保水緩釋肥料保水性能及養分釋放特性

劉海林 王龍宇 林清火 華元剛 林釗沐

摘 要 為了明確添加水溶性保水劑（羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉）肥料的保水緩釋效果，利用圓盤造粒工藝制備了保水緩釋肥料，通過土壤培養和土柱淋溶試驗，研究了保水緩釋肥料在土壤中的保水性能和養分緩釋效果。結果表明：3種保水緩釋肥料均具有一定保水性和養分緩釋效果，隨保水緩釋肥料用量增加，土壤最大持水率逐漸增加，土壤水分蒸發率逐漸減小；其中，以添加聚丙烯酸鈉的保水緩釋肥料保水性能和養分緩釋效果最佳，首次淋溶后氮磷鉀養分釋放率較普通肥料分別減少了50.38%、55.74%、48.37%，當肥料添加量為2%時，土壤最大持水率較純土壤提高了43.28%，培養至30 d土壤水分蒸發率較純土壤降低了22.86%。

關鍵詞 水溶性保水劑；緩釋肥料；保水；養分釋放率；

中圖分類號 S143.5 文獻標識碼 A

Water-retention and Nutrient Release Characteristic of

Water-retentive Slow-release Fertilizer

LIU Hailin， WANG Longyu， LIN Qinghuo， HUA Yuangang， LIN Zhaomu*

Rubber Research Institute， CATAS / Soil and Fertilizer Research Center， CATAS， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract In order to define the water-retention and nutrient slow-release effect of the fertilizer which added water soluble water retention agent（carboxymethyl cellulose， polyacrylamide and polyacrylate sodium）， the water-retentive slow release fertilizer was made by pan granulation in this study. The water-retention and nutrient release property of water-retentive slow-release fertilizer in the soil was studied. Soil maximum water-holding rate and soil moisture evaporation rate of water-retentive slow-release fertilizer were detected by indoor incubation experiment， the nitrogen， phosphorus， potassium cumulative release rate of the water-retentive slow-release fertilizer were measured by the intermittent soil column leaching experiment. Results showed that all the three kinds of water-retentive slow release fertilizers had water-retention and slow-release effect. The soil maximum water-holding rate increased with increasing the amount of water-retentive slow-release fertilizer， but the soil moisture evaporation rate was just the opposite. Among them， the water-retentive slow-release fertilizer added polyacrylate sodium had the best water-retention and nutrient slow-release effect. For the first leaching， the nitrogen， phosphorus， potassium cumulative release rate decreased by 50.38%， 55.74%， 48.37%， respectively； When the application of the fertilizer was 2%， the soil maximum water-holding rate increased by 43.28%， the soil moisture evaporation rate was reduced by 22.86% after cultivation for 30 d.

Key words soluble water retention agent； slow-release fertilizer； water-retention； nutrient release rate

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.01.007

干旱是我國頻發的自然災害，是對我國農業生產和農業經濟影響最為嚴重的氣象災害，干旱災害損失占我國每年各種自然災害總和的15%以上[1]。因此，在我國大力發展節水抗旱技術極為重要，而施用保水劑是節水抗旱方面的重要技術措施之一，研究表明保水劑具有提高土壤吸水和持水能力[2-3]、增強土壤保水能力[4]、改良土壤結構[5-7]等作用。另外，保水劑的應用也可作為肥料增效的有效措施，有研究表明保水劑可以提升土壤保肥能力[8-9]，從而減少肥料損失，提高肥料利用率。但是，單獨使用保水劑會增加農業生產成本，而且保水劑用量小，難以與肥料充分接觸，影響水肥效益，而綜合考慮農業生產中最為重要因素水分和肥料，通過物理或化學方法將肥料與保水劑復合一體化[10-11]，從而增強作物抗旱能力，減少養分淋失，提高肥料利用率，充分發揮水肥的協同效應[12-13]。目前，許多科研工作者開展了保水緩釋肥料制備工藝及保水緩釋效果方面研究工作，如通過吸附工藝研制了具有保水功能的緩釋微量元素肥料[14-15]，通過擠壓造粒工藝研制了有機無機復合保水肥[16]，通過包膜工藝研制了保水包膜肥料[17-19]，通過化學聚合工藝研制了保水緩釋氮肥[20-21]，并且肥料均具有一定的保水性能和緩釋效果。其中雖然造粒工藝簡單易行，但是凝膠型保水劑與肥料混合造粒過程由于吸水膨脹及粘結性差等原因致使生產較為困難。同時，考慮到海南有明顯的旱季、雨季，且雨季集中，土壤陽離子交換量低，養分易淋失。為此，本研究將水溶性保水劑與普通肥料結合，利用圓盤造粒工藝制備系列保水緩釋肥料，并研究其保水性能和養分緩釋性能，旨在探究水溶性保水劑在海南磚紅壤中的作為保水緩釋材料的可行性及其保水緩釋效果。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 保水緩釋肥料制備 分別選取羧甲基纖維素鈉CMC、聚丙烯酰胺PAM、聚丙烯酸鈉PAA作為供試水溶性保水劑，緩釋肥料制備過程中水溶性保水劑用量均為6%，對應的保水緩釋肥料分別用SRF1、SRF2、SRF3表示，并以不添加水溶性保水劑的普通肥料為對照，以F表示。保水緩釋肥料制備步驟為以水溶性保水劑、尿素、氯化鉀、磷酸一銨、磷酸二銨、膨潤土為原材料，破碎，然后按設定養分配比（橡膠樹專用肥配方N-P2O5-K2O=20-12-8，總養分含量≥40%）計量混勻，加入圓盤造粒機中進行造粒，造粒完成后將肥料烘干、過篩。

