保水缓释肥料保水性能及养分释放特性

刘海林 王龙宇 林清火 华元刚 林钊沐

摘 要 为了明确添加水溶性保水剂（羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠）肥料的保水缓释效果，利用圆盘造粒工艺制备了保水缓释肥料，通过土壤培养和土柱淋溶试验，研究了保水缓释肥料在土壤中的保水性能和养分缓释效果。结果表明：3种保水缓释肥料均具有一定保水性和养分缓释效果，随保水缓释肥料用量增加，土壤最大持水率逐渐增加，土壤水分蒸发率逐渐减小；其中，以添加聚丙烯酸钠的保水缓释肥料保水性能和养分缓释效果最佳，首次淋溶后氮磷钾养分释放率较普通肥料分别减少了50.38%、55.74%、48.37%，当肥料添加量为2%时，土壤最大持水率较纯土壤提高了43.28%，培养至30 d土壤水分蒸发率较纯土壤降低了22.86%。

关键词 水溶性保水剂；缓释肥料；保水；养分释放率；

中图分类号 S143.5 文献标识码 A

Water-retention and Nutrient Release Characteristic of

Water-retentive Slow-release Fertilizer

LIU Hailin， WANG Longyu， LIN Qinghuo， HUA Yuangang， LIN Zhaomu*

Rubber Research Institute， CATAS / Soil and Fertilizer Research Center， CATAS， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract In order to define the water-retention and nutrient slow-release effect of the fertilizer which added water soluble water retention agent（carboxymethyl cellulose， polyacrylamide and polyacrylate sodium）， the water-retentive slow release fertilizer was made by pan granulation in this study. The water-retention and nutrient release property of water-retentive slow-release fertilizer in the soil was studied. Soil maximum water-holding rate and soil moisture evaporation rate of water-retentive slow-release fertilizer were detected by indoor incubation experiment， the nitrogen， phosphorus， potassium cumulative release rate of the water-retentive slow-release fertilizer were measured by the intermittent soil column leaching experiment. Results showed that all the three kinds of water-retentive slow release fertilizers had water-retention and slow-release effect. The soil maximum water-holding rate increased with increasing the amount of water-retentive slow-release fertilizer， but the soil moisture evaporation rate was just the opposite. Among them， the water-retentive slow-release fertilizer added polyacrylate sodium had the best water-retention and nutrient slow-release effect. For the first leaching， the nitrogen， phosphorus， potassium cumulative release rate decreased by 50.38%， 55.74%， 48.37%， respectively； When the application of the fertilizer was 2%， the soil maximum water-holding rate increased by 43.28%， the soil moisture evaporation rate was reduced by 22.86% after cultivation for 30 d.

Key words soluble water retention agent； slow-release fertilizer； water-retention； nutrient release rate

