茶梗基緩釋尿素的養(yǎng)分釋放特征及應(yīng)用效果研究

劉盈盈，王未名，蘇淑穎，張亭,3，薛志慧，冉琴，馮俊喬，孫歡，黃沖，林東藝*

1.福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院，福建 安溪 362406；2.安溪縣總工會(huì)職工服務(wù)中心，福建 安溪 362400；3.廈門茶葉進(jìn)出口有限公司，福建 廈門 361000

肥料是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物資，是保證作物正常生長、提高產(chǎn)量的重要條件[1]。我國每年都會(huì)消耗大量肥料，但是目前肥料利用率普遍較低，大量肥料的施用并沒有達(dá)到合理的利用效果[2-3]。

緩釋肥料的本質(zhì)是通過減緩肥料養(yǎng)分釋放速率，延長肥料釋放養(yǎng)分的有效周期，以滿足作物長期吸收養(yǎng)分的需要，達(dá)到提高產(chǎn)量和節(jié)約成本的目的[4]。緩釋肥料的出現(xiàn)為肥料利用率的提高提供了良好的借鑒，可以說，緩釋肥料是全世界肥料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和前沿[5-6]。緩釋肥料的緩釋性能是由緩釋材料決定的，所以研制新型緩釋肥，需從創(chuàng)新緩釋材料方面入手，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)工藝和養(yǎng)分釋放性能作進(jìn)一步研究[7-8]。

據(jù)了解，有學(xué)者利用變質(zhì)玉米研制緩釋化肥得到較好效果[9-10]。從節(jié)約成本方面考慮，選擇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物作為緩釋材料最具經(jīng)濟(jì)意義。我國是茶葉大國，在茶葉生產(chǎn)中產(chǎn)生了大量茶梗資源，但茶梗的利用價(jià)值不高，未能帶來有效的經(jīng)濟(jì)增長[11]。采用茶梗作為緩釋肥料的原料，既是合理利用茶葉廢棄物，又為緩釋肥料的包膜材料尋得了新的可靠原料。

因此，本研究先期以茶梗和尿素作為主要材料，采用擠壓膨化關(guān)鍵工藝，制備了不同比例的茶梗緩釋肥料。在此基礎(chǔ)上，通過靜水培養(yǎng)法測定和土柱淋溶法試驗(yàn)分析不同配比下緩釋肥料的釋放特性，并利用盆栽玉米苗試驗(yàn)，觀察不同處理下玉米的生長狀況，測定其株高和莖粗并進(jìn)行對(duì)比，從而考察自制茶梗緩釋肥料在實(shí)際生產(chǎn)中的作用，綜合分析茶梗作為緩釋材料的優(yōu)劣性[12-14]。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 供試材料

供試肥料：自制氮素緩釋肥料，由鐵觀音茶梗（安溪綠壺春茶業(yè)公司）與尿素（河北陽煤元正化工集團(tuán)有限公司）按不同比例混合（表1），經(jīng)擠壓膨化制作而成。

供試作物：市售玉米，選用大小相近的種子在實(shí)驗(yàn)室培育后，篩選發(fā)育程度相近的玉米苗進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。

供試土壤：黃壤，取自福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院茶樹資源圃。沙子：取自福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院沙池。

1.1.2 儀器設(shè)備

BSA1-243 型分析天平（上海歐邁科學(xué)儀器有限公司）、0-150型游標(biāo)卡尺（上海新量螺紋工具有限公司）、F20 型多功能飼料粉碎機(jī)（湖南省金峰機(jī)械科技有限公司）、CH-500型多功能混合箱（廣東富捷自動(dòng)化科技有限公司）、LZ65-ll型單螺桿谷物膨化機(jī)（濟(jì)南朗正機(jī)械設(shè)備有限公司）、9KL-125 型飼料造粒機(jī)（鄭州市威龍機(jī)械有限公司）、YK-3750型恒溫恒濕培養(yǎng)箱（東莞市友科自動(dòng)化設(shè)備有限公司）、SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵（鄭州新城科工貿(mào)有限公司）、HYP-320 型消化爐（上海纖檢儀器有限公司）、KDN-103F 型自動(dòng)定氮儀（上海纖檢儀器有限公司）。

