海藻酸增效劑及含海藻酸增效尿素的制備和應(yīng)用

陳振偉

(瑞星集團股份有限公司 山東東平 271500)

0 前言

自20世紀90年代開始，我國就已經(jīng)成為全球最大的化肥生產(chǎn)和消費國。據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計，2020年農(nóng)用氮、磷、鉀化肥產(chǎn)量達到54 959.7 kt[1]，農(nóng)用氮肥施用量折純?yōu)?8 338.6 kt[2]。尿素是我國化學氮肥的主要品種之一，含氮質(zhì)量分數(shù)≥46%，在所有氮肥中是最高的，是一種最常用的速溶性肥料，特別適用于春季追肥。雖然尿素含氮量最高，施用效果明顯，但是尿素施入土壤后，并不能被農(nóng)作物直接吸收利用，需要在脲酶的作用下水解成碳酸銨或碳酸氫銨。銨根離子被農(nóng)作物吸收和土壤膠體吸附后，在水淹條件或堿性土壤中，容易轉(zhuǎn)化為氨氣揮發(fā)掉，沒有被吸附的銨根離子隨水滲入地下流失，總的來說利用率相對較低。據(jù)統(tǒng)計，我國小麥、水稻和玉米對氮肥的利用率較低，為28%～41%[3]。尿素施用量大，土壤硬化板結(jié)加劇，為減少尿素等氮肥的施用量，自2015年以來，原農(nóng)業(yè)部組織開展了化肥農(nóng)藥使用量零增長行動。經(jīng)過5年的努力，截至2020年底，我國化肥農(nóng)藥減量增效已順利實現(xiàn)預(yù)期目標，化肥農(nóng)藥使用量顯著減少，化肥農(nóng)藥的利用率明顯提升，促進種植業(yè)高質(zhì)量發(fā)展效果明顯。經(jīng)科學測算，2020年我國水稻、小麥、玉米等三大糧食作物的化肥利用率為40.2%，比2015年提高5%[4]，但是距發(fā)達國家50%～60%的利用水平還有一定的差距。通過揮發(fā)、淋洗和徑流等途徑損失的尿素，不能得到有效轉(zhuǎn)化，但卻消耗了大量的煤，并造成土壤硬化板結(jié)，土地管理成本大幅增加，無形之中也加大了農(nóng)民的負擔。對尿素中氮的流失機理進行研究，開發(fā)新型肥料增效劑、新型增效肥料產(chǎn)品及其生產(chǎn)工藝，減少氮素的損失，提高利用率是十分必要的。

國內(nèi)外關(guān)于肥料增效劑、新型增效肥料產(chǎn)品及其生產(chǎn)工藝的研究已相繼開展，特別是海藻提取物作為肥料增效劑的研究歷史更為悠久。16世紀英國人就開始利用海藻制取肥料，在法國、加拿大等國家都有采集海藻制取堆肥的習慣，施用效果很好[5]；韓麗君等[6]采用熒光分光光度法對16種我國東部沿海生長的海藻進行了檢測，結(jié)果顯示海藻中含有植物生長素和類植物生長素；孫杰等[7]采用高效液相色譜法測定了煙臺沿海常見海藻中的16種氨基酸，證實了海藻提取物中含有能夠促進生長的植物生長素及多種氨基酸，是十分優(yōu)良的肥料增效劑。基于此，2010年瑞星集團股份有限公司與中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃研究所簽訂了新型增值改性尿素研究開發(fā)協(xié)議，聯(lián)合研發(fā)新型海藻酸肥料增效劑及含海藻酸增效尿素。

1 海藻酸增效劑的制備

國內(nèi)外對海藻酸的提取工藝開展了廣泛的研究，澳大利亞、新西蘭和挪威的大部分廠家采用熱水對干的或濕的海藻進行萃取，必要時添加碳酸鈉或氫氧化鉀進行水解。李國庭[8]以天然海藻為主要原料，配以少量氫氧化鉀，在高壓下水解，經(jīng)固液分離等步驟制得海藻肥料。為進一步提高海藻酸增效劑中相對分子質(zhì)量較小的活性物質(zhì)含量，提高增效劑的使用效果，瑞星集團股份有限公司與中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃研究所共同研究開發(fā)采用微生物發(fā)酵制備海藻酸增效劑的新工藝。

