不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥性能及缓释效果

沈秀丽，柳思远，沈玉君，孟海波，王 芳，李 宁，张德俐

不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥性能及缓释效果

沈秀丽1，柳思远2，沈玉君1，孟海波1※，王 芳2，李 宁2，张德俐2

（1. 农业农村部规划设计研究院，农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100125；2. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255000）

为探究生物炭粉包膜处理对尿素缓释效果的影响，该研究以不同粒径稻壳生物炭粉为包膜材料，对尿素颗粒进行不同层数包膜处理，分别制备了3种生物炭包膜尿素缓释肥C_1（0.15 mm生物炭粉包膜）、C_2（内层0.15 mm，外层0.25 mm生物炭粉包膜）和C_3（内层0.15 mm，中层0.25 mm，外层0.425 mm生物炭粉包膜），并对生物炭包膜尿素缓释肥性能及缓释效果进行了分析研究。研究结果表明3种生物炭包膜缓释肥粒径主要分布在2.90～4.80 mm，随着包膜层数的增加，包膜缓释肥粒径随之增大，C_2和C_3粒径显著高于C_1(<0.05)。C_1、C_2和C_3的抗压强度为20.40～48.00 N，满足工业生产需求。与C_1和C_2相比，C_3颗粒表面较光滑，切面具有致密且孔隙结构丰富的层状结构，吸水倍率最小（1.69），耐水性也显著优于C_1与C_2(<0.05)，氮元素缓释效果优于C_1与C_2。综上可以看出，3层包膜尿素缓释肥膜壳强度高于单层和双层包膜尿素缓释肥，通过控制不同膜层生物炭的孔隙结构和孔径，减缓水分的渗入及养分的流出过程，缓释效果突出，为生物炭包膜缓释肥的开发应用提供一个新技术路径。

生物炭；粒径；肥料；包膜；尿素；缓释

0 引 言

传统氮肥极易挥发和溶于水，利用率较低。据测算中国主要粮食作物水稻、小麦和玉米的氮肥利用率为39.2%，与欧美等国家存在较大差距[1]。大量溶解氮随地表径流和淋溶水流失，引起水体富营养化和硝态氮含量超标等环境问题[2-3]。此外，氮肥长期施用容易引起土壤板结、酸化和养分比例失衡等生态破坏问题[4]。为有效控制氮素流失，近几年国内外研究学者利用高分子聚合物材料[5-7]开发研制包膜氮肥，控释效果较好，受到广泛关注。但高分子聚合材料存在成本高，难降解，易引发二次污染等问题[8]，限制了包膜氮肥的推广应用。因此，寻求环境友好、价格低廉和缓释效果好的膜材料成为研究热点。

生物炭是将生物质在缺氧或无氧状态下经过高温热裂解获得的高含碳固体产物，其结构稳定[9]，比表面积大[10-11]，孔隙结构丰富[12-13]，阳离子交换量高[14]，施入土壤后可以改善土壤团聚现象，提高土壤的持水能力并促进土壤中微生物的新陈代谢等[15]，是一种环境友好的土壤改良剂。研究表明生物炭对NH4+、NO3-有较强的吸附作用[16-17]，减少土壤养分淋失的同时，赋予肥料缓释和固氮的功能[18-19]，已被逐步应用于缓释肥料的制备[3, 20-24]。生物炭作为肥料载体，与肥料混合或通过复合作用制备生物炭基肥料不仅能够消除生物炭养分不足的缺陷，也赋予尿素等肥料缓释功能。同时生物炭制备原料主要来自于农林废弃物，原料成本低，目前生物炭市场价格约为1 500元/t[25]，而聚氯乙烯、聚氨酯、聚丙烯酰胺等高分子聚合材料每吨价格基本都在5 000元以上。与高分子聚合物包膜材料相比，生物炭具有绿色安全、可再生、资源量巨大等优势，是一种潜力巨大的膜材料。目前，生物炭基肥相关研究主要集中在生物炭与其他包膜材料联合使用[22,26]或与无机肥料混合挤压成粒[27-28]，而关于生物炭包膜缓释肥的研究相对较少。

