不同功能型控释肥料质量安全评价及其对油菜生长效应的影响*

段路路, 董茂忠, 李接励, 牛彦超

(1.上海化工院检测有限公司 上海 200062;2.山东师范大学 山东济南 250014;3.上海化工研究院有限公司 上海 200062)

0 前言

我国是世界上最大的化肥生产国和消费国,化肥产业是现代农业的重要支撑,是关系国计民生的重要基础[1-2]。由于当前存在化肥利用率低、农业面源污染等突出问题,每年氮磷钾养分累计损失超过30 760 kt,造成的经济损失超千亿元,严重损害国民经济和居民健康。化肥在保证粮食安全的同时,也给环境造成了巨大的压力[3],限制了农业绿色发展和乡村振兴战略的实施。因此,大力发展新型肥料已成为当前化肥工业发展的重点方向[4-5]。

近年来,世界各国都在针对普通化学肥料利用率低,使用过程中容易出现损失且污染环境等问题,纷纷研制养分缓慢释放或控制释放的肥料,使肥料的养分释放规律与作物的养分吸收规律相同步,既可实现一次性施肥省工高效,又可大幅提高肥料的利用率[6]。因此,缓控释肥料是顺应农业可持续发展而产生的新型肥料[7]。虽然我国缓控释肥料产业的发展时间较短,但通过技术研发取得了较多的成果,众多工艺已经达到或超过国际先进水平,生产成本也较国外同类产品大幅降低,已经成为世界上最大的缓控释肥料生产国,我国的缓控释肥料产品已具有较强的国际竞争力,且主要应用于大田农作物。但由于缓控释肥料市场还不够成熟,产品质量和生产技术尚存在一些突出问题亟须研究和解决[8-10]。

极端温度和盐渍化等非生物逆境也会从形态学、生理学等方面影响作物生长,同样也威胁我国的粮食安全[11-12]。因此,通过各种途径提高作物肥料利用率和抗逆性已成为当前肥料研究领域的热点[13-15]。目前,国际上传统的控释肥料膜材料多为石化产品,不仅成本高,而且资源不可再生[16-18]。研究基于生物基膜材料的增产、提质、促逆等功效的国产化控释肥料,不仅可以填补国际空白,也是节能降耗、绿色发展、优化产业结构、促进肥料产业健康自主发展的重要体现[19]。

功能型控释肥料是能够提高肥效或增强作物抗逆性或改善土壤性能的一类肥料,即对常规氮、磷、钾肥料,通过一定的工艺、添加某些功能性物质,从而在盐碱胁迫、水资源短缺、连作障碍、寒冷高温等逆境条件下,能发挥其特殊功效的肥料[20-21]。

本文针对传统控释肥料难以有效克服农业生产中水资源短缺、次生盐渍化和极端气候威胁等因素导致的肥料利用率低和作物生理性障碍等问题,研发了3种具有保水、促生、抗盐等功能的区域化作物专用功能型控释肥料,并对3种功能型控释肥料中总砷、总镉、总铅、总铬、总汞、总铊等有毒有害物质的含量进行检测与评价;同时采用油菜盆栽和大田试验,对油菜全生育期的生物量和产量进行测定,并结合其结果评价3种功能型控释肥料的作物适应性,为深入认识该类肥料的生产、使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

3种供试功能型控释肥料均以复合肥料(15-15-15)为核芯的实验室自制产品,分别为保水型控释肥料(WSCRF)、抗盐型控释肥料(SRCRF)和促生型控释肥料(GPCRF)。WSCRF含有生物基高效农林保水剂,SRCRF含有腐殖酸、黄腐酸等功能性物质,GPCRF中添加了宛氏拟青霉提取物等活性物质,复合肥料(15-15-15)、尿素为市售商品肥料。

试验所用土壤采自上海市崇明区上实现代农业园区7号区13号地,采样深度为0～20 cm,质地为粉砂质黏壤土,基本理化性状：pH为8.45,w(全氮)为0.05 g/kg,w(全磷)为0.54 g/kg,w(速效钾)为0.18 g/kg,w(全盐)为7.89 g/kg,土壤容重为1.3 g/cm3,田间持水量为34%。

