小麦秸秆基新型缓控释氮肥制备及性能

雷明馨， 姚　丽

(成都农业科技职业学院现代农业分院，四川成都 611130)

随着资源环境问题日益突出，农业生产需要从提高养分利用率的角度来保证高产，从而解决经济和环境的问题。缓控释肥料作为21世纪新型肥料的发展方向，可以提高水资源和肥料的利用率，减少肥料不合理使用对环境的污染，是解决资源环境问题的有效途径之一。小麦秸秆是丰富的可再生资源，若将成本低廉的小麦秸秆引入高吸水树脂的制备中，再与肥料复合，研制出具有集保水功能的新型缓控释氮肥，可以节约现有缓控释肥料的制备成本[1]。

目前，在农业生产中，氮肥的使用占有重要地位，但也存在用量大，利用率低；施用不合理造成环境污染，威胁食品安全等问题。同时，全球有42.9%的旱耕地，水也成为制约农业发展的重要因素，如何使土壤保持更多雨水，保证农作物“即用即需”，是旱地保水的主要问题。缓控释肥料作为21世纪新型肥料的发展方向，可以集保水功能、控制释放技术功能以及肥料固有功能于一体[1]。

我国小麦秸秆来源广泛，但存在资源利用效率低的问题。若将小麦秸秆引入高吸水树脂合成新型的小麦秸秆基吸水吸附材料，再运用该高吸水树脂与肥料养分复合，制备多功能缓控释氮肥，即将小麦秸秆作为缓释氮肥的载体基材，一方面可以提高降低缓控释肥料的成本，另一方面能提高肥料的保水及土壤调理功能，可实现高效农业的可持续发展[2]。

1　材料与方法

1.1　材料与仪器

选取小麦秸秆(WS)，经机器剪切，筛选出平均长度 0.015～0.030 cm放置于通风阴凉处；丙烯酸(AA，化学纯)；过硫酸铵(APS，分析纯)、亚甲基双丙烯酰胺(NNMBA，分析纯)；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS，化学纯)；傅里叶变换红外分光光度计，NEXUS 670型；冷冻干燥仪；元素分析仪；扫描电子显微镜；精密PHS-3B型精密pH计。

1.2　试验方法

1.2.1小麦秸秆的预处理(PTWS)称取粉碎过筛处理的小麦秸秆粉末10 g置于烧杯中，加入500 mL蒸馏水，并将烧杯置于60 ℃的水浴中，加热16 h后过滤，滤渣放入85 mL由浓度为24%的KOH、浓度为1%的NaBH4组成的混合水溶液的三口烧杯中，在常温下机械搅拌3 h。将搅拌后的悬浮液过滤，滤渣用乙醇溶液洗至呈中性，之后在105 ℃环境下烘干备用。

1.2.2PTWS高吸水性树脂的制备取2.25 g丙烯酸和 4.5 mL 氢氧化钠水溶液放入烧杯中中和，随后依次放入 0.75 g AMPS、0.60 g PTWS、0.012 g APS、0.003 g NNMBA和5.0 mL蒸馏水。随后将烧瓶放入水浴中并通入氮气，缓慢加热至70 ℃并保持反应3 h。结束后将反应生成的聚合物样品70 ℃干燥并研磨备用。

1.2.3样品的表征将完全干燥的PTWS高吸水性树脂样品用溴化钾压成薄片，用傅里叶变换红外分光光度计测定样品的红外光谱图，扫描波数范围在4 000～500 cm-1。利用PHS-3B型精密pH计测量溶液的pH值。

1.2.4PTWS高吸水性树脂吸水率的测定称取0.1 g样品颗粒放入100 mL的蒸馏水中，在常温下浸润1 h，利用无纺布过滤后，称量溶胀后的高吸水树脂质量，吸水率(WA)按照下式计算：

