不同功能型控釋肥料質量安全評價及其對油菜生長效應的影響*

段路路, 董茂忠, 李接勵, 牛彥超

(1.上海化工院檢測有限公司 上海 200062;2.山東師范大學 山東濟南 250014;3.上海化工研究院有限公司 上海 200062)

0 前言

我國是世界上最大的化肥生產國和消費國,化肥產業是現代農業的重要支撐,是關系國計民生的重要基礎[1-2]。由于當前存在化肥利用率低、農業面源污染等突出問題,每年氮磷鉀養分累計損失超過30 760 kt,造成的經濟損失超千億元,嚴重損害國民經濟和居民健康。化肥在保證糧食安全的同時,也給環境造成了巨大的壓力[3],限制了農業綠色發展和鄉村振興戰略的實施。因此,大力發展新型肥料已成為當前化肥工業發展的重點方向[4-5]。

近年來,世界各國都在針對普通化學肥料利用率低,使用過程中容易出現損失且污染環境等問題,紛紛研制養分緩慢釋放或控制釋放的肥料,使肥料的養分釋放規律與作物的養分吸收規律相同步,既可實現一次性施肥省工高效,又可大幅提高肥料的利用率[6]。因此,緩控釋肥料是順應農業可持續發展而產生的新型肥料[7]。雖然我國緩控釋肥料產業的發展時間較短,但通過技術研發取得了較多的成果,眾多工藝已經達到或超過國際先進水平,生產成本也較國外同類產品大幅降低,已經成為世界上最大的緩控釋肥料生產國,我國的緩控釋肥料產品已具有較強的國際競爭力,且主要應用于大田農作物。但由于緩控釋肥料市場還不夠成熟,產品質量和生產技術尚存在一些突出問題亟須研究和解決[8-10]。

極端溫度和鹽漬化等非生物逆境也會從形態學、生理學等方面影響作物生長,同樣也威脅我國的糧食安全[11-12]。因此,通過各種途徑提高作物肥料利用率和抗逆性已成為當前肥料研究領域的熱點[13-15]。目前,國際上傳統的控釋肥料膜材料多為石化產品,不僅成本高,而且資源不可再生[16-18]。研究基于生物基膜材料的增產、提質、促逆等功效的國產化控釋肥料,不僅可以填補國際空白,也是節能降耗、綠色發展、優化產業結構、促進肥料產業健康自主發展的重要體現[19]。

功能型控釋肥料是能夠提高肥效或增強作物抗逆性或改善土壤性能的一類肥料,即對常規氮、磷、鉀肥料,通過一定的工藝、添加某些功能性物質,從而在鹽堿脅迫、水資源短缺、連作障礙、寒冷高溫等逆境條件下,能發揮其特殊功效的肥料[20-21]。

本文針對傳統控釋肥料難以有效克服農業生產中水資源短缺、次生鹽漬化和極端氣候威脅等因素導致的肥料利用率低和作物生理性障礙等問題,研發了3種具有保水、促生、抗鹽等功能的區域化作物專用功能型控釋肥料,并對3種功能型控釋肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞、總鉈等有毒有害物質的含量進行檢測與評價;同時采用油菜盆栽和大田試驗,對油菜全生育期的生物量和產量進行測定,并結合其結果評價3種功能型控釋肥料的作物適應性,為深入認識該類肥料的生產、使用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

3種供試功能型控釋肥料均以復合肥料(15-15-15)為核芯的實驗室自制產品,分別為保水型控釋肥料(WSCRF)、抗鹽型控釋肥料(SRCRF)和促生型控釋肥料(GPCRF)。WSCRF含有生物基高效農林保水劑,SRCRF含有腐殖酸、黃腐酸等功能性物質,GPCRF中添加了宛氏擬青霉提取物等活性物質,復合肥料(15-15-15)、尿素為市售商品肥料。

試驗所用土壤采自上海市崇明區上實現代農業園區7號區13號地,采樣深度為0～20 cm,質地為粉砂質黏壤土,基本理化性狀：pH為8.45,w(全氮)為0.05 g/kg,w(全磷)為0.54 g/kg,w(速效鉀)為0.18 g/kg,w(全鹽)為7.89 g/kg,土壤容重為1.3 g/cm3,田間持水量為34%。