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.01.007

干旱是我國频发的自然灾害，是对我国农业生产和农业经济影响最为严重的气象灾害，干旱灾害损失占我国每年各种自然灾害总和的15%以上[1]。因此，在我国大力发展节水抗旱技术极为重要，而施用保水剂是节水抗旱方面的重要技术措施之一，研究表明保水剂具有提高土壤吸水和持水能力[2-3]、增强土壤保水能力[4]、改良土壤结构[5-7]等作用。另外，保水剂的应用也可作为肥料增效的有效措施，有研究表明保水剂可以提升土壤保肥能力[8-9]，从而减少肥料损失，提高肥料利用率。但是，单独使用保水剂会增加农业生产成本，而且保水剂用量小，难以与肥料充分接触，影响水肥效益，而综合考虑农业生产中最为重要因素水分和肥料，通过物理或化学方法将肥料与保水剂复合一体化[10-11]，从而增强作物抗旱能力，减少养分淋失，提高肥料利用率，充分发挥水肥的协同效应[12-13]。目前，许多科研工作者开展了保水缓释肥料制备工艺及保水缓释效果方面研究工作，如通过吸附工艺研制了具有保水功能的缓释微量元素肥料[14-15]，通过挤压造粒工艺研制了有机无机复合保水肥[16]，通过包膜工艺研制了保水包膜肥料[17-19]，通过化学聚合工艺研制了保水缓释氮肥[20-21]，并且肥料均具有一定的保水性能和缓释效果。其中虽然造粒工艺简单易行，但是凝胶型保水剂与肥料混合造粒过程由于吸水膨胀及粘结性差等原因致使生产较为困难。同时，考虑到海南有明显的旱季、雨季，且雨季集中，土壤阳离子交换量低，养分易淋失。为此，本研究将水溶性保水剂与普通肥料结合，利用圆盘造粒工艺制备系列保水缓释肥料，并研究其保水性能和养分缓释性能，旨在探究水溶性保水剂在海南砖红壤中的作为保水缓释材料的可行性及其保水缓释效果。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 保水缓释肥料制备 分别选取羧甲基纤维素钠CMC、聚丙烯酰胺PAM、聚丙烯酸钠PAA作为供试水溶性保水剂，缓释肥料制备过程中水溶性保水剂用量均为6%，对应的保水缓释肥料分别用SRF1、SRF2、SRF3表示，并以不添加水溶性保水剂的普通肥料为对照，以F表示。保水缓释肥料制备步骤为以水溶性保水剂、尿素、氯化钾、磷酸一铵、磷酸二铵、膨润土为原材料，破碎，然后按设定养分配比（橡胶树专用肥配方N-P2O5-K2O=20-12-8，总养分含量≥40%）计量混匀，加入圆盘造粒机中进行造粒，造粒完成后将肥料烘干、过筛。

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5队试验基地表层0～20 cm土壤，自然风干后过1 mm筛备用。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0.484 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 砖红壤最大持水率测定 用土柱法[22]测定砖红壤最大持水率。将PVC管（内径4.7 cm，高30 cm）的一端用100目尼龙网布扎口，先装入50 g风干砖红壤（过1 mm筛网，下同），然后将保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3及普通肥料F按肥料施用率0、0.5%、1%和2%，分别与200 g风干砖红壤混合均匀后加入PVC管中，最后再加50 g风干砖红壤，对土柱进行称重（记为W1）。将此PVC管置于铁架台上悬空放置，从土柱顶部逐渐淋入一定量的自来水至底部有水渗出为止，静置，定时测定土柱总质量，直至不再滴水时记下总质量（记为W2）。所有处理均设3个重复，按（1）式计算砖红壤最大持水率Wmax。

Wmax=[（W2-W1）/300]×100% （1）

1.2.2 砖红壤水分蒸发率测定 将添加保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3（按施用率0.5%、1%和2%）和200 g风干砖红壤混匀后装于250 mL烧杯中，加入200 g自来水，称重（记为Wi），放置在室温条件下。每隔5 d称量烧杯总重量记为Wn，连续观测30 d，所有处理均设3个重复，以纯土壤处理CK作为对照，砖红壤水分蒸发率W按（2）式计算。

W=（Wi-Wn）/200×100% （2）

1.2.3 保水缓释肥料养分缓释性能测定 利用间歇式土柱淋溶测定保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3及未添加水溶性保水剂的F处理在砖红壤中养分溶出率，并以不添加肥料的纯土壤淋溶柱作为空白对照。间歇式土柱淋溶试验参照杜建军等[19]的方法，用200目尼龙网布将内径5 cm长35 cm的PVC管一端封住，首先向管中加入少量细砂（25 g）再加入100 g砖红壤作为缓冲层，然后按N 1 g/kg风干土，在其上装入400 g风干砖红壤与肥料的均匀混合物，最后在土柱上面覆盖少量细沙（25 g），以免淋溶时扰乱土层，每个处理重复5次。土柱填装完成后将其置于淋溶架上，土柱下端放置漏斗，漏斗下放置350 mL塑料瓶收集淋溶液。第1次先加蒸馏水使土壤水分接近饱和。静置24 h后，将200 mL水倒入PCV管中，收集淋溶液，待不再有水滴出为止，取淋溶液测定其养分含量。用刺有小孔的保鲜膜封闭PVC管的上端管口，室温下培养4 d后，用200 mL水进行第2 次淋溶，以后各次按同样操作进行，共淋溶7次。

