沸石包膜重過磷酸鈣肥料養分釋放特征及其對大豆的生物效應

王 偉，胡 鈺，孫志玲，蔡姍姍，李玉梅，李 艷，魏 丹，孫 磊

（1.黑龍江省黑土保護利用研究院，黑龍江 哈爾濱 150028；2.北京市農林科學院 植物營養與資源研究所，北京 100081）

0 引言

磷是植物生長必需的營養元素，對大豆生長發育有著重要作用［1］，土壤中少部分有機磷可被農作物所利用［2］。磷肥施入土壤后，由于土壤的固定和吸附作用，僅有小部分磷溶解在土壤溶液中被農作物吸收利用，降低了磷肥利用率［3］。大量施用磷肥，土壤磷素不斷積累，并通過淋濾的方式流失引起水體富營養化［4］。

沸石是一種多孔狀堿金屬和堿土金屬的硅鋁酸鹽礦物，由硅氧四面體（SiO4） 和鋁氧四面體（AlO4）構成的獨特三維骨架決定了其在農業生產中具有良好的應用性能。因為鋁是+3 價，硅是+4價，所以每個骨架鋁原子的引入都會相應地產生一個單位的負電荷。為了保持沸石的電中性，沸石骨架需要吸附陽離子（如Na+、K+、Ca2+等）來平衡電荷，且不同的陽離子之間可以自由交換［5］，良好的陽離子吸附和交換性能，為沸石應用于緩釋肥料提供了可能。沸石施入土壤后不但能提高化學肥料的利用率、改良土壤、保持土壤水分，還能修復土壤重金屬污染［6-7］，因此，沸石基緩釋肥料作為一種新型肥料具有良好的應用前景［8］。

魏莎等［9］發現利用天然沸石作為土壤調理劑，能在一定程度上提高土壤速效磷的含量。邵宗臣等［10］研究發現，施用沸石能明顯改變土壤中不同形態無機磷的組成，提高土壤中水溶性磷的含量，并增加磷肥的生物有效性。趙斌等［11］研究表明，沸石包膜重過磷酸鈣（以下簡稱重鈣）肥料在土壤和石英砂中的磷素釋放速率明顯慢于普通重鈣肥料。李錄久［12］指出，沸石可以提高農作物地上部各器官的磷含量，促進其從根部運輸到地上部莖葉，提高磷肥利用率。胡鈺［13］研究表明，沸石包膜重鈣肥料能顯著減少磷素的淋失，其中，在石英砂中施用20%沸石包膜重鈣肥料減少磷素淋失的效果最為顯著。沸石包膜重鈣肥料對大豆生長發育有明顯的促進作用，施用20%沸石包膜重鈣肥料可以顯著提高大豆產量。

筆者利用沸石礦物材料和聚乙烯醇對普通重鈣進行包膜制成沸石包膜重鈣肥料，并開展淋溶實驗和田間試驗探討其磷素釋放特性及生物效應，以期為沸石包膜重鈣肥料在農業生產中的進一步研究、推廣及應用提供理論指導和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

植物：供試大豆品種為黑河43。

肥料：尿素，w（N）為46%；重鈣，w（P2O5）為46%；氯化鉀，w（K2O）為60%；沸石包膜重鈣1（FT1），w（P2O5）為41.4%，w（沸石）為10%；沸石包膜重鈣2（FT2），w（P2O5）為36.8%，w（沸石）為20%。

包膜材料：沸石，粒徑≤0.025 mm；羧甲基纖維素鈉，分析純；聚乙烯醇。

1.2 包膜肥料的制備

將沸石末置于烘箱中在105 ℃條件下烘干2 h，取出備用。稱取聚乙烯醇5 g置于玻璃燒杯中，加入去離子水100 mL 和甲醛5 mL，然后于磁力攪拌器上攪拌10 min，使物料混合均勻。再將燒杯放入恒溫水浴鍋中，逐漸升溫使聚乙烯醇溶解，并不斷攪拌，在80 ℃恒溫條件下保持30 min。

稱取重鈣270 g置于勻速轉動的容器中，將質量分數2%的羧甲基纖維素鈉溶液噴灑于其表面，使顆粒表面形成一層黏液，將15 g沸石末撒在顆粒表面，并轉動容器片刻，使顆粒表面形成一層緊密的包裹層，再噴灑一部分熱聚乙烯醇溶液以浸潤包裹層，再撒15 g沸石末，繼續轉動容器，直到黏結劑完全浸潤包裹層中，重復上述過程3～4次，包膜完成后將肥料敞開放置24 h使包裹層固化，得到沸石包膜重鈣1（FT1）。稱取240 g 重鈣，用同樣方法，分2次分別撒施30 g沸石末制備沸石包膜重鈣2（FT2）。

1.3 淋溶實驗設計

土柱淋溶實驗：參照PARAMASIVAM 等［14］提出的方法，向預先用孔徑為0.074 mm 濾布封底口（在濾布上墊少量的玻璃棉）的聚氯乙烯塑料管（內徑5 cm，高40 cm）中模擬耕層以1.3 g/cm3的容重先裝入土壤（經風干處理，并過2 mm 篩） 200 g（約10 cm高），再在其上按同樣緊實度裝入土壤與肥料的混合物200 g（w（P）1 000 mg/kg），上面再以少量砂子（25 g）覆蓋以防加水時擾亂土層。以不加肥料的土柱作為對照，每個處理重復3 次。第1 次根據土壤的飽和水含量先加入100 mL去離子水使土壤水分接近飽和，培養1 d；再向淋溶柱中加入50 mL去離子水，收集5 h 內的淋溶液，淋溶結束后以刺有小孔的保鮮薄膜封閉塑料管上口，室溫下培養2 d，用50 mL去離子水進行第2 次淋溶；以后每隔2 d按同樣方法進行操作，淋溶后收集淋溶液并分析各次淋溶液的全磷、有效磷含量。

