不同粘結(jié)劑用量下肥料棒抗壓性能及養(yǎng)分淋溶特性

蔡雋 茶正早 林清火 華元?jiǎng)? 劉海林 楊凱 戚春林

摘? 要? 為研究粘結(jié)劑用量對(duì)液壓機(jī)械擠壓成型的肥料棒抗壓性能及養(yǎng)分淋溶特性。通過室內(nèi)土柱淋溶法，分析了粘結(jié)劑用量分別為0%、2%、4%、6%肥料棒抗壓性能及同養(yǎng)分配比普通肥料的養(yǎng)分淋溶特征。結(jié)果表明：肥料棒的正、側(cè)壓抗壓強(qiáng)度隨粘結(jié)劑用量的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì);另一方面肥料棒能顯著降低肥料中氮、鉀素的淋出率，隨著粘結(jié)劑用量0%、2%、4%、6%的增加，肥料棒中氮素總累積淋出率較普通肥料分別減少了6.21%、10.52%、15.83%、22.15%，鉀素總累積淋出率分別減少了26.69%、50.70%、55.50%、61.79%。說明添加粘結(jié)劑能增加肥料棒抗壓性能及具有養(yǎng)分緩釋效果，延長(zhǎng)肥料養(yǎng)分釋放周期，為今后熱帶地區(qū)果樹林木專用緩釋肥的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞? 肥料棒;粘結(jié)劑;淋溶特性;抗壓性能中圖分類號(hào)? S143? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A

Abstract? To study the binder content on the compressive performance of fertilizers and the nutrients leaching characteristics， the contents of different binder were used 0%， 2%， 4%， and 6%， respectively. The nutrient leaching characteristics of fertilizers with binder and common fertilizer with the same ratio of nutrients were measured by the method of soil column leaching test under room condition. And the compressive performance of the manure bars was also measured by a universal testing machine. The results showed that the positive and lateral compressive strength of fertilizer rods could be promoted with higher binder contents. Meanwhile， the nitrogen and potassium leaching rates could be reduced using the fertilizer rods. The total nitrogen leaching rates of fertilizer rods with contents of 0%， 2%， 4%， and 6% binders decreased by 6.21%， 10.52%， 15.83%， and 22.15%， respectively， and the total potassium leaching rates of fertilizer rods with contents of 0%， 2%， 4%， and 6% binders also decreased 26.69%， 50.70%， 55.50%， and 61.79%， respectively. It showed that the the compressive performance of fertilizer rods could be improved using binder， and the fertilizer rods with binder addition had the effect on delaying the release of nutrients in soil， and extended fertilizer nutrient release cycle. It would provide a theoretical basis for the related research on the special slow-release fertilizer for fruit trees in the tropical region.

Keywords? fertilizer rods; binder; eaching characteristics; compression resistance

DOI? 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.04.007

我國(guó)化肥使用量大，但肥料利用率較低，約為15%～35%[1]，導(dǎo)致近年來土壤及水體污染嚴(yán)重。其中氮損失最為嚴(yán)重，一方面是因?yàn)楫?dāng)季利用率僅為33.3%，低于發(fā)達(dá)國(guó)家10%～15%，另一方面是施肥方式多以基肥加多次追肥進(jìn)行，較為復(fù)雜[2]。隨著高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保的農(nóng)業(yè)發(fā)展理念逐漸深入人心，結(jié)合我國(guó)肥料產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展重點(diǎn)[3]，研制低成本、綠色環(huán)保型肥料，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)的重大研究方向[4]，緩釋肥成為21世紀(jì)的重點(diǎn)研究對(duì)象。緩釋肥的研究應(yīng)用在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家早已進(jìn)行幾十年，1957年，美國(guó)首先研究硫包尿素并進(jìn)行試驗(yàn)[5]，在當(dāng)今仍是主導(dǎo)產(chǎn)品，且美國(guó)是世界上緩釋肥料用量最大的國(guó)家，約占全世界總用量的70%，這其中約90%用于高爾夫球場(chǎng)、景觀園藝和草坪等，僅有10%應(yīng)用于瓜果等農(nóng)作物上。而我國(guó)緩釋肥料研究起步較晚，始于20世紀(jì)70年代，1974年，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所李慶逵等[6]用造粒機(jī)研制出長(zhǎng)效碳銨包膜肥并應(yīng)用于水稻（Oryza sativa）生產(chǎn)上。1985年，許秀成等人首次制得“肥包肥”的復(fù)合肥料[7]并獲得中國(guó)首批專利，隨后中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所、天津大學(xué)和吉林大學(xué)等相繼研究出新的緩釋肥料[8]。但我國(guó)的緩釋肥研究應(yīng)用主要集中在生長(zhǎng)周期較短的植物或糧食作物等[9-12]，在果樹林木、多年生作物等植物的大田應(yīng)用較少。實(shí)際上，緩釋肥更適合應(yīng)用于果樹林木，其施入土壤后在植物附近形成一個(gè)較大的養(yǎng)分區(qū)域，移動(dòng)較慢，不會(huì)因濃度過高而傷害作物和土壤微生物[13]，不僅能滿足林木需肥量大的特點(diǎn)，也有著便于操作、節(jié)約勞動(dòng)力、減少資源浪費(fèi)等優(yōu)勢(shì)[14]，和普通肥料相比，肥效較長(zhǎng)，揮發(fā)現(xiàn)象少[15]。

