经济型缓释包膜尿素研制及其缓释效应研究

2018-12-18张娜娜

阜阳师范大学学报(自然科学版) 2018年4期

张娜娜

（阜阳职业技术学院生化工程系，安徽阜阳 236031）

提高氮肥利用率，降低农业投入成本，减轻氮素损失对环境造成的污染是当前急待解决的问题，世界各国纷纷把开发缓释氮肥作为研究的突破点[1-5]。因此，以缓释型氮肥为基础的缓释型BB肥的研发符合社会经济与科技发展的要求，其市场需求急切旺盛。常见的包膜尿素是用包膜材料包裹在颗粒尿素的表面，使其中的养分缓慢释放，氮素的溶出速率取决于包膜材料的种类、粘结剂的种类、膜层的厚度和包涂工艺等。目前研制的缓释氮肥成本高昂，距市场化有相当距离，要使控释肥的生产成本进一步降低，尽快扩大推广应用的范围，仍有大量的工作要做。本研究通过选择不同包膜粘结剂及其浓度调控，以两种经济型包膜材料与不同粘结剂及其浓度的组配，研制筛选出两种经济实用型缓释包膜尿素，并通过缓释性能测定及其评价，为进一步研究高效、经济和环保的包膜尿素提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设备

供试材料：合肥地区黄褐土（基本理化性质见表1）；含N46%的小颗粒尿素；包膜材料：M；粘结剂：A、B、C。

主要设备：高压喷枪；电吹风；小型包衣机（BY300A型）；分样筛。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 实验方法

1.2.1 包膜材料与粘合剂的制备

选取一定量的价格低廉容易获取的包膜材料a、b按质量2∶1混合后，磨碎过100目筛备用（简称M）；取水基型粘合剂A稀释到2%、5%、8%，取水基型粘合剂B稀释到2%、5%、8%，取疏水型粘合剂C到稀释到有机溶剂中使其浓度为20%、30%、50%，稀释后装入瓶中备用。

1.2.2 包膜工艺与包膜配方的优化试验设计

包衣机转速设定为50～55 r/min，包衣温度设定为50～60℃左右，尿素加入后包衣机预热转动5 min，用高压喷枪喷适量的粘结剂，按包膜配方优化设计用量均匀投入包膜材料（M），包衣机匀速转动，直到包膜材料均匀包裹尿素颗粒表面。

包膜材料（M）用量设计为 15 g、30 g、50 g三种水平（三种重量的包膜材料分别用X、Y、Z表示），与上述三种粘结剂A、B、C的三种浓度（分别用a、b、c表示）进行组配，在一定工艺条件下与50 g小颗粒尿素进行包膜试验，共制成27种包膜尿素。具体包膜配方优化试验设计见表2。

表2 包膜配方优化试验设计方案

1.2.3 包膜肥料缓释性能试验

（1）初期溶出率和微分溶出率

分别称取5.00 g试制筛选的包膜尿素（AbZ）和包膜尿素（CcZ）于250 mL三角瓶中，按徐和昌和杜建军的方法测定初期溶出率和微分溶出率[6-7]氮素测定用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB1894-89)。

（2）包膜尿素氨挥发

选取小颗粒尿素（U）、包膜尿素（AbZ）和包膜尿素（CcZ），按每钵氮素施入量0.5 g称取上述3种肥料加入塑料盆钵中，与500 g的黄褐土充分混匀，保持土壤湿度为田间持水量的70%，另吸取30 mL硼酸溶液于培养皿中，用三脚架支起放在盆钵中吸收挥发的氨，盆钵用塑料膜密封后于25℃的恒温培养箱中培养。于培养第2、3、4、5、6、7、8、10、12、16、20、24、28 d 取出硼酸吸收液，同时将新的硼酸吸收液放入盆钵中，取出硼酸吸收液用标准酸滴定，计算NH3的挥发量。

