炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响

牛智有，刘 鸣，牛文娟，邵恺怿，耿 婕，唐 震，黄金芝，周凯强

·农业生物环境与能源工程·

炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响

牛智有1,2，刘 鸣1，牛文娟1,2，邵恺怿1，耿 婕1，唐 震1，黄金芝1，周凯强1

（1.华中农业大学工学院，武汉 430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

为探究炭肥比和膨润土粘结剂对生物炭基肥理化及缓释特性的影响，以生物炭为基底，分别制备了炭肥比1:4，膨润土粘结剂质量分数为20%、15%、10%、5%和粘结剂质量分数10%，炭肥比为1:6、1:5、1:4、1:3的柱状尿素和氯化钾生物炭基肥颗粒，分析了生物炭基肥颗粒的理化及缓释特性。结果表明，在炭肥比为1:4条件下，膨润土粘结剂质量分数越高，生物炭基肥微观结构越紧密，力学和缓释特性越好，质量分数为20%时，氯化钾和尿素生物炭基肥平均抗压强度分别为286.78和281.27 N，前3天养分淋出率分别为45.53%和36.87%。在膨润土粘结剂质量分数为10%条件下，炭肥比越高，生物炭基肥缓释性能越好，炭肥比为1:3时，氯化钾和尿素生物炭基肥前3天养分淋出率分别为42.06%和40.32%。同时，氯化钾生物炭基肥表面孔隙先增后减，炭肥比为1:6和1:3的平均抗压强度分别为271.25和282.42 N。尿素生物炭基肥内部结构中孔隙变多，炭肥比为1:6时，平均抗压强度为最大值267.84 N。综合考虑，满足中等肥料浓度要求时，膨润土粘结剂质量分数为20%、炭肥比为1:4或膨润土粘结剂质量分数为10%、炭肥比为1:3的生物炭基肥成型配方较优。

尿素；氯化钾；生物炭基肥；理化特性；缓释特性

0 引 言

近年来，中国化肥施用总量逐年上升，长期施用化肥会加速土壤酸化，且传统速溶性肥料施用后营养元素流失严重，易造成环境污染[1-2]。玉米秸秆生物炭呈碱性，具有稳定的碳架结构、发达的孔隙结构和较大的比表面积，可作为土壤的改良剂和碳汇剂，可改变土壤的物理性状和结构[3-6]。将生物炭与速效肥料以及粘结剂按照一定配比混合可以制成长效缓释肥料，在土壤中施加生物炭基肥料，可以使土壤pH值向中性靠近，适合作物生长，降低土壤的容重从而改善土壤通气透水性能，同时提高农作物产量[7-10]。

现代粉体造粒技术能将粉体组合成粒，充分利用微粉化、功能化、复合化、精细化及粒子设计等技术使成品颗粒符合应用需要，解决粉状肥料难以运输、存储与施用等问题[11-13]。以平模挤压造粒为代表的模辊成型技术与传统的圆盘造粒成型方式相比，具有成型原料含水率低、成品颗粒力学性能好、成型密度大、成型率高、生产率高等优点[14-18]。肥料颗粒的抗压强度、表面基团、孔隙结构和缓释效果等是评判生物炭基肥颗粒品质的重要指标。目前，学者们对生物炭基肥的理化特性和缓释特性只进行了单一特性的研究，如试验不同配方或成型方式，获得最优方法，使肥料颗粒有较高抗压强度和成型率[19-20]，但未对其缓释性能进行验证，无法反映其缓释特性。或采用土柱淋溶、静态释放或扫描电子显微镜等试验方法，研究不同配方及内部结构对肥颗粒缓释性能影响[21-24]，并未同时对肥料颗粒的力学性能进行研究。因此，综合研究生物炭基肥的理化特性及缓释特性，获得两者兼优的造粒配方和成型方法具有重要意义。

