成型压力对棒状复合肥料抗压性能及氮钾养分淋溶特性的影响

刘海林，蔡 隽，杨红竹，林清火，茶正早，罗 微

（中国热带农业科学院橡胶研究所/农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室/中国热带农业科学院土壤肥料研究中心，海南 海口 571101）

我国是全球重要的热带作物生产国之一［1］，而且随着经济发展水平的提高，热带水果、瓜类等特色优势经济作物的比重不断上升［2］，而肥料作为农业生产中极为重要的生产物资［3］，是热带特色经济作物产量的重要保障。目前，热带林木、果树等特色经济作物栽培中普遍存在过量施肥的问题，如香蕉［4］、芒果［5］、油棕［6］等，肥料施用过量将导致养分利用率低，容易造成环境污染［7-8］。缓/控释肥料是重要的新型肥料产品之一，具有减缓养分释放，减少养分损失等优点［9-11］，但缓/控释肥料尤其是包膜肥料普遍成本高，生产工艺复杂［12］，且存在膜材难降解的问题。因此，通过改进肥料生产工艺，研制低成本、缓释、环保的棒状复合肥料对热带特色作物发展更具实际意义。

目前，广泛应用的肥料形态多为颗粒状、粉状和液体状，对于棒状复合肥料的研制和应用研究相对较少。何向东等［13］将肥料装入外部涂有树脂薄膜的纸质棒形筒内制备成长效肥料棒，研究表明长效肥料棒在热带土壤中溶解速度慢，对胡椒、益智等热带作物具有显著增产效果。但是该长效肥料棒仅是将化肥填充到纸质棒形筒内，肥料棒的抗压强度较差，不便于储存、运输和机械化施肥。为了使类似棒状肥料的大颗粒肥料既具有缓释效果，又具有较好物理性能，很多研究人员利用挤压成型工艺制备了多功能肥料块［14-15］、块状尿素［16］、块状复合肥［17-18］、球形肥料［19］等肥料，研究结果也表明上述肥料具有减缓养分释放，减少养分损失等优点，但上述研究未对肥料的挤压成型影响因素进行研究。有研究表明增加粘结剂用量可减少缓释肥料棒的养分淋失［20-21］，并能增强缓释肥料棒的抗压强度［21］。林清火等［22］研究发现将脲甲醛作为缓释氮源加入缓释肥料棒中制备成脲醛缓释肥料棒，可显著增强缓释肥料棒的缓释效果，但会降低抗压强度。而成型压力也是棒状复合肥料制备工艺中的重要参数，是决定棒状复合肥料成型质量的关键因素之一。为了更为全面地研究挤压成型过程中各影响因素对棒状复合肥料缓释效果的影响，本文将探讨成型压力对棒状复合肥料抗压性能及养分淋溶特性的影响，为棒状缓释复合肥料生产和应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 棒状复合肥料制备

将尿素、磷酸一铵、硫酸铵、氯化钾、粘结剂、填充料分别粉碎、过筛，计量后加入混合机中搅拌均匀，将肥料棒成型机（专利号：ZL 201720776912.7）的成型压力分别设置为50、100、150 t，并利用肥料棒成型机将原料挤压制成直径为6 cm、质量为200 g的棒状复合肥料（氮磷钾养分配比均为16-6-8），制得的棒状复合肥料分别用FR1、FR2、FR3表示，并以等养分含量的普通肥料F为对照。

1.1.2 供试土壤

供试土壤为片麻岩发育砖红壤（采自中国热带农业科学院橡胶研究所五队基地），自然风干后过5 mm筛备用。土壤全氮、速效钾、有效磷、有机质含量分别为0.68 g/kg、34.27 mg/kg、5.09 mg/kg、13.60 g/kg，土壤pH为4.86。

