炭基复混肥氮钾缓释特性研究

杨凯 王家宝 王莉 林清火 华元刚 罗微 茶正早

摘 要 为探究生物质炭及其用量对肥料养分的缓释效果，利用实验室圆盘造粒机制备了生物质炭用量为10%、20%、30%的炭基复混肥，采用土柱模拟淋溶法研究了炭基复混肥在土壤中氮、钾淋出率。结果表明：添加生物质炭能够减少肥料氮、钾淋出量，且随着生物质炭用量的增加炭基复混肥氮、钾素累积淋出率逐渐减小。当第10次淋溶时，生物质炭用量为10%、20%、30%炭基复混肥的氮素累积淋出率分别较不添加处理减少了6.03%、12.49%、33.72%，钾素累积淋出率较不添加处理分别减少了5.15%、5.29%、13.58%，且添加30%生物质炭处理显著大于其他处理。用一级动力学方程、Elovich方程和抛物线方程对各处理养分释放曲线拟合，结果显示一级动力学方程拟合效果最好，可用于表征氮、钾素累积淋出率与时间的关系。

关键词 生物质炭；炭基复混肥；氮钾淋出率；缓释效果

中图分类号 S14 文献标识码 A

Abstract In order to explore the slow-release effect of a biochar fertilizer， biochar compound fertilizers granulated with 10%， 20%， 30% biochar were prepared， and the nitrogen and potassium leaching property was studied using soil column method. The results showed that adding biomass carbon could reduce the amount of nitrogen and potassium leaching， and the rate of nitrogen and potassium accumulation decreased with the increase of biomass carbon content. The nitrogen leaching rate of the biochar compound fertilizer with 10%， 20%， 30% biochar was 6.03%， 12.49%， 33.72% less than that of the control， and the potassium accumulation leaching rate was 5.15%， 5.29% and 13.58% less than that of the control. The treatment with 30% of biochar was the best. With the first-order kinetic equation， Elovich equation and parabolic equation on the nutrient release curve fitting， the results showed the best fitting kinetic equation could be used to characterize the effect of nitrogen and potassium accumulation leaching rate and the relationship between the time.

Key words slow release fertilizer rods； nitrogen and potassium leaching rate； slow-release effect

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.04.004

生物质炭具有孔隙多、比表面积巨大、微粒表面带有电荷等性质，使其具有吸附固持肥料养分的特性，大多由农田废弃物等廉价原料加工而来。因此，将其作为肥料的缓释载体，不仅可以有效提高速效肥料养分的利用率，相对传统缓/控释肥料还可以降低原料成本及环境成本。为此，科研人员开展了生物质炭包膜肥[1-3]和木炭吸附肥[4-6]等新型缓/控释肥料研究，并取得了一定效果，但主要采用包膜和吸附工艺，工艺较为复杂。本文以生物质炭为缓释材料，与普通肥料、填充料混匀，利用圆盘肥料造粒机造粒制备炭基复混肥，研究了炭基复混肥在海南砖红壤中的养分淋出特性，以期明确生物质炭及其用量对肥料养分的缓释效果。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 炭基复混肥制备 炭基复混肥养分配比为16-6-8 （N-P2O5-K2O），将生物质炭、尿素、磷酸一铵、氯化钾分别粉碎、过60目筛，并按试验设计用量混匀，加入圆盘造粒机中，均匀喷入粘结剂溶液，待颗粒直径达到3～5 mm且较均匀后取出、干燥。炭基复混肥制备过程中生物质炭用量为10%、20%、30%，分别表示为M1、M2、M3，并以等养分含量的普通肥料M0为对照。

1.1.2 供试土壤 供试砖红壤采自中国热带农业科學院试验场五队试验基地表层0～20 cm土壤，自然风干后备用。成土母质为片麻岩，土壤全氮、速效钾、速效磷、有机质含量分别为0.48 g/kg、40.60 mg/kg、4.20mg/kg、11.07 g/kg，土壤pH为4.80。

1.2 方法

1.2.1 炭基复混肥缓释效果评价 采用土柱淋溶法，淋溶装置为高50 cm、内径5 cm的PVC管，底部用200目纱网封口。先加入过3 mm筛洗净石英砂100 g（高约4 cm），然后装入过1 mm筛的供试风干土400 g（高约20 cm），压实，再分别加入生物质炭含量分别为0%、10%、20%、30%的炭基复混肥5.2 g（0.8 g N，0.4 g K2O），与400 g过1 mm筛的风干土的土肥混合物（高约20 cm），最后覆以100 g石英砂，以排除淋溶时对土层的扰动。试验时，土柱先加水至接近饱和，静置24 h，然后加去离子水100 mL进行淋溶，用锥形瓶收集淋溶液，待不再有水滴出为止，对淋溶液进行摇匀取样，用连续流动分析仪（德国Bran+Luebbe公司AA3）测定液样中氮含量，用火焰光度计测定钾含量。以刺有小孔的塑料薄膜封闭PVC管上口，室温培养2 d后，继续添加100 mL去离子水进行第二次淋溶，同时收集淋出液，并取样液分析。以后各次按同样方法进行操作，共淋溶10次。以不加肥料的土柱作为空白对照，每个处理重复5次。