目前，我國(guó)的緩釋肥主要分為包膜型緩釋肥料、合成型微溶態(tài)緩釋肥料、化學(xué)抑制型緩效肥料、基質(zhì)復(fù)合與膠粘型緩釋控釋肥料[16]。本研究的肥料棒屬于第四類型，將含有氮、磷、鉀養(yǎng)分的普通化肥與可降低其溶解性的粘結(jié)劑均勻混合， 通過鍵合、膠結(jié)等作用，制成養(yǎng)分緩慢釋放的肥料。由于粘結(jié)劑的粘結(jié)機(jī)理使肥料棒起到一定的養(yǎng)分緩釋效果。本研究在肥料棒中添加不同用量的粘結(jié)劑，通過肥料棒液壓成型機(jī)制備肥料棒，并將同等養(yǎng)分比的普通肥料作為對(duì)照，進(jìn)行土柱淋溶試驗(yàn)[17]。研究肥料棒在不同用量的粘結(jié)劑作用下對(duì)其抗壓性能和氮、鉀素緩釋性能的影響，最終選擇出較優(yōu)的材料配比，為熱帶地區(qū)的緩釋肥研制提供更多理論基礎(chǔ)，也便于今后在林木上的應(yīng)用和推廣。

1? 材料與方法

1.1? 材料

1.1.1? 肥料棒的制備? 將成品肥料的尿素（海南富島復(fù)合肥有限公司生產(chǎn)）、磷酸一銨（河北萌幫水溶肥料股份有限公司生產(chǎn)）、氯化鉀（中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料集團(tuán)公司生產(chǎn)）、硫酸銨（中國(guó)石油化工股份有限公司巴陵分公司生產(chǎn)）、填充料（廣州帝成貿(mào)易有限公司生產(chǎn)）粉碎過篩，計(jì)量后加入混合機(jī)混勻，分別加入不同量的粘結(jié)劑（任丘市科維化工有限公司生產(chǎn)）、利用肥料成型機(jī)在100 t壓力下擠壓成直徑6 cm、高4 cm的肥料棒（總養(yǎng)分用量30%，養(yǎng)分比均為16∶6∶8），單個(gè)肥料棒重量為200 g。

其中，粘結(jié)劑用量為粘結(jié)劑質(zhì)量占肥料棒總質(zhì)量的百分比，不同處理的粘結(jié)劑用量見表1。對(duì)照普通肥料處理F（等養(yǎng)分用量）由尿素、磷酸一銨、氯化鉀、硫酸銨摻混而成。

1.1.2? 供試土壤? 供試土壤采自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)五隊(duì)試驗(yàn)基地，為片麻花崗巖發(fā)育的磚紅壤。采集表層0～20 cm的土壤，自然風(fēng)干后，過5 mm網(wǎng)篩備用。土壤pH為4.86，有機(jī)質(zhì)含量為13.6 g/kg，全氮含量為0.68 g/kg，速效磷含量為5.09 mg/kg，速效鉀含量為34.27 mg/kg。

