柠檬酸改性磷肥的结构分析及其对水溶性磷固定率的影响

张英强，张水勤，袁 亮，李燕婷，林治安，王立艳，赵秉强*

[1 中国矿业大学 (北京) 化学与环境工程学院，北京 100083；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081]

磷是限制作物生长的第二大必需营养元素，其施于石灰性土壤后，易与土壤中的Ca2+发生反应，形成羟基磷灰石或氟磷灰石[1-2]，固定于土壤中，从而降低磷肥的有效性。据报道，磷肥当季利用率一般仅有10%～25 %[3]，多数肥料磷则以无效态固定于土壤中，造成了磷资源的浪费，甚至会带来环境污染的风险[4]。

为缓解环境压力，保护磷矿资源，同时提高磷肥的有效性，新型磷肥受到了越来越多的关注[4]，其中磷肥改性增效是我国新型磷肥研究的重要方向，也是推动我国肥料产业实现质量替代数量发展战略的重要保障[5]。目前作为磷肥增效剂的主要有腐殖酸和海藻酸等天然有机酸材料。李志坚等[6]研究含腐殖酸、海藻酸和聚合谷氨酸3种增效剂的增效磷肥对小麦产量和磷肥固定率的影响，结果表明，低磷水平下，磷肥的表观利用率平均提高了8.71～26.21个百分点，增效磷肥处理小麦籽粒产量和吸磷量比普通磷酸一铵分别提高 9.74%～33.54%和14.81%～42.59%。以上作用的发挥与增效剂和磷肥的反应有关。李丽等[7-8]研究认为腐殖酸与磷肥通过某些物理–化学作用形成了不易被固定的新的磷形态，从而减少磷的固定。成绍鑫[9]认为腐殖酸可通过与磷肥发生化学反应生成有机磷，进而减缓金属离子对磷的固定。王玲玲[10]也认为腐殖酸中所含的羟基能够与磷酸一铵通过阳离子的桥接作用发生复合反应，生成水溶性的腐殖酸磷和腐铵磷，从而提高了磷肥的有效性。在农业应用中，王斌等[11]研究典型灰漠土棉田上施用腐殖酸对土壤无机磷形态及土壤有效磷的影响，结果表明，在一定水平上，腐殖酸能够明显的激活土壤固定态磷，减少磷的固定率。穆环珍等[12]发现木质素增效磷肥能够有效降低土壤溶液中Ca2+、Al3+和Fe3+的活性，减少这些离子与磷酸根结合生成难溶磷酸铁、磷酸铝和高钙磷酸盐，从而减少磷的固定，提高磷肥有效性。黄雷等[13]利用FTIR和XRD对木质素磺酸钠磷矿粉进行表征，结果表明，木质素磺酸钠促使磷矿粉中难溶的Ca-P键转化为活性高的H2PO42–，能有效改变磷矿粉本身的化学成键结构，降低磷灰石结晶程度，提高磷肥有效性。刘瑾等[14]利用液相31P-NMR、磷的K-边X射线近边吸收光谱 (K-边XANES) 对自制淀粉基磷肥进行表征，结果表明，合成淀粉基磷肥中的磷以正磷酸单酯、正磷酸盐和正磷酸二酯等形态存在，其中，以正磷酸单酯为主，占到总磷的75.8%。

以柠檬酸为代表的低分子量有机酸结构简单，具有与腐殖酸和海藻酸等有机酸相一致的主要官能团 (羟基/羧基)，有明确的结构式和分子量，其与磷肥反应后的产物结构较易分析，有利于研究有机酸官能团与磷肥的结合作用以及影响磷素固定的具体结构。因此，本研究以柠檬酸 (羟基/羧基)为研究对象，将柠檬酸与磷肥反应结合制备柠檬酸改性磷肥，明确其反应位点及产物，研究其磷固定规律及其与磷肥的反应特征，从结构方面研究柠檬酸改性磷肥减少磷固定的机制，旨在为高效磷肥研制提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

Nicolet IS10 红外光谱仪 (FTIR，美国 Nicolet公司)，Agilent 1100 高效液相色谱仪-Thermo Scientific TSQ Quantum Ultra 质谱联用 (LC-MS，美国Agilent公司和Thermo Scientific 公司)，JNMECZ600R型核磁共振波谱仪 (日本JEOL公司)。