1.1.2 供試土壤 供試磚紅壤采自中國熱帶農業科學院試驗場5隊試驗基地表層0～20 cm土壤，自然風干后過1 mm篩備用。成土母質為片麻巖，土壤全氮、速效鉀、速效磷、有機質含量分別為0.484 g/kg、40.60 mg/kg、4.20 mg/kg、11.07 g/kg，土壤pH為4.80。

1.2 方法

1.2.1 磚紅壤最大持水率測定 用土柱法[22]測定磚紅壤最大持水率。將PVC管（內徑4.7 cm，高30 cm）的一端用100目尼龍網布扎口，先裝入50 g風干磚紅壤（過1 mm篩網，下同），然后將保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3及普通肥料F按肥料施用率0、0.5%、1%和2%，分別與200 g風干磚紅壤混合均勻后加入PVC管中，最后再加50 g風干磚紅壤，對土柱進行稱重（記為W1）。將此PVC管置于鐵架臺上懸空放置，從土柱頂部逐漸淋入一定量的自來水至底部有水滲出為止，靜置，定時測定土柱總質量，直至不再滴水時記下總質量（記為W2）。所有處理均設3個重復，按（1）式計算磚紅壤最大持水率Wmax。

Wmax=[（W2-W1）/300]×100% （1）

1.2.2 磚紅壤水分蒸發率測定 將添加保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3（按施用率0.5%、1%和2%）和200 g風干磚紅壤混勻后裝于250 mL燒杯中，加入200 g自來水，稱重（記為Wi），放置在室溫條件下。每隔5 d稱量燒杯總重量記為Wn，連續觀測30 d，所有處理均設3個重復，以純土壤處理CK作為對照，磚紅壤水分蒸發率W按（2）式計算。

W=（Wi-Wn）/200×100% （2）

1.2.3 保水緩釋肥料養分緩釋性能測定 利用間歇式土柱淋溶測定保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3及未添加水溶性保水劑的F處理在磚紅壤中養分溶出率，并以不添加肥料的純土壤淋溶柱作為空白對照。間歇式土柱淋溶試驗參照杜建軍等[19]的方法，用200目尼龍網布將內徑5 cm長35 cm的PVC管一端封住，首先向管中加入少量細砂（25 g）再加入100 g磚紅壤作為緩沖層，然后按N 1 g/kg風干土，在其上裝入400 g風干磚紅壤與肥料的均勻混合物，最后在土柱上面覆蓋少量細沙（25 g），以免淋溶時擾亂土層，每個處理重復5次。土柱填裝完成后將其置于淋溶架上，土柱下端放置漏斗，漏斗下放置350 mL塑料瓶收集淋溶液。第1次先加蒸餾水使土壤水分接近飽和。靜置24 h后，將200 mL水倒入PCV管中，收集淋溶液，待不再有水滴出為止，取淋溶液測定其養分含量。用刺有小孔的保鮮膜封閉PVC管的上端管口，室溫下培養4 d后，用200 mL水進行第2 次淋溶，以后各次按同樣操作進行，共淋溶7次。