为了使生物炭基肥具有较好的理化特性和缓释特性，在保证缓释效果同时，更容易运输、存储与施用。本文参考GB/T 23348-2009 缓释肥料标准要求[25]，以膨润土为粘结剂，玉米秸秆生物炭为基底，运用平模挤压成型原理，制备了尿素生物炭基肥及氯化钾生物炭基肥。通过单因素试验，研究在相同含水率情况下，不同膨润土粘结剂含量及炭肥比对生物炭基肥颗粒的理化特性及缓释特性的影响，从而获得合适的粘结剂含量及炭肥比范围，旨在为优化炭基肥原料配比奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

玉米秸秆生物炭粉（含水率为4.53%，灰分为31.23%，挥发分为26.78%，固定碳为37.46%）；钠基膨润土（pH值为8～8.5，粒度为0.08 mm，纯度≥97%）；风干土壤，采自华中农业大学试验田表层5～20 cm（全氮为0.23 mg/kg、速效钾37.99 mg/kg、速效磷为2.23 mg/kg，土壤pH值为6.67）；水为去离子超纯水；其余试剂均为分析纯。

1.2 生物炭基肥颗粒制备

将尿素、氯化钾肥先经粉碎机粉碎，然后将尿素、氯化钾、生物炭和膨润土粘结剂分别过0.38 mm标准筛网，置于45 ℃恒温电热鼓风干燥箱中烘制24 h。将尿素、氯化钾、生物炭、膨润土、去离子水分别按表1中方案混合均匀后，经平模挤压成型装置制成长度为6～10 mm、直径为4 mm的柱状生物炭基肥颗粒，由3.35 mm孔径标准筛网筛除粉末及小颗粒后，于干燥箱中按尿素生物炭基肥45 ℃、氯化钾肥105 ℃烘制6 h获得成品颗粒。试验所用原料和成型颗粒如图1所示。

图1 原料及肥料成品

表1 生物炭基肥的单因素试验配方设计方案

1.3 生物炭基肥理化特性测定

1.3.1 生物炭基肥力学特性测定

于每组生物炭基肥中随机抽取若干颗粒，制备长（6±0.05）mm两端平整的样本，并在鼓风干燥箱中烘干至恒质量。每次取1个生物炭基肥颗粒垂直立于质构仪（美国FTC公司，TMS-Pro型）测试平台上，以压缩速度10 mm/min，压缩距离3 mm进行抗压特性试验，获得样品压缩位移-受力曲线图，以受力最大值为此颗粒抗压强度（N），重复10次取平均值。

1.3.2 生物炭基肥傅里叶变换红外光谱分析

按1:100质量比称取生物炭基肥和干燥溴化钾置于研钵，研磨均匀后取100 mg压片，使用傅里叶变换红外光谱分析仪（美国Thermo Fisher Scientific公司，Nicolet iS50 FT-IR型）在4 000～400 cm-1波数范围内扫描，测定试样的红外光谱。

1.3.3 生物炭基肥电子显微镜扫描分析

每组生物炭基肥中随机抽取5颗颗粒，表面喷金后使用扫描电子显微镜（荷兰FEI公司，Nova NanoSEM 450型），对成型生物炭基肥外表面进行观察，获得扫描图片。

1.4 生物炭基肥缓释特性测定

1.4.1 生物炭基肥淋出液制备

土柱淋溶装置如图2所示，将550 mL同一形状的矿泉水瓶去掉底盖改制成淋溶管主体，瓶底直径6.0 cm，瓶高22.0 cm，瓶口作为淋溶出口。用打孔器在每个瓶盖上打3个均匀分布的小孔，在瓶口淋溶出口处加少量棉花并附上1层0.08 mm孔径滤布。设置土柱高度 15 cm，压实，均匀铺满 5 g（准确至0.1 g）成品颗粒，对照组为对应速效肥料5 g，再覆盖5 cm厚度的土层。试验第1天加入蒸馏水250 mL，之后每天缓慢加入加蒸馏水100 mL，下方用250 mL三角瓶收集淋出液，测量并记录其体积，质量，试验周期为10 d，室温为25 ℃。由于供试土壤为风干土，土壤润湿需要一定量的水分，所以第1天加入的水分较多，从流下第1滴淋出液起开始记时。将收集到的液体放入装液瓶中编号、保存。

