改性木质素缓释肥的养分释放特征评价方法比较

尹静，李栋，李杨文正，段亚丽，焦阳秋，石庆胜，程宁宁*，朱治强*

（1.海南大学热带作物学院，海口 570228；2.海南大学生态与环境学院，海口 570228；3.浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

化肥在我国农业生产中具有重要的增产作用，不仅可以提高土壤肥力，还可以大幅度增加作物产量。但我国肥料利用率较低，其中氮肥利用率为30%～35%[1]，当季磷肥和钾肥利用率仅为14%～20% 和30%～50%[2]，且长期施用化肥容易引起土壤板结、酸化和养分比例失衡等问题。如何提高肥料利用率、提升作物产量和品质、保护农业生态系统，已成为农业发展中亟待解决的问题。缓/控释肥作为养分利用率高且环境友好的新型肥料，越来越受到人们的关注[3-4]。目前，应用广泛的包膜型缓释肥具有一定的局限性，无机物包膜缓释肥虽然生产成本低、制作工艺简单，但包膜材料易脱落且不易运输[5-6]；以合成有机高分子物质为包膜材料制备的缓释肥，虽然较稳定、易运输，但其对生产条件要求较高，且不易降解，会对土壤环境造成污染[7]；天然有机高分子聚合物材料（如淀粉、纤维素等）虽可生物降解、无毒害作用，但其作为肥料载体使用时缓释性能不佳[8-9]。有研究发现，将一些天然高分子聚合物改性后制成的半合成高分子材料具有较好的缓释能力和螯合能力，且作为肥料载体与养分结合能够显著提高肥料利用率，不会对土壤造成二次污染[10-11]。木质素作为一种可再生的天然高分子材料，可以在土壤中降解为腐殖质[12]。以化学改性后的木质素作为肥料载体制备的缓释肥，可以有效改善农田土壤的团粒结构和理化性质，既能提高肥料利用率，又能够节省肥料成本，增加作物产量和收益[13-15]。以木质素为原料制备缓释肥的方法包括化学修饰法、包膜法和螯合法，不同制备工艺获得的木质素用作缓释载体时，其缓释性、螯合性和稳定性均具有差异[16-17]。本试验通过羟甲基化反应对木质素进行改性，即在碱性条件下，木质素和甲醛发生加成反应，使得木质素发生羟甲基化而改性（图1），此时，木质素羟基含量提高，增加了木质素的亲水基团数量和比表面积，提高了木质素的反应活性，增强了木质素对氮素的吸附能力，增加了肥料中有机结合氮含量，延长了肥料养分的释放周期[18]，且木质素分子间氢键含量增加，使其热稳定性也随之提高。

图1 木质素羟甲基化改性Figure 1 The hydroxymethylation modification of lignin

肥料养分控释效果是衡量缓/控释肥料性能的重要指标。一般来说，作物专用缓释肥是根据平衡施肥理论和作物各生育阶段对养分需求特点而研制，要求缓释肥料的养分释放特征与作物养分需肥规律相匹配，从而达到施肥的科学化和合理化。为了达到肥料精准控释的要求，需要明确缓释肥料的氮、磷、钾等养分的释放特征。国内外用于评价缓释肥养分释放性能的方法主要有5 种，分别为静水溶出率法、田间填埋法、土壤淋溶法、电超滤法和同位素示踪法[19-22]。目前，对木质素基缓释肥的养分释放性能进行评价的研究鲜有报道。本试验以新研制的改性木质素缓释肥为研究对象，通过傅里叶变换红外光谱技术鉴定其化学结构；探究静水溶出率法和田间填埋法对改性木质素缓释肥养分释放特性的评价差异；并结合热重分析（TG）技术，对不同时期缓释肥的木质素载体热分解过程进行详细的表征，以期为改性木质素缓释肥的应用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的缓释肥由万里神农有限公司和浙江大学联合研制，基于荔枝的养分需求特点，选用10-4-6（N-P2O5-K2O）和8-4-8（N-P2O5-K2O）两种缓释肥来开展试验，缓释肥以羟甲基改性木质素为填充材料，添加量均为5%，掺配尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾等无机肥料，采用转鼓蒸汽造粒工艺制得总养分含量为20%的缓释肥。其中，8-4-8 型缓释肥的尿素添加量为9%，10-4-6 型缓释肥为11%。于2019 年9 月—2020 年5 月，在海南省文昌市宝芳村荔枝种植基地（19°41′57.5″N，110°49′54.7″E）开展田间填埋试验，文昌市属于典型的热带季风气候，年平均降水量为1 886 mm，年平均气温为23.9 ℃，年平均相对湿度在85%左右，试验期间土壤平均温度31.7 ℃。试验地土壤质地为砂壤土，在荔枝园内插行，选取空地开展填埋肥料试验。静水浸提试验于2019 年9 月—2020 年6 月在海南大学实验室内按照《缓释肥料》（GB/T 23348—2009）的试验方法进行（恒温培养箱，温度25 ℃）。

