水田长效肥的研制及浸水稳定性评价

唐玉莹，陈凌霞，张燕燕，曹立栋，张昌爱，汪林峰

（1. 浙江科技学院 环境与资源学院，浙江 杭州 310023；2. 泰安市城市排水管理处，山东 泰安 271000；3. 泰安市园林绿化处，山东 泰安 271000）

0 引言

我国是全世界水稻生产和消费大国，水稻种植面积占全球水稻总种植面积的20%以上。水稻施肥时，肥料一般施入水田中，因为水田是一个开放的系统，流出水会将施入的大量养分带走进入江河湖泊，从而引起水体富营养化，影响水体水质，这已经成为我国南方地区面临的重要面源污染［1］。

优化水田施肥技术及提高养分利用率是减缓河流湖泊富营养化的关键所在，在“碳达峰、碳中和”［2］和“粮食安全”双重背景下，提高水田肥料养分利用率将是重要研究课题，具有显著浸水稳定性的水田长效肥的研发和应用具有重大的社会意义。

为改善水田施肥现状，浙江科技学院张昌爱教授团队采用固化成型技术开发出了系列水田长效肥［3］，该水田长效肥的技术核心是采用固化技术在肥料颗粒表层形成固化层，固化层中会掺杂生物基材料（如秸秆、沼渣、淀粉等易分解物质），待其施用到水田后，借助土壤微生物的活动将肥料颗粒的固化层破坏，从而缓慢释放出养分。该肥料剂型不仅能够全面满足水田作物的养分需求，而且具有可在现有复混肥生产工艺中适用、生产简单易行、价格低廉的特点，生产出的肥料具有显著的浸水稳定性，并可根据不同水田作物需求，调整养分配比（相关技术已申报专利［3］）。

笔者通过固化剂配方筛选、固化剂用量确定、固化剂与黏合剂比例优选实验得到了肥料生产推荐参数，并对生产出的肥料进行浸水稳定性评价，为此类肥料的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

主要原料为尿素、氯化钾和重过磷酸钙，均为市售产品。

以淀粉（C12H22O11）和氨化褐煤为黏结和分散剂，以聚丙烯酰胺（PAM）为黏合剂，以硅酸盐水泥、石膏粉的混合物为固化剂，以钙粉为添加剂。

1.2 实验方法

1.2.1 固化剂配方筛选实验

设置硅酸盐水泥与石膏粉不同比例的实验处理4个（m（硅酸盐水泥）/m（石膏粉）分别为5、4、3、2），固化剂用量占总混合料质量的8%，采用实验室内的圆盘造粒工艺制成肥料颗粒，经养护后测定肥料颗粒的强度，以强度大小作为固化效果评价的依据。强度采用南京科环分析仪器有限公司生产的KQ-2型化肥颗粒强度测定仪测定。

1.2.2 固化剂用量确定实验

设置不同固化剂用量的处理5个，添加质量占总混合料质量的比例分别为1%、2%、4%、8%、12%，肥料的制备、养护和强度分析同1.2.1节。

1.2.3 固化剂与黏合剂比例优选实验

设置实验处理4个，固化剂、黏合剂质量比例分别为100∶1、100∶2、100∶3、100∶8，肥料的制备、养护及强度分析同1.2.1节。

1.2.4 肥料颗粒浸水稳定性感官评价方法

选取市场销售的复混肥料2 种（T1 和T2），以及优化配方制备的水田长效复混肥3种（T3，添加m（硅酸盐水泥）/m（石膏粉）=4 的固化剂4%，黏合剂用量为4%；T4，添加m（硅酸盐水泥）/m（石膏粉）=4的固化剂8%，黏合剂用量为4%；T5，添加m（硅酸盐水泥）/m（石膏粉）=4的固化剂12%，黏合剂用量为4%），各称取肥料样品50 g放置在尼龙网袋中，并将其浸泡在固定体积的水中，通过观察网袋中肥料颗粒情况来评价肥料的浸水稳定性。以“颗粒膨胀”、“粉末分散”和“形状变化”3 个感官指标为依据，建立的评价打分依据见表1。肥料连续浸泡30 d，在1、2、4、8、12、16、20、25、30 d时记录得分，最后计算各处理总得分，得分越高表明肥料的浸水稳定性越好。