图2 土柱淋溶装置

1.4.2 生物炭基肥养分淋出率的测定

氯化钾生物炭基肥淋出液中K+浓度用原子吸收分光光度计进行测量（苏州岛津仪器有限公司，AA-6 880型），尿素生物炭基肥料淋出液经过全自动消解萃取仪（美国CEM公司，CEM MARS 6型）消解稀释后，用全自动化学分析仪（意大利AMS公司，SmartChem 200型）测量出其中总氮（total nitrogen，TN）的浓度，每个样品做3次平行试验。养分单次淋出质量为单次养分淋出浓度与淋出液体积的乘积，如式（1）所示：

式中m为养分单次淋出质量，g；为对应养分测量浓度，mg/L；为对应淋出液稀释倍数；为对应淋出液体积，mL。

养分单次淋出率为淋出的养分质量占生物炭基肥中的百分比，如式（2）所示：

式中m为5 g该配比肥料中对应养分总质量，g。

1.4.3 生物炭基肥电导率及pH值测定

试验前电导率仪和pH计校准，待生物炭基肥淋出液样品温度稳定至室温后，测定溶液电导率和pH值。

1.5 统计方法

使用Origin9.1软件作图；采用Excel2010计算样本平均值、标准偏差和相对标准偏差；利用SPSS23.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭基肥颗粒力学特性分析

不同粘结剂质量分数和炭肥比的生物炭基肥颗粒平均抗压强度及相对标准偏差分别如表2所示。粘结剂质量分数和炭肥比对氯化钾和尿素生物炭基肥的平均抗压强度具有显著性差异（<0.05）。随粘结剂添加量的增加，氯化钾生物炭基肥颗粒的平均抗压强度由粘结剂添加量5%时的216.60 N上升至20%的286.78 N，且组内抗压强度相对标准偏差随粘结剂质量分数增大而减小。尿素生物炭基肥颗粒的平均抗压强度由粘结剂添加量为5%时的222.71 N逐渐增加到20%时的281.27 N，组内抗压强度相对标准偏差不大，力学稳定性较好。这是因为随着粘结剂增多，粘结剂在颗粒内部分布更均匀, 造粒时经水润湿作用后粘结作用使整体物料充分接触, 颗粒间机械啮合力和物理化学力增大，颗粒内部结合更加紧密[26]，从而使生物炭基肥颗粒平均抗压强度逐渐增大。

表2 不同粘结剂质量分数和炭肥比的生物炭基肥颗粒平均抗压强度及其相对标准偏差

注：结果表示为“平均值±标准偏差”，不同小写字母表示抗压强度的显著性（<0.05）。

Note: Results are expressed as “mean ± standard deviation”. Different letters indicate significant compressive strength (<0.05).

随炭肥比的增加，氯化钾生物炭基肥的平均抗压强度平均值整体呈先下降后上升趋势，炭肥比为1:6和1:3时分别为271.25和282.42 N，但炭肥比为1:3时平均抗压强度相对标准偏差最大，尿素生物炭基肥颗粒抗压强度平均值减小，由炭肥比为1:6的267.84 N下降到1:3的248.56 N。这是因为氯化钾颗粒质地较硬而尿素颗粒较软，且两者在水分作用下易潮解，表面溶解结晶产生结块现象，在压力作用下氯化钾会形成含孔隙的结合体，尿素则变形贴合形成较密实的整体，同时生物炭没有黏性[27]，生物炭质量分数增多，生物炭基肥颗粒内部氯化钾或尿素颗粒间接触面积减少，阻碍结晶结块，使抗压强度呈减小趋势。但对于氯化钾生物炭基肥，当生物炭达到一定量，成型时会填充结合体内部孔隙，可能使生物炭基肥颗粒平均抗压强度提升。平模挤压成型的生物炭基肥平均抗压强度均超过了200 N，远大于常用的圆盘造粒成型肥料强度[27-28]，均达抗压强度大于10 N的市场要求。从力学性能上考虑，生物炭基肥颗粒在粘结剂质量分数20%、炭肥比1:4或粘结剂质量分数10%、炭肥比1:6时肥料颗粒强度更高，便于保存运输。

