不同土壤淋洗方式下有機(jī)—無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜肥料鉀素溶出速率比較

1、不同土壤淋洗方式下有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜肥料鉀素溶出速率比較摘 要：應(yīng)用由水基成膜法研制的4種有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜肥料（B2、PS、F2、F2F）進(jìn)行土柱淋洗試驗(yàn)，研究其在不同土壤類型條件下的鉀素溶出規(guī)律。結(jié)果表明：4種膠結(jié)包膜肥料在48d內(nèi)鉀素累積溶出率為44.02%（紅壤） 34.59%（褐土） 25.92%（黑土）。同一種膠結(jié)包膜肥料在紅壤、褐土和黑土中的鉀素瞬時(shí)溶出率峰值出現(xiàn)時(shí)間一致（以B2為例）；鉀素溶出峰值之前，瞬時(shí)溶出率在2 13 d內(nèi)為紅壤 褐土 黑土，鉀素峰值溶出率為10.39%（紅壤） 7.09%（褐土） 5.99%（黑土），而峰值過后，三土壤間瞬時(shí)溶出率差異不顯著（

2、P 0.05）。說明包膜肥料本身釋放鉀素的速率受不同質(zhì)地的土壤影響較小，但其淋出量受土壤影響較大。關(guān) 鍵 詞：水基成膜；有機(jī)- 無機(jī)復(fù)合材料；膠結(jié)；包膜；土壤類型；淋洗緩/控釋肥料目前主要應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)作物和高爾夫球場(chǎng)，限制其在農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用的主要制約因素為：一是緩/控釋肥料成本高，主要是緩/控釋材料價(jià)格高，制備工藝復(fù)雜；二是包膜設(shè)備規(guī)模小，費(fèi)用高；三是目前的包膜材料進(jìn)入土壤很難降解，降解周期30 50 a，連年施用將對(duì)土壤造成污染；四是價(jià)格與產(chǎn)出很難達(dá)到兼容；五是目前的緩/控釋肥料大部分都是單質(zhì)型，以氮為主進(jìn)行包膜，而忽略磷鉀的緩釋。鉀素目前當(dāng)季的利用率較低（ 60%）1,2，由于土壤的吸附和固

3、定作用，鉀素在大多數(shù)土壤中移動(dòng)緩慢，淋失損失不是主要問題。但是在鉀素固定強(qiáng)度高的土壤中，鉀肥因固定會(huì)降低肥料的當(dāng)季利用率；其次在南方降雨量高的地區(qū)、沙質(zhì)土壤以及水稻土壤中鉀肥損失也是很值得注意的問題。因此，鉀肥也需要加以控制釋放35，以提高它的利用效率和延長(zhǎng)肥效期。雖然鉀素對(duì)環(huán)境的危害不如氮和磷，但是鉀肥礦產(chǎn)資源是有限的，尤其是我國(guó)鉀礦資源匱乏，節(jié)約鉀肥資源也是制造緩/控釋鉀肥的因素之一。另外，由于緩/控釋肥料的種類很多，其緩/控釋的機(jī)理也不盡相同，因此，評(píng)價(jià)其養(yǎng)分釋放特性的方法也有區(qū)別，沒有確定而統(tǒng)一的緩/控釋肥料評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前較為廣泛應(yīng)用的是土柱淋洗方法，但是由于不同土壤物理化學(xué)性質(zhì)不同，