1.2 试验设计

该试验采用两种养分缓释性能的评价方法，分别为25 ℃静水溶出率法和田间填埋法。

（1）25 ℃静水溶出率法：称取10.00 g 供试的缓释肥（10-4-6 和8-4-8）放入100 目尼龙网袋中，封口后放入250 mL 加盖的塑料瓶中，加入200 mL 去离子水，加盖密封，每种缓释肥设置9 个重复，置于（25±0.5）℃培养箱中，分别于第1、3、5、7、10、14、21、28、42、56、70、84、98、112、140、168 天和第196 天进行取样。取样时，将塑料瓶上下颠倒3 次，使瓶内液体浓度一致，取出网袋，将肥料浸提液摇匀，采集50 mL 样品，弃去塑料瓶中剩余样品后重新加入200 mL 去离子水，封口后放入培养箱继续培养。采集的样品立即测定氮、磷、钾素含量。在84 d 和196 d 时，每种缓释肥采用破坏性取样法随机取得2 个重复样品，取出网袋用去离子水冲洗3 遍后，将缓释肥样品完全转移至铝盒中，于烘箱中以80 ℃烘干至恒质量，采用热重分析方法对不同温度条件下肥料的失重率进行测定，以探究改性木质素在静水中的热稳定性。

（2）田间填埋法：称取10.00 g 供试缓释肥于100目尼龙网袋中，每个尼龙网袋大小一致，长度为15 cm，宽度为10 cm，将其平铺后埋入田间5～10 cm 深度的土层中。分别于第1、3、7、14、21、28、42、56、84、112 天和第140 天采集肥料样品，设置3 个重复，当氮素累积释放率达80%以上时停止采样。将肥料颗粒表面的土壤用蒸馏水冲洗干净、烘干（60 ℃），根据差减法求出养分释放量。采集初始肥料样品通过傅里叶红外光谱技术对两种缓释肥在不同波长下的透光率进行测试，以探究改性木质素中的官能团种类特征。于0、84、140 d采集肥料样品，烘干粉碎后进行热重分析，其样品处理方法同静水溶出率法。

1.3 指标测定

傅里叶红外光谱法：采集烘干后的肥料样品与光谱纯级别的KBr 以1∶100 的质量比进行混合，在红外灯下于玛瑙研钵中研磨成细粉末状后压片制样，然后放置于载物台上进行测定。利用衰减全反射红外法（ATR-FTIR）进行红外光谱分析，波数范围为400～4 000 cm-1[23]。傅里叶红外光谱扫描仪型号为TENSOR27（德国Bruker公司）。

热重分析（TG/DTG）：采集各养分释放时期的肥料样品，将其烘干至恒质量，使不同释放时期的肥料样品含水量保持一致，按照如下步骤操作：将烘干后的待测样品研磨均匀，称取5～7 mg 样品于氧化铝坩埚内，在热重分析仪分析室内进行测定，在氮气流速20 mL·min-1条件下，以10 ℃·min-1的升温速率，从30 ℃逐渐升温至900 ℃[24]。热重分析仪型号为Q600（美国TA仪器公司）。

其他测定指标和测定方法如表1所示。

表1 测定指标及方法Table 1 Measurement index and its method

1.4 数据分析

采用Excel 2019 进行数据处理分析，红外光谱和热失重曲线运用仪器自带的软件进行数据处理和分析，采用Origin 2019进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 改性木质素缓释肥的结构表征