2.2 生物炭基肥傅里叶变换红外光谱分析

不同粘结剂质量分数和炭肥比的生物炭基肥红外光谱（Fourier transform infrared spectrum，FTIR）如图3所示。氯化钾生物炭基肥红外光谱几个吸收峰位置主要存在于3 400、1 100和500 cm-1附近，在3 400 cm-1处的宽吸收峰可能是仲胺的-NH伸缩振动，也可能是醇的-OH伸缩振动。1 100 cm-1处的特征吸收峰可能是C-H和C-N同时伸缩振动。Si-O-Si的伸缩振动产生了500 cm-1处的吸收峰[29]，这是因为氯化钾生物炭基肥中氯化钾透光性高，红外吸收峰主要由生物炭中官能团产生，生物质炭表面丰富的羟基、羧基和羰基等化学性官能团则赋予了生物质炭强大的吸附性能[7]。尿素生物炭基肥相比于氯化钾生物炭基肥，在3 400、1 615、1 465和1 154 cm-1附近分别多了1个吸收峰，3 400 cm-1处的特征吸收双峰可能是尿素中伯胺的-NH2伸缩振动双峰与生物炭中-NH、-OH伸缩振动吸收峰重叠。1 615 cm−1处的吸收峰可能是由-NH2的弯曲振动引起的，1 465 cm-1处的吸收峰可能为N-C-N的剪切振动，1 154 cm-1处的吸收峰是由C-N的伸缩振动引起的[30]，这是因为尿素生物炭基肥中尿素含有新的官能团，产生了新的吸收峰。

2.3 生物炭基肥电子显微镜扫描分析

不同粘结剂质量分数和炭肥比的生物炭基肥的扫描电镜如图4所示。粘结剂质量分数为5%时，氯化钾生物炭基肥和尿素生物炭基肥都有明显的氯化钾或尿素颗粒，其表面颗粒疏松粗糙，孔隙大且多、结构疏松。质量分数10%和15%时，生物炭基肥颗粒中的氯化钾和尿素表面部分被膨润土覆盖，孔隙变小，数量减少，结构较紧密，质量分数20%时，表面已无明显氯化钾或尿素颗粒，生物炭基肥表面均匀平整，孔隙最少，微粒之间最紧密。这可能是因为肥料颗粒成型时，粘结剂在压力作用下，其粘接作用使原料中各组分粘聚在一起，粘结剂质量分数越高，聚合效果越好，肥料颗粒内部孔隙越少，结构更紧密、均匀，不容易破裂，平均抗压强度越高、相对标准偏差越小，也更有利于肥料的缓释作用。

图3 不同粘结剂质量分数和炭肥比生物炭基肥红外光谱

图4 不同粘结剂质量分数和炭肥比生物炭基肥的扫描电镜

氯化钾生物炭基肥炭肥比1:6时，生物炭基肥颗粒表面团聚成集团并互相接触结合，形成一个整体。炭肥比1:5时也呈团聚结合状，相比于1:6，其孔隙更深，结构更疏松。炭肥比1:4时，氯化钾集团变小、数量减少，其余成分填充集团间孔隙，部分氯化钾料颗粒镶嵌在表面，使其表面粗糙。炭肥比1:3时，肥料颗粒表面孔隙最少，结构均匀，基本没有团聚现象。这是因为原料中氯化钾颗粒表面会在水分作用下潮解，当肥料颗粒成型烘干后，氯化钾颗粒间会桥接重结晶，形成团聚集团，而生物炭颗粒填充其间，会降低氯化钾颗粒间的接触面积，阻碍其团聚，使集团变小或消失。尿素生物炭基肥炭肥比1:6时，肥料颗粒表面平整，基本没有孔隙，结构均匀。1:4和1:3时生物炭基肥颗粒表面孔隙密布、粗糙。因为随炭肥比增加，尿素生物炭基肥中尿素颗粒质量分数降低，使颗粒间接触面积减小，桥接表面孔隙变多，结构变得疏松，其力学特性会大大降低。

