一種菌糠腐植酸/凹凸棒石緩釋肥的制備及性能研究

任 慧，邵 洋，李艷安，唐海慰，禹興海

（1.河西學院柔性復合材料應用基礎研究所，甘肅張掖 734000；2.河西學院化學化工學院，甘肅張掖 734000；3.甘肅省河西走廊特色資源利用省級重點實驗室，甘肅張掖 734000）

腐植酸是天然有機聚合物，廣泛存在于土壤、煤、泥炭和水中［1］。腐植酸所含有機質是土壤團聚體的重要組成部分，施用腐植酸對提高土壤中微生物數量和活性、調節土壤孔隙、改善和恢復土壤結構有顯著作用。目前常用的腐植酸肥料都是單質速效肥料，肥效期短，養分容易在雨水或灌溉情況下淋失、揮發和滲透，既浪費資源又污染環境［2-3］。因此目前急需開發具有緩釋、控釋能力的腐植酸類肥料，通過控制養分的釋放，延長肥料供應期，以提高肥料的利用效率，實現減肥增效，為發展可持續的綠色高效農業奠定基礎。

凹凸棒石（ATP）是一種天然的含水富鎂硅酸鹽黏土礦物，具有獨特的一維纖維狀結構和發育的微孔結構，表面分布大量親水羥基，表現出獨特的分散性、可塑性、黏結力和物理吸附特性［4］。此外凹凸棒石本身含有多種礦物質營養元素和微量元素，作為肥料或者土壤改良劑使用可以改善土壤的結構和性能、提高土壤肥力［5-7］。凹凸棒石還能夠通過一定的作用力和土壤中的有機質相結合，形成有機質-礦質復合體（即土壤團聚體），有助于控制和固定土壤中的養分，具有保肥、保水、緩釋能力，可防止土壤養分流失和貧瘠化，被廣泛應用于環境和農業領域［8-10］。

近年來我國食用菌產業規模不斷擴大，菌糠作為食用菌生長栽培后的培養材料被大量廢棄，所導致的資源浪費和環境污染問題亟須解決［11］。研究表明，發酵處理后的菌糠中除了存在著各種微生物和營養物質外，還含有較多的腐植酸，具有較高的利用價值［12-13］。將發酵菌糠中提取的腐植酸與凹凸棒石按一定質量比例混合制備成緩釋肥，充分利用凹凸棒石的吸附特性，可以對腐植酸中有機物質起到緩釋和控釋作用，能夠減緩有機物質的分解速率，延長養分釋放時間，降低有機質的流失率。本實驗以甘肅省張掖市臨澤縣特色資源凹凸棒石黏土為載體，利用物理方法經機械加工后將其與發酵菌糠中所提取的腐植酸鈉（NaHA）共混，制備無機-有機緩釋肥。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑、材料與儀器

試劑：磷酸（分析純），天津市化學試劑六廠；濃硫酸（分析純），北京化工廠；氫氧化鈉（分析純），上海沃凱生物技術有限公司；重鉻酸鉀（分析純），北京市紅星化工廠；硫酸亞鐵銨（分析純），上海埃彼化學試劑有限公司；鄰菲啰啉（分析純），天津市福晨化學試劑廠。

材料：凹凸棒石樣品采自甘肅省張掖市臨澤縣羊臺山礦點；食用菌糠由甘肅省食用菌菌糠資源化利用工程研究中心提供。

儀器：電子天平（ESJ120-4）、恒溫振蕩器（THZ-82）、粉末X 射線衍射儀（PANalytical X′Pert3）、紅外光譜儀（NicoletiS50）、行星球磨機、場發射掃描電子顯微鏡（Quanta 450）、同步熱分析儀（STA 499 F3）、電熱恒溫鼓風干燥箱（DGH-9123A）、集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF-101S 型）、超聲清洗器（KQ-250B）、湘智離心機、恒溫磁力攪拌器（85-2 型）、恒溫恒濕培養箱。

1.2 腐植酸的提取

1） 菌糠發酵 將粉碎的菌糠粉末進行生物發酵，一次發酵20 d（每2 d翻一次進行供氧），二次發酵30 d（每8 d 翻一次），分別于第1、10、20、30、40、50天進行取樣，每份樣品取3份，混合后過0.075 mm（200目）篩，備用。

