不同固化剂组配对固化成型肥料浸水稳定性的影响

曹立栋，王豪，周健驹，翁佳丽，张昌爱，靳鹏杰，高山

（1.浙江科技学院环境与资源学院/浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室，浙江 杭州 310023；2.诸暨市农业技术推广中心，浙江 诸暨 311800）

现阶段，我国水稻种植面积占全球水稻总播种面积的20%以上，每年产量达到1.85亿吨，占全球总量的1/3，是世界水稻生产和消费大国，保障水稻的高产稳产一直是我国农业生产面临的重要问题之一［1-3］。然而，我国水稻种植中，品种得到较快发展的前提下，施肥却始终存在养分配比不合理、肥料速溶于水难以提高利用率［4，5］、水田养分流失严重容易带来面源污染等较多问题［6-8］。

针对肥料易溶于水的问题，新型肥料的研制越来越受到重视，以硝化抑制剂添加为技术核心的“稳定性肥料”及以包膜为技术核心的缓/控释肥料得到了快速发展，并且也得到了产业化发展［9-11］。尽管如此，这些肥料往往比较适合在旱田施用，而在水田中容易出现肥料释放较快、肥料颗粒释放后会在水中出现漂浮或流动聚集现象，致使养分分布在水田出现梯度变异等诸多问题［12］。

为改善水稻的施肥现状，浙江科技学院张昌爱教授团队采用固化成型工艺开发出利用沼渣制备水田稳定态肥料技术［13］，其技术核心是将优选的固化剂配方掺入沼渣与化肥的混合料中，挤压成型并经养护后制备而成。该肥料整体得到固化而形成较为稳定的固体状态，施入水田后，在微生物、水浸泡及植物根系的综合扰动下会使肥料的外层被逐步破坏从而缓慢释放出养分。为研究固化剂不同组配对固化成型肥料浸水稳定性的影响，本试验设置不施加固化剂（CK1）、施加优选固化剂组配（CK2）及施加固化剂不同组配的4个处理，测定其肥料成型后的抗压强度、肥料浸水后的质量损失率、肥料浸水后的氮磷钾养分释放规律及肥料溶液的EC值和pH值等指标，以期为固化成型肥料的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试牛粪沼渣，由浙江一景牧业有限公司提供，为牛粪厌氧发酵后经300℃烘干的产物，其有机质含量为75.62%，TN、P2O5和K2O含量分别为2.07%、1.641%和2.48%。固化剂分别为硅酸盐水泥（强度等级为62.5）、聚丙烯酰胺PAM、硅藻土及凹凸棒土，均为市售产品。所用肥料为史丹利复合肥（养分总含量45%，N-P2O5-K2O=15∶15∶15）。

1.2 试验设计与肥料制备

试验于2020年9月进行。设置不施加固化剂（CK1）、施加优选固化剂组配（CK2）及施加不同固化剂组配的4个处理（分别为T1、T2、T3、T4）。详见表1。

表1 试验处理方案

肥料制备过程：沼渣、复合肥与固化剂粉碎后的粉末经振动筛过滤，所得混合物转移入雾化增湿器中进行雾化增湿处理，制得含水率18%～20%的混合料。将混合料挤压成型，制成直径5～7 mm、高5～6 mm的柱状颗粒。将柱状颗粒转入密闭养护房在温度20～40℃、相对湿度65%～75%条件下养护2天。

1.3 测定项目及方法

肥料浸水稳定性测定：分别称取各处理肥料样品2.23 g，置于50 mL离心管中，加入30 mL去离子水，在恒温50℃条件下培养，分别于浸水5、10、15、20、25、30、40、50、60 d时取剩余固体肥料并烘干称重；剩余液体离心取上清液，测定pH值、EC值及氮、磷、钾含量。

肥料抗压强度采用TA-XT plus质构仪测定。肥料浸水后全氮采用SEAL AA3流动分析仪测定，pH值及EC值采用Senven Excellence多功能参数测试仪测定，全磷采用GB/T 11893—1989钼酸铵分光光度法测定，全钾采用火焰原子吸收分光光度法测定。

1.4 数据处理

数据处理及绘图均采用Microsoft Office及Origin pro 2021软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同固化剂组配对肥料抗压性能的影响

在生产实践中，肥料抗压能力越强，表明在其运输搬运过程中越能减少不必要的损失［14］，并且在固化成型肥料生产中，肥料颗粒的硬度也直接表征肥料固化成型的效果。不同固化剂组配下，肥料颗粒的硬度可用抗压性能来表示，抗压性能测定结果如图1所示。

图1 不同固化剂组配对肥料抗压性能的影响

各处理肥料颗粒抗压性能的高低顺序为CK1＞CK2＞T4＞T3＞T1＞T2，未添加固化剂肥料（CK1）的抗压强度高于添加固化剂的。这是因为肥料成粒方式为挤压造粒，以沼渣为主料的造粒过程中纤维间相互挤压力和粘结力较强，能挤压成内部较为紧密的颗粒，而固化剂作为粉剂加入，使得肥料造粒过程中内部亲和力降低，成型的肥料所表现的抗压强度不及未添加固化剂的肥料。

不同固化剂组配下的肥料抗压强度不同，与CK2相比，T1、T2、T3和T4分别降低24.08%、32.29%、19.00%和2.59%。各固化剂种类对肥料抗压强度影响的大小顺序为硅酸盐水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。可见优选的固化剂组配生产出的肥料具有更好的颗粒硬度，而这种硬度不仅仅依靠材料的结合程度，也反映了固化成型的效果。

