炭肥比和膨潤土粘結劑對炭基肥顆粒理化及緩釋特性的影響

牛智有，劉 鳴，牛文娟，邵愷懌，耿 婕，唐 震，黃金芝，周凱強

·農業生物環境與能源工程·

炭肥比和膨潤土粘結劑對炭基肥顆粒理化及緩釋特性的影響

牛智有1,2，劉 鳴1，牛文娟1,2，邵愷懌1，耿 婕1，唐 震1，黃金芝1，周凱強1

（1.華中農業大學工學院，武漢 430070；2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

為探究炭肥比和膨潤土粘結劑對生物炭基肥理化及緩釋特性的影響，以生物炭為基底，分別制備了炭肥比1:4，膨潤土粘結劑質量分數為20%、15%、10%、5%和粘結劑質量分數10%，炭肥比為1:6、1:5、1:4、1:3的柱狀尿素和氯化鉀生物炭基肥顆粒，分析了生物炭基肥顆粒的理化及緩釋特性。結果表明，在炭肥比為1:4條件下，膨潤土粘結劑質量分數越高，生物炭基肥微觀結構越緊密，力學和緩釋特性越好，質量分數為20%時，氯化鉀和尿素生物炭基肥平均抗壓強度分別為286.78和281.27 N，前3天養分淋出率分別為45.53%和36.87%。在膨潤土粘結劑質量分數為10%條件下，炭肥比越高，生物炭基肥緩釋性能越好，炭肥比為1:3時，氯化鉀和尿素生物炭基肥前3天養分淋出率分別為42.06%和40.32%。同時，氯化鉀生物炭基肥表面孔隙先增后減，炭肥比為1:6和1:3的平均抗壓強度分別為271.25和282.42 N。尿素生物炭基肥內部結構中孔隙變多，炭肥比為1:6時，平均抗壓強度為最大值267.84 N。綜合考慮，滿足中等肥料濃度要求時，膨潤土粘結劑質量分數為20%、炭肥比為1:4或膨潤土粘結劑質量分數為10%、炭肥比為1:3的生物炭基肥成型配方較優。

尿素；氯化鉀；生物炭基肥；理化特性；緩釋特性

0 引 言

近年來，中國化肥施用總量逐年上升，長期施用化肥會加速土壤酸化，且傳統速溶性肥料施用后營養元素流失嚴重，易造成環境污染[1-2]。玉米秸稈生物炭呈堿性，具有穩定的碳架結構、發達的孔隙結構和較大的比表面積，可作為土壤的改良劑和碳匯劑，可改變土壤的物理性狀和結構[3-6]。將生物炭與速效肥料以及粘結劑按照一定配比混合可以制成長效緩釋肥料，在土壤中施加生物炭基肥料，可以使土壤pH值向中性靠近，適合作物生長，降低土壤的容重從而改善土壤通氣透水性能，同時提高農作物產量[7-10]。

現代粉體造粒技術能將粉體組合成粒，充分利用微粉化、功能化、復合化、精細化及粒子設計等技術使成品顆粒符合應用需要，解決粉狀肥料難以運輸、存儲與施用等問題[11-13]。以平模擠壓造粒為代表的模輥成型技術與傳統的圓盤造粒成型方式相比，具有成型原料含水率低、成品顆粒力學性能好、成型密度大、成型率高、生產率高等優點[14-18]。肥料顆粒的抗壓強度、表面基團、孔隙結構和緩釋效果等是評判生物炭基肥顆粒品質的重要指標。目前，學者們對生物炭基肥的理化特性和緩釋特性只進行了單一特性的研究，如試驗不同配方或成型方式，獲得最優方法，使肥料顆粒有較高抗壓強度和成型率[19-20]，但未對其緩釋性能進行驗證，無法反映其緩釋特性。或采用土柱淋溶、靜態釋放或掃描電子顯微鏡等試驗方法，研究不同配方及內部結構對肥顆粒緩釋性能影響[21-24]，并未同時對肥料顆粒的力學性能進行研究。因此，綜合研究生物炭基肥的理化特性及緩釋特性，獲得兩者兼優的造粒配方和成型方法具有重要意義。

