辅料添加对生物炭基长效肥浸水稳定性的影响

摘要：以牛粪生物质炭、沼渣、化肥、氧化铁为主料，以生石灰、硅酸盐水泥、预胶化淀粉为辅料，采用挤压造粒工艺可以制备得到生物炭基长效肥。为研究辅料添加对生物炭基长效肥浸水稳定性的影响，根据辅料添加的差异设置8个处理，分析不同处理间肥料的抗压强度、浸水耐泡性能、浸水质量损失、浸水养分释放率、pH、电导率（electrical conductivity，EC）等指标，综合评价不同辅料添加对肥料浸水稳定性的影响。结果表明，硅酸盐水泥和生石灰的添加会降低肥料颗粒的抗压强度，但能显著提高肥料颗粒的浸水稳定性；预胶化淀粉的添加不仅显著降低肥料的抗压强度，也不利于提高肥料颗粒浸水稳定性。与不添加辅料相比，仅添加生石灰、仅添加硅酸盐水泥、不添加预胶化淀粉处理的浸水耐泡性能分别提高24.00%、19.20%和45.60%，浸水质量损失分别降低8.61%，6.96%，12.04%，56 d内浸水养分累积释放总量分别降低16.20%、11.87%和21.34%。与3种辅料组配相比，不添加生石灰、不添加硅酸盐水泥、不添加预胶化淀粉处理在浸水56 d内氮素累积率分别提高2.11%、1.27%、-8.66%，磷素累积释放率分别提高19.66%、15.30%、-8.93%，钾素累积释放率分别降低1.95%、0.92%、-5.15%，质量损失分别增加2.32%、1.29%、-8.86%，浸水耐泡性能分别降低10.07%、5.04%、-30.94%。因此，在利用该技术生产生物炭基肥时，为提高肥料的浸水稳定性推荐使用硅酸盐水泥和生石灰作为辅料，不宜添加预胶化淀粉。

关键词：炭基肥；辅料；浸水稳定性

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0900

中图分类号：S146 文献标志码：A 文章编号：1008‑0864（2024）07‑0174‑09

生物质炭是生物质炭化的产物，经过高温热解炭化后能有效降解抗生素残留[1]，并且生物质炭的富碳特性和多孔结构有利于提高土壤的保水保肥能力和增强微生物活性[2]。利用生物质炭作为基质，配合有机肥和无机肥制成的炭基肥结合了生物质炭、有机肥、无机肥的优势，具备固碳减排、疏松土壤、养分供应的特性[3-5]。现阶段，提高生物质炭基肥肥效和肥料的利用率是研究的主方向之一[6-8]。

中国是水稻生产大国，截至2021年，我国水稻种植面积占我国粮食播种面积的25%[9]。水稻生产对于我国粮食安全至关重要，如何提高水稻的施肥技术是保障高产的关键因素[10‑11]。在水田环境下肥料易溶解，造成养分随水流失，致使肥料的利用率难以提高，肥料的肥效偏低[12]。目前，适于水田施用的具有较好浸水稳定性的肥料亟待开发，结合生物质炭基肥的开发研究其稳定性具有重要意义[13]。为研究不同辅料的添加对炭基肥浸水稳定性的影响，以牛粪生物质炭、沼渣、化肥、氧化铁作为主料，硅酸盐水泥、预胶化淀粉、生石灰作为辅料，设置不同的辅料添加处理，通过测定肥料固化养护后的抗压强度、肥料的耐泡性能、肥料浸水质量损失，氮磷钾养分释放规律及肥料浸水条件下电导率（electrical conductivity，EC）和pH等指标，对其浸水稳定性进行综合分析，以期为炭基肥的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

牛粪及牛粪沼渣均取自浙江一景生态牧业有限公司，牛粪生物质炭系以牛粪为原料经水洗处理后取固形物在浙江科技大学生态环境研究院实验室内烧制而成（700 ℃热解产物）；牛粪沼渣为牛粪厌氧发酵后的沼渣并经烘干处理，其养分指标详见表1。

