炭基復(fù)混肥氮鉀緩釋特性研究

楊凱 王家寶 王莉 林清火 華元?jiǎng)? 羅微 茶正早

摘 要 為探究生物質(zhì)炭及其用量對(duì)肥料養(yǎng)分的緩釋效果，利用實(shí)驗(yàn)室圓盤(pán)造粒機(jī)制備了生物質(zhì)炭用量為10%、20%、30%的炭基復(fù)混肥，采用土柱模擬淋溶法研究了炭基復(fù)混肥在土壤中氮、鉀淋出率。結(jié)果表明：添加生物質(zhì)炭能夠減少肥料氮、鉀淋出量，且隨著生物質(zhì)炭用量的增加炭基復(fù)混肥氮、鉀素累積淋出率逐漸減小。當(dāng)?shù)?0次淋溶時(shí)，生物質(zhì)炭用量為10%、20%、30%炭基復(fù)混肥的氮素累積淋出率分別較不添加處理減少了6.03%、12.49%、33.72%，鉀素累積淋出率較不添加處理分別減少了5.15%、5.29%、13.58%，且添加30%生物質(zhì)炭處理顯著大于其他處理。用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程和拋物線(xiàn)方程對(duì)各處理養(yǎng)分釋放曲線(xiàn)擬合，結(jié)果顯示一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合效果最好，可用于表征氮、鉀素累積淋出率與時(shí)間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)炭；炭基復(fù)混肥；氮鉀淋出率；緩釋效果

中圖分類(lèi)號(hào) S14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract In order to explore the slow-release effect of a biochar fertilizer， biochar compound fertilizers granulated with 10%， 20%， 30% biochar were prepared， and the nitrogen and potassium leaching property was studied using soil column method. The results showed that adding biomass carbon could reduce the amount of nitrogen and potassium leaching， and the rate of nitrogen and potassium accumulation decreased with the increase of biomass carbon content. The nitrogen leaching rate of the biochar compound fertilizer with 10%， 20%， 30% biochar was 6.03%， 12.49%， 33.72% less than that of the control， and the potassium accumulation leaching rate was 5.15%， 5.29% and 13.58% less than that of the control. The treatment with 30% of biochar was the best. With the first-order kinetic equation， Elovich equation and parabolic equation on the nutrient release curve fitting， the results showed the best fitting kinetic equation could be used to characterize the effect of nitrogen and potassium accumulation leaching rate and the relationship between the time.

Key words slow release fertilizer rods； nitrogen and potassium leaching rate； slow-release effect

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.04.004

生物質(zhì)炭具有孔隙多、比表面積巨大、微粒表面帶有電荷等性質(zhì)，使其具有吸附固持肥料養(yǎng)分的特性，大多由農(nóng)田廢棄物等廉價(jià)原料加工而來(lái)。因此，將其作為肥料的緩釋載體，不僅可以有效提高速效肥料養(yǎng)分的利用率，相對(duì)傳統(tǒng)緩/控釋肥料還可以降低原料成本及環(huán)境成本。為此，科研人員開(kāi)展了生物質(zhì)炭包膜肥[1-3]和木炭吸附肥[4-6]等新型緩/控釋肥料研究，并取得了一定效果，但主要采用包膜和吸附工藝，工藝較為復(fù)雜。本文以生物質(zhì)炭為緩釋材料，與普通肥料、填充料混勻，利用圓盤(pán)肥料造粒機(jī)造粒制備炭基復(fù)混肥，研究了炭基復(fù)混肥在海南磚紅壤中的養(yǎng)分淋出特性，以期明確生物質(zhì)炭及其用量對(duì)肥料養(yǎng)分的緩釋效果。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 炭基復(fù)混肥制備 炭基復(fù)混肥養(yǎng)分配比為16-6-8 （N-P2O5-K2O），將生物質(zhì)炭、尿素、磷酸一銨、氯化鉀分別粉碎、過(guò)60目篩，并按試驗(yàn)設(shè)計(jì)用量混勻，加入圓盤(pán)造粒機(jī)中，均勻噴入粘結(jié)劑溶液，待顆粒直徑達(dá)到3～5 mm且較均勻后取出、干燥。炭基復(fù)混肥制備過(guò)程中生物質(zhì)炭用量為10%、20%、30%，分別表示為M1、M2、M3，并以等養(yǎng)分含量的普通肥料M0為對(duì)照。

1.1.2 供試土壤 供試磚紅壤采自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)五隊(duì)試驗(yàn)基地表層0～20 cm土壤，自然風(fēng)干后備用。成土母質(zhì)為片麻巖，土壤全氮、速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)含量分別為0.48 g/kg、40.60 mg/kg、4.20mg/kg、11.07 g/kg，土壤pH為4.80。

