脲醛緩釋肥料棒氮素緩釋特性研究

林清火，劉海林，楊 凱，華元?jiǎng)偅枵?，羅 微

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究中心，海南 儋州 571737)

施用緩/控釋肥料是減輕氮素?fù)p失的有效途徑之一[1-3]，近年來緩/控釋肥料已成為肥料研究的熱點(diǎn)，緩/控釋肥料在我國發(fā)展迅速。其中脲醛類緩釋氮肥是最早被研發(fā)成功，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的緩釋肥料，是目前世界范圍內(nèi)施用量最大的緩釋肥料，成為備受關(guān)注的緩釋氮肥品種[4-7]。脲甲醛是由尿素與甲醛在一定條件下反應(yīng)縮合而成，由冷水可溶氮、冷水不溶氮和熱水不溶氮3部分組成，具有速效與緩釋相濟(jì)的功能[8-9]。施入土壤后，主要是靠土壤微生物分解釋放氮素，使肥效期延長，養(yǎng)分利用率提高。而且脲甲醛由于其具有良好的緩釋性和物理性能，可用于加工生產(chǎn)摻混肥、復(fù)合肥和液體肥[4]。鑒于目前經(jīng)濟(jì)林、果樹主要施用普通肥料，存在施肥量大，施肥次數(shù)多，肥料養(yǎng)分易揮發(fā)、淋失等問題。本文將脲甲醛作為緩釋氮源，以水溶性保水劑作為粘結(jié)劑和緩釋材料，與普通肥料、填充料混勻，利用自制肥料成型機(jī)擠壓制備脲醛緩釋肥料棒，測定了其密度、壓縮比以及抗壓強(qiáng)度，研究了脲醛緩釋肥料棒養(yǎng)分淋溶特性，以期為改進(jìn)林木、果樹施肥技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 脲醛緩釋肥料棒制備

將脲甲醛(氮含量37.6%，活性指數(shù)54.87%)、尿素、磷酸二銨、氯化鉀、粘結(jié)劑(聚丙烯酰胺)、填充料分別粉碎、過篩，計(jì)量后加入混合機(jī)中，噴入水1.5～5份攪拌均勻，利用肥料成型機(jī)在0.5～1.0 MP壓力下擠壓制成粒徑4.5 cm、長6～10 cm的脲醛緩釋肥料棒(養(yǎng)分配比均為16-6-8)(圖1)。試驗(yàn)中粘結(jié)劑用量為6%，脲甲醛用量為脲甲醛氮量占緩釋肥料棒總氮的0、25%、50%、75%，分別用FR、UFR1、UFR2、UFR3表示，并以等養(yǎng)分含量的普通肥料F為對(duì)照。

圖1 脲醛緩釋肥料棒

1.2 肥料棒物理性能測定

肥料棒密度測定：測出各處理肥料棒成品的直徑及高度，再稱量肥料棒重量，計(jì)算肥料棒密度ρ。

肥料棒原料粉粒的壓縮比：加壓前原料粉末的體積與脫模后肥料棒的體積之比。

肥料棒的抗壓性測試：將壓制成型的各處理肥料棒直立于萬能試驗(yàn)機(jī)的測試平臺(tái)上，通過程序控制移動(dòng)橫梁，移動(dòng)速度設(shè)置為2 mm/min，測定肥料棒的正抗壓強(qiáng)度P1，再將肥料棒側(cè)放于測試平臺(tái)上測定肥料棒的側(cè)抗壓強(qiáng)度P2。

1.3 供試土壤

供試磚紅壤采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場五隊(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、有效磷、有機(jī)質(zhì)含量分別為0.48 g/kg、40.60 mg/kg、4.20 mg/kg、11.07 g/kg，土壤pH值為4.80。

1.4 脲醛緩釋肥料棒緩釋效果評(píng)價(jià)