因此，本文主要开展生物炭包膜缓释肥的研制，并首次提出一种包膜方法，即以不同粒径（0.15、0.25、0.425 mm）的生物炭粉作为包膜材料，对尿素颗粒进行不同层数包膜处理，重点探究了多层覆膜处理对生物炭包膜尿素缓释肥性能及养分释放规律的影响，以期为中国生物炭包膜肥料的制备及推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

海藻酸钠，分析纯，购于河南万邦实业有限公司；聚乙烯醇，分析纯，购于上海启辰化工有限公司；尿素（兖矿鲁南化肥厂，氮元素质量分数大于46.40%）。

生物炭粉：生物炭粉采用自然风干的稻壳为原料，稻壳经过粉碎、筛分制取粒径为0.425 mm的稻壳粉，采用流化床热解装置（如图1）制备生物炭粉，此设备为山东理工大学清洁能源示范工程与技术研究中心自主研发，热解温度范围为400～600 ℃，气体流量为2.20 m3/h，喂料速率为18 g/min。制备的生物炭粉筛分后获得0.425、0.25和0.15 mm生物炭样本，密封保存用于生物炭包膜尿素缓释肥的制备。

1.喂料器 2.流化床反应器 3.加热线圈 4.压差计 5.氮气瓶 6.质量流量计 7.旋风分离器 8.炭粉收集箱 9.冷凝器 10和12. 溶胶采样器 11.总控箱

1.Feeder 2.Fluidized bed reactor 3.Heater coil 4.Differential gauge 5.Nitrogen cylinder 6.Mass flowmeter 7.Cyclone separator 8.Biochar collection box 9.Condenser 10,12. Aerosol sampler 11.Monitoring center

图1 流化床热解装置

Fig.1 Fluidized bed pyrolysis equipment

淋溶装置：淋溶柱选用直径5 cm、高20 cm的塑料管，管底部用2层孔径为75m脱脂纱网封底并用固定抱箍固定。土壤与石英砂分别置于105 ℃烘箱烘12 h后过0.6 mm筛，石英砂、土壤、肥料颗粒按照图2所示顺序进行装填。

图2 土柱淋溶装置示意图

1.2 方 法

1.2.1 粘结剂和生物炭包膜尿素缓释肥的制备

海藻酸钠聚乙醇粘结剂：称取1.00 g海藻酸钠，60 ℃水浴加热并搅拌至充分溶解后，定容至1 L。然后再称取1.00 g聚乙烯醇样品，于60 ℃水浴加热并搅拌至充分溶解后定容至1 L，全部倒入配置好的1%海藻酸钠溶液中，并充分搅拌使其混合均匀，冷却待用。

生物炭颗粒粒径是影响生物炭比表面积及孔隙结构的重要因素，也是影响生物炭吸附及缓释性能的关键因素。大量前期试验表明单层生物炭粉包膜尿素缓释肥耐水性差，生物炭粉包膜尿素颗粒遇水即散。因此，本研究提出通过不同粒径生物炭粉多层包膜的处理方法，降低生物炭粉的吸水性，提高缓释性能，具体包膜处理如表1所示，分别制备3种生物炭包膜尿素缓释肥C_1（0.15 mm生物炭粉包膜）、C_2（内层0.15 mm目，外层0.25 mm生物炭粉包膜）和C_3（内层0.15 mm，中层0.25 mm，外层0.425 mm生物炭粉包膜），尿素颗粒设为对照组（CK）。

表1 不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥试验设计

生物炭包膜尿素缓释肥制备：筛分尿素获取直径为2.00～2.50 mm的尿素颗粒。每组试验称取500 g尿素投入到圆盘造粒机中，设备转速设为40 r/min，转动过程中使用高压喷壶喷洒适量粘结剂，总量约为50 mL，同时缓慢撒入试验组对应粒径的生物炭粉，转动约5 min，待肥料表面形成一层致密的包裹层，间隔1 min重复此过程至制备的包膜尿素干至不再粘炭粉为止，重复上述操作，直到肥料颗粒达到目标厚度，即可得到表面致密的生物炭包膜尿素缓释肥。将生物炭包膜尿素颗粒取出，称其质量后并置于托盘中，放入烘箱中45 ℃烘干12 h后取出，冷却后称其质量。

