含有豐富中微量元素的礦物肥料在復(fù)合肥生產(chǎn)中的應(yīng)用*

李菂萍，王好斌，許秀成，侯翠紅

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院　河南鄭州　450001)

?

含有豐富中微量元素的礦物肥料在復(fù)合肥生產(chǎn)中的應(yīng)用*

李菂萍，王好斌，許秀成，侯翠紅

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院河南鄭州450001)

鈣鎂磷肥是一種含多種中微量元素的多元素礦質(zhì)磷肥，施用鈣鎂磷肥有助于緩解我國(guó)土壤中中微量元素的消耗。簡(jiǎn)要介紹了鈣鎂磷肥的特性，概述了以鈣鎂磷肥為原料生產(chǎn)的無機(jī)包裹型復(fù)合肥料的肥效，以及以鈣鎂磷肥為原料制備水溶性肥料的工藝和應(yīng)用效果。

鈣鎂磷肥中微量元素復(fù)合肥料水溶性肥料灌溉施肥

我國(guó)農(nóng)業(yè)近十幾年來連續(xù)高產(chǎn)，很重要的一點(diǎn)是肥料的貢獻(xiàn)，但在當(dāng)前高養(yǎng)分肥料產(chǎn)品盛行的狀況下，應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到在大量使用高濃度肥料的同時(shí)也掠奪性地消耗了土壤中的中微量元素礦物質(zhì)養(yǎng)分，不僅破壞了我國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性、降低了耕地支撐高產(chǎn)的能力，而且使植物病變?cè)龆?、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、氮肥利用率下降，加劇了農(nóng)業(yè)立體污染，這一現(xiàn)狀亟待緩解。

20年來，國(guó)家鈣鎂磷復(fù)合肥技術(shù)研究推廣中心(以下簡(jiǎn)稱國(guó)家推廣中心)的科研團(tuán)隊(duì)在研究、開發(fā)復(fù)合肥生產(chǎn)工藝中堅(jiān)持添加中微量元素，使其生產(chǎn)的每一種產(chǎn)品除含有氮、磷、鉀外，都不同程度地含有中微量元素，并在該領(lǐng)域取得了重大突破。

1　鈣鎂磷肥的特性

鈣鎂磷肥(FMP)是將磷礦[3Ca3(PO4)2·CaF2或9CaO·3P2O5·CaF2]與橄欖巖(2MgO·SiO2)、蛇紋石(3MgO·2SiO2·2H2O)通過科學(xué)的配料計(jì)算，在一定溫度下熔融，經(jīng)水淬而形成的一種玻璃態(tài)肥料。FMP產(chǎn)品為化學(xué)穩(wěn)定性很差的玻璃體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的檸檬酸溶液即可將其溶解，與作物根系所分泌的弱酸相匹配，能使植物根際的弱酸溶出其所含全部組分并被作物吸收。

從化學(xué)成分可明顯看出，F(xiàn)MP中除w(P2O5)在12%～20%外，還含有植物所需的中微量元素，其中w(CaO)20%～35%，w(MgO)8%～15%，w(SiO2)20%～30%，w(FeO)0.5%～1.0%，ZnO 50～200 mg/kg，w(MnO)0.1%～0.3%，CuO 10～66 mg/kg，有效的總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)80%以上。

FMP所有成分主要來源于多種礦石中，而礦質(zhì)元素又大都存在于礦石之中。植物需要各種礦質(zhì)元素維持正常的生理活動(dòng)[1]，有些礦質(zhì)元素可作為植物體組成成分，有的可以調(diào)節(jié)植物生理功能。如CaO使作物根系的生長(zhǎng)區(qū)有充足的鈣，可使細(xì)胞壁硬度增加，從而可抵抗病毒從根部侵入；MgO是葉綠素分子的核心，F(xiàn)e能協(xié)調(diào)Mg的作用而使草木郁郁蔥蔥，使瓜、菜鮮綠誘人；SiO2所形成的3～5個(gè)硅氧四面體鏈長(zhǎng)度僅為1×10-9m(1 nm),可隨水分從根部直至葉面，水分蒸發(fā)后，硅氧四面體短鏈沉積在植物細(xì)胞壁內(nèi)，硅質(zhì)化的細(xì)胞能提高作物抗病害、抗倒伏能力。

植物對(duì)礦物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化，稱為植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)。農(nóng)業(yè)部相關(guān)文件明確認(rèn)定，生產(chǎn)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品可施用的肥料品種中就有礦物肥料，包括磷礦粉、鈣鎂磷肥等。

2　無機(jī)包裹型復(fù)合肥料Ⅰ型產(chǎn)品[2]

由于FMP具備含多種中微量元素養(yǎng)分的特點(diǎn)，且營(yíng)養(yǎng)成分來自礦物，20世紀(jì)80年代國(guó)家推廣中心就研制開發(fā)了FMP的延伸產(chǎn)品，即用粉狀FMP在專用包裹機(jī)上包裹尿素并添加KCl，研制出含有多種中微量元素的復(fù)合肥。