2） 堿溶提取 根據前期實驗得出，腐植酸能更好地溶解于堿性溶液中，用堿浸提效果優于酸浸提，因此本實驗采用氫氧化鈉溶液作為浸提液。稱取過篩后試樣1 g（精確至0.000 2 g）于250 mL錐形瓶中，加入10 g/L NaOH 溶液70 mL，置于80 ℃恒溫振蕩箱中振蕩12 h（轉速120 r/min）。

3） 腐植酸的純化和精制 將錐形瓶中堿化處理后的試樣真空抽濾。在抽濾分離后得到的濾液中緩慢加入0.5 mol/L 稀鹽酸，直到溶液呈中性。然后轉入旋轉蒸發儀，減壓蒸餾除去大部分水后將濃縮液加入250 mL 燒杯，升溫煮沸，再冷卻至室溫，待大部分固體結晶析出后，抽濾，自然風干后得純腐植酸鈉（NaHA）固體，將其用于緩釋肥的制備。

1.3 凹凸棒石的純化

將ATP 在研缽中研細，于40 ℃下烘干；在攪拌下將0.21 g 焦磷酸鈉溶解在140 mL 的蒸餾水中；升溫至40 ℃后繼續攪拌30 min，在高速攪拌條件下將7 g 凹凸棒石加入焦磷酸鈉溶液中，繼續攪拌1 h 后靜置30 min，抽取上層懸濁液后備用。在上述溶液中加入磷酸，直至不再產生氣泡為止。超聲30 min 后繼續攪拌5 h，室溫下陳化24 h，然后離心（3 000 r/s）分離，棄去上層清液，測其pH是否為中性。若不為中性則繼續添加蒸餾水后離心處理。如此反復直到測得pH 為中性后，取出下層沉淀物烘干處理，即得到純化ATP。用球磨機磨細后過0.075 mm 標準篩，測定元素含量，儲存并貼上標簽備用。

1.4 緩釋肥的制備

將凹凸棒石與腐植酸鈉按照質量比25 ∶75、50 ∶50、75 ∶25 混合后，分別放入球磨機中，以440 r/min 的轉速球磨2 h（為避免球磨過程中過熱，球磨操作30 min，休息25 min，交替進行），然后將磨好的樣品過0.075 mm 標準篩，即得不同比例緩釋肥，分別標記為ATP/NaHA （1 ∶3）、ATP/NaHA（1∶1）、ATP/NaHA（3∶1）（1∶3、1∶1、3∶1指的是凹凸棒石與腐植酸鈉質量比）。

1.5 緩釋肥緩釋性能的測試

將制備好的緩釋肥各稱取1.0 g 分別放入編號為1 號、2 號、3 號的100 mL 燒杯中，再各加入蒸餾水20 mL，放入恒溫振蕩器中，在室溫下振蕩24 h（轉速120 r/min），然后真空抽濾，將濾液收集于250 mL 容量瓶中，用蒸餾水定容，用于緩釋營養物質的測定。

此外為測定所制備的緩釋肥在實際應用中對作物表現出的供肥速率和肥效期，采用土壤培養法評價緩釋肥料中腐植酸的釋放特點。具體操作為：把500 g 土壤與10 g 緩釋肥混勻后裝入邊長60 cm、內徑5 cm 的聚氯乙烯（PVC）管中，管底部用紗布封口，每天用100 mL 蒸餾水淋洗土壤肥料混合物1 次，連續淋洗2 周，收集洗脫液并測定緩釋營養物質含量。

緩釋營養物質的測定相當于溶液中腐植酸含量的測定。準確移取洗脫液約5.0 mL 于250 mL 錐形瓶中，加入物質的量濃度為0.8 mol/L的重鉻酸鉀溶液0.5 mL，再緩慢加入濃硫酸15 mL，于溫度為82 ～83 ℃的水浴中加熱氧化30 min。取出，冷卻到室溫，加入水約70 mL、鄰菲啰啉-硫酸亞鐵銨混合指示液3 滴，用0.25 mol/L 硫酸亞鐵銨標準滴定溶液進行滴定，溶液由橙色經亮綠色轉變為磚紅色即為終點，同時進行空白實驗［14］。計算腐植酸含量：

式中V——空白實驗消耗硫酸亞鐵銨標準滴定溶液體積，mL；

V1——測定樣液時消耗硫酸亞鐵銨標準滴定溶液體積，mL；

c——硫酸亞鐵銨標準滴定溶液濃度，mol/L；

0.003——1/4碳的毫摩爾質量，g/mmol；

0.64——腐植酸的含碳率，

m——試液質量，g。

2 實驗結果與討論

2.1 純化凹凸棒石成分

采用色散型X 射線熒光光譜儀（Axios-mAX，荷蘭帕納科公司）測定純化后凹凸棒石中主要組成元素及含量，結果如表1 所示。由表1 可知，凹凸棒石中主要氧化物成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、 K2O 等，此外還含有微量Ti 和I等元素。

