小麥秸稈基新型緩控釋氮肥制備及性能

雷明馨， 姚　麗

(成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分院，四川成都 611130)

隨著資源環(huán)境問題日益突出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要從提高養(yǎng)分利用率的角度來(lái)保證高產(chǎn)，從而解決經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的問題。緩控釋肥料作為21世紀(jì)新型肥料的發(fā)展方向，可以提高水資源和肥料的利用率，減少肥料不合理使用對(duì)環(huán)境的污染，是解決資源環(huán)境問題的有效途徑之一。小麥秸稈是豐富的可再生資源，若將成本低廉的小麥秸稈引入高吸水樹脂的制備中，再與肥料復(fù)合，研制出具有集保水功能的新型緩控釋氮肥，可以節(jié)約現(xiàn)有緩控釋肥料的制備成本[1]。

目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥的使用占有重要地位，但也存在用量大，利用率低；施用不合理造成環(huán)境污染，威脅食品安全等問題。同時(shí)，全球有42.9%的旱耕地，水也成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，如何使土壤保持更多雨水，保證農(nóng)作物“即用即需”，是旱地保水的主要問題。緩控釋肥料作為21世紀(jì)新型肥料的發(fā)展方向，可以集保水功能、控制釋放技術(shù)功能以及肥料固有功能于一體[1]。

我國(guó)小麥秸稈來(lái)源廣泛，但存在資源利用效率低的問題。若將小麥秸稈引入高吸水樹脂合成新型的小麥秸稈基吸水吸附材料，再運(yùn)用該高吸水樹脂與肥料養(yǎng)分復(fù)合，制備多功能緩控釋氮肥，即將小麥秸稈作為緩釋氮肥的載體基材，一方面可以提高降低緩控釋肥料的成本，另一方面能提高肥料的保水及土壤調(diào)理功能，可實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

選取小麥秸稈(WS)，經(jīng)機(jī)器剪切，篩選出平均長(zhǎng)度 0.015～0.030 cm放置于通風(fēng)陰涼處；丙烯酸(AA，化學(xué)純)；過硫酸銨(APS，分析純)、亞甲基雙丙烯酰胺(NNMBA，分析純)；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS，化學(xué)純)；傅里葉變換紅外分光光度計(jì)，NEXUS 670型；冷凍干燥儀；元素分析儀；掃描電子顯微鏡；精密PHS-3B型精密pH計(jì)。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1小麥秸稈的預(yù)處理(PTWS)稱取粉碎過篩處理的小麥秸稈粉末10 g置于燒杯中，加入500 mL蒸餾水，并將燒杯置于60 ℃的水浴中，加熱16 h后過濾，濾渣放入85 mL由濃度為24%的KOH、濃度為1%的NaBH4組成的混合水溶液的三口燒杯中，在常溫下機(jī)械攪拌3 h。將攪拌后的懸浮液過濾，濾渣用乙醇溶液洗至呈中性，之后在105 ℃環(huán)境下烘干備用。

1.2.2PTWS高吸水性樹脂的制備取2.25 g丙烯酸和 4.5 mL 氫氧化鈉水溶液放入燒杯中中和，隨后依次放入 0.75 g AMPS、0.60 g PTWS、0.012 g APS、0.003 g NNMBA和5.0 mL蒸餾水。隨后將燒瓶放入水浴中并通入氮?dú)?，緩慢加熱?0 ℃并保持反應(yīng)3 h。結(jié)束后將反應(yīng)生成的聚合物樣品70 ℃干燥并研磨備用。

1.2.3樣品的表征將完全干燥的PTWS高吸水性樹脂樣品用溴化鉀壓成薄片，用傅里葉變換紅外分光光度計(jì)測(cè)定樣品的紅外光譜圖，掃描波數(shù)范圍在4 000～500 cm-1。利用PHS-3B型精密pH計(jì)測(cè)量溶液的pH值。

1.2.4PTWS高吸水性樹脂吸水率的測(cè)定稱取0.1 g樣品顆粒放入100 mL的蒸餾水中，在常溫下浸潤(rùn)1 h，利用無(wú)紡布過濾后，稱量溶脹后的高吸水樹脂質(zhì)量，吸水率(WA)按照下式計(jì)算：