1.2.2 生物质炭包膜尿素肥料性能测定

1）粒径

随机取出30粒制备好的生物炭包膜尿素颗粒置于培养皿中，利用游标卡尺测量每粒肥料颗粒的粒径分析肥料粒径分布并计算肥料平均粒径及标准差。

2）抗压强度与耐磨性能

抗压强度：随机取出30粒制备好的生物炭包膜尿素缓释肥颗粒，利用质构仪测定每个肥料颗粒的抗压力值，重复5次，计算其平均值和标准差。

耐磨性能：耐磨性能主要采用余重比进行评价，余重比为耐磨试验后颗粒相对完整的生物炭包膜尿素的质量与试验前称取的尿素包膜缓释肥的质量比。具体实验步骤如下：称取制备好的生物炭包膜尿素肥料颗粒2.00 g并放入50 mL锥形瓶中，加入5粒钢珠并混入肥料中，加盖后置于摇床上以250 r/min振荡30 min，取出后用1.50 mm不锈钢筛分，称量剩余的肥料颗粒质量，根据余重比分析其耐磨性能。

3）结构特征

采用扫描电镜（SEM，赛默飞Apreo型）对制备好的不同粒径生物炭粉包膜尿素颗粒表面及横截面进行扫描分析，观察不同粒径生物炭包膜尿素颗粒结构特征。

4）吸水倍率及耐水性

吸水倍率：称取干燥后的生物炭包膜尿素缓释肥1.20 g放入孔径为75m的尼龙纱网袋中，封口。将尼龙袋缓慢放入盛有100 mL蒸馏水的烧杯中，恒温保存。每隔12 h尼龙袋取出一次，用滤纸拭去明水后连同袋子一起称量，称量结果取平均值。吸水倍率计算公式如下：

式中W为吸水前质量，g；W为吸水后质量为，g。

耐水性：用天平称取2.00 g生物炭包膜尿素缓释肥颗粒样品放入50 mL锥形瓶中，向锥形瓶中加入40 mL蒸馏水，于室温下放置30 d，观察颗粒溶解情况并记录完全溶解时间。

1.2.3 生物炭包膜尿素缓释肥的氮素释放特征测试

为更好地反应肥料施入土壤后养分释放规律，本研究采用实验室土柱淋溶试验测试不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥的缓释性能。尿素主要养分为氮元素，因此主要以氮元素释放规律评价3类生物炭包膜缓释肥的缓释效果，试验装置为图2自制的淋溶装置。首先在制备好的淋溶柱中加入一定量的去离子水湿润模拟土壤，静止24 h后，使模拟土壤的含水量达到饱和，分别在第1、3、5、7和10天取淋溶液，尿素为对照组，无肥料添加的土壤淋溶柱为空白试验组。采用凯氏定氮法（K9860）测定淋溶液中氮元素的含量，计算尿素淋失量，同时测定淋溶液pH值。

1.3 数据处理

采用OriginPro 8.5分析数据并作图，通过SPSS 17.0进行ANOVA方差分析，数据均以平均值±标准差的形式来表达。

2 结果与分析

2.1 生物炭包膜尿素缓释肥的理化性能评价

2.1.1 生物炭包膜尿素缓释肥的粒径

肥料颗粒均匀度是评价肥料质量的重要标准之一，肥料行业一般采用2.00～4.00 mm颗粒作为成品颗粒[27]。生物炭包膜尿素缓释肥粒径统计数据如表2所示，粒径分布如图3所示。从表2可以看出，3种生物炭包膜尿素缓释肥粒径显著高于尿素颗粒（<0.05），C_1、C_2与C_3粒径变异系数均小于10%，表明生物炭包膜缓释肥均匀度较高。C_1、C_2与C_3粒径平均值高于秦丽元等[29]利用改性木质素作为粘结剂制备的水稻秸秆生物炭单层包膜尿素肥料，而且C_1、C_2与C_3粒径均匀度也优于改性木质素制备的水稻秸秆生物炭单层包膜尿素肥料。

表2 生物炭包膜尿素缓释肥粒径统计

注：不同字母代表不同处理组差异性显著（<0.05）, 下同。

Note: The different superscripted letters represent a significant difference between different treatments (<0.05)，the same below.

