張英強，張水勤，袁 亮，李燕婷，林治安，王立艷，趙秉強*

[1 中國礦業(yè)大學(xué) (北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081]

磷是限制作物生長的第二大必需營養(yǎng)元素，其施于石灰性土壤后，易與土壤中的Ca2+發(fā)生反應(yīng)，形成羥基磷灰石或氟磷灰石[1-2]，固定于土壤中，從而降低磷肥的有效性。據(jù)報道，磷肥當(dāng)季利用率一般僅有10%～25 %[3]，多數(shù)肥料磷則以無效態(tài)固定于土壤中，造成了磷資源的浪費，甚至?xí)憝h(huán)境污染的風(fēng)險[4]。

為緩解環(huán)境壓力，保護(hù)磷礦資源，同時提高磷肥的有效性，新型磷肥受到了越來越多的關(guān)注[4]，其中磷肥改性增效是我國新型磷肥研究的重要方向，也是推動我國肥料產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)質(zhì)量替代數(shù)量發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障[5]。目前作為磷肥增效劑的主要有腐殖酸和海藻酸等天然有機酸材料。李志堅等[6]研究含腐殖酸、海藻酸和聚合谷氨酸3種增效劑的增效磷肥對小麥產(chǎn)量和磷肥固定率的影響，結(jié)果表明，低磷水平下，磷肥的表觀利用率平均提高了8.71～26.21個百分點，增效磷肥處理小麥籽粒產(chǎn)量和吸磷量比普通磷酸一銨分別提高 9.74%～33.54%和14.81%～42.59%。以上作用的發(fā)揮與增效劑和磷肥的反應(yīng)有關(guān)。李麗等[7-8]研究認(rèn)為腐殖酸與磷肥通過某些物理–化學(xué)作用形成了不易被固定的新的磷形態(tài)，從而減少磷的固定。成紹鑫[9]認(rèn)為腐殖酸可通過與磷肥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有機磷，進(jìn)而減緩金屬離子對磷的固定。王玲玲[10]也認(rèn)為腐殖酸中所含的羥基能夠與磷酸一銨通過陽離子的橋接作用發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，生成水溶性的腐殖酸磷和腐銨磷，從而提高了磷肥的有效性。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，王斌等[11]研究典型灰漠土棉田上施用腐殖酸對土壤無機磷形態(tài)及土壤有效磷的影響，結(jié)果表明，在一定水平上，腐殖酸能夠明顯的激活土壤固定態(tài)磷，減少磷的固定率。穆環(huán)珍等[12]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素增效磷肥能夠有效降低土壤溶液中Ca2+、Al3+和Fe3+的活性，減少這些離子與磷酸根結(jié)合生成難溶磷酸鐵、磷酸鋁和高鈣磷酸鹽，從而減少磷的固定，提高磷肥有效性。黃雷等[13]利用FTIR和XRD對木質(zhì)素磺酸鈉磷礦粉進(jìn)行表征，結(jié)果表明，木質(zhì)素磺酸鈉促使磷礦粉中難溶的Ca-P鍵轉(zhuǎn)化為活性高的H2PO42–，能有效改變磷礦粉本身的化學(xué)成鍵結(jié)構(gòu)，降低磷灰石結(jié)晶程度，提高磷肥有效性。劉瑾等[14]利用液相31P-NMR、磷的K-邊X射線近邊吸收光譜 (K-邊XANES) 對自制淀粉基磷肥進(jìn)行表征，結(jié)果表明，合成淀粉基磷肥中的磷以正磷酸單酯、正磷酸鹽和正磷酸二酯等形態(tài)存在，其中，以正磷酸單酯為主，占到總磷的75.8%。