硅酸盐水泥、生石灰、氧化铁、预胶化淀粉、化肥均为市售产品，其中硅酸盐水泥由诸城市九七建材有限公司生产，生石灰由山东潍坊德利源生物肥料有限公司生产，氧化铁、预胶化淀粉由山东优索化工科技有限公司生产，化肥由深圳市杜高生物新技术有限公司生产，养分总含量为60%，N∶P∶K=20∶20∶20。

1.2 试验设计与肥料制备

牛粪生物质炭、沼渣、化肥、氧化铁的配制比例为300∶200∶150∶20，粉碎混匀后作为原料使用，每个处理的原料使用量均为670 g。依据生石灰、硅酸盐水泥和预胶化淀粉3种辅料的添加差异设置以下8个处理：不添加辅料（CK1）、3种辅料组配（CK2）、仅添加生石灰（T1）、仅添加硅酸盐水泥（T2）、仅添加预胶化淀粉（T3）、不添加生石灰（T4）、不添加硅酸盐水泥（T5）、不添加预胶化淀粉（T6）；其中T1、T2、T3处理为添加单一辅料处理，T4、T5、T6处理为单一组分扣除处理。各处理方案详见表2。

肥料的制备：将磨成粉末过筛后的牛粪生物质炭、沼渣与化肥、氧化铁混合，加入不同比例的辅料（CK1不添加辅料）混合摇匀，所得混合物进行雾化增湿处理，制得含水率10%～13% 的混合料，将混合料投入挤压造粒机挤压成型，制成直径3～5 mm、高度5～6 cm的柱状颗粒，将柱状颗粒转入密闭养护房在温度20～40 ℃、湿度50%～60%的条件下养护2 d。

1.3 测定方法

1.3.1 肥料抗压强度的测定

肥料颗粒的抗压强度通过颗粒硬度来表征，参照马庆华等[14]的方法测定，颗粒硬度采用质构仪（TA.XT，SMS）测定，每个处理3次重复。

1.3.2 肥料感官评价方法

称取各处理的肥料样品5.00 g，置于250 mL磨口玻璃瓶中，加入200 mL去离子水浸没肥料，浸水期间不换水，观察浸水1、2、4、8、16、32、64 d时的水质浑浊程度、肥料颗粒形状变形程度、颗粒膨胀程度3项指标，并依据该指标完全出现、明显出现、轻微出现、不出现为其打分，评分标准如下。1分，3项完全；2分，2项完全；3分，1项完全；4分，3项明显；5分，2项明显；6分，1项明显；7分，3项轻微；8分，2项轻微；9分，1项轻微；10分，不出现。每个处理3次重复。

1.3.3 肥料养分释放及pH、电导率的测定

参照GB/T 23348—2009《缓释肥料》[ 15]的处理方法，称取各处理的肥料颗粒样品5.00 g，装入束口袋，置于250 mL磨口玻璃瓶中，加入200 mL去离子水使肥料样品完全浸没，在30 ℃恒温条件下培养，分别在浸水1、3、5、7、14、28、42、56 d时取出肥料浸出液于250 mL容量瓶中定容，每次取样后往玻璃瓶中补充200 mL的去离子水，定容后的水样经过滤后测定pH、EC 及全氮、全磷、全钾的含量。每个处理3次重复。

水样全氮、全磷含量参照吴德凯[16]的方法测定，水样的全钾通过火焰分光光度计（Model 410，Sherwood Scientific） 测定，pH 及EC 通过SevenExcellence 多功能参数测试仪（S500-F， METTLERTOLEDO）测定。第n 天测得的水样全氮含量记为mn，肥料颗粒总氮含量记为m，第n 天氮素累积释放率参照公式（1）计算。磷素、钾素累积释放率的计算与氮素释放率相同。在浸水56 d时从束口袋中取出所有颗粒，烘干后称重，记录质量，计算肥料浸水质量损失。

1.3.4 原料与辅料的pH、EC测定方法

pH及电导率（EC）参照Yang等[17]的测定方法，称取0.01 g原料/辅料，加入50 mL去离子水，振荡30 min，通过Seven Excellence 多功能参数测试仪测定各组成的pH及EC。

1.4 数据分析

采用Excel 2019 对原始数据进行整理与计算，采用Origin 2021b版进行数据分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同辅料添加对肥料抗压强度的影响

