脲醛缓释肥料棒氮素缓释特性研究

林清火，刘海林，杨 凯，华元刚，茶正早，罗 微

(中国热带农业科学院橡胶研究所，中国热带农业科学院土壤肥料研究中心，海南 儋州 571737)

施用缓/控释肥料是减轻氮素损失的有效途径之一[1-3]，近年来缓/控释肥料已成为肥料研究的热点，缓/控释肥料在我国发展迅速。其中脲醛类缓释氮肥是最早被研发成功，最先实现商业化的缓释肥料，是目前世界范围内施用量最大的缓释肥料，成为备受关注的缓释氮肥品种[4-7]。脲甲醛是由尿素与甲醛在一定条件下反应缩合而成，由冷水可溶氮、冷水不溶氮和热水不溶氮3部分组成，具有速效与缓释相济的功能[8-9]。施入土壤后，主要是靠土壤微生物分解释放氮素，使肥效期延长，养分利用率提高。而且脲甲醛由于其具有良好的缓释性和物理性能，可用于加工生产掺混肥、复合肥和液体肥[4]。鉴于目前经济林、果树主要施用普通肥料，存在施肥量大，施肥次数多，肥料养分易挥发、淋失等问题。本文将脲甲醛作为缓释氮源，以水溶性保水剂作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脲醛缓释肥料棒，测定了其密度、压缩比以及抗压强度，研究了脲醛缓释肥料棒养分淋溶特性，以期为改进林木、果树施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 脲醛缓释肥料棒制备

将脲甲醛(氮含量37.6%，活性指数54.87%)、尿素、磷酸二铵、氯化钾、粘结剂(聚丙烯酰胺)、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4.5 cm、长6～10 cm的脲醛缓释肥料棒(养分配比均为16-6-8)(图1)。试验中粘结剂用量为6%，脲甲醛用量为脲甲醛氮量占缓释肥料棒总氮的0、25%、50%、75%，分别用FR、UFR1、UFR2、UFR3表示，并以等养分含量的普通肥料F为对照。

图1 脲醛缓释肥料棒

1.2 肥料棒物理性能测定

肥料棒密度测定：测出各处理肥料棒成品的直径及高度，再称量肥料棒重量，计算肥料棒密度ρ。

肥料棒原料粉粒的压缩比：加压前原料粉末的体积与脱模后肥料棒的体积之比。

肥料棒的抗压性测试：将压制成型的各处理肥料棒直立于万能试验机的测试平台上，通过程序控制移动横梁，移动速度设置为2 mm/min，测定肥料棒的正抗压强度P1，再将肥料棒侧放于测试平台上测定肥料棒的侧抗压强度P2。

1.3 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、有效磷、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值为4.80。

1.4 脲醛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，用脱脂纱布将管底封住，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)，放入供试肥料，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(图2)。淋溶管下通过漏斗用体积为5 L的塑料桶收集淋溶液。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 d收集(每次收集前一天加水)，测定淋溶液中氮含量，每个处理设5个重复，同时设置空白。

图2 淋溶装置示意图

氮素淋出率(%)=(第n次淋溶出的氮素量/肥料棒的氮素量)×100；氮素累积淋出率(%)=(前n次淋溶出的氮素量之和/肥料棒的氮素量)×100。

1.5 脲醛缓释肥料棒养分累积淋出率曲线方程拟合方法

本研究利用一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程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—t时间段内养分累积淋出率(%)；No—最大养分累积淋出率(%)；a,b—方程常数；k—速率常数(d-1)；t—淋溶时间(d)。

拟合方程用SPSS 13.0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。

1.6 数据分析处理

数据采用Excel 2007软件对原始数据进行整理计算、绘制图表，数据统计分析采用SPSS 13.0软件。

2 结果与分析

2.1 脲醛缓释肥料棒密度和压缩比

由图3A可知，随着脲甲醛用量增加，缓释肥料棒密度逐渐减小，不添加脲甲醛处理缓释肥料棒密度为1.30 g/cm3，为脲甲醛氮75%处理的1.33倍，FR、UFR1、UFR2、UFR3处理间差异显著。从图3B可发现，脲醛缓释肥料棒压缩比变化规律与密度是一致的，也表现为随着脲甲醛用量增加，缓释肥料棒压缩比逐渐减小，且处理间差异显著，其中FR处理的压缩比为2.67，为UFR3处理的1.42倍。