2.4 生物炭基肥单因素养分淋溶试验结果分析

不同粘结剂质量分数和炭肥比生物炭基肥养分淋出率图5所示。前3天为生物炭基肥养分主要释放期，除对照组外，各组均在第2天淋溶时出现养分释放率最高峰，这是因为在淋溶前3天，水分逐渐浸入生物炭基肥颗粒内部，使其逐渐溶解破裂并大量释放养分，而随着破裂程度的增加和养分不断释放，养分释放率在前3天较高且呈先增后减趋势。氯化钾生物炭基肥对照组前3天释放了75.80%的钾素，尿素生物炭基肥对照组前3天释放了70.06%的氮素。粘结剂质量分数分别为5%、10%、15%、20%时，氯化钾生物炭基肥中前3天钾素释放率分别为65.55%、54.11%、50.30%、45.53%（图5a），尿素生物炭基肥前3天氮素释放率分别为59.33%、42.02%、37.48%、36.87%（图5b）。粘结剂质量分数越高，炭基颗粒缓释效果越好，原因可能是粘结剂质量分数的增加使得生物炭基肥的结构更加紧密，养分元素的运动受到阻力限制，所以移动到颗粒表面所需时间越长，但过多粘结剂添加会使肥料和生物炭比例降低，也会使生物炭基肥的有效成分降低，应用时应该综合考虑。炭肥比分别为1:6、1:5、1:4、1:3时，氯化钾生物炭基肥中前3天钾素释放率分别为64.45%、60.85%、54.11%、42.06%（图5c），尿素生物炭基肥对照组中前3天氮素释放率分别为50.10%、49.09%、42.02%、40.32%（图5d）。炭肥比越高，生物炭基肥颗粒缓释效果越好，原因是生物炭中含有大量孔隙，比表面积巨大，官能团总类丰富，对肥料中的阴阳离子和分子有很强的吸附作用，生物炭质量分数越高肥料缓释效果越好[31-33]。从缓释性能上考虑，生物炭基肥颗粒在粘结剂质量分数20%和炭肥比1:3时缓释效果更好，但同时由于粘结剂质量分数高或生物炭占比增高，会使肥料中营养成分含量降低，2种配方炭基肥理论总养分含量只能达到国家标准中的中等浓度要求。本文采用的平模挤压成型法比圆盘造粒成型生产的肥料缓释效果好，且加工艺简单、原料易得、成本低、环境友好，是一种较为理想的生产方法[22,27,31]。

注：对照组为添加5 g氯化钾或尿素分析纯，下同。

2.5 生物炭基肥电导率及pH值分析

各组生物炭基肥淋出液电导率及pH值如图6所示。随着淋溶天数的增加，各配比氯化钾生物炭基肥的第1、2天淋出液电导率均远高于其他天数，第2天淋出液电导率均达到峰值，第4天淋溶后基本达到稳定，与图5中钾素淋出率趋势相吻合。而pH值均为初期上升，第3天后基本达到稳定，原因是氯化钾是强电解质，浓度越高电导率越大，但其为中性化合物，浓度对pH值几乎没有影响。整体而言，电导率可作为氯化钾生物炭基肥钾素淋出率趋势参考，而pH值变化对氯化钾生物炭基肥养分淋出率无参考意义。

各配比尿素生物炭基肥的第2天淋出液pH值均达到峰值，部分组第4天淋出液pH值出现小峰值，而电导率在第3、4天出现峰值，但均未超过0.8 mS/cm，因为尿素是有机物，对电导率几乎没有影响。施用尿素可明显提高土壤pH值，同时促进脲酶活性，加速尿素水解，且在施肥前期脲酶活性逐渐提高[34]，所以第3、4天的淋出液尿素浓度虽没第1、2天高，但脲酶活性高，水解产生的铵根离子提高了电导率和pH值。整体而言，尿素生物炭基肥钾素淋出液的pH值变化趋势与图5中氮素释放率趋势相近，而电导率对其氮素释放率趋势无参考意义。

