成型壓力對(duì)棒狀復(fù)合肥料抗壓性能及氮鉀養(yǎng)分淋溶特性的影響

劉海林，蔡 雋，楊紅竹，林清火，茶正早，羅 微

（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部橡膠樹生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究中心，海南 ?？?571101）

我國(guó)是全球重要的熱帶作物生產(chǎn)國(guó)之一［1］，而且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，熱帶水果、瓜類等特色優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)作物的比重不斷上升［2］，而肥料作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)物資［3］，是熱帶特色經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量的重要保障。目前，熱帶林木、果樹等特色經(jīng)濟(jì)作物栽培中普遍存在過(guò)量施肥的問(wèn)題，如香蕉［4］、芒果［5］、油棕［6］等，肥料施用過(guò)量將導(dǎo)致養(yǎng)分利用率低，容易造成環(huán)境污染［7-8］。緩/控釋肥料是重要的新型肥料產(chǎn)品之一，具有減緩養(yǎng)分釋放，減少養(yǎng)分損失等優(yōu)點(diǎn)［9-11］，但緩/控釋肥料尤其是包膜肥料普遍成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜［12］，且存在膜材難降解的問(wèn)題。因此，通過(guò)改進(jìn)肥料生產(chǎn)工藝，研制低成本、緩釋、環(huán)保的棒狀復(fù)合肥料對(duì)熱帶特色作物發(fā)展更具實(shí)際意義。

目前，廣泛應(yīng)用的肥料形態(tài)多為顆粒狀、粉狀和液體狀，對(duì)于棒狀復(fù)合肥料的研制和應(yīng)用研究相對(duì)較少。何向東等［13］將肥料裝入外部涂有樹脂薄膜的紙質(zhì)棒形筒內(nèi)制備成長(zhǎng)效肥料棒，研究表明長(zhǎng)效肥料棒在熱帶土壤中溶解速度慢，對(duì)胡椒、益智等熱帶作物具有顯著增產(chǎn)效果。但是該長(zhǎng)效肥料棒僅是將化肥填充到紙質(zhì)棒形筒內(nèi)，肥料棒的抗壓強(qiáng)度較差，不便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和機(jī)械化施肥。為了使類似棒狀肥料的大顆粒肥料既具有緩釋效果，又具有較好物理性能，很多研究人員利用擠壓成型工藝制備了多功能肥料塊［14-15］、塊狀尿素［16］、塊狀復(fù)合肥［17-18］、球形肥料［19］等肥料，研究結(jié)果也表明上述肥料具有減緩養(yǎng)分釋放，減少養(yǎng)分損失等優(yōu)點(diǎn)，但上述研究未對(duì)肥料的擠壓成型影響因素進(jìn)行研究。有研究表明增加粘結(jié)劑用量可減少緩釋肥料棒的養(yǎng)分淋失［20-21］，并能增強(qiáng)緩釋肥料棒的抗壓強(qiáng)度［21］。林清火等［22］研究發(fā)現(xiàn)將脲甲醛作為緩釋氮源加入緩釋肥料棒中制備成脲醛緩釋肥料棒，可顯著增強(qiáng)緩釋肥料棒的緩釋效果，但會(huì)降低抗壓強(qiáng)度。而成型壓力也是棒狀復(fù)合肥料制備工藝中的重要參數(shù)，是決定棒狀復(fù)合肥料成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。為了更為全面地研究擠壓成型過(guò)程中各影響因素對(duì)棒狀復(fù)合肥料緩釋效果的影響，本文將探討成型壓力對(duì)棒狀復(fù)合肥料抗壓性能及養(yǎng)分淋溶特性的影響，為棒狀緩釋復(fù)合肥料生產(chǎn)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 棒狀復(fù)合肥料制備