肥料的抗压强度描述了肥料的易受损程度，肥料抗压强度越强，越有利于减少肥料在储存和运输过程的损失[18]。而添加不同辅料制得的肥料颗粒抗压强度各不相同，抗压强度对肥料颗粒浸水稳定性有一定的影响[19]。由图1 可知，CK1抗压强度显著高于其他处理，这是因为主料中的沼渣纤维含量高，在相互挤压作用下易挤压成内部较紧密的颗粒，而辅料的加入使得肥料在造粒过程中降低了内部亲和力，辅料分布在纤维间，没有与主料结合成一个整体，成型后的颗粒所表现的抗压强度不及未添加辅料的肥料颗粒。辅料对肥料抗压强度影响的大小顺序依次为预胶化淀粉gt;硅酸盐水泥gt;生石灰。对比CK1、CK2、T3、T4和T5处理发现，加入预胶化淀粉的处理抗压强度显著降低，可能是预胶化淀粉在造粒过程中遇热导致水分进入颗粒间隙，颗粒膨胀降低了紧实度。各处理肥料的抗压强度依次为：CK1gt;T1gt;T6gt;T2gt;CK2gt;T5gt;T4gt;T3，其中，添加预胶化淀粉的生物炭基肥料颗粒抗压强度排序靠后，说明预胶化淀粉作为辅料不利于维持肥料颗粒的抗压强度。

2.2 肥料浸水感官评价

肥料浸水感官评价是一种评价浸水耐泡性能的方法，通过肉眼观察，再将现象具象化，得出感官评价得分，从而评价肥料的浸水耐泡性能，可通过感官评价选出浸水稳定性优异的处理。由图2可知，在相同浸水天数下，T6处理得分最高，T3 处理得分最低，说明T6 处理的浸水稳定性优于其他处理，而T3 处理在浸水条件下最不稳定。浸水耐泡性能大小依次为T6gt;T1gt;T2gt;CK2gt;T5gt;T4gt;CK1gt;T3。随着浸泡时间的推移，各处理的肥料颗粒浸水稳定性差异逐渐体现，浸水稳定性差的肥料颗粒在水中迅速分散，浸水稳定性好的肥料颗粒在水中缓慢溶出。与CK1 相比，T1、T2、T3 处理浸水64 d 的浸水耐泡性能分别提高24.00%、19.20% 和-11.20%；与CK2 相比，T4、T5、T6 浸水64 d 的浸水耐泡性能分别降低10.10%、5.04%和-30.94%，表明预胶化淀粉的添加不利于提高肥料浸水耐泡性能，生石灰和硅酸盐水泥的添加能够提高肥料浸水耐泡性能。

2.3 不同辅料添加对肥料浸水质量损失的影响

肥料的浸水质量损失包括肥料颗粒在浸水过程中养分元素的释放和外层粉末的脱落，肥料在浸水条件下损失越少，表示肥料在浸水过程中越稳定。由图3可知，浸水56 d肥料质量损失从大到小依次为T3gt;CK1gt;T4gt;T5gt;CK2gt;T2gt;T1gt;T6，其中T3处理的浸水质量损失最大，为50.05%，这是因为部分预胶化淀粉遇水溶解后更容易让肥料颗粒加速溶出和分散。CK1的浸水质量损失为37.38%，仅次于T3处理，表明在没有辅料添加的情况下肥料颗粒浸水后容易分散和溶出。在单一组分扣除的处理中，T6处理在浸水56 d条件下质量损失最少，表明预胶化淀粉对肥料颗粒的浸水稳定性影响最弱。与CK1相比，T1、T2和T3处理浸水56 d质量损失分别减少23.04%，18.61%和-33.88%。与CK2相比，T4、T5 和T6 处理浸水56 d 质量损失分别增加6.79%，3.79%和-25.90%。各辅料对肥料浸水质量损失影响大小依次为预胶化淀粉、硅酸盐水泥、生石灰。