1.2 方法

1.2.1 炭基復(fù)混肥緩釋效果評(píng)價(jià) 采用土柱淋溶法，淋溶裝置為高50 cm、內(nèi)徑5 cm的PVC管，底部用200目紗網(wǎng)封口。先加入過(guò)3 mm篩洗凈石英砂100 g（高約4 cm），然后裝入過(guò)1 mm篩的供試風(fēng)干土400 g（高約20 cm），壓實(shí)，再分別加入生物質(zhì)炭含量分別為0%、10%、20%、30%的炭基復(fù)混肥5.2 g（0.8 g N，0.4 g K2O），與400 g過(guò)1 mm篩的風(fēng)干土的土肥混合物（高約20 cm），最后覆以100 g石英砂，以排除淋溶時(shí)對(duì)土層的擾動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，土柱先加水至接近飽和，靜置24 h，然后加去離子水100 mL進(jìn)行淋溶，用錐形瓶收集淋溶液，待不再有水滴出為止，對(duì)淋溶液進(jìn)行搖勻取樣，用連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國(guó)Bran+Luebbe公司AA3）測(cè)定液樣中氮含量，用火焰光度計(jì)測(cè)定鉀含量。以刺有小孔的塑料薄膜封閉PVC管上口，室溫培養(yǎng)2 d后，繼續(xù)添加100 mL去離子水進(jìn)行第二次淋溶，同時(shí)收集淋出液，并取樣液分析。以后各次按同樣方法進(jìn)行操作，共淋溶10次。以不加肥料的土柱作為空白對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)5次。

1.2.2 炭基復(fù)混肥養(yǎng)分累積淋出率曲線(xiàn)方程擬合 本研究利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線(xiàn)方程對(duì)炭基復(fù)混肥養(yǎng)分累積淋出率曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（1）、Elovich方程（2）、拋物線(xiàn)方程（3）如下：

N = No×[1 -exp（-k×t）] （1）

N = a+b×lnt （2）

N = a+b×t0.5 （3）

式中：N ——t時(shí)間段內(nèi)養(yǎng)分累積淋出率（%）；

No ——最大養(yǎng)分累積淋出率（%）；

a，b——方程常數(shù)；

k ——速率常數(shù)（d-1）；

t ——淋溶時(shí)間（d）。

擬合方程用SPSS 22統(tǒng)計(jì)軟件的非線(xiàn)性回歸統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行擬合，并計(jì)算其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft office EXCEL 2016軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算、繪制圖表，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基復(fù)混肥氮素累積淋出率曲線(xiàn)

由圖1可知，對(duì)照處理M0與炭基復(fù)混肥M1、M2、M3的氮素累積淋出率曲線(xiàn)均為拋物線(xiàn)型。炭基復(fù)混肥的氮素釋放過(guò)程可以分為3個(gè)階段：（1）快速釋放階段，在前3次淋溶內(nèi)養(yǎng)分釋放相對(duì)較快；（2）中速釋放階段，為第4～6次淋溶，養(yǎng)分釋放有所減緩；（3）平穩(wěn)釋放階段，從第7次至淋溶結(jié)束，養(yǎng)分平穩(wěn)釋放。從第1次淋溶開(kāi)始各處理的氮素累積淋出率逐漸增大，且M3處理明顯低于其他處理。在第4次淋溶時(shí)，M0的累積淋出率已達(dá)到了80.27%，而M1、M2、M3的累積淋出率分別為72.59%、66.63%、45.43%，較M0分別減少7.68%、13.56%、34.84%，此時(shí)M3的氮素淋出量為M0的56.59%，且M0、M1、M2、M3第4次淋溶的累積淋出率較首次淋出率的增幅分別為32.20%、29.27%、33.85%、25.89%，各處理的氮素淋出率開(kāi)始緩慢下降。當(dāng)淋溶第6次時(shí)，M0的累積淋出率達(dá)到83.61%，M1、M2、M3的累積淋出率分別為75.54%、69.38%、48.14%，較M0分別減少6.71%、12.87%、34.11%，各處理在第6次淋溶后累積淋出率趨于平穩(wěn)。整個(gè)淋溶期內(nèi)，M1、M2、M3的氮素累積淋出率均小于對(duì)照處理M0。可見(jiàn)，添加生物質(zhì)炭可減緩肥料氮素淋出，且隨著生物質(zhì)炭用量的增加氮素淋出抑制效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)用量達(dá)到30%時(shí)，炭基復(fù)混肥氮素緩釋效果最佳。

