不同固化劑組配對固化成型肥料浸水穩定性的影響

曹立棟，王豪，周健駒，翁佳麗，張昌愛，靳鵬杰，高山

（1.浙江科技學院環境與資源學院/浙江省廢棄生物質循環利用與生態處理技術重點實驗室，浙江 杭州 310023；2.諸暨市農業技術推廣中心，浙江 諸暨 311800）

現階段，我國水稻種植面積占全球水稻總播種面積的20%以上，每年產量達到1.85億噸，占全球總量的1/3，是世界水稻生產和消費大國，保障水稻的高產穩產一直是我國農業生產面臨的重要問題之一［1-3］。然而，我國水稻種植中，品種得到較快發展的前提下，施肥卻始終存在養分配比不合理、肥料速溶于水難以提高利用率［4，5］、水田養分流失嚴重容易帶來面源污染等較多問題［6-8］。

針對肥料易溶于水的問題，新型肥料的研制越來越受到重視，以硝化抑制劑添加為技術核心的“穩定性肥料”及以包膜為技術核心的緩/控釋肥料得到了快速發展，并且也得到了產業化發展［9-11］。盡管如此，這些肥料往往比較適合在旱田施用，而在水田中容易出現肥料釋放較快、肥料顆粒釋放后會在水中出現漂浮或流動聚集現象，致使養分分布在水田出現梯度變異等諸多問題［12］。

為改善水稻的施肥現狀，浙江科技學院張昌愛教授團隊采用固化成型工藝開發出利用沼渣制備水田穩定態肥料技術［13］，其技術核心是將優選的固化劑配方摻入沼渣與化肥的混合料中，擠壓成型并經養護后制備而成。該肥料整體得到固化而形成較為穩定的固體狀態，施入水田后，在微生物、水浸泡及植物根系的綜合擾動下會使肥料的外層被逐步破壞從而緩慢釋放出養分。為研究固化劑不同組配對固化成型肥料浸水穩定性的影響，本試驗設置不施加固化劑（CK1）、施加優選固化劑組配（CK2）及施加固化劑不同組配的4個處理，測定其肥料成型后的抗壓強度、肥料浸水后的質量損失率、肥料浸水后的氮磷鉀養分釋放規律及肥料溶液的EC值和pH值等指標，以期為固化成型肥料的研發提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試牛糞沼渣，由浙江一景牧業有限公司提供，為牛糞厭氧發酵后經300℃烘干的產物，其有機質含量為75.62%，TN、P2O5和K2O含量分別為2.07%、1.641%和2.48%。固化劑分別為硅酸鹽水泥（強度等級為62.5）、聚丙烯酰胺PAM、硅藻土及凹凸棒土，均為市售產品。所用肥料為史丹利復合肥（養分總含量45%，N-P2O5-K2O=15∶15∶15）。

1.2 試驗設計與肥料制備

試驗于2020年9月進行。設置不施加固化劑（CK1）、施加優選固化劑組配（CK2）及施加不同固化劑組配的4個處理（分別為T1、T2、T3、T4）。詳見表1。

表1 試驗處理方案

肥料制備過程：沼渣、復合肥與固化劑粉碎后的粉末經振動篩過濾，所得混合物轉移入霧化增濕器中進行霧化增濕處理，制得含水率18%～20%的混合料。將混合料擠壓成型，制成直徑5～7 mm、高5～6 mm的柱狀顆粒。將柱狀顆粒轉入密閉養護房在溫度20～40℃、相對濕度65%～75%條件下養護2天。

1.3 測定項目及方法

肥料浸水穩定性測定：分別稱取各處理肥料樣品2.23 g，置于50 mL離心管中，加入30 mL去離子水，在恒溫50℃條件下培養，分別于浸水5、10、15、20、25、30、40、50、60 d時取剩余固體肥料并烘干稱重；剩余液體離心取上清液，測定pH值、EC值及氮、磷、鉀含量。

肥料抗壓強度采用TA-XT plus質構儀測定。肥料浸水后全氮采用SEAL AA3流動分析儀測定，pH值及EC值采用Senven Excellence多功能參數測試儀測定，全磷采用GB/T 11893—1989鉬酸銨分光光度法測定，全鉀采用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.4 數據處理

數據處理及繪圖均采用Microsoft Office及Origin pro 2021軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同固化劑組配對肥料抗壓性能的影響

在生產實踐中，肥料抗壓能力越強，表明在其運輸搬運過程中越能減少不必要的損失［14］，并且在固化成型肥料生產中，肥料顆粒的硬度也直接表征肥料固化成型的效果。不同固化劑組配下，肥料顆粒的硬度可用抗壓性能來表示，抗壓性能測定結果如圖1所示。

圖1 不同固化劑組配對肥料抗壓性能的影響

各處理肥料顆粒抗壓性能的高低順序為CK1＞CK2＞T4＞T3＞T1＞T2，未添加固化劑肥料（CK1）的抗壓強度高于添加固化劑的。這是因為肥料成粒方式為擠壓造粒，以沼渣為主料的造粒過程中纖維間相互擠壓力和粘結力較強，能擠壓成內部較為緊密的顆粒，而固化劑作為粉劑加入，使得肥料造粒過程中內部親和力降低，成型的肥料所表現的抗壓強度不及未添加固化劑的肥料。

不同固化劑組配下的肥料抗壓強度不同，與CK2相比，T1、T2、T3和T4分別降低24.08%、32.29%、19.00%和2.59%。各固化劑種類對肥料抗壓強度影響的大小順序為硅酸鹽水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。可見優選的固化劑組配生產出的肥料具有更好的顆粒硬度，而這種硬度不僅僅依靠材料的結合程度，也反映了固化成型的效果。

