不同养分配比包膜控释肥料养分释放特征研究

不同养分配比包膜控释肥料养分释放特征研究

0控释肥料的养分释放特性使用控释肥料是提高养分利用率的有效途径。大量的研究结果证明,控释肥料能够明显提高养分利用率,由于控释肥料成本较高,目前主要应用于园林、花卉等方面的生产,农作物和经济作物则较少使用。同时,控释肥料的养分供应与作物的营养特性尚未达到最大限度的同步。为了降低控释肥料的成本和优化控释肥料养分供应性能,较多的研究者更注重包膜材料和包膜生产工艺的研究,而作为控释肥料的原料之一的核心肥料较少地被作为研究对象。有机包膜肥料是已被公认的各类控释肥料中控释性能较好的产品,其养分释放性能与材料的结构、包膜厚度、材料的比例及生产工艺等因素有关。其次是受环境因素的影响,在众多环境因素中,土壤pH值、微生物等因素短期内对其性状影响不大,只有温度和水分对其养分释放影响较大。对于同一工艺生产的不同养分配比的包膜控释肥料其养分释放特征是否具有一致性,这一方面的研究报道较少。本文的主要目的就在于通过制造同一包膜厚度而核心肥料不同、制造同一核心肥料而包膜厚度不同的水溶性树脂包膜控释肥料,并在高温和常温下于纯水中培养,探索包膜厚度与核心肥料、培养温度对控释肥料养分释放特征的影响,研究核心肥料、膜厚度与养分释放特征的关系,为控释肥料的研制提供一定的理论依据。1材料和方法1.1肥料及包膜厚度供试控释肥料为华南农业大学肥料与平衡施肥研究室采用流化包膜技术研制的水溶性树脂包膜肥料,供试肥料的核心为氮磷钾分析式分别为20-10-10(简称为HN)、13-10-21(简称为HK)和15-15-15(简称为TC)的星王复合肥。包膜厚度分别为每平方米核心肥料表面积包覆50g和70g水溶性树脂。分别记作HN50、HN70、HK50、HK70、TC50和TC70。1.2肥料释放活性测定试验为随机化约束多因素试验,采用多层裂区设计,主因子为肥料核心,3水平(HN,高氮型;HK,高钾型;TC,均衡型);第1副因子为包膜厚度,2水平(50g/m2和70g/m2);第2副因子为温度,2水平[(25±0.5)℃和(40±0.5)℃]。在此设计下分别研究各因子对氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)养分释放特征的影响。准确称取12.50g肥料样品放入自制的1mm孔径的指形网袋(3cm×12cm)中,重复5次,放置于盛有250.00mL纯水的培养瓶中,在(25±0.5)℃或(40±0.5)℃的恒温培养箱中培养。采用置换培养液法进行采样。取样时间:培养的前7d每1d取一次样,以后每7d取一次样,至氮累积释放率达到80%,以后每隔28d取一次样,直至196d。1.3测量设计和测试待测液中的N(NO3-和NH4+)用AA3自动分析仪测定;P2O5用钒钼黄比色法测定;K2O用火焰光度法测定。1.4数据分析与图表设计数据的统计分析及图表绘制采用SPSS13.0软件和MicrosoftofficeExcel2003软件。2结果与分析2.1控制剂产品性能的函数2.1.1高氮型控释肥料养分释放速率从图1可知,包膜厚度对养分释放速率的影响因核心肥料养分比例的不同而有所差异,增加相同的膜材用量,高氮型养分释放速率的变化最小。升高培养温度,养分释放速率的差异有缩小的趋势,以高氮型(HN)的控释肥料最为明显,两条曲线几乎重叠(图1a2),说明了温度对养分释放速率的影响因核心肥料的不同而不同。高氮型(HN)控释肥料,其氮素养分释放大致可分为3个阶段:1)缓慢释放阶段,这一阶段持续时间的长短与包膜厚度和培养温度有关,培养温度为(25±0.5)℃时,两种包膜厚度控释肥料分别持续约14d和28d,升高培养温度,缩短至7d;2)快速增长阶段,进入这一阶段后,养分释放速率出现爆发现象,这一阶段内释放出较多的养分,(25±0.5)℃下,HN50从第14天至第42天释放50.54%的氮;而在(40±0.5)℃下,HN50在第5天养分释放速度开始急剧上升;HN70在第6天养分释放速度开始急剧上升,培养14d后氮释放总量已超过了40%,之后HN50和HN70以近乎相同的速率释放氮素养分;3)速率衰退阶段,养分释放速率明显减慢,养分累积曲线平缓增长,逐渐接近100%。综上所述,高氮型控释肥料氮素养分累积释放特征曲线为S型。2.1.2氮素与氮素的相似性从图2可知,包膜控释肥料磷素(以水溶性磷为基数)养分累积释放特征曲线形状与氮素相似。高钾型和均衡型控释肥料磷素释放速率特征与氮素基本一致,高氮型控释肥料磷素释放特征则表现有所差异,其累积释放特征曲线同样可分为3个阶段,但其第2阶段为线性增长阶段,释放速率变化较小,无明显的释放速率爆发现象。2.1.3优化控释肥料的积释放特征曲线从图3可知,包膜厚度、核心肥料和培养温度对控释肥料钾素养分释放特征的影响与对氮素养分的影响相似。