2.4 不同辅料添加对肥料浸水养分累积释放的影响

2.4.1 对肥料浸水氮素累积释放的影响

由图4可知，添加不同辅料制备出的肥料颗粒在浸水56 d内氮素释放率各不相同，在肥料浸水初期氮素释放较快，3～5 d后释放速度放缓。CK2处理浸水56 d的全氮累积量不超过193 mg，释放了总量的77.45%。相比于CK2，CK1浸水56 d的氮素累计释放率增加6.38个百分点，表明同时添加3种辅料对肥料浸水稳定性有小幅提升。相比于CK1，T1、T2处理肥料浸水56 d的氮素累计释放率减少14.28、7.08个百分点，T3处理氮素累计释放率增加3.07个百分点，表明添加单一辅料后减缓氮素释放作用依次为生石灰gt;硅酸盐水泥gt;预胶化淀粉。全氮释放速率大小依次为T3gt;CK1gt;T4gt;T5gt;CK2gt;T2gt;T1gt;T6，预胶化淀粉作为辅料添加不但没有减缓肥料氮素释放，反而加快了肥料氮素释放。

2.4.2 对肥料浸水磷素累积释放的影响

由图5所示，浸水56 d 内磷素在14～28 d 时释放最快。CK2浸水56 d的全磷释放总量不超过13 mg。相比于CK2，CK1浸水56 d的全磷释放率增加32.23个百分点，表明辅料的添加可以明显减缓磷素释放速率，提高肥料的浸水稳定性。与CK1相比，T1、T2、注：不同的小写字母表示不同处理间在Plt;0.05水平差异显著。 T3 处理浸水 56 d 的磷素释放率分别降低28.68、24.77、-6.82 个百分点。与CK2 相比，T4、T5和T6处理浸水56 d的磷素累积释放率分别提高19.66、15.30和-8.93个百分点，表明肥料中辅料的添加提高了肥料的浸水稳定性，其中生石灰最为显著，其次为硅酸盐水泥，预胶化淀粉的添加对减缓磷素的释放作用较弱。

磷素释放快慢依次为T3gt;CK1gt;T4gt;T5gt;T2gt;T1gt;CK2gt;T6，肥料56 d浸水磷素释放规律与氮素大体上一致，不同之处在于CK2的磷素释放速率仅快于T6，而氮素释放速率快于T2、T1、T6处理，表明同时加入生石灰与硅酸盐水泥作为辅料，减缓磷素释放的效果比氮素更强。

2.4.3 对肥料浸水钾素释放的影响

CK1和CK2处理浸水56 d 钾素累积释放量分别为205.1、161.0 mg，占总量的67.51%、64.86%。由图6可知，T3处理钾素释放最快，T1处理全钾释放量最小，表明单一添加预胶化淀粉不利于肥料钾素的缓释，添加生石灰对肥料颗粒有一定的减缓钾素释放效果。相比于CK1，T1、T2和T3处理浸水56 d的钾素释累积放率分别降低5.63、3.74和-1.21个百分点；相比于CK2，T4、T5和T6处理浸水56 d的钾素累积释放率分别增加1.95、0.92和-5.15个百分点，表明生石灰对减缓钾素释放速率效果较明显，其次是硅酸盐水泥，而预胶化淀粉对钾素释放起到促进作用。结合氮素和磷素释放情况，添加单一辅料的处理中T1处理的浸水稳定性较强，T3较弱，单一组分扣除的处理中，T6处理浸水稳定性较强，T4处理浸水稳定性较差，表明生石灰的添加显著提高了肥料的浸水稳定性，预胶化淀粉的添加不利于肥料在浸水后养分的缓释。

2.5 不同辅料添加对肥料浸水pH 的影响

碱性肥料有利于抑制水田土壤的酸化[20]，还有利于提高氮素的利用率[21]。由图7可知，加入硅酸盐水泥或生石灰的肥料浸出液多为碱性，可能是因为硅酸盐水泥和生石灰都是碱性物质。在浸水56 d内，T1处理肥料浸出液pH均高于T2处理，可能是因为生石灰的碱性强于硅酸盐水泥。T6处理在所有处理中浸出液碱性最强，可能是由于硅酸盐水泥和生石灰的叠加作用。添加硅酸盐水泥或生石灰的肥料在浸水过程中pH显著高于未添加硅酸盐水泥和生石灰的肥料，表明该种肥料对于防止土壤酸化能够起到积极意义。

