茶梗基缓释尿素的养分释放特征及应用效果研究

刘盈盈，王未名，苏淑颖，张亭,3，薛志慧，冉琴，冯俊乔，孙欢，黄冲，林东艺*

1.福建农林大学安溪茶学院，福建 安溪 362406；2.安溪县总工会职工服务中心，福建 安溪 362400；3.厦门茶叶进出口有限公司，福建 厦门 361000

肥料是中国农业生产的重要物资，是保证作物正常生长、提高产量的重要条件[1]。我国每年都会消耗大量肥料，但是目前肥料利用率普遍较低，大量肥料的施用并没有达到合理的利用效果[2-3]。

缓释肥料的本质是通过减缓肥料养分释放速率，延长肥料释放养分的有效周期，以满足作物长期吸收养分的需要，达到提高产量和节约成本的目的[4]。缓释肥料的出现为肥料利用率的提高提供了良好的借鉴，可以说，缓释肥料是全世界肥料领域研究的重点和前沿[5-6]。缓释肥料的缓释性能是由缓释材料决定的，所以研制新型缓释肥，需从创新缓释材料方面入手，同时对生产工艺和养分释放性能作进一步研究[7-8]。

据了解，有学者利用变质玉米研制缓释化肥得到较好效果[9-10]。从节约成本方面考虑，选择农业生产废弃物作为缓释材料最具经济意义。我国是茶叶大国，在茶叶生产中产生了大量茶梗资源，但茶梗的利用价值不高，未能带来有效的经济增长[11]。采用茶梗作为缓释肥料的原料，既是合理利用茶叶废弃物，又为缓释肥料的包膜材料寻得了新的可靠原料。

因此，本研究先期以茶梗和尿素作为主要材料，采用挤压膨化关键工艺，制备了不同比例的茶梗缓释肥料。在此基础上，通过静水培养法测定和土柱淋溶法试验分析不同配比下缓释肥料的释放特性，并利用盆栽玉米苗试验，观察不同处理下玉米的生长状况，测定其株高和茎粗并进行对比，从而考察自制茶梗缓释肥料在实际生产中的作用，综合分析茶梗作为缓释材料的优劣性[12-14]。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 供试材料

供试肥料：自制氮素缓释肥料，由铁观音茶梗（安溪绿壶春茶业公司）与尿素（河北阳煤元正化工集团有限公司）按不同比例混合（表1），经挤压膨化制作而成。

供试作物：市售玉米，选用大小相近的种子在实验室培育后，筛选发育程度相近的玉米苗进行应用试验。

供试土壤：黄壤，取自福建农林大学安溪茶学院茶树资源圃。沙子：取自福建农林大学安溪茶学院沙池。

1.1.2 仪器设备

BSA1-243 型分析天平（上海欧迈科学仪器有限公司）、0-150型游标卡尺（上海新量螺纹工具有限公司）、F20 型多功能饲料粉碎机（湖南省金峰机械科技有限公司）、CH-500型多功能混合箱（广东富捷自动化科技有限公司）、LZ65-ll型单螺杆谷物膨化机（济南朗正机械设备有限公司）、9KL-125 型饲料造粒机（郑州市威龙机械有限公司）、YK-3750型恒温恒湿培养箱（东莞市友科自动化设备有限公司）、SHB-III型循环水式多用真空泵（郑州新城科工贸有限公司）、HYP-320 型消化炉（上海纤检仪器有限公司）、KDN-103F 型自动定氮仪（上海纤检仪器有限公司）。

1.1.3 试剂

浓硫酸、氢氧化钠、硼酸、95%乙醇、甲基红、溴甲酚绿均为分析纯。

1.2 缓释肥料的制备

缓释肥料的制备采用挤压膨化技术，制备流程如图1所示。将经过除杂处理的铁观音茶梗用多功能粉碎机破碎，过3 mm筛，得到茶梗粉末；再将茶梗粉末和普通尿素按比例混合，混匀后将物料送入单螺杆膨化机，进行挤压膨化；物料在高温、高压、高剪力的条件下，被不断挤压从而达到细化、匀化的效果；物料被不断推进，直至送出膨化机，在喷出的时候，瞬间膨化，完成挤压膨化的作业效果；再将挤压膨化后的产物利用造粒机造型。

图1 挤压膨化肥料制备流程图

1.3 缓释肥料微结构测定

缓释肥料结构采用扫描电镜观察，分析自制缓释肥料表面结构特征，将自制缓释肥料样品进行表面喷金处理后，每个处理缓释肥料在500 倍、5 000 倍下依次扫描。扫描过程中要保证样品稳定，确保扫描成像清晰，扫描观察后保存图像。