供试作物为油菜,品种为东方二号,品牌为至远,生育期60 d左右。

1.2 功能型控释肥料的重金属含量检测

采用国家标准《肥料和土壤调理剂 砷、镉、铬、铅、汞含量的测定》(GB/T 39229—2020)[22]中的电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定3种功能型控释肥料中砷、镉、铅、铬、汞含量,采用《肥料中总镍、总钴、总硒、总钒、总锑、总铊含量的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》(GB/T 39356—2020)[23]中的ICP-OES法测定3种功能型控释肥料中铊含量。

1.3 油菜盆栽试验

试验共设8个处理,分别为不施肥(CK)处理、常规施肥(RF1)处理、保水型控释肥料低量(WSCRF1)处理、保水型控释肥料高量(WSCRF2)处理、抗盐型控释肥料低量(SRCRF1)处理、抗盐型控释肥料高量(SRCRF2)处理、促生型控释肥料低量(GPCRF1)处理、促生型控释肥料高量(GPCRF2)处理,每个处理重复3次。每盆装土1.5 kg,每盆定植3棵植株。RF1处理所用肥料为15-15-15市售商品复合肥料,其余处理所用肥料均为实验室自制肥料。RF1和不同功能型控释肥料高量处理中1 kg土的氮肥施用量为0.30 g(以N计,下同),不同功能型控释肥料低量处理的为0.15 g,N、P2O5、K2O施用比例为1∶1∶1。除RF1处理的肥料播种前先施用一半,一个月后再施用另一半外(均匀撒在土壤表面),其他施肥处理的肥料在播种前与土混施。分别在播种后第15天、第30天、第45天、第60天记录叶片数和叶面积大小,测定方法为选取每盆的代表性植株测定全部叶片求平均值。第60天收获取样,取样后将植株洗净擦干,测定地上部和根鲜质量。

1.4 油菜大田小区试验

试验地位于上海市崇明区上实现代农业园区7号区13号地,共设4个处理,分别为常规施肥(RF2)处理、保水型控释肥料(WSCRF3)处理、抗盐型控释肥料(SRCRF3)处理、促生型控释肥料(GPCRF3)处理,每个处理均设3次重复。每个小区面积为5 m×5 m,采用随机区组排列。油菜株距10 cm、行距20 cm,试验区四周设保护行。试验所用肥料与油菜盆栽试验用肥品种一致,其中WSCRF3、SRCRF3、GPCRF3处理的肥料在播种前一次性施入,施肥量为50 kg/亩(1亩=667 m2);RF2在播种前按50 kg/亩施用15-15-15复合肥,并在第30天追施尿素6 kg/亩。分别在播种后第30天、第60天取样,每个处理随机选取5棵植株带根取出,去除泥土等杂物后,分别称量5棵油菜鲜质量并求平均值。

1.5 数据分析处理

采用Excel软件进行数据计算和统计分析。

2 结果与讨论

2.1 功能型控释肥料质量安全评价研究

肥料中总砷、总镉、总铅、总铬、总汞、总铊等重金属的含量是影响肥料质量安全的重要指标,也是强制性国家标准《肥料中有毒有害物质限量要求》(GB 38400—2019)[24]中的必测项目。由表1可知,实验室研制的3种功能型控释肥料中总砷、总镉、总铅、总铬、总汞和总铊的质量分数分别不超过12.82、0.18、2.32、19.28、0.52、0.23 mg/kg,满足GB 38400—2019中无机肥料w(总砷)≤50 mg/kg、w(总镉)≤10 mg/kg、w(总铅)≤200 mg/kg、w(总铬)≤500 mg/kg、w(总汞)≤5 mg/kg和w(总铊)≤2.5 mg/kg的限量要求。

表1 不同功能型控释肥料中砷、镉、铅、铬、汞、铊的含量 mg/kg

2.2 不同施肥处理对盆栽油菜生长效应的影响

2.2.1 对盆栽油菜长势的影响

叶片数和叶面积反映了油菜的生长状况。在油菜生长的整个生育期,各处理的油菜叶片数和叶面积总体变化规律是前期有明显升高,中后期逐渐达到平衡,符合植物生长规律,见图1。