供試作物為油菜,品種為東方二號,品牌為至遠,生育期60 d左右。

1.2 功能型控釋肥料的重金屬含量檢測

采用國家標準《肥料和土壤調理劑 砷、鎘、鉻、鉛、汞含量的測定》(GB/T 39229—2020)[22]中的電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)測定3種功能型控釋肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞含量,采用《肥料中總鎳、總鈷、總硒、總釩、總銻、總鉈含量的測定 電感耦合等離子體發射光譜法》(GB/T 39356—2020)[23]中的ICP-OES法測定3種功能型控釋肥料中鉈含量。

1.3 油菜盆栽試驗

試驗共設8個處理,分別為不施肥(CK)處理、常規施肥(RF1)處理、保水型控釋肥料低量(WSCRF1)處理、保水型控釋肥料高量(WSCRF2)處理、抗鹽型控釋肥料低量(SRCRF1)處理、抗鹽型控釋肥料高量(SRCRF2)處理、促生型控釋肥料低量(GPCRF1)處理、促生型控釋肥料高量(GPCRF2)處理,每個處理重復3次。每盆裝土1.5 kg,每盆定植3棵植株。RF1處理所用肥料為15-15-15市售商品復合肥料,其余處理所用肥料均為實驗室自制肥料。RF1和不同功能型控釋肥料高量處理中1 kg土的氮肥施用量為0.30 g(以N計,下同),不同功能型控釋肥料低量處理的為0.15 g,N、P2O5、K2O施用比例為1∶1∶1。除RF1處理的肥料播種前先施用一半,一個月后再施用另一半外(均勻撒在土壤表面),其他施肥處理的肥料在播種前與土混施。分別在播種后第15天、第30天、第45天、第60天記錄葉片數和葉面積大小,測定方法為選取每盆的代表性植株測定全部葉片求平均值。第60天收獲取樣,取樣后將植株洗凈擦干,測定地上部和根鮮質量。

1.4 油菜大田小區試驗

試驗地位于上海市崇明區上實現代農業園區7號區13號地,共設4個處理,分別為常規施肥(RF2)處理、保水型控釋肥料(WSCRF3)處理、抗鹽型控釋肥料(SRCRF3)處理、促生型控釋肥料(GPCRF3)處理,每個處理均設3次重復。每個小區面積為5 m×5 m,采用隨機區組排列。油菜株距10 cm、行距20 cm,試驗區四周設保護行。試驗所用肥料與油菜盆栽試驗用肥品種一致,其中WSCRF3、SRCRF3、GPCRF3處理的肥料在播種前一次性施入,施肥量為50 kg/畝(1畝=667 m2);RF2在播種前按50 kg/畝施用15-15-15復合肥,并在第30天追施尿素6 kg/畝。分別在播種后第30天、第60天取樣,每個處理隨機選取5棵植株帶根取出,去除泥土等雜物后,分別稱量5棵油菜鮮質量并求平均值。

1.5 數據分析處理

采用Excel軟件進行數據計算和統計分析。

2 結果與討論

2.1 功能型控釋肥料質量安全評價研究

肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞、總鉈等重金屬的含量是影響肥料質量安全的重要指標,也是強制性國家標準《肥料中有毒有害物質限量要求》(GB 38400—2019)[24]中的必測項目。由表1可知,實驗室研制的3種功能型控釋肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞和總鉈的質量分數分別不超過12.82、0.18、2.32、19.28、0.52、0.23 mg/kg,滿足GB 38400—2019中無機肥料w(總砷)≤50 mg/kg、w(總鎘)≤10 mg/kg、w(總鉛)≤200 mg/kg、w(總鉻)≤500 mg/kg、w(總汞)≤5 mg/kg和w(總鉈)≤2.5 mg/kg的限量要求。

表1 不同功能型控釋肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞、鉈的含量 mg/kg

2.2 不同施肥處理對盆栽油菜生長效應的影響

2.2.1 對盆栽油菜長勢的影響

葉片數和葉面積反映了油菜的生長狀況。在油菜生長的整個生育期,各處理的油菜葉片數和葉面積總體變化規律是前期有明顯升高,中后期逐漸達到平衡,符合植物生長規律,見圖1。