采用土柱淋溶法，淋溶管為高55 cm，內(nèi)徑16 cm的PVC管，用脫脂紗布將管底封住，先加入300 g石英砂(高約5 cm)，然后裝入過5 mm篩的風(fēng)干土6 kg(高約25 cm)，放入供試肥料，再加入過5 mm篩的風(fēng)干土2 kg(高約10 cm)，最后加入300 g石英砂(高約5 cm)，以排除淋溶時(shí)對(duì)土層的擾動(dòng)(圖2)。淋溶管下通過漏斗用體積為5 L的塑料桶收集淋溶液。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)土柱先加水至接近飽和后靜置24 h，再加入1 L水，分別在第1、3、5、7、10、13、16、20、24、28、35、42 d收集(每次收集前一天加水)，測定淋溶液中氮含量，每個(gè)處理設(shè)5個(gè)重復(fù)，同時(shí)設(shè)置空白。

圖2 淋溶裝置示意圖

氮素淋出率(%)=(第n次淋溶出的氮素量/肥料棒的氮素量)×100；氮素累積淋出率(%)=(前n次淋溶出的氮素量之和/肥料棒的氮素量)×100。

1.5 脲醛緩釋肥料棒養(yǎng)分累積淋出率曲線方程擬合方法

本研究利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線方程對(duì)緩釋肥料棒養(yǎng)分累積淋出率曲線進(jìn)行擬合。一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(1)、Elovich方程(2)、拋物線方程(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 13.0統(tǒng)計(jì)軟件的非線性回歸統(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。

1.6 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算、繪制圖表，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 13.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 脲醛緩釋肥料棒密度和壓縮比

由圖3A可知，隨著脲甲醛用量增加，緩釋肥料棒密度逐漸減小，不添加脲甲醛處理緩釋肥料棒密度為1.30 g/cm3，為脲甲醛氮75%處理的1.33倍，F(xiàn)R、UFR1、UFR2、UFR3處理間差異顯著。從圖3B可發(fā)現(xiàn)，脲醛緩釋肥料棒壓縮比變化規(guī)律與密度是一致的，也表現(xiàn)為隨著脲甲醛用量增加，緩釋肥料棒壓縮比逐漸減小，且處理間差異顯著，其中FR處理的壓縮比為2.67，為UFR3處理的1.42倍。

2.2 脲醛緩釋肥料棒抗壓性

緩釋肥料棒抗壓性直接影響肥料棒儲(chǔ)藏和運(yùn)輸，是評(píng)價(jià)肥料棒性能的重要指標(biāo)。圖4為脲醛緩釋肥料棒抗壓性差異分析，由圖可知，隨著脲甲醛用量增加，緩釋肥料棒的抗壓強(qiáng)度(正壓和側(cè)壓)逐漸減小，不添加脲甲醛處理緩釋肥料棒的正抗壓強(qiáng)度和側(cè)抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到713.19和325.21 N，顯著大于其他處理，其正抗壓強(qiáng)度和側(cè)抗壓強(qiáng)度分別為UFR3處理的10.41和10.59倍。UFR1、UFR2處理間的正抗壓強(qiáng)度和側(cè)抗壓強(qiáng)度均差異不顯著，但顯著大于UFR3處理。

圖3 脲醛緩釋肥料棒密度和壓縮比

圖4 脲醛緩釋肥料棒抗壓性

2.3 脲醛緩釋肥料棒氮素淋出率

圖5A為脲醛緩釋肥料棒氮素淋出速率趨勢圖，由圖可知，對(duì)照處理F在第1 d淋溶時(shí)，氮素淋出速率達(dá)最大值，為每天11.94 %，隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，F(xiàn)的氮素淋出速率逐漸減小，在第1 d淋溶至第10 d時(shí)氮素淋出速率降幅最大，說明F的氮素容易在短時(shí)間內(nèi)淋溶出去。FR、UFR1、UFR2、UFR3的氮素淋出速率大致趨勢均為先增加后減小，且培養(yǎng)前期氮素淋出速率均較小。當(dāng)?shù)? d淋溶時(shí)，F(xiàn)R處理的氮素淋出速率達(dá)最大值，且與對(duì)照處理F基本相等，為每天3.35 %；第7 d淋溶之后，F(xiàn)R處理的氮素淋出速率逐漸下降。UFR1、UFR2處理的氮素淋出速率均在培養(yǎng)13 d時(shí)達(dá)到最大，分別為每天2.03 %和1.48 %；UFR3處理的氮素淋出速率均在培養(yǎng)7 d時(shí)達(dá)到最大，為每天0.78 %，氮素淋出速率趨勢線從13 d淋溶之后基本與F處理重疊?？梢?，脲醛緩釋肥料棒可有效降低氮素淋出速率，減少氮素淋失。