1.1 發(fā)酵產(chǎn)物制備

發(fā)酵產(chǎn)物制備工藝流程見圖1。

圖1 發(fā)酵產(chǎn)物制備工藝流程

選取馬尾藻、蕨藻等我國東部沿海常見的藻類，經(jīng)低溫烘干、粉碎得到海藻粉；將海藻粉、玉米面、葡萄糖溶于水中攪拌獲得海藻粉溶液，通過添加無機酸或無機堿調(diào)節(jié)物料pH為6～8；將EM菌群發(fā)酵液、葡萄糖、水等混勻，裝入密閉容器中存放20～30 h，得到EM發(fā)酵菌群儲備液；用水稀釋EM發(fā)酵菌群儲備液后噴灑在發(fā)酵物料表面并攪拌均勻，室溫下堆置發(fā)酵5～10 d，得到發(fā)酵產(chǎn)物。

在上述制備過程中，馬尾藻等藻類經(jīng)過低溫烘干、粉碎，有效保證了藻類中的活性物質(zhì)不會被高溫破壞；噴灑EM發(fā)酵菌群儲備液堆置發(fā)酵，將海藻中的有機大分子分解為海藻酸、氨基酸等活性小分子，大幅提高了海藻酸發(fā)酵產(chǎn)物的活性。

1.2 海藻酸增效劑制備

海藻酸增效劑制備工藝流程見圖2。

圖2 海藻酸增效劑制備工藝流程

將制得的發(fā)酵產(chǎn)物投入反應(yīng)釜中，添加NaOH/Na2CO3溶液，加熱至70～100 ℃，攪拌提取6～12 h，通過壓濾機壓濾，濾液經(jīng)蒸發(fā)濃縮得到發(fā)酵海藻提取液；在發(fā)酵海藻提取液中添加Na2B8O13、ZnSO4、MnSO4等微量元素溶液，攪拌混合均勻得到海藻酸增效劑。該海藻酸增效劑含有豐富的植物生長素、多種氨基酸及微量元素，對促進植物生長發(fā)育具有重要的作用。

2 海藻酸增效劑的技術(shù)指標

海藻酸增效劑的技術(shù)指標見表1。

表1 海藻酸增效劑的技術(shù)指標

3 含海藻酸增效尿素的制備

含海藻酸增效尿素的制備工藝流程見圖3。

圖3 含海藻酸增效尿素的制備工藝流程

將海藻酸增效劑稀釋至質(zhì)量分數(shù)為5%～15%，置于海藻酸增效劑儲槽中備用。制備含海藻酸尿素時，按噸尿素添加12～15 kg的海藻酸增效劑將儲槽中的海藻酸增效劑泵入一段蒸發(fā)器中，在一段蒸發(fā)器底部與熔融尿素混合均勻，混合液經(jīng)加熱、蒸發(fā)、分離，靠重力及真空度差進入二段蒸發(fā)器進一步蒸發(fā)濃縮，經(jīng)分離器分離后由熔融尿液泵加壓送入造粒塔，造粒塔塔底得到的含海藻酸增效尿素通過傳送帶送往貯運包裝工段進行包裝。

含海藻酸增效尿素的制備是在現(xiàn)有尿素生產(chǎn)工藝及裝置的基礎(chǔ)上，添加海藻酸增效劑儲槽、輸送泵等設(shè)備，投資少、操作簡便，實現(xiàn)了含海藻酸增效尿素的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，有利于減輕農(nóng)民負擔。

4 含海藻酸增效尿素產(chǎn)品標準指標

含海藻酸增效尿素已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并已制定了企業(yè)標準《含海藻液改性尿素》(Q/370923 DRY002—2018)，各項指標見表2。