為了使生物炭基肥具有較好的理化特性和緩釋特性，在保證緩釋效果同時，更容易運輸、存儲與施用。本文參考GB/T 23348-2009 緩釋肥料標準要求[25]，以膨潤土為粘結劑，玉米秸稈生物炭為基底，運用平模擠壓成型原理，制備了尿素生物炭基肥及氯化鉀生物炭基肥。通過單因素試驗，研究在相同含水率情況下，不同膨潤土粘結劑含量及炭肥比對生物炭基肥顆粒的理化特性及緩釋特性的影響，從而獲得合適的粘結劑含量及炭肥比范圍，旨在為優化炭基肥原料配比奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

玉米秸稈生物炭粉（含水率為4.53%，灰分為31.23%，揮發分為26.78%，固定碳為37.46%）；鈉基膨潤土（pH值為8～8.5，粒度為0.08 mm，純度≥97%）；風干土壤，采自華中農業大學試驗田表層5～20 cm（全氮為0.23 mg/kg、速效鉀37.99 mg/kg、速效磷為2.23 mg/kg，土壤pH值為6.67）；水為去離子超純水；其余試劑均為分析純。

1.2 生物炭基肥顆粒制備

將尿素、氯化鉀肥先經粉碎機粉碎，然后將尿素、氯化鉀、生物炭和膨潤土粘結劑分別過0.38 mm標準篩網，置于45 ℃恒溫電熱鼓風干燥箱中烘制24 h。將尿素、氯化鉀、生物炭、膨潤土、去離子水分別按表1中方案混合均勻后，經平模擠壓成型裝置制成長度為6～10 mm、直徑為4 mm的柱狀生物炭基肥顆粒，由3.35 mm孔徑標準篩網篩除粉末及小顆粒后，于干燥箱中按尿素生物炭基肥45 ℃、氯化鉀肥105 ℃烘制6 h獲得成品顆粒。試驗所用原料和成型顆粒如圖1所示。

圖1 原料及肥料成品

表1 生物炭基肥的單因素試驗配方設計方案

1.3 生物炭基肥理化特性測定

1.3.1 生物炭基肥力學特性測定

于每組生物炭基肥中隨機抽取若干顆粒，制備長（6±0.05）mm兩端平整的樣本，并在鼓風干燥箱中烘干至恒質量。每次取1個生物炭基肥顆粒垂直立于質構儀（美國FTC公司，TMS-Pro型）測試平臺上，以壓縮速度10 mm/min，壓縮距離3 mm進行抗壓特性試驗，獲得樣品壓縮位移-受力曲線圖，以受力最大值為此顆粒抗壓強度（N），重復10次取平均值。

1.3.2 生物炭基肥傅里葉變換紅外光譜分析

按1:100質量比稱取生物炭基肥和干燥溴化鉀置于研缽，研磨均勻后取100 mg壓片，使用傅里葉變換紅外光譜分析儀（美國Thermo Fisher Scientific公司，Nicolet iS50 FT-IR型）在4 000～400 cm-1波數范圍內掃描，測定試樣的紅外光譜。

1.3.3 生物炭基肥電子顯微鏡掃描分析

每組生物炭基肥中隨機抽取5顆顆粒，表面噴金后使用掃描電子顯微鏡（荷蘭FEI公司，Nova NanoSEM 450型），對成型生物炭基肥外表面進行觀察，獲得掃描圖片。

1.4 生物炭基肥緩釋特性測定

1.4.1 生物炭基肥淋出液制備

土柱淋溶裝置如圖2所示，將550 mL同一形狀的礦泉水瓶去掉底蓋改制成淋溶管主體，瓶底直徑6.0 cm，瓶高22.0 cm，瓶口作為淋溶出口。用打孔器在每個瓶蓋上打3個均勻分布的小孔，在瓶口淋溶出口處加少量棉花并附上1層0.08 mm孔徑濾布。設置土柱高度 15 cm，壓實，均勻鋪滿 5 g（準確至0.1 g）成品顆粒，對照組為對應速效肥料5 g，再覆蓋5 cm厚度的土層。試驗第1天加入蒸餾水250 mL，之后每天緩慢加入加蒸餾水100 mL，下方用250 mL三角瓶收集淋出液，測量并記錄其體積，質量，試驗周期為10 d，室溫為25 ℃。由于供試土壤為風干土，土壤潤濕需要一定量的水分，所以第1天加入的水分較多，從流下第1滴淋出液起開始記時。將收集到的液體放入裝液瓶中編號、保存。