脲醛緩釋肥料棒氮素累積淋出率曲線圖可直觀表現(xiàn)肥料氮素在整個(gè)淋溶期內(nèi)各階段累積淋出率變化趨勢，由圖5B可知，對(duì)照處理F氮素釋放不存在滯后現(xiàn)象，第1 d淋溶時(shí)氮素累積淋出率為11.94%，第5 d淋溶時(shí)氮素累積淋出率已達(dá)到47.22%，從第7 d淋溶后F的氮素累積淋出率增幅逐漸減?。徽麄€(gè)淋溶期內(nèi)，對(duì)照處理F的氮素累積淋出率均明顯大于其他處理。FR、UFR1、UFR2、UFR3的氮素累積淋出率均存在一定時(shí)間的滯后現(xiàn)象，前期氮素淋出量較小，而后逐漸增加。在第5 d淋溶時(shí)，F(xiàn)R處理的氮素累積淋出率為2.46%，隨后開始明顯增加，當(dāng)?shù)?2 d淋溶時(shí)，氮素累積淋出率為49.94%。在第1、3、5和7 d淋溶時(shí)，UFR1、UFR2、UFR3的氮素累積淋出率均很小，氮素累積淋出率曲線也基本重合；第10 d淋溶時(shí)，UFR1、UFR2、UFR3之間氮素累積淋出率差異開始顯現(xiàn)，分別為5.12%、4.99%、3.81%。從各處理氮素累積淋出率曲線比較可知，脲醛緩釋肥料棒氮素緩釋效果較好，且整體趨勢為隨著脲甲醛用量增加，氮素累積淋出率減小。

圖5 脲醛緩釋肥料棒氮素淋出率

2.4 脲醛緩釋肥料棒氮素累積淋出率差異分析

為了進(jìn)一步比較脲醛緩釋肥料棒氮素緩釋性能，對(duì)各處理第1、7、28和42 d的氮素累積淋出率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖6)，從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，第1 d淋溶時(shí)，對(duì)照處理F的氮素累積淋出率顯著大于FR、UFR1、UFR2、UFR3處理，而FR、UFR1、UFR2、UFR3處理第1 d淋溶時(shí)氮素基本未被淋溶出，各處理的氮素累積淋出率分別為0.00%、0.09%、0.08%、0.09%。第7 d淋溶時(shí)，對(duì)照處理F的氮素累積淋出率已達(dá)到54.68%，未添加脲甲醛的緩釋肥料棒的氮素累積淋出率為9.16%，顯著小于對(duì)照F處理；添加脲甲醛的緩釋肥料棒處理間的氮素累積淋出率差異不顯著，但顯著小于FR處理，其中UFR1較FR減小86.90%。第28 d淋溶時(shí)，各處理間的氮素累積淋出率差異顯著，氮素累積淋出率最大為F處理，為63.14%，氮素累積淋出率最小的為UFR3處理，為22.58%，較對(duì)照F處理減小了64.24%，并且隨著脲甲醛添加量增加，緩釋肥料棒氮素累積淋出率減小。第42 d淋溶時(shí)，F(xiàn)R、UFR1、UFR2、UFR3處理的氮素累積淋出率分別較對(duì)照F處理減少了21.93%、49.46%、61.34%、82.90%，表現(xiàn)為隨著脲甲醛添加量增加，肥料棒氮素累積淋出率逐漸減小。由此可見，脲醛緩釋肥料棒可減少肥料氮素淋失，對(duì)氮素具有較好緩釋作用，且隨著脲甲醛增加，脲醛緩釋肥料棒氮素緩釋作用增強(qiáng)。