2.6 不同辅料添加对肥料浸水电导率的影响

肥料浸水电导率（EC）描述了肥料在浸水过程中释放出的可溶性盐离子含量[22]。各组成成分的EC如表3所示，可以看出，氧化铁、预胶化淀粉在所有用料中EC较低，化肥的EC最高，这是因为化肥中无机盐含量较多。由图8可知，各处理的EC高低依次为CK1gt;T3gt;T4gt;T5gt;T2gt;T1gt;CK2gt;T6。其中，CK1处理的EC最高，这是因为CK1中化肥所占比重较大且释放的较快，CK2处理的EC仅高于T6处理，说明T6处理在浸水过程中盐离子释放总量小于CK2，在所有处理中最稳定。

3 讨 论

将农林废弃物制备成生物炭可完整消除其抗生素危害，能有效补充土壤碳库，被认为是有效的碳减排措施之一，而由于生物炭肥中养分含量较少，需要开发成具有一定肥效的产品。本研究探究不同辅料添加对炭基肥料浸水稳定性的影响，以期为生物炭基水田长效肥的研发提供依据。

生石灰是一种常用酸性土壤调理剂，有助于改善土壤酸度、协调土壤化学成分[23‑24]。目前将生石灰和水田肥料结合的研究较少，本研究的浸水试验中，CK1、T1除生石灰外其他成分用量相同，浸水过程中养分释放速率、浸水质量损失均为CK1gt;T1，浸水56 d内浸水耐泡性能T1gt;CK1，说明生石灰的添加减缓了肥料养分的释放速度，提高了肥料颗粒的浸水稳定性。由此看来，生石灰在本肥料生产中具有较理想的效果，在潜在利用中也具有较好的前景。本研究表明，生石灰的添加能够提高肥料的浸水耐泡性能，降低肥料的浸水质量损失并减缓肥料的养分释放速率。

硅酸盐水泥是由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等组成的混合物，本身不具备环境污染，是一种水硬性凝胶物质[25]。研究表明，硅酸盐水泥掺入纤维类物质能够提高颗粒的黏结力，硅酸盐水泥硬化后的水泥石结晶度较高，有一定的密实性[26]。本研究的浸水试验中，CK1、T2除硅酸盐水泥外其他成分用量相同，浸水过程中养分释放速率CK1gt;T2，表明硅酸盐水泥的添加减缓了肥料养分的释放速度。当浸水56 d时，肥料颗粒浸水质量损失CK1gt;T2，说明硅酸盐水泥的添加在一定程度上能提高肥料浸水稳定性，这与曹立栋等[27]研究结果一致。

预胶化淀粉因其良好的黏合性、流动性，常用于医药领域作为填充剂及黏合剂，因其吸水性和膨胀性也常被用作一种超级崩解剂[28]。本研究的浸水试验中，CK1、T3除预胶化淀粉外其他成分用量相同，浸水56 d养分释放速率、浸水质量损失T3gt;CK1，说明预胶化淀粉的添加不利于肥料的缓释，可能是因为包裹肥料颗粒的预胶化淀粉遇水崩解较快[29]。可能少量的预胶化淀粉更有利于肥料的缓释，具体用量及影响关系需在以后的研究中探明。

本研究发现，单一辅料添加处理中，硅酸盐水泥、生石灰处理能够提高肥料的浸水稳定性，预胶化淀粉处理不仅显著降低了肥料的抗压强度，也不利于提高肥料的浸水稳定性。研究表明，水泥与生石灰以一定的比例掺入土壤可以减少土壤中重金属浸出，减少环境污染问题[30]。不同辅料复合添加处理中，硅酸盐水泥联合生石灰对肥料的浸水稳定性提升最显著。在本研究的浸水试验中，T4、T5、T6、CK1、CK2原料用量相同，养分释放速率、浸水质量损失顺序均为CK1gt;T4gt;T5gt;CK2gt;T6，与预胶化淀粉处理相比，硅酸盐水泥复合生石灰可有效提高肥料的浸水稳定性。

参 考 文 献

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基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFE0196000）；浙江省重点研发计划项目（2019C02053）。