2.2 不同固化剂组配对肥料浸水质量损失的影响

肥料浸水后质量的变化能直观反映肥料在浸水条件下是否容易分散。由图2看出，各肥料浸水释放60 d时，肥料浸水质量损失率大小依次为CK1＞T2＞T1＞T3＞T4＞CK2。抗压强度最高的CK1，其浸水质量损失率最大，这表明在没有固化剂加入时，肥料内部颗粒难以紧密结合，易在水中分散溶解。

图2 不同固化剂组配对肥料浸水质量损失的影响

与CK2相比，CK1浸水60 d质量损失率增加32.2个百分点，这表明固化剂是提高肥料在浸水条件下稳定性的关键因素。与CK2相比，T1、T2、T3和T4质量损失率分别提高18.38、22.33、7.22和3.05个百分点。各固化剂种类对肥料浸水质量损失影响大小依次为硅酸盐水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。

2.3 不同固化剂组配对肥料浸水养分累积释放的影响

2.3.1 对氮素释放的影响 由图3看出，各处理浸水后氮素的释放分为快速上升和缓慢上升两个阶段。肥料浸水初期，即前10 d内，氮素释放较快，随着浸水时间延长氮素浓度增加，对其释放产生抑制作用，释放减慢。

图3 不同固化剂组配对肥料浸水氮素释放的影响

CK2浸水60 d时全氮累积释放量不超过32 mg/L，与其相比CK1增加93.04%。这表明加入固化剂可以显著提升肥料浸水稳定性。肥料浸水60 d时氮素累积释放量依次为T2＞T1＞T3＞T4，与CK2相比，释放量分别提高65.15%、47.79%、32.01%、15.28%。不同固化剂对肥料氮素释放的影响顺序依次为硅酸盐水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。

2.3.2 对磷素释放的影响 由图4看出，CK2浸水10 d全磷释放量为18.65 mg/L，在10～50 d内又累积释放12.38 mg/L，与氮素释放规律一致，即在前10 d内肥料浸水磷素释放较快，随着浸水时间延长，释放减慢。

图4 不同固化剂组配对肥料浸水磷素释放的影响

添加固化剂的肥料浸水60 d时全磷累积释放量均不超过50 mg/L，而未添加固化剂肥料的CK1达57.67 mg/L。与CK2相比，T1、T2、T3和T4浸水60 d时磷素释放量分别提高45.61%、59.52%、28.15%、13.91%。表明肥料中加入固化剂有效提高其浸水稳定性，其中硅酸盐水泥影响最显著，其后依次为PAM、凹凸棒土和硅藻土。

2.3.3 对钾素释放的影响 由图5看出，各处理肥料浸水后钾素累积释放趋势与氮素几乎一致，CK1浸水60 d时钾素累积释放量为61.67 mg/L，与CK2相比增加100.07%。各处理肥料浸水60 d时钾素累积释放量顺序为T2＞T1＞T3＞T4，与CK2相比，释放量分别提高70.6%、52.7%、32.50%、22.00%。表明硅酸盐水泥对钾素累积释放量影响最明显，其后依次是PAM、凹凸棒土和硅藻土。

图5 不同固化剂组配对肥料浸水钾素释放的影响

2.4 不同固化剂组配对肥料浸水pH值的影响

硅酸盐水泥偏碱性，肥料添加后pH值普遍相对偏高，故需要探究其溶于水后的pH值变化情况，这对肥料的应用有实际意义。由图6看出，添加硅酸盐水泥的肥料组pH值明显高于未添加的，说明加入硅酸盐水泥，肥料浸水pH值会明显提升。

图6 不同固化剂组配肥料浸水pH值

2.5 不同固化剂组配对肥料浸水电导率（EC值）的影响

稳定性肥料浸水后，浸出液EC值变化可以反映其在水中的溶出情况，可利用测电导率的方法对大规模肥料的生产进行快速在线监测［15］。在肥料与水之比为2.23∶50条件下，稀释25倍浸出液后各肥料处理EC值如图7所示。浸水60 d时，浸出液EC值最高为CK1，达1560 mS/cm，较CK2高806.4 mS/cm，T1、T2、T3和T4的EC值变化与其肥料养分释放变化规律一致。表明可以利用肥料浸出液EC值的大小来评判肥料的浸水稳定性。

图7 不同固化剂组配肥料浸水EC值变化

3 结论

本试验结果表明，各处理肥料颗粒的抗压强度大小顺序为CK1＞CK2＞T4＞T3＞T1＞T2，添加固化剂增强了沼渣和复合肥的固化效果，降低了肥料硬度，而在浸水条件下不容易分散。与CK2相比，单一固化剂组分扣除后肥料硬度均有所降低，表明优选的固化剂组配具有优异性能。

从肥料浸水质量损失和养分释放情况来看，添加固化剂，能提高肥料的浸水稳定性。不同固化剂组配的固化效果排序为硅酸盐水泥＞PAM＞凹凸棒土＞硅藻土。

添加硅酸盐水泥的肥料提高了浸出液pH值，在肥料与水之比为2.23∶50条件下，pH值明显高于未添加硅酸盐水泥的肥料。

T1、T2、T3和T4肥料的EC值变化与其肥料养分释放变化规律一致，可以在以后工作中开展利用肥料浸出液EC值的大小来评判肥料浸水稳定性的相关研究。