缓释肥料棒氮钾缓释特性研究

刘海林 王家宝 雷菲 杨凯 林清火 罗微

摘 要 采用室内间歇式土柱淋溶试验，研究了缓释肥料棒氮钾在土壤中的淋出率，以期明确缓释肥料棒对氮钾的缓释效果。结果表明，缓释肥料棒可明显减缓氮钾淋出，减少氮、钾淋出量，对氮、钾具有缓释作用，且随着聚丙烯酰胺用量增加，缓释肥料棒氮、钾累积淋出率逐渐减小。当42 d淋溶时，聚丙酰胺用量为2%、4%、6%的缓释肥料棒氮素累积淋出率分别较普通肥料减少了10.91%、16.85%、21.93%，且处理间差异显著；钾素累积淋出率较普通肥料分别减少了26.28%、29.16%、32.61%。而且一级动力学方程对缓释肥料棒的氮、钾累积淋出率曲线拟合效果最佳，可用于表征氮、钾素累积淋出率与时间的关系。

关键词 缓释肥料棒；淋出率；缓释效果

中图分类号 S14 文献标识码 A

Abstract In order to determine the nitrogen and potassium slow-release effect of slow release fertilizer rods， an intermittent soil column leaching experiment was used to research the nitrogen and potassium leaching rate of slow release fertilizer rods in soil. The results showed that slow release fertilizer rods could obviously reduce nitrogen and potassium leaching loss， had good slow release effect， and with the increasing of polyacrylamide， the nitrogen and potassium accumulated leaching rate decreased. Compared to ordinary fertilizer， the nitrogen accumulated leaching rate of FR1， FR2， FR3 decreased by 10.91%， 16.85%， 21.93% in the 42 days leaching， respectively； the potassium accumulated leaching rate decreased by 26.28%， 29.16%， 32.61%， respectively. And the nitrogen and potassium accumulated leaching rate curve could be best simulated by first order kinetics equation， could be used to describe the relationship between nitrogen/potassium accumulated leaching rate and time.

Key words Slow release fertilizer rods； Leaching rate； Slow-release effect

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.10.007

我国农业生产中经济林和果树占有重要地位，其种植面积广、产值大[1-2]。目前，在林木、果树上施用的主要是普通化学肥料，施肥量大，且施肥方法主要是开沟施肥，工作量大，费时费工[3]，而且肥料养分易挥发、淋失，导致肥料养分利用率较低，肥料资源浪费。针对上述问题，李宗来等[4]将化肥、粘合剂等挤压成肥料棒，并包覆降解膜制备成全素长效柱肥，高祖明等[5]发明了一种由化肥、壳体、石蜡或油膜组成的肥料棒。另外，由于缓/控释肥料具有减缓养分释放，减少养分淋失、提高肥料利用率等诸多优点[6-10]，科研人员也开展了肥料控释袋[11-13]、大颗粒缓控释肥料[14-15]、球型包膜控释肥[16]、多功能肥料块[17-18]等适用于林木、果树的大质量新型缓/控释肥料研究，并取得了一定效果。但上述肥料棒或大质量的新型缓释肥料的制备工艺复杂，而且需要利用聚合物膜层或有机废弃物涂覆或外包，从而达到养分缓释的目的。为了简化肥料棒制备工艺，降低成本，同时具有较好的缓释效果，本研究以高分子材料聚丙烯酰胺为粘结剂和缓释材料，与普通肥料、填充料混匀，利用自制肥料成型机挤压制备缓释肥料棒，研究了缓释肥料棒养分淋出特性，旨在延长林木、果树专用肥料养分供应时间，提高其肥料利用率，为改进林木、果树施肥技术提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 缓释肥料棒制备 将尿素、磷酸二铵、氯化钾、聚丙烯酰胺（PAM）、填充料分别粉碎、过筛，计量后加入混合机中，喷入水1.5～5份搅拌均匀，利用肥料成型机在0.5～1.0 MP压力下挤压制成粒径为4.5 cm，长为6～10 cm的缓释肥料棒（养分配比均为16-6-8）。缓释肥料棒FR1、FR2、FR3的聚丙烯酰胺用量分别为肥料棒质量的2%、4%、6%，并以等养分含量的普通肥料F为对照。缓释肥料棒制备工艺流程见图1。

1.1.2 供试土壤 供试砖红壤采自中国热带农业科学院试验场五队试验基地表层0～20 cm土壤，自然风干后备用。成土母质为片麻岩，土壤全氮、速效钾、速效磷、有机质含量分别为0.48 g/kg、40.60 mg/kg、4.20 mg/kg、11.07 g/kg，土壤pH为4.80。