1.2.4 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 保水缓释肥料对土壤最大持水率的影响

由图1可知，添加0.5%、1.0%、2.0%普通肥料F的砖红壤最大持水率分别为40.21%、40.41%、40.01%，与纯砖红壤的最大持水率无显著差异，可见添加普通肥料对砖红壤最大持水率基本无影响。而保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3均能有效提升砖红壤的最大持水率，且表现为随保水缓释肥料用量增加，土壤最大持水率逐渐增加。其中，保水缓释肥SRF1用量为0.5%时砖红壤最大持水率较纯砖红壤处理提升了7.85%，施用量为2.0% 时砖红壤最大持水率较纯砖红壤的对照处理提升了25.62%，且显著大于添加0.5%和1.0%处理。保水缓释肥料SRF2施用量为0.5%、1.0%、2.0%时砖红壤最大持水率分别较纯砖红壤的处理提升了12.71%、20.63%、32.99%；保水缓释肥料SRF3施用量为0.5%、1.0%、2.0%时砖红壤最大持水率分别较纯砖红壤处理提升了19.43%、31.63%、43.28%，而且保水缓释肥料SRF3不同施用量处理间差异显著，且添加2.0%的保水缓释肥料SRF3处理砖红壤最大持水率显著大于其他处理。综合比较3种保水缓释肥料，保水缓释肥料SRF3对砖红壤最大持水率的提升能力最强，保水缓释肥料SRF2次之，保水缓释肥料SRF1较弱。

2.2 保水缓释肥料对土壤水分蒸发率的影响

图2为添加保水缓释肥料的土壤水分蒸发率随时间变化趋势图，由图2可知，各处理的土壤水分蒸发率均是随着时间增加逐渐增加，且均接近于匀速增加。在所有取样时间点，添加保水缓释肥料处理的土壤水分蒸发率均小于纯土壤对照处理CK，且随着保水缓释肥料施用量增加，土壤水分蒸发率逐渐减小。从图2-A可以看出，CK处理的砖红壤水分蒸发率在培养第15 d时为59.58 %，而添加0.5%、1.0%、2.0%保水缓释肥料SRF1的处理在第15天时砖红壤水分蒸发率分别为56.97%、53.96%、48.13%。当培养至第30天时CK處理砖红壤水分已基本蒸发完全，而添加0.5%、1.0%、2.0%保水缓释肥料SRF1处理的砖红壤中还分别含有7.07%、11.59%、15.26%的水分，表明保水缓释肥料SRF1可增强砖红壤持水保水能力，且随其用量增加而提高。

由图2-B可以看出，添加保水缓释肥料SRF2后，砖红壤的保水性能也得到明显提升。培养30 d后，CK处理的土壤水分蒸发率达到96.54%，而添加0.5%、1.0%、2.0%保水缓释肥料SRF2处理的砖红壤水分蒸发率分别为90.07%、83.55%、79.38%，分别较CK处理降低了6.70%、13.46%、17.78%。由图2-C可发现，培养15 d时，添加0.5%、1.0%、2.0%保水缓释肥料SRF3的处理土壤水分蒸发率明显小于CK处理，分别为52.14%、49.69%、45.73%。培养30 d时，添加0.5%、1.0%、2.0%保水缓释肥料SRF3处理的砖红壤中仍分别含有15.29%、20.01%、25.53%的水分。综合比较可知，培养至30 d时，添加2.0%保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3处理的砖红壤水分蒸发率分别为84.74%、79.38%、74.47%。由此可见，在砖红壤中添加一定比例保水缓释肥料均可降低砖红壤水分蒸发率，增强砖红壤的保水能力，且以保水缓释肥料SRF3效果较好，SRF2次之，SRF1稍差。

