緩釋肥料棒氮鉀緩釋特性研究

劉海林 王家寶 雷菲 楊凱 林清火 羅微

摘 要 采用室內(nèi)間歇式土柱淋溶試驗，研究了緩釋肥料棒氮鉀在土壤中的淋出率，以期明確緩釋肥料棒對氮鉀的緩釋效果。結(jié)果表明，緩釋肥料棒可明顯減緩氮鉀淋出，減少氮、鉀淋出量，對氮、鉀具有緩釋作用，且隨著聚丙烯酰胺用量增加，緩釋肥料棒氮、鉀累積淋出率逐漸減小。當42 d淋溶時，聚丙酰胺用量為2%、4%、6%的緩釋肥料棒氮素累積淋出率分別較普通肥料減少了10.91%、16.85%、21.93%，且處理間差異顯著；鉀素累積淋出率較普通肥料分別減少了26.28%、29.16%、32.61%。而且一級動力學方程對緩釋肥料棒的氮、鉀累積淋出率曲線擬合效果最佳，可用于表征氮、鉀素累積淋出率與時間的關系。

關鍵詞 緩釋肥料棒；淋出率；緩釋效果

中圖分類號 S14 文獻標識碼 A

Abstract In order to determine the nitrogen and potassium slow-release effect of slow release fertilizer rods， an intermittent soil column leaching experiment was used to research the nitrogen and potassium leaching rate of slow release fertilizer rods in soil. The results showed that slow release fertilizer rods could obviously reduce nitrogen and potassium leaching loss， had good slow release effect， and with the increasing of polyacrylamide， the nitrogen and potassium accumulated leaching rate decreased. Compared to ordinary fertilizer， the nitrogen accumulated leaching rate of FR1， FR2， FR3 decreased by 10.91%， 16.85%， 21.93% in the 42 days leaching， respectively； the potassium accumulated leaching rate decreased by 26.28%， 29.16%， 32.61%， respectively. And the nitrogen and potassium accumulated leaching rate curve could be best simulated by first order kinetics equation， could be used to describe the relationship between nitrogen/potassium accumulated leaching rate and time.

Key words Slow release fertilizer rods； Leaching rate； Slow-release effect

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.10.007

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)濟林和果樹占有重要地位，其種植面積廣、產(chǎn)值大[1-2]。目前，在林木、果樹上施用的主要是普通化學肥料，施肥量大，且施肥方法主要是開溝施肥，工作量大，費時費工[3]，而且肥料養(yǎng)分易揮發(fā)、淋失，導致肥料養(yǎng)分利用率較低，肥料資源浪費。針對上述問題，李宗來等[4]將化肥、粘合劑等擠壓成肥料棒，并包覆降解膜制備成全素長效柱肥，高祖明等[5]發(fā)明了一種由化肥、殼體、石蠟或油膜組成的肥料棒。另外，由于緩/控釋肥料具有減緩養(yǎng)分釋放，減少養(yǎng)分淋失、提高肥料利用率等諸多優(yōu)點[6-10]，科研人員也開展了肥料控釋袋[11-13]、大顆粒緩控釋肥料[14-15]、球型包膜控釋肥[16]、多功能肥料塊[17-18]等適用于林木、果樹的大質(zhì)量新型緩/控釋肥料研究，并取得了一定效果。但上述肥料棒或大質(zhì)量的新型緩釋肥料的制備工藝復雜，而且需要利用聚合物膜層或有機廢棄物涂覆或外包，從而達到養(yǎng)分緩釋的目的。為了簡化肥料棒制備工藝，降低成本，同時具有較好的緩釋效果，本研究以高分子材料聚丙烯酰胺為粘結(jié)劑和緩釋材料，與普通肥料、填充料混勻，利用自制肥料成型機擠壓制備緩釋肥料棒，研究了緩釋肥料棒養(yǎng)分淋出特性，旨在延長林木、果樹專用肥料養(yǎng)分供應時間，提高其肥料利用率，為改進林木、果樹施肥技術提供理論和技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 緩釋肥料棒制備 將尿素、磷酸二銨、氯化鉀、聚丙烯酰胺（PAM）、填充料分別粉碎、過篩，計量后加入混合機中，噴入水1.5～5份攪拌均勻，利用肥料成型機在0.5～1.0 MP壓力下擠壓制成粒徑為4.5 cm，長為6～10 cm的緩釋肥料棒（養(yǎng)分配比均為16-6-8）。緩釋肥料棒FR1、FR2、FR3的聚丙烯酰胺用量分別為肥料棒質(zhì)量的2%、4%、6%，并以等養(yǎng)分含量的普通肥料F為對照。緩釋肥料棒制備工藝流程見圖1。

