土壤水含量、溫度對(duì)松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放動(dòng)力學(xué)特性的影響

施衛(wèi)省，杜芳林，劉建民

（昆明理工大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500）

目前，化肥的當(dāng)季利用率較低［1］，包膜肥料由于具有養(yǎng)分釋放與作物需求同步、養(yǎng)分揮發(fā)少、淋溶少、利用率高等特點(diǎn)，成為肥料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。包膜肥料的養(yǎng)分釋放取決于包膜材料類型（樹(shù)脂、聚乙烯、石蠟等［2-3］）及用量、肥料溶解性、土壤溫度、土壤水含量以及土壤中微生物活性等［4-5］。

從已有研究看［6-8］，在純水中測(cè)定包膜肥料養(yǎng)分溶出率，其結(jié)果并不等于包膜肥料在土壤中的養(yǎng)分溶出率［9-10］。因此，如何將土壤水含量、土壤溫度、包膜材料和肥料因素綜合考慮，并根據(jù)土壤水含量及土壤溫度的變化，研究其對(duì)包膜肥料養(yǎng)分釋放的影響，就成為研究的關(guān)鍵性問(wèn)題。

松香結(jié)構(gòu)的活性基團(tuán)為羥基和共軛雙鍵，在催化劑（氧化鋅）的作用下與甘油發(fā)生酯化反應(yīng)，可以得到松香甘油酯，松香甘油酯具有耐水等特性［11］。本研究以松香甘油酯為包膜材料制備包膜復(fù)合肥，研究土壤水含量、溫度變化對(duì)松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放動(dòng)力學(xué)特性的影響，為松香甘油酯包膜復(fù)合肥的開(kāi)發(fā)、利用提供理論依據(jù)。

1 松香甘油酯包膜復(fù)合肥的制備

松香甘油酯，自制；復(fù)合肥，昆明勁勛化工有限公司生產(chǎn)，w（N+P2O5+K2O）≥46.0%。

稱取復(fù)合肥（mo）放入包膜機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速（100 r/min）及溫度（25℃），啟動(dòng)包膜機(jī)，將包膜液（松香甘油酯和滑石粉按一定比例進(jìn)行混合）噴射到復(fù)合肥上，一定時(shí)間后，取出包膜復(fù)合肥，過(guò)篩，再稱量（m）。以式（1）計(jì)算包膜復(fù)合肥涂層覆蓋率，控制其在8%。

2 松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分溶出率測(cè)定方法

供試土壤為紅壤土，取不同土壤樣品，在105℃烘箱烘干，測(cè)定土壤水含量，加水配制不同w（H2O）的實(shí)驗(yàn)土壤；在溫室中（人工控溫），控制土壤的溫度變化。

用硬質(zhì)塑料桶做實(shí)驗(yàn)盆，規(guī)格為上口直徑45 cm、下口直徑24 cm、高30 cm，每盆裝土5 kg。包膜復(fù)合肥與紅壤土按質(zhì)量比1∶5混合，然后用尼龍網(wǎng)包好，放置于土壤下15 cm處。

采用質(zhì)量法測(cè)定養(yǎng)分溶出率，即每3 d測(cè)定一次包膜復(fù)合肥的質(zhì)量（將松香甘油酯包膜復(fù)合肥與土壤分離），算出溶出的養(yǎng)分質(zhì)量，計(jì)算其累積溶出率［12-13］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水含量對(duì)松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分溶出率的影響

配制w（H2O）為20%、24%、27%、30%、33%、35%的實(shí)驗(yàn)土壤，保持土壤溫度24℃。松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分溶出率變化情況見(jiàn)表1。

表1 不同土壤水含量對(duì)包膜復(fù)合肥養(yǎng)分溶出率的影響 %

由表1可知，在0～34 d內(nèi)，土壤w（H2O）為35%時(shí)，包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率最高；土壤w（H2O）為20%，其值較低。包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率在第4天出現(xiàn)下降，因?yàn)殡S包膜復(fù)合肥吸水量增加，部分有效養(yǎng)分釋放量被吸收的水替代，導(dǎo)致第4天計(jì)算的肥料溶出養(yǎng)分量降低。根據(jù)累積溶出率計(jì)算公式，養(yǎng)分累積溶出率下降。