图3 生物炭包膜尿素缓释肥粒径分布

3层不同粒径生物炭粉包膜尿素缓释肥C_3平均粒径最大，且显著高于C_1和C_2缓释肥（<0.05），C_1和 C_2包膜生物炭粒径不存在显著性差异（>0.05）。如图3所示，C_1和C_2粒径均呈双峰分布，80%颗粒粒径在2.00～4.00 mm。C_3粒径分布呈现正态分布，随着包膜层数增加，粒径在4.00 mm及以上的中大颗粒所占的比例逐渐增多，但粒径分布相对集中，主要在3.90～4.50 mm之间。

2.1.2 生物炭包膜尿素缓释肥的抗压强度与耐磨性

表3为尿素及生物炭包膜尿素缓释肥抗压强度与耐磨性能。肥料抗压强度及耐磨性能越高，其硬度越大，越利于储存与运输。一般复混肥颗粒平均抗压强度大于12.00 N代表具有较高的硬度。由表3可以看出，尿素的平均抗压强度最高，生物炭包膜处理后，抗压强度显著降低，但3种生物炭包膜尿素颗粒缓释肥抗压强度主要分布在20.40～48.00 N，显著高于12.00 N，表明3种生物炭包膜尿素缓释肥均具有较高的强度，可以满足运输储存的要求。3种生物炭包膜处理抗压强度依次为：C_1>C_2>C_3，随着包膜层数增多，抗压强度降低，但3种生物炭包膜尿素缓释肥抗压强度不存在显著性差异。邱现奎[30]利用粉煤灰包膜尿素制备缓释肥，研究发现随着包膜厚度的增加，肥料颗粒的抗压强度不断增加，与本研究结果相反，分析其原因可能主要是由于生物炭粉相比粉煤灰孔隙结构丰富，脆性强，包覆成粒过程中，颗粒之间缝隙多，粘结不够充分。蒋恩臣等[31]采用高岭土作为粘结剂，制备生物炭包膜尿素缓释肥，结果表明随着生物炭粉比例的增加，肥料颗粒抗压强度逐渐降低，与本文研究结果一致。

由表3可以看出，3类生物炭包膜尿素缓释肥余重比均高于97%，表明耐磨性能均较高。耐磨性能排序为：CK>C_1>C_3>C_2，C_1显著高于C_3与C_2，C_3与C_2不存在显著性差异（>0.05）。结果表明生物炭粉包膜尿素缓释肥耐磨性能显著低于尿素颗粒，单层包膜尿素缓释肥耐磨性能最好，主要原因是单层包膜主要是0.15 mm生物炭粉，炭粉较细，粘结效果较好，更密实。

表3 不同处理尿素及生物炭包膜缓释肥抗压强度及耐磨性能

2.1.3 生物炭包膜尿素缓释肥的微观结构

不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥颗粒形貌结构如图4所示。其中图4a、4c与4e分别为C_1、C_2和C_3肥料颗粒表面形貌结构，4b、4d与4f分别为C_1、C_2和C_3肥料颗粒切面形貌结构。从图4a和4c中可以看出，C_1和C_2样品表面呈现明显颗粒堆叠形貌，表面粗糙，颗粒分布不规则，C_3表面主要为成型的块状物质，表面结构平滑但不够平整。图4b可以看出肥料颗粒切面存在较大的孔隙结构，主要为生物炭粉颗粒之间的缝隙，而生物炭颗粒自身孔隙结构占比相对较少，图4d显示C_2条状孔隙结构相对C_1更加丰富，且孔隙更狭长，图4f显示3层包膜生物炭肥已经形成比较致密且孔隙结构丰富的层状结构，孔径较小，主要为生物炭颗粒自身的孔隙结构。生物炭基肥理论模型为水分子通过稻壳生物炭丰富的孔隙结构将肥芯的肥料缓慢养分溶出，从而达到缓释的效果，因此可以看出C_3比较符合要求。该研究未对生物炭包膜与尿素颗粒接触界面显微结构进行电镜分析，在后续研究中将加入切片试验，以便更全面立体地表征生物炭粉包膜尿素缓释肥料颗粒结构特征。