1.2 方法

1.2.1 缓释肥料棒缓释效果评价 采用土柱淋溶法，淋溶管为高55 cm，内径16 cm的PVC管，用纱布将管底封住，先加入300 g石英砂（高约5 cm），然后装入过5 mm筛的风干土6 kg（高约25 cm），放入供试缓释肥料棒（缓释肥料棒质量均为80 g），再加入过5 mm筛的风干土2 kg（高约10 cm），最后加入300 g石英砂（高约5 cm），以排除淋溶时对土层的扰动。淋溶管下通过漏斗用塑料瓶收集淋溶液。试验时，每个土柱先加水至接近饱和后静置24 h，再加入1 L水，分别在第1、3、5、7、10、13、16、20、24、28、35、42天收集（每次收集前一天加水），测定淋溶液中氮、钾含量，每个处理设5个重复，同时设置空白。

1.2.2 缓释肥料棒养分累积淋出率曲线方程拟合

本研究利用一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程[19]对缓释肥料棒养分累积淋出率曲线进行拟合。一级动力学方程（1）、Elovich方程（2）、抛物线方程（3）如下：

N=No×[1-exp（-k×t）] …………………………（1）

N=a+b×lnt ……………………………………（2）

N=a+b×t0.5 ……………………………………（3）

式中：N为t时间段内养分累积淋出率（%）；No为最大养分累积淋出率（%）；a， b为方程常数；k为速率常数（d-1）；t为淋溶时间（d）。

拟合方程用SPSS13.0等统计软件的非线性回归统计分析模块进行拟合，并计算其显著性检验结果。

1.3 数据分析处理

采用Microsoft office Excel 2007软件对原始数据进行整理计算、绘制图表，采用SPSS软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 缓释肥料棒氮素淋出特性

缓/控释肥料的养分释放特征曲线能够简单直观反映出养分释放特性及肥料缓/控释效果。由图2-A可知，对照处理F的氮素累积淋出率曲线为抛物线型，从第1天淋溶开始肥料氮素累积淋出率逐渐增大，并呈直线增加，直到第7天淋溶以后，肥料氮素淋出速率逐渐减小。而缓释肥料棒处理FR1、FR2、FR3的氮素累积淋出率曲线均为类似S型，氮素淋出速率存在滞后现象，表现为第1天和第3天氮素淋出速率很小，从第5天淋溶后，各处理的氮素累积淋出率逐渐增大；在第5天至第16天之间，FR1、FR2、FR3的氮素累积淋出率基本为匀速增加，第16天以后，氮素累积淋出率增加速率逐渐减弱。整个淋溶期内，FR1、FR2、FR3的氮素累积淋出率均小于对照处理F，且从第5天淋溶开始表现为随着聚丙烯酰胺用量增加，氮素累积淋出率减小。

进一步对第1天、第7天、第28天和第42天各处理的氮素累积淋出率进行统计分析可知（图2-B），F、FR1、FR2、FR3各处理第1天的氮素累积淋出率分别为11.94%、0.01%、0.02%、0%，缓释肥料棒处理的氮素累积淋出率显著小于F处理。FR1、FR2、FR3各处理第7天的氮素累积淋出率分别较F减少了75.78%、79.83%、83.25%，缓释肥料棒处理显著小于对照处理。在第28天淋溶时，FR1、FR2、FR3的氮素累积淋出率分别较F处理减少了14.65%、23.85%、28.90%，与第7天相比减少程度有所降低。FR1、FR2、FR3各处理第42天的氮素累积淋出率分别为56.99%、53.19%、49.94%，较对照F处理分别减少了10.91%、16.85%、21.93%。从第7天、第28天和第42天缓释肥料棒各处理的氮素累积淋出率统计分析可知，随着聚丙烯酰胺用量增加，缓释肥料棒氮素累积淋出率逐渐减小，且FR1、FR2、FR3处理间差异显著。

综上可知，缓释肥料棒可有效减缓氮素淋出速率，减少肥料氮素淋出量，对于氮素具有一定缓释效果，且随着聚丙烯酰胺用量增加，缓释肥料棒氮素累积淋出率逐渐减小，缓释肥料棒缓释效果更为明显。