表1 凹凸棒石主要組成元素及含量

2.2 緩釋肥結構表征

2.2.1 紅外（IR）光譜分析

凹凸棒石、腐植酸鈉、不同質量比例的凹凸棒石與腐植酸鈉復合緩釋肥（ATP/NaHA（3∶1）、ATP/NaHA（1∶1）ATP/NaHA（1∶3））的紅外光譜見圖1。由圖1中ATP的紅外光譜圖可知，3 615 cm-1左右的吸收峰為ATP內部結構中八面體與四面體之間Mg、Al的—OH振動；3 423 cm-1左右的弱吸收峰是其內部結構中吸附H2O 的—OH 振動；1 639 cm-1左右的弱吸收峰為ATP表面和層間H2O的—OH振動，1 416 cm-1左右的吸收峰屬于碳酸鹽雜質的特征吸收峰；977 cm-1左右的吸收峰為ATP 中Si—O—Si 的振動吸收；900 cm-1以下的吸收峰為ATP中其他金屬的振動吸收。對于腐植酸鈉的紅外吸收曲線，在2 930 cm-1、2 850 cm-1附近的吸收峰為—CH2的對稱和反對稱伸縮振動；1 650 cm-1處是C C 振動引起的吸收峰，1 450 cm-1處是C O振動的吸收峰，1 000 cm-1處則是C—O振動的吸收峰，這是腐植酸鈉的特征吸收峰。對于ATP/NaHA的紅外吸收曲線，977 cm-1處明顯具有ATP 的特征吸收峰，其余為腐植酸鈉的吸收峰，其中ATP/NaHA（1 ∶3）的光譜圖與NaHA 的光譜圖最為相似。傅里葉紅外光譜結果顯示，與純物質比較，對應的緩釋肥的紅外光譜沒有出現新的吸收峰，證明該緩釋肥沒有生成新的化學鍵，吸收峰位與ATP、NaHA的峰位基本一致，這說明此緩釋肥的形成不是化學相互作用而只是物理相互作用，同時也表明機械作用能使腐植酸鈉與凹凸棒石高效復合。

圖1 ATP、NaHA與ATP/NaHA的紅外光譜圖

2.2.2 X射線衍射（XRD）表征

圖2 為ATP、NaHA、ATP/NaHA （1 ∶3）、ATP/NaHA（1∶1）、ATP/NaHA（3∶1）的X射線衍射譜圖。由圖2可知，在2θ=21.0°、26.7°出現了ATP的特征衍射峰，而NaHA在2θ=20°附近出現了一個寬的衍射峰，在2θ=27°附近出現了一個尖峰，這些是腐植酸鈉的特征吸收峰，表明了腐植酸鈉是無定形的粉末。而在ATP/NaHA（1∶3）的X射線衍射圖中，在2θ=20°～27°出現了比較分散的吸收峰，這是由于NaHA 和ATP 經過球磨后，NaHA 進入ATP 中，使其有序晶體結構發生變化，并轉變為無定型態。ATP/NaHA（1 ∶1）和ATP/NaHA（3∶1）的特征吸收峰與ATP的特征吸收峰無太大差異，這是因為腐植酸鈉的含量少，導致其在球磨后全部被ATP包裹，故而只顯示ATP的特征吸收峰。從而也表明了制備ATP/NaHA 緩釋肥的ATP與NaHA的合適質量比為1∶3。

圖2 ATP、NaHA與ATP/NaHA的射線衍射譜圖

2.2.3 熱重分析（TG）

通過熱重分析可以對緩釋肥的熱穩定性進行研究，ATP、NaHA、ATP/NaHA（1∶3）的熱重曲線見圖3。從圖3 中可以發現，在20 ～500 ℃凹凸棒石有明顯的失重，可能是失去了凹凸棒石中原有的水分；腐植酸鈉在100 ℃以下出現明顯的脫水失重過程，而在高溫下會逐步分解。緩釋肥在20 ～500 ℃質量不斷損失，此失重過程包括了凹凸棒石中水分的減少過程以及緩釋肥中腐植酸鈉受熱分解過程；但是從圖3中可以清楚看到腐植酸鈉中加入凹凸棒石后其熱穩定性并不受影響，在溫度小于100 ℃的范圍內除了受熱脫水之外，不存在化學分解，說明所制備的緩釋肥具有良好的熱穩定性。

