小麥秸稈基新型緩控釋氮肥制備及性能

雷明馨， 姚　麗

(成都農業科技職業學院現代農業分院，四川成都 611130)

隨著資源環境問題日益突出，農業生產需要從提高養分利用率的角度來保證高產，從而解決經濟和環境的問題。緩控釋肥料作為21世紀新型肥料的發展方向，可以提高水資源和肥料的利用率，減少肥料不合理使用對環境的污染，是解決資源環境問題的有效途徑之一。小麥秸稈是豐富的可再生資源，若將成本低廉的小麥秸稈引入高吸水樹脂的制備中，再與肥料復合，研制出具有集保水功能的新型緩控釋氮肥，可以節約現有緩控釋肥料的制備成本[1]。

目前，在農業生產中，氮肥的使用占有重要地位，但也存在用量大，利用率低；施用不合理造成環境污染，威脅食品安全等問題。同時，全球有42.9%的旱耕地，水也成為制約農業發展的重要因素，如何使土壤保持更多雨水，保證農作物“即用即需”，是旱地保水的主要問題。緩控釋肥料作為21世紀新型肥料的發展方向，可以集保水功能、控制釋放技術功能以及肥料固有功能于一體[1]。

我國小麥秸稈來源廣泛，但存在資源利用效率低的問題。若將小麥秸稈引入高吸水樹脂合成新型的小麥秸稈基吸水吸附材料，再運用該高吸水樹脂與肥料養分復合，制備多功能緩控釋氮肥，即將小麥秸稈作為緩釋氮肥的載體基材，一方面可以提高降低緩控釋肥料的成本，另一方面能提高肥料的保水及土壤調理功能，可實現高效農業的可持續發展[2]。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

選取小麥秸稈(WS)，經機器剪切，篩選出平均長度 0.015～0.030 cm放置于通風陰涼處；丙烯酸(AA，化學純)；過硫酸銨(APS，分析純)、亞甲基雙丙烯酰胺(NNMBA，分析純)；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS，化學純)；傅里葉變換紅外分光光度計，NEXUS 670型；冷凍干燥儀；元素分析儀；掃描電子顯微鏡；精密PHS-3B型精密pH計。

1.2　試驗方法

1.2.1小麥秸稈的預處理(PTWS)稱取粉碎過篩處理的小麥秸稈粉末10 g置于燒杯中，加入500 mL蒸餾水，并將燒杯置于60 ℃的水浴中，加熱16 h后過濾，濾渣放入85 mL由濃度為24%的KOH、濃度為1%的NaBH4組成的混合水溶液的三口燒杯中，在常溫下機械攪拌3 h。將攪拌后的懸浮液過濾，濾渣用乙醇溶液洗至呈中性，之后在105 ℃環境下烘干備用。

1.2.2PTWS高吸水性樹脂的制備取2.25 g丙烯酸和 4.5 mL 氫氧化鈉水溶液放入燒杯中中和，隨后依次放入 0.75 g AMPS、0.60 g PTWS、0.012 g APS、0.003 g NNMBA和5.0 mL蒸餾水。隨后將燒瓶放入水浴中并通入氮氣，緩慢加熱至70 ℃并保持反應3 h。結束后將反應生成的聚合物樣品70 ℃干燥并研磨備用。

1.2.3樣品的表征將完全干燥的PTWS高吸水性樹脂樣品用溴化鉀壓成薄片，用傅里葉變換紅外分光光度計測定樣品的紅外光譜圖，掃描波數范圍在4 000～500 cm-1。利用PHS-3B型精密pH計測量溶液的pH值。

1.2.4PTWS高吸水性樹脂吸水率的測定稱取0.1 g樣品顆粒放入100 mL的蒸餾水中，在常溫下浸潤1 h，利用無紡布過濾后，稱量溶脹后的高吸水樹脂質量，吸水率(WA)按照下式計算：