1.3 包膜配方的筛选

1.3.1 包膜材料用量选择

包膜材料的用量多少对包膜尿素的质量也会产生一定影响，用量不足时尿素颗粒表面有裸露，难以达到缓释效果，用量过多，则会导致氮素养分含量低，同时会增加实际生产的储运成本。从表3可以看出，在投入15 g的水平下，尿素颗粒表面不能被完全包裹，并且抗压能力弱；在投入30 g的水平下，尿素颗粒部分有裸露，但成膜颗粒表面不光滑；在投入50 g的水平下，尿素能形成较好的球型。试制试验结果表明50 g包膜材料投入量比较适宜。

1.3.2 粘结剂种类与浓度选配

粘结剂种类与浓度也同样影响成品的质量。由试制结果（表4）可以看出，在同样用量的条件下，B粘结剂在设计的3种浓度条件下形成的包膜疏松，抗压性较差，无法形成有效的包膜，粘结剂A与C在一定浓度条件下能够形成有效包膜，粘结效果明显优于B。因此，进一步试验的粘结剂选定A和C；粘结剂浓度对粘结效果影响明显，A粘结剂在2%的条件下形成的包膜较为完整，但是膜的表面呈粉状，不圆润光滑，脆性强，抗压性较差，在A粘结剂浓度为5%和8%时，包裹均能形成致密、球型好的包膜尿素，并且抗压性强，从经济角度看，5%是A粘结剂适宜的包膜浓度。C粘结剂在20%和30%的条件下形成的包膜紧密，但是颗粒表面有残余的包膜材料粉末，表面毛糙，脆性较强，在浓度为50%条件下形成的膜致密，球型好，表面光滑，并且抗压性强，因此粘结剂C的适宜包膜浓度以50%为宜。

综上所述，包膜材料的用量、粘结剂种类和浓度是制造包膜肥料生产的关键。通过外观和抗压强度的分析可知，AbZ、AcZ和CcZ都是较好的配方组合结果。但是从经济的角度考虑，AbZ较AcZ用的粘合剂少，生产成本低，最终选择包膜效果相对最好的AbZ和CcZ作为肥料性能测试的研究对象。AbZ和CcZ的含氮量分别为33.10%和22.75%。

2 结果与分析

2.1 包膜尿素在水中的溶出率

粘结剂的水稳定性差或包膜不完整的粒子多是初期溶出率过高的原因。如果初期溶出率过高，则说明其缓释性能差。从表5可以看出，AbZ和CcZ在24小时的初期溶出率分别为29.43%和48.13%，微分溶出率分别为2.60%和2.35%。

从两种包膜尿素的初期溶出率看，AbZ初期溶出率小于CcZ，这可能与疏水型粘结剂在成膜过程中形成膜的致密性能有关，亲水粘结剂在包膜形成过程中，形成均匀致密包膜，在短期内，AbZ中中氮素释放小于CcZ。但从微分溶出率看AbZ大于CcZ，这可能与疏水型粘结剂形成的包膜具有较好的水稳性有关，随着时间的推移，AbZ这种亲水粘结剂形成的膜透性增大，养分释放有加快的趋势，CcZ作为疏水型粘结剂包膜，在后期的养分释放明显减缓，最终导致微分溶出率低于AbZ。两种包膜尿素的初期溶出率均高于国家缓释肥料的标准（GB/T23348-2009），从日本对控缓释肥初期溶出率小于40%指标看，AbZ仍然具有明显缓释效应。从经济角度分析，AbZ的包膜材料成本低，工艺简单，就目前缓释型肥料的价格而言，AbZ对实际生产有一定意义，尤其是在BB肥生产中，这种价格低廉，具有一定缓释性能的氮素种类具有明显优势。