圖3 ATP、NaHA與ATP/NaHA（1∶3）的熱重曲線

2.2.4 微觀形貌表征

利用掃描電鏡（SEM）觀察了凹凸棒石和緩釋肥的微觀形貌，分別見圖4、圖5。由圖4 可知，純化的ATP呈現片層結構，團聚現象嚴重。由圖5可以看出球磨后的ATP/NaHA（1∶3）呈現絮狀顆粒，尺寸在5 ～50 μm，ATP 與NaHA 二者均勻復合，沒有觀察到明顯的兩相分離現象，這表明機械化學工藝能使腐植酸鈉與凹凸棒石高效復合，使其發揮最佳效果和用途。

圖4 ATP的SEM圖

圖5 ATP/NaHA（1∶3）的SEM圖

2.3 緩釋肥的性能測試

將ATP、NaHA、ATP/NaHA（1 ∶3）在溫度為25 ℃、相對濕度為60%的恒溫恒濕箱培養24 h后取出，觀察表面形態。ATP 和NaHA 經過24 h 吸濕后，都會產生明顯的結塊現象，但是ATP/NaHA（1∶3）緩釋肥中沒有出現結塊現象，仍然呈現最初的粉末狀形態，說明ATP/NaHA 緩釋肥吸濕性小，具有防結塊能力。

圖6 是不同配比的ATP/NaHA 緩釋肥在土壤中緩釋兩周后所測得的腐植酸釋放率。由圖6 可知，ATP/NaHA（1 ∶3），在土壤中累積緩釋出的腐植酸量最高，約為51.42%。而圖7 為ATP/NaHA（1∶3）緩釋肥在土壤中累積釋放腐植酸含量與釋放時間之間的關系曲線。由圖7可知，隨著釋放天數增加，土壤中腐植酸含量也增加，而且前期腐植酸釋放速率較快，后期趨于穩定，但在此階段釋放的腐植酸量約為總量的1/2，因此在后續釋放過程中由于釋放速率降低，將會延長肥料的肥效期，以滿足作物對養分的需求特征，促進作物更好的生長和發育。

圖6 14 d后3種不同比例的ATP/NaHA緩釋肥腐植酸釋放率

圖7 ATP/NaHA（1∶3）緩釋曲線

本實驗還以辣椒（子彈五彩椒）種苗幼苗期為對象，通過觀測幼苗株高變化，考察所制備的ATP/NaHA（1∶3）緩釋肥對其生長規律的影響。圖8為辣椒在溫度為25 ℃、相對濕度為75%的恒溫恒濕培養箱（肥料用量為每克土2.25 mg）培養時其莖稈高度隨培養時間的變化規律。從圖8中可以清楚觀察到加入緩釋肥處理的辣椒莖稈高度變化最為突出，隨著生長時間增長，其莖稈高度增加顯著高于純天然土壤和加入ATP的土壤。栽培時間達到15 d后，加入緩釋肥處理辣椒的莖稈高度比天然土壤中辣椒的莖稈高度增加了117.6%。此外還觀測了不同物候條件下施用ATP/NaHA緩釋肥對辣椒幼苗生長發育的影響。結果表明，施用ATP/NaHA緩釋肥能夠促進辣椒幼苗生長，在不同澆灌水量和物候條件下都表現出長勢旺盛的特點，也說明ATP/NaHA緩釋肥性能優異，適合農業栽培種植，在不同環境和物候條件下都有利于作物生長發育。

圖8 辣椒莖稈高度隨培養時間變化曲線

3 結論

首先采用堿溶提取法從發酵菌糠中提取腐植酸，然后將提取的腐植酸鈉與凹凸棒石按照一定的比例混合，經機械球磨制備出一種具有緩釋作用的緩釋肥料，通過IR、XRD、TG、SEM 等測試手段對制備的緩釋肥的結構進行了表征。結果表明機械作用可以使腐植酸鈉與凹凸棒石實現高效復合，且此條件下制得的ATP/NaHA 緩釋肥具有優良的緩釋、控釋性能。辣椒（子彈五彩椒）種植實驗表明，此緩釋肥可以使營養物質緩慢釋放，以供農作物高效吸收，可作為當前農業生產減肥增效、增產增收的替代肥料使用。