1.2.2 炭基复混肥养分累积淋出率曲线方程拟合 本研究利用一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程对炭基复混肥养分累积淋出率曲线进行拟合。一级动力学方程（1）、Elovich方程（2）、抛物线方程（3）如下：

N = No×[1 -exp（-k×t）] （1）

N = a+b×lnt （2）

N = a+b×t0.5 （3）

式中：N ——t时间段内养分累积淋出率（%）；

No ——最大养分累积淋出率（%）；

a，b——方程常数；

k ——速率常数（d-1）；

t ——淋溶时间（d）。

拟合方程用SPSS 22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。

1.3 数据分析处理

数据采用Microsoft office EXCEL 2016软件对原始数据进行整理计算、绘制图表，采用SPSS 22.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 炭基复混肥氮素累积淋出率曲线

由图1可知，对照处理M0与炭基复混肥M1、M2、M3的氮素累积淋出率曲线均为抛物线型。炭基复混肥的氮素释放过程可以分为3个阶段：（1）快速释放阶段，在前3次淋溶内养分释放相对较快；（2）中速释放阶段，为第4～6次淋溶，养分释放有所减缓；（3）平稳释放阶段，从第7次至淋溶结束，养分平稳释放。从第1次淋溶开始各处理的氮素累积淋出率逐渐增大，且M3处理明显低于其他处理。在第4次淋溶时，M0的累积淋出率已达到了80.27%，而M1、M2、M3的累积淋出率分别为72.59%、66.63%、45.43%，较M0分别减少7.68%、13.56%、34.84%，此时M3的氮素淋出量为M0的56.59%，且M0、M1、M2、M3第4次淋溶的累积淋出率较首次淋出率的增幅分别为32.20%、29.27%、33.85%、25.89%，各处理的氮素淋出率开始缓慢下降。当淋溶第6次时，M0的累积淋出率达到83.61%，M1、M2、M3的累积淋出率分别为75.54%、69.38%、48.14%，较M0分别减少6.71%、12.87%、34.11%，各处理在第6次淋溶后累积淋出率趋于平稳。整个淋溶期内，M1、M2、M3的氮素累积淋出率均小于对照处理M0。可见，添加生物质炭可减缓肥料氮素淋出，且随着生物质炭用量的增加氮素淋出抑制效果逐渐增强，当用量达到30%时，炭基复混肥氮素缓释效果最佳。

2.2 炭基复混肥氮素首次淋出率和累积淋出率差异分析

由图2-A可知，M1、M2、M3的首次淋出率差异显著，M3处理的首次溶出率最低，分别比M1、M2处理减少了23.78%和13.23%，但M1与对照M0差异不显著（p>0.05）。炭基复混肥M1、M2、M3的氮素首次淋出量分别占施用氮素总量的43.32%、32.77%和19.54%，较对照M0分别减少了4.75%、15.30%、28.53%。图2-B显示，炭基复混肥M1、M2、M3的处理氮素累积淋出量分别占施用氮素总量的78.20%、71.74%和50.51%，较未加生物质炭处理M0减少了6.03%、12.49%、33.72%。与M1、M2处理相比，M3处理的氮素累积淋出率最小，分别比M1、M2处理减少了27.69%和21.23%，差异显著（p<0.05），而M1与M0、M2之间差异不显著（p>0.05）。表明添加生物质炭能够减少肥料氮素首次淋出量和累积淋出量，减少肥料氮素淋失，其中生物质炭用量为30%时，效果更为明显。

2.3 炭基复混肥钾素累积淋出率曲线

由图3可知，对照处理M0与炭基复混肥M1、M2、M3的钾素累积淋出率曲线均为抛物线型，各处理钾素淋出量前3次淋出率均呈现快速增长的趋势，且M1、M2、M3处理的钾素淋出率均大于不添加生物质炭处理。当第4次淋溶时，炭基复混肥M1、M2、M3处理钾素淋出量分别占施用钾素总量的40.17%、37.61%、30.31%，较未加生物质炭处理的M0分别减少了7.98%、10.52%、17.82%，M3淋出速率是M0的62.96%，且M0、M1、M2、M3第4次淋溶的钾素淋出率较首次淋出率增幅分别为34.02%、30.98%、30.36%、25.04%，其增幅随着生物质炭增加量的增加逐渐减小。从第5次淋溶后，炭基复混肥M1、M2的钾素累积淋出率曲线近似重合，钾素累积淋出率小于不添加生物质炭处理M0，但大于炭基复混肥M3处理。