2.2 缓释肥料棒钾素淋出特性

图3-A为缓释肥料棒钾素累积淋出率曲线图，由图可见，对照处理F的第1天钾素累积淋出率较小，为0.86%，但第3天淋溶时钾素累积淋出率显著增大，达30.58%；从第3天淋溶至第7天淋溶，F的钾素累积淋出率呈线性增加，但从第7天淋溶后，F的钾素淋出速率显著减小，钾素累积淋出率缓慢增加。而FR1、FR2、FR3在第1天、第3天、第5天淋溶时钾素累积淋出率均较小，当第5天淋溶时，FR1、FR2、FR3的钾素累积淋出率分别为2.46%、1.97%、1.64%；从第5天淋溶后，FR1、FR2、FR3的钾素累积淋出率呈线性增加，当第20天淋溶后，各处理的钾素淋出速率减小，钾素累积淋出率缓慢增加。整个淋溶期内，FR1、FR2、FR3的钾素累积淋出率均明显小于F处理，并且在第20天淋溶之前FR1、FR2、FR3处理的钾素累积淋出率曲线基本重合，第16天淋溶之后3个处理间的钾素累积淋出率差距逐渐增加，表现为FR1>FR2>FR3。

进一步对第1天、第7天、第28天和第42天各处理的钾素累积淋出率进行统计分析可知（图3-B），当第1天、第7天、第28天和第42天淋溶时，对照F处理的钾素累积淋出率均显著大于缓释肥料棒处理，而FR1、FR2、FR3的钾素累积淋出率虽均表现为随着聚丙烯酰胺用量增加而减小趋势，但是处理间差异不显著。当第42天淋溶时，FR1、FR2、FR3的钾素累积淋出率较对照F处理分别减少了26.28%、29.16%、32.61%。综上可知，缓释肥料棒可有效减缓肥料钾素淋出速率，减少肥料钾素淋出量，具有一定缓释效果，当聚丙烯酰胺用量为2%至6%时，随着聚丙烯酰胺用量增加，肥料钾素累积淋出率表现为减小趋势，但不同聚丙烯酰胺用量间差异不明显。

2.3 缓释肥料棒养分累积释放曲线方程拟合

缓释肥料棒氮钾累积淋出率曲线可用一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程进行拟合（表1），从3个方程拟合结果可知，一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程拟合的相关系数r均达到极显著水平，3个方程对于缓释肥料棒氮钾累积淋出率曲线均具有较好的拟合度。对于缓释肥料棒氮素累积淋出率曲线的拟合，一级动力学方程相关系数r为0.982**～0.998**，SE为1.25%～3.86%，拟合效果最佳；对于缓释肥料棒钾素累积淋出率曲线的拟合，一级动力学方程相关系数r为0.982**～0.985**，SE为3.72%～4.85%，拟合效果最佳。进一步分析缓释肥料棒氮素累积淋出率曲线的一级动力学方程参数k可知，F、FR1、FR2、FR3的氮素淋出速率k值逐渐减小，表明随着聚丙烯酰胺用量增加，缓释肥料棒氮素淋出速率减小，氮素缓释作用增强；FR1、FR2、FR3的钾素淋出速率k明显小于F处理，但FR1、FR2、FR3的钾素淋出速率几乎相等，表明当聚丙烯酰胺用量为2%～6%时，聚丙烯酰胺用量对缓释肥料棒钾素缓释效果影响不大。

3 讨论与结论

林木、果树等植物对肥料需求量大，施用普通颗粒复合肥存在施肥次数多、养分易损失、肥料利用率低等缺点[3]。而大颗粒肥料、块肥或肥料棒等可根据林木、果树养分需求，调控肥料质量，配方灵活可变，方便施用，而且肥料表面积与体积的比率相对较小，降低肥料溶解速率，养分释放更为缓慢，延长肥效期，减少施肥次数[15]。但是，普通的大颗粒肥料、块肥或肥料棒的养分缓释效果仍然有限，有待于增强缓释效果。研究表明在肥料中添加聚丙烯酰胺可有效减少养分损失[20-24]，具有较好的缓释作用。因此，为了进一步提升肥料棒缓释效果，本研究以水溶性保水剂（聚丙烯酰胺）作为粘结剂和缓释材料，利用聚丙烯酰胺水溶液粘度大、粘结性高、强絮凝作用、离子吸附、水合作用等特点，以普通肥料（氯化钾、尿素、磷肥等）、填充料等为基础原料，将聚丙烯酰胺与基础原料混合，使聚丙烯酰胺在缓释肥料棒中均匀分布，通过肥料成型机挤压制备缓释肥料棒。从本研究结果可发现，缓释肥料棒可减少氮、钾淋出量，减少肥料淋溶损失，且随着聚丙烯酰胺用量增加，缓释肥料棒氮素累积淋出率逐渐减小，缓释肥料棒缓释效果更为明显。但是，当聚丙烯酰胺用量为2%～6%时，随着聚丙烯酰胺用量增加，肥料钾素淋出率呈增加趋势，但不同粘结剂用量间差异不明显，具体原因还有待进一步研究。另外，本研究还利用一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程对缓释肥料棒的氮钾累积淋出率曲线进行了拟合，其中一级动力学方程拟合效果最佳。

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