4、評(píng)價(jià)結(jié)果也不甚一致。研制具有一定緩釋效果、成本低且易降解的緩/控釋肥料是緩/控釋肥料今后發(fā)展的新方向，建立快速合理的肥料檢測(cè)方法對(duì)肥料行業(yè)的管理和企業(yè)的生產(chǎn)銷售具有重要的實(shí)際意義7,8。因此，針對(duì)上述存在的問題，筆者以氮磷鉀化肥為原料，通過試驗(yàn)研究，探索利用微乳化和高剪切技術(shù)，以水為主要溶劑原料，通過對(duì)不同添加物質(zhì)和包膜材料的篩選及配伍，研制出四種低成本、易降解、具有不同緩釋作用和性價(jià)比的有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料；通過圓盤噴霧造粒技術(shù)，制備出四種有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜型緩/控釋肥料，并評(píng)價(jià)了其工藝性能和生物學(xué)效應(yīng)。本文的主要目的是利用研制出的4種有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜型緩/控釋肥料，對(duì)其進(jìn)行不同土

5、壤淋洗方式下的鉀素溶出速率的對(duì)比研究，以期為將來緩控釋肥料的快速評(píng)價(jià)方法的建立及鉀肥的高效利用提供理論基礎(chǔ)，目前對(duì)此方面的研究少見報(bào)導(dǎo)。1 材料與方法1.1材料1.2 方法土柱淋洗試驗(yàn)裝置見圖1。淋洗管（砂芯型號(hào)：G3）下端砂芯上鋪平一層面積與砂芯面積相同的定量濾紙，分別取過1 mm篩子的三種土壤各100 g分別置于不同的淋洗管下端，用蒸餾水濕潤(rùn)土柱（2 3次），使土柱達(dá)到飽和，晃動(dòng)土柱，使土面平整，待淋洗管下端不流出水后，靜置2 h左右。然后迅速將2.00 g有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜肥料放在飽和的土柱上面，輕晃土柱，使肥料鋪平，立刻再將20 g對(duì)應(yīng)的土壤放在肥料上面，輕晃，使土面平整。土面上

6、再放大小相當(dāng)?shù)囊粚訛V紙，鋪平。用10ml蒸餾水濕潤(rùn)肥料上面的20 g土柱（根據(jù)試驗(yàn)所得，使20 g土柱恰好飽和所需水10 ml），靜置2h，然后用20 ml蒸餾水淋洗土柱，并收集濾液。取樣時(shí)間為2、4、8、13、18、24、30、36、42、48 d（共10次）。每次收集濾液前向容器中滴加1滴濃硫酸，并定容至100ml，3次重復(fù)，同時(shí)作空白試驗(yàn)。鉀素瞬時(shí)溶出率（%）=（各肥料處理每次淋濾液總鉀含量 - 空白處理每次淋濾液總鉀含量）/肥料鉀含量 100%；鉀素累積溶出率（%）= (各肥料處理前n次淋濾液鉀含量總和 - 空白處理前n次淋濾液總鉀含量 / 肥料鉀含量) 100%（n= 1 10）。1

7、.3 測(cè)定項(xiàng)目淋濾液全鉀，火焰光度計(jì)法。2結(jié)果分析2.1同一種土壤不同包膜肥料鉀素溶出率從表3肥料鉀素在褐土中的溶出情況看出，對(duì)于土壤5（褐土），五種肥料鉀素溶出率各不相同?？傮w規(guī)律都呈現(xiàn)低高低的變化趨勢(shì)，但其變化幅度、鉀素溶出速率卻各不相同。NPK處理鉀素初期溶出率為零，至第4 d達(dá)到5.47%，至第8 d驟升為27.22%，接近30%，說明NPK處理鉀素溶出率基本上是一次釋放出來的。四種包膜肥料鉀素溶出曲線要緩和得多，表現(xiàn)出了一定的緩釋性能。初期鉀素溶出率都為零，之后逐漸升高，B2至第18 d達(dá)到鉀素溶出峰值，PS、F2和F2F至第13d達(dá)到溶出高峰值，峰值相比為B2(7.09%) PS(