柠檬酸 (citric acid，代号 CA，分析纯，含量 ≥99.5%，国药集团化学试剂有限公司)，磷酸 (分析纯，含量 ≥ 85.0%，烟台远东精细化工有限公司)，氢氧化钾 (分析纯，含量 ≥ 85.0%，国药集团化学试剂有限公司)，CaCl2·2H2O [分析纯，含量 (以无水盐计) ≥ 74.0%，天津市大茂化学试剂厂]。

1.2 供试磷肥的制备

将柠檬酸分别按照磷酸和氢氧化钾质量总和0、0.2%、0.5%、1.0%和10.0%的比例添加至磷酸溶液中，搅拌均匀，再将氢氧化钾加入其中进行反应 (磷酸和氢氧化钾质量比达4.67∶5.33，以模拟工业生产条件制备磷酸氢二钾[15])，快速搅拌均匀，待两者反应完全后收集所得反应产物，研磨、过筛，置于干燥器中密封保存，备用。得到的系列磷肥产品，分别标记为CAP0、CAP0.2、CAP0.5、CAP1和CAP10。其中CAP0为不添加柠檬酸的磷酸二氢钾肥，CAP0.2、CAP0.5、CAP1和CAP10为柠檬酸改性磷肥。

1.3 供试磷肥结构表征

以柠檬酸添加量为10%的柠檬酸改性磷肥(CAP10)和不添加柠檬酸的磷酸二氢钾肥 (CAP0)为材料，利用傅里叶变换红外光谱法 (FTIR)、31P固相核磁共振波谱法 (31P-NMR)和液相色谱–质谱联用(LC–MS) 表征其结构。

1.3.1 供试磷肥官能团结构测定 试验通过美国尼力高公司的IS10型红外光谱仪对材料官能团结构进行分析。测试条件：将约2 mg样品和200 mg光谱纯溴化钾混合后压片，通过傅里叶红外光谱仪记录4000～400 cm–1波数范围内样品的红外光谱特征。每个样品扫描32次，分辨率为4 cm–1。

1.3.2 供试磷肥磷形态测定31P核磁共振波谱测定采用日本株式会社的JNM-ECZ600R型核磁共振波谱仪。CAP10和CAP0测试的具体运行参数：共振频率 242.95 MHz，以标准物 (NH4)H2PO4标定化学位移，用3.20 mm探针以10 kHz的自旋速率记录光谱，驰豫延迟时间5 s，扫描次数1024次。

1.4 供试磷肥有机组分测定

试验通过安捷伦公司的1100高效液相色谱仪和赛默飞TSQ Quantum Ultra质谱联用分析样品的物质组成。测试过程中流动相为乙腈∶水=95∶5，流速0.3 mL/min；质谱的离子源为电喷雾离子源，模式为ESI positive，电离电压 8 kV，鞘气压力 45 psi，辅助气压力15 psi，毛细管温度350℃，以液相色谱进样方式进入，不流入色谱柱，进入质谱仪进行分析。

1.5 供试磷肥水溶性磷固定率测定

将一定量的CaCl2加入新型磷肥溶液中，可以模拟磷肥进入石灰性土壤后与Ca2+结合而被固定的过程，通过检测溶液中的磷含量，进而计算此过程中磷肥的水溶性磷固定率，有助于快速评价新型磷肥的生物有效性[16]。参考含腐植酸磷酸一铵、磷酸二铵(HG/T 5514–2019)和含海藻酸磷酸一铵、磷酸二铵(HG/T 5515–2019) 的水溶性磷中磷固定率的测定方法，测定供试磷肥初始P2O5含量与磷肥和CaCl2反应后剩余P2O5含量的差值占供试磷肥初始P2O5含量的百分比，具体操作为：

1) 称取 CAP0、CAP0.2、CAP0.5和CAP1 约0.5000 g，质量记为m1，加入蒸馏水 100 mL，溶于250 mL 浸提瓶中，盖紧瓶塞，在恒温下 (30±1)℃振荡 (180 r/min) 1 h，用定量滤纸过滤，弃去最初滤液。准确吸取滤液 1.00 mL于50 mL容量瓶中，通过钒钼黄比色法比色[17]，计算得到50 mL溶液中磷的浓度，根据分取倍数得到质量m1中含有的P2O5质量m2，将m2/m1数值记为P1。