圖2 土柱淋溶裝置

1.4.2 生物炭基肥養分淋出率的測定

氯化鉀生物炭基肥淋出液中K+濃度用原子吸收分光光度計進行測量（蘇州島津儀器有限公司，AA-6 880型），尿素生物炭基肥料淋出液經過全自動消解萃取儀（美國CEM公司，CEM MARS 6型）消解稀釋后，用全自動化學分析儀（意大利AMS公司，SmartChem 200型）測量出其中總氮（total nitrogen，TN）的濃度，每個樣品做3次平行試驗。養分單次淋出質量為單次養分淋出濃度與淋出液體積的乘積，如式（1）所示：

式中m為養分單次淋出質量，g；為對應養分測量濃度，mg/L；為對應淋出液稀釋倍數；為對應淋出液體積，mL。

養分單次淋出率為淋出的養分質量占生物炭基肥中的百分比，如式（2）所示：

式中m為5 g該配比肥料中對應養分總質量，g。

1.4.3 生物炭基肥電導率及pH值測定

試驗前電導率儀和pH計校準，待生物炭基肥淋出液樣品溫度穩定至室溫后，測定溶液電導率和pH值。

1.5 統計方法

使用Origin9.1軟件作圖；采用Excel2010計算樣本平均值、標準偏差和相對標準偏差；利用SPSS23.0軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭基肥顆粒力學特性分析

不同粘結劑質量分數和炭肥比的生物炭基肥顆粒平均抗壓強度及相對標準偏差分別如表2所示。粘結劑質量分數和炭肥比對氯化鉀和尿素生物炭基肥的平均抗壓強度具有顯著性差異（<0.05）。隨粘結劑添加量的增加，氯化鉀生物炭基肥顆粒的平均抗壓強度由粘結劑添加量5%時的216.60 N上升至20%的286.78 N，且組內抗壓強度相對標準偏差隨粘結劑質量分數增大而減小。尿素生物炭基肥顆粒的平均抗壓強度由粘結劑添加量為5%時的222.71 N逐漸增加到20%時的281.27 N，組內抗壓強度相對標準偏差不大，力學穩定性較好。這是因為隨著粘結劑增多，粘結劑在顆粒內部分布更均勻, 造粒時經水潤濕作用后粘結作用使整體物料充分接觸, 顆粒間機械嚙合力和物理化學力增大，顆粒內部結合更加緊密[26]，從而使生物炭基肥顆粒平均抗壓強度逐漸增大。

表2 不同粘結劑質量分數和炭肥比的生物炭基肥顆粒平均抗壓強度及其相對標準偏差

注：結果表示為“平均值±標準偏差”，不同小寫字母表示抗壓強度的顯著性（<0.05）。

Note: Results are expressed as “mean ± standard deviation”. Different letters indicate significant compressive strength (<0.05).

隨炭肥比的增加，氯化鉀生物炭基肥的平均抗壓強度平均值整體呈先下降后上升趨勢，炭肥比為1:6和1:3時分別為271.25和282.42 N，但炭肥比為1:3時平均抗壓強度相對標準偏差最大，尿素生物炭基肥顆粒抗壓強度平均值減小，由炭肥比為1:6的267.84 N下降到1:3的248.56 N。這是因為氯化鉀顆粒質地較硬而尿素顆粒較軟，且兩者在水分作用下易潮解，表面溶解結晶產生結塊現象，在壓力作用下氯化鉀會形成含孔隙的結合體，尿素則變形貼合形成較密實的整體，同時生物炭沒有黏性[27]，生物炭質量分數增多，生物炭基肥顆粒內部氯化鉀或尿素顆粒間接觸面積減少，阻礙結晶結塊，使抗壓強度呈減小趨勢。但對于氯化鉀生物炭基肥，當生物炭達到一定量，成型時會填充結合體內部孔隙，可能使生物炭基肥顆粒平均抗壓強度提升。平模擠壓成型的生物炭基肥平均抗壓強度均超過了200 N，遠大于常用的圓盤造粒成型肥料強度[27-28]，均達抗壓強度大于10 N的市場要求。從力學性能上考慮，生物炭基肥顆粒在粘結劑質量分數20%、炭肥比1:4或粘結劑質量分數10%、炭肥比1:6時肥料顆粒強度更高，便于保存運輸。