2.2 脲醛缓释肥料棒抗压性

缓释肥料棒抗压性直接影响肥料棒储藏和运输，是评价肥料棒性能的重要指标。图4为脲醛缓释肥料棒抗压性差异分析，由图可知，随着脲甲醛用量增加，缓释肥料棒的抗压强度(正压和侧压)逐渐减小，不添加脲甲醛处理缓释肥料棒的正抗压强度和侧抗压强度分别达到713.19和325.21 N，显著大于其他处理，其正抗压强度和侧抗压强度分别为UFR3处理的10.41和10.59倍。UFR1、UFR2处理间的正抗压强度和侧抗压强度均差异不显著，但显著大于UFR3处理。

图3 脲醛缓释肥料棒密度和压缩比

图4 脲醛缓释肥料棒抗压性

2.3 脲醛缓释肥料棒氮素淋出率

图5A为脲醛缓释肥料棒氮素淋出速率趋势图，由图可知，对照处理F在第1 d淋溶时，氮素淋出速率达最大值，为每天11.94 %，随着培养天数的增加，F的氮素淋出速率逐渐减小，在第1 d淋溶至第10 d时氮素淋出速率降幅最大，说明F的氮素容易在短时间内淋溶出去。FR、UFR1、UFR2、UFR3的氮素淋出速率大致趋势均为先增加后减小，且培养前期氮素淋出速率均较小。当第7 d淋溶时，FR处理的氮素淋出速率达最大值，且与对照处理F基本相等，为每天3.35 %；第7 d淋溶之后，FR处理的氮素淋出速率逐渐下降。UFR1、UFR2处理的氮素淋出速率均在培养13 d时达到最大，分别为每天2.03 %和1.48 %；UFR3处理的氮素淋出速率均在培养7 d时达到最大，为每天0.78 %，氮素淋出速率趋势线从13 d淋溶之后基本与F处理重叠。可见，脲醛缓释肥料棒可有效降低氮素淋出速率，减少氮素淋失。

脲醛缓释肥料棒氮素累积淋出率曲线图可直观表现肥料氮素在整个淋溶期内各阶段累积淋出率变化趋势，由图5B可知，对照处理F氮素释放不存在滞后现象，第1 d淋溶时氮素累积淋出率为11.94%，第5 d淋溶时氮素累积淋出率已达到47.22%，从第7 d淋溶后F的氮素累积淋出率增幅逐渐减小；整个淋溶期内，对照处理F的氮素累积淋出率均明显大于其他处理。FR、UFR1、UFR2、UFR3的氮素累积淋出率均存在一定时间的滞后现象，前期氮素淋出量较小，而后逐渐增加。在第5 d淋溶时，FR处理的氮素累积淋出率为2.46%，随后开始明显增加，当第42 d淋溶时，氮素累积淋出率为49.94%。在第1、3、5和7 d淋溶时，UFR1、UFR2、UFR3的氮素累积淋出率均很小，氮素累积淋出率曲线也基本重合；第10 d淋溶时，UFR1、UFR2、UFR3之间氮素累积淋出率差异开始显现，分别为5.12%、4.99%、3.81%。从各处理氮素累积淋出率曲线比较可知，脲醛缓释肥料棒氮素缓释效果较好，且整体趋势为随着脲甲醛用量增加，氮素累积淋出率减小。

