檸檬酸改性磷肥的結構分析及其對水溶性磷固定率的影響

張英強，張水勤，袁 亮，李燕婷，林治安，王立艷，趙秉強*

[1 中國礦業大學 (北京) 化學與環境工程學院，北京 100083；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081]

磷是限制作物生長的第二大必需營養元素，其施于石灰性土壤后，易與土壤中的Ca2+發生反應，形成羥基磷灰石或氟磷灰石[1-2]，固定于土壤中，從而降低磷肥的有效性。據報道，磷肥當季利用率一般僅有10%～25 %[3]，多數肥料磷則以無效態固定于土壤中，造成了磷資源的浪費，甚至會帶來環境污染的風險[4]。

為緩解環境壓力，保護磷礦資源，同時提高磷肥的有效性，新型磷肥受到了越來越多的關注[4]，其中磷肥改性增效是我國新型磷肥研究的重要方向，也是推動我國肥料產業實現質量替代數量發展戰略的重要保障[5]。目前作為磷肥增效劑的主要有腐殖酸和海藻酸等天然有機酸材料。李志堅等[6]研究含腐殖酸、海藻酸和聚合谷氨酸3種增效劑的增效磷肥對小麥產量和磷肥固定率的影響，結果表明，低磷水平下，磷肥的表觀利用率平均提高了8.71～26.21個百分點，增效磷肥處理小麥籽粒產量和吸磷量比普通磷酸一銨分別提高 9.74%～33.54%和14.81%～42.59%。以上作用的發揮與增效劑和磷肥的反應有關。李麗等[7-8]研究認為腐殖酸與磷肥通過某些物理–化學作用形成了不易被固定的新的磷形態，從而減少磷的固定。成紹鑫[9]認為腐殖酸可通過與磷肥發生化學反應生成有機磷，進而減緩金屬離子對磷的固定。王玲玲[10]也認為腐殖酸中所含的羥基能夠與磷酸一銨通過陽離子的橋接作用發生復合反應，生成水溶性的腐殖酸磷和腐銨磷，從而提高了磷肥的有效性。在農業應用中，王斌等[11]研究典型灰漠土棉田上施用腐殖酸對土壤無機磷形態及土壤有效磷的影響，結果表明，在一定水平上，腐殖酸能夠明顯的激活土壤固定態磷，減少磷的固定率。穆環珍等[12]發現木質素增效磷肥能夠有效降低土壤溶液中Ca2+、Al3+和Fe3+的活性，減少這些離子與磷酸根結合生成難溶磷酸鐵、磷酸鋁和高鈣磷酸鹽，從而減少磷的固定，提高磷肥有效性。黃雷等[13]利用FTIR和XRD對木質素磺酸鈉磷礦粉進行表征，結果表明，木質素磺酸鈉促使磷礦粉中難溶的Ca-P鍵轉化為活性高的H2PO42–，能有效改變磷礦粉本身的化學成鍵結構，降低磷灰石結晶程度，提高磷肥有效性。劉瑾等[14]利用液相31P-NMR、磷的K-邊X射線近邊吸收光譜 (K-邊XANES) 對自制淀粉基磷肥進行表征，結果表明，合成淀粉基磷肥中的磷以正磷酸單酯、正磷酸鹽和正磷酸二酯等形態存在，其中，以正磷酸單酯為主，占到總磷的75.8%。

以檸檬酸為代表的低分子量有機酸結構簡單，具有與腐殖酸和海藻酸等有機酸相一致的主要官能團 (羥基/羧基)，有明確的結構式和分子量，其與磷肥反應后的產物結構較易分析，有利于研究有機酸官能團與磷肥的結合作用以及影響磷素固定的具體結構。因此，本研究以檸檬酸 (羥基/羧基)為研究對象，將檸檬酸與磷肥反應結合制備檸檬酸改性磷肥，明確其反應位點及產物，研究其磷固定規律及其與磷肥的反應特征，從結構方面研究檸檬酸改性磷肥減少磷固定的機制，旨在為高效磷肥研制提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Nicolet IS10 紅外光譜儀 (FTIR，美國 Nicolet公司)，Agilent 1100 高效液相色譜儀-Thermo Scientific TSQ Quantum Ultra 質譜聯用 (LC-MS，美國Agilent公司和Thermo Scientific 公司)，JNMECZ600R型核磁共振波譜儀 (日本JEOL公司)。