2.2 生物炭基肥傅里葉變換紅外光譜分析

不同粘結劑質量分數和炭肥比的生物炭基肥紅外光譜（Fourier transform infrared spectrum，FTIR）如圖3所示。氯化鉀生物炭基肥紅外光譜幾個吸收峰位置主要存在于3 400、1 100和500 cm-1附近，在3 400 cm-1處的寬吸收峰可能是仲胺的-NH伸縮振動，也可能是醇的-OH伸縮振動。1 100 cm-1處的特征吸收峰可能是C-H和C-N同時伸縮振動。Si-O-Si的伸縮振動產生了500 cm-1處的吸收峰[29]，這是因為氯化鉀生物炭基肥中氯化鉀透光性高，紅外吸收峰主要由生物炭中官能團產生，生物質炭表面豐富的羥基、羧基和羰基等化學性官能團則賦予了生物質炭強大的吸附性能[7]。尿素生物炭基肥相比于氯化鉀生物炭基肥，在3 400、1 615、1 465和1 154 cm-1附近分別多了1個吸收峰，3 400 cm-1處的特征吸收雙峰可能是尿素中伯胺的-NH2伸縮振動雙峰與生物炭中-NH、-OH伸縮振動吸收峰重疊。1 615 cm?1處的吸收峰可能是由-NH2的彎曲振動引起的，1 465 cm-1處的吸收峰可能為N-C-N的剪切振動，1 154 cm-1處的吸收峰是由C-N的伸縮振動引起的[30]，這是因為尿素生物炭基肥中尿素含有新的官能團，產生了新的吸收峰。

2.3 生物炭基肥電子顯微鏡掃描分析

不同粘結劑質量分數和炭肥比的生物炭基肥的掃描電鏡如圖4所示。粘結劑質量分數為5%時，氯化鉀生物炭基肥和尿素生物炭基肥都有明顯的氯化鉀或尿素顆粒，其表面顆粒疏松粗糙，孔隙大且多、結構疏松。質量分數10%和15%時，生物炭基肥顆粒中的氯化鉀和尿素表面部分被膨潤土覆蓋，孔隙變小，數量減少，結構較緊密，質量分數20%時，表面已無明顯氯化鉀或尿素顆粒，生物炭基肥表面均勻平整，孔隙最少，微粒之間最緊密。這可能是因為肥料顆粒成型時，粘結劑在壓力作用下，其粘接作用使原料中各組分粘聚在一起，粘結劑質量分數越高，聚合效果越好，肥料顆粒內部孔隙越少，結構更緊密、均勻，不容易破裂，平均抗壓強度越高、相對標準偏差越小，也更有利于肥料的緩釋作用。

圖3 不同粘結劑質量分數和炭肥比生物炭基肥紅外光譜

圖4 不同粘結劑質量分數和炭肥比生物炭基肥的掃描電鏡

氯化鉀生物炭基肥炭肥比1:6時，生物炭基肥顆粒表面團聚成集團并互相接觸結合，形成一個整體。炭肥比1:5時也呈團聚結合狀，相比于1:6，其孔隙更深，結構更疏松。炭肥比1:4時，氯化鉀集團變小、數量減少，其余成分填充集團間孔隙，部分氯化鉀料顆粒鑲嵌在表面，使其表面粗糙。炭肥比1:3時，肥料顆粒表面孔隙最少，結構均勻，基本沒有團聚現象。這是因為原料中氯化鉀顆粒表面會在水分作用下潮解，當肥料顆粒成型烘干后，氯化鉀顆粒間會橋接重結晶，形成團聚集團，而生物炭顆粒填充其間，會降低氯化鉀顆粒間的接觸面積，阻礙其團聚，使集團變小或消失。尿素生物炭基肥炭肥比1:6時，肥料顆粒表面平整，基本沒有孔隙，結構均勻。1:4和1:3時生物炭基肥顆粒表面孔隙密布、粗糙。因為隨炭肥比增加，尿素生物炭基肥中尿素顆粒質量分數降低，使顆粒間接觸面積減小，橋接表面孔隙變多，結構變得疏松，其力學特性會大大降低。

