘測設(shè)計院， 遼寧 鞍山 114002； 4.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心， 北京 100097；

5.遼寧省國土資源廳征轉(zhuǎn)用地管理處， 遼寧 沈陽 110032)

摘要：應(yīng)用恒溫培養(yǎng)試驗研究了適用于半干旱氣候條件下的微水溶性膠結(jié)包膜肥料在不同土壤含水量條件下的氮素釋放速率，并基于一級化學(xué)反應(yīng)、采用田間試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建了氮素釋放預(yù)測方程。結(jié)果顯示：微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素累積釋放量與土壤含水量呈一定的正相關(guān)關(guān)系，在75 d左右的時候，在22%土壤含水量下其氮素釋放達(dá)到了85%～90%，14%土壤含水量下達(dá)到了60%～82%，6%土壤含水量下達(dá)到了35%～42%。同時，田間試驗結(jié)果也說明了微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素瞬時釋放速率受降雨及土壤含水量的影響顯著；在降雨后或土壤含水量高的情況下，微水溶性膠結(jié)包膜肥料的釋放速率加快。在此基礎(chǔ)上，通過最小二乘法求參等方式構(gòu)建了以土壤含水量為主要因子的微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放預(yù)測方程，預(yù)測值與實測值擬合程度較好，決定系數(shù)達(dá)到了0.976。

關(guān)鍵詞：微水溶性膠結(jié)包膜肥料；半干旱氣候；氮素釋放速率；預(yù)測

Nitrogen release rate and prediction of micro water

目前的包膜緩控釋肥料其養(yǎng)分釋放類型主要屬于溫度依存型，特點是在土壤含水量達(dá)到一定數(shù)值(一般是田間持水量的40%)以上時，養(yǎng)分釋放主要受溫度影響[1-3]，在達(dá)到一定積溫時，隨溫度的變化發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，聚合物包膜肥料一般應(yīng)用在灌水或降雨充足的農(nóng)業(yè)地區(qū)效果較好，特別是在夏季高溫條件下的作物上[4-13]。而在我國北方干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)(占國土面積的21.7%，其中耕地面積約有2 000萬hm2)的春季，由于溫度低、雨水少、風(fēng)干速度快，土壤含水量常年處于較低水平，這種條件下施用聚合物包膜肥料后，如果水分或溫度條件達(dá)不到要求就會影響其養(yǎng)分釋放[14-22]，此時如果又不能隨降雨或灌水釋放出一定量的養(yǎng)分，就會影響作物對養(yǎng)分的吸收。因此，針對我國北方干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)的氣候和土壤條件，成本高、溫度依存型的聚合物包膜肥料應(yīng)用受到一定程度的限制。

鑒于課題組已開發(fā)出一種微水溶性膠結(jié)包膜肥料[23]，遇水即緩慢釋放出一定量的養(yǎng)分，隨水分?jǐn)U散遷移，且在水分影響下養(yǎng)分溶出具有一定的緩釋性，在北方半干旱區(qū)的春玉米上的應(yīng)用取得了一定效果，但是對于其氮素釋放預(yù)測的研究目前尚缺乏。能夠較好地預(yù)測微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放規(guī)律，對于其推廣應(yīng)用、作物專用肥的開發(fā)、選擇和性能的進(jìn)一步優(yōu)化具有重要的作用。

1材料與方法

1.1試驗材料與試驗設(shè)計

供試土壤為褐潮土(表1)，采自北京延慶康莊鎮(zhèn)。供試肥料：微水溶性膠結(jié)包膜肥料(直徑約1.0 cm，含N=22%,簡稱微肥W，下同)。

表1　土壤基礎(chǔ)性狀

試驗肥料為微水溶性膠結(jié)包膜肥料；土壤含水量(重量)設(shè)置為6%、14%、22%；溫度處理為10℃、25℃、35℃。培養(yǎng)試驗于2012年4—7月進(jìn)行。

微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放規(guī)律研究的試驗步驟：稱取約300 g風(fēng)干土壤并將其土壤含水量分別調(diào)成6%、14%和22%(重量比)，按照N 7 000 mg·kg-1風(fēng)干土稱取微水溶性肥料并將其均勻埋入土壤中，然后將土壤裝入塑料自封袋中分別放置于10℃、25℃、35℃光照恒溫箱中進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，每種土壤含水量處理3次重復(fù)。從培養(yǎng)之日起，在第2，5，9，14，20，27，36，46，60，74天進(jìn)行破壞性取樣，每種土壤含水量處理取出3袋，每袋倒入60目(0.25 mm)的篩子中，挑選出肥料粒子，用刷子與鑷子將肥料粒子上的泥土仔細(xì)去除干凈，然后測定肥料全氮。為保證土壤培養(yǎng)期間，土壤含水量各自保持不變，不定期加水(采用稱重法)，使土樣和肥料的混合物總重量保持不變。肥料全氮含量測定采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法。