1.2 棒状复合肥料养分淋溶特性测定方法

采用土柱淋溶法测定棒状复合肥料养分淋出特性［21］，试验布置于中国热带农业科学院橡胶研究所五队基地，试验所用淋溶管为高55 cm、内径16 cm的PVC管，用纱布将管底封住，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），放入供试棒状复合肥料（质量均为200 g）和普通肥料（与棒状复合肥料等养分含量），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。淋溶管下通过漏斗用塑料瓶收集淋溶液。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，当不再有水淋出时收集淋溶液，以第一次收集时间计时，每次收集前1 d加水1 L，共计10次（间歇式淋溶），测定淋溶液中氮、钾含量，每个处理设5个重复，同时设置空白。

1.3 棒状复合肥抗压强度测定方法

将压制成型的各处理棒状复合肥料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，测定棒状复合肥料的正抗压强度P1，再将棒状复合肥料侧放于测试平台上测定棒状复合肥料的侧抗压强度P2。

1.4 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对棒状复合肥料养分累积淋出率曲线进行拟合，拟合方程用SPSS 22.0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［21］。

1.5 数据分析处理

采用Excel 2007对原始数据进行整理计算、绘制图表，采用SPSS 22.0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 成型压力对棒状复合肥料抗压强度的影响

图2 为不同成型压力下制备的棒状复合肥料抗压强度（正压和侧压）。由图2可知，随着成型压力增加，棒状复合肥料抗压强度（正压和侧压）先增加后减小。棒状复合肥料FR2（成型压力100 t）处理的正抗压强度和侧抗压强度分别为8202.80和2632.40 N，显著大于FR1（成型压力50 t）处理，其正抗压强度和侧抗压强度分别较FR1处理增加了3605.30和938.80 N。棒状复合肥料FR2处理的正抗压强度和侧抗压强度分别较FR3（成型压力150 t）处理增加了472.00和8.20 N，但是处理间差异不显著。

2.2 成型压力对棒状复合肥料氮素淋溶特性的影响

由图3A可知，F处理第1次淋溶时的氮素单次淋出率最高，为34.40%，随着淋溶次数增加，氮素单次淋出率逐渐下降，并在第4次之后趋于平缓。FR1、FR2、FR3处理的氮素单次淋出率均表现为先逐渐增加后降低，FR1、FR2、FR3处理的氮素单次淋出率最大值分别为15.89%、15.85%、14.56%。由图3B可知，整个淋溶期间FR1、FR2、FR3处理氮素累积淋出率均小于F处理，F处理前期氮素容易被淋出，第3次淋溶时氮素累积淋出率已达到80.61%，而后氮素则被缓慢淋出。FR1、FR2、FR3处理氮素累积淋出率曲线均类似S型，前3次淋溶时氮素累积淋出率均较小，而后氮素累积淋出率快速增加，且FR1、FR2、FR3处理的氮素累积淋出率曲线接近重合。整个淋溶期间FR1、FR2、FR3处理的氮素累积淋出率分别为87.33%、80.32%、79.83%，均小于F处理，且表现为F>FR1>FR2>FR3，但是FR1处理与F处理差异不显著，FR1、FR2、FR3处理间差异不显著（P>0.05）。

2.3 成型压力对棒状复合肥料钾素淋溶特性的影响

由图4A可知，F处理前2次淋溶的钾素单次淋出率分别达到28.86%、28.61%，而后迅速下降，第3次和第4次淋溶时的单次淋出率分别为12.51%和5.73%。FR1、FR2、FR3处理的钾素单次淋出率均表现为逐渐缓慢增加，FR1、FR2、FR3处理的钾素单次淋出率最大值分别为9.94%、7.71%、7.78%。由图4B可知，FR1、FR2、FR3处理钾素累积淋出率曲线接近重合，整个淋溶期间FR1、FR2、FR3处理钾素累积淋出率均小于F处理。F处理第3次淋溶时钾素累积淋出率达到68.86%，在第5次淋溶时钾素累积淋出率已达到80.98%。FR1、FR2、FR3处理钾素累积淋出率曲线前3次淋溶存在明显滞后现象，而后表现为类似匀速线性增加，整个淋溶期间FR1、FR2、FR3处理钾素累积淋出率均表现为F>FR1> FR3>FR2。第10次淋溶之后F、FR1、FR2、FR3处理的钾素累积淋出率分别为86.30%、46.07%、42.08%、44.18%，FR1、FR2、FR3处理显著小于F处理（P<0.05），但FR1、FR2、FR3处理间差异不显著（P>0.05）。

