聚合物包膜尿素保肥特性及作物响应特征

夏　露，夏　栋,2，薛海龙，程　虎，罗　婷，许文年,2*(.三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

环境和资源的可持续利用越来越受到重视，如何保证作物产量、提高肥料利用率逐渐成为当前农业肥料领域科技创新的重要任务，也是实现农业可持续发展的重要保证[1-3]。近年来，我国形成了有机肥与无机肥配施的科学施肥体系，有效地提高了肥料利用率[4-5]。包膜肥料由于其良好的缓释特性已成为新肥料领域的研究热点，其中，以淀粉、聚乙烯醇为代表的高分子聚合物制备包膜肥料，其膜材料廉价、可降解，具有良好的应用推广前景[6-7]。此外，一些离子交换性能较好的无机矿物质材料(硅藻土、沸石粉、膨润土等)也逐渐被引入到包膜肥研究中，以最大限度地增强肥料保肥特性、调节土壤酸碱度、提高肥料缓释性能，最终达到作物增产、农民增收的效果[8-10]。

目前，关于包膜肥料的研究多有开展，薛海龙等[11]在聚乙烯醇-淀粉聚合物的基础上添加改性剂，提高了膜材料的耐水性能，增强了包膜尿素的缓释特性，保证了肥料养分分阶段释放；吕东波等[12]证实，与普通尿素相比，包膜尿素施入土壤后能显著减小氨挥发损失；熊又升等[13]报道，包膜尿素可以减缓尿素在土壤中的淋溶速度从而降低氮素的淋溶损失；王激清等[14]、耿计彪等[15]、曹兵等[16]证实，包膜尿素可以不同程度增加作物产量、改善作物品质。但目前研究大多集中于单一评价体系，如肥料养分释放特性、作物(根系)的吸收响应、土壤-根际微环境变化等，而对缓释肥保肥特性的影响因子研究较少。鉴于此，以吸附性能、离子交换性能强且含有多种微量元素的无机非金属矿物质材料(硅藻土、沸石粉、膨润土)为原料，对淀粉-聚乙烯醇进行改性，制备包膜尿素，研究包膜肥料的保肥性能及作物的响应特征，旨在为包膜材料的选取及其在农业生产中的应用提供理论及数据支撑。

1　材料和方法

1.1　试验材料

1.1.1试验材料肥料核为尿素；包膜材料为淀粉(S)、聚乙烯醇(P)、硅藻土(K)、膨润土(B)、沸石粉(Z)；供试土壤为三峡大学翠屏山上的黄棕壤，其主要理化性质为：pH值6.51、容重1.30 g/cm3、含水率30%、有机质10.35 g/kg、总氮18.84 g/kg、总磷2.59 g/kg、总钾8.48 g/kg，速效氮47.05 mg/kg、速效磷5.91 mg/kg、速效钾145.93 mg/kg。

1.1.2包膜肥料的制备称取65.00 g聚乙烯醇和585 mL去离子水放入装有电动搅拌器、冷凝器、温度计的烧瓶中，加热至96 ℃，持续反应，待聚乙烯醇完全溶解，停止加热、继续搅拌，依次加入35.00 g淀粉、消泡剂、表面活性剂、催化剂，升温至90 ℃，加速搅拌反应1.5 h，停止加热，继续搅拌，冷却至室温，即得淀粉-聚乙烯醇溶液交联液。

在淀粉改性的聚乙烯醇交联液中，按占有机交联液质量比例的5%加入定量的3类无机矿物粉末硅藻土、膨润土、沸石粉，加热反应，高速搅拌50～60 min，制成3种有机、无机复合物包膜材料：硅藻土改性淀粉-聚乙烯醇、膨润土改性淀粉-聚乙烯醇、沸石粉改性淀粉-聚乙烯醇。尿素经烘干、粉碎、研磨后过0.025 mm筛，充分混合搅拌，放入圆盘造粒机中滚动造粒，得到粒径2.5～3.5 mm的颗粒，烘干，即得尿素核体，然后将其在圆盘造粒机中预热抛光，用喷枪喷射3种有机、无机复合物包膜材料覆膜，同时热风烘干脱除水分，如此反复多次，制得所需要求的包膜尿素KSP、BSP、ZSP。

1.2　试验设计与方法

1.2.1保肥试验以土壤为淋洗介质，按尿素0.218 g/kg的比例称取等氮量尿素(KSP、BSP、ZSP、U用量分别为0.435、0.313、0.357、0.217 g)与土壤混合均匀后装入PVC 管(内径50 mm、高150 mm)，用0.15 mm筛网封底，设置未包膜尿素处理(U)为对照，用100 mL的蒸馏水淋洗土柱，测定淋洗液中氮素含量，每隔6 d淋洗一次，持续30 d，共淋洗5次，每个处理3次重复。