2.3 保水缓释肥料缓释性能

图3为保水缓释肥料在砖红壤中养分累积释放曲线，从图可以看出，3种保水缓释肥料均能降低肥料养分淋出率，延缓养分释放，减少养分淋溶损失，具有一定缓释效果。由图3-A可知，3种保水缓释肥料在砖红壤中的氮素累积释放率曲线均为抛物线型，而普通肥料F第1次淋溶后氮素释放率达到81.89%，保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3则明显小于普通肥料，第1次淋溶时氮素释放率较普通肥料分别减少了39.86%、46.44%、50.38%。普通肥料在第3次淋溶后其氮素基本释放完全，而保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3的氮素累积释放率分别为89.36%、85.42%、81.75%。进一步比较可知，在前4次淋溶过程中氮素累积释放率均是SRF1>SRF2>SRF3，而后3次淋溶过程中3种保水缓释肥料氮素累积释放率差异不大。表明3种保水缓释肥料对肥料氮素均具有缓释作用，其中以SRF3效果最佳。

由图3-B可知，4种肥料在砖红壤中磷素累积释放曲线均为近似直线型，基本保持匀速释放。保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3的磷素累积释放率均明显低于普通肥料，普通肥料在首次淋溶后磷素释放率为18.64%，而保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3分别为14.39%、11.66%、8.25%，SRF3较普通肥料分别减少了55.74%。7次淋溶结束后普通肥料的磷素累积释放率为41.52%，保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3的磷素累积释放率分别为31.39%、26.48%、23.67%。可见保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3可有效减缓磷素在砖红壤中的淋出速率，且以SRF3效果最佳。

由钾素累积释放率曲线（图3-C）可知，普通肥料在第1次淋溶后钾素释放率达到了83.64%，而保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3分别为53.64%、48.77%、43.18%，其中SRF3较普通肥料减少了48.37%。当第3次淋溶后，普通肥料的钾素基本淋溶完全，而保水缓释肥料SRF1、SRF2、SRF3钾素累积释放率分别为89.13%、84.68%、79.62%。第1至4次淋溶时，均以SRF3的钾素累积释放率最小；第6、7次淋溶时，3种保水缓释肥料基本无钾素淋出。表明3种水溶性保水剂对钾素均具有缓释作用，其中以保水缓释肥料SRF3效果较好。

3 討论

水溶性保水剂由于具有水溶液粘度大、絮凝作用、离子吸附、水合作用等特性，在保水保肥等方面具有较好效果。相关研究表明，将水溶性保水剂与肥料混施可减少养分淋溶损失[23-25]，增加土壤饱和含水量和田间持水量[26]。但上述研究均仅将水溶性保水剂与肥料混合施用，验证水溶性保水剂具有保水、保肥作用，并未研究以水溶性保水剂为原料制备肥料的保水缓释效果，而且水溶性保水剂与肥料混施不仅增加劳动成本，且难以保证与肥料充分接触，影响水溶性保水剂发挥效果。本研究采用水溶性保水剂作为肥料制备过程中的保水缓释材料，利用圆盘造粒工艺制备了系列保水缓释肥料，将肥料与水溶性保水剂结合在一起，成粒之后肥料颗粒中水溶性保水剂均匀分布。结果表明添加水溶性保水剂的保水缓释肥料均具有一定的保水性能，而且均能降低肥料养分淋出率，延缓养分释放，减少养分淋溶损失，具有一定缓释效果。其中保水缓释肥料SRF3对砖红壤保水持水性能提升能力最强，当SRF3添加量为2%时，土壤最大持水率较纯土壤提高了43.28%，培养至30 d土壤水分蒸发率较纯土壤降低了22.86%。在养分缓释效果方面，也是保水缓释肥料SRF3效果较好，首次淋溶后氮磷钾养分释放率较普通肥料分别减少了50.38%、55.74%、48.37%。以水溶性保水剂为保水缓释材料制备的肥料具有保水缓释作用的原因可能在于水溶性保水剂均匀分布于肥料颗粒中，肥料施入土壤后，遇水肥料表面粘性增加，逐渐形成高粘性水化膜或三维空间网络结构，限制水分子的运动，降低肥料溶解速率，并能吸附土壤形成大的团粒，通过交换性吸附和截留，减少肥料养分随水分迁移速率。同时，水溶性保水剂粘附于土壤颗粒表面，改善了土壤团粒结构，从而能够增加土壤持水能力，降低土壤水分蒸发速率。

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