2) 称取 CAP0、CAP0.2、CAP0.5和CAP1 约0.5000 g，记为m3，放入 250 mL 浸提瓶中，加入 90 mL水，用氢氧化钠溶液和硫酸调节至pH 8.00 (酸度计测量)，加入10 mL相应的氯化钙溶液[氯化钙浓度C (g/L)=400 × P1× m3，系数 400为质量比 4 (前期研究中不同磷肥水溶性磷固定率差异最大化的质量比[18]) 与氯化钙溶液体积0.01 L的数值之比]盖紧瓶塞，在恒温下 (30±1)℃ 振荡 (180 r/min) 1 h，用定量滤纸过滤，弃去最初滤液；准确吸取滤液 1.00 mL于50 mL容量瓶中，通过钒钼黄比色法比色，计算得到50 mL溶液中磷的浓度，根据分取倍数得到与CaCl2反应后质量m3中剩余的P2O5质量m4，将m4/m3数值记为P2。

3) 水溶性磷固定率计算公式：

1.6 数据处理

傅里叶变换红外光谱结果用OMNIC 9.0软件进行基线校正和数据平滑校正；采用SPSS 19.0对不同磷肥中水溶性磷固定率进行单因素方差分析(Duncan新复极差法，P＜0.05为显著)；所有数据均采用Origin 2019软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 柠檬酸改性磷肥的官能团结构分析

CAP10和CAP0的傅里叶变换红外光谱如图1所示。由图1可知，柠檬酸改性磷肥CAP10更多的保留了 CAP0的特征：在3381～3200 cm–1具有P—OH 的伸缩振动峰，1662～1586 cm–1出现了 H2PO4–的伸缩振动，1392～1273 cm–1是羧酸C—OH伸缩振动，1088～1077 cm–1为P=O 或磷酸酯 P—O—C 伸缩振动峰[19-20]，985 cm–1左右是 P—OH 伸缩振动峰，860 cm–1和535 cm–1左右分别为HPO42–变角振动和磷酸盐PO4不对称变角振动[21-23]。与CAP0相比，CAP10在1088 cm–1处出现新的振动峰，推测在CAP10中除了含有P=O外，还存在磷酸酯 (P—O—C) 结构。磷酸酯属于有机物，能够通过磷酸与羟基反应得到，通过CAP10与CAP0的傅里叶红外光谱数据，推测柠檬酸与磷肥反应的主要官能团可能为—OH，反应过程可能为羟基中H与磷酸P—OH上羟基发生脱水反应，形成磷酸酯结构 (P—O—C)。红外光谱结果对材料的官能团结构组成进行了初步揭示，认为柠檬酸加入磷酸后，参与了磷酸与氢氧化钾的反应，然而由于特征峰的重叠，无法准确判定柠檬酸与磷肥反应发生的官能团结构与位点，还需要通过利用31P-NMR和LC-MS等技术对材料进行进一步分析。

图 1 傅里叶变换红外光谱图Fig.1 FTIR spectra of samples

2.2 柠檬酸改性磷肥的磷形态分析

CAP10、CAP0、分析纯K3PO4和K2HPO4的固相31P核磁共振谱如图2所示。由图2可知，CAP10的核磁曲线在12.28、6.60和4.80 ppm处有3个明显的单峰，分别与K3PO4、K2HPO4和正磷酸单酯的峰吻合[24-26]。这表明添加柠檬酸后，磷酸与氢氧化钾反应除了生成K2HPO4和K3PO4，还生成了正磷酸单酯。通过对3种磷形态占总磷含量的比例进行积分，得出CAP10中K3PO4、K2HPO4和正磷酸单酯的含量分别占总磷含量的34.22%、49.30%和16.48%(表 1)。

图 2 固相31P核磁共振谱Fig.2 Solid-state 31P NMR spectra

表 1 添加10%柠檬酸改性后的磷肥中的磷酸盐及其相对含量Table 1 Phosphate and its relative contents in modified phosphate fertilizer

正磷酸盐结构稳定，一般不易与柠檬酸发生反应，但以上分析表明，柠檬酸与磷肥发生了反应，得到了具有正磷酸单酯结构的物质，而磷酸酯可由磷酸与羟基发生酯化反应得到[27]，这可能是因为中和法制备磷肥过程中温度骤然升高，导致磷酸与柠檬酸中的羟基发生酯化反应，磷酸分子中与磷原子相连的―OH化学键发生断裂，柠檬酸羟基中O—H化学键也发生断裂，柠檬酸羟基中的氧原子与磷酸中的磷原子发生结合，生成正磷酸单酯，磷原子周围屏蔽效应增大，化学位移向高场移动，因此4.80 ppm处出现了正磷酸单酯的位移峰。与CAP0相比，CAP10在制备过程中，一部分磷酸与柠檬酸反应生成正磷酸单酯，消耗了一部分磷酸，导致磷酸减少，KOH与磷酸反应生成K2HPO4之后，多余的KOH与K2HPO4进一步发生反应，生成了K3PO4，造成CAP10中既有K2HPO4，又有K3PO4，在12.28 ppm处出现了K3PO4的位移峰。