2.2 不同固化劑組配對肥料浸水質量損失的影響

肥料浸水后質量的變化能直觀反映肥料在浸水條件下是否容易分散。由圖2看出，各肥料浸水釋放60 d時，肥料浸水質量損失率大小依次為CK1＞T2＞T1＞T3＞T4＞CK2。抗壓強度最高的CK1，其浸水質量損失率最大，這表明在沒有固化劑加入時，肥料內部顆粒難以緊密結合，易在水中分散溶解。

圖2 不同固化劑組配對肥料浸水質量損失的影響

與CK2相比，CK1浸水60 d質量損失率增加32.2個百分點，這表明固化劑是提高肥料在浸水條件下穩定性的關鍵因素。與CK2相比，T1、T2、T3和T4質量損失率分別提高18.38、22.33、7.22和3.05個百分點。各固化劑種類對肥料浸水質量損失影響大小依次為硅酸鹽水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。

2.3 不同固化劑組配對肥料浸水養分累積釋放的影響

2.3.1 對氮素釋放的影響 由圖3看出，各處理浸水后氮素的釋放分為快速上升和緩慢上升兩個階段。肥料浸水初期，即前10 d內，氮素釋放較快，隨著浸水時間延長氮素濃度增加，對其釋放產生抑制作用，釋放減慢。

圖3 不同固化劑組配對肥料浸水氮素釋放的影響

CK2浸水60 d時全氮累積釋放量不超過32 mg/L，與其相比CK1增加93.04%。這表明加入固化劑可以顯著提升肥料浸水穩定性。肥料浸水60 d時氮素累積釋放量依次為T2＞T1＞T3＞T4，與CK2相比，釋放量分別提高65.15%、47.79%、32.01%、15.28%。不同固化劑對肥料氮素釋放的影響順序依次為硅酸鹽水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。

2.3.2 對磷素釋放的影響 由圖4看出，CK2浸水10 d全磷釋放量為18.65 mg/L，在10～50 d內又累積釋放12.38 mg/L，與氮素釋放規律一致，即在前10 d內肥料浸水磷素釋放較快，隨著浸水時間延長，釋放減慢。

圖4 不同固化劑組配對肥料浸水磷素釋放的影響

添加固化劑的肥料浸水60 d時全磷累積釋放量均不超過50 mg/L，而未添加固化劑肥料的CK1達57.67 mg/L。與CK2相比，T1、T2、T3和T4浸水60 d時磷素釋放量分別提高45.61%、59.52%、28.15%、13.91%。表明肥料中加入固化劑有效提高其浸水穩定性，其中硅酸鹽水泥影響最顯著，其后依次為PAM、凹凸棒土和硅藻土。

2.3.3 對鉀素釋放的影響 由圖5看出，各處理肥料浸水后鉀素累積釋放趨勢與氮素幾乎一致，CK1浸水60 d時鉀素累積釋放量為61.67 mg/L，與CK2相比增加100.07%。各處理肥料浸水60 d時鉀素累積釋放量順序為T2＞T1＞T3＞T4，與CK2相比，釋放量分別提高70.6%、52.7%、32.50%、22.00%。表明硅酸鹽水泥對鉀素累積釋放量影響最明顯，其后依次是PAM、凹凸棒土和硅藻土。

圖5 不同固化劑組配對肥料浸水鉀素釋放的影響

2.4 不同固化劑組配對肥料浸水pH值的影響

硅酸鹽水泥偏堿性，肥料添加后pH值普遍相對偏高，故需要探究其溶于水后的pH值變化情況，這對肥料的應用有實際意義。由圖6看出，添加硅酸鹽水泥的肥料組pH值明顯高于未添加的，說明加入硅酸鹽水泥，肥料浸水pH值會明顯提升。

圖6 不同固化劑組配肥料浸水pH值

2.5 不同固化劑組配對肥料浸水電導率（EC值）的影響

穩定性肥料浸水后，浸出液EC值變化可以反映其在水中的溶出情況，可利用測電導率的方法對大規模肥料的生產進行快速在線監測［15］。在肥料與水之比為2.23∶50條件下，稀釋25倍浸出液后各肥料處理EC值如圖7所示。浸水60 d時，浸出液EC值最高為CK1，達1560 mS/cm，較CK2高806.4 mS/cm，T1、T2、T3和T4的EC值變化與其肥料養分釋放變化規律一致。表明可以利用肥料浸出液EC值的大小來評判肥料的浸水穩定性。

圖7 不同固化劑組配肥料浸水EC值變化

3 結論

本試驗結果表明，各處理肥料顆粒的抗壓強度大小順序為CK1＞CK2＞T4＞T3＞T1＞T2，添加固化劑增強了沼渣和復合肥的固化效果，降低了肥料硬度，而在浸水條件下不容易分散。與CK2相比，單一固化劑組分扣除后肥料硬度均有所降低，表明優選的固化劑組配具有優異性能。

從肥料浸水質量損失和養分釋放情況來看，添加固化劑，能提高肥料的浸水穩定性。不同固化劑組配的固化效果排序為硅酸鹽水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。

添加硅酸鹽水泥的肥料提高了浸出液pH值，在肥料與水之比為2.23∶50條件下，pH值明顯高于未添加硅酸鹽水泥的肥料。

T1、T2、T3和T4肥料的EC值變化與其肥料養分釋放變化規律一致，可以在以后工作中開展利用肥料浸出液EC值的大小來評判肥料浸水穩定性的相關研究。