2.6 生物炭基肥生产经济性评价

根据市场调研，氯化钾肥价格为2 100～2 500元/t，尿素肥为1 800～2 000元/t，生物炭1 800～2 400元/t，钠基膨润土1 500～1 900元/t，取中间值作为原料价格，对力学特性及缓释特性好的配方进行成型成本计算，即粘结剂质量分数20%、炭肥比1:4（配方1）；粘结剂含量10%、炭肥比1:3（配方2）；粘结剂含量10%、炭肥比1:6（配方3），分别生产1 t氯化钾柱状生物炭基肥和尿素生物炭基肥颗粒，其颗粒成型各项成本如表3所示。

图6 各组生物炭基肥淋出液电导率及pH值

表3 颗粒成型各项成本

注：配方1为粘结剂质量分数20%、炭肥比1:4；配方2为粘结剂质量分数10%、炭肥比1:3；配方3为粘结剂质量分数10%、炭肥比1:6。

Note: Formulation 1 is 20% binder mass fraction and 1:4 biochar fertilizer ratio. Formulation 2 is 10% binder mass and 1:3 biochar fertilizer ratio. Formulation 3 is 10% binder mass fraction and 1:6 biochar fertilizer ratio.

由表3可知，基于3种配方，由于氯化钾单价较高，1 t氯化钾炭基肥的成型成本低于单一的农用氯化钾肥，尿素价格较低，尿素炭基肥的成型成本高于单一的尿素肥，但价格差距不大。粘结剂质量分数为20%时，2种生物炭基肥的总成本最低，分别为2 081.66和1 913.14元/t，这是因为作为粘结剂的钠基膨润土价格较低，含量越高成本越低，但整体而言同种类生物炭基肥不同配方间成型成本相差不大，且均低于市场中炭基肥及缓释肥价格。综合炭基肥颗粒成型成本、力学特性及理化特性考虑，选用粘结剂质量分数20%、炭肥比1:4或粘结剂质量分数10%、炭肥比1:3的成型配方时，肥料生产成本低于市场价格、力学特性较优、缓释性能最好。

3 结 论

炭肥比1:4条件下，膨润土粘结剂质量分数增加，氯化钾和尿素生物炭基肥颗粒的微观表面孔隙减少，力学和缓释性能提高。粘结剂质量分数20%时，2种生物炭基肥力学和缓释性能最好，平均抗压强度分别为最大值286.78、281.27 N，前3天营养元素淋出率分别为最小值45.53%、36.87%。膨润土粘结剂质量分数10%条件下，炭肥比增加，生物炭基肥颗粒的缓释性能提高，炭肥比1:3时，2种生物炭基肥缓释性能最好，前3天营养元素淋出率分别42.06%和40.32%。氯化钾生物炭基肥表面孔隙量先增后减，平均抗压强度在1:6和1:3时分别为271.25、282.42 N，力学特性较好，尿素生物炭基肥表面孔隙量逐渐变多，1:6时平均抗压强度为最大值267.84 N。

综合理化特性和缓释特性试验结果，氯化钾生物炭基肥淋出液的电导率及尿素生物炭基肥淋出液的pH值变化规律可作为各自养分淋出率趋势参考。本文中氯化钾生物炭基肥和尿素生物炭基肥颗粒的平均抗压强度均高于200 N，均达到市场要求，且成本低于市场中炭基肥及缓释肥价格。综合炭基肥颗粒成型成本、力学特性及理化特性考虑，选用膨润土粘结剂质量分数20%、炭肥比1:4或膨润土粘结剂质量分数10%、炭肥比1:3的成型配方时，肥料成型成本较低，力学特性较优，缓释特性最好，总养分量达到GB/T 23348-2009中的中浓度标准。