將尿素、磷酸一銨、硫酸銨、氯化鉀、粘結(jié)劑、填充料分別粉碎、過(guò)篩，計(jì)量后加入混合機(jī)中攪拌均勻，將肥料棒成型機(jī)（專利號(hào)：ZL 201720776912.7）的成型壓力分別設(shè)置為50、100、150 t，并利用肥料棒成型機(jī)將原料擠壓制成直徑為6 cm、質(zhì)量為200 g的棒狀復(fù)合肥料（氮磷鉀養(yǎng)分配比均為16-6-8），制得的棒狀復(fù)合肥料分別用FR1、FR2、FR3表示，并以等養(yǎng)分含量的普通肥料F為對(duì)照。

1.1.2 供試土壤

供試土壤為片麻巖發(fā)育磚紅壤（采自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所五隊(duì)基地），自然風(fēng)干后過(guò)5 mm篩備用。土壤全氮、速效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)含量分別為0.68 g/kg、34.27 mg/kg、5.09 mg/kg、13.60 g/kg，土壤pH為4.86。

1.2 棒狀復(fù)合肥料養(yǎng)分淋溶特性測(cè)定方法

采用土柱淋溶法測(cè)定棒狀復(fù)合肥料養(yǎng)分淋出特性［21］，試驗(yàn)布置于中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所五隊(duì)基地，試驗(yàn)所用淋溶管為高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(guò)5 mm篩的風(fēng)干土6 kg（高約25 cm），放入供試棒狀復(fù)合肥料（質(zhì)量均為200 g）和普通肥料（與棒狀復(fù)合肥料等養(yǎng)分含量），再加入過(guò)5 mm篩的風(fēng)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(shí)對(duì)土層的擾動(dòng)。淋溶管下通過(guò)漏斗用塑料瓶收集淋溶液。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)土柱先加水至接近飽和后靜置24 h，再加入1 L水，當(dāng)不再有水淋出時(shí)收集淋溶液，以第一次收集時(shí)間計(jì)時(shí)，每次收集前1 d加水1 L，共計(jì)10次（間歇式淋溶），測(cè)定淋溶液中氮、鉀含量，每個(gè)處理設(shè)5個(gè)重復(fù)，同時(shí)設(shè)置空白。

1.3 棒狀復(fù)合肥抗壓強(qiáng)度測(cè)定方法

將壓制成型的各處理棒狀復(fù)合肥料直立于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試平臺(tái)上，通過(guò)程序控制移動(dòng)橫梁，移動(dòng)速度設(shè)置為2 mm/min，測(cè)定棒狀復(fù)合肥料的正抗壓強(qiáng)度P1，再將棒狀復(fù)合肥料側(cè)放于測(cè)試平臺(tái)上測(cè)定棒狀復(fù)合肥料的側(cè)抗壓強(qiáng)度P2。

1.4 養(yǎng)分累積淋出率曲線方程擬合方法

本研究利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)棒狀復(fù)合肥料養(yǎng)分累積淋出率曲線進(jìn)行擬合，擬合方程用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件的非線性回歸統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行擬合，并計(jì)算其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果［21］。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

采用Excel 2007對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算、繪制圖表，采用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型壓力對(duì)棒狀復(fù)合肥料抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 為不同成型壓力下制備的棒狀復(fù)合肥料抗壓強(qiáng)度（正壓和側(cè)壓）。由圖2可知，隨著成型壓力增加，棒狀復(fù)合肥料抗壓強(qiáng)度（正壓和側(cè)壓）先增加后減小。棒狀復(fù)合肥料FR2（成型壓力100 t）處理的正抗壓強(qiáng)度和側(cè)抗壓強(qiáng)度分別為8202.80和2632.40 N，顯著大于FR1（成型壓力50 t）處理，其正抗壓強(qiáng)度和側(cè)抗壓強(qiáng)度分別較FR1處理增加了3605.30和938.80 N。棒狀復(fù)合肥料FR2處理的正抗壓強(qiáng)度和側(cè)抗壓強(qiáng)度分別較FR3（成型壓力150 t）處理增加了472.00和8.20 N，但是處理間差異不顯著。