2.4 炭基复混肥钾素首次淋出率和累积淋出率差异分析

从图4-A可看出，添加生物质炭各处理的钾素首次淋出率均显著小于对照M0，炭基复混肥M1、M2、M3处理的钾素首次淋出量分别占施用钾素总量的9.19%、7.26%、5.27%，较对照M0分别减少了4.92%、6.85%、8.84%，但M2与M1、M3处理间差异不显著（p>0.05）。与M1、M2处理相比，M3处理的首次淋出率最小，分别较M1、M2处理减少了3.92%和1.98%。10次淋溶结束后，炭基复混肥M1、M2、M3处理的钾素累积淋出率显著小于對照M0（图4-B），但炭基复混肥M1、M2处理间差异不显著。炭基复混肥M1、M2、M3处理的钾素累积淋出量分别占施用钾素总量的51.48%、51.34%、43.05%，较对照M0减少了5.15%、5.29%、13.58%，M3显著低于其他处理。可见，炭基复混肥可显著减少钾素淋出量，减少钾素淋失，对钾具有一定缓释作用，且当生物质炭用量达到30%时，钾素缓释效果显著提升。

2.5 炭基复混肥养分累积释放曲线方程拟合

对炭基复混肥氮钾累积淋出率曲线用一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程进行拟合（表1），3个方程拟合结果显示，一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程拟合的相关系数r均达到极显著水平，3个方程对于炭基复混肥氮钾累积淋出率曲线均具有较好的拟合度。对于炭基复混肥氮素累积淋出率曲线的拟合，一级动力学方程相关系数r最高（r=0.959**～0.991**），同时残差标准误最小（SE=0.71%～3.71%），拟合效果最佳；对于炭基复混肥钾素累积淋出率曲线的拟合，一级动力学方程相关系数r为0.993**～0.997**，SE为0.29%～0.70%，拟合效果最佳。而一级动力学方程中的参数k反应了养分释放速率，k值越大释放速率越快。由表1可知，M0、M1、M2、M3氮素、钾素的k值均逐渐减小，表明随着生物质炭用量增加，炭基复混肥的氮素、钾素淋出速率逐渐减小，缓释作用增强。

3 讨论

我国热区气候特点为降雨量大，且水、温同步，这使得砖红壤阳离子交换量（CEC）和盐基饱和度低，铝饱和度高，土壤养分容易淋溶损失。加上肥料施用量较大，砖红壤地区肥料养分淋失问题极为突出，成为限制砖红壤地区肥料利用率提高的主要因素[7]。生物质炭是生物质热裂解的固体产物，具有许多特异的性质，如多孔芳香结构，表面带有多种官能团，具有吸附离子和分子的能力，一般含有一定量灰分，大多呈碱性[8]。钟婷[9]将水稻秸秆炭化配肥还田，结果表明，向稻田中加入生物质炭，能够较好避免秸秆降解对稻田土壤的氨挥发作用。王小鹏[10]在茶园土壤中施入生物质炭发现，生物质炭可以显著抑制氨态氮的径流，从而降低氨态氮的淋溶速率。刘会[11]等在不同基质对果园土壤影响的实验中发现，生物质炭可以显著降低土壤容重，优化根系生长环境，增加有益微生物數量。其他研究也表明，生物质炭可以提高土壤的pH值，大幅度提升土壤有机碳含量，提高土壤阳离子交换量，增强土壤保水保肥能力，改善作物矿质营养，提高作物产量[12-13]。

本研究将生物质炭作为肥料养分缓释材料，通过造粒工艺，制备了不同生物质炭用量的炭基复混肥。研究结果表明，炭基复混肥可显著减少氮素、钾素淋出量，减少氮素、钾素淋失，对氮素、钾素具有一定缓释效果。而且随着生物质炭用量的增加，肥料氮素、钾素缓释效果逐渐加增强，当生物质炭用量达到30%时，钾素缓释效果显著提升。与未加生物质炭处理相比，添加10%、20%、30%生物质炭的炭基复混肥氮素首次淋出量分别减少了4.75%、15.30%、28.53%，氮素累积淋出量分别减少了6.03%、12.49%、33.72%，钾素首次淋出量分别减少了9.19%、7.26%、5.27%，钾素累积淋出量分别减少了5.15%、5.29%、13.58%。这与DeLuca[14]等研究结果一致，其原因在于炭基复混肥中生物质炭均匀的分布在肥料颗粒中，而生物质炭带有大量的正负电荷，可以吸附 NH4+、NO3-、K+，从而减弱养分运移，减少氮钾的淋失。另外，本研究还利用一级动力学方程、Elovich方程、抛物线方程对炭基复混肥的氮钾累积淋出率曲线进行拟合，其中一级动力学方程拟合效果最佳，其表征氮、钾养分释放率的参数k值均表现为：M0>M1>M2>M3，表明炭基复混肥的氮、钾释放速度均要小于普通肥料，且其缓释效果随着生物质炭的增加而增加。

本试验虽然研究了炭基复混肥的缓释特性，但炭基复混肥对土壤、农作物生长的影响没有进一步的进行研究，是否符合农作物的生长规律、在实际生产中的肥效如何还需要研究和论证。

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