不同粘结剂用量下肥料棒抗压性能及养分淋溶特性

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　　摘  要  为研究粘结剂用量对液压机械挤压成型的肥料棒抗压性能及养分淋溶特性。通过室内土柱淋溶法，分析了粘结剂用量分别为0%、2%、4%、6%肥料棒抗压性能及同养分配比普通肥料的养分淋溶特征。结果表明：肥料棒的正、侧压抗压强度随粘结剂用量的增加呈现出上升的趋势;另一方面肥料棒能显著降低肥料中氮、钾素的淋出率，随着粘结剂用量0%、2%、4%、6%的增加，肥料棒中氮素总累积淋出率较普通肥料分别减少了6.21%、10.52%、15.83%、22.15%，钾素总累积淋出率分别减少了26.69%、50.70%、55.50%、61.79%。说明添加粘结剂能增加肥料棒抗压性能及具有养分缓释效果，延长肥料养分释放周期，为今后热带地区果树林木专用缓释肥的相关研究提供理论依据。
　　关键词  肥料棒;粘结剂;淋溶特性;抗压性能中图分类号  S143     文献标识码  A
　　Abstract  To study the binder content on the compressive performance of fertilizers and the nutrients leaching characteristics， the contents of different binder were used 0%， 2%， 4%， and 6%， respectively. The nutrient leaching characteristics of fertilizers with binder and common fertilizer with the same ratio of nutrients were measured by the method of soil column leaching test under room condition. And the compressive performance of the manure bars was also measured by a universal testing machine. The results showed that the positive and lateral compressive strength of fertilizer rods could be promoted with higher binder contents. Meanwhile， the nitrogen and potassium leaching rates could be reduced using the fertilizer rods. The total nitrogen leaching rates of fertilizer rods with contents of 0%， 2%， 4%， and 6% binders decreased by 6.21%， 10.52%， 15.83%， and 22.15%， respectively， and the total potassium leaching rates of fertilizer rods with contents of 0%， 2%， 4%， and 6% binders also decreased 26.69%， 50.70%， 55.50%， and 61.79%， respectively. It showed that the the compressive performance of fertilizer rods could be improved using binder， and the fertilizer rods with binder addition had the effect on delaying the release of nutrients in soil， and extended fertilizer nutrient release cycle. It would provide a theoretical basis for the related research on the special slow-release fertilizer for fruit trees in the tropical region.