WA=(m-m0)/m0。

式中：m表示溶脹后高吸水樹脂的質(zhì)量，m0表示高吸水樹脂原質(zhì)量。

1.2.5多功能緩釋氮肥(MSNF)的制備為研究PTWS高吸水樹脂作為載體材料制備新型緩控釋氮肥的利用效果，現(xiàn)制備負(fù)載肥料的PTWS?，F(xiàn)取2 g PTWS高吸水性樹脂顆粒物置于濃度為100 mmol/L的1 000 mL NH4Cl溶液中，在25 ℃的環(huán)境中進(jìn)行溶脹，隨后過濾分離出高吸水樹脂，在30 ℃條件下干燥，得到多功能緩釋氮肥(MSNF)。

1.2.6MSNF在土壤中的緩釋性稱取MSNF 0.5 g裝入無(wú)紡布袋中，做8組平行試驗(yàn)，將每組樣品置于土壤表面6～8 cm 處，同時(shí)保持土壤濕度在20%左右。8組試驗(yàn)分別在置于土下0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、10.0、15.0、20.0 d后取出布袋，晾干樣品后測(cè)量氮含量。

1.2.7MSNF對(duì)土壤持水量的影響對(duì)相同土壤施加不同的肥量，分別為濃度0%、0.5%、1.0%、1.5% MSNF，測(cè)定土壤樣品的最大持水率。將施加了MSNF的土壤分別裝入聚氯乙烯試管中，對(duì)試管稱質(zhì)量，用W1表示。在試管上端灌入自來(lái)水，直至試管底部有水滲出為止。對(duì)試管再次稱質(zhì)量，用W2表示。土壤的最大持水率(WH)按照下式計(jì)算。

WH=(W2-W1)/100×100%。

1.2.8MSNF對(duì)土壤溶液pH值的影響取50 g干燥后的土壤樣品，放入800 mL燒杯中，以5 ∶1(mL ∶g)的水土比例調(diào)配土壤溶液，攪拌后靜置1晚。分別取燒杯中的土壤上清液25 mL置于多個(gè)100 mL燒杯中，用PHS-3B型精密pH計(jì)測(cè)量土壤原液pH值。將0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH溶液混合后加入土壤上清液中，調(diào)節(jié)至不同的pH值。將0.1 g MSNF樣品放入上述不同pH值的燒杯中，沉淀1 h后，過濾測(cè)量濾液pH值。

2　結(jié)果與分析

2.1　PTWS樣品的紅外光譜表征分析

2.2　PTWS用量對(duì)高吸水性樹脂吸水率的影響

從圖2可以看出，當(dāng)PTWS用量在0～10%范圍內(nèi)時(shí)，高吸水性樹脂的吸水率隨著含量的增加而上升，當(dāng)PTWS含量達(dá)到10%時(shí)，高吸水性樹脂的吸水率達(dá)到最大值，然后隨著含量的進(jìn)一步增加吸水率下降。該現(xiàn)象可以歸因于PTWS含量為10%的高吸水樹脂的吸水率最大。

2.3　MSNF在土壤中的緩釋性能

為了明確MSNF在土壤中的緩釋行為，現(xiàn)取氯化銨作為對(duì)照試驗(yàn)。從圖3可以看出，未處理的氯化銨(NH4Cl)在 1 d 內(nèi)釋放率達(dá)到了98%以上。與氯化銨在土壤中的緩釋行為相比較，MSNF的釋放速率明顯下降。MSNF在施入土壤1、6、10 d的氮素釋放率分別為24%、58%、65%。MSNF在土壤中的釋放行為緩慢主要是因?yàn)閷⒏呶畼渲鳛榉柿系妮d體，可以使其在土壤的溶液中緩慢溶脹，并逐步轉(zhuǎn)化為水凝膠[3]。水凝膠中的自由水和土壤中的水分之間通過一個(gè)動(dòng)態(tài)交換過程將肥料養(yǎng)分從水凝膠網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散出去。小麥秸稈基高吸水樹脂可以作為緩釋氮肥的載體，控制養(yǎng)分的釋放。因此MSNF具有較好的緩釋性能，能夠保證農(nóng)作物對(duì)土壤肥料養(yǎng)分的充分利用，減少養(yǎng)分的損失。