2.4 生物炭基肥單因素養分淋溶試驗結果分析

不同粘結劑質量分數和炭肥比生物炭基肥養分淋出率圖5所示。前3天為生物炭基肥養分主要釋放期，除對照組外，各組均在第2天淋溶時出現養分釋放率最高峰，這是因為在淋溶前3天，水分逐漸浸入生物炭基肥顆粒內部，使其逐漸溶解破裂并大量釋放養分，而隨著破裂程度的增加和養分不斷釋放，養分釋放率在前3天較高且呈先增后減趨勢。氯化鉀生物炭基肥對照組前3天釋放了75.80%的鉀素，尿素生物炭基肥對照組前3天釋放了70.06%的氮素。粘結劑質量分數分別為5%、10%、15%、20%時，氯化鉀生物炭基肥中前3天鉀素釋放率分別為65.55%、54.11%、50.30%、45.53%（圖5a），尿素生物炭基肥前3天氮素釋放率分別為59.33%、42.02%、37.48%、36.87%（圖5b）。粘結劑質量分數越高，炭基顆粒緩釋效果越好，原因可能是粘結劑質量分數的增加使得生物炭基肥的結構更加緊密，養分元素的運動受到阻力限制，所以移動到顆粒表面所需時間越長，但過多粘結劑添加會使肥料和生物炭比例降低，也會使生物炭基肥的有效成分降低，應用時應該綜合考慮。炭肥比分別為1:6、1:5、1:4、1:3時，氯化鉀生物炭基肥中前3天鉀素釋放率分別為64.45%、60.85%、54.11%、42.06%（圖5c），尿素生物炭基肥對照組中前3天氮素釋放率分別為50.10%、49.09%、42.02%、40.32%（圖5d）。炭肥比越高，生物炭基肥顆粒緩釋效果越好，原因是生物炭中含有大量孔隙，比表面積巨大，官能團總類豐富，對肥料中的陰陽離子和分子有很強的吸附作用，生物炭質量分數越高肥料緩釋效果越好[31-33]。從緩釋性能上考慮，生物炭基肥顆粒在粘結劑質量分數20%和炭肥比1:3時緩釋效果更好，但同時由于粘結劑質量分數高或生物炭占比增高，會使肥料中營養成分含量降低，2種配方炭基肥理論總養分含量只能達到國家標準中的中等濃度要求。本文采用的平模擠壓成型法比圓盤造粒成型生產的肥料緩釋效果好，且加工藝簡單、原料易得、成本低、環境友好，是一種較為理想的生產方法[22,27,31]。

注：對照組為添加5 g氯化鉀或尿素分析純，下同。

2.5 生物炭基肥電導率及pH值分析

各組生物炭基肥淋出液電導率及pH值如圖6所示。隨著淋溶天數的增加，各配比氯化鉀生物炭基肥的第1、2天淋出液電導率均遠高于其他天數，第2天淋出液電導率均達到峰值，第4天淋溶后基本達到穩定，與圖5中鉀素淋出率趨勢相吻合。而pH值均為初期上升，第3天后基本達到穩定，原因是氯化鉀是強電解質，濃度越高電導率越大，但其為中性化合物，濃度對pH值幾乎沒有影響。整體而言，電導率可作為氯化鉀生物炭基肥鉀素淋出率趨勢參考，而pH值變化對氯化鉀生物炭基肥養分淋出率無參考意義。