包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率在第1天處于快速釋放階段，由于肥料包膜缺陷引起，土壤水含量對(duì)養(yǎng)分釋放影響不大；第4天包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率下降到最低點(diǎn)，在第5天后又開(kāi)始上升，其釋放速率較慢；第13天以后養(yǎng)分釋放速率較快，其變化曲線呈V型規(guī)律。該結(jié)果與甄英肖等［13］的研究結(jié)果相同。

3.2 土壤溫度對(duì)松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分溶出率的影響

保持土壤w（H2O）27%，設(shè)置溫室溫度為15、18、21、24、27、30℃，進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同土壤溫度下包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率變化

由圖1可知，在土壤溫度為24℃時(shí)，松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率在前13 d變化小，從第13天至第28天累積溶出率變化較大，由2.26%增加到4.64%；在土壤溫度為30℃的情況下，松香甘油酯包膜復(fù)合肥從第13天至第28天，養(yǎng)分累積溶出率從2.45%增加到4.89%。故隨土壤溫度升高，松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率相應(yīng)增加。其原因?yàn)椋和寥罍囟壬撸肿訜徇\(yùn)動(dòng)速率增加，養(yǎng)分由高濃度梯度向低濃度梯度的運(yùn)動(dòng)加快，養(yǎng)分釋放直接到達(dá)快速釋放期，這與TRENKEL M E［14］的研究結(jié)果相同。

3.3 土壤水含量與松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋

放期的數(shù)學(xué)建模

包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放速率與土壤水含量等環(huán)境因素有關(guān)。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，包膜復(fù)合肥養(yǎng)分溶出率速度各異，可用LOGISTIC函數(shù)模擬［14］。

在模擬時(shí)，假定不同土壤水含量下包膜復(fù)合肥NO為100%，先根據(jù)表1數(shù)據(jù)擬合公式（3）的k值，取其平均值，即為該包膜復(fù)合肥的日釋放常數(shù)。再根據(jù)包膜復(fù)合肥的日釋放常數(shù)利用公式（3）求出包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期t（釋放率80%）（見(jiàn)表2）。

表2 包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期與土壤水含量數(shù)學(xué)建模擬合參數(shù)（溫度24℃、重復(fù)5次）

由表2可知，包膜復(fù)合肥的日釋放常數(shù)k隨土壤w（H2O）的增大而增大；包膜復(fù)合肥的養(yǎng)分釋放期隨土壤w（H2O）的增大而縮短。

為定量分析包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期與土壤水含量的相互關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行建模。根據(jù)表2包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期與土壤水含量（w）數(shù)據(jù)回歸擬合，得線性方程：

r=0.99，相關(guān)性達(dá)到極相關(guān)水平。

3.4 土壤溫度與松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期的數(shù)學(xué)建模

利用LOGISTIC函數(shù)進(jìn)行模擬時(shí)，對(duì)不同土壤溫度下包膜復(fù)合肥，同樣假定NO為100%，利用圖1數(shù)據(jù)擬合k值，即為包膜復(fù)合肥的日釋放常數(shù)。再根據(jù)包膜復(fù)合肥的日釋放常數(shù)利用公式（3）求出包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期t（見(jiàn)表3）。

表3 包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期與土壤溫度數(shù)學(xué)建模擬合參數(shù)（w（H 2O）27%、重復(fù)5次）

從表3可知，包膜復(fù)合肥的日釋放常數(shù)k隨土壤溫度（θ）升高而增大；包膜復(fù)合肥的養(yǎng)分釋放期隨土壤溫度（θ）的升高而縮短。

為分析包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期與土壤溫度的定量關(guān)系，同樣進(jìn)行建模。根據(jù)表3包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期（t）與土壤溫度（θ）數(shù)據(jù)，擬合方程得：

r=0.97，相關(guān)性達(dá)到極相關(guān)水平。

4 結(jié)論

松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率盆栽實(shí)驗(yàn)，設(shè)置6種土壤水分和6種土壤溫度，擬合包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率動(dòng)力學(xué)曲線，得出以下結(jié)論：（1）土壤水含量與土壤溫度升高，松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分累積溶出率曲線呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；松香甘油酯包膜復(fù)合肥日釋放速率隨之增大；養(yǎng)分釋放期隨之縮短。（2）松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期（t）與土壤水含量（w），滿足線性關(guān)系t=287.6-3.43 w，r=0.99。（3）松香甘油酯包膜復(fù)合肥養(yǎng)分釋放期（t）與土壤溫度（θ），滿足線性關(guān)系t=209.6-13θ，r=0.97。