以檸檬酸為代表的低分子量有機酸結(jié)構(gòu)簡單，具有與腐殖酸和海藻酸等有機酸相一致的主要官能團(tuán) (羥基/羧基)，有明確的結(jié)構(gòu)式和分子量，其與磷肥反應(yīng)后的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較易分析，有利于研究有機酸官能團(tuán)與磷肥的結(jié)合作用以及影響磷素固定的具體結(jié)構(gòu)。因此，本研究以檸檬酸 (羥基/羧基)為研究對象，將檸檬酸與磷肥反應(yīng)結(jié)合制備檸檬酸改性磷肥，明確其反應(yīng)位點及產(chǎn)物，研究其磷固定規(guī)律及其與磷肥的反應(yīng)特征，從結(jié)構(gòu)方面研究檸檬酸改性磷肥減少磷固定的機制，旨在為高效磷肥研制提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Nicolet IS10 紅外光譜儀 (FTIR，美國 Nicolet公司)，Agilent 1100 高效液相色譜儀-Thermo Scientific TSQ Quantum Ultra 質(zhì)譜聯(lián)用 (LC-MS，美國Agilent公司和Thermo Scientific 公司)，JNMECZ600R型核磁共振波譜儀 (日本JEOL公司)。

檸檬酸 (citric acid，代號 CA，分析純，含量 ≥99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，磷酸 (分析純，含量 ≥ 85.0%，煙臺遠(yuǎn)東精細(xì)化工有限公司)，氫氧化鉀 (分析純，含量 ≥ 85.0%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，CaCl2·2H2O [分析純，含量 (以無水鹽計) ≥ 74.0%，天津市大茂化學(xué)試劑廠]。

1.2 供試磷肥的制備

將檸檬酸分別按照磷酸和氫氧化鉀質(zhì)量總和0、0.2%、0.5%、1.0%和10.0%的比例添加至磷酸溶液中，攪拌均勻，再將氫氧化鉀加入其中進(jìn)行反應(yīng) (磷酸和氫氧化鉀質(zhì)量比達(dá)4.67∶5.33，以模擬工業(yè)生產(chǎn)條件制備磷酸氫二鉀[15])，快速攪拌均勻，待兩者反應(yīng)完全后收集所得反應(yīng)產(chǎn)物，研磨、過篩，置于干燥器中密封保存，備用。得到的系列磷肥產(chǎn)品，分別標(biāo)記為CAP0、CAP0.2、CAP0.5、CAP1和CAP10。其中CAP0為不添加檸檬酸的磷酸二氫鉀肥，CAP0.2、CAP0.5、CAP1和CAP10為檸檬酸改性磷肥。

1.3 供試磷肥結(jié)構(gòu)表征

以檸檬酸添加量為10%的檸檬酸改性磷肥(CAP10)和不添加檸檬酸的磷酸二氫鉀肥 (CAP0)為材料，利用傅里葉變換紅外光譜法 (FTIR)、31P固相核磁共振波譜法 (31P-NMR)和液相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用(LC–MS) 表征其結(jié)構(gòu)。

1.3.1 供試磷肥官能團(tuán)結(jié)構(gòu)測定 試驗通過美國尼力高公司的IS10型紅外光譜儀對材料官能團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。測試條件：將約2 mg樣品和200 mg光譜純溴化鉀混合后壓片，通過傅里葉紅外光譜儀記錄4000～400 cm–1波數(shù)范圍內(nèi)樣品的紅外光譜特征。每個樣品掃描32次，分辨率為4 cm–1。

1.3.2 供試磷肥磷形態(tài)測定31P核磁共振波譜測定采用日本株式會社的JNM-ECZ600R型核磁共振波譜儀。CAP10和CAP0測試的具體運行參數(shù)：共振頻率 242.95 MHz，以標(biāo)準(zhǔn)物 (NH4)H2PO4標(biāo)定化學(xué)位移，用3.20 mm探針以10 kHz的自旋速率記錄光譜，馳豫延遲時間5 s，掃描次數(shù)1024次。

1.4 供試磷肥有機組分測定

試驗通過安捷倫公司的1100高效液相色譜儀和賽默飛TSQ Quantum Ultra質(zhì)譜聯(lián)用分析樣品的物質(zhì)組成。測試過程中流動相為乙腈∶水=95∶5，流速0.3 mL/min；質(zhì)譜的離子源為電噴霧離子源，模式為ESI positive，電離電壓 8 kV，鞘氣壓力 45 psi，輔助氣壓力15 psi，毛細(xì)管溫度350℃，以液相色譜進(jìn)樣方式進(jìn)入，不流入色譜柱，進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。