　　Keywords  fertilizer rods; binder; eaching characteristics; compression resistance
　　DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.04.007
　　我国化肥使用量大，但肥料利用率较低，约为15%～35%[1]，导致近年来土壤及水体污染严重。其中氮损失最为严重，一方面是因为当季利用率仅为33.3%，低于发达国家10%～15%，另一方面是施肥方式多以基肥加多次追肥进行，较为复杂[2]。随着高产、优质、高效、环保的农业发展理念逐渐深入人心，结合我国肥料产业未来的发展重点[3]，研制低成本、绿色环保型肥料，成为现代农业科学的重大研究方向[4]，缓释肥成为21世纪的重点研究对象。缓释肥的研究应用在美国、日本等发达国家早已进行几十年，1957年，美国首先研究硫包尿素并进行试验[5]，在当今仍是主导产品，且美国是世界上缓释肥料用量最大的国家，约占全世界总用量的70%，这其中约90%用于高尔夫球场、景观园艺和草坪等，仅有10%应用于瓜果等农作物上。而我国缓释肥料研究起步较晚，始于20世纪70年代，1974年，中国科学院南京土壤研究所李庆逵等[6]用造粒机研制出长效碳铵包膜肥并应用于水稻（Oryza sativa）生产上。1985年，许秀成等人首次制得“肥包肥”的复合肥料[7]并获得中国首批专利，随后中国科学院沈阳应用生态研究所、天津大学和吉林大学等相继研究出新的缓释肥料[8]。但我国的缓释肥研究应用主要集中在生长周期较短的植物或粮食作物等[9-12]，在果樹林木、多年生作物等植物的大田应用较少。实际上，缓释肥更适合应用于果树林木，其施入土壤后在植物附近形成一个较大的养分区域，移动较慢，不会因浓度过高而伤害作物和土壤微生物[13]，不仅能满足林木需肥量大的特点，也有着便于操作、节约劳动力、减少资源浪费等优势[14]，和普通肥料相比，肥效较长，挥发现象少[15]。 　　目前，我国的缓释肥主要分为包膜型缓释肥料、合成型微溶态缓释肥料、化学抑制型缓效肥料、基质复合与胶粘型缓释控释肥料[16]。本研究的肥料棒属于第四类型，将含有氮、磷、钾养分的普通化肥与可降低其溶解性的粘结剂均匀混合， 通过键合、胶结等作用，制成养分缓慢释放的肥料。由于粘结剂的粘结机理使肥料棒起到一定的养分缓释效果。本研究在肥料棒中添加不同用量的粘结剂，通过肥料棒液压成型机制备肥料棒，并将同等养分比的普通肥料作为对照，进行土柱淋溶试验[17]。研究肥料棒在不同用量的粘结剂作用下对其抗压性能和氮、钾素缓释性能的影响，最终选择出较优的材料配比，为热带地区的缓释肥研制提供更多理论基础，也便于今后在林木上的应用和推广。
　　1  材料与方法
　　1.1  材料
　　1.1.1  肥料棒的制备  将成品肥料的尿素（海南富岛复合肥有限公司生产）、磷酸一铵（河北萌帮水溶肥料股份有限公司生产）、氯化钾（中国农业生产资料集团公司生产）、硫酸铵（中国石油化工股份有限公司巴陵分公司生产）、填充料（广州帝成贸易有限公司生产）粉碎过筛，计量后加入混合机混匀，分别加入不同量的粘结剂（任丘市科维化工有限公司生产）、利用肥料成型机在100 t压力下挤压成直径6 cm、高4 cm的肥料棒（总养分用量30%，养分比均为16∶6∶8），单个肥料棒重量为200 g。
　　其中，粘结剂用量为粘结剂质量占肥料棒总质量的百分比，不同处理的粘结剂用量见表1。对照普通肥料处理F（等养分用量）由尿素、磷酸一铵、氯化钾、硫酸铵掺混而成。
　　1.1.2  供试土壤  供试土壤采自中国热带农业科学院试验场五队试验基地，为片麻花岗岩发育的砖红壤。采集表层0～20 cm的土壤，自然风干后，过5 mm网筛备用。土壤pH为4.86，有机质含量为13.6 g/kg，全氮含量为0.68 g/kg，速效磷含量为5.09 mg/kg，速效钾含量为34.27 mg/kg。
　　1.2  方法