檸檬酸 (citric acid，代號 CA，分析純，含量 ≥99.5%，國藥集團化學試劑有限公司)，磷酸 (分析純，含量 ≥ 85.0%，煙臺遠東精細化工有限公司)，氫氧化鉀 (分析純，含量 ≥ 85.0%，國藥集團化學試劑有限公司)，CaCl2·2H2O [分析純，含量 (以無水鹽計) ≥ 74.0%，天津市大茂化學試劑廠]。

1.2 供試磷肥的制備

將檸檬酸分別按照磷酸和氫氧化鉀質量總和0、0.2%、0.5%、1.0%和10.0%的比例添加至磷酸溶液中，攪拌均勻，再將氫氧化鉀加入其中進行反應 (磷酸和氫氧化鉀質量比達4.67∶5.33，以模擬工業生產條件制備磷酸氫二鉀[15])，快速攪拌均勻，待兩者反應完全后收集所得反應產物，研磨、過篩，置于干燥器中密封保存，備用。得到的系列磷肥產品，分別標記為CAP0、CAP0.2、CAP0.5、CAP1和CAP10。其中CAP0為不添加檸檬酸的磷酸二氫鉀肥，CAP0.2、CAP0.5、CAP1和CAP10為檸檬酸改性磷肥。

1.3 供試磷肥結構表征

以檸檬酸添加量為10%的檸檬酸改性磷肥(CAP10)和不添加檸檬酸的磷酸二氫鉀肥 (CAP0)為材料，利用傅里葉變換紅外光譜法 (FTIR)、31P固相核磁共振波譜法 (31P-NMR)和液相色譜–質譜聯用(LC–MS) 表征其結構。

1.3.1 供試磷肥官能團結構測定 試驗通過美國尼力高公司的IS10型紅外光譜儀對材料官能團結構進行分析。測試條件：將約2 mg樣品和200 mg光譜純溴化鉀混合后壓片，通過傅里葉紅外光譜儀記錄4000～400 cm–1波數范圍內樣品的紅外光譜特征。每個樣品掃描32次，分辨率為4 cm–1。

1.3.2 供試磷肥磷形態測定31P核磁共振波譜測定采用日本株式會社的JNM-ECZ600R型核磁共振波譜儀。CAP10和CAP0測試的具體運行參數：共振頻率 242.95 MHz，以標準物 (NH4)H2PO4標定化學位移，用3.20 mm探針以10 kHz的自旋速率記錄光譜，馳豫延遲時間5 s，掃描次數1024次。

1.4 供試磷肥有機組分測定

試驗通過安捷倫公司的1100高效液相色譜儀和賽默飛TSQ Quantum Ultra質譜聯用分析樣品的物質組成。測試過程中流動相為乙腈∶水=95∶5，流速0.3 mL/min；質譜的離子源為電噴霧離子源，模式為ESI positive，電離電壓 8 kV，鞘氣壓力 45 psi，輔助氣壓力15 psi，毛細管溫度350℃，以液相色譜進樣方式進入，不流入色譜柱，進入質譜儀進行分析。

1.5 供試磷肥水溶性磷固定率測定

將一定量的CaCl2加入新型磷肥溶液中，可以模擬磷肥進入石灰性土壤后與Ca2+結合而被固定的過程，通過檢測溶液中的磷含量，進而計算此過程中磷肥的水溶性磷固定率，有助于快速評價新型磷肥的生物有效性[16]。參考含腐植酸磷酸一銨、磷酸二銨(HG/T 5514–2019)和含海藻酸磷酸一銨、磷酸二銨(HG/T 5515–2019) 的水溶性磷中磷固定率的測定方法，測定供試磷肥初始P2O5含量與磷肥和CaCl2反應后剩余P2O5含量的差值占供試磷肥初始P2O5含量的百分比，具體操作為：

1) 稱取 CAP0、CAP0.2、CAP0.5和CAP1 約0.5000 g，質量記為m1，加入蒸餾水 100 mL，溶于250 mL 浸提瓶中，蓋緊瓶塞，在恒溫下 (30±1)℃振蕩 (180 r/min) 1 h，用定量濾紙過濾，棄去最初濾液。準確吸取濾液 1.00 mL于50 mL容量瓶中，通過釩鉬黃比色法比色[17]，計算得到50 mL溶液中磷的濃度，根據分取倍數得到質量m1中含有的P2O5質量m2，將m2/m1數值記為P1。