2.1.4 生物炭包膜尿素缓释肥的吸水倍率与耐水性

吸水性是评价缓释肥性能的重要指标，研究表明包膜材料吸水倍率越低，缓释效果越好[32]。生物炭基肥因生物炭孔隙结构复杂，具有较强的吸水性，吸水后体积膨胀，生物炭膜壳结构容易龟裂，进而使整个肥料颗粒溶解，缓释效果减弱，表4为不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥吸水倍率。图5为去离子水浸泡15 d后的生物炭包膜尿素缓释肥耐水性示意图。

注：a、c、e为表面形貌结构图；b、d、f为切面形貌结构图。

表4 生物炭包膜尿素缓释肥吸水倍率

图5 浸泡15 d的尿素及生物炭包膜尿素缓释肥形态

可以看出，浸泡60 h后，3类生物炭包膜缓释肥吸水率均达到平衡，吸水倍率依次是C_1>C_2>C_3，各时间段C_1吸水率均显著高于C_2与C_3（<0.05），C_2与C_3吸水倍率相对接近，3类生物炭包膜尿素缓释肥的吸水倍率均高于1.50。生物炭包膜尿素缓释肥较高的吸水倍率主要是因为稻壳生物炭丰度的孔隙结构赋予的强持水性，但粘结剂海藻酸钠与聚乙烯醇吸水膨胀，对生物炭粉包膜尿素缓释肥吸水倍率有一定的贡献。耐水性试验结果显示尿素在1 h内完全溶解，C_1在第3天完全溶解，C_2在第15天开始出现龟裂现象，30天基本溶解，C_3在第30天仍保持完好的粒型。上述结果表明多层包膜缓释肥耐水性高于单层细粉包膜尿素缓释肥，其中C_3耐水性最强。结合形貌结构特征分析原因，一方面是由于C_3包膜厚度大，膜壳表面比较光滑，水分不容易浸入且扩散路径较长，从而降低了水分渗入的速率；另一方面可能是C_3不同层的细粉与粗粉之间容易形成气泡孔隙，水分子不容易渗透到生物炭颗粒之间的孔隙，而是通过生物炭颗粒自身的孔隙结构结构慢慢渗入，然而单层包膜缓释肥因炭粉颗粒较小，水分子主要通过颗粒之间的缝隙渗入，容易破坏生物炭粉的粘结，造成颗粒溶解破碎。可以看出，生物炭包膜缓释肥较强的耐水性主要得益于膜壳多层致密的孔隙结构。

2.2 生物炭包膜尿素缓释肥的养分释放规律

图6为尿素及3类生物炭包膜尿素缓释肥淋溶液pH值及氮元素累积释放率。由图6a可以看出，随着淋溶时间延长，尿素及其3类生物炭包膜缓释肥淋溶液pH值变化趋势基本相同，均呈现先降低后升高的趋势，淋溶第1天和第10天pH值相对较高。尿素的淋出液pH值变化最为平缓，C_3 pH值变化最为剧烈。可以看出3类生物炭包膜缓释肥的pH值变化趋势与其耐水性结果相符，越易溶解，pH值越稳定。

CK、C_1及C_2淋溶液中氮素含量变化趋势相近，均是在1～3 d内快速释放。尿素第1天淋溶液中氮含量最高（7.47 g/L），随后淋溶液中总氮含量逐渐下降至最低值0.30 g/L，从第7天至第10天总氮含量略微升高至0.70 g/L，表明尿素中的氮素在淋溶过程中呈现出集中式爆发的释放特征，与吸水倍率及耐水性试验结果一致。C_1和C_2淋溶液中总氮含量下降速度相对缓慢，缓释效果明显略优于尿素。C_3淋溶液中总氮含量在整个淋溶过程中呈持续缓慢上升的趋势，由第1天的0.20 g/L逐渐升高至第10天的0.90 g/L，说明其中生物炭包膜尿素缓释肥中的氮是缓慢释放的，随着淋溶时间的延长，水分慢慢进入颗粒内部，氮素溶出率缓慢增加，C_3缓释效果显著优于C_1和C_2。