图1 不同施肥处理的盆栽油菜叶片数和叶面积

从图1(a)可看出：CK处理的油菜叶片数始终处于最低水平;3种功能型控释肥料高量处理的油菜叶片数明显高于低量处理的;除了WSCRF1处理后期的叶片数低于RF1处理的,其余控释肥处理的叶片数明显高于RF1处理的,且以GPCRF2、SRCRF2处理的表现较优。从图1(b)可看出：不同施肥处理对油菜叶面积的影响规律与叶片数的相似,CK处理的油菜叶面积始终处于最低水平;在油菜生长前期,各处理的油菜叶面积无明显差异,但在第60天时,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2处理的油菜叶面积比CK处理的分别提高了77.0%、126.6%、79.1%、195.9%、102.9%、188.1%,同时WSCRF2、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2等4个处理的油菜叶面积也明显高于RF1处理的。

试验结果表明：功能型控释肥料能根据油菜生长的需求适时地释放养分,并且因添加了促生、抗盐、保水功效物质,可以明显提高油菜的叶片数和叶面积;在施肥量减少一半的情况下,促生型和抗盐型控释肥料处理的油菜叶片数明显优于RF1处理的,同时促生型控释肥料处理的油菜叶面积也明显优于RF1处理的。

2.2.2 对盆栽油菜生物量的影响

在肥料质量或肥效评价中,作物的产量是重要的指标,不同施肥处理对盆栽油菜生物量的影响见图2。

图2 不同施肥处理对盆栽油菜生物量的影响

从图2可看出：施用不同功能型控释肥料的油菜地上部和根鲜质量均高于CK处理的;GPCRF2处理的生物量最高,低施肥量处理的生物量次于对应高施肥量处理的。在对地上部鲜质量的影响上,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2处理比CK处理分别提高了20.0%、89.2%、36.9%、118.5%、43.1%、135.4%,WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2处理比RF1处理分别提高了43.0%、65.1%、77.9%。在对根鲜质量的影响上,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2处理比CK处理分别提高了43.5%、121.7%、56.5%、156.5%、69.9%、195.7%,WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2处理比RF1处理分别提高了50.0%、73.5%、100.0%。由于盆栽油菜生育期为60 d,控释肥料的养分释放期与此接近,并且在油菜整个生育期土壤保持了较高的养分水平,持续地为油菜生长发育提供养分,为油菜的高产打下了良好的基础,最终表现为油菜地上部和根鲜质量均得到较大幅度的增加。

2.3 不同施肥处理对大田油菜生长效应的影响

植物地上部和根的生长发育及功能之间存在相互依存、互为竞争的关系,植物的生长取决于地上部及根之间的生长和功能的平衡。与盆栽试验相比,大田试验更能反映植物的实际生长情况,见表2。

表2 不同施肥处理的大田油菜生物量

从表2可知：在第30天,各处理的油菜地上部鲜质量由大到小的顺序为SRCRF3>GPCRF3>WSCRF3>RF2,不同施肥处理对根鲜质量的影响与对油菜地上部鲜质量的影响规律一致;在第60天,WSCRF3、SRCRF3、GPCRF3处理的油菜地上部鲜质量比RF2处理的分别提高了63.9%、83.8%和143.3%,根鲜质量分别提高了67.4%、83.7%和143.1%。由此可见,在减少施肥量的情况下,施用功能型控释肥料也能明显促进油菜的生长,且以促生型控释肥料的效果较优。

3 结语

具有保水、促生和抗盐功能的3种功能型控释肥料中总砷、总镉、总铅、总铬、总汞和总铊的含量满足GB 38400—2019中对相关重金属指标的限量要求。在油菜盆栽试验中,收获时,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2处理的叶面积比CK处理的分别提高了77.0%、126.6%、79.1%、195.9%、102.9%、188.1%,同时3种功能型控释肥料高量处理的油菜叶面积也明显高于RF1处理的;WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2处理的地上部鲜质量比RF1处理的分别提高了43.0%、65.1%、77.9%。油菜大田试验结果表明,在减少施肥量的情况下,施用功能型控释肥料能明显促进油菜的生长,且以促生型控释肥料的效果较优。

与常规肥料相比,功能型控释肥料能促进油菜的生长,并且油菜的长势和生物量明显提高。因此,功能型控释肥料对于作物的增产具有明显的作用,通过对肥料与作物匹配性的评价,并将两者结合起来,可以为制造适合作物生长发育的专用功能型控释肥料提供科学依据。