1.1.2 供試土壤 供試磚紅壤采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗場五隊試驗基地表層0～20 cm土壤，自然風干后備用。成土母質(zhì)為片麻巖，土壤全氮、速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量分別為0.48 g/kg、40.60 mg/kg、4.20 mg/kg、11.07 g/kg，土壤pH為4.80。

1.2 方法

1.2.1 緩釋肥料棒緩釋效果評價 采用土柱淋溶法，淋溶管為高55 cm，內(nèi)徑16 cm的PVC管，用紗布將管底封住，先加入300 g石英砂（高約5 cm），然后裝入過5 mm篩的風干土6 kg（高約25 cm），放入供試緩釋肥料棒（緩釋肥料棒質(zhì)量均為80 g），再加入過5 mm篩的風干土2 kg（高約10 cm），最后加入300 g石英砂（高約5 cm），以排除淋溶時對土層的擾動。淋溶管下通過漏斗用塑料瓶收集淋溶液。試驗時，每個土柱先加水至接近飽和后靜置24 h，再加入1 L水，分別在第1、3、5、7、10、13、16、20、24、28、35、42天收集（每次收集前一天加水），測定淋溶液中氮、鉀含量，每個處理設5個重復，同時設置空白。

1.2.2 緩釋肥料棒養(yǎng)分累積淋出率曲線方程擬合

本研究利用一級動力學方程、Elovich方程、拋物線方程[19]對緩釋肥料棒養(yǎng)分累積淋出率曲線進行擬合。一級動力學方程（1）、Elovich方程（2）、拋物線方程（3）如下：

N=No×[1-exp（-k×t）] …………………………（1）

N=a+b×lnt ……………………………………（2）

N=a+b×t0.5 ……………………………………（3）

式中：N為t時間段內(nèi)養(yǎng)分累積淋出率（%）；No為最大養(yǎng)分累積淋出率（%）；a， b為方程常數(shù)；k為速率常數(shù)（d-1）；t為淋溶時間（d）。

擬合方程用SPSS13.0等統(tǒng)計軟件的非線性回歸統(tǒng)計分析模塊進行擬合，并計算其顯著性檢驗結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

采用Microsoft office Excel 2007軟件對原始數(shù)據(jù)進行整理計算、繪制圖表，采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩釋肥料棒氮素淋出特性

緩/控釋肥料的養(yǎng)分釋放特征曲線能夠簡單直觀反映出養(yǎng)分釋放特性及肥料緩/控釋效果。由圖2-A可知，對照處理F的氮素累積淋出率曲線為拋物線型，從第1天淋溶開始肥料氮素累積淋出率逐漸增大，并呈直線增加，直到第7天淋溶以后，肥料氮素淋出速率逐漸減小。而緩釋肥料棒處理FR1、FR2、FR3的氮素累積淋出率曲線均為類似S型，氮素淋出速率存在滯后現(xiàn)象，表現(xiàn)為第1天和第3天氮素淋出速率很小，從第5天淋溶后，各處理的氮素累積淋出率逐漸增大；在第5天至第16天之間，F(xiàn)R1、FR2、FR3的氮素累積淋出率基本為勻速增加，第16天以后，氮素累積淋出率增加速率逐漸減弱。整個淋溶期內(nèi)，F(xiàn)R1、FR2、FR3的氮素累積淋出率均小于對照處理F，且從第5天淋溶開始表現(xiàn)為隨著聚丙烯酰胺用量增加，氮素累積淋出率減小。