1.5 供試磷肥水溶性磷固定率測定

將一定量的CaCl2加入新型磷肥溶液中，可以模擬磷肥進(jìn)入石灰性土壤后與Ca2+結(jié)合而被固定的過程，通過檢測溶液中的磷含量，進(jìn)而計算此過程中磷肥的水溶性磷固定率，有助于快速評價新型磷肥的生物有效性[16]。參考含腐植酸磷酸一銨、磷酸二銨(HG/T 5514–2019)和含海藻酸磷酸一銨、磷酸二銨(HG/T 5515–2019) 的水溶性磷中磷固定率的測定方法，測定供試磷肥初始P2O5含量與磷肥和CaCl2反應(yīng)后剩余P2O5含量的差值占供試磷肥初始P2O5含量的百分比，具體操作為：

1) 稱取 CAP0、CAP0.2、CAP0.5和CAP1 約0.5000 g，質(zhì)量記為m1，加入蒸餾水 100 mL，溶于250 mL 浸提瓶中，蓋緊瓶塞，在恒溫下 (30±1)℃振蕩 (180 r/min) 1 h，用定量濾紙過濾，棄去最初濾液。準(zhǔn)確吸取濾液 1.00 mL于50 mL容量瓶中，通過釩鉬黃比色法比色[17]，計算得到50 mL溶液中磷的濃度，根據(jù)分取倍數(shù)得到質(zhì)量m1中含有的P2O5質(zhì)量m2，將m2/m1數(shù)值記為P1。

2) 稱取 CAP0、CAP0.2、CAP0.5和CAP1 約0.5000 g，記為m3，放入 250 mL 浸提瓶中，加入 90 mL水，用氫氧化鈉溶液和硫酸調(diào)節(jié)至pH 8.00 (酸度計測量)，加入10 mL相應(yīng)的氯化鈣溶液[氯化鈣濃度C (g/L)=400 × P1× m3，系數(shù) 400為質(zhì)量比 4 (前期研究中不同磷肥水溶性磷固定率差異最大化的質(zhì)量比[18]) 與氯化鈣溶液體積0.01 L的數(shù)值之比]蓋緊瓶塞，在恒溫下 (30±1)℃ 振蕩 (180 r/min) 1 h，用定量濾紙過濾，棄去最初濾液；準(zhǔn)確吸取濾液 1.00 mL于50 mL容量瓶中，通過釩鉬黃比色法比色，計算得到50 mL溶液中磷的濃度，根據(jù)分取倍數(shù)得到與CaCl2反應(yīng)后質(zhì)量m3中剩余的P2O5質(zhì)量m4，將m4/m3數(shù)值記為P2。

3) 水溶性磷固定率計算公式：

1.6 數(shù)據(jù)處理

傅里葉變換紅外光譜結(jié)果用OMNIC 9.0軟件進(jìn)行基線校正和數(shù)據(jù)平滑校正；采用SPSS 19.0對不同磷肥中水溶性磷固定率進(jìn)行單因素方差分析(Duncan新復(fù)極差法，P＜0.05為顯著)；所有數(shù)據(jù)均采用Origin 2019軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 檸檬酸改性磷肥的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)分析