1.2.2盆栽试验供试作物为油菜(上海青)与豌豆(中豌2号)，各处理氮素用量为46 g/盆，即U、KSP、BSP、ZSP的施用量分别为100.0、200.0、153.4、164.3 g，每盆装土6 kg，磷肥为KH2PO4，钾肥为K2SO4，磷(P2O5)、钾(K2O)用量分别为480、600 mg/盆，同时设置未施加尿素(CK)处理作为参考，每个处理重复3次。油菜与豌豆均撒播10粒种子，生长期间定量灌水保持田间持水量50%左右。80 d后采集植株地上、地下部分，用水洗净，晾干后称其鲜质量。

1.3　指标测定

采用便携式叶绿素仪(SPAD-502)测定叶绿素含量(SPAD值)，蒽酮比色法测定可溶性糖含量[17]。分别在作物出苗、拔节、开花、成熟期取土样，采用玻璃电极法测定土壤pH值，农化分析法测定养分含量[18]。

1.4　数据处理

数据采用Excel 2010进行处理，Origin 7.5进行方差分析与作图。

2　结果与分析

2.1　包膜对肥料保肥特性的影响

养分淋失和水分胁迫条件下，土柱淋洗试验中淋出液中的氮主要取决于淋出液的体积和氮的浓度[19]。由表1可知，4种尿素的氮素淋洗量均随着淋溶时间的增长而减少。KSP、ZSP、BSP处理6、12 d的氮素淋洗量较U处理分别减少13.39%～26.19%、4.27%～19.89%；18 d的淋洗量表现为包膜尿素>未包膜尿素，原因是尿素氮素养分有限，在未包膜情况下，氮素养分在前期释放、淋失快，但包膜肥料保留较多养分，因此培养后期的淋洗量高于未包膜尿素；30 d的肥料的氮素淋洗量基本趋于稳定，各处理无显著差异。与U处理相比，KSP、ZSP、BSP处理的累积淋洗量分别显著减少16.58%、5.59%、21.65%，而累积淋洗量可在一定程度上反映肥料保肥能力，即3种包膜肥料的保肥能力大小依次为BSP>KSP>ZSP，均显著高于未包膜尿素。

表1　包膜尿素处理的氮素淋洗量　mg/kg

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

2.2　施用不同肥料处理对土壤pH值的影响

由图1可知，不同种植类型的各个生长时期土壤pH值不同，整体呈现中性或弱碱性。2种作物中，施加包膜尿素对土壤酸碱度的影响要强于施加未包膜尿素，表现为3种包膜尿素的土壤pH值曲线均在未包膜尿素上方，且包膜尿素土壤的pH值为7.0左右，适宜大多数作物生长。油菜中，U处理的pH值为6.42～6.95，呈偏中性，KSP、ZSP、BSP处理为7.03～7.58，呈现弱碱性，整体上包膜尿素的土壤pH值较未包膜尿素提高了0.6个单位。豌豆中，除ZSP处理土壤呈现弱碱性外，KSP、BSP处理与U处理的pH值差别不大，为6.58～7.03(偏中性)。

图1　包膜尿素对不同作物类型土壤pH值的影响

2.3　施用不同肥料处理对作物SPAD值及可溶性糖含量的影响

由图2可知，施加尿素均可不同程度地提高作物SPAD值。与CK相比，U处理的油菜、豌豆SPAD值分别增加9.61%、7.23%，3种包膜尿素肥料的油菜、豌豆SPAD值分别增加21.12%～23.43%、14.78%～17.74%；与未包膜处理相比，包膜处理油菜、豌豆SPAD值分别提高了10.92%～12.60%、7.05%～9.25%；无论是油菜还是豌豆，KSP、ZSP、BSP、U处理间差异均不显著，表明在促进叶绿素的合成方面，包膜肥料要略优于普通肥料，但3种包膜肥料效果相当。

不同小写字母表示同一作物不同处理间差异显著(P<0.05)图2　不同施肥处理SPAD值和可溶性糖含量变化

与CK相比，各施肥处理可溶性糖含量均显著提高，而4种尿素肥料处理间无显著差异。与未包膜处理相比，各包膜肥料的油菜、豌豆可溶性糖含量分别增加6.58%～9.66%、5.38%～9.55%。

2.4　施用不同肥料处理对作物生物量的影响

养分淋失和水分胁迫条件下，模拟自然条件人为地改变了作物生长的营养和水分状况，且由于不同包膜肥料养分释放速率、模式和对水分的保持作用不同，造成营养和水分条件的差异，这种差异性对作物生长的影响最终表现在生物量上[20]。从表2可以看出，4种施肥处理的生物量均显著高于CK，施肥处理的油菜、豌豆生物量分别较CK增加17.11%～21.58%、37.95%～43.76%，且差异显著；3种包膜处理的油菜、豌豆生物量分别较U处理增加2.40%～3.81%、2.85%～4.21%，且差异显著。说明施肥处理可增加作物产量，且包膜尿素优于未包膜尿素，而不同包膜材料的包膜尿素效果相当。