1.1.3 試劑

濃硫酸、氫氧化鈉、硼酸、95%乙醇、甲基紅、溴甲酚綠均為分析純。

1.2 緩釋肥料的制備

緩釋肥料的制備采用擠壓膨化技術(shù)，制備流程如圖1所示。將經(jīng)過除雜處理的鐵觀音茶梗用多功能粉碎機(jī)破碎，過3 mm篩，得到茶梗粉末；再將茶梗粉末和普通尿素按比例混合，混勻后將物料送入單螺桿膨化機(jī)，進(jìn)行擠壓膨化；物料在高溫、高壓、高剪力的條件下，被不斷擠壓從而達(dá)到細(xì)化、勻化的效果；物料被不斷推進(jìn)，直至送出膨化機(jī)，在噴出的時(shí)候，瞬間膨化，完成擠壓膨化的作業(yè)效果；再將擠壓膨化后的產(chǎn)物利用造粒機(jī)造型。

圖1 擠壓膨化肥料制備流程圖

1.3 緩釋肥料微結(jié)構(gòu)測定

緩釋肥料結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡觀察，分析自制緩釋肥料表面結(jié)構(gòu)特征，將自制緩釋肥料樣品進(jìn)行表面噴金處理后，每個(gè)處理緩釋肥料在500 倍、5 000 倍下依次掃描。掃描過程中要保證樣品穩(wěn)定，確保掃描成像清晰，掃描觀察后保存圖像。

1.4 緩釋肥料養(yǎng)分釋放特征

1.4.1 靜水處理試驗(yàn)方法

稱取不同處理肥料各10 g，裝入350 mL 塑料瓶中，加入100 mL 蒸餾水, 置于（25.0 ± 0.5） ℃的恒溫箱內(nèi)。

培養(yǎng)開始后，在培養(yǎng)1、6、12、24、48、96 h時(shí)取樣，取出培養(yǎng)液并利用真空抽濾機(jī)抽濾，把殘留在濾紙上的樣品用蒸餾水沖洗回塑料瓶，再重新用蒸餾水定容至100 mL。

采用“凱式定氮法”[15]測定全氮含量。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.4.2 土柱淋溶法

淋溶法[16]是用水淋溶裝進(jìn)淋溶柱的緩釋肥料，測定淋洗液中養(yǎng)分含量的方法。該方法可以減少濃度對(duì)養(yǎng)分?jǐn)U散的影響，考慮了不同介質(zhì)因素和土壤吸收、緩沖等影響，較接近土壤真實(shí)狀況。本文參照李曼[10]的試驗(yàn)方法，略作修改。本試驗(yàn)每個(gè)處理重復(fù)3次，培養(yǎng)時(shí)長205 h，一共取樣7次。

自制淋溶柱如圖2 所示：直徑30 mm，高120 mm，紗布孔徑1.2 mm。

圖2 淋溶裝置示意圖

裝柱：按圖2所示做好淋溶柱。取潔凈紗布重復(fù)折疊4 次，固定于淋溶柱的底部。將80 目過篩的粗沙裝入柱內(nèi)約60 mm 處，稱取膨化緩釋肥料5.0 g（精確到0.000 1 g）投于沙子上方，再以40目過篩的細(xì)沙覆蓋于上方。為防止淋溶時(shí)的沖淋作用，最后于表層再放置大顆粒粗沙起緩沖作用。

淋溶：首次淋溶時(shí)，取30 mL蒸餾水分別淋溶每個(gè)淋溶柱，將淋溶液收集到消煮管，待柱下不再有液體流出后停止收集，及時(shí)密封保存。此后每次取20 mL蒸餾水淋溶1次，通過試驗(yàn)測定，待各組養(yǎng)分有絕大部分淋溶出時(shí)即可結(jié)束淋溶。于淋溶開始后12、46、70、133、157、181、205 h時(shí)取樣。