2.2 成型壓力對(duì)棒狀復(fù)合肥料氮素淋溶特性的影響

由圖3A可知，F(xiàn)處理第1次淋溶時(shí)的氮素單次淋出率最高，為34.40%，隨著淋溶次數(shù)增加，氮素單次淋出率逐漸下降，并在第4次之后趨于平緩。FR1、FR2、FR3處理的氮素單次淋出率均表現(xiàn)為先逐漸增加后降低，F(xiàn)R1、FR2、FR3處理的氮素單次淋出率最大值分別為15.89%、15.85%、14.56%。由圖3B可知，整個(gè)淋溶期間FR1、FR2、FR3處理氮素累積淋出率均小于F處理，F(xiàn)處理前期氮素容易被淋出，第3次淋溶時(shí)氮素累積淋出率已達(dá)到80.61%，而后氮素則被緩慢淋出。FR1、FR2、FR3處理氮素累積淋出率曲線均類似S型，前3次淋溶時(shí)氮素累積淋出率均較小，而后氮素累積淋出率快速增加，且FR1、FR2、FR3處理的氮素累積淋出率曲線接近重合。整個(gè)淋溶期間FR1、FR2、FR3處理的氮素累積淋出率分別為87.33%、80.32%、79.83%，均小于F處理，且表現(xiàn)為F>FR1>FR2>FR3，但是FR1處理與F處理差異不顯著，F(xiàn)R1、FR2、FR3處理間差異不顯著（P>0.05）。

2.3 成型壓力對(duì)棒狀復(fù)合肥料鉀素淋溶特性的影響

由圖4A可知，F(xiàn)處理前2次淋溶的鉀素單次淋出率分別達(dá)到28.86%、28.61%，而后迅速下降，第3次和第4次淋溶時(shí)的單次淋出率分別為12.51%和5.73%。FR1、FR2、FR3處理的鉀素單次淋出率均表現(xiàn)為逐漸緩慢增加，F(xiàn)R1、FR2、FR3處理的鉀素單次淋出率最大值分別為9.94%、7.71%、7.78%。由圖4B可知，F(xiàn)R1、FR2、FR3處理鉀素累積淋出率曲線接近重合，整個(gè)淋溶期間FR1、FR2、FR3處理鉀素累積淋出率均小于F處理。F處理第3次淋溶時(shí)鉀素累積淋出率達(dá)到68.86%，在第5次淋溶時(shí)鉀素累積淋出率已達(dá)到80.98%。FR1、FR2、FR3處理鉀素累積淋出率曲線前3次淋溶存在明顯滯后現(xiàn)象，而后表現(xiàn)為類似勻速線性增加，整個(gè)淋溶期間FR1、FR2、FR3處理鉀素累積淋出率均表現(xiàn)為F>FR1> FR3>FR2。第10次淋溶之后F、FR1、FR2、FR3處理的鉀素累積淋出率分別為86.30%、46.07%、42.08%、44.18%，F(xiàn)R1、FR2、FR3處理顯著小于F處理（P<0.05），但FR1、FR2、FR3處理間差異不顯著（P>0.05）。

2.4 棒狀復(fù)合肥料養(yǎng)分累積淋出率一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合

研究表明脲醛緩釋肥料棒的氮素累積淋出率曲線可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合［21］，為此利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)不同成型壓力制備的棒狀復(fù)合肥料養(yǎng)分累積淋出率曲線進(jìn)行擬合，從擬合結(jié)果（表1）可知，各處理的養(yǎng)分累積淋出率曲線均可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，擬合相關(guān)系數(shù)r為0.882～0.998。