在2013年5—9月春玉米種植期間(北京延慶康莊鎮(zhèn))，采用微水溶性緩釋肥料埋袋法布置試驗。稱取5.0 g微水溶肥料，與20 g土混合后裝入紗網(wǎng)中將口縫好，埋入種植春玉米的土壤10～20 cm土層中，并在兩株玉米之間，在第2，4，7，15，27，42，56，73，93，112天取出肥料袋樣測定微水溶肥料氮素溶出量，每次取3袋。肥料全氮含量測定采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法。通過TDR時時監(jiān)測耕層土壤含水量的變化，通過溫度自動記錄儀(Logtag)時時記錄耕層土壤溫度。

1.2數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，采用SPSS 11.5統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)。肥料氮素釋放量模擬及預(yù)測采用SUGIHARA模型Nt=N0×[1-exp(-kt)]計算[25]。式中Nt為t時間氮素的溶出率(%)；N0為氮素最大溶出率(%)；k為氮素溶出速率常數(shù)；t為釋放時間(d)。

2結(jié)果與分析

2.1微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放規(guī)律

從每一種溫度下3種土壤含水量對微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素累積釋放量的影響來看(圖1)，微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素累積釋放量與土壤含水量呈一定的正相關(guān)關(guān)系，隨著土壤含水量的增大，氮素累積釋放量增加。在75天左右的時候，22%土壤含水量下其氮素釋放達(dá)到了85%～90%，14% 土壤含水量下達(dá)到了60%～82%，6%土壤含水量下達(dá)到了35%～42%，說明微水溶性肥料氮素釋放受水分影響顯著。從溫度影響來看，3種土壤含水量下15℃、25℃和35℃對微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放速率的影響差異不顯著；說明土壤含水量對氮素釋放的影響大于溫度。圖1中負(fù)值為擬合曲線表現(xiàn)出的擬合趨勢，不具有實際意義，不影響肥料的真正釋放規(guī)律。

圖1不同溫度與土壤含水量下微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放規(guī)律

Fig.1Effects of temperature and soil water content on nitrogen release patterns of micro water soluble felted and coated fertilizer

2.2田間自然條件下溫度與水分對肥料氮素釋放的影響機(jī)制

將微水溶性肥料埋入種植春玉米的田間土壤中，通過分析溫度、降雨量和土壤含水量的變化規(guī)律，來分析三者對微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放規(guī)律的影響程度，進(jìn)而為進(jìn)行氮素釋放的模擬提供參考依據(jù)。從試驗結(jié)果可看出(圖2)，在整個春玉米生長期間，0～20 cm土層溫度的變化呈現(xiàn)低-高-低的趨勢，五月初土溫在10℃～20℃，7—8月土溫在20℃～26℃，到9—10月份的時候土溫又降到10℃～20℃，說明本實驗設(shè)定的室內(nèi)培養(yǎng)溫度梯度符合實際情況，另外，溫度曲線比較平滑，沒有出現(xiàn)大起大落的情況。

從降雨和土壤含水量變化可看出，整個春玉米生育期共降了10次雨，降雨過后土壤含水量都迅速增加然后又逐漸降低，整個實驗時期土壤含水量呈現(xiàn)低-高-低的趨勢，數(shù)值范圍從5%～23%，與培養(yǎng)實驗設(shè)定的土壤含水量范圍吻合。但是在整個生育期，大約有50%以上的時間土壤含水量都在14%以下，而14%的土壤含水量大約相當(dāng)于田間持水量的60%，這說明春玉米生長周期中大部分時間土壤是處于較干旱的狀態(tài)下，對于粘土來說10%土壤含水量下的水分作物幾乎不能吸收利用的。田間試驗的這種情況進(jìn)一步說明只有隨降雨或灌溉能瞬時釋放出一定氮素的微水溶性肥料是適合應(yīng)用于此地區(qū)的。

從微水溶性膠結(jié)包膜肥料在田間實際的釋放情況來看，也是呈現(xiàn)低-高-低的趨勢，五月初埋入微水溶性肥料，六月份達(dá)到釋放高峰期，之后釋放量逐漸下降。對比土溫、降雨和土壤含水量的變化規(guī)律，微水溶性膠結(jié)包膜肥料的釋放曲線與土壤含水量變化曲線相接近，土壤含水量增高的時候也是微水溶性肥料瞬時釋放量大的時候，土壤含水量降低的時候也是微水溶性肥料瞬時釋放量小的時候(對比圖2中土壤含水量和微水溶性肥料釋放圖可以看出)；而土壤溫度高的時候，微水溶性肥料瞬時釋放量沒有增大，土壤溫度降低的時候微水溶性肥料瞬時釋放量也沒有變小(對比圖2中溫度和微水溶性肥料釋放圖可以看出)。綜合以上分析說明微水溶性肥料氮素瞬時釋放速率顯著受降雨及土壤含水量的影響，受溫度影響較小。