1.2? 方法

1.2.1? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)? 本研究采用室內(nèi)土柱淋溶法，試驗(yàn)時(shí)間于2017年12月—2018年2月在中國(guó)熱科院橡膠研究所五隊(duì)基地進(jìn)行，室內(nèi)溫度15～ 20 ℃。共計(jì)5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)選擇55 cm高，內(nèi)直徑16 cm的PVC淋溶管，管底包一層200目的脫脂紗布，用打孔的PVC板密封，首先均勻加入300 g洗凈石英砂（過3 mm網(wǎng)篩），風(fēng)干的供試土壤6 kg （高約25 cm，過5 mm網(wǎng)篩），壓實(shí);然后在管中央放置不同處理的供試肥料棒200 g，最后加入供試土壤2 kg（高約10 cm）及300 g洗凈石英砂（過3 mm網(wǎng)篩），以同樣緊密度壓實(shí)，來防止試驗(yàn)淋溶過程中水對(duì)供試土壤的干擾。同時(shí)每個(gè)淋溶管下固定安裝直徑為20 cm寬的塑料漏斗，并用直徑6 cm的透明小漏斗和體積為5 L的塑料桶承接淋溶液。試驗(yàn)前期，每個(gè)土柱先加水至飽和狀態(tài)后靜置24 h，再加水1 L，當(dāng)不再有水淋出時(shí)收集淋溶液并記錄體積（L），以第一次收集時(shí)間計(jì)時(shí)，每次收集前一天加水1 L，共計(jì)10次（間歇式淋溶）。

1.2.2? 抗壓性能測(cè)定方法? 每個(gè)處理選擇6個(gè)肥料棒，分別直立于壓力測(cè)試機(jī)的測(cè)試平臺(tái)上，通過萬能測(cè)試機(jī)壓縮程序控制移動(dòng)橫梁，移動(dòng)速度設(shè)置為2 mm/min，測(cè)定肥料棒的正抗壓強(qiáng)度;再將肥料棒側(cè)放與測(cè)試平臺(tái)上測(cè)定肥料棒的側(cè)抗壓強(qiáng)度。

1.2.3? 測(cè)定指標(biāo)與方法? 土壤pH用pH計(jì)測(cè)定，有機(jī)質(zhì)用重酪酸鉀容量法測(cè)定，全氮和速效磷及肥料棒淋溶液中的氮素均用AA3流動(dòng)分析儀（德國(guó)布朗盧比廠家生產(chǎn)，四通道）測(cè)定[18]，土壤中的速效鉀及淋溶液中的鉀素均用F-410型火焰光度計(jì)（英國(guó)SherWood廠家生產(chǎn)）測(cè)定[19]。

1.3? 數(shù)據(jù)處理

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)V7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入與整理、Duncan檢驗(yàn)，利用Microsoft Office Excel 2007軟件作圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 粘結(jié)劑用量對(duì)肥料棒的抗壓強(qiáng)度的影響

不同肥料棒處理的抗壓性能見圖1。各處理肥料棒的抗壓強(qiáng)度均隨著粘結(jié)劑用量的增加而增加。當(dāng)粘結(jié)劑用量由0%增加至6%時(shí)，肥料棒F2、F3、F4處理的正壓抗壓強(qiáng)度較不添加粘結(jié)劑用量的F1處理分別增加了2648.58 N、4404.50 N、4525.75 N。由各處理側(cè)壓抗壓強(qiáng)度可知，F(xiàn)1、F2、F3、F4處理分別為1156.25 N、1987.75 N、2686.50 N、2846.33 N，F(xiàn)2、F3、F4處理分別較F1處理增加了831.5 N、1530.25 N、1690.08 N。肥料棒F1、F2、F3處理間的正、側(cè)壓抗壓強(qiáng)度均差異顯著，但F3、F4處理間差異不顯著。