表1 棒狀復(fù)合肥料養(yǎng)分累積淋出率曲線方程擬合結(jié)果

3 討論

棒狀復(fù)合肥料是采用擠壓成型工藝制備而成的，成型壓力是影響緩釋肥料棒成型質(zhì)量和緩釋效果的主要因素之一。有研究認(rèn)為在粉末顆粒體成型過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷3個(gè)階段：粉末顆粒原料的重新排列階段、彈性變形和塑性變形階段、顆粒體斷裂階段，隨著成型壓力增加，壓坯密度會(huì)逐漸增加，但是當(dāng)達(dá)到某一峰值之后，壓坯密度幾乎無(wú)變化［23］。本研究的棒狀復(fù)合肥料也是以多種粉末顆粒為原料，利用液壓成型設(shè)備擠壓成型，屬于粉末顆粒壓縮成型的過(guò)程，隨著成型壓力增加，棒狀復(fù)合肥料抗壓強(qiáng)度（正壓和側(cè)壓）先增加后減小，成型壓力為100 t的棒狀復(fù)合肥料的正抗壓強(qiáng)度和側(cè)抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了8202.80和2632.40 N，均大于成型壓力50 t和成型壓力150 t的棒狀復(fù)合肥料，說(shuō)明在本研究條件下成型壓力為100 t時(shí)棒狀復(fù)合肥料的抗壓強(qiáng)度最佳，達(dá)到了峰值，粉末顆粒已經(jīng)完全斷裂重排，粉末顆粒間孔隙已被填充，繼續(xù)增加成型壓力反而容易出現(xiàn)壓裂現(xiàn)象和增加彈性后效，從而降低棒狀復(fù)合肥料的抗壓強(qiáng)度，并且增加能量消耗。這也與陳天佑等［24］的研究結(jié)果一致，其研究表明玉米秸稈生物炭壓制成型過(guò)程中成型壓強(qiáng)在30～80 MPa范圍內(nèi)，炭塊的抗破壞強(qiáng)度隨著成型壓力的增大而增大，繼續(xù)增加成型壓力則逐漸減小。另外，本研究結(jié)果還表明成型壓力為50、100、150 t的棒狀復(fù)合肥料均具有較好的緩釋效果，其氮、鉀累積淋出率均小于普通肥料，但是成型壓力為50、100、150 t的棒狀復(fù)合肥料氮、鉀累積淋出率曲線均近似重合，處理間氮、鉀累積淋出率差異不顯著。Shamsudin等［25］的研究也發(fā)現(xiàn)擠壓成型壓力會(huì)影響片狀尿素的溶解速率，壓強(qiáng)為150.68 MPa的片狀尿素在水中10 min內(nèi)的銨離子釋放量最少，當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)增加至188.35 MPa時(shí)反而增加銨離子釋放量，也就是說(shuō)當(dāng)成型壓力達(dá)到一定值之后，如果繼續(xù)增加成型壓力，棒狀復(fù)合肥料的養(yǎng)分緩釋效果并不會(huì)得到增強(qiáng)，甚至可能會(huì)增加棒狀復(fù)合肥料的養(yǎng)分釋放速率，其原因可能是由于成型壓力增加，導(dǎo)致肥料出現(xiàn)裂痕，從而使肥料相對(duì)更易被水溶解。但是不同肥料配方、不用原料類型對(duì)成型壓力要求可能會(huì)存在較大差異，后期還有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

棒狀復(fù)合肥料具有較好的緩釋效果，其氮、鉀累積淋出率均小于普通肥料，但成型壓力為50、100、150 t的棒狀復(fù)合肥料養(yǎng)分累積淋出率差異不明顯。而隨著成型壓力增加，棒狀復(fù)合肥料抗壓強(qiáng)度（正壓和側(cè)壓）先增加后減小，成型壓力為100 t時(shí)達(dá)到最大值。因此，從成型質(zhì)量、緩釋效果以及生產(chǎn)能耗等方面綜合考慮，本研究條件下棒狀復(fù)合肥料的成型壓力為50～100 t時(shí)最適合。