唐玉瑩，陳凌霞，張燕燕，曹立棟，張昌愛(ài)，汪林峰

（1. 浙江科技學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310023；2. 泰安市城市排水管理處，山東 泰安 271000；3. 泰安市園林綠化處，山東 泰安 271000）

0 引言

我國(guó)是全世界水稻生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，水稻種植面積占全球水稻總種植面積的20%以上。水稻施肥時(shí)，肥料一般施入水田中，因?yàn)樗锸且粋€(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，流出水會(huì)將施入的大量養(yǎng)分帶走進(jìn)入江河湖泊，從而引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，影響水體水質(zhì)，這已經(jīng)成為我國(guó)南方地區(qū)面臨的重要面源污染［1］。

優(yōu)化水田施肥技術(shù)及提高養(yǎng)分利用率是減緩河流湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵所在，在“碳達(dá)峰、碳中和”［2］和“糧食安全”雙重背景下，提高水田肥料養(yǎng)分利用率將是重要研究課題，具有顯著浸水穩(wěn)定性的水田長(zhǎng)效肥的研發(fā)和應(yīng)用具有重大的社會(huì)意義。

為改善水田施肥現(xiàn)狀，浙江科技學(xué)院張昌愛(ài)教授團(tuán)隊(duì)采用固化成型技術(shù)開(kāi)發(fā)出了系列水田長(zhǎng)效肥［3］，該水田長(zhǎng)效肥的技術(shù)核心是采用固化技術(shù)在肥料顆粒表層形成固化層，固化層中會(huì)摻雜生物基材料（如秸稈、沼渣、淀粉等易分解物質(zhì)），待其施用到水田后，借助土壤微生物的活動(dòng)將肥料顆粒的固化層破壞，從而緩慢釋放出養(yǎng)分。該肥料劑型不僅能夠全面滿足水田作物的養(yǎng)分需求，而且具有可在現(xiàn)有復(fù)混肥生產(chǎn)工藝中適用、生產(chǎn)簡(jiǎn)單易行、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，生產(chǎn)出的肥料具有顯著的浸水穩(wěn)定性，并可根據(jù)不同水田作物需求，調(diào)整養(yǎng)分配比（相關(guān)技術(shù)已申報(bào)專利［3］）。

筆者通過(guò)固化劑配方篩選、固化劑用量確定、固化劑與黏合劑比例優(yōu)選實(shí)驗(yàn)得到了肥料生產(chǎn)推薦參數(shù)，并對(duì)生產(chǎn)出的肥料進(jìn)行浸水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，為此類肥料的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要原料為尿素、氯化鉀和重過(guò)磷酸鈣，均為市售產(chǎn)品。

以淀粉（C12H22O11）和氨化褐煤為黏結(jié)和分散劑，以聚丙烯酰胺（PAM）為黏合劑，以硅酸鹽水泥、石膏粉的混合物為固化劑，以鈣粉為添加劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 固化劑配方篩選實(shí)驗(yàn)

設(shè)置硅酸鹽水泥與石膏粉不同比例的實(shí)驗(yàn)處理4個(gè)（m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）分別為5、4、3、2），固化劑用量占總混合料質(zhì)量的8%，采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的圓盤造粒工藝制成肥料顆粒，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后測(cè)定肥料顆粒的強(qiáng)度，以強(qiáng)度大小作為固化效果評(píng)價(jià)的依據(jù)。強(qiáng)度采用南京科環(huán)分析儀器有限公司生產(chǎn)的KQ-2型化肥顆粒強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定。

1.2.2 固化劑用量確定實(shí)驗(yàn)

設(shè)置不同固化劑用量的處理5個(gè)，添加質(zhì)量占總混合料質(zhì)量的比例分別為1%、2%、4%、8%、12%，肥料的制備、養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度分析同1.2.1節(jié)。

1.2.3 固化劑與黏合劑比例優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

設(shè)置實(shí)驗(yàn)處理4個(gè)，固化劑、黏合劑質(zhì)量比例分別為100∶1、100∶2、100∶3、100∶8，肥料的制備、養(yǎng)護(hù)及強(qiáng)度分析同1.2.1節(jié)。

1.2.4 肥料顆粒浸水穩(wěn)定性感官評(píng)價(jià)方法

選取市場(chǎng)銷售的復(fù)混肥料2 種（T1 和T2），以及優(yōu)化配方制備的水田長(zhǎng)效復(fù)混肥3種（T3，添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4 的固化劑4%，黏合劑用量為4%；T4，添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4的固化劑8%，黏合劑用量為4%；T5，添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4的固化劑12%，黏合劑用量為4%），各稱取肥料樣品50 g放置在尼龍網(wǎng)袋中，并將其浸泡在固定體積的水中，通過(guò)觀察網(wǎng)袋中肥料顆粒情況來(lái)評(píng)價(jià)肥料的浸水穩(wěn)定性。以“顆粒膨脹”、“粉末分散”和“形狀變化”3 個(gè)感官指標(biāo)為依據(jù)，建立的評(píng)價(jià)打分依據(jù)見(jiàn)表1。肥料連續(xù)浸泡30 d，在1、2、4、8、12、16、20、25、30 d時(shí)記錄得分，最后計(jì)算各處理總得分，得分越高表明肥料的浸水穩(wěn)定性越好。