2.2 炭基復(fù)混肥氮素首次淋出率和累積淋出率差異分析

由圖2-A可知，M1、M2、M3的首次淋出率差異顯著，M3處理的首次溶出率最低，分別比M1、M2處理減少了23.78%和13.23%，但M1與對(duì)照M0差異不顯著（p>0.05）。炭基復(fù)混肥M1、M2、M3的氮素首次淋出量分別占施用氮素總量的43.32%、32.77%和19.54%，較對(duì)照M0分別減少了4.75%、15.30%、28.53%。圖2-B顯示，炭基復(fù)混肥M1、M2、M3的處理氮素累積淋出量分別占施用氮素總量的78.20%、71.74%和50.51%，較未加生物質(zhì)炭處理M0減少了6.03%、12.49%、33.72%。與M1、M2處理相比，M3處理的氮素累積淋出率最小，分別比M1、M2處理減少了27.69%和21.23%，差異顯著（p<0.05），而M1與M0、M2之間差異不顯著（p>0.05）。表明添加生物質(zhì)炭能夠減少肥料氮素首次淋出量和累積淋出量，減少肥料氮素淋失，其中生物質(zhì)炭用量為30%時(shí)，效果更為明顯。

2.3 炭基復(fù)混肥鉀素累積淋出率曲線(xiàn)

由圖3可知，對(duì)照處理M0與炭基復(fù)混肥M1、M2、M3的鉀素累積淋出率曲線(xiàn)均為拋物線(xiàn)型，各處理鉀素淋出量前3次淋出率均呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且M1、M2、M3處理的鉀素淋出率均大于不添加生物質(zhì)炭處理。當(dāng)?shù)?次淋溶時(shí)，炭基復(fù)混肥M1、M2、M3處理鉀素淋出量分別占施用鉀素總量的40.17%、37.61%、30.31%，較未加生物質(zhì)炭處理的M0分別減少了7.98%、10.52%、17.82%，M3淋出速率是M0的62.96%，且M0、M1、M2、M3第4次淋溶的鉀素淋出率較首次淋出率增幅分別為34.02%、30.98%、30.36%、25.04%，其增幅隨著生物質(zhì)炭增加量的增加逐漸減小。從第5次淋溶后，炭基復(fù)混肥M1、M2的鉀素累積淋出率曲線(xiàn)近似重合，鉀素累積淋出率小于不添加生物質(zhì)炭處理M0，但大于炭基復(fù)混肥M3處理。

2.4 炭基復(fù)混肥鉀素首次淋出率和累積淋出率差異分析

從圖4-A可看出，添加生物質(zhì)炭各處理的鉀素首次淋出率均顯著小于對(duì)照M0，炭基復(fù)混肥M1、M2、M3處理的鉀素首次淋出量分別占施用鉀素總量的9.19%、7.26%、5.27%，較對(duì)照M0分別減少了4.92%、6.85%、8.84%，但M2與M1、M3處理間差異不顯著（p>0.05）。與M1、M2處理相比，M3處理的首次淋出率最小，分別較M1、M2處理減少了3.92%和1.98%。10次淋溶結(jié)束后，炭基復(fù)混肥M1、M2、M3處理的鉀素累積淋出率顯著小于對(duì)照M0（圖4-B），但炭基復(fù)混肥M1、M2處理間差異不顯著。炭基復(fù)混肥M1、M2、M3處理的鉀素累積淋出量分別占施用鉀素總量的51.48%、51.34%、43.05%，較對(duì)照M0減少了5.15%、5.29%、13.58%，M3顯著低于其他處理?？梢?jiàn)，炭基復(fù)混肥可顯著減少鉀素淋出量，減少鉀素淋失，對(duì)鉀具有一定緩釋作用，且當(dāng)生物質(zhì)炭用量達(dá)到30%時(shí)，鉀素緩釋效果顯著提升。