WA=(m-m0)/m0。

式中：m表示溶脹后高吸水樹脂的質量，m0表示高吸水樹脂原質量。

1.2.5多功能緩釋氮肥(MSNF)的制備為研究PTWS高吸水樹脂作為載體材料制備新型緩控釋氮肥的利用效果，現制備負載肥料的PTWS。現取2 g PTWS高吸水性樹脂顆粒物置于濃度為100 mmol/L的1 000 mL NH4Cl溶液中，在25 ℃的環境中進行溶脹，隨后過濾分離出高吸水樹脂，在30 ℃條件下干燥，得到多功能緩釋氮肥(MSNF)。

1.2.6MSNF在土壤中的緩釋性稱取MSNF 0.5 g裝入無紡布袋中，做8組平行試驗，將每組樣品置于土壤表面6～8 cm 處，同時保持土壤濕度在20%左右。8組試驗分別在置于土下0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、10.0、15.0、20.0 d后取出布袋，晾干樣品后測量氮含量。

1.2.7MSNF對土壤持水量的影響對相同土壤施加不同的肥量，分別為濃度0%、0.5%、1.0%、1.5% MSNF，測定土壤樣品的最大持水率。將施加了MSNF的土壤分別裝入聚氯乙烯試管中，對試管稱質量，用W1表示。在試管上端灌入自來水，直至試管底部有水滲出為止。對試管再次稱質量，用W2表示。土壤的最大持水率(WH)按照下式計算。

WH=(W2-W1)/100×100%。

1.2.8MSNF對土壤溶液pH值的影響取50 g干燥后的土壤樣品，放入800 mL燒杯中，以5 ∶1(mL ∶g)的水土比例調配土壤溶液，攪拌后靜置1晚。分別取燒杯中的土壤上清液25 mL置于多個100 mL燒杯中，用PHS-3B型精密pH計測量土壤原液pH值。將0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH溶液混合后加入土壤上清液中，調節至不同的pH值。將0.1 g MSNF樣品放入上述不同pH值的燒杯中，沉淀1 h后，過濾測量濾液pH值。

2　結果與分析

2.1　PTWS樣品的紅外光譜表征分析

2.2　PTWS用量對高吸水性樹脂吸水率的影響

從圖2可以看出，當PTWS用量在0～10%范圍內時，高吸水性樹脂的吸水率隨著含量的增加而上升，當PTWS含量達到10%時，高吸水性樹脂的吸水率達到最大值，然后隨著含量的進一步增加吸水率下降。該現象可以歸因于PTWS含量為10%的高吸水樹脂的吸水率最大。

2.3　MSNF在土壤中的緩釋性能

為了明確MSNF在土壤中的緩釋行為，現取氯化銨作為對照試驗。從圖3可以看出，未處理的氯化銨(NH4Cl)在 1 d 內釋放率達到了98%以上。與氯化銨在土壤中的緩釋行為相比較，MSNF的釋放速率明顯下降。MSNF在施入土壤1、6、10 d的氮素釋放率分別為24%、58%、65%。MSNF在土壤中的釋放行為緩慢主要是因為將高吸水樹脂作為肥料的載體，可以使其在土壤的溶液中緩慢溶脹，并逐步轉化為水凝膠[3]。水凝膠中的自由水和土壤中的水分之間通過一個動態交換過程將肥料養分從水凝膠網絡中擴散出去。小麥秸稈基高吸水樹脂可以作為緩釋氮肥的載體，控制養分的釋放。因此MSNF具有較好的緩釋性能，能夠保證農作物對土壤肥料養分的充分利用，減少養分的損失。