2.3氮素釋放的模擬

從不同溫度和土壤含水量下的肥料氮素釋放試驗可看出，微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素的釋放與土壤含水量相關(guān)性較大。微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放的模擬，本文試探用SUGIHARA模型來描述。SUGIHARA模型可由下式表達(dá)：

Nt=N0×[1-exp(-kt)]

(1)

式中，Nt為t時間氮素的溶出率，%；N0為氮素最大溶出率，%；k為氮素溶出速率常數(shù)；t為釋放時間，d。 通過利用每種溫度、土壤含水量下的氮素釋放數(shù)據(jù)，采用最小二乘法算法可求出模型參數(shù)。SUGIHARA模型擬合結(jié)果如表2，由表2可看出，3種水分的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平(P<0.01)。3種水分下的氮素溶出速率常數(shù)(k)大小差異較大，在0.0157～0.0326之間，表明氮素溶出速率常數(shù)受土壤含水量影響較大。

圖2　田間試驗土壤溫度、含水量、降雨量及微水溶膠結(jié)包膜肥氮素釋放的變化

注：**為極顯著水平(P<0.01)。

Note: ** shows significant difference atP<0.01.

因此，通過明確氮素溶出速率常數(shù)與土壤含水量的定量關(guān)系，本文構(gòu)建了其函數(shù)方程，見表3的序號1方程，達(dá)到了顯著相關(guān)性(P<0.05)。在此基礎(chǔ)上，通過k值將土壤含水量代入修正后的SUGIHARA模型中，本文初步構(gòu)建了微水溶肥料氮素釋放的預(yù)測方程，見表3的序號2方程。

至于方程預(yù)測的效果如何，本文通過田間試驗進(jìn)行了驗證。方法是將微水溶性肥料埋入田間土壤，通過定期取樣檢測其釋放特性(見1.1.2)，同時監(jiān)測田間土壤含水量，將獲取的土壤含水量數(shù)值、埋入時間等參數(shù)代入方程2中預(yù)測出了微水溶性膠結(jié)包膜肥料的氮素溶出速率，與其實際氮素溶出速率比較結(jié)果如圖4，從曲線可看出擬合程度較好，決定系數(shù)達(dá)到了0.976，顯著相關(guān)(P<0.01)。說明預(yù)測方程具有一定的效果。

表3　氮素溶出速率常數(shù)與土壤含水量函數(shù)關(guān)系

圖3　土壤含水量與氮素釋放速率常數(shù)(k)的關(guān)系

圖4氮素釋放預(yù)測值與實測值比較

Fig.4Comparison between predicted and measured

values in nitrogen release

3討論

微水溶性膠結(jié)包膜肥料是針對溫度依賴型的控釋肥料而開發(fā)出來的一種主要受降雨或灌溉水影響的緩控釋肥料。從制造工藝上來看，首先是制備一種微水溶性的膠結(jié)包膜材料，之后通過轉(zhuǎn)鼓或者滾筒工藝對肥料原材料進(jìn)行膠結(jié)成粒，最后對成粒的肥料進(jìn)行包膜。膠結(jié)過程主要是通過分子鍵或者機(jī)械膠結(jié)的作用實現(xiàn)的，膠結(jié)包膜材料性質(zhì)的優(yōu)劣、膠結(jié)包膜過程中材料用量的多少、何時加入材料都會影響到膠結(jié)包膜肥料的微水溶性。而溫度依賴型的包膜控釋肥料主要是采用不溶于水的有機(jī)聚合物直接包到尿素顆粒上。由于二者所用的材料、制備工藝的顯著不同，產(chǎn)生了微水溶性方面的本質(zhì)區(qū)別。即溫度依賴型控釋肥料氮素釋放速率隨溫度變化而變化，而微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放速率主要隨土壤水分變化而變化，溫度對其影響不如水分因素顯著。目前對微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放速率的研究鮮見報道，鄭圣先[24]、陳強(qiáng)[25]和藤澤英司[26]等研究過土壤水分、水蒸汽壓對控釋肥料顆粒氮素釋放速率的影響。陳強(qiáng)等[25]研究認(rèn)為土壤水分對殼聚糖包膜尿素養(yǎng)分釋放速率是有一定影響的，但是其研究是在室內(nèi)培養(yǎng)方式下設(shè)定土壤水分梯度來研究的，與大田實際降雨條件的情況是不一樣的，不能完全反映出在大田實際降雨條件下水分對殼聚糖包膜尿素養(yǎng)分釋放速率的影響；其采用的包膜材料殼聚糖屬于有機(jī)聚合物，養(yǎng)分釋放主要還是受溫度影響。鄭圣先[24]和藤澤英司[26]主要是針對不溶于水的有機(jī)聚合物來研究水蒸汽壓對控釋肥料顆粒氮素釋放速率的影響，而水蒸汽壓又與溫度呈正相關(guān)，所以，其二人所研究的角度還是溫度依賴型的包膜控釋肥料氮素釋放的機(jī)制。另外，前人研究采用的室內(nèi)培養(yǎng)法，雖說研究較深入，但模型略微復(fù)雜，參數(shù)獲取難度加大，預(yù)測缺乏田間實際效果驗證，應(yīng)用性難以確定。而本文建立的水分作為參數(shù)的微水溶性膠結(jié)包膜肥料的預(yù)測模型是經(jīng)過大田試驗獲得，屬于簡單實用型的模型。因此，無論是從材料、工藝、養(yǎng)分釋放類型與研究角度等方面，都是本文所研究的微水溶性膠結(jié)包膜肥料與前人研究不同的地方。