8-4-8 型和10-4-6 型缓释肥的红外光谱图如图2 所 示。8-4-8 型缓释肥在3 205 cm-1和3 344 cm-1处为氨基（）的伸缩振动峰；在779 cm-1处为甲基与亚甲基中的弯曲振动峰；在1 660 cm-1处出现了苯环和共轭羧酸上的伸缩振动峰。10-4-6型缓释肥在3 369 cm-1和3 616 cm-1处为和羟基（）的伸缩振动峰，在1 741 cm-1处为苯环和共轭羧酸上的伸缩振动峰，在871 cm-1处出现了伸缩振动峰。3 200～3 700 cm-1处为的伸缩振动峰，与8-4-8 型缓释肥相比，10-4-6 型波峰出现了右移，可能是由于肥料内核中尿素含量有差异，尿素含量高时波峰右移。750～880 cm-1处为芳香环平面外的弯曲振动峰，表明苯环上成功引入了羟甲基，提升了木质素分子的反应活性，增加了反应结合位点。这不仅能够增强木质素对肥料养分的吸附能力，而且以木质素作为肥料载体还有利于提高其对养分的缓释和螯合作用，肥料中的养分随着木质素的降解而得以逐渐释放[13，26]。此外，改性木质素分子中含有大量的羟甲基和酚羟基等含氧活性基团，在土壤微生物的作用下，可以促进土壤腐殖质的形成[27-29]，具有改良土壤、促进植物生长的作用[30]。

图2 两种缓释肥的红外光谱特性Figure 2 FTIR spectra of two types of slow-release fertilizers

2.2 缓释肥在恒温静水中的养分释放特征

在实际农业生产中，缓释肥料中的养分能否被高效利用，在一定程度上取决于缓释材料对氮、磷、钾的缓释性能[30-31]。两种缓释肥在25 ℃恒温静水中的氮、磷、钾素释放速率曲线如图3 所示。两种肥料氮素的初期养分释放率均未超过15%，且两者28 d的累积养分释放率分别为25.7%（8-4-8 型）和33.3%（10-4-6型），均达到了国家标准《缓释肥》（GB/T 23348—2009）规定的缓释肥28 d 累积释放率不超过80%的要求；自第56 天开始，两种肥料的氮素释放速率趋缓；196 d 时两种缓释肥的氮素累积养分释放率均未超过70%。而两种缓释肥的磷素累积释放率在168 d 时达到了80%。两种缓释肥钾素的初期释放率均超过了15%，在第10 天后已达到了80%的累积养分释放率。上述结果表明，两种木质素缓释肥的缓释性能主要是有效控制氮素的溶出速率，其次是磷素，再次为钾素。这与采用工业碱木质素制备的缓释肥或氨氧化改性制备的木质素缓释肥效果相近，通过木质素分子对氮素的物理吸附作用，以氢键或π-π共轭效应等方式与尿素分子或其他含有营养元素的基团结合，可以减缓氮素的释放速率[32-34]。

图3 25 ℃下缓释肥在水中的养分释放曲线Figure 3 The nutrient release curve of slow-release fertilizer in water at 25 ℃

2.3 缓释肥在恒温静水中释放过程的热重分析

为了探究缓释肥养分释放过程中木质素包膜材料发生的物质变化情况，掌握木质素包膜缓释肥在土壤和水中分解过程的异同之处，本研究利用热重分析技术对两种缓释肥进行表征。热重分析技术（TGDTG）定量性强，可以准确地测量物质受热时的质量变化及变化的速率[24]。木质素分子结构中有多种单元连接，同时存在丰富的官能团和酰化/交联结构，经过热分解，其失重顺序依次为水分、低分子量的碎片、木质素结构单元及酚类单体[13，35]。