表1 感官评价打分

1.2.5 肥料浸水养分释放效果实验

将制得的肥料样品（添加m（硅酸盐水泥）/m（石膏粉）=4的固化剂8%，黏合剂用量为4%）置于尼龙网袋中，并将其浸泡在固定体积的水中，于不同的时间点取样，分析释放的氮、磷、钾量，计算养分释放率，直至养分释放率达80%以上（视为释放完全）。

1.3 测定方法

利用能量色散X荧光分析（EDXRF）法测定磷元素含量［4］，使用美国赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）的元素分析仪（Flash EA）测定氮元素、钾元素含量［5］。

1.4 数据处理与分析

采用origin 软件进行数据处理与分析，采用excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 固化剂配方筛选

固化剂配方筛选实验结果如图1 所示。由图1可知，随着硅酸盐水泥所占比例增加，固化效果显著加强，但m（硅酸盐水泥）/m（石膏粉）＞4 时，硅酸盐水泥占比增加，则固化效果略有降低，因此认为m（硅酸盐水泥）/m（石膏粉）=4 可作为固化剂配方中硅酸盐水泥和石膏粉的优化比例。

图1 固化剂配方对肥料颗粒强度的影响

2.2 固化剂用量确定

通过不同用量梯度的实验发现，随着固化剂用量增加，所制备肥料的强度增加，当固化剂添加比例达到8%时，随着固化剂用量增加，产品强度增加趋势减缓（见图2），因此将其优选的比例定为8%较为合适。

图2 固化剂用量对肥料颗粒强度的影响

2.3 固化剂与黏合剂比例优选

黏合剂作为纤维状物质固化的辅助手段，有时会弱化固化效果，优选的固化剂与黏合剂比例也是重要生产参数。实验发现肥料颗粒强度随m（固化剂）/m（黏合剂）的增大先增大后减小（见图3），对数据进行拟合后得到二次方程y=-2.191 7x2+9.001 7x+85.975，相关系数R2=0.992 8，当m（固化剂）∶m（黏合剂）=90∶1.5时，肥料颗粒强度最大，固化效果最好。

图3 m（固化剂）∶m（黏合剂）对肥料颗粒强度的影响

2.4 肥料浸水稳定性的感官评价

肥料浸水稳定性实验感官评价结果如表2 所示。由表2 可知，当固化剂添加量为8%和12%时，肥料浸水稳定性感官评价总得分最高，均为81 分，表明其肥料浸水稳定性最好，这与固化剂用量确定实验结果一致。

表2 5种肥料的浸水稳定性实验感官评价结果

2.5 浸水养分释放效果

水田长效肥浸水养分释放规律见图4。

图4 水田长效肥浸水养分释放规律

由图4可知，采用固化技术制备的水田长效肥具有显著的浸水稳定性，主要表现为：肥料浸水30 d内，各养分的释放率均不到50%，氮释放率达到80%需要100 多天，与现有化肥乃至控释肥相比，肥料的浸水稳定性都有所增强。

3 结论

通过实验发现采用硅酸盐水泥和石膏粉组成固化剂有较好的固化效果，认为硅酸盐水泥与石膏粉质量比为4可作为固化剂的优化比例，且固化剂添加比例达到8%，并满足m（固化剂）∶m（黏合剂）=90∶1.5时其固化效果最好，所制得肥料稳定性最好，成肥效果最优。该肥料剂型不仅能够全面满足水田作物的养分需求，也具有在现有复混肥生产工艺中适用、生产简单易行、价格低廉的特点，并且生产出的肥料具有显著的浸水稳定性，也能根据不同水田作物需求，调整养分配比。

对于生产出的肥料如何评价其浸水稳定性，有很多缓控释肥料的测试技术可以借鉴，也可以将其浸水稳定性和现有缓控释肥料做直接的对比分析。但在配方筛选时，肥料的浸水稳定性评估若采用长时间的浸泡实验，会延长评价周期，难以快速选择和制定配方，因此可建立产品浸水稳定性的感官评价方法。