图5 脲醛缓释肥料棒氮素淋出率

2.4 脲醛缓释肥料棒氮素累积淋出率差异分析

为了进一步比较脲醛缓释肥料棒氮素缓释性能，对各处理第1、7、28和42 d的氮素累积淋出率进行了统计分析(图6)，从统计分析结果可知，第1 d淋溶时，对照处理F的氮素累积淋出率显著大于FR、UFR1、UFR2、UFR3处理，而FR、UFR1、UFR2、UFR3处理第1 d淋溶时氮素基本未被淋溶出，各处理的氮素累积淋出率分别为0.00%、0.09%、0.08%、0.09%。第7 d淋溶时，对照处理F的氮素累积淋出率已达到54.68%，未添加脲甲醛的缓释肥料棒的氮素累积淋出率为9.16%，显著小于对照F处理；添加脲甲醛的缓释肥料棒处理间的氮素累积淋出率差异不显著，但显著小于FR处理，其中UFR1较FR减小86.90%。第28 d淋溶时，各处理间的氮素累积淋出率差异显著，氮素累积淋出率最大为F处理，为63.14%，氮素累积淋出率最小的为UFR3处理，为22.58%，较对照F处理减小了64.24%，并且随着脲甲醛添加量增加，缓释肥料棒氮素累积淋出率减小。第42 d淋溶时，FR、UFR1、UFR2、UFR3处理的氮素累积淋出率分别较对照F处理减少了21.93%、49.46%、61.34%、82.90%，表现为随着脲甲醛添加量增加，肥料棒氮素累积淋出率逐渐减小。由此可见，脲醛缓释肥料棒可减少肥料氮素淋失，对氮素具有较好缓释作用，且随着脲甲醛增加，脲醛缓释肥料棒氮素缓释作用增强。

图6 脲醛缓释肥料棒氮素累积淋出率比较分析

2.5 脲醛缓释肥料棒氮素累积淋出率曲线方程拟合

脲醛缓释肥料棒氮素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)，从拟合结果可知，各处理的氮素累积淋出率曲线均以一级动力学方程的拟合相关系数r最高，为0.967**～0.998**，标准误SE为0.94%～3.85%，说明一级动力学方程对脲醛缓释肥料棒的氮素累积淋出率曲线拟合效果最佳。另外，对照处理F的氮素累积淋出率曲线方程拟合中，Elovich方程(r=0.940**，SE=5.37%)的拟合度优于抛物线方程(r=0.872**，SE=10.81%)；对缓释肥料棒处理FR、UFR1、UFR2、UFR3的氮素累积淋出率曲线方程拟合中则均为抛物线方程(r=0.939**～0.965**，SE=1.25%～5.36%)的拟合度优于Elovich方程(r=0.890**～0.937**，SE=1.53%～6.64%)。

表1 脲醛缓释肥料棒氮素累积淋出率曲线方程拟合结果

注：**表示相关系数达极显著水平(n=12时r0.01=0.661)，SE为残差标准误，是残差均方除以自由度的平方根。

3 讨论与结论

橡胶树、芒果等经济作物由于地处热带区域，光温充足，生长迅速，养分需求量大，通过穴施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[10]。缓释肥料棒由于颗粒表面积与体积的比率相对较小，从而能使养分在缓效性的基础上养分释放更加缓慢，具有养分释放慢、颗粒均匀、施肥方便和肥效期长等优势[11]。研究结果表明，通过挤压成型制备缓释肥料棒，随着脲甲醛用量增加，缓释肥料棒密度、压缩比及抗压强度逐渐减小，表明添加脲甲醛会降低肥料棒的理化性能，但是仍然能够减少肥料氮素淋失。

脲甲醛为有机微溶性混合物，主要缓释成分为亚甲基二脲、二亚甲基三脲、三亚甲基四脲等缩合物，缩合物分子链长短决定了脲甲醛的氮素供应时间[4,7]。脲甲醛施入土壤后，养分缓慢释放，持久供应作物养分，能减少养分淋失，具有提高肥料利用率、节省劳动成本等优点。同时，聚丙烯酰胺与肥料结合，具有一定缓释作用，能够明显减少肥料养分淋失[12-15]。本研究将缓释氮源(脲甲醛)、肥料棒工艺结合，减缓养分释放，延长养分供应时间。研究结果表明：脲醛缓释肥料棒可显著减少氮素淋失，降低氮素淋出速率，随着脲甲醛用量增加，氮素累积淋出率减小，添加25%脲甲醛氮素比例处理，42 d淋溶后，氮素累积淋失率可比对照减少49.46%。从拟合结果看，各处理的氮素累积淋出率曲线均以一级动力学方程的拟合相关系数r最高(r=0.967**～0.998**，SE=0.94%～3.85%)。

缓释肥料棒作为更大肥料载体，配方灵活，施用方便，同时可根据作物养分需求和区域土壤特点，选择性添加硝化抑制剂、生根粉、中微量元素、土壤调理剂等功能性材料，对于提高热带地区经济作物肥料利用率和改良酸性土壤等方面具有重要意义。