2.3 柠檬酸改性磷肥有机组分相对分子质量分析

图3为液相色谱–质谱联用 (LC-MS) 在正离子模式下分析的CAP10的总离子图 (A)和保留时间为0.27 min时特征峰的相应质谱图 (B)。从图3B可以发现，该处由质荷比为310.74的离子碎片组成，推测其分子式为C6H9PO10，结构式见图4，符合正磷酸单酯的结构特征[28]。以上结果与表1中CAP10以正磷酸单酯存在的结果相一致。这可能是CAP10样品在制备过程中，柠檬酸羟基中的CO―H化学键发生断裂，同时磷酸分子中的P―OH化学键也发生断裂，柠檬酸羟基中氢脱落，而磷酸分子中与磷原子相连的羟基也脱落，二者在生成磷酸酯的同时脱去一分子水，该结果与31P核磁共振发现有正磷酸单酯的结果吻合[27]。

图 3 正离子模式下添加10%柠檬酸改性磷酸钾肥的总离子色谱强度 (A)和特征峰相对丰度 (B)Fig.3 The intensity of total ion chromatogram (A) and the relative abundance of characteristic MS peaks (B) of modified phosphate with citric acid addition rate of 10% under positive mode

图 4 化合物C6H9PO10结构式Fig.4 Identified structure for molecular formula C6H9PO10

2.4 柠檬酸改性磷肥中水溶性磷固定率

磷肥施入石灰性土壤后，易与土壤中的Ca2+结合，生成沉淀[29]，降低了其生物有效性。本研究中，柠檬酸以不同比例添加到磷肥制备过程中所获得的柠檬酸改性磷肥 (CAP0.2、CAP0.5和CAP1)和不添加柠檬酸制备所获得的磷酸二氢钾肥 (CAP0) 的水溶性磷固定率结果如图5所示。

图 5 不同柠檬酸添加量下磷肥的水溶性磷固定率Fig.5 Water-soluble phosphorus fixation rate of phosphate fertilizer with different rates of citric acid addition

本试验条件下，CAP0的水溶性磷固定率为86.01%，添加不同比例柠檬酸改性的磷肥的水溶性磷固定率为55.84%～59.76%，低于CAP0改性磷肥26.25～30.17个百分点，其中CAP0.2的水溶性磷固定率为59.52%，低于CAP0 26.49个百分点。这与改性磷肥中生成了一定比例的磷酸酯有关。研究表明，少量磷酸酯的存在能够抑制磷酸盐与钙离子反应后沉淀的生成[30]。刘瑾等[14]在有机改性磷肥中也测定到了磷酸酯 (P―O―C) 的存在。随着柠檬酸添加量的增加，柠檬酸改性磷肥中水溶性磷的固定率差异性不显著，可能是因为在水溶液中，游离磷酸酯还可以被大量的磷酸与钙反应生成的磷酸钙所吸附[27]，减弱了磷酸酯抑制水溶性磷与钙离子沉淀反应的效果。柠檬酸磷酸酯与磷酸钙接触时反应体系复杂，接触反应的具体产物及其与水溶性磷固定的关系有待进一步研究。此外，柠檬酸与磷肥反应后，所得柠檬酸改性磷肥中存在少量游离的羧基 (图1)，该羧基的存在能将部分磷酸钙沉淀溶解，重新释放出磷酸根离子，从而减少水溶性磷的固定[31]。总之，不同柠檬酸添加量的柠檬酸改性磷肥之间水溶性磷固定率差异还需要更为客观的土壤试验，以期更全面、深入地探究柠檬酸改性磷肥对降低磷固定率的影响机制。

3 结论

在磷酸和氢氧化钾反应制备磷肥的过程中添加柠檬酸，其所含的羟基氧原子可与磷结合生成含有正磷酸单酯的柠檬酸改性磷肥。

添加柠檬酸改性的磷肥，磷的固定率显著下降。最佳柠檬酸添加量还需更客观的土壤试验来确定。