各配比尿素生物炭基肥的第2天淋出液pH值均達到峰值，部分組第4天淋出液pH值出現小峰值，而電導率在第3、4天出現峰值，但均未超過0.8 mS/cm，因為尿素是有機物，對電導率幾乎沒有影響。施用尿素可明顯提高土壤pH值，同時促進脲酶活性，加速尿素水解，且在施肥前期脲酶活性逐漸提高[34]，所以第3、4天的淋出液尿素濃度雖沒第1、2天高，但脲酶活性高，水解產生的銨根離子提高了電導率和pH值。整體而言，尿素生物炭基肥鉀素淋出液的pH值變化趨勢與圖5中氮素釋放率趨勢相近，而電導率對其氮素釋放率趨勢無參考意義。

2.6 生物炭基肥生產經濟性評價

根據市場調研，氯化鉀肥價格為2 100～2 500元/t，尿素肥為1 800～2 000元/t，生物炭1 800～2 400元/t，鈉基膨潤土1 500～1 900元/t，取中間值作為原料價格，對力學特性及緩釋特性好的配方進行成型成本計算，即粘結劑質量分數20%、炭肥比1:4（配方1）；粘結劑含量10%、炭肥比1:3（配方2）；粘結劑含量10%、炭肥比1:6（配方3），分別生產1 t氯化鉀柱狀生物炭基肥和尿素生物炭基肥顆粒，其顆粒成型各項成本如表3所示。

圖6 各組生物炭基肥淋出液電導率及pH值

表3 顆粒成型各項成本

注：配方1為粘結劑質量分數20%、炭肥比1:4；配方2為粘結劑質量分數10%、炭肥比1:3；配方3為粘結劑質量分數10%、炭肥比1:6。

Note: Formulation 1 is 20% binder mass fraction and 1:4 biochar fertilizer ratio. Formulation 2 is 10% binder mass and 1:3 biochar fertilizer ratio. Formulation 3 is 10% binder mass fraction and 1:6 biochar fertilizer ratio.

由表3可知，基于3種配方，由于氯化鉀單價較高，1 t氯化鉀炭基肥的成型成本低于單一的農用氯化鉀肥，尿素價格較低，尿素炭基肥的成型成本高于單一的尿素肥，但價格差距不大。粘結劑質量分數為20%時，2種生物炭基肥的總成本最低，分別為2 081.66和1 913.14元/t，這是因為作為粘結劑的鈉基膨潤土價格較低，含量越高成本越低，但整體而言同種類生物炭基肥不同配方間成型成本相差不大，且均低于市場中炭基肥及緩釋肥價格。綜合炭基肥顆粒成型成本、力學特性及理化特性考慮，選用粘結劑質量分數20%、炭肥比1:4或粘結劑質量分數10%、炭肥比1:3的成型配方時，肥料生產成本低于市場價格、力學特性較優、緩釋性能最好。

3 結 論

炭肥比1:4條件下，膨潤土粘結劑質量分數增加，氯化鉀和尿素生物炭基肥顆粒的微觀表面孔隙減少，力學和緩釋性能提高。粘結劑質量分數20%時，2種生物炭基肥力學和緩釋性能最好，平均抗壓強度分別為最大值286.78、281.27 N，前3天營養元素淋出率分別為最小值45.53%、36.87%。膨潤土粘結劑質量分數10%條件下，炭肥比增加，生物炭基肥顆粒的緩釋性能提高，炭肥比1:3時，2種生物炭基肥緩釋性能最好，前3天營養元素淋出率分別42.06%和40.32%。氯化鉀生物炭基肥表面孔隙量先增后減，平均抗壓強度在1:6和1:3時分別為271.25、282.42 N，力學特性較好，尿素生物炭基肥表面孔隙量逐漸變多，1:6時平均抗壓強度為最大值267.84 N。

綜合理化特性和緩釋特性試驗結果，氯化鉀生物炭基肥淋出液的電導率及尿素生物炭基肥淋出液的pH值變化規律可作為各自養分淋出率趨勢參考。本文中氯化鉀生物炭基肥和尿素生物炭基肥顆粒的平均抗壓強度均高于200 N，均達到市場要求，且成本低于市場中炭基肥及緩釋肥價格。綜合炭基肥顆粒成型成本、力學特性及理化特性考慮，選用膨潤土粘結劑質量分數20%、炭肥比1:4或膨潤土粘結劑質量分數10%、炭肥比1:3的成型配方時，肥料成型成本較低，力學特性較優，緩釋特性最好，總養分量達到GB/T 23348-2009中的中濃度標準。