1.2.4 數據分析處理 采用Microsoft office EXCEL 2007軟件對原始數據進行整理計算、繪制圖表，采用SPSS軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 保水緩釋肥料對土壤最大持水率的影響

由圖1可知，添加0.5%、1.0%、2.0%普通肥料F的磚紅壤最大持水率分別為40.21%、40.41%、40.01%，與純磚紅壤的最大持水率無顯著差異，可見添加普通肥料對磚紅壤最大持水率基本無影響。而保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3均能有效提升磚紅壤的最大持水率，且表現為隨保水緩釋肥料用量增加，土壤最大持水率逐漸增加。其中，保水緩釋肥SRF1用量為0.5%時磚紅壤最大持水率較純磚紅壤處理提升了7.85%，施用量為2.0% 時磚紅壤最大持水率較純磚紅壤的對照處理提升了25.62%，且顯著大于添加0.5%和1.0%處理。保水緩釋肥料SRF2施用量為0.5%、1.0%、2.0%時磚紅壤最大持水率分別較純磚紅壤的處理提升了12.71%、20.63%、32.99%；保水緩釋肥料SRF3施用量為0.5%、1.0%、2.0%時磚紅壤最大持水率分別較純磚紅壤處理提升了19.43%、31.63%、43.28%，而且保水緩釋肥料SRF3不同施用量處理間差異顯著，且添加2.0%的保水緩釋肥料SRF3處理磚紅壤最大持水率顯著大于其他處理。綜合比較3種保水緩釋肥料，保水緩釋肥料SRF3對磚紅壤最大持水率的提升能力最強，保水緩釋肥料SRF2次之，保水緩釋肥料SRF1較弱。

2.2 保水緩釋肥料對土壤水分蒸發率的影響

圖2為添加保水緩釋肥料的土壤水分蒸發率隨時間變化趨勢圖，由圖2可知，各處理的土壤水分蒸發率均是隨著時間增加逐漸增加，且均接近于勻速增加。在所有取樣時間點，添加保水緩釋肥料處理的土壤水分蒸發率均小于純土壤對照處理CK，且隨著保水緩釋肥料施用量增加，土壤水分蒸發率逐漸減小。從圖2-A可以看出，CK處理的磚紅壤水分蒸發率在培養第15 d時為59.58 %，而添加0.5%、1.0%、2.0%保水緩釋肥料SRF1的處理在第15天時磚紅壤水分蒸發率分別為56.97%、53.96%、48.13%。當培養至第30天時CK處理磚紅壤水分已基本蒸發完全，而添加0.5%、1.0%、2.0%保水緩釋肥料SRF1處理的磚紅壤中還分別含有7.07%、11.59%、15.26%的水分，表明保水緩釋肥料SRF1可增強磚紅壤持水保水能力，且隨其用量增加而提高。

由圖2-B可以看出，添加保水緩釋肥料SRF2后，磚紅壤的保水性能也得到明顯提升。培養30 d后，CK處理的土壤水分蒸發率達到96.54%，而添加0.5%、1.0%、2.0%保水緩釋肥料SRF2處理的磚紅壤水分蒸發率分別為90.07%、83.55%、79.38%，分別較CK處理降低了6.70%、13.46%、17.78%。由圖2-C可發現，培養15 d時，添加0.5%、1.0%、2.0%保水緩釋肥料SRF3的處理土壤水分蒸發率明顯小于CK處理，分別為52.14%、49.69%、45.73%。培養30 d時，添加0.5%、1.0%、2.0%保水緩釋肥料SRF3處理的磚紅壤中仍分別含有15.29%、20.01%、25.53%的水分。綜合比較可知，培養至30 d時，添加2.0%保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3處理的磚紅壤水分蒸發率分別為84.74%、79.38%、74.47%。由此可見，在磚紅壤中添加一定比例保水緩釋肥料均可降低磚紅壤水分蒸發率，增強磚紅壤的保水能力，且以保水緩釋肥料SRF3效果較好，SRF2次之，SRF1稍差。