　　1.2.1  试验设计  本研究采用室内土柱淋溶法，试验时间于2017年12月—2018年2月在中国热科院橡胶研究所五队基地进行，室内温度15～ 20 ℃。共计5个处理，每个处理设置5个重复。试验选择55 cm高，内直径16 cm的PVC淋溶管，管底包一层200目的脱脂纱布，用打孔的PVC板密封，首先均匀加入300 g洗净石英砂（过3 mm网筛），风干的供试土壤6 kg （高约25 cm，过5 mm网筛），压实;然后在管中央放置不同处理的供试肥料棒200 g，最后加入供试土壤2 kg（高约10 cm）及300 g洗净石英砂（过3 mm网筛），以同样紧密度压实，来防止试验淋溶过程中水对供试土壤的干扰。同时每个淋溶管下固定安装直径为20 cm宽的塑料漏斗，并用直径6 cm的透明小漏斗和体积为5 L的塑料桶承接淋溶液。试验前期，每个土柱先加水至饱和状态后静置24 h，再加水1 L，当不再有水淋出时收集淋溶液并记录体积（L），以第一次收集时间计时，每次收集前一天加水1 L，共计10次（间歇式淋溶）。
　　1.2.2  抗压性能测定方法  每个处理选择6个肥料棒，分别直立于压力测试机的测试平台上，通过万能测试机压缩程序控制移动横梁，移动速度设置为2 mm/min，测定肥料棒的正抗压强度;再将肥料棒侧放与测试平台上测定肥料棒的侧抗压强度。
　　1.2.3  测定指标与方法  土壤pH用pH计测定，有机质用重酪酸钾容量法测定，全氮和速效磷及肥料棒淋溶液中的氮素均用AA3流动分析仪（德国布朗卢比厂家生产，四通道）测定[18]，土壤中的速效钾及淋溶液中的钾素均用F-410型火焰光度计（英国SherWood厂家生产）测定[19]。
　　1.3  数据处理
　　采用DPS数据处理系统V7.05进行数据录入与整理、Duncan检验，利用Microsoft Office Excel 2007软件作图。
　　2  结果与分析
　　2.1  粘结剂用量对肥料棒的抗压强度的影响
　　不同肥料棒处理的抗压性能见图1。各处理肥料棒的抗压强度均随着粘结剂用量的增加而增加。当粘结剂用量由0%增加至6%时，肥料棒F2、F3、F4处理的正压抗压强度较不添加粘结剂用量的F1处理分别增加了2648.58 N、4404.50 N、4525.75 N。由各处理侧压抗压强度可知，F1、F2、F3、F4处理分别为1156.25 N、1987.75 N、2686.50 N、2846.33 N，F2、F3、F4处理分别较F1处理增加了831.5 N、1530.25 N、1690.08 N。肥料棒F1、F2、F3处理间的正、侧压抗压强度均差异显著，但F3、F4处理间差异不显著。
　　2.2  粘结剂用量对肥料棒氮素淋出特性的影响
　　图2为不同粘结剂用量肥料棒的氮素累积淋出率曲线图。由图2可知，肥料棒F2、F3、F4处理的氮素累积淋出曲线呈S型，肥料棒F1和对照处理F的氮素累积淋出曲线为抛物线型。从第1天开始，对照处理F的氮素淋出率达34.40%，并成抛物线型逐渐增大;至第7次淋溶后，累积淋出率曲线呈平缓直线，氮素淋出量逐渐减小，淋溶结束时，氮素累积淋出率为92.71%。不加粘结剂用量的肥料棒处理F1前3次氮素淋出速率逐渐增大，直到第6次淋溶后，曲线逐渐平缓，最终氮素总累积淋出率为86.50%。添加粘结剂用量的肥料棒F2、F3、F4处理其氮素累积淋出率曲线均相似，首次淋出率几乎为零，前3次淋溶，氮素累积淋出量较小，随后曲线逐渐上升至第9次淋溶后较为平缓，至第10次淋溶结束时，氮素累积淋出率分别为82.19%、76.88%、70.56%。肥料棒處理F1、F2、F3和F4较普通肥料处理F最终氮素累积淋出率分别减少了6.21%、10.52%、15.83%和22.15%，氮素累积淋出率表现为F>F1> F2>F3>F4，肥料棒处理间差异不显著，处理F2、F3、F4与对照处理F差异均显著。 　　进一步分析肥料的单次累积淋出率可得，肥料棒F1、F2、F3、F4处理和对照处理F的首次淋出率分别是3.34%、0.93%、0.09%、0.02%和34.40%，对照处理F首次淋出氮素较多，肥料棒F1、F2、F3、F4较对照处理F分别减少了31.06%、33.47%、34.31%、34.38%，各肥料棒处理与对照处理F差异均显著，肥料棒处理间差异不显著;第3次淋溶时，肥料棒F1、F2、F3、F4和对照处理F的氮素累积淋出率分别为36.53%、5.10%、4.12%、3.12%和80.61%，添加粘结剂用量的肥料棒处理间差异不显著，其余处理间差异显著;第10次淋溶结束时，各个处理间差异均不显著。