2.4　MSNF對土壤持水量的影響

農作物生長離不開土壤中的水分，水通常作為載體為農作物輸送土壤和肥料中的營養元素。在干旱或雨水頻繁季節，農作物往往存在嚴重缺水或是雨水流失，因為植物本身的蒸發和滲透等原因無法高效利用[4]。本試驗擬利用可吸收和保持大量水溶液的高吸水樹脂作用肥料的載體，保證農作物生長對水資源的充分利用。本試驗研制的MSNF即是以PTWS高吸水樹脂作為載體。從圖4可以看出，當MSNF對土壤的施用量分別為0(空白對照)、0.5%、1.0%、1.5%時，土壤最大持水率分別為40%、75%、108%、135%。表明MSNF施用對土壤的持水能力有提高作用，并且隨著施用量的增加土壤最大持水率上升。因此，在灌溉期間或雨水季節，MSNF的施用可以使土壤的持水能力提高，吸收保持更多的水分，有利于農作物的生長。

2.5　MSNF對土壤溶液pH值的影響

土壤理化性質、生物特性以及肥力特征經常通過土壤的pH值來反映，土壤酸堿度也可作為重要指標來劃分土壤類型和評價土壤肥力[5]。堿性土壤中，Na+交換離子含量多，導致土粒分散，易發生鹽堿化，土壤架構不穩定；酸性土壤中，H+

交換離子含量多，導致Ca2+、Mg2+、K+等鹽離子被交換，土壤肥力下降。研究表明，最適宜農作物生長的土壤呈中性為宜，此時土壤中肥料養分最易于被農作物吸收利用，且微生物的活動更為活躍。MSNF可以作為一種土壤改良劑對土壤的酸堿度進行改善，以達到外加添加劑的作用[6]。從圖5可以看出，酸堿不一的土壤溶液經MNSF處理后，其pH值均被調節至5.5～7.0的范圍內。因為在酸性土壤條件中，MNSF中的抗衡離子(Na+和NH4+)可以與土壤中的H+交換發生反應；而在堿性土壤條件中，MSNF中含有的大量—COOH、—SO3H基團，它們可以與土壤中的OH-發生中和反應。試驗結果表明，MSNF可以調節土壤的酸堿平衡，從而有利于農作物的生長。

3　討論

小麥秸稈基新型緩控釋氮肥是基于現有肥料、小麥秸稈資源利用率低的問題研制的新型肥料。本試驗先對小麥稻稈進行預處理，通過水溶液自由基聚合法，制得PTWS高吸水樹脂樣品，然后對該樣品進行表征分析和吸水能力研究，通過吸附法制得多功能緩釋氮肥(MSNF)，對該肥料的性能進行了研究，得出以下結論，即PTWS高吸水樹脂中PTWS含量對其吸水率有影響，當含量為10%時具有最大吸水率，說明使用該濃度的PTWS可以大大降低使用成本。

利用該PTWS高吸水樹脂，通過吸附法制備緩釋氮肥，操作簡單，且所制得的肥料具有一定的緩釋性能，可以提高土壤的持水量，調節土壤溶液的pH值，將MSNF施入土壤后，將有望改善土壤的酸堿緩沖性，使土壤環境更利于農作物的生長。小麥秸稈基新型緩控釋氮肥在埋入土壤10 d后，其釋放率為65%，而普通肥料在埋入后1 d內釋放率即達到98%，表明新型緩控釋氮肥具有良好的緩釋性，可以提高土壤的持水量，有望改善土壤的酸堿緩沖性，使土壤環境更利于農作物對養分的充分吸收和生長。

參考文獻：

[1]李衛華，陳超，黃東風，等. 緩/控釋肥的最新研究動態及其展望[J]. 水土保持研究，2008，15(6)：263-266.

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[3]祝紅福，熊遠福，鄒應斌，等. 包膜型緩/控釋肥的研究現狀及應用前景[J]. 化肥設計，2008，46(3)：61-64.

[4]姚蕾，柯百勝，張艷，等. 魔芋超強吸水劑對土壤保水性能的影響[J]. 水土保持通報，2009，29(4)：76-80.

[5]劉辰琛. 典型作物根際土壤溶液硝態氮濃度及淋失特征研究[M]. 保定：河北農業大學，2011：58-66.

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