由图6b可以看出，尿素在第1天氮素释放率高于70%，第10 天基本释放完全。C_1、C_2与C_3包膜尿素第10 天氮素累积释放率分别为51.79%、40.97%和20.22%，均小于50%，显著低于尿素的97.5%，也低于秦丽元等[29]利用改性木质素制备的水稻秸秆生物炭包膜尿素的累积释放率（>80%）。C_1与C_2包膜尿素缓释肥氮素释放规律与陈松岭[33]利用玉米秸秆、水稻秸秆及树枝生物炭制备的水基共聚物-生物炭包膜尿素的氮素释放规律基本一致。C_3氮素释放速率低于秦丽元等[29]制备的水稻秸秆生物炭包膜尿素及陈松岭[33]制备的玉米秸秆、水稻秸秆及树枝生物炭-水基共聚物包膜尿素，表明3层不同粒径稻壳生物炭粉包膜处理拥有较好的缓释性能。

图6 尿素及不同粒径生物炭尿素缓释肥淋溶液pH值及氮元素累积释放率的变化曲线

根据形貌结构图可以看出，粒径为0.15 mm生物炭粉包膜孔隙结构主要是颗粒间的大孔隙，水分容易渗透，随着生物炭粒径增加，孔隙结构变得更加丰富且复杂，尤其是大颗粒生物炭粉，颗粒自身存在大量的微孔结构，会减弱水分渗入的速度。C_3最外层为0.425 mm大颗粒生物炭粉，含有丰富的介孔和微孔结构，限制水分的快速渗入和养分的快速溶出，同时防止颗粒溶解龟裂，内层为0.15 mm细粉，孔隙结构较大，相对利于养分的溶出。3层生物炭之间形成一个致密的屏障，颗粒由外向内限制水分的渗入，由内向外又逐渐减缓养分的溶出，从而达到养分缓释的效果。

本研究采用土柱淋溶试验探究了生物炭包膜的缓释效果，但淋溶时间点较少，同时缺乏对生物炭包膜缓释肥初期养分释放率、28 d养分累积释放率及总养分释放率的分析。后续研究中将延长淋溶时间，同时采用缓/控释肥料行业标准方法HGT4215-2011对生物炭包膜尿素缓释肥缓释效果进行分析，全面系统评价多层生物炭包膜处理的缓释效果。

3 结 论

本研究首次采用不同粒径稻壳生物炭粉对尿素进行不同层数包膜处理，通过性能分析和淋溶试验比较研究了不同粒径生物炭粉包膜尿素缓释性能，研究得到如下结论：

1）3种生物炭包膜缓释肥粒径主要分布在2.90～4.80 mm，随着包膜层数的增加，包膜缓释肥粒径随之增大，2层包膜（内0.15 mm，外0.25 mm）和3层包膜（内0.15 mm，中0.25 mm，外0.425 mm）的肥料粒径显著高于0.15 mm单层包膜肥料粒径（<0.05），3种不同处理的生物炭包膜尿素缓释肥的抗压强度为20.40～48.00 N，能够满足工业生产需求。

2）SEM结构分析显示，相较于单层包膜与双层包膜尿素缓释肥，3层包膜尿素缓释肥颗粒表面较光滑，切面具有致密且孔隙结构丰富的层状结构，3层包膜尿素缓释肥吸水倍率最小（1.69），耐水性也显著优于单层包膜与双层包膜尿素缓释肥（<0.05）。

3）单层、双层及3层生物炭包膜尿素缓释肥在第10天氮素累积释放率分别为51.79%、40.97%和20.22%，显著低于尿素的97.5%，表明生物炭包膜处理具有显著的缓释作用，其中3层生物炭包膜尿素缓释肥缓释效果相对较好。3层生物炭包膜尿素缓释肥由内到外分别为细到粗生物炭粉组成的细密生物炭粉包壳，提高了肥料膜壳强度，控制不同膜层生物炭的孔隙结构和孔径，减缓水分的渗入及养分的流出过程，提高缓释效果，为生物炭缓释肥开发利用提供一个新的研究方向。