2.2? 粘結(jié)劑用量對(duì)肥料棒氮素淋出特性的影響

圖2為不同粘結(jié)劑用量肥料棒的氮素累積淋出率曲線圖。由圖2可知，肥料棒F2、F3、F4處理的氮素累積淋出曲線呈S型，肥料棒F1和對(duì)照處理F的氮素累積淋出曲線為拋物線型。從第1天開始，對(duì)照處理F的氮素淋出率達(dá)34.40%，并成拋物線型逐漸增大;至第7次淋溶后，累積淋出率曲線呈平緩直線，氮素淋出量逐漸減小，淋溶結(jié)束時(shí)，氮素累積淋出率為92.71%。不加粘結(jié)劑用量的肥料棒處理F1前3次氮素淋出速率逐漸增大，直到第6次淋溶后，曲線逐漸平緩，最終氮素總累積淋出率為86.50%。添加粘結(jié)劑用量的肥料棒F2、F3、F4處理其氮素累積淋出率曲線均相似，首次淋出率幾乎為零，前3次淋溶，氮素累積淋出量較小，隨后曲線逐漸上升至第9次淋溶后較為平緩，至第10次淋溶結(jié)束時(shí)，氮素累積淋出率分別為82.19%、76.88%、70.56%。肥料棒處理F1、F2、F3和F4較普通肥料處理F最終氮素累積淋出率分別減少了6.21%、10.52%、15.83%和22.15%，氮素累積淋出率表現(xiàn)為F>F1> F2>F3>F4，肥料棒處理間差異不顯著，處理F2、F3、F4與對(duì)照處理F差異均顯著。

進(jìn)一步分析肥料的單次累積淋出率可得，肥料棒F1、F2、F3、F4處理和對(duì)照處理F的首次淋出率分別是3.34%、0.93%、0.09%、0.02%和34.40%，對(duì)照處理F首次淋出氮素較多，肥料棒F1、F2、F3、F4較對(duì)照處理F分別減少了31.06%、33.47%、34.31%、34.38%，各肥料棒處理與對(duì)照處理F差異均顯著，肥料棒處理間差異不顯著;第3次淋溶時(shí)，肥料棒F1、F2、F3、F4和對(duì)照處理F的氮素累積淋出率分別為36.53%、5.10%、4.12%、3.12%和80.61%，添加粘結(jié)劑用量的肥料棒處理間差異不顯著，其余處理間差異顯著;第10次淋溶結(jié)束時(shí)，各個(gè)處理間差異均不顯著。

2.3? 粘結(jié)劑用量對(duì)肥料棒鉀素淋出特性的影響

不同粘結(jié)劑用量肥料棒的鉀素累積淋出率見圖3。由圖3可知，肥料棒處理F1、F2、F3、F4的鉀素累積淋出率均小于對(duì)照處理F的鉀素淋出率，且肥料棒與對(duì)照F之間均差異顯著。其中，不添加粘結(jié)劑用量的肥料棒處理F1和對(duì)照處理F的鉀素累積淋出率曲線均成拋物線型，其首次鉀素淋出率分別為2.59%和28.86%，前5次淋出率逐漸增加，當(dāng)?shù)?次淋溶后成平緩曲線，鉀素淋出量逐漸減少，最終鉀素累積淋出率為60.21%。添加粘結(jié)劑用量的肥料棒F2、F3、F4處理下的鉀素累積淋出曲線相似，呈逐漸上升至平緩趨勢(shì)，其鉀素累積淋出率在前5次淋溶時(shí)呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，第6次淋溶后，淋出量增多，開始顯著增長(zhǎng)，至第9次淋溶后，再次呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，最終氮素累積淋出率分別為36.20%、31.41%、25.12%。鉀素累積淋出率表現(xiàn)為F>F1> F2>F3>F4。

進(jìn)一步分析肥料的單次累積淋出率可得，肥料棒處理F1、F2、F3、F4首次鉀素淋出率分別為2.59%、2.02%、0.19%、0.16%，對(duì)照處理F首次鉀素淋出率為28.86%，肥料棒較對(duì)照處理F分別減小了26.27%、26.84%、28.68%、28.70%，首次淋出率中肥料棒與對(duì)照處理F間均差異顯著。第3次淋溶時(shí)，不加粘結(jié)劑用量的肥料棒處理F1的鉀素淋出量為25.86%，肥料棒F2、F3、F4處理的鉀素累積淋出率分別為5.81%、1.51%、1.02%。當(dāng)?shù)?0次淋溶時(shí)，肥料棒處理F1、F2、F3、F4鉀素累積淋出率較對(duì)照處理F分別減少了26.69%、50.70%、55.50%、61.79%。