針對(duì)FMP中90%以上的磷為枸溶性，具有堿性的特征，開發(fā)和選用酸性黏結(jié)劑，在肥料加工過程中既中和了堿性又增加了中量元素S并提高了P的含量。采用此工藝生產(chǎn)的15-6-13產(chǎn)品，其配方為尿素330 kg、鈣鎂磷肥390 kg、氯化鉀230 kg，產(chǎn)品除含有氮、磷、鉀外，還含有w(CaO)9.75%，w(MgO)3.90%，w(SiO2)29.75%，w(S)0.96%；該肥料施用于玉米，由于能平衡供應(yīng)養(yǎng)分，玉米自出苗后，葉色濃綠、長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)壯，與常規(guī)施肥對(duì)比，生長(zhǎng)發(fā)育明顯加快，成熟期提前2～3 d，增產(chǎn)9.6%。南京土壤研究所采用此工藝生產(chǎn)的17-8-5產(chǎn)品，其配方為尿素365 kg、鈣鎂磷肥425 kg、磷酸一銨55 kg、氯化鉀90 kg，產(chǎn)品除含有氮、磷、鉀外，還含有w(CaO)10.63%，w(MgO)5.10%，w(SiO2)12.75%，w(S)1.12%；該肥料施用于水稻，水稻成熟期長(zhǎng)勢(shì)健壯，籽粒飽滿，色澤金黃，穗長(zhǎng)粒多，無倒伏現(xiàn)象；N利用率提高12.30%，P2O5利用率提高7.5%，K2O利用率提高17.06%，中微量元素的協(xié)同作用明顯,等養(yǎng)分處理較常規(guī)施肥降低生產(chǎn)成本37.7元/畝(1畝=666.67 m2，下同)。

3　無機(jī)包裹型復(fù)合肥料Ⅱ型產(chǎn)品[3]

表1　無機(jī)包裹型復(fù)合肥料Ⅱ型產(chǎn)品的肥效

4　活化FMP制備水溶性肥料與灌溉結(jié)合的水肥一體化新工藝[4]

目前，市場(chǎng)上銷售的全水溶性肥的常見規(guī)格有20-10-20，20-20-20，15-15-30，30-10-10，15-30-15等，所有配方的最大特點(diǎn)：①均為總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～60%的高濃度肥料，肥料中沒有中微量元素，導(dǎo)致土壤中的中微量元素長(zhǎng)期得不到補(bǔ)充，從而造成作物營(yíng)養(yǎng)短缺，不得不額外添加速溶性的中微量元素，使施肥成本提高；②全水溶性肥料中含有大量的磷，會(huì)與鈣、鎂、硅形成新的磷酸鹽并出現(xiàn)大量沉淀，從而堵塞灌溉系統(tǒng)。

由于FMP中90%以上的磷為枸溶性，具有堿性、低水溶性和肥效慢的特征，將其加工成包裏型復(fù)合肥后具有適度緩效的效果，但不能直接用于灌溉施肥。如果能開發(fā)出合適的活化劑并研究相應(yīng)的活化技術(shù)，激發(fā)FMP中的中微量養(yǎng)分從枸溶性逐漸向水溶性轉(zhuǎn)變，有效提高FMP的溶解速度，使溶液中各養(yǎng)分的濃度達(dá)到50～800 mg/kg，即可滿足灌溉施肥的要求。該技術(shù)可充分利用FMP或含鉀鈣鎂磷肥(FKMP)中的中微量元素養(yǎng)分優(yōu)勢(shì)，在FMP溶解磷的同時(shí)使鈣、鎂、硅溶解于水中，從而進(jìn)入高端全水溶性肥行列。該項(xiàng)目的最大特點(diǎn)是FMP與活化劑在專用反應(yīng)器中反應(yīng)后，可直接獲得灌溉施肥所需的含有水溶性N，P，K，Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e2+，Zn2+，Mn2+及可溶性SiO2的營(yíng)養(yǎng)液，解決灌溉水中中微量元素短缺和難以加入的問題。采用該技術(shù)生產(chǎn)的營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)中國(guó)農(nóng)科院肥料檢測(cè)中心測(cè)定，其成分和含量如表2所示。

表2　營(yíng)養(yǎng)液成分和含量

以灌溉施肥一次用水1 t、3 kg活化劑與1 kg FMP反應(yīng)計(jì)算，結(jié)論是3 kg活化劑可額外提供S 0.54 kg，1 kg FMP可額外提供CaO，MgO和SiO2分別為0.320 kg，0.104 kg和0.260 kg，所補(bǔ)充的中量元素均是在不增加成本的基礎(chǔ)上完成的。

活化鈣鎂磷肥工藝技術(shù)的要點(diǎn)：①篩選出的活化劑本身就含有N，P，K和S，其與FMP發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)應(yīng)能使FMP釋放出水溶性養(yǎng)分；②活化劑與FMP反應(yīng)需以獨(dú)特的液升式反應(yīng)器作為反應(yīng)載體；③活化劑與FMP反應(yīng)的過程中，需控制水的流量、壓力和反應(yīng)時(shí)間，故需配置專有的控制系統(tǒng)；④由活化劑、液升式反應(yīng)器和專有控制系統(tǒng)組合而成的專有灌溉施肥裝置，能夠生產(chǎn)出符合每次灌溉施肥所要求的多營(yíng)養(yǎng)全水溶的灌溉液。