2.5 炭基復(fù)混肥養(yǎng)分累積釋放曲線(xiàn)方程擬合

對(duì)炭基復(fù)混肥氮鉀累積淋出率曲線(xiàn)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線(xiàn)方程進(jìn)行擬合（表1），3個(gè)方程擬合結(jié)果顯示，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線(xiàn)方程擬合的相關(guān)系數(shù)r均達(dá)到極顯著水平，3個(gè)方程對(duì)于炭基復(fù)混肥氮鉀累積淋出率曲線(xiàn)均具有較好的擬合度。對(duì)于炭基復(fù)混肥氮素累積淋出率曲線(xiàn)的擬合，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程相關(guān)系數(shù)r最高（r=0.959**～0.991**），同時(shí)殘差標(biāo)準(zhǔn)誤最?。⊿E=0.71%～3.71%），擬合效果最佳；對(duì)于炭基復(fù)混肥鉀素累積淋出率曲線(xiàn)的擬合，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程相關(guān)系數(shù)r為0.993**～0.997**，SE為0.29%～0.70%，擬合效果最佳。而一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程中的參數(shù)k反應(yīng)了養(yǎng)分釋放速率，k值越大釋放速率越快。由表1可知，M0、M1、M2、M3氮素、鉀素的k值均逐漸減小，表明隨著生物質(zhì)炭用量增加，炭基復(fù)混肥的氮素、鉀素淋出速率逐漸減小，緩釋作用增強(qiáng)。

3 討論

我國(guó)熱區(qū)氣候特點(diǎn)為降雨量大，且水、溫同步，這使得磚紅壤陽(yáng)離子交換量（CEC）和鹽基飽和度低，鋁飽和度高，土壤養(yǎng)分容易淋溶損失。加上肥料施用量較大，磚紅壤地區(qū)肥料養(yǎng)分淋失問(wèn)題極為突出，成為限制磚紅壤地區(qū)肥料利用率提高的主要因素[7]。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)熱裂解的固體產(chǎn)物，具有許多特異的性質(zhì)，如多孔芳香結(jié)構(gòu)，表面帶有多種官能團(tuán)，具有吸附離子和分子的能力，一般含有一定量灰分，大多呈堿性[8]。鐘婷[9]將水稻秸稈炭化配肥還田，結(jié)果表明，向稻田中加入生物質(zhì)炭，能夠較好避免秸稈降解對(duì)稻田土壤的氨揮發(fā)作用。王小鵬[10]在茶園土壤中施入生物質(zhì)炭發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可以顯著抑制氨態(tài)氮的徑流，從而降低氨態(tài)氮的淋溶速率。劉會(huì)[11]等在不同基質(zhì)對(duì)果園土壤影響的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可以顯著降低土壤容重，優(yōu)化根系生長(zhǎng)環(huán)境，增加有益微生物數(shù)量。其他研究也表明，生物質(zhì)炭可以提高土壤的pH值，大幅度提升土壤有機(jī)碳含量，提高土壤陽(yáng)離子交換量，增強(qiáng)土壤保水保肥能力，改善作物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，提高作物產(chǎn)量[12-13]。

本研究將生物質(zhì)炭作為肥料養(yǎng)分緩釋材料，通過(guò)造粒工藝，制備了不同生物質(zhì)炭用量的炭基復(fù)混肥。研究結(jié)果表明，炭基復(fù)混肥可顯著減少氮素、鉀素淋出量，減少氮素、鉀素淋失，對(duì)氮素、鉀素具有一定緩釋效果。而且隨著生物質(zhì)炭用量的增加，肥料氮素、鉀素緩釋效果逐漸加增強(qiáng)，當(dāng)生物質(zhì)炭用量達(dá)到30%時(shí)，鉀素緩釋效果顯著提升。與未加生物質(zhì)炭處理相比，添加10%、20%、30%生物質(zhì)炭的炭基復(fù)混肥氮素首次淋出量分別減少了4.75%、15.30%、28.53%，氮素累積淋出量分別減少了6.03%、12.49%、33.72%，鉀素首次淋出量分別減少了9.19%、7.26%、5.27%，鉀素累積淋出量分別減少了5.15%、5.29%、13.58%。這與DeLuca[14]等研究結(jié)果一致，其原因在于炭基復(fù)混肥中生物質(zhì)炭均勻的分布在肥料顆粒中，而生物質(zhì)炭帶有大量的正負(fù)電荷，可以吸附 NH4+、NO3-、K+，從而減弱養(yǎng)分運(yùn)移，減少氮鉀的淋失。另外，本研究還利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線(xiàn)方程對(duì)炭基復(fù)混肥的氮鉀累積淋出率曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，其中一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合效果最佳，其表征氮、鉀養(yǎng)分釋放率的參數(shù)k值均表現(xiàn)為：M0>M1>M2>M3，表明炭基復(fù)混肥的氮、鉀釋放速度均要小于普通肥料，且其緩釋效果隨著生物質(zhì)炭的增加而增加。

本試驗(yàn)雖然研究了炭基復(fù)混肥的緩釋特性，但炭基復(fù)混肥對(duì)土壤、農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響沒(méi)有進(jìn)一步的進(jìn)行研究，是否符合農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律、在實(shí)際生產(chǎn)中的肥效如何還需要研究和論證。

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