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Effects of biochar fertilizer ratio and bentonite binder on physicochemical properties and slow release properties of biochar fertilizer particles

Niu Zhiyou1,2, Liu Ming1, Niu Wenjuan1,2, Shao Kaiyi1, Geng Jie1, Tang Zhen1, Huang Jinzhi1, Zhou Kaiqiang1

(1.,430070,;2.-,,430070,)

The blend ratio of biochar and fast-release fertilizer (urea and potassium chloride, respectively) and the content of bentonite binder may influence the physicochemical and slow-release properties of biochar-based fertilizers particles. Experiments were carried out under 2 conditions: 1) biochar fertilizer ratio of 1:4, bentonite binder mass ratio of 5%, 10 %, 15% and 20%, and 2) bentonite binder mass ratio of 10%, biochar fertilizer ratio of 1:6, 1:5, 1:4 and 1:3. Based on corn straw biochar, cylindrical biochar based fertilizer particles with urea and potassium chloride were prepared by flat mold extrusion device. Their mechanical properties, surface functional groups, surface topography, soil column leaching properties, pH value and conductivity of biochar-based fertilizers were analyzed. The results showed that the average compressive strength of biochar-based particles urea and potassium chloride were higher than 200 N, greater than that prepared by pan granulation technique. The nutrient leaching rates in the first 3 days were lower than that of pure urea and potassium chloride. It meant that they had good mechanical properties and certain slow-release effect. The average compressive strength of biochar-based fertilizer particles of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer for the 4 different contents of bentonite were significantly different (<0.05). The high content of bentonite binder and the low biochar and fertilizer content would lead to closer microstructure, more uniform composition distribution, and fewer surface pores. The mechanical properties and slow-release properties were better. When the mass fraction of bentonite binder was 20%, the average compressive strength of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer were the maximum value of 286.78 and 281.27 N, respectively, the nutrient leaching rate of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer in the first 3 days were the minimum value of 45.53% and 36.87%, respectively. The high biochar fertilizer ratios would result in the better slow-release performances. When the biochar fertilizer ratio was 1:3, the nutrient leaching rates of potassium chloride biochar-based fertilizer particles and urea biochar-based fertilizer particles in the first 3 days were the minimum values of 42.06% and 40.32%, respectively. The pores on the surface of potassium chloride biochar fertilizer particles increased first and then decreased. When the biochar fertilizer ratios were 1:6 and 1:3, the average compressive strength were 271.25 and 282.42 N, respectively, but the relative standard deviation of the average compressive strength at 1:3 was the maximum. The pores in the internal structure of urea biochar-based fertilizer particles gradually increased. When the biochar fertilizer ratio was 1:6, the average compressive strength was the minimum values of 267.84 N. At the same time, the electrical conductivity of potassium chloride biochar-based fertilizer leachate and the pH value of urea biochar-based fertilizer leachate were similar to their respective nutrient leaching rates in change rule, which could be used for prediction of their nutrient leachate trends. Thus, the formulation of biochar-based fertilizer with the mass fraction of bentonite binder and the ratio of carbon to fertilizer of 20% and 1:4 or 10% and 1:3 are suggested to meet medium fertilizer concentration.

urea; potassium chloride; biochar-based fertilizer; physicochemical properties; slow release characteristics

牛智有，刘 鸣，牛文娟，邵恺怿，耿 婕，唐 震，黄金芝，周凯强. 炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：219－227.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.026 http://www.tcsae.org

Niu Zhiyou, Liu Ming, Niu Wenjuan, Shao Kaiyi, Geng Jie, Tang Zhen, Huang Jinzhi, Zhou Kaiqiang. Effects of biochar fertilizer ratio and bentonite binder on physicochemical properties and slow release properties of biochar fertilizer particles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 219－227. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.026 http://www.tcsae.org

2019-09-23

2019-12-10

公益性行业（农业）科研专项（No.201503135）

牛智有，教授，博生生导师，研究方向：现代农业技术与装备。Email：nzhy@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.026

S226.4

A

1002-6819(2020)-02-0219-09