圖6 脲醛緩釋肥料棒氮素累積淋出率比較分析

2.5 脲醛緩釋肥料棒氮素累積淋出率曲線方程擬合

脲醛緩釋肥料棒氮素累積淋出率曲線可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線方程進(jìn)行擬合(表1)，從擬合結(jié)果可知，各處理的氮素累積淋出率曲線均以一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合相關(guān)系數(shù)r最高，為0.967**～0.998**，標(biāo)準(zhǔn)誤SE為0.94%～3.85%，說明一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)脲醛緩釋肥料棒的氮素累積淋出率曲線擬合效果最佳。另外，對(duì)照處理F的氮素累積淋出率曲線方程擬合中，Elovich方程(r=0.940**，SE=5.37%)的擬合度優(yōu)于拋物線方程(r=0.872**，SE=10.81%)；對(duì)緩釋肥料棒處理FR、UFR1、UFR2、UFR3的氮素累積淋出率曲線方程擬合中則均為拋物線方程(r=0.939**～0.965**，SE=1.25%～5.36%)的擬合度優(yōu)于Elovich方程(r=0.890**～0.937**，SE=1.53%～6.64%)。

表1 脲醛緩釋肥料棒氮素累積淋出率曲線方程擬合結(jié)果

注：**表示相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平(n=12時(shí)r0.01=0.661)，SE為殘差標(biāo)準(zhǔn)誤，是殘差均方除以自由度的平方根。

3 討論與結(jié)論

橡膠樹、芒果等經(jīng)濟(jì)作物由于地處熱帶區(qū)域，光溫充足，生長迅速，養(yǎng)分需求量大，通過穴施普通顆粒復(fù)合肥存在施肥次數(shù)多、養(yǎng)分易損失、肥料利用率低等缺點(diǎn)[10]。緩釋肥料棒由于顆粒表面積與體積的比率相對(duì)較小，從而能使養(yǎng)分在緩效性的基礎(chǔ)上養(yǎng)分釋放更加緩慢，具有養(yǎng)分釋放慢、顆粒均勻、施肥方便和肥效期長等優(yōu)勢[11]。研究結(jié)果表明，通過擠壓成型制備緩釋肥料棒，隨著脲甲醛用量增加，緩釋肥料棒密度、壓縮比及抗壓強(qiáng)度逐漸減小，表明添加脲甲醛會(huì)降低肥料棒的理化性能，但是仍然能夠減少肥料氮素淋失。

脲甲醛為有機(jī)微溶性混合物，主要緩釋成分為亞甲基二脲、二亞甲基三脲、三亞甲基四脲等縮合物，縮合物分子鏈長短決定了脲甲醛的氮素供應(yīng)時(shí)間[4,7]。脲甲醛施入土壤后，養(yǎng)分緩慢釋放，持久供應(yīng)作物養(yǎng)分，能減少養(yǎng)分淋失，具有提高肥料利用率、節(jié)省勞動(dòng)成本等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，聚丙烯酰胺與肥料結(jié)合，具有一定緩釋作用，能夠明顯減少肥料養(yǎng)分淋失[12-15]。本研究將緩釋氮源(脲甲醛)、肥料棒工藝結(jié)合，減緩養(yǎng)分釋放，延長養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)間。研究結(jié)果表明：脲醛緩釋肥料棒可顯著減少氮素淋失，降低氮素淋出速率，隨著脲甲醛用量增加，氮素累積淋出率減小，添加25%脲甲醛氮素比例處理，42 d淋溶后，氮素累積淋失率可比對(duì)照減少49.46%。從擬合結(jié)果看，各處理的氮素累積淋出率曲線均以一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合相關(guān)系數(shù)r最高(r=0.967**～0.998**，SE=0.94%～3.85%)。

緩釋肥料棒作為更大肥料載體，配方靈活，施用方便，同時(shí)可根據(jù)作物養(yǎng)分需求和區(qū)域土壤特點(diǎn)，選擇性添加硝化抑制劑、生根粉、中微量元素、土壤調(diào)理劑等功能性材料，對(duì)于提高熱帶地區(qū)經(jīng)濟(jì)作物肥料利用率和改良酸性土壤等方面具有重要意義。