　　2.3  粘结剂用量对肥料棒钾素淋出特性的影响
　　不同粘结剂用量肥料棒的钾素累积淋出率见图3。由图3可知，肥料棒处理F1、F2、F3、F4的钾素累积淋出率均小于对照处理F的钾素淋出率，且肥料棒与对照F之间均差异显著。其中，不添加粘结剂用量的肥料棒处理F1和对照处理F的钾素累积淋出率曲线均成抛物线型，其首次钾素淋出率分别为2.59%和28.86%，前5次淋出率逐渐增加，当第6次淋溶后成平缓曲线，钾素淋出量逐渐减少，最终钾素累积淋出率为60.21%。添加粘结剂用量的肥料棒F2、F3、F4处理下的钾素累积淋出曲线相似，呈逐渐上升至平缓趋势，其钾素累积淋出率在前5次淋溶时呈缓慢增长趋势，第6次淋溶后，淋出量增多，开始显著增长，至第9次淋溶后，再次呈现缓慢增长趋势，最终氮素累积淋出率分别为36.20%、31.41%、25.12%。钾素累积淋出率表现为F>F1> F2>F3>F4。
　　进一步分析肥料的单次累积淋出率可得，肥料棒处理F1、F2、F3、F4首次鉀素淋出率分别为2.59%、2.02%、0.19%、0.16%，对照处理F首次钾素淋出率为28.86%，肥料棒较对照处理F分别减小了26.27%、26.84%、28.68%、28.70%，首次淋出率中肥料棒与对照处理F间均差异显著。第3次淋溶时，不加粘结剂用量的肥料棒处理F1的钾素淋出量为25.86%，肥料棒F2、F3、F4处理的钾素累积淋出率分别为5.81%、1.51%、1.02%。当第10次淋溶时，肥料棒处理F1、F2、F3、F4钾素累积淋出率较对照处理F分别减少了26.69%、50.70%、55.50%、61.79%。
　　3  讨论
　　由于海南热带季风气候的特点，年平均气温23.0～24.5 ℃，雨水充足，导致化肥在土壤中的损失尤为突出。其中氮肥的不合理施用更容易导致土壤氮流失，不仅是一种经济损失，也造成了地表水体富营养化[20]等一系列环境污染问题，同时也降低了氮肥利用率，减少了植物的实际需求量;另一方面，南方土壤母质特性导致钾素普遍很低，钾素和植物生长、光合有着密不可分的关系，尤其在梅雨和台风季节易造成钾素流失。因此为了提高热带地区的肥料利用率，适应更多果树林木及多年生的作物等，本研究为今后热带地区缓释肥的相关研究提供理论依据。
　　根据国家复混肥标准GB18877-2002规定[21]，复混肥最低的颗粒平均抗压碎力按低、中、高浓度等级分别需≥6 N、≥10 N、≥12 N，但大颗粒肥料棒的抗压碎力暂无相关标准，在生产实践上，肥料棒抗压能力越强，表明在其运输搬运过程中越能减少不必要的损失。本研究发现，添加粘结剂的肥料棒正面和侧面抗压能力均呈上升趋势，可能是因为粘结剂能增加颗粒粉末之间的粘合性，使颗粒间紧实，增加了肥料棒的硬度，从此提高了一定的抗压能力。肥料棒的正、侧压抗压强度均表现为粘结剂用量的6%>4%>2%>0%，添加粘结剂用量为4%和6%的肥料棒抗压强度差异不显著，但较粘结剂用量为0%、2%的肥料棒处理差异显著。由刘桃[22]、李彦明[23]等的研究表明：粘结剂用量增多时，成粒率呈先上升再到逐渐平缓趋势，平均粒径呈先升高再降低的下降趋势。故此推断，在粘结剂用量由4%增加到6%时，成粒率可能趋于最大状态，导致抗压能力接近饱和，肥料棒处理F4较F3的抗压性能有所增加但差异不显著，由此得出肥料棒的粘结剂用量为6%时正、侧压的抗压性能表现较好。氮、钾素的养分释放曲线表明，添加粘结剂用量分别为0%、2%、4%和6%的肥料棒较普通肥料表现出较好的缓释效果，其缓释特性表现为肥料棒中粘结剂用量的6%>4%>2%>0%，表明肥料棒的养分释放周期较长于普通肥料，随着粘结剂用量的增加，表现更好的缓释效果。在粘结剂用量为6%时，缓释性能表现最好。这与蒋恩臣等[24]、吴庆伟[25]研究结果相似，肥料棒能显著延长养分释放周期，降低肥料养分的损失，且会随粘结剂用量的增加表现出较好的淋溶效果。本研究只设置了4种粘结剂用量梯度，具体肥料棒的抗压性能和养分释放效果是否会随粘结剂用量的增加表现出递增趋势，有待进一步研究。
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