進一步對第1天、第7天、第28天和第42天各處理的氮素累積淋出率進行統(tǒng)計分析可知（圖2-B），F(xiàn)、FR1、FR2、FR3各處理第1天的氮素累積淋出率分別為11.94%、0.01%、0.02%、0%，緩釋肥料棒處理的氮素累積淋出率顯著小于F處理。FR1、FR2、FR3各處理第7天的氮素累積淋出率分別較F減少了75.78%、79.83%、83.25%，緩釋肥料棒處理顯著小于對照處理。在第28天淋溶時，F(xiàn)R1、FR2、FR3的氮素累積淋出率分別較F處理減少了14.65%、23.85%、28.90%，與第7天相比減少程度有所降低。FR1、FR2、FR3各處理第42天的氮素累積淋出率分別為56.99%、53.19%、49.94%，較對照F處理分別減少了10.91%、16.85%、21.93%。從第7天、第28天和第42天緩釋肥料棒各處理的氮素累積淋出率統(tǒng)計分析可知，隨著聚丙烯酰胺用量增加，緩釋肥料棒氮素累積淋出率逐漸減小，且FR1、FR2、FR3處理間差異顯著。

綜上可知，緩釋肥料棒可有效減緩氮素淋出速率，減少肥料氮素淋出量，對于氮素具有一定緩釋效果，且隨著聚丙烯酰胺用量增加，緩釋肥料棒氮素累積淋出率逐漸減小，緩釋肥料棒緩釋效果更為明顯。

2.2 緩釋肥料棒鉀素淋出特性

圖3-A為緩釋肥料棒鉀素累積淋出率曲線圖，由圖可見，對照處理F的第1天鉀素累積淋出率較小，為0.86%，但第3天淋溶時鉀素累積淋出率顯著增大，達30.58%；從第3天淋溶至第7天淋溶，F(xiàn)的鉀素累積淋出率呈線性增加，但從第7天淋溶后，F(xiàn)的鉀素淋出速率顯著減小，鉀素累積淋出率緩慢增加。而FR1、FR2、FR3在第1天、第3天、第5天淋溶時鉀素累積淋出率均較小，當?shù)?天淋溶時，F(xiàn)R1、FR2、FR3的鉀素累積淋出率分別為2.46%、1.97%、1.64%；從第5天淋溶后，F(xiàn)R1、FR2、FR3的鉀素累積淋出率呈線性增加，當?shù)?0天淋溶后，各處理的鉀素淋出速率減小，鉀素累積淋出率緩慢增加。整個淋溶期內(nèi)，F(xiàn)R1、FR2、FR3的鉀素累積淋出率均明顯小于F處理，并且在第20天淋溶之前FR1、FR2、FR3處理的鉀素累積淋出率曲線基本重合，第16天淋溶之后3個處理間的鉀素累積淋出率差距逐漸增加，表現(xiàn)為FR1>FR2>FR3。

進一步對第1天、第7天、第28天和第42天各處理的鉀素累積淋出率進行統(tǒng)計分析可知（圖3-B），當?shù)?天、第7天、第28天和第42天淋溶時，對照F處理的鉀素累積淋出率均顯著大于緩釋肥料棒處理，而FR1、FR2、FR3的鉀素累積淋出率雖均表現(xiàn)為隨著聚丙烯酰胺用量增加而減小趨勢，但是處理間差異不顯著。當?shù)?2天淋溶時，F(xiàn)R1、FR2、FR3的鉀素累積淋出率較對照F處理分別減少了26.28%、29.16%、32.61%。綜上可知，緩釋肥料棒可有效減緩肥料鉀素淋出速率，減少肥料鉀素淋出量，具有一定緩釋效果，當聚丙烯酰胺用量為2%至6%時，隨著聚丙烯酰胺用量增加，肥料鉀素累積淋出率表現(xiàn)為減小趨勢，但不同聚丙烯酰胺用量間差異不明顯。