WA=(m-m0)/m0。

式中：m表示溶胀后高吸水树脂的质量，m0表示高吸水树脂原质量。

1.2.5多功能缓释氮肥(MSNF)的制备为研究PTWS高吸水树脂作为载体材料制备新型缓控释氮肥的利用效果，现制备负载肥料的PTWS。现取2 g PTWS高吸水性树脂颗粒物置于浓度为100 mmol/L的1 000 mL NH4Cl溶液中，在25 ℃的环境中进行溶胀，随后过滤分离出高吸水树脂，在30 ℃条件下干燥，得到多功能缓释氮肥(MSNF)。

1.2.6MSNF在土壤中的缓释性称取MSNF 0.5 g装入无纺布袋中，做8组平行试验，将每组样品置于土壤表面6～8 cm 处，同时保持土壤湿度在20%左右。8组试验分别在置于土下0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、10.0、15.0、20.0 d后取出布袋，晾干样品后测量氮含量。

1.2.7MSNF对土壤持水量的影响对相同土壤施加不同的肥量，分别为浓度0%、0.5%、1.0%、1.5% MSNF，测定土壤样品的最大持水率。将施加了MSNF的土壤分别装入聚氯乙烯试管中，对试管称质量，用W1表示。在试管上端灌入自来水，直至试管底部有水渗出为止。对试管再次称质量，用W2表示。土壤的最大持水率(WH)按照下式计算。

WH=(W2-W1)/100×100%。

1.2.8MSNF对土壤溶液pH值的影响取50 g干燥后的土壤样品，放入800 mL烧杯中，以5 ∶1(mL ∶g)的水土比例调配土壤溶液，搅拌后静置1晚。分别取烧杯中的土壤上清液25 mL置于多个100 mL烧杯中，用PHS-3B型精密pH计测量土壤原液pH值。将0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH溶液混合后加入土壤上清液中，调节至不同的pH值。将0.1 g MSNF样品放入上述不同pH值的烧杯中，沉淀1 h后，过滤测量滤液pH值。

2　结果与分析

2.1　PTWS样品的红外光谱表征分析

2.2　PTWS用量对高吸水性树脂吸水率的影响

从图2可以看出，当PTWS用量在0～10%范围内时，高吸水性树脂的吸水率随着含量的增加而上升，当PTWS含量达到10%时，高吸水性树脂的吸水率达到最大值，然后随着含量的进一步增加吸水率下降。该现象可以归因于PTWS含量为10%的高吸水树脂的吸水率最大。

2.3　MSNF在土壤中的缓释性能

为了明确MSNF在土壤中的缓释行为，现取氯化铵作为对照试验。从图3可以看出，未处理的氯化铵(NH4Cl)在 1 d 内释放率达到了98%以上。与氯化铵在土壤中的缓释行为相比较，MSNF的释放速率明显下降。MSNF在施入土壤1、6、10 d的氮素释放率分别为24%、58%、65%。MSNF在土壤中的释放行为缓慢主要是因为将高吸水树脂作为肥料的载体，可以使其在土壤的溶液中缓慢溶胀，并逐步转化为水凝胶[3]。水凝胶中的自由水和土壤中的水分之间通过一个动态交换过程将肥料养分从水凝胶网络中扩散出去。小麦秸秆基高吸水树脂可以作为缓释氮肥的载体，控制养分的释放。因此MSNF具有较好的缓释性能，能够保证农作物对土壤肥料养分的充分利用，减少养分的损失。

2.4　MSNF对土壤持水量的影响

农作物生长离不开土壤中的水分，水通常作为载体为农作物输送土壤和肥料中的营养元素。在干旱或雨水频繁季节，农作物往往存在严重缺水或是雨水流失，因为植物本身的蒸发和渗透等原因无法高效利用[4]。本试验拟利用可吸收和保持大量水溶液的高吸水树脂作用肥料的载体，保证农作物生长对水资源的充分利用。本试验研制的MSNF即是以PTWS高吸水树脂作为载体。从图4可以看出，当MSNF对土壤的施用量分别为0(空白对照)、0.5%、1.0%、1.5%时，土壤最大持水率分别为40%、75%、108%、135%。表明MSNF施用对土壤的持水能力有提高作用，并且随着施用量的增加土壤最大持水率上升。因此，在灌溉期间或雨水季节，MSNF的施用可以使土壤的持水能力提高，吸收保持更多的水分，有利于农作物的生长。