2.4　MSNF對(duì)土壤持水量的影響

農(nóng)作物生長(zhǎng)離不開土壤中的水分，水通常作為載體為農(nóng)作物輸送土壤和肥料中的營(yíng)養(yǎng)元素。在干旱或雨水頻繁季節(jié)，農(nóng)作物往往存在嚴(yán)重缺水或是雨水流失，因?yàn)橹参锉旧淼恼舭l(fā)和滲透等原因無(wú)法高效利用[4]。本試驗(yàn)擬利用可吸收和保持大量水溶液的高吸水樹脂作用肥料的載體，保證農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)水資源的充分利用。本試驗(yàn)研制的MSNF即是以PTWS高吸水樹脂作為載體。從圖4可以看出，當(dāng)MSNF對(duì)土壤的施用量分別為0(空白對(duì)照)、0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，土壤最大持水率分別為40%、75%、108%、135%。表明MSNF施用對(duì)土壤的持水能力有提高作用，并且隨著施用量的增加土壤最大持水率上升。因此，在灌溉期間或雨水季節(jié)，MSNF的施用可以使土壤的持水能力提高，吸收保持更多的水分，有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

2.5　MSNF對(duì)土壤溶液pH值的影響

土壤理化性質(zhì)、生物特性以及肥力特征經(jīng)常通過土壤的pH值來(lái)反映，土壤酸堿度也可作為重要指標(biāo)來(lái)劃分土壤類型和評(píng)價(jià)土壤肥力[5]。堿性土壤中，Na+交換離子含量多，導(dǎo)致土粒分散，易發(fā)生鹽堿化，土壤架構(gòu)不穩(wěn)定；酸性土壤中，H+

交換離子含量多，導(dǎo)致Ca2+、Mg2+、K+等鹽離子被交換，土壤肥力下降。研究表明，最適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤呈中性為宜，此時(shí)土壤中肥料養(yǎng)分最易于被農(nóng)作物吸收利用，且微生物的活動(dòng)更為活躍。MSNF可以作為一種土壤改良劑對(duì)土壤的酸堿度進(jìn)行改善，以達(dá)到外加添加劑的作用[6]。從圖5可以看出，酸堿不一的土壤溶液經(jīng)MNSF處理后，其pH值均被調(diào)節(jié)至5.5～7.0的范圍內(nèi)。因?yàn)樵谒嵝酝寥罈l件中，MNSF中的抗衡離子(Na+和NH4+)可以與土壤中的H+交換發(fā)生反應(yīng)；而在堿性土壤條件中，MSNF中含有的大量—COOH、—SO3H基團(tuán)，它們可以與土壤中的OH-發(fā)生中和反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，MSNF可以調(diào)節(jié)土壤的酸堿平衡，從而有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

3　討論

小麥秸稈基新型緩控釋氮肥是基于現(xiàn)有肥料、小麥秸稈資源利用率低的問題研制的新型肥料。本試驗(yàn)先對(duì)小麥稻稈進(jìn)行預(yù)處理，通過水溶液自由基聚合法，制得PTWS高吸水樹脂樣品，然后對(duì)該樣品進(jìn)行表征分析和吸水能力研究，通過吸附法制得多功能緩釋氮肥(MSNF)，對(duì)該肥料的性能進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論，即PTWS高吸水樹脂中PTWS含量對(duì)其吸水率有影響，當(dāng)含量為10%時(shí)具有最大吸水率，說明使用該濃度的PTWS可以大大降低使用成本。

利用該P(yáng)TWS高吸水樹脂，通過吸附法制備緩釋氮肥，操作簡(jiǎn)單，且所制得的肥料具有一定的緩釋性能，可以提高土壤的持水量，調(diào)節(jié)土壤溶液的pH值，將MSNF施入土壤后，將有望改善土壤的酸堿緩沖性，使土壤環(huán)境更利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。小麥秸稈基新型緩控釋氮肥在埋入土壤10 d后，其釋放率為65%，而普通肥料在埋入后1 d內(nèi)釋放率即達(dá)到98%，表明新型緩控釋氮肥具有良好的緩釋性，可以提高土壤的持水量，有望改善土壤的酸堿緩沖性，使土壤環(huán)境更利于農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的充分吸收和生長(zhǎng)。

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