水田長效肥的研制及浸水穩定性評價

唐玉瑩，陳凌霞，張燕燕，曹立棟，張昌愛，汪林峰

（1. 浙江科技學院 環境與資源學院，浙江 杭州 310023；2. 泰安市城市排水管理處，山東 泰安 271000；3. 泰安市園林綠化處，山東 泰安 271000）

0 引言

我國是全世界水稻生產和消費大國，水稻種植面積占全球水稻總種植面積的20%以上。水稻施肥時，肥料一般施入水田中，因為水田是一個開放的系統，流出水會將施入的大量養分帶走進入江河湖泊，從而引起水體富營養化，影響水體水質，這已經成為我國南方地區面臨的重要面源污染［1］。

優化水田施肥技術及提高養分利用率是減緩河流湖泊富營養化的關鍵所在，在“碳達峰、碳中和”［2］和“糧食安全”雙重背景下，提高水田肥料養分利用率將是重要研究課題，具有顯著浸水穩定性的水田長效肥的研發和應用具有重大的社會意義。

為改善水田施肥現狀，浙江科技學院張昌愛教授團隊采用固化成型技術開發出了系列水田長效肥［3］，該水田長效肥的技術核心是采用固化技術在肥料顆粒表層形成固化層，固化層中會摻雜生物基材料（如秸稈、沼渣、淀粉等易分解物質），待其施用到水田后，借助土壤微生物的活動將肥料顆粒的固化層破壞，從而緩慢釋放出養分。該肥料劑型不僅能夠全面滿足水田作物的養分需求，而且具有可在現有復混肥生產工藝中適用、生產簡單易行、價格低廉的特點，生產出的肥料具有顯著的浸水穩定性，并可根據不同水田作物需求，調整養分配比（相關技術已申報專利［3］）。

筆者通過固化劑配方篩選、固化劑用量確定、固化劑與黏合劑比例優選實驗得到了肥料生產推薦參數，并對生產出的肥料進行浸水穩定性評價，為此類肥料的研發提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

主要原料為尿素、氯化鉀和重過磷酸鈣，均為市售產品。

以淀粉（C12H22O11）和氨化褐煤為黏結和分散劑，以聚丙烯酰胺（PAM）為黏合劑，以硅酸鹽水泥、石膏粉的混合物為固化劑，以鈣粉為添加劑。

1.2 實驗方法

1.2.1 固化劑配方篩選實驗

設置硅酸鹽水泥與石膏粉不同比例的實驗處理4個（m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）分別為5、4、3、2），固化劑用量占總混合料質量的8%，采用實驗室內的圓盤造粒工藝制成肥料顆粒，經養護后測定肥料顆粒的強度，以強度大小作為固化效果評價的依據。強度采用南京科環分析儀器有限公司生產的KQ-2型化肥顆粒強度測定儀測定。

1.2.2 固化劑用量確定實驗

設置不同固化劑用量的處理5個，添加質量占總混合料質量的比例分別為1%、2%、4%、8%、12%，肥料的制備、養護和強度分析同1.2.1節。

1.2.3 固化劑與黏合劑比例優選實驗

設置實驗處理4個，固化劑、黏合劑質量比例分別為100∶1、100∶2、100∶3、100∶8，肥料的制備、養護及強度分析同1.2.1節。

1.2.4 肥料顆粒浸水穩定性感官評價方法

選取市場銷售的復混肥料2 種（T1 和T2），以及優化配方制備的水田長效復混肥3種（T3，添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4 的固化劑4%，黏合劑用量為4%；T4，添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4的固化劑8%，黏合劑用量為4%；T5，添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4的固化劑12%，黏合劑用量為4%），各稱取肥料樣品50 g放置在尼龍網袋中，并將其浸泡在固定體積的水中，通過觀察網袋中肥料顆粒情況來評價肥料的浸水穩定性。以“顆粒膨脹”、“粉末分散”和“形狀變化”3 個感官指標為依據，建立的評價打分依據見表1。肥料連續浸泡30 d，在1、2、4、8、12、16、20、25、30 d時記錄得分，最后計算各處理總得分，得分越高表明肥料的浸水穩定性越好。