表1 感官評(píng)價(jià)打分

1.2.5 肥料浸水養(yǎng)分釋放效果實(shí)驗(yàn)

將制得的肥料樣品（添加m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4的固化劑8%，黏合劑用量為4%）置于尼龍網(wǎng)袋中，并將其浸泡在固定體積的水中，于不同的時(shí)間點(diǎn)取樣，分析釋放的氮、磷、鉀量，計(jì)算養(yǎng)分釋放率，直至養(yǎng)分釋放率達(dá)80%以上（視為釋放完全）。

1.3 測(cè)定方法

利用能量色散X熒光分析（EDXRF）法測(cè)定磷元素含量［4］，使用美國(guó)賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）的元素分析儀（Flash EA）測(cè)定氮元素、鉀元素含量［5］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用origin 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，采用excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 固化劑配方篩選

固化劑配方篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。由圖1可知，隨著硅酸鹽水泥所占比例增加，固化效果顯著加強(qiáng)，但m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）＞4 時(shí)，硅酸鹽水泥占比增加，則固化效果略有降低，因此認(rèn)為m（硅酸鹽水泥）/m（石膏粉）=4 可作為固化劑配方中硅酸鹽水泥和石膏粉的優(yōu)化比例。

圖1 固化劑配方對(duì)肥料顆粒強(qiáng)度的影響

2.2 固化劑用量確定

通過(guò)不同用量梯度的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著固化劑用量增加，所制備肥料的強(qiáng)度增加，當(dāng)固化劑添加比例達(dá)到8%時(shí)，隨著固化劑用量增加，產(chǎn)品強(qiáng)度增加趨勢(shì)減緩（見(jiàn)圖2），因此將其優(yōu)選的比例定為8%較為合適。

圖2 固化劑用量對(duì)肥料顆粒強(qiáng)度的影響

2.3 固化劑與黏合劑比例優(yōu)選

黏合劑作為纖維狀物質(zhì)固化的輔助手段，有時(shí)會(huì)弱化固化效果，優(yōu)選的固化劑與黏合劑比例也是重要生產(chǎn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)肥料顆粒強(qiáng)度隨m（固化劑）/m（黏合劑）的增大先增大后減?。ㄒ?jiàn)圖3），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到二次方程y=-2.191 7x2+9.001 7x+85.975，相關(guān)系數(shù)R2=0.992 8，當(dāng)m（固化劑）∶m（黏合劑）=90∶1.5時(shí)，肥料顆粒強(qiáng)度最大，固化效果最好。

圖3 m（固化劑）∶m（黏合劑）對(duì)肥料顆粒強(qiáng)度的影響

2.4 肥料浸水穩(wěn)定性的感官評(píng)價(jià)

肥料浸水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)感官評(píng)價(jià)結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，當(dāng)固化劑添加量為8%和12%時(shí)，肥料浸水穩(wěn)定性感官評(píng)價(jià)總得分最高，均為81 分，表明其肥料浸水穩(wěn)定性最好，這與固化劑用量確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

表2 5種肥料的浸水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)感官評(píng)價(jià)結(jié)果

2.5 浸水養(yǎng)分釋放效果

水田長(zhǎng)效肥浸水養(yǎng)分釋放規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4 水田長(zhǎng)效肥浸水養(yǎng)分釋放規(guī)律

由圖4可知，采用固化技術(shù)制備的水田長(zhǎng)效肥具有顯著的浸水穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為：肥料浸水30 d內(nèi)，各養(yǎng)分的釋放率均不到50%，氮釋放率達(dá)到80%需要100 多天，與現(xiàn)有化肥乃至控釋肥相比，肥料的浸水穩(wěn)定性都有所增強(qiáng)。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用硅酸鹽水泥和石膏粉組成固化劑有較好的固化效果，認(rèn)為硅酸鹽水泥與石膏粉質(zhì)量比為4可作為固化劑的優(yōu)化比例，且固化劑添加比例達(dá)到8%，并滿足m（固化劑）∶m（黏合劑）=90∶1.5時(shí)其固化效果最好，所制得肥料穩(wěn)定性最好，成肥效果最優(yōu)。該肥料劑型不僅能夠全面滿足水田作物的養(yǎng)分需求，也具有在現(xiàn)有復(fù)混肥生產(chǎn)工藝中適用、生產(chǎn)簡(jiǎn)單易行、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，并且生產(chǎn)出的肥料具有顯著的浸水穩(wěn)定性，也能根據(jù)不同水田作物需求，調(diào)整養(yǎng)分配比。

對(duì)于生產(chǎn)出的肥料如何評(píng)價(jià)其浸水穩(wěn)定性，有很多緩控釋肥料的測(cè)試技術(shù)可以借鑒，也可以將其浸水穩(wěn)定性和現(xiàn)有緩控釋肥料做直接的對(duì)比分析。但在配方篩選時(shí)，肥料的浸水穩(wěn)定性評(píng)估若采用長(zhǎng)時(shí)間的浸泡實(shí)驗(yàn)，會(huì)延長(zhǎng)評(píng)價(jià)周期，難以快速選擇和制定配方，因此可建立產(chǎn)品浸水穩(wěn)定性的感官評(píng)價(jià)方法。