8、7.53%) F2(9.78%) PS(1.78%) F2(1.19%) F2F(0.56%)。說明在峰值之前同一時(shí)間段內(nèi)鉀素溶出率為B2最低，PS、F2、F2F依次升高，峰值之后逐漸變化為B2最高，PS、F2、F2F依次降低。在紅壤和黑土中4種包膜肥料的鉀素瞬時(shí)溶出率的規(guī)律及其區(qū)別與褐土的相同。從表4肥料鉀素在褐土中累積溶出率看出，至第48d止，五種肥料的鉀素累積溶出率為B2 (34.59%) PS(36.24%) F2(39.8%) F2F(41.84%) PS F2 F2F。四種包膜肥料在紅壤和黑土中的變化與褐土的大致相同，這里不再論述。2.2 同一種包膜肥料不同土壤鉀素溶出率我們?cè)谇懊?/p>

9、分析過，鉀素從膜內(nèi)釋放出來的主要方式為擴(kuò)散，因此膜內(nèi)外的水蒸氣壓差、鉀素濃度可能對(duì)其釋放量有一些影響。從表3看出，同一種包膜肥料在三種土壤中的鉀素瞬時(shí)溶出率雖然峰值出現(xiàn)時(shí)間一致(B2為第18 d后，PS、F2、F2F為第13 d后)，但是鉀素溶出率不同。對(duì)B2包膜肥料，鉀素溶出峰值之前，瞬時(shí)溶出率在2 13 d為紅壤（0.19%、0.72%、5.84%、7.96%) 褐土 (0.00%、0.4%、1.86%、4.11%) 黑土 (0.00%、0.12%、1.18%、2.97%)，峰值鉀素溶出率紅壤(10.39%)褐土(7.09%) 黑土(5.99%)，而峰值過后，三土壤之間大小不確定。B2包膜

10、肥料鉀素累積溶出率（表4）在三種土壤里為紅壤 (44.02%) 褐土 (34.59%) 黑土(25.92%)。PS、F2、F2F鉀素溶出率在三種土壤里的變化趨勢(shì)與B2相同。由此得出的可能結(jié)論是包膜肥料本身養(yǎng)分釋放速率受不同質(zhì)地的土壤影響較小，但其淋出量受其影響較大。2.3 預(yù)測(cè)方程通過對(duì)四種有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜肥料鉀素釋放量與培養(yǎng)時(shí)間進(jìn)行回歸擬合分析，可以預(yù)測(cè)膠結(jié)包膜肥料在任何時(shí)間段的釋放量，對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)、指導(dǎo)農(nóng)民施肥和田間管理具有重要的參考意義。從表5可看出，在三種土壤中，4種有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜肥料擬合方程都達(dá)到了顯著水平，最佳的適合方程為一元二次方程。但同一種包膜肥料在三種土壤中

11、及不同肥料在同一土壤中預(yù)測(cè)方程不同。說明有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜肥料鉀素的釋放受到肥料本身與土壤性質(zhì)雙重影響。3討論由于三種土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài)，鉀素釋放出來后主要分為兩部分，一是與周圍土壤的交換；二是淋溶下移過程中與土壤的交換，由于土壤定期的進(jìn)行水淋洗，所以二者過程中以后者活動(dòng)為主。下面分別將這兩個(gè)活動(dòng)的可能的交換過程分析一下。由于鉀離子為一價(jià)陽離子，在與土壤的吸附、固定和解析的過程中受到土壤質(zhì)地、粘粒、CEC、有機(jī)無機(jī)膠體、粘土礦物類型和pH的影響，這些因素對(duì)鉀離子影響的同時(shí)可能影響到肥料對(duì)鉀離子的釋放。有機(jī)膠體對(duì)陽離子的吸附量通常是無機(jī)膠體的幾十至幾百倍，有機(jī)膠體的含量與有機(jī)質(zhì)的含量相關(guān)；C