1.4 缓释肥料养分释放特征

1.4.1 静水处理试验方法

称取不同处理肥料各10 g，装入350 mL 塑料瓶中，加入100 mL 蒸馏水, 置于（25.0 ± 0.5） ℃的恒温箱内。

培养开始后，在培养1、6、12、24、48、96 h时取样，取出培养液并利用真空抽滤机抽滤，把残留在滤纸上的样品用蒸馏水冲洗回塑料瓶，再重新用蒸馏水定容至100 mL。

采用“凯式定氮法”[15]测定全氮含量。每个处理重复3次。

1.4.2 土柱淋溶法

淋溶法[16]是用水淋溶装进淋溶柱的缓释肥料，测定淋洗液中养分含量的方法。该方法可以减少浓度对养分扩散的影响，考虑了不同介质因素和土壤吸收、缓冲等影响，较接近土壤真实状况。本文参照李曼[10]的试验方法，略作修改。本试验每个处理重复3次，培养时长205 h，一共取样7次。

自制淋溶柱如图2 所示：直径30 mm，高120 mm，纱布孔径1.2 mm。

图2 淋溶装置示意图

装柱：按图2所示做好淋溶柱。取洁净纱布重复折叠4 次，固定于淋溶柱的底部。将80 目过筛的粗沙装入柱内约60 mm 处，称取膨化缓释肥料5.0 g（精确到0.000 1 g）投于沙子上方，再以40目过筛的细沙覆盖于上方。为防止淋溶时的冲淋作用，最后于表层再放置大颗粒粗沙起缓冲作用。

淋溶：首次淋溶时，取30 mL蒸馏水分别淋溶每个淋溶柱，将淋溶液收集到消煮管，待柱下不再有液体流出后停止收集，及时密封保存。此后每次取20 mL蒸馏水淋溶1次，通过试验测定，待各组养分有绝大部分淋溶出时即可结束淋溶。于淋溶开始后12、46、70、133、157、181、205 h时取样。

测定：采用凯氏定氮法测定淋溶液含氮量。

1.5 玉米盆栽应用缓释肥料研究

玉米盆栽试验一共设置8 个处理，每个处理3个重复，分别设置不施肥组（CK）、施普通尿素组（7号）和施自制缓释肥料组（1～6号处理）。试验开始前先育苗，待玉米苗长出2～3 叶时，选出长势一致的玉米苗移植至塑料花盆中，盆栽装土至花盆的3/4，施肥量为每盆20 g 肥料混匀，倒入900 mL 水使土壤全部浸湿，其上加0.50 kg 土壤，最后浇水100 mL湿润表面土壤。每3 d浇水500 mL。每周进行1次大淋，即每盆浇水1 000 mL。在施肥前观察玉米苗情况，测量并记录玉米苗的株高和茎粗。种植期间按时观察玉米苗生长情况，及时浇水，保证其正常生长，一段时间后再次测量并记录玉米苗的株高和茎粗。

株高测定：使用卷尺测定茎基至植株顶端最高处的长度。

茎粗测定：使用游标卡尺测定茎基最粗处的直径。

1.6 数据处理

采用SPSS 23.0 进行数据分析，采用Excel 2012绘制图表。

2 结果与分析

2.1 缓释肥料的结构分析

试验利用扫描电镜对缓释肥料进行结构观察，图3 为2 号样品在扫描电镜下，放大500 倍和5 000 倍所得照片。通过观察发现，铁观音茶梗与尿素混合物在单螺杆挤压膨化机的挤压膨化作用下，所制缓释肥料表面整体结构疏松，多处存在细孔，而内部细孔则有利于养分缓慢释放。

图3 缓释肥料扫描电镜放大500倍（左）与放大5 000倍下的三维结构图

2.2 不同缓释肥料的养分释放特征

2.2.1 不同缓释肥料样品的含氮量分析

采用凯氏定氮法测定不同处理样品的含氮量。样品含氮量从高到低依次为：7号>1号>2号>3 号>4 号>5号>6号，具体分别为41.99%、32.02%、28.37%、25.17%、20.23%、17.88%、2.05%（图4）。说明各样品都具有一定的含氮量，随着样品中尿素比例的降低，其含氮量呈明显下降趋势。