表2 企業(yè)標準中的相關(guān)指標

5 海藻酸增效劑的作用機理及含海藻酸增效尿素的施用效果

5.1 海藻酸增效劑的作用機理

海藻酸增效劑中含有豐富的海藻酸、吲哚乙酸、赤霉素、萘乙酸等有機物和植物生長素，可以有效促進作物根系生長，提高根系活性，增強作物吸收養(yǎng)分的能力。

上述物質(zhì)還可以抑制土壤中脲酶的活性，降低尿素中氨的揮發(fā)，減少損失，在作物抗旱、抗鹽堿和提高農(nóng)作物品質(zhì)方面具有重要作用。

海藻酸增效劑中的大分子物質(zhì)與尿素發(fā)生反應(yīng)，通過氫鍵等作用力延緩尿素在土壤中的釋放和轉(zhuǎn)化，減少流失，提高尿素的利用率。

海藻酸增效劑中添加了硼、鋅、錳等微量元素，為作物提供必需的營養(yǎng)元素，促進作物生長，有助于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

5.2 含海藻酸增效尿素的施用效果

5.2.1 對氨揮發(fā)的影響

試驗采用靜態(tài)吸收法，按1 kg土施氮0.84 g進行施肥。取干土500 g(過1 mm篩)，與肥料混合均勻放入試驗桶(15.0 cm×8.5 cm×17.5 cm)內(nèi)，加入水，用手捏緊試驗土壤至成團不散且無水流出為宜，將8只裝有10 mL質(zhì)量分數(shù)2%硼酸溶液的小試驗杯放入試驗桶內(nèi)密封，最后將試驗桶置于人工氣候箱中。試驗設(shè)普通尿素(U)和含海藻酸增效尿素(HU)2個處理，每個處理重復(fù)6次，指示劑采用甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑。人工氣候箱中保持培養(yǎng)溫度為25 ℃，到達預(yù)定試驗時間分別取出小試驗杯，用0.02 mol/L的H2SO4溶液滴定，并換算成揮發(fā)的純氮量。25 ℃下氨揮發(fā)累積量動態(tài)變化見表3。

表3 25 ℃下氨揮發(fā)累積量動態(tài)變化

由表3可以看出，與普通尿素相比，含海藻酸增效尿素35 d累計氨揮發(fā)量下降41.77%，氨揮發(fā)抑制作用明顯。

5.2.2 對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

試驗地點設(shè)在山東省泰安市東平縣，供試土壤為潮土。試驗用原狀土柱高90 cm、直徑20 cm，裝土量為36.4 kg。試驗設(shè)不施肥(CK)、普通尿素(U)和含海藻酸增效尿素(HU)3個處理，每個處理重復(fù)8次，隨機排列。除CK處理外，施氮水平均為每柱施純氮2 g；每柱施過磷酸鈣(P2O5質(zhì)量分數(shù)16%)12.50 g、氯化鉀(K2O質(zhì)量分數(shù)60%)3.33 g；氮、磷、鉀肥在裝柱時一次性施入。每柱播種5粒玉米種子，出苗后定植一棵。施用不同氮肥處理的玉米產(chǎn)量見表4。

表4 施用不同氮肥處理的玉米產(chǎn)量

由表4可以看出，與施用普通尿素相比，施用海藻酸增效尿素能提高玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)率為11.49%。

6 結(jié)語

海藻酸增效劑采用低溫烘干、粉碎和EM發(fā)酵菌群儲備液堆置發(fā)酵，有效保證了海藻酸、氨基酸等活性小分子的數(shù)量和活性，并在其中添加硼、鋅、錳等植物生長所需的多種微量元素，對促進植物生長發(fā)育具有重要的作用。含海藻酸增效尿素的制備是在現(xiàn)有尿素生產(chǎn)工藝及裝置的基礎(chǔ)上，添加海藻酸增效劑儲槽、輸送泵等設(shè)備，投資少、操作簡便，實現(xiàn)了含海藻酸增效尿素的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，噸尿素成本增加約150元。含海藻酸增效尿素對玉米產(chǎn)量有促進作用，能夠有效抑制氨揮發(fā)(氨揮發(fā)量下降40%以上)，可改善土壤生態(tài)環(huán)境，提高企業(yè)的產(chǎn)品競爭力和經(jīng)濟效益，具有廣闊的市場前景。