表2　不同施肥处理的作物生物量变化

注：同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

3　结论与讨论

3.1　包膜肥料保肥特性

目前，我国农业生产中氮肥的利用率普遍较低，普通氮肥进入土壤后，大部分氮素经过淋洗、硝化-反硝化、径流、氨挥发等途径损失，损失率在40%～50%[21-22]。因此，提升肥料保肥能力对提高肥料利用率、清洁生产、环境保护具有重要意义。肥料氮素挥发主要以氮为主，占挥发总量的95%以上[23]，而土壤溶液中铵离子的浓度是氨挥发的主要影响因子，包膜尿素能减少土壤中铵离子浓度，从而抑制氮素的挥发[12]，曹兵等[16]研究表明，包膜尿素相对普通尿素的平稳供氮起到了对硝态氮“削峰填谷”的作用，亦能降低硝态氮淋失的风险。本试验中，3种包膜尿素与未包膜尿素在土柱中的淋溶特性均表现出一致的规律性，即随着培养时间的增长，氮素淋洗量不断减少，包膜尿素处理的累积淋洗量较未包膜处理显著减少，3种聚合物包膜肥料的保肥性能具体强弱表现为BSP>KSP>ZSP,包膜尿素的保肥性能优于未包膜尿素,表现为包膜肥料能保证尿素肥料氮素养分的缓慢释放、减少氮素损失、延长养分释放期，有效地提高了氮素利用率，这与廖松等[24]的研究结果相似。不同的是，3种包膜尿素间保肥性能也有差异，这主要是由于膜材料组成及配比不同而造成的。从氮素淋洗量的动态来看，尿素各处理淋洗量的差异随时间延长，差异越来越小，即3种包膜肥料在施肥后期的氮素释放特征相似，这与薛海龙等[11]的研究结果一致。

3.2　包膜肥料对土壤酸碱度的影响

土壤的酸碱性会通过影响土壤养分有效性、微生物活性、根际环境，进而影响作物生长，一般来讲，作物最适pH值为6～8[25-26]。尿素施入土壤后，短期内可使土壤pH值急剧上升，而从长期来看，将会降低土壤的pH值，导致土壤酸化[27]，利用包膜肥料是改善土壤酸化问题的有效途径之一。本试验中，不同种植类型的土壤pH值随生育时期表现出一定的差异性，整体呈现偏中性或弱碱性，而包膜尿素对酸碱度的影响要强于施加未包膜的尿素，且包膜材料处理的土壤pH值在7.0左右，适宜大多数作物生长。包膜材料中的无机改性剂硅藻土、沸石粉、膨润土晶胞结构作用不稳定，电位吸附的一些阳离子易发生离子交换作用，如酸性条件下可以与土壤溶液中的H+发生置换反应，同时由于包膜尿素的缓释作用，使土壤中保持较高的铵离子含量，铵离子易与水结合生成碱性的氢氧化铵，从而使pH值增大，即聚合物包膜尿素KSP、BSP、ZSP可以调节土壤pH值，这与崔亚兰等[28]、丁济娜等[29]的研究结果一致

3.3　作物对包膜肥料的响应

包膜肥料具有缓释性，可以持续为作物生长提供养分，未包膜尿素养分释放较快，养分以多种途径损失[30-31]。肥料施入土壤后，特别是在肥效中、后期，包膜尿素保持稳定的养分释放特性，而未包膜尿素由于前期养分的流失，导致作物生长后期养分不足，累计生物量较包膜尿素处理明显减少。当前，关于包膜尿素对于作物的生长影响研究多有开展，多数研究认为，包膜尿素可改善作物品质、提高作物产量[14-16]。本试验中，3种包膜尿素处理的油菜和豌豆SPAD值、可溶性糖含量、生物产量均高于未包膜尿素，表明包膜尿素提高了作物产量和品质，包膜尿素氮素释放特征接近作物的需肥规律，同时包膜材料中除含N、P外，还含丰富的镁(Mg)、铁(Fe)等矿质元素，是叶绿素合成过程中的必需元素，如N、Mg合成叶绿素，Fe、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)等是叶绿素的酶活化剂，间接影响叶绿素的合成，从而促进作物产量和品质的提高，但包膜尿素处理的SPAD值、可溶性糖含量与未包膜尿素处理差异并不显著，表明包膜尿素对作物的品质提高并不明显，这与王小波等[32]、王晓晶等[33]的研究结果不同，这可能与包膜材料的性质有关，油菜和豌豆的生育期较短，而包膜肥料养分在短期内不能释放，致使作物的品质没有明显的提高。

总体而言，聚合物包膜肥料能提高土壤保肥性能、调节土壤酸碱性、促进作物生长，为作物高产打下基础，具有良好的应用推广前景。但本研究只初步分析了不同包膜材料的保肥性能差异，大田试验结果未知，后续仍需进一步研究。

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2.3.3伴栽方法一般用活动菌床法，选择质量符合要求(7～8月培养的直径8～12厘米)的菌材(海拔1 200米以上的松木树培养菌材)运到栽培现场。将栽培场地岩土挖开扫平，垫一层50厘米厚的干净河沙，上面撒一层枯枝，落叶，菌材顺坡排放，间距3厘米，排完后，用砂填平菌材，埋菌材一半时，垫平间隙填砂，将种麻放于菌材两侧的空隙中，每个种麻相隔15厘米，菌材两侧各放一个，最后用砂厚盖，厚度为10厘米，完成栽培，米麻是撒布于菌材间，其他相同。

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