2.3 保水緩釋肥料緩釋性能

圖3為保水緩釋肥料在磚紅壤中養分累積釋放曲線，從圖可以看出，3種保水緩釋肥料均能降低肥料養分淋出率，延緩養分釋放，減少養分淋溶損失，具有一定緩釋效果。由圖3-A可知，3種保水緩釋肥料在磚紅壤中的氮素累積釋放率曲線均為拋物線型，而普通肥料F第1次淋溶后氮素釋放率達到81.89%，保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3則明顯小于普通肥料，第1次淋溶時氮素釋放率較普通肥料分別減少了39.86%、46.44%、50.38%。普通肥料在第3次淋溶后其氮素基本釋放完全，而保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3的氮素累積釋放率分別為89.36%、85.42%、81.75%。進一步比較可知，在前4次淋溶過程中氮素累積釋放率均是SRF1>SRF2>SRF3，而后3次淋溶過程中3種保水緩釋肥料氮素累積釋放率差異不大。表明3種保水緩釋肥料對肥料氮素均具有緩釋作用，其中以SRF3效果最佳。

由圖3-B可知，4種肥料在磚紅壤中磷素累積釋放曲線均為近似直線型，基本保持勻速釋放。保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3的磷素累積釋放率均明顯低于普通肥料，普通肥料在首次淋溶后磷素釋放率為18.64%，而保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3分別為14.39%、11.66%、8.25%，SRF3較普通肥料分別減少了55.74%。7次淋溶結束后普通肥料的磷素累積釋放率為41.52%，保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3的磷素累積釋放率分別為31.39%、26.48%、23.67%。可見保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3可有效減緩磷素在磚紅壤中的淋出速率，且以SRF3效果最佳。

由鉀素累積釋放率曲線（圖3-C）可知，普通肥料在第1次淋溶后鉀素釋放率達到了83.64%，而保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3分別為53.64%、48.77%、43.18%，其中SRF3較普通肥料減少了48.37%。當第3次淋溶后，普通肥料的鉀素基本淋溶完全，而保水緩釋肥料SRF1、SRF2、SRF3鉀素累積釋放率分別為89.13%、84.68%、79.62%。第1至4次淋溶時，均以SRF3的鉀素累積釋放率最小；第6、7次淋溶時，3種保水緩釋肥料基本無鉀素淋出。表明3種水溶性保水劑對鉀素均具有緩釋作用，其中以保水緩釋肥料SRF3效果較好。

3 討論

水溶性保水劑由于具有水溶液粘度大、絮凝作用、離子吸附、水合作用等特性，在保水保肥等方面具有較好效果。相關研究表明，將水溶性保水劑與肥料混施可減少養分淋溶損失[23-25]，增加土壤飽和含水量和田間持水量[26]。但上述研究均僅將水溶性保水劑與肥料混合施用，驗證水溶性保水劑具有保水、保肥作用，并未研究以水溶性保水劑為原料制備肥料的保水緩釋效果，而且水溶性保水劑與肥料混施不僅增加勞動成本，且難以保證與肥料充分接觸，影響水溶性保水劑發揮效果。本研究采用水溶性保水劑作為肥料制備過程中的保水緩釋材料，利用圓盤造粒工藝制備了系列保水緩釋肥料，將肥料與水溶性保水劑結合在一起，成粒之后肥料顆粒中水溶性保水劑均勻分布。結果表明添加水溶性保水劑的保水緩釋肥料均具有一定的保水性能，而且均能降低肥料養分淋出率，延緩養分釋放，減少養分淋溶損失，具有一定緩釋效果。其中保水緩釋肥料SRF3對磚紅壤保水持水性能提升能力最強，當SRF3添加量為2%時，土壤最大持水率較純土壤提高了43.28%，培養至30 d土壤水分蒸發率較純土壤降低了22.86%。在養分緩釋效果方面，也是保水緩釋肥料SRF3效果較好，首次淋溶后氮磷鉀養分釋放率較普通肥料分別減少了50.38%、55.74%、48.37%。以水溶性保水劑為保水緩釋材料制備的肥料具有保水緩釋作用的原因可能在于水溶性保水劑均勻分布于肥料顆粒中，肥料施入土壤后，遇水肥料表面粘性增加，逐漸形成高粘性水化膜或三維空間網絡結構，限制水分子的運動，降低肥料溶解速率，并能吸附土壤形成大的團粒，通過交換性吸附和截留，減少肥料養分隨水分遷移速率。同時，水溶性保水劑粘附于土壤顆粒表面，改善了土壤團粒結構，從而能夠增加土壤持水能力，降低土壤水分蒸發速率。

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