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Property and slow-release effect of coated urea with different particle-size biochar

Shen Xiuli1, Liu Siyuan2, Shen Yujun1, Meng Haibo1※, Wang Fang2, Li Ning2, Zhang Deli2

(1.,,,100125; 2.,255000,)

Coated urea fertilizer is widely used to provide nutrient nitrogen for growing plants in agriculture industry. This type of slow-release fertilizer can effectively improve nitrogen utilization, particularly due to a large amount of dissolved nitrogen in conventional fertilizer lost along with surface runoff and leached water, thereby to cause severely environmental and ecological problems, such as water eutrophication. Biochar, a fine-grained porous material rich in carbon, shows excellent coating properties. Compared with organic-solvent-dissolvable polymers, biochar was cheap, renewable, and environmentally friendly non-toxic during production. Moreover, the presence of highly-porous structure and various functional groups can be expected to store more carbon, and thereby to reduce soil emission of greenhouse gases. Therefore, biochar coating can decrease nutrient leaching, further to improve soil quality and crop yield, via reduced irrigation and fertilizer requirements. At present, most previous studies focused on the combined use of biochar with other envelopment materials, or the extruded granulation with inorganic fertilizers. The slow-release behaviors of biochar coated fertilizer still remain unknown. In this study, a novel slow-release nitrogen fertilizer was developed by coating urea granules with different biochar powder, in order to explore the effect of biochar particle size in various coating layers on the slow-release behavior. Before coating, urea granules were sieved to obtain fertilizer particles with a diameter of 2.00-2.50 mm. Taking biochar powder as the coating materials, the coated urea fertilizers were prepared in a sugar-coating machine under the revolving speed of 40 r/min. Three slow-release fertilizers were produced: C_1 (single coating layer, 100-mesh biochar powder coated in the single layer), C_2 (two coating layers, 100-mesh in inner layer and 60-80-mesh in outer layer), and C_3 (three coating layers, 100-mesh in inner layer, 60-80-mesh in middle layer and 40-60-mesh in outer layer). The obtained coated urea fertilizers were then characterized, including the distribution of particle size, microstructure, compressive strength, wearability, and water absorbency with different particle-size biochar powder. A leaching test of soil column was used to evaluate the nutrient release behaviors in soil. The results demonstrated that the particle size of three slow-release fertilizers distributed in 2.90-4.80 mm, increasing with the number of layers, indicating that the particle sizes of C_2 and C_3 were significantly higher than that of C1. The compressive strength of three slow-release fertilizers was in the range of 20.40-48.00 N, which meeting the demand of industrial production. Compared with C_1 and C_2, C_3 showed the least water absorption ratio (1.69) in much smoother surface of particles, indicating that the dense layered microstructure with abundant pores was observed in the cross section of the C_3 particles. The nitrogen concentration of C_3 in leaching solution increased as the leaching time increased, while the urea concentrations of C_1 and C_2 were contrary to that of C_3. In the treatment of C_3, the water resistance and slow release effect of nitrogen were significantly better than those of C_1 and C_2. Therefore, it infers that controlling the particle-size of coating materials (biochar) and coating layers can significantly reduce the water infiltration and nutrients outflow, further to improve the slow-release behavior of fertilizer. The finding can provide a new technical path for the potential development and application of biochar coated slow-release fertilizer.

biochar; particle-size; fertilizers; coat; urea; slow release

沈秀丽，柳思远，沈玉君，等. 不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥性能及缓释效果[J]. 农业工程学报，2020，36(15)：159-166.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.020 http://www.tcsae.org

Shen Xiuli, Liu Siyuan, Shen Yujun, et al. Property and slow-release effect of coated urea with different particle-size biochar[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 159-166. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.020 http://www.tcsae.org

2020-04-12

2020-05-29

国家自然科学基金（51706127）；农业部重点实验室开放课题（KLERUAR2017-02）

沈秀丽，博士，主要从事生物质资源化利用方面的研究。Email：shenxiuli111@163.com

孟海波，研究员，主要从事生物质资源开发利用方面研究。Email：menghb7029@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.020

TK6; S216.2

A

1002-6819(2020)-15-0159-08