表3 包膜材料的用量的筛选

表4 粘结剂种类与浓度的筛选

表5 包膜尿素的初期溶出率和微分溶出率

2.2 包膜尿素的氨挥发特征

氨挥发是肥料在土壤中氮损失的重要途径，研究缓释氮肥在土壤中氨挥发的过程，既为肥料缓释性能评价的提供重要参数，又为缓释肥料合理施用提供理论依据。

表6中描述性统计结果显示，AbZ、CcZ、普通尿素三种尿素累计值的均值依次增大，表明普通尿素的氨挥发累计含量值最高，其次是CcZ含量，最低的是AbZ含量。AbZ、CcZ、普通尿素三种尿素累计值的方差依次增大，表明其在均值附近的波动范围依次扩大，由图1可以看出，包膜尿素处理氨的累积挥发量在整个培养期间均低于普通尿素处理，三种尿素的氨挥发累积量之间存在一定差异。等氮量条件下，普通尿素U处理氨挥发损失N总量38.73 mg，占施氮量的7.75%，包膜尿素AbZ和CcZ的氨挥发损失N的总量分别为19.73 mg和27.77 mg，分别总占施氮量的3.95%和5.55%，较普通尿素明显减少，挥发损失量相对普通尿素分别低48.81%和28.29%，表明尿素通过包膜后可以有效地降低氨挥发损失量，这与包膜尿素施人土壤后，由于其氮素缓释效应，降低了土壤中氨氮浓度，这是其氨挥发量较普通尿素低的重要原因[8-10]，另一方面，包膜尿素的膜层阻隔了膜内尿素与土壤脲酶的直接接触，并且阻碍土壤水分向膜内运移，尿素态氮转化速率受到抑制，从而更多的氮素以尿素形态保持在土壤中，减少了氨挥发损失。

图1 不同时间氨挥发累积量

表6 氨挥发累积量的描述性统计表

表7中结果显示，AbZ、CcZ、普通尿素三种尿素的氨挥发速率均值依次增大，表明普通尿素的氨挥发速率的均值最高为2.160，其次是CcZ氨挥发速率的均值为1.004，最低的是AbZ氨挥发速率的均值为0.631。AbZ、CcZ、普通尿素三种尿素氨挥发速率的方差依次增大，表明其在均值附近的波动范围依次扩大，从图2可以看出，三种尿素随时间的增加，氨挥发速率均在不断增加并且呈现二次曲线的形状，氨挥发速率的斜率先增加后减少，呈倒U型。其中，普通尿素氨挥发速率随时间增加的速率最快，AbZ尿素氨挥发速率随时间增加的速率最慢，斜率最小。三种尿素的氨挥发速率之间存在一定差异。另外，图2的实验结果表明，在等氮量施入情况下，普通尿素处理6～8 d氨挥发平均速率最大，第9 d开始氨挥发平均速率呈下降趋势；包膜尿素处理第12 d氨挥发速率最大，12 d后氨挥发速率呈下降趋势。从氨挥发平均速率动态过程可以看出，包膜尿素AbZ和CcZ的氨挥发平均速率达到高峰时间明显比普通尿素晚，且在整个培养期间，包膜尿素处理氨挥发平均速率均低于普通尿素处理，说明包膜尿素氮素在土壤中的释放过程明显滞后，尿素包膜的形成有效抑制尿素氮在土壤中释放和转化速率，从而减少氨挥发损失，有利于尿素氮在土壤中的保存。

表7 三种不同尿素氨挥发速率的描述性统计表

3 讨论

尿素是仅次于碳酸氢铵的第二大重要的氮肥，其水溶性好、易分解，养份释放快，易被作物吸收，但是利用率较低。通常，尿素施入土壤中1～7 d后完全水解，一部分以铵离子的形式被留在土壤中，另外一部分以氨气的形式挥发。本研究两种包膜尿素AbZ和CcZ通过溶出特性测试表明，AbZ的初期溶出率分别为29.43%，CcZ的初期溶出率为48.13%，相应的微分溶出率分别为2.60%和2.35%。和普通尿素相比，两种包膜尿素氮素均具有明显的缓释效应。氨挥发试验结果表明AbZ和CcZ氨累积挥发量分别为19.73 mg和27.77 mg，分别总占施氮量的3.95%和5.55%，较普通尿素明显减少，相对普通尿素氨挥发损失分别降低48.81%和28.29%，包膜尿素可以有效地降低氨挥发损失量，并且包膜尿素AbZ和CcZ的氨挥发平均速率达到高峰时间明显滞后，有利于包膜尿素氮在土壤中的保存，主要原因是包膜尿素的膜可以减少尿素与水分的接触机会，避免尿素的快速溶解，减少氨挥发量。