CAP10和CAP0的傅里葉變換紅外光譜如圖1所示。由圖1可知，檸檬酸改性磷肥CAP10更多的保留了 CAP0的特征：在3381～3200 cm–1具有P—OH 的伸縮振動峰，1662～1586 cm–1出現(xiàn)了 H2PO4–的伸縮振動，1392～1273 cm–1是羧酸C—OH伸縮振動，1088～1077 cm–1為P=O 或磷酸酯 P—O—C 伸縮振動峰[19-20]，985 cm–1左右是 P—OH 伸縮振動峰，860 cm–1和535 cm–1左右分別為HPO42–變角振動和磷酸鹽PO4不對稱變角振動[21-23]。與CAP0相比，CAP10在1088 cm–1處出現(xiàn)新的振動峰，推測在CAP10中除了含有P=O外，還存在磷酸酯 (P—O—C) 結(jié)構(gòu)。磷酸酯屬于有機物，能夠通過磷酸與羥基反應(yīng)得到，通過CAP10與CAP0的傅里葉紅外光譜數(shù)據(jù)，推測檸檬酸與磷肥反應(yīng)的主要官能團(tuán)可能為—OH，反應(yīng)過程可能為羥基中H與磷酸P—OH上羥基發(fā)生脫水反應(yīng)，形成磷酸酯結(jié)構(gòu) (P—O—C)。紅外光譜結(jié)果對材料的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了初步揭示，認(rèn)為檸檬酸加入磷酸后，參與了磷酸與氫氧化鉀的反應(yīng)，然而由于特征峰的重疊，無法準(zhǔn)確判定檸檬酸與磷肥反應(yīng)發(fā)生的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)與位點，還需要通過利用31P-NMR和LC-MS等技術(shù)對材料進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖 1 傅里葉變換紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of samples

2.2 檸檬酸改性磷肥的磷形態(tài)分析

CAP10、CAP0、分析純K3PO4和K2HPO4的固相31P核磁共振譜如圖2所示。由圖2可知，CAP10的核磁曲線在12.28、6.60和4.80 ppm處有3個明顯的單峰，分別與K3PO4、K2HPO4和正磷酸單酯的峰吻合[24-26]。這表明添加檸檬酸后，磷酸與氫氧化鉀反應(yīng)除了生成K2HPO4和K3PO4，還生成了正磷酸單酯。通過對3種磷形態(tài)占總磷含量的比例進(jìn)行積分，得出CAP10中K3PO4、K2HPO4和正磷酸單酯的含量分別占總磷含量的34.22%、49.30%和16.48%(表 1)。

圖 2 固相31P核磁共振譜Fig.2 Solid-state 31P NMR spectra

表 1 添加10%檸檬酸改性后的磷肥中的磷酸鹽及其相對含量Table 1 Phosphate and its relative contents in modified phosphate fertilizer

正磷酸鹽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，一般不易與檸檬酸發(fā)生反應(yīng)，但以上分析表明，檸檬酸與磷肥發(fā)生了反應(yīng)，得到了具有正磷酸單酯結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，而磷酸酯可由磷酸與羥基發(fā)生酯化反應(yīng)得到[27]，這可能是因為中和法制備磷肥過程中溫度驟然升高，導(dǎo)致磷酸與檸檬酸中的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，磷酸分子中與磷原子相連的―OH化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，檸檬酸羥基中O—H化學(xué)鍵也發(fā)生斷裂，檸檬酸羥基中的氧原子與磷酸中的磷原子發(fā)生結(jié)合，生成正磷酸單酯，磷原子周圍屏蔽效應(yīng)增大，化學(xué)位移向高場移動，因此4.80 ppm處出現(xiàn)了正磷酸單酯的位移峰。與CAP0相比，CAP10在制備過程中，一部分磷酸與檸檬酸反應(yīng)生成正磷酸單酯，消耗了一部分磷酸，導(dǎo)致磷酸減少，KOH與磷酸反應(yīng)生成K2HPO4之后，多余的KOH與K2HPO4進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成了K3PO4，造成CAP10中既有K2HPO4，又有K3PO4，在12.28 ppm處出現(xiàn)了K3PO4的位移峰。