3? 討論

由于海南熱帶季風(fēng)氣候的特點(diǎn)，年平均氣溫23.0～24.5 ℃，雨水充足，導(dǎo)致化肥在土壤中的損失尤為突出。其中氮肥的不合理施用更容易導(dǎo)致土壤氮流失，不僅是一種經(jīng)濟(jì)損失，也造成了地表水體富營(yíng)養(yǎng)化[20]等一系列環(huán)境污染問題，同時(shí)也降低了氮肥利用率，減少了植物的實(shí)際需求量;另一方面，南方土壤母質(zhì)特性導(dǎo)致鉀素普遍很低，鉀素和植物生長(zhǎng)、光合有著密不可分的關(guān)系，尤其在梅雨和臺(tái)風(fēng)季節(jié)易造成鉀素流失。因此為了提高熱帶地區(qū)的肥料利用率，適應(yīng)更多果樹林木及多年生的作物等，本研究為今后熱帶地區(qū)緩釋肥的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

根據(jù)國(guó)家復(fù)混肥標(biāo)準(zhǔn)GB18877-2002規(guī)定[21]，復(fù)混肥最低的顆粒平均抗壓碎力按低、中、高濃度等級(jí)分別需≥6 N、≥10 N、≥12 N，但大顆粒肥料棒的抗壓碎力暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)實(shí)踐上，肥料棒抗壓能力越強(qiáng)，表明在其運(yùn)輸搬運(yùn)過程中越能減少不必要的損失。本研究發(fā)現(xiàn)，添加粘結(jié)劑的肥料棒正面和側(cè)面抗壓能力均呈上升趨勢(shì)，可能是因?yàn)檎辰Y(jié)劑能增加顆粒粉末之間的粘合性，使顆粒間緊實(shí)，增加了肥料棒的硬度，從此提高了一定的抗壓能力。肥料棒的正、側(cè)壓抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為粘結(jié)劑用量的6%>4%>2%>0%，添加粘結(jié)劑用量為4%和6%的肥料棒抗壓強(qiáng)度差異不顯著，但較粘結(jié)劑用量為0%、2%的肥料棒處理差異顯著。由劉桃[22]、李彥明[23]等的研究表明：粘結(jié)劑用量增多時(shí)，成粒率呈先上升再到逐漸平緩趨勢(shì)，平均粒徑呈先升高再降低的下降趨勢(shì)。故此推斷，在粘結(jié)劑用量由4%增加到6%時(shí)，成粒率可能趨于最大狀態(tài)，導(dǎo)致抗壓能力接近飽和，肥料棒處理F4較F3的抗壓性能有所增加但差異不顯著，由此得出肥料棒的粘結(jié)劑用量為6%時(shí)正、側(cè)壓的抗壓性能表現(xiàn)較好。氮、鉀素的養(yǎng)分釋放曲線表明，添加粘結(jié)劑用量分別為0%、2%、4%和6%的肥料棒較普通肥料表現(xiàn)出較好的緩釋效果，其緩釋特性表現(xiàn)為肥料棒中粘結(jié)劑用量的6%>4%>2%>0%，表明肥料棒的養(yǎng)分釋放周期較長(zhǎng)于普通肥料，隨著粘結(jié)劑用量的增加，表現(xiàn)更好的緩釋效果。在粘結(jié)劑用量為6%時(shí)，緩釋性能表現(xiàn)最好。這與蔣恩臣等[24]、吳慶偉[25]研究結(jié)果相似，肥料棒能顯著延長(zhǎng)養(yǎng)分釋放周期，降低肥料養(yǎng)分的損失，且會(huì)隨粘結(jié)劑用量的增加表現(xiàn)出較好的淋溶效果。本研究只設(shè)置了4種粘結(jié)劑用量梯度，具體肥料棒的抗壓性能和養(yǎng)分釋放效果是否會(huì)隨粘結(jié)劑用量的增加表現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，有待進(jìn)一步研究。

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