2.5　MSNF对土壤溶液pH值的影响

土壤理化性质、生物特性以及肥力特征经常通过土壤的pH值来反映，土壤酸碱度也可作为重要指标来划分土壤类型和评价土壤肥力[5]。碱性土壤中，Na+交换离子含量多，导致土粒分散，易发生盐碱化，土壤架构不稳定；酸性土壤中，H+

交换离子含量多，导致Ca2+、Mg2+、K+等盐离子被交换，土壤肥力下降。研究表明，最适宜农作物生长的土壤呈中性为宜，此时土壤中肥料养分最易于被农作物吸收利用，且微生物的活动更为活跃。MSNF可以作为一种土壤改良剂对土壤的酸碱度进行改善，以达到外加添加剂的作用[6]。从图5可以看出，酸碱不一的土壤溶液经MNSF处理后，其pH值均被调节至5.5～7.0的范围内。因为在酸性土壤条件中，MNSF中的抗衡离子(Na+和NH4+)可以与土壤中的H+交换发生反应；而在碱性土壤条件中，MSNF中含有的大量—COOH、—SO3H基团，它们可以与土壤中的OH-发生中和反应。试验结果表明，MSNF可以调节土壤的酸碱平衡，从而有利于农作物的生长。

3　讨论

小麦秸秆基新型缓控释氮肥是基于现有肥料、小麦秸秆资源利用率低的问题研制的新型肥料。本试验先对小麦稻秆进行预处理，通过水溶液自由基聚合法，制得PTWS高吸水树脂样品，然后对该样品进行表征分析和吸水能力研究，通过吸附法制得多功能缓释氮肥(MSNF)，对该肥料的性能进行了研究，得出以下结论，即PTWS高吸水树脂中PTWS含量对其吸水率有影响，当含量为10%时具有最大吸水率，说明使用该浓度的PTWS可以大大降低使用成本。

利用该PTWS高吸水树脂，通过吸附法制备缓释氮肥，操作简单，且所制得的肥料具有一定的缓释性能，可以提高土壤的持水量，调节土壤溶液的pH值，将MSNF施入土壤后，将有望改善土壤的酸碱缓冲性，使土壤环境更利于农作物的生长。小麦秸秆基新型缓控释氮肥在埋入土壤10 d后，其释放率为65%，而普通肥料在埋入后1 d内释放率即达到98%，表明新型缓控释氮肥具有良好的缓释性，可以提高土壤的持水量，有望改善土壤的酸碱缓冲性，使土壤环境更利于农作物对养分的充分吸收和生长。

参考文献：

[1]李卫华，陈超，黄东风，等. 缓/控释肥的最新研究动态及其展望[J]. 水土保持研究，2008，15(6)：263-266.

[2]崔英德，黎新明，尹国强. 绿色高吸水树脂[M]. 北京：化学工业出版社，2008：290-310.

[3]祝红福，熊远福，邹应斌，等. 包膜型缓/控释肥的研究现状及应用前景[J]. 化肥设计，2008，46(3)：61-64.

[4]姚蕾，柯百胜，张艳，等. 魔芋超强吸水剂对土壤保水性能的影响[J]. 水土保持通报，2009，29(4)：76-80.

[5]刘辰琛. 典型作物根际土壤溶液硝态氮浓度及淋失特征研究[M]. 保定：河北农业大学，2011：58-66.

[6]谢建军，刘新容，梁吉福，等. 吸水树脂吸附分离研究进展[J]. 高分子通报，2007(9)：52-58.