2.4 棒状复合肥料养分累积淋出率一级动力学方程拟合

研究表明脲醛缓释肥料棒的氮素累积淋出率曲线可用一级动力学方程进行拟合［21］，为此利用一级动力学方程对不同成型压力制备的棒状复合肥料养分累积淋出率曲线进行拟合，从拟合结果（表1）可知，各处理的养分累积淋出率曲线均可用一级动力学方程进行拟合，拟合相关系数r为0.882～0.998。

表1 棒状复合肥料养分累积淋出率曲线方程拟合结果

3 讨论

棒状复合肥料是采用挤压成型工艺制备而成的，成型压力是影响缓释肥料棒成型质量和缓释效果的主要因素之一。有研究认为在粉末颗粒体成型过程中会经历3个阶段：粉末颗粒原料的重新排列阶段、弹性变形和塑性变形阶段、颗粒体断裂阶段，随着成型压力增加，压坯密度会逐渐增加，但是当达到某一峰值之后，压坯密度几乎无变化［23］。本研究的棒状复合肥料也是以多种粉末颗粒为原料，利用液压成型设备挤压成型，属于粉末颗粒压缩成型的过程，随着成型压力增加，棒状复合肥料抗压强度（正压和侧压）先增加后减小，成型压力为100 t的棒状复合肥料的正抗压强度和侧抗压强度分别达到了8202.80和2632.40 N，均大于成型压力50 t和成型压力150 t的棒状复合肥料，说明在本研究条件下成型压力为100 t时棒状复合肥料的抗压强度最佳，达到了峰值，粉末颗粒已经完全断裂重排，粉末颗粒间孔隙已被填充，继续增加成型压力反而容易出现压裂现象和增加弹性后效，从而降低棒状复合肥料的抗压强度，并且增加能量消耗。这也与陈天佑等［24］的研究结果一致，其研究表明玉米秸秆生物炭压制成型过程中成型压强在30～80 MPa范围内，炭块的抗破坏强度随着成型压力的增大而增大，继续增加成型压力则逐渐减小。另外，本研究结果还表明成型压力为50、100、150 t的棒状复合肥料均具有较好的缓释效果，其氮、钾累积淋出率均小于普通肥料，但是成型压力为50、100、150 t的棒状复合肥料氮、钾累积淋出率曲线均近似重合，处理间氮、钾累积淋出率差异不显著。Shamsudin等［25］的研究也发现挤压成型压力会影响片状尿素的溶解速率，压强为150.68 MPa的片状尿素在水中10 min内的铵离子释放量最少，当压强继续增加至188.35 MPa时反而增加铵离子释放量，也就是说当成型压力达到一定值之后，如果继续增加成型压力，棒状复合肥料的养分缓释效果并不会得到增强，甚至可能会增加棒状复合肥料的养分释放速率，其原因可能是由于成型压力增加，导致肥料出现裂痕，从而使肥料相对更易被水溶解。但是不同肥料配方、不用原料类型对成型压力要求可能会存在较大差异，后期还有待进一步深入研究。

4 结论

棒状复合肥料具有较好的缓释效果，其氮、钾累积淋出率均小于普通肥料，但成型压力为50、100、150 t的棒状复合肥料养分累积淋出率差异不明显。而随着成型压力增加，棒状复合肥料抗压强度（正压和侧压）先增加后减小，成型压力为100 t时达到最大值。因此，从成型质量、缓释效果以及生产能耗等方面综合考虑，本研究条件下棒状复合肥料的成型压力为50～100 t时最适合。