2.3 緩釋肥料棒養(yǎng)分累積釋放曲線方程擬合

緩釋肥料棒氮鉀累積淋出率曲線可用一級動力學方程、Elovich方程、拋物線方程進行擬合（表1），從3個方程擬合結(jié)果可知，一級動力學方程、Elovich方程、拋物線方程擬合的相關系數(shù)r均達到極顯著水平，3個方程對于緩釋肥料棒氮鉀累積淋出率曲線均具有較好的擬合度。對于緩釋肥料棒氮素累積淋出率曲線的擬合，一級動力學方程相關系數(shù)r為0.982**～0.998**，SE為1.25%～3.86%，擬合效果最佳；對于緩釋肥料棒鉀素累積淋出率曲線的擬合，一級動力學方程相關系數(shù)r為0.982**～0.985**，SE為3.72%～4.85%，擬合效果最佳。進一步分析緩釋肥料棒氮素累積淋出率曲線的一級動力學方程參數(shù)k可知，F(xiàn)、FR1、FR2、FR3的氮素淋出速率k值逐漸減小，表明隨著聚丙烯酰胺用量增加，緩釋肥料棒氮素淋出速率減小，氮素緩釋作用增強；FR1、FR2、FR3的鉀素淋出速率k明顯小于F處理，但FR1、FR2、FR3的鉀素淋出速率幾乎相等，表明當聚丙烯酰胺用量為2%～6%時，聚丙烯酰胺用量對緩釋肥料棒鉀素緩釋效果影響不大。

3 討論與結(jié)論

林木、果樹等植物對肥料需求量大，施用普通顆粒復合肥存在施肥次數(shù)多、養(yǎng)分易損失、肥料利用率低等缺點[3]。而大顆粒肥料、塊肥或肥料棒等可根據(jù)林木、果樹養(yǎng)分需求，調(diào)控肥料質(zhì)量，配方靈活可變，方便施用，而且肥料表面積與體積的比率相對較小，降低肥料溶解速率，養(yǎng)分釋放更為緩慢，延長肥效期，減少施肥次數(shù)[15]。但是，普通的大顆粒肥料、塊肥或肥料棒的養(yǎng)分緩釋效果仍然有限，有待于增強緩釋效果。研究表明在肥料中添加聚丙烯酰胺可有效減少養(yǎng)分損失[20-24]，具有較好的緩釋作用。因此，為了進一步提升肥料棒緩釋效果，本研究以水溶性保水劑（聚丙烯酰胺）作為粘結(jié)劑和緩釋材料，利用聚丙烯酰胺水溶液粘度大、粘結(jié)性高、強絮凝作用、離子吸附、水合作用等特點，以普通肥料（氯化鉀、尿素、磷肥等）、填充料等為基礎原料，將聚丙烯酰胺與基礎原料混合，使聚丙烯酰胺在緩釋肥料棒中均勻分布，通過肥料成型機擠壓制備緩釋肥料棒。從本研究結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，緩釋肥料棒可減少氮、鉀淋出量，減少肥料淋溶損失，且隨著聚丙烯酰胺用量增加，緩釋肥料棒氮素累積淋出率逐漸減小，緩釋肥料棒緩釋效果更為明顯。但是，當聚丙烯酰胺用量為2%～6%時，隨著聚丙烯酰胺用量增加，肥料鉀素淋出率呈增加趨勢，但不同粘結(jié)劑用量間差異不明顯，具體原因還有待進一步研究。另外，本研究還利用一級動力學方程、Elovich方程、拋物線方程對緩釋肥料棒的氮鉀累積淋出率曲線進行了擬合，其中一級動力學方程擬合效果最佳。

參考文獻

[1] 束懷瑞. 中國果樹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]. 落葉果樹， 2012， 44（1）： 1-4.

[2] 胡芳名， 譚曉風， 裴 東， 等. 我國經(jīng)濟林學科進展[J]. 經(jīng)濟林研究， 2010， 28（1）： 1-8.