2.3 檸檬酸改性磷肥有機組分相對分子質(zhì)量分析

圖3為液相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用 (LC-MS) 在正離子模式下分析的CAP10的總離子圖 (A)和保留時間為0.27 min時特征峰的相應(yīng)質(zhì)譜圖 (B)。從圖3B可以發(fā)現(xiàn)，該處由質(zhì)荷比為310.74的離子碎片組成，推測其分子式為C6H9PO10，結(jié)構(gòu)式見圖4，符合正磷酸單酯的結(jié)構(gòu)特征[28]。以上結(jié)果與表1中CAP10以正磷酸單酯存在的結(jié)果相一致。這可能是CAP10樣品在制備過程中，檸檬酸羥基中的CO―H化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，同時磷酸分子中的P―OH化學(xué)鍵也發(fā)生斷裂，檸檬酸羥基中氫脫落，而磷酸分子中與磷原子相連的羥基也脫落，二者在生成磷酸酯的同時脫去一分子水，該結(jié)果與31P核磁共振發(fā)現(xiàn)有正磷酸單酯的結(jié)果吻合[27]。

圖 3 正離子模式下添加10%檸檬酸改性磷酸鉀肥的總離子色譜強度 (A)和特征峰相對豐度 (B)Fig.3 The intensity of total ion chromatogram (A) and the relative abundance of characteristic MS peaks (B) of modified phosphate with citric acid addition rate of 10% under positive mode

圖 4 化合物C6H9PO10結(jié)構(gòu)式Fig.4 Identified structure for molecular formula C6H9PO10

2.4 檸檬酸改性磷肥中水溶性磷固定率

磷肥施入石灰性土壤后，易與土壤中的Ca2+結(jié)合，生成沉淀[29]，降低了其生物有效性。本研究中，檸檬酸以不同比例添加到磷肥制備過程中所獲得的檸檬酸改性磷肥 (CAP0.2、CAP0.5和CAP1)和不添加檸檬酸制備所獲得的磷酸二氫鉀肥 (CAP0) 的水溶性磷固定率結(jié)果如圖5所示。

圖 5 不同檸檬酸添加量下磷肥的水溶性磷固定率Fig.5 Water-soluble phosphorus fixation rate of phosphate fertilizer with different rates of citric acid addition

本試驗條件下，CAP0的水溶性磷固定率為86.01%，添加不同比例檸檬酸改性的磷肥的水溶性磷固定率為55.84%～59.76%，低于CAP0改性磷肥26.25～30.17個百分點，其中CAP0.2的水溶性磷固定率為59.52%，低于CAP0 26.49個百分點。這與改性磷肥中生成了一定比例的磷酸酯有關(guān)。研究表明，少量磷酸酯的存在能夠抑制磷酸鹽與鈣離子反應(yīng)后沉淀的生成[30]。劉瑾等[14]在有機改性磷肥中也測定到了磷酸酯 (P―O―C) 的存在。隨著檸檬酸添加量的增加，檸檬酸改性磷肥中水溶性磷的固定率差異性不顯著，可能是因為在水溶液中，游離磷酸酯還可以被大量的磷酸與鈣反應(yīng)生成的磷酸鈣所吸附[27]，減弱了磷酸酯抑制水溶性磷與鈣離子沉淀反應(yīng)的效果。檸檬酸磷酸酯與磷酸鈣接觸時反應(yīng)體系復(fù)雜，接觸反應(yīng)的具體產(chǎn)物及其與水溶性磷固定的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。此外，檸檬酸與磷肥反應(yīng)后，所得檸檬酸改性磷肥中存在少量游離的羧基 (圖1)，該羧基的存在能將部分磷酸鈣沉淀溶解，重新釋放出磷酸根離子，從而減少水溶性磷的固定[31]?？傊煌瑱幟仕崽砑恿康臋幟仕岣男粤追手g水溶性磷固定率差異還需要更為客觀的土壤試驗，以期更全面、深入地探究檸檬酸改性磷肥對降低磷固定率的影響機制。

3 結(jié)論

在磷酸和氫氧化鉀反應(yīng)制備磷肥的過程中添加檸檬酸，其所含的羥基氧原子可與磷結(jié)合生成含有正磷酸單酯的檸檬酸改性磷肥。

添加檸檬酸改性的磷肥，磷的固定率顯著下降。最佳檸檬酸添加量還需更客觀的土壤試驗來確定。