2) 稱取 CAP0、CAP0.2、CAP0.5和CAP1 約0.5000 g，記為m3，放入 250 mL 浸提瓶中，加入 90 mL水，用氫氧化鈉溶液和硫酸調節至pH 8.00 (酸度計測量)，加入10 mL相應的氯化鈣溶液[氯化鈣濃度C (g/L)=400 × P1× m3，系數 400為質量比 4 (前期研究中不同磷肥水溶性磷固定率差異最大化的質量比[18]) 與氯化鈣溶液體積0.01 L的數值之比]蓋緊瓶塞，在恒溫下 (30±1)℃ 振蕩 (180 r/min) 1 h，用定量濾紙過濾，棄去最初濾液；準確吸取濾液 1.00 mL于50 mL容量瓶中，通過釩鉬黃比色法比色，計算得到50 mL溶液中磷的濃度，根據分取倍數得到與CaCl2反應后質量m3中剩余的P2O5質量m4，將m4/m3數值記為P2。

3) 水溶性磷固定率計算公式：

1.6 數據處理

傅里葉變換紅外光譜結果用OMNIC 9.0軟件進行基線校正和數據平滑校正；采用SPSS 19.0對不同磷肥中水溶性磷固定率進行單因素方差分析(Duncan新復極差法，P＜0.05為顯著)；所有數據均采用Origin 2019軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 檸檬酸改性磷肥的官能團結構分析

CAP10和CAP0的傅里葉變換紅外光譜如圖1所示。由圖1可知，檸檬酸改性磷肥CAP10更多的保留了 CAP0的特征：在3381～3200 cm–1具有P—OH 的伸縮振動峰，1662～1586 cm–1出現了 H2PO4–的伸縮振動，1392～1273 cm–1是羧酸C—OH伸縮振動，1088～1077 cm–1為P=O 或磷酸酯 P—O—C 伸縮振動峰[19-20]，985 cm–1左右是 P—OH 伸縮振動峰，860 cm–1和535 cm–1左右分別為HPO42–變角振動和磷酸鹽PO4不對稱變角振動[21-23]。與CAP0相比，CAP10在1088 cm–1處出現新的振動峰，推測在CAP10中除了含有P=O外，還存在磷酸酯 (P—O—C) 結構。磷酸酯屬于有機物，能夠通過磷酸與羥基反應得到，通過CAP10與CAP0的傅里葉紅外光譜數據，推測檸檬酸與磷肥反應的主要官能團可能為—OH，反應過程可能為羥基中H與磷酸P—OH上羥基發生脫水反應，形成磷酸酯結構 (P—O—C)。紅外光譜結果對材料的官能團結構組成進行了初步揭示，認為檸檬酸加入磷酸后，參與了磷酸與氫氧化鉀的反應，然而由于特征峰的重疊，無法準確判定檸檬酸與磷肥反應發生的官能團結構與位點，還需要通過利用31P-NMR和LC-MS等技術對材料進行進一步分析。

圖 1 傅里葉變換紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of samples

2.2 檸檬酸改性磷肥的磷形態分析

CAP10、CAP0、分析純K3PO4和K2HPO4的固相31P核磁共振譜如圖2所示。由圖2可知，CAP10的核磁曲線在12.28、6.60和4.80 ppm處有3個明顯的單峰，分別與K3PO4、K2HPO4和正磷酸單酯的峰吻合[24-26]。這表明添加檸檬酸后，磷酸與氫氧化鉀反應除了生成K2HPO4和K3PO4，還生成了正磷酸單酯。通過對3種磷形態占總磷含量的比例進行積分，得出CAP10中K3PO4、K2HPO4和正磷酸單酯的含量分別占總磷含量的34.22%、49.30%和16.48%(表 1)。

圖 2 固相31P核磁共振譜Fig.2 Solid-state 31P NMR spectra

表 1 添加10%檸檬酸改性后的磷肥中的磷酸鹽及其相對含量Table 1 Phosphate and its relative contents in modified phosphate fertilizer

正磷酸鹽結構穩定，一般不易與檸檬酸發生反應，但以上分析表明，檸檬酸與磷肥發生了反應，得到了具有正磷酸單酯結構的物質，而磷酸酯可由磷酸與羥基發生酯化反應得到[27]，這可能是因為中和法制備磷肥過程中溫度驟然升高，導致磷酸與檸檬酸中的羥基發生酯化反應，磷酸分子中與磷原子相連的―OH化學鍵發生斷裂，檸檬酸羥基中O—H化學鍵也發生斷裂，檸檬酸羥基中的氧原子與磷酸中的磷原子發生結合，生成正磷酸單酯，磷原子周圍屏蔽效應增大，化學位移向高場移動，因此4.80 ppm處出現了正磷酸單酯的位移峰。與CAP0相比，CAP10在制備過程中，一部分磷酸與檸檬酸反應生成正磷酸單酯，消耗了一部分磷酸，導致磷酸減少，KOH與磷酸反應生成K2HPO4之后，多余的KOH與K2HPO4進一步發生反應，生成了K3PO4，造成CAP10中既有K2HPO4，又有K3PO4，在12.28 ppm處出現了K3PO4的位移峰。