測定：采用凱氏定氮法測定淋溶液含氮量。

1.5 玉米盆栽應(yīng)用緩釋肥料研究

玉米盆栽試驗(yàn)一共設(shè)置8 個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，分別設(shè)置不施肥組（CK）、施普通尿素組（7號(hào)）和施自制緩釋肥料組（1～6號(hào)處理）。試驗(yàn)開始前先育苗，待玉米苗長出2～3 葉時(shí)，選出長勢一致的玉米苗移植至塑料花盆中，盆栽裝土至花盆的3/4，施肥量為每盆20 g 肥料混勻，倒入900 mL 水使土壤全部浸濕，其上加0.50 kg 土壤，最后澆水100 mL濕潤表面土壤。每3 d澆水500 mL。每周進(jìn)行1次大淋，即每盆澆水1 000 mL。在施肥前觀察玉米苗情況，測量并記錄玉米苗的株高和莖粗。種植期間按時(shí)觀察玉米苗生長情況，及時(shí)澆水，保證其正常生長，一段時(shí)間后再次測量并記錄玉米苗的株高和莖粗。

株高測定：使用卷尺測定莖基至植株頂端最高處的長度。

莖粗測定：使用游標(biāo)卡尺測定莖基最粗處的直徑。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Excel 2012繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩釋肥料的結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)利用掃描電鏡對(duì)緩釋肥料進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察，圖3 為2 號(hào)樣品在掃描電鏡下，放大500 倍和5 000 倍所得照片。通過觀察發(fā)現(xiàn)，鐵觀音茶梗與尿素混合物在單螺桿擠壓膨化機(jī)的擠壓膨化作用下，所制緩釋肥料表面整體結(jié)構(gòu)疏松，多處存在細(xì)孔，而內(nèi)部細(xì)孔則有利于養(yǎng)分緩慢釋放。

圖3 緩釋肥料掃描電鏡放大500倍（左）與放大5 000倍下的三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 不同緩釋肥料的養(yǎng)分釋放特征

2.2.1 不同緩釋肥料樣品的含氮量分析

采用凱氏定氮法測定不同處理樣品的含氮量。樣品含氮量從高到低依次為：7號(hào)>1號(hào)>2號(hào)>3 號(hào)>4 號(hào)>5號(hào)>6號(hào)，具體分別為41.99%、32.02%、28.37%、25.17%、20.23%、17.88%、2.05%（圖4）。說明各樣品都具有一定的含氮量，隨著樣品中尿素比例的降低，其含氮量呈明顯下降趨勢。

圖4 不同處理肥料含氮量

根據(jù)尿素含氮量測定值和各處理尿素和茶梗配比推算1～5 號(hào)自制緩釋肥料樣品全氮含量的理論值分別為34.00%、30.01%、26.01%、22.02%、18.03%。而自制緩釋肥料樣品的全氮含量測定值略低于理論值，是由于肥料制備過程中，粉碎的茶梗與尿素混合進(jìn)行擠壓膨化過程中，設(shè)備產(chǎn)生的高溫可能導(dǎo)致尿素微量揮發(fā)，使得自制緩釋肥料樣品含氮量低于理論含氮量。

2.2.2 不同處理肥料的靜水處理法養(yǎng)分釋放特征

通過靜水處理試驗(yàn)，不同處理養(yǎng)分釋放量從高到低依次為7 號(hào)>1 號(hào)>2 號(hào)>3 號(hào)>4 號(hào)>5 號(hào)>6 號(hào)，分別為：41.58%、31.76%、27.49%、24.32%、19.57%、17.58%、1.94%（表2）。

表2 靜水試驗(yàn)中不同處理養(yǎng)分累積釋放量隨時(shí)間變化情況%

由表2 可知，純尿素樣品在靜水中培養(yǎng)1 h 后養(yǎng)分基本全部溶解，養(yǎng)分釋放率達(dá)100%。1號(hào)、2號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)自制緩釋肥料樣品在1 h 時(shí)養(yǎng)分釋放率分別為77.68%、78.10%、77.34%、78.08%、80.89%；各樣品在前6 h，釋放速度較快，之后趨于平緩，且茶梗比例越低，樣品養(yǎng)分釋放速度越快；在24 h 時(shí)檢測仍有少量養(yǎng)分釋放，養(yǎng)分累積釋放量分別為31.76%、27.49%、24.32%、19.57%、17.58%。相較于純尿素，緩釋肥料的養(yǎng)分釋放速率相對(duì)較慢，能滿足農(nóng)作物在一定時(shí)間內(nèi)均有養(yǎng)分吸收的需求。自制緩釋肥料養(yǎng)分釋控效果優(yōu)于普通尿素。