2009年11月，采用該技術(shù)在北京懷柔草莓大棚進(jìn)行了新型灌溉施肥與傳統(tǒng)灌溉施肥的對(duì)比試驗(yàn)。通過連續(xù)2年的跟蹤試驗(yàn)，結(jié)果表明新型灌溉施肥在大棚中的應(yīng)用效果良好，種植的草莓口感更佳且病蟲害少。新型灌溉施肥與傳統(tǒng)灌溉施肥種植的草莓成分對(duì)比如表3所示。

表3　新型灌溉施肥與傳統(tǒng)灌溉施肥種植的草莓成分對(duì)比

2013—2015年，委托廣東省農(nóng)科院采用該套灌溉施肥裝置連續(xù)2年在香蕉種植上進(jìn)行農(nóng)化試驗(yàn)。第1年，氮、磷、鉀施用量比對(duì)照(即習(xí)慣施肥，整個(gè)生育期施氮量為60 kg/畝，施磷量15 kg/畝，施鉀量70 kg/畝)減量30%的處理香蕉產(chǎn)量最高，比對(duì)照增產(chǎn)3 471 kg/hm2(增產(chǎn)率6.6%)，其蛋白質(zhì)含量提高96.7%，營(yíng)養(yǎng)最豐富；與對(duì)照相比，氮、磷、鉀施用量減量15%的處理能夠提高香蕉中可溶性固形物、可溶糖及蛋白質(zhì)含量，其中可溶糖含量提高了6.3%，口感最佳；與對(duì)照相比，氮、磷、鉀施用量減量15%以及減量30%的處理單果重分別提高9.6%和16.2%，果指圍分別增加3.4%和4.3%；氮、磷、鉀施用量減量30%的處理果梳重和果指長(zhǎng)分別比對(duì)照增加13.4%和6.3%。第2年，氮、磷、鉀施用量減量15%的處理結(jié)果情況最佳，與對(duì)照相比，可溶性固形物含量提高5%，維生素C含量提高1%，可溶性糖含量提高5%，果肉中鉀、鈣、硅含量分別提高6%，80%和10%，充分體現(xiàn)了采用含有中微量元素的多營(yíng)養(yǎng)灌溉液所起的作用，增強(qiáng)了香蕉生長(zhǎng)期的抗病害能力，也有利于延長(zhǎng)香蕉的貨架期；與對(duì)照相比，施肥量減少15%的處理的氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率均提高16%，施肥量減少30%的處理的氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率分別提高38%，76%和40%。

5　結(jié)語

通過多項(xiàng)化肥生產(chǎn)工藝技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品的肥效試驗(yàn)，都突顯了中微量元素在復(fù)合肥生產(chǎn)中的應(yīng)用以及大量元素與中微量養(yǎng)分的協(xié)調(diào)作用的重要性，這些技術(shù)也因此分別獲得中國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)、美國(guó)專利1項(xiàng)、以色列國(guó)家專利1項(xiàng)和國(guó)際(PCT)專利1項(xiàng)的科技支撐。

[1]肖焱波.作物營(yíng)養(yǎng)診斷與合理施肥[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010：84-86.

[2]鄭州樂喜施磷復(fù)肥技術(shù)研究推廣中心.一種控制釋放肥料：95109720.2[P].1997-02-19.

[3]Zhenzhou Centre of Populariza. Controlled release fertilizer and preparations thereof: US，5849060A[P].1998-12-15.

[4]北京海依飛科技有限公司.一種農(nóng)業(yè)灌溉施肥方法：200510075256.X[P].2006-12-13.

Use of Mineral Fertilizer Containing Rich Medium andTrace Elements in Production of Compound Fertilizer

LI Diping, WANG Haobin, XU Xiucheng, HOU Cuihong

(School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou UniversityHenan Zhengzhou450001)

The fused calcium magnesium phosphate is a multi-element mineral phosphate fertilizer, applying fused calcium magnesium phosphate will help China to ease consumption of medium and trace elements in soil. The characteristics of fused calcium magnesium phosphate are introduced briefly, the fertilizer efficiency of inorganic coated compound fertilizer produced with fused calcium magnesium phosphate as raw material, and the process and application effect of soluble fertilizer produced with fused calcium magnesium phosphate as raw material are summarized.

fused calcium magnesium phosphatemedium and trace elementcompound fertilizerwater soluble fertilizerfertigation

“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃課題，“復(fù)合(混)肥料農(nóng)藝配方與生態(tài)工藝技術(shù)研究”(2011BAD11B05)。

李菂萍(1948—)女，長(zhǎng)期從事復(fù)合(混)肥料農(nóng)藝配方與生態(tài)工藝技術(shù)研究；lidiping2011@126.com。

TQ444.9

A

1006-7779(2016)03-0091-04

2016-05-04)