2.3 檸檬酸改性磷肥有機組分相對分子質量分析

圖3為液相色譜–質譜聯用 (LC-MS) 在正離子模式下分析的CAP10的總離子圖 (A)和保留時間為0.27 min時特征峰的相應質譜圖 (B)。從圖3B可以發現，該處由質荷比為310.74的離子碎片組成，推測其分子式為C6H9PO10，結構式見圖4，符合正磷酸單酯的結構特征[28]。以上結果與表1中CAP10以正磷酸單酯存在的結果相一致。這可能是CAP10樣品在制備過程中，檸檬酸羥基中的CO―H化學鍵發生斷裂，同時磷酸分子中的P―OH化學鍵也發生斷裂，檸檬酸羥基中氫脫落，而磷酸分子中與磷原子相連的羥基也脫落，二者在生成磷酸酯的同時脫去一分子水，該結果與31P核磁共振發現有正磷酸單酯的結果吻合[27]。

圖 3 正離子模式下添加10%檸檬酸改性磷酸鉀肥的總離子色譜強度 (A)和特征峰相對豐度 (B)Fig.3 The intensity of total ion chromatogram (A) and the relative abundance of characteristic MS peaks (B) of modified phosphate with citric acid addition rate of 10% under positive mode

圖 4 化合物C6H9PO10結構式Fig.4 Identified structure for molecular formula C6H9PO10

2.4 檸檬酸改性磷肥中水溶性磷固定率

磷肥施入石灰性土壤后，易與土壤中的Ca2+結合，生成沉淀[29]，降低了其生物有效性。本研究中，檸檬酸以不同比例添加到磷肥制備過程中所獲得的檸檬酸改性磷肥 (CAP0.2、CAP0.5和CAP1)和不添加檸檬酸制備所獲得的磷酸二氫鉀肥 (CAP0) 的水溶性磷固定率結果如圖5所示。

圖 5 不同檸檬酸添加量下磷肥的水溶性磷固定率Fig.5 Water-soluble phosphorus fixation rate of phosphate fertilizer with different rates of citric acid addition

本試驗條件下，CAP0的水溶性磷固定率為86.01%，添加不同比例檸檬酸改性的磷肥的水溶性磷固定率為55.84%～59.76%，低于CAP0改性磷肥26.25～30.17個百分點，其中CAP0.2的水溶性磷固定率為59.52%，低于CAP0 26.49個百分點。這與改性磷肥中生成了一定比例的磷酸酯有關。研究表明，少量磷酸酯的存在能夠抑制磷酸鹽與鈣離子反應后沉淀的生成[30]。劉瑾等[14]在有機改性磷肥中也測定到了磷酸酯 (P―O―C) 的存在。隨著檸檬酸添加量的增加，檸檬酸改性磷肥中水溶性磷的固定率差異性不顯著，可能是因為在水溶液中，游離磷酸酯還可以被大量的磷酸與鈣反應生成的磷酸鈣所吸附[27]，減弱了磷酸酯抑制水溶性磷與鈣離子沉淀反應的效果。檸檬酸磷酸酯與磷酸鈣接觸時反應體系復雜，接觸反應的具體產物及其與水溶性磷固定的關系有待進一步研究。此外，檸檬酸與磷肥反應后，所得檸檬酸改性磷肥中存在少量游離的羧基 (圖1)，該羧基的存在能將部分磷酸鈣沉淀溶解，重新釋放出磷酸根離子，從而減少水溶性磷的固定[31]。總之，不同檸檬酸添加量的檸檬酸改性磷肥之間水溶性磷固定率差異還需要更為客觀的土壤試驗，以期更全面、深入地探究檸檬酸改性磷肥對降低磷固定率的影響機制。

3 結論

在磷酸和氫氧化鉀反應制備磷肥的過程中添加檸檬酸，其所含的羥基氧原子可與磷結合生成含有正磷酸單酯的檸檬酸改性磷肥。

添加檸檬酸改性的磷肥，磷的固定率顯著下降。最佳檸檬酸添加量還需更客觀的土壤試驗來確定。