2.2.3 不同處理肥料的土柱淋溶法養(yǎng)分釋放特征

為模擬土壤中養(yǎng)分的釋放動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，通過土柱淋溶試驗(yàn)測得各處理養(yǎng)分溶出量。由表3 可見，經(jīng)過205 h淋溶后，不同處理養(yǎng)分釋放量從高到低依次為：7號(hào)>1號(hào)>2號(hào)>3號(hào)>4號(hào)>5號(hào)>6號(hào)，分別為26.99%、19.83%、19.12%、16.86%、15.37%、12.88%、0.72%，并且7 號(hào)處理（純尿素）在經(jīng)過46 h 淋溶后養(yǎng)分基本釋放完全，而1 號(hào)、2 號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)自制緩釋肥料樣品在淋溶46 h 后，仍有小幅度緩慢釋放并漸趨平穩(wěn)?？梢姴韫＞忈尫柿吓c普通尿素相比，可有效緩解作物生長前期營養(yǎng)過剩。

表3 土柱淋溶試驗(yàn)中不同處理養(yǎng)分累積釋放量隨時(shí)間變化情況%

2.3 不同處理對(duì)玉米苗生長的影響

觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過施肥處理后，玉米苗一直保持正常生長。同時(shí)，不同處理玉米苗長勢開始出現(xiàn)明顯差異。不同處理玉米苗的株高與莖粗測量結(jié)果如表4所示，施肥處理的玉米苗莖粗全部大于CK；7 號(hào)處理（純尿素）玉米苗莖粗最大，達(dá)到5.00 cm，說明尿素有利于玉米苗莖部生長；3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)處理玉米苗株高大于CK，其中3號(hào)處理的玉米苗長勢較好，株高最高，并顯著高于除4號(hào)以外的其他處理，說明自制緩釋肥料有利于玉米苗的生長發(fā)展；而含氮量較高的1 號(hào)、2號(hào)、7 號(hào)處理玉米苗株高小于CK，說明初始尿素施用過多反而不利于玉米苗的生長。綜上，茶梗與尿素配比為4∶6 時(shí)制備而成的緩釋尿素最適用于玉米苗的培養(yǎng)。

表4 不同施肥處理對(duì)玉米苗生長的影響cm

3 小結(jié)與討論

本試驗(yàn)研究主要分為3部分，一是通過電鏡掃描和冷水浸泡，對(duì)自制緩釋肥料的三維結(jié)構(gòu)和溶解率進(jìn)行分析；二是采用靜水培養(yǎng)對(duì)自制緩釋肥料進(jìn)行養(yǎng)分釋放特征研究，試驗(yàn)以普通尿素作為對(duì)照，分析了普通尿素與自制緩釋肥料養(yǎng)分釋放特征的不同；三是采用盆栽試驗(yàn)對(duì)緩釋肥料的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行考察，試驗(yàn)設(shè)置不施肥組和施用普通尿素組作為對(duì)照，從玉米苗期的株高、莖粗分析了自制緩釋肥料的實(shí)際應(yīng)用效果，得出以下結(jié)論。

與普通尿素相比，茶梗基緩釋肥料，具有良好的養(yǎng)分釋控效果，且隨著包膜茶梗材料比例的提高，自制緩釋肥料中的氮素釋放速率減慢，對(duì)提高肥料緩釋效果有很好的作用。在本次玉米盆栽試驗(yàn)中，施用3 號(hào)緩釋肥料的玉米苗長勢最好，說明自制緩釋肥料適用于生產(chǎn)應(yīng)用的最佳配比為：茶梗40%、尿素60%。本課題的開展可為茶梗資源的綜合利用提供新的途徑，也可以為基于茶梗的生物可降解緩釋肥料的制備工藝和實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論參考，以期實(shí)現(xiàn)茶廢棄資源的綠色應(yīng)用，為“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。