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Effects of biochar fertilizer ratio and bentonite binder on physicochemical properties and slow release properties of biochar fertilizer particles

Niu Zhiyou1,2, Liu Ming1, Niu Wenjuan1,2, Shao Kaiyi1, Geng Jie1, Tang Zhen1, Huang Jinzhi1, Zhou Kaiqiang1

(1.,430070,;2.-,,430070,)

The blend ratio of biochar and fast-release fertilizer (urea and potassium chloride, respectively) and the content of bentonite binder may influence the physicochemical and slow-release properties of biochar-based fertilizers particles. Experiments were carried out under 2 conditions: 1) biochar fertilizer ratio of 1:4, bentonite binder mass ratio of 5%, 10 %, 15% and 20%, and 2) bentonite binder mass ratio of 10%, biochar fertilizer ratio of 1:6, 1:5, 1:4 and 1:3. Based on corn straw biochar, cylindrical biochar based fertilizer particles with urea and potassium chloride were prepared by flat mold extrusion device. Their mechanical properties, surface functional groups, surface topography, soil column leaching properties, pH value and conductivity of biochar-based fertilizers were analyzed. The results showed that the average compressive strength of biochar-based particles urea and potassium chloride were higher than 200 N, greater than that prepared by pan granulation technique. The nutrient leaching rates in the first 3 days were lower than that of pure urea and potassium chloride. It meant that they had good mechanical properties and certain slow-release effect. The average compressive strength of biochar-based fertilizer particles of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer for the 4 different contents of bentonite were significantly different (<0.05). The high content of bentonite binder and the low biochar and fertilizer content would lead to closer microstructure, more uniform composition distribution, and fewer surface pores. The mechanical properties and slow-release properties were better. When the mass fraction of bentonite binder was 20%, the average compressive strength of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer were the maximum value of 286.78 and 281.27 N, respectively, the nutrient leaching rate of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer in the first 3 days were the minimum value of 45.53% and 36.87%, respectively. The high biochar fertilizer ratios would result in the better slow-release performances. When the biochar fertilizer ratio was 1:3, the nutrient leaching rates of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer particles in the first 3 days were the minimum values of 42.06% and 40.32%, respectively. The pores on the surface of potassium chloride biochar fertilizer particles increased first and then decreased. When the biochar fertilizer ratios were 1:6 and 1:3, the average compressive strength were 271.25 and 282.42 N, respectively, but the relative standard deviation of the average compressive strength at 1:3 was the maximum. The pores in the internal structure of urea biochar-based fertilizer particles gradually increased. When the biochar fertilizer ratio was 1:6, the average compressive strength was the minimum values of 267.84 N. At the same time, the electrical conductivity of potassium chloride biochar-based fertilizer leachate and the pH value of urea biochar-based fertilizer leachate were similar to their respective nutrient leaching rates in change rule, which could be used for prediction of their nutrient leachate trends. Thus, the formulation of biochar-based fertilizer with the mass fraction of bentonite binder and the ratio of carbon to fertilizer of 20% and 1:4 or 10% and 1:3 are suggested to meet medium fertilizer concentration.

urea; potassium chloride; biochar-based fertilizer; physicochemical properties; slow release characteristics

牛智有，劉 鳴，牛文娟，邵愷懌，耿 婕，唐 震，黃金芝，周凱強. 炭肥比和膨潤土粘結劑對炭基肥顆粒理化及緩釋特性的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(2)：219－227.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.026 http://www.tcsae.org

Niu Zhiyou, Liu Ming, Niu Wenjuan, Shao Kaiyi, Geng Jie, Tang Zhen, Huang Jinzhi, Zhou Kaiqiang. Effects of biochar fertilizer ratio and bentonite binder on physicochemical properties and slow release properties of biochar fertilizer particles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 219－227. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.026 http://www.tcsae.org

2019-09-23

2019-12-10

公益性行業（農業）科研專項（No.201503135）

牛智有，教授，博生生導師，研究方向：現代農業技術與裝備。Email：nzhy@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.026

S226.4

A

1002-6819(2020)-02-0219-09