[3] 李長洲. 新型大球包膜控釋肥養(yǎng)分釋放特征及肥效研究[D]. 泰安： 山東農(nóng)業(yè)大學， 2013.

[4] 李宗來. 全素長效柱肥： 中國， ZL 96243323.3[P]. 1997-10-15.

[5] 高祖明. 一種肥料棒： 中國， ZL 93236605.8[P]. 1994-02-02.

[6] Shaviv A. Advance in controlled-release fertilizer[J]. Advance in Agronomy， 2000（71）： 1-49.

[7] Shaviv A， Mikkelsen R. Controlled-release fertilizers to increase efficiency of nutrient use and minimize environmental degradation-A review[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 1993， 35（1）： 1-12.

[8] Chen D， Freney J R， Rochester I， et al. Evaluation of a polyolefin coated urea（Meister）as a fertilizer for irrigated cotton[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 2008， 81（3）： 245-254.

[9] Cushman K E， Sato S， Morgan K T. Release mechanisms for slow-and controlled-release fertilizers and strategies for their use in vegetable production[J]. Hort Technology， 2009， 19（1）： 10-12.

[10] Azeem B， KuShaari K Z， Man Z B， et al. Review on materials & methods to produce controlled release coated urea fertilizer[J]. Journal of Controlled Release， 2014， 181： 11-21.

[11] 張守仕， 彭福田， 姜遠茂， 等. 肥料袋控緩釋對桃氮素利用率及生長和結(jié)果的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報， 2008， 14（2）： 379-386.

[12] 劉榮寧， 張守仕， 彭福田. 袋控緩釋肥對桃幼樹生長發(fā)育的影響[J]. 果樹學報， 2008， 25（4）： 491-495.

[13] 王 建. 袋控肥對土壤養(yǎng)分淋溶、 NH3揮發(fā)和溫室氣體排放的影響[J]. 泰安： 山東農(nóng)業(yè)大學， 2013.

[14] 張文輝， 吳慶偉， 谷守玉， 等. 大顆粒緩釋樹肥緩釋特性研究[J]. 化工進展， 2011， 30（增刊）： 53-55.

[15] 吳慶偉. 大顆粒緩控釋肥料的研制及評價[D]. 鄭州： 鄭州大學， 2012.

[16] 李長洲， 張 民， 楊越超. 新型大球包膜控釋肥在土壤中的淋溶特征[J]. 水土保持學報， 2013， 27（3）： 72-76.

[17] 石 峰. 多功能夾心肥料塊特性及應用研究[D]. 長春： 吉林農(nóng)業(yè)大學， 2012.

[18] 石 峰， 吳景貴， 鄧琳璐. 多功能夾心肥料塊養(yǎng)分釋放特性研究[J]. 中國土壤與肥料， 2012（5）： 77-80.

[19] 段路路， 張 民， 劉 剛， 等. 包膜尿素氮素釋放機理及其對油菜生長效應研究[J]. 水土保持學報， 2009， 23（1）： 73-78.

[20] 王家寶， 鄭國亮， 劉海林， 等. 聚丙烯酰胺對橡膠樹專用肥養(yǎng)分淋出特性的影響[J]. 熱帶作物學報， 2016， 37（1）： 20-25.

[21] 王龍宇， 鄭國亮， 華元剛， 等. 保水劑對橡膠樹專用肥氮鉀淋出特性的影響[J]. 水土保持通報， 2016， 36（1）： 212-218.

[22] 員學鋒， 汪有科， 吳普特， 等. 聚丙烯酰胺減少土壤養(yǎng)分的淋溶損失研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報， 2005， 24（5）： 929-934.

[23] Lentz， R D， Sojka R E， Robbins C W. Reducing phosphorus losses from surface-irrigated fields： emerging polyacrylamide technology[J]. Journal of Environmental Quality， 1998， 27（2）： 305-312.

[24] 趙 亮， 唐澤軍. 聚丙烯酰胺調(diào)控地表氮素流失最佳管理措施研究[J]. 水土保持學報， 2011， 25（2）： 48-51.