表1 感官評價打分

1.2.5 肥料浸水養分釋放效果實驗

將制得的肥料樣品（添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4的固化劑8%，黏合劑用量為4%）置于尼龍網袋中，并將其浸泡在固定體積的水中，于不同的時間點取樣，分析釋放的氮、磷、鉀量，計算養分釋放率，直至養分釋放率達80%以上（視為釋放完全）。

1.3 測定方法

利用能量色散X熒光分析（EDXRF）法測定磷元素含量［4］，使用美國賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）的元素分析儀（Flash EA）測定氮元素、鉀元素含量［5］。

1.4 數據處理與分析

采用origin 軟件進行數據處理與分析，采用excel軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 固化劑配方篩選

固化劑配方篩選實驗結果如圖1 所示。由圖1可知，隨著硅酸鹽水泥所占比例增加，固化效果顯著加強，但m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）＞4 時，硅酸鹽水泥占比增加，則固化效果略有降低，因此認為m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4 可作為固化劑配方中硅酸鹽水泥和石膏粉的優化比例。

圖1 固化劑配方對肥料顆粒強度的影響

2.2 固化劑用量確定

通過不同用量梯度的實驗發現，隨著固化劑用量增加，所制備肥料的強度增加，當固化劑添加比例達到8%時，隨著固化劑用量增加，產品強度增加趨勢減緩（見圖2），因此將其優選的比例定為8%較為合適。

圖2 固化劑用量對肥料顆粒強度的影響

2.3 固化劑與黏合劑比例優選

黏合劑作為纖維狀物質固化的輔助手段，有時會弱化固化效果，優選的固化劑與黏合劑比例也是重要生產參數。實驗發現肥料顆粒強度隨m（固化劑）/m（黏合劑）的增大先增大后減?。ㄒ妶D3），對數據進行擬合后得到二次方程y=-2.191 7x2+9.001 7x+85.975，相關系數R2=0.992 8，當m（固化劑）∶m（黏合劑）=90∶1.5時，肥料顆粒強度最大，固化效果最好。

圖3 m（固化劑）∶m（黏合劑）對肥料顆粒強度的影響

2.4 肥料浸水穩定性的感官評價

肥料浸水穩定性實驗感官評價結果如表2 所示。由表2 可知，當固化劑添加量為8%和12%時，肥料浸水穩定性感官評價總得分最高，均為81 分，表明其肥料浸水穩定性最好，這與固化劑用量確定實驗結果一致。

表2 5種肥料的浸水穩定性實驗感官評價結果

2.5 浸水養分釋放效果

水田長效肥浸水養分釋放規律見圖4。

圖4 水田長效肥浸水養分釋放規律

由圖4可知，采用固化技術制備的水田長效肥具有顯著的浸水穩定性，主要表現為：肥料浸水30 d內，各養分的釋放率均不到50%，氮釋放率達到80%需要100 多天，與現有化肥乃至控釋肥相比，肥料的浸水穩定性都有所增強。

3 結論

通過實驗發現采用硅酸鹽水泥和石膏粉組成固化劑有較好的固化效果，認為硅酸鹽水泥與石膏粉質量比為4可作為固化劑的優化比例，且固化劑添加比例達到8%，并滿足m（固化劑）∶m（黏合劑）=90∶1.5時其固化效果最好，所制得肥料穩定性最好，成肥效果最優。該肥料劑型不僅能夠全面滿足水田作物的養分需求，也具有在現有復混肥生產工藝中適用、生產簡單易行、價格低廉的特點，并且生產出的肥料具有顯著的浸水穩定性，也能根據不同水田作物需求，調整養分配比。

對于生產出的肥料如何評價其浸水穩定性，有很多緩控釋肥料的測試技術可以借鑒，也可以將其浸水穩定性和現有緩控釋肥料做直接的對比分析。但在配方篩選時，肥料的浸水穩定性評估若采用長時間的浸泡實驗，會延長評價周期，難以快速選擇和制定配方，因此可建立產品浸水穩定性的感官評價方法。