两种缓释肥（8-4-8 和10-4-6）在水中不同释放时期的热重分析如图4 所示。在30～250 ℃阶段，两种缓释肥在不同释放时期均出现不同程度的失重，其中，8-4-8 型缓释肥在84 d 和196 d 的失重率分别为11.7%和12.4%，均小于0 d 时的失重率（14.2%），10-4-6 型缓释肥呈现出相似的趋势，这一阶段主要是水分的蒸发过程，且两种缓释肥在该阶段均出现了两个失重峰，这可能与自由水和结晶水的蒸发有关。随着温度升高至500 ℃，木质素开始分解，随着释放天数的延长，8-4-8型缓释肥的失重率逐渐减小，而10-4-6 型缓释肥的失重速率却趋于平缓，失重率变化较小。在这一阶段，木质素结构中的低分子量碎片先开始发生分解，随后结构中化学键发生断裂，一些小分子物质蒸发从而导致肥料质量损失[35]。在500～900 ℃阶段，缓释肥的DTG 曲线数值基本未发生变化，木质素结构单元开始分解，木质素分子呈现稳定且持续的质量损失。随着养分释放时间的延长，两种缓释肥的残留物逐渐增加，失重率呈下降趋势。在第0、84 天和第196 天，8-4-8 型缓释肥高温灼烧后的失重率分别为57.1%、43.1%和37.4%，10-4-6 型缓释肥则为62.4%、44.8%和38.7%。此外，两种缓释肥的失重速率均逐渐减缓，可能是由于肥料中的有机结合氮含量随着无机氮和K+等养分在水中的溶解而增加。升温至900 ℃时，残留物应为缓释肥木质素等有机组分经高温灼烧后残留的灰分。

图4 缓释肥（8-4-8和10-4-6）在水中不同释放时期的热失重曲线Figure 4 TG/DTG curves of slow-release fertilizers（8-4-8 and 10-4-6）in water

2.4 缓释肥在土壤中释放过程的热重分析

两种缓释肥在土壤中不同释放时期的热重分析结果如图5 所示。在30～250 ℃阶段，因水分的蒸发，两种肥料的不同释放时期均出现不同程度的失重。在250～500 ℃阶段，8-4-8 型缓释肥在释放84 d 和140 d时，肥料DTG曲线数值逐渐减小，表明随着养分释放天数的延长，肥料失重速率逐渐加快，而10-4-6型缓释肥失重速率较为平缓，这与静水中肥料的失重特性相近，但其失重率均小于静水中的失重率。在500～900 ℃阶段，肥料样品的DTG 曲线数值未发生明显变化，肥料样品表现为稳定持续的失重状态。一般而言，缓释肥中大分子木质素相对分子质量越高，其热稳定性越好，高温灼烧后的失重率越小[19]。在900 ℃时，两种缓释肥在84 d 和140 d 时与释放0 d 的缓释肥热重分析数据相比，高温灼烧的失重率显著降低，在第0、84 天和第140 天时，8-4-8 型缓释肥的失重率分别为57.1%、29.0%和31.1%，10-4-6 型缓释肥则为62.4%、20.4%和28.2%。这是由于两种缓释肥在土壤中释放84 d 和140 d 之后，作为肥料载体的木质素被逐渐降解，缓释肥中小分子物质在土壤中首先被降解，N、P、K 素逐渐得以释放，肥料中的木质素占比相对增加，提高了肥料的热稳定性，降低其失重率。

图5 缓释肥（8-4-8和10-4-6）在土壤中不同释放时期的热失重曲线Figure 5 TG/DTG curves of slow-release fertilizers（8-4-8 and 10-4-6）in soil

比较土壤与静水中的热失重分析结果发现，在250～500 ℃阶段，两种评价方法出现明显差异，缓释肥恒温静水培养后的失重率高于其土壤填埋后的相应值，增长了1.65～2.28 个百分点。缓释肥在水中的养分释放主要表现为K+、等离子态养分的溶出，同时木质素分子经扩散作用在水中缓慢溶出，有机态氮随之得以释放，此时缓释肥中的木质素占比持续降低。研究表明，肥料中的木质素含量越高，其热稳定性越好[19]，土壤填埋后的缓释肥木质素占比相对较高，其热稳定性较好，因此，在250～500 ℃阶段，土壤填埋后的缓释肥失重率低于静水培养后的相应值。当温度达到900 ℃时，静水培养84 d 和196 d 后缓释肥的失重率呈现下降的趋势，土壤填埋的缓释肥则在84 d 和140 d 时有所下降，且静水培养后两种缓释肥的失重率均高于土壤填埋，表明两种缓释肥土壤填埋后的木质素占比高于静水培养，提高了肥料的热稳定性，降低了肥料的热失重率。