圖1 不同施肥處理的盆栽油菜葉片數和葉面積

從圖1(a)可看出：CK處理的油菜葉片數始終處于最低水平;3種功能型控釋肥料高量處理的油菜葉片數明顯高于低量處理的;除了WSCRF1處理后期的葉片數低于RF1處理的,其余控釋肥處理的葉片數明顯高于RF1處理的,且以GPCRF2、SRCRF2處理的表現較優。從圖1(b)可看出：不同施肥處理對油菜葉面積的影響規律與葉片數的相似,CK處理的油菜葉面積始終處于最低水平;在油菜生長前期,各處理的油菜葉面積無明顯差異,但在第60天時,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理的油菜葉面積比CK處理的分別提高了77.0%、126.6%、79.1%、195.9%、102.9%、188.1%,同時WSCRF2、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2等4個處理的油菜葉面積也明顯高于RF1處理的。

試驗結果表明：功能型控釋肥料能根據油菜生長的需求適時地釋放養分,并且因添加了促生、抗鹽、保水功效物質,可以明顯提高油菜的葉片數和葉面積;在施肥量減少一半的情況下,促生型和抗鹽型控釋肥料處理的油菜葉片數明顯優于RF1處理的,同時促生型控釋肥料處理的油菜葉面積也明顯優于RF1處理的。

2.2.2 對盆栽油菜生物量的影響

在肥料質量或肥效評價中,作物的產量是重要的指標,不同施肥處理對盆栽油菜生物量的影響見圖2。

圖2 不同施肥處理對盆栽油菜生物量的影響

從圖2可看出：施用不同功能型控釋肥料的油菜地上部和根鮮質量均高于CK處理的;GPCRF2處理的生物量最高,低施肥量處理的生物量次于對應高施肥量處理的。在對地上部鮮質量的影響上,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理比CK處理分別提高了20.0%、89.2%、36.9%、118.5%、43.1%、135.4%,WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2處理比RF1處理分別提高了43.0%、65.1%、77.9%。在對根鮮質量的影響上,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理比CK處理分別提高了43.5%、121.7%、56.5%、156.5%、69.9%、195.7%,WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2處理比RF1處理分別提高了50.0%、73.5%、100.0%。由于盆栽油菜生育期為60 d,控釋肥料的養分釋放期與此接近,并且在油菜整個生育期土壤保持了較高的養分水平,持續地為油菜生長發育提供養分,為油菜的高產打下了良好的基礎,最終表現為油菜地上部和根鮮質量均得到較大幅度的增加。

2.3 不同施肥處理對大田油菜生長效應的影響

植物地上部和根的生長發育及功能之間存在相互依存、互為競爭的關系,植物的生長取決于地上部及根之間的生長和功能的平衡。與盆栽試驗相比,大田試驗更能反映植物的實際生長情況,見表2。

表2 不同施肥處理的大田油菜生物量

從表2可知：在第30天,各處理的油菜地上部鮮質量由大到小的順序為SRCRF3>GPCRF3>WSCRF3>RF2,不同施肥處理對根鮮質量的影響與對油菜地上部鮮質量的影響規律一致;在第60天,WSCRF3、SRCRF3、GPCRF3處理的油菜地上部鮮質量比RF2處理的分別提高了63.9%、83.8%和143.3%,根鮮質量分別提高了67.4%、83.7%和143.1%。由此可見,在減少施肥量的情況下,施用功能型控釋肥料也能明顯促進油菜的生長,且以促生型控釋肥料的效果較優。

3 結語

具有保水、促生和抗鹽功能的3種功能型控釋肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞和總鉈的含量滿足GB 38400—2019中對相關重金屬指標的限量要求。在油菜盆栽試驗中,收獲時,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理的葉面積比CK處理的分別提高了77.0%、126.6%、79.1%、195.9%、102.9%、188.1%,同時3種功能型控釋肥料高量處理的油菜葉面積也明顯高于RF1處理的;WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2處理的地上部鮮質量比RF1處理的分別提高了43.0%、65.1%、77.9%。油菜大田試驗結果表明,在減少施肥量的情況下,施用功能型控釋肥料能明顯促進油菜的生長,且以促生型控釋肥料的效果較優。

與常規肥料相比,功能型控釋肥料能促進油菜的生長,并且油菜的長勢和生物量明顯提高。因此,功能型控釋肥料對于作物的增產具有明顯的作用,通過對肥料與作物匹配性的評價,并將兩者結合起來,可以為制造適合作物生長發育的專用功能型控釋肥料提供科學依據。