综上所述,包膜控释肥料的养分累积释放特征曲线形状与核心肥料养分比例有关,高氮型控释肥料的氮磷钾累积释放特征曲线均为S型,培养温度为(40±0.5)℃时,缩短了第一阶段的持续时间。高钾型和均衡型控释肥料的养分累积释放特征曲线形状与包膜厚度和培养温度有关,在(25±0.5)℃下,包膜厚度由50g/m2增加到70g/m2,养分累积释放特征曲线形状从抛物线型转变成双抛物线型;在(40±0.5)℃下,均为抛物线型。2.2控释肥料类型对释放率的影响以往的研究较多的采用微分溶出率来计算控释肥料的肥效期。由以上的养分累积释放特征曲线(图1~3)可知包膜控释肥料的养分累积释放特征曲线形状是不尽相同的,因此不适合用微分溶出率计算出养分的肥效期。控释肥料的养分肥效期反映了肥料供给养分的快慢,是衡量控释肥料质量的一个主要指标。参考国际惯例,以养分累积释放达到75%~80%作为养分的肥效期,由于试验中所测量的数据并不一定恰好等于80%,所以采用最接近80%释放率的时间点作为肥效期(表1)。表1结果表明,包膜厚度、培养温度和核心肥料类型对控释肥料氮磷钾肥效期的影响均达到显著水平。增加包膜厚度,延长了养分的肥效期,氮磷钾的肥效期分别平均延长了22、33和36d,增加包膜厚度对延长氮肥肥效期的效果不如对磷、钾的明显,这可能与氮素养分的释放速率较快有关。升高培养温度缩短了养分的肥效期,在包膜厚度为50g/m2时,高温下氮磷钾的肥效期平均分别缩短了14、30和19d,在包膜厚度为70g/m2,高温下氮磷钾的肥效期分别缩短了23、39和33d,说明了温度对养分肥效期的影响与包膜厚度和养分离子种类有关。包膜厚度为70g/m2时,温度对养分肥效期的影响较大,氮的肥效期受温度影响最小,说明养分释放越快,受温度的影响程度越小。核心肥料养分比例不同,养分肥效期之间存在显著性差异(表1),但是3种核心肥料类型氮、磷、钾肥效期差异的规律并不完全相同。其中氮、磷肥效期差异具有一致性,均表现为高氮型>高钾型>均衡型,而钾的肥效期则是高钾型>高氮型>均衡型,说明了控释肥料核心肥料的氮磷钾比例影响控释肥料的养分释放率。高氮型控释肥料氮的肥效期分别平均高出高钾型和均衡型26和34d,而磷的肥效期则分别平均高出72和82d。高钾型控释肥料钾的肥效期分别平均高出高氮型和均衡型18和33d。结果还表明,核心肥料养分比例的差异对磷的肥效期影响最大,即磷的肥效期差异最大。3结论和讨论3.1吸持性和稳定性增加20g/m2水溶性树脂均显著延长了高氮、高钾和均衡型控释肥料的养分肥效期。包膜厚度是调控包膜控肥料养分释放速率的主要工艺手段之一,增加包膜厚度,增加了养分从膜内扩散到膜外的阻力,这与前人的研究结果是相同的。对高钾型和均衡型控释肥料而言,在水溶性树脂包膜工艺条件下,增加包膜厚度还能够改变养分累积释放特征曲线形状,膜材由50g/m2增加到70g/m2时,在(25±0.5)℃下时,由抛物线型转变成双抛物线型。双抛物线型曲线其实是抛物线型线和S型曲线的组合,说明了均衡型和高钾型控释肥料单粒的养分释放曲线同时包括抛物线型线和S型曲线,反映出核心的单粒之间的差异较大,同时也说明了核心对包膜材料的控释效果有明显的影响作用。3.2控释肥料的充放电性能与养分释放的关系培养温度由(25±0.5)℃升到(40±0.5)℃,缩短了氮磷钾的肥效期。培养温度主要是通过影响养分离子的运动速率和包膜层的结构来影响养分的释放。对高钾型和均衡型控释肥料而言,升高培养温度还能促进有拐点养分释放曲线(S型和双抛物线型)趋向无拐点型(抛物线型)。同时,包膜厚度越大,受温度的影响越大,这说明了材料用量越多越易表现出本身的性质。升高培养温度,促使膜内膨胀压提前达到峰值,从而促使养分释放提前进入爆发阶段,如果这一阶段在培养的前24h内,则在本研究内其累积释放曲线为抛物线型。如何减小温度对养分爆发的影响有待进一步研究。3.3包膜控释肥料的养分释放特征核心肥料养分比例的差异对养分释放特征有显著影响。包膜厚度、核心肥料和培养温度对氮磷钾养分肥效期的影响均达到显著性水平。包膜厚度、核心肥料和培养温度对氮磷养分肥效期的影响差异具有一致性,即均衡型>高钾型>高氮型。氮磷的肥效期差异具有一致性,即高氮型>高钾型>均衡型,而钾的肥效期则是高钾型>高氮型>均衡型。综上所述,控释复肥的各个养分的肥效期有着明显的差异,如何定义包膜控释复肥的肥效期有待进一步探讨研究。包膜厚度、培养温度及核心肥料同时影响着包膜控释肥料的养分释放特征,而养分累积释放曲线特征与养分释放速率有关,养分释放速率越快,养分累积释放曲线的形状趋向于抛物线型,反之则趋向于S型。3类核心中,以高氮型核心最能发挥水溶性树脂的控释性能。高氮型控释肥料氮磷的肥效期明显高于高钾型和均衡型控肥料,其养分累积释放特征曲线形状为S型,包膜厚度和培养温度的改变基本