图4 不同处理肥料含氮量

根据尿素含氮量测定值和各处理尿素和茶梗配比推算1～5 号自制缓释肥料样品全氮含量的理论值分别为34.00%、30.01%、26.01%、22.02%、18.03%。而自制缓释肥料样品的全氮含量测定值略低于理论值，是由于肥料制备过程中，粉碎的茶梗与尿素混合进行挤压膨化过程中，设备产生的高温可能导致尿素微量挥发，使得自制缓释肥料样品含氮量低于理论含氮量。

2.2.2 不同处理肥料的静水处理法养分释放特征

通过静水处理试验，不同处理养分释放量从高到低依次为7 号>1 号>2 号>3 号>4 号>5 号>6 号，分别为：41.58%、31.76%、27.49%、24.32%、19.57%、17.58%、1.94%（表2）。

表2 静水试验中不同处理养分累积释放量随时间变化情况%

由表2 可知，纯尿素样品在静水中培养1 h 后养分基本全部溶解，养分释放率达100%。1号、2号、3 号、4 号、5 号自制缓释肥料样品在1 h 时养分释放率分别为77.68%、78.10%、77.34%、78.08%、80.89%；各样品在前6 h，释放速度较快，之后趋于平缓，且茶梗比例越低，样品养分释放速度越快；在24 h 时检测仍有少量养分释放，养分累积释放量分别为31.76%、27.49%、24.32%、19.57%、17.58%。相较于纯尿素，缓释肥料的养分释放速率相对较慢，能满足农作物在一定时间内均有养分吸收的需求。自制缓释肥料养分释控效果优于普通尿素。

2.2.3 不同处理肥料的土柱淋溶法养分释放特征

为模拟土壤中养分的释放动态特点，通过土柱淋溶试验测得各处理养分溶出量。由表3 可见，经过205 h淋溶后，不同处理养分释放量从高到低依次为：7号>1号>2号>3号>4号>5号>6号，分别为26.99%、19.83%、19.12%、16.86%、15.37%、12.88%、0.72%，并且7 号处理（纯尿素）在经过46 h 淋溶后养分基本释放完全，而1 号、2 号、3号、4 号、5 号自制缓释肥料样品在淋溶46 h 后，仍有小幅度缓慢释放并渐趋平稳。可见茶梗缓释肥料与普通尿素相比，可有效缓解作物生长前期营养过剩。

表3 土柱淋溶试验中不同处理养分累积释放量随时间变化情况%

2.3 不同处理对玉米苗生长的影响

观察发现，经过施肥处理后，玉米苗一直保持正常生长。同时，不同处理玉米苗长势开始出现明显差异。不同处理玉米苗的株高与茎粗测量结果如表4所示，施肥处理的玉米苗茎粗全部大于CK；7 号处理（纯尿素）玉米苗茎粗最大，达到5.00 cm，说明尿素有利于玉米苗茎部生长；3 号、4 号、5 号、6 号处理玉米苗株高大于CK，其中3号处理的玉米苗长势较好，株高最高，并显著高于除4号以外的其他处理，说明自制缓释肥料有利于玉米苗的生长发展；而含氮量较高的1 号、2号、7 号处理玉米苗株高小于CK，说明初始尿素施用过多反而不利于玉米苗的生长。综上，茶梗与尿素配比为4∶6 时制备而成的缓释尿素最适用于玉米苗的培养。

表4 不同施肥处理对玉米苗生长的影响cm

3 小结与讨论

本试验研究主要分为3部分，一是通过电镜扫描和冷水浸泡，对自制缓释肥料的三维结构和溶解率进行分析；二是采用静水培养对自制缓释肥料进行养分释放特征研究，试验以普通尿素作为对照，分析了普通尿素与自制缓释肥料养分释放特征的不同；三是采用盆栽试验对缓释肥料的实际应用效果进行考察，试验设置不施肥组和施用普通尿素组作为对照，从玉米苗期的株高、茎粗分析了自制缓释肥料的实际应用效果，得出以下结论。

与普通尿素相比，茶梗基缓释肥料，具有良好的养分释控效果，且随着包膜茶梗材料比例的提高，自制缓释肥料中的氮素释放速率减慢，对提高肥料缓释效果有很好的作用。在本次玉米盆栽试验中，施用3 号缓释肥料的玉米苗长势最好，说明自制缓释肥料适用于生产应用的最佳配比为：茶梗40%、尿素60%。本课题的开展可为茶梗资源的综合利用提供新的途径，也可以为基于茶梗的生物可降解缓释肥料的制备工艺和实际应用提供一定的理论参考，以期实现茶废弃资源的绿色应用，为“碳达峰、碳中和”目标作出贡献。