2.5 缓释肥在土壤和水中的累积养分释放速率

为探究能否使用静水溶出率法表征木质素基缓释肥在土壤中的总养分释放特征，本研究对缓释肥的总养分释放率进行了分析。两种缓释肥在水和土壤介质中的总养分释放特征曲线如图6 所示，在前84 d，两种缓释肥在土壤和水中的总养分释放特征相似，其总养分释放率在62.6%～66.6%之间，在84 d 之后，缓释肥在两种介质中的养分释放率差异逐渐增大，均表现为84 d之后缓释肥在土壤中持续释放，而在水中的释放量趋于平缓。这可能是由于在水介质中养分释放的初期，改性木质素与尿素分子结合形成有机态氮而使得缓释肥中氮素释放缓慢，但大量钾元素以离子或无机盐形式释放到水中，提高了缓释肥的总养分释放量。在养分释放后期，与木质素分子相结合的肥料养分释放缓慢，养分释放速率逐渐趋于平缓。其中，8-4-8 型缓释肥在土壤和水介质中的初期养分释放率分别为13.5%和9.57%，10-4-6 型缓释肥在土壤和水介质中的初期养分释放率分别为10.2% 和8.45%。8-4-8 型缓释肥第28 天的累积养分释放率分别为57.9%和53.8%，10-4-6型缓释肥第28天的累积养分释放率分别为55.1%和54.0%。第140 天时，两种缓释肥在土壤中累积养分释放率均达到了80%，而在水中分别为67.9%和70.2%。这可能是由于缓释肥释放过程中的环境温度和土壤微生物所致，静水浸提试验中的温度为恒温25 ℃，但田间填埋试验周期内土壤温度在30 ℃以上，而且土壤微生物可降解木质素，促进了缓释肥的养分释放。

图6 缓释肥总养分累积释放率Figure 6 Cumulative release rates of total nutrients of slowrelease fertilizers

结合静水培养和土壤填埋后缓释肥的热重分析，可以发现：在土壤介质中，前84 d 随着养分释放时间的延长，两种缓释肥中的木质素占比增大，热稳定性逐渐增强，热失重率逐渐降低，养分释放速率趋于平缓；84 d后，随着缓释肥中木质素的降解，养分得以释放，热失重率略有上升，养分释放速率逐渐加快。在水介质中，84 d 后缓释肥中的木质素逐渐溶出，致使养分持续而缓慢地释放，因此，其热失重率未发生明显变化。究其原因，可能是由于试验温度和土壤微生物等诸多因素存在差异[35]。热重分析技术可以对样品进行连续测试，通过缓释肥的热失重变化规律来表征肥料中木质素分子的变化特征，以明确静水溶出率法和土壤填埋法的差异。但此方法对仪器要求较高，试验操作较复杂，样品含水量也会对试验结果产生影响，需要继续优化。

由此可见，在评价改性木质素缓释肥养分释放性能时，这两种方法具有较大的差异，可能是由土壤环境的复杂性所致[25，35]。土壤中存在着大量的盐离子和微生物，而水介质是完全不同的试验体系，无法真实地模拟土壤环境条件，采用静水溶出率法评价改性木质素缓释肥在土壤中的养分释放性能存在着不可避免的偏差。对于缓释期大于84 d的木质素缓释肥，静水溶出率法的总养分释放速率低于土壤填埋法。

3 结论

（1）改性木质素缓释肥的分子结构中含有大量的羟甲基和酚羟基等含氧活性基团，提升了木质素分子的反应活性，有利于提高木质素对氮养分的吸附能力。木质素分子与尿素结合形成的有机结合氮能够降低肥料的水溶性，提高氮元素的螯合作用，从而延缓氮的释放速率。

（2）改性木质素缓释肥在土壤和水介质中的总养分释放过程在84 d 时出现拐点，在84 d 之前，可以采用静水溶出率法表征改性木质素缓释肥在土壤中的养分释放特征。84 d之后，作为养分吸附载体的木质素，在土壤填埋法中的降解速率高于静水溶出率法，缓释肥的热失重主要在250～500 ℃阶段差异明显，静水培养后的改性木质素缓释肥热失重率较土壤填埋后增加了1.65～2.28 个百分点，肥料中木质素含量越高，其热稳定性越强。因此，静水溶出率法难以精确评价84 d 后改性木质素缓释肥在土壤中的养分释放性能，其表征的缓释肥养分释放期更长。