12、EC大，交換能力強(qiáng)；粘粒一般帶負(fù)電荷，主要對(duì)三價(jià)鐵和鋁吸附，對(duì)鉀離子的吸附很弱。由于土壤對(duì)鉀一般不發(fā)生配位吸附，主要發(fā)生物理化學(xué)吸附。雖然土壤粘土礦物、金屬氧化物、有機(jī)質(zhì)等土壤膠體均能夠以離子交換吸附的形式吸附鉀，但不同土壤膠體對(duì)鉀吸附能力不同。影響土壤膠體對(duì)鉀吸附選擇性的土壤化學(xué)和物理化學(xué)因素，包括溶液的離子種類和強(qiáng)度、離子半徑大小、離子電荷數(shù)、土壤pH、土壤水分含量和和土壤溫度。無機(jī)膠體對(duì)鉀吸附選擇性大小為白云母 黑云母 蛭石 蒙脫石。對(duì)三種土壤來說，同為鉀離子，離子本身性質(zhì)的影響沒有，又是同一溫度下的飽和水溶液，所以影響鉀吸附解析的主要是溶液pH，低pH有利于鉀的解析。所以紅壤對(duì)鉀的吸附

13、性最小。綜上所述，三種土壤對(duì)肥料釋放鉀離子可能起到促進(jìn)作用的大小為黑土 褐土 紅壤。另外，包膜肥料施入到土壤后，由于其含量很高，膜內(nèi)外濃度差很大，會(huì)逐漸的釋放大量的銨離子到溶液中，打破土壤固相與液相中離子的平衡，而黑土由于其緩沖作用大，對(duì)突如其來的大量的鉀離子的吸附要大于褐土和紅壤，將其吸附到土壤固相上，溶液中鉀離子的濃度相對(duì)較小，有利于肥料里鉀素的進(jìn)一步釋放；紅壤緩沖作用小，大量鉀離子釋放到紅壤中，溶液濃度會(huì)飽和的很快，溶液中鉀離子濃度會(huì)很高，抑制了肥料中鉀素的進(jìn)一步釋放。褐土的情況介于黑土和紅壤之間。黑土溶液與固相的鉀離子最終也會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡，雖然紅壤溶液中鉀離子濃度會(huì)暫時(shí)的高，但絕對(duì)量不

14、一定比黑土的多，因?yàn)檫€有一個(gè)離子有效度的問題。在這里我們不作分析。此外，解析的過程要比吸附過程滯后得多。在向下淋溶過程中，根據(jù)上面的分析鉀離子與土壤的交換最終的結(jié)果導(dǎo)致了鉀素累積溶出率的大小為紅壤 褐土 黑土。但由于土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài)，并且是定期淋溶，肥料與土壤的交換不一定完全，也就是說不一定黑土就比紅壤更多促進(jìn)肥料鉀離子的釋放，還有待進(jìn)一步研究確證。參考文獻(xiàn)： 1 王紅飛,王正銀.緩/控釋肥料的新進(jìn)展及特性評(píng)價(jià)J.廣東化工,2005, 8: 86 - 90, 15. 2 謝銀旦, 楊相東, 曹一平, 等. 包膜控釋肥料在土壤中養(yǎng)分釋放特性的測(cè)試方法與評(píng)價(jià)J.植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007, 1

15、3(3): 491 -497. 3 STEGER A., D. OOSTERHUIS. Programmed- release soil fertilizer tomeet nitrogen and potassium requirements of cotton R. Special Re-port Arkansas Agricultural Experiment Station, 1998, 188: 115 -118. 4 HUETT D. O., B. J. GOGEL. Longevities and nitrogen, phosphorus,and potassium releas

16、e patterns of polymer- coated controlled- releasefertilizers at 30 and 40J. Communications in Soil Science andPlant Analysis, 2000, 31(7&8): 959 - 973. 5 BAJPAI A.K. ET AL. Water sorption behavior of highly swelling(car-boxy methylcellulose - g- polyacrylamide) hydrogels and release ofpotassium nitrate as agrochemical J. Carbohydrate Polymers, 2003,53(3): 271 - 279. 6 肖 強(qiáng). 有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)包膜緩控釋肥