4結(jié)論

1) 采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗探明微水溶性肥料氮素釋放時間達(dá)到75天前后時，22%土壤含水量下微水溶性肥料氮素釋放累積達(dá)到了85%～90%，14%土壤含水量下累積達(dá)到了60%～82%，6%土壤含水量下累積達(dá)到了35%～42%，說明微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素累積釋放量與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系。

2) 在田間春玉米種植期間，隨時間延長微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素的釋放曲線與土壤含水量變化曲線相接近，與溫度曲線差異較大。在降雨后或土壤含水量高的情況下，微水溶性膠結(jié)包膜肥料的釋放速率加快。田間試驗表明微水溶性肥料氮素瞬時釋放速率受土壤含水量影響顯著，而受溫度影響較小。

3) 在室內(nèi)和田間試驗基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以土壤含水量為主要影響因子的微水溶性膠結(jié)包膜肥料氮素釋放預(yù)測方程Nt=N0-95exp[-(-0.00003W2+0.002W+0.002)t]，在春玉米田間試驗條件下得到了較好的驗證。

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soluble cement and coated fertilizer

XIAO Qiang1,4, WEI Gong-chen2, LU Dong3, SUN Peng5, YI Wen-ping1,4,

NI Xiao-hui1,4, XU Qiu-ming1,4, LI Li-xia1,4, CAO Bing1,4

(1.InstituteofPlantNutritionandResources,BeijingAcademyofAgricultureandForestrySciences,Beijing100097,China;

2.AgriculturalScienceResearchInstitute,FangshanDistrict,Beijing100015,China;

3.InstituteofAnshanCityLandandResourcesSurveyandDesign,Anshan,Liaoning114002,China;

4.SlowandControlledReleasedFertilizerEngineeringandTechnologyandResearchCenterofBeijing,Beijing100097,China;

5.DepartmentofLandandResourcesofLiaoningProvince,AdministrationofLandLevyTurningto

Utilization,Shenyang,Liaoning110032,China)

Abstract：Incubation test was used to investigate nitrogen release rate of micro water soluble felted and coated fertilizer that was applied to semiarid climatic environment under the condition of different soil moisture levels, and a prediction equations was built based on the one-level chemical reaction and the field test. The results showed that the accumulation of nitrogen release was positively correlated with soil water content. At 75 days when soil water contents were 22%, 14% and 6%, the nitrogen releases reached 85%～90%, 60%～82%, and 35%～42%, respectively. In addition, the field experiments implied that nitrogen release rate was significantly influenced by rainfall and soil water content. After a rainfall or under high soil moisture conditions, nitrogen release rate became increased and vice versa. Therefore, a prediction equation was built through the least square method for parameters and soil water content was the main parameter. The predicted values fitted well with the measured values with anR2=0.976.

Keywords:micro-water soluble felted and coated fertilizer; arid and semi-arid area; nitrogen release rate; prediction

中圖分類號：S145.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：曹兵(1970—)，湖北宜都人，副研究員，主要從事新型肥料與環(huán)境治理研究。 E-mail：Caobing@baafs.net.cn。

作者簡介：肖強(qiáng)(1978—)，男，遼寧遼陽人，副研究員，主要從事新型肥料與環(huán)境治理研究。 E-mail：xqiang1978@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目(31301847,31301846)

收稿日期：2015-01-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.17

文章編號：1000-7601(2016)01-0108-06