石英砂淋溶實驗：以洗凈的石英砂代替土柱，淋溶步驟與土柱淋溶實驗相同（第1次淋溶前也加100 mL去離子水）。

1.4 田間試驗設計

試驗于2019 年在嫩江試驗園區進行，試驗用土為黑土，質地為黏壤，取土深度范圍為0～20 cm耕層土壤，w（有機質）32.6 g/kg，w（堿解氮）、w（P2O5有效）、w（K2O速效）分別為147.7、45.0、189.8 mg/kg。

共設5個施肥處理（見表1），全部肥料作基肥施入，每個處理重復3次，隨機區組排列，每小區面積為39 m2。收獲后測定大豆的株高、百粒質量、秸稈干質量。

表1 各施肥處理肥料用量 kg/hm2

1.5 分析方法

全磷測定采用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法［15］；速效磷測定采用碳酸氫鈉-鉬藍比色法［16］。

1.6 數據分析

利用Excel 2003完成數據計算及圖表繪制，利用SPSS19.0 軟件進行相關性及顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 沸石包膜重鈣對磷素釋放特征的影響

2.1.1 沸石包膜重鈣在土壤中磷素淋溶特征

不同類型肥料在土壤中全磷淋溶情況如圖1所示。由圖1可以看出，3種肥料通過7次（14 d）土柱淋溶實驗，全磷淋溶積累量為FT2＞重鈣＞FT1，與重鈣相比，FT2 全磷淋溶量增加31.83%，FT1減少19.72%。從3種肥料全磷的釋放曲線可以看出，全磷淋溶濃度呈波動變化趨勢，施用重鈣和FT1，全磷濃度均在第6 次（第12 天）淋溶時達到最大值，而后下降。由此可見，在土壤中施用FT1能減少全磷淋溶量；施用FT2增加全磷淋溶量，可能是增大沸石與重鈣的質量比，加速重鈣溶解，溶解的磷超出了沸石的吸附能力，增加了土壤全磷淋溶量。

圖1 不同類型肥料在土壤中全磷淋溶情況

不同類型肥料在土壤中有效磷淋溶情況如圖2所示。由圖2 可以看出，3 種肥料通過7 次（14 d）土柱淋溶實驗，有效磷淋溶積累量為重鈣＞FT2＞FT1，與重鈣相比，FT2 有效磷淋溶量減少2.52%，FT1 減少41.67%。從3 種肥料有效磷的釋放曲線看，淋溶7次后，重鈣和FT2的有效磷淋溶濃度仍有較強的升高趨勢，FT1在第6次淋溶（第12天）時有效磷濃度達到最大值，而后下降。由此可見，在土壤中施用FT1肥料對減少有效磷淋溶的效果更好。

圖2 不同類型肥料在土壤中有效磷淋溶情況

2.1.2 沸石包膜重鈣在石英砂中磷素淋溶特征

不同類型肥料在石英砂中全磷淋溶情況如圖3所示。由圖3可知，3種肥料通過7次（14 d）石英砂柱淋溶實驗，全磷淋溶累積量為FT2＞重鈣＞FT1，與重鈣相比，FT2 全磷淋溶量增加9.91%，FT1 減少7.30%。從3 種肥料全磷的釋放曲線上看，施用FT2 在第1 次（第2 天）淋溶時淋溶液全磷濃度達到最大，而后呈逐漸下降趨勢，施用重鈣在第3 次（第6 天）淋溶時淋溶液全磷濃度達到最大，施用FT1 在第2 次（第4 天）淋溶時淋溶液全磷濃度達到最大值，第4次淋溶后，全磷濃度平緩下降。3種磷肥在石英砂中全磷淋溶累積量明顯高于土壤；在石英砂中施用FT1 能減少全磷淋溶量，但較在土壤中施用效果差，可能是沸石在石英砂中的吸附能力較土壤中小，增加了全磷淋溶量；施用FT2增加全磷淋溶量。

圖3 不同類型肥料在石英砂中全磷淋溶情況

不同類型肥料在石英砂中有效磷淋溶情況如圖4所示。由圖4可知，3種肥料通過7次（14 d）石英砂柱淋溶實驗，有效磷淋溶累積量為FT2＞重鈣＞FT1，與重鈣相比，FT2 有效全磷淋溶量增加7.64%，FT1減少1.49%。從3種肥料有效磷的釋放曲線來看，3種肥料有效磷在前期淋溶中，表現出“集中爆發式”釋放特征。3 種肥料在石英砂中有效磷淋溶累積量明顯高于土壤。由此可見，在石英砂中施用FT1 能減少有效磷淋溶量，但較在土壤中施用效果差，可能是沸石在石英砂中的吸附能力較土壤中小，增加了有效磷淋溶量；施用FT2增加有效磷淋溶量。

圖4 不同類型重鈣在石英砂中有效磷淋溶情況

2.2 沸石包膜重鈣對大豆生長及產量的影響

沸石包膜重鈣對大豆生長及產量的影響見表2。由表2 可知，與習慣施肥處理相比，優化施肥處理的株高和秸稈量增加3.17%和5.10%，產量下降2.82%。優化施肥處理與優化施肥-不施磷處理相比，優化施肥-不施磷處理株高降低1.62%，產量下降3.14%；與優化施肥處理相比，優化施肥減磷25%（FT1）處理和優化施肥減磷25%（FT2）處理的株高分別降低3.74%和5.95%，產量分別提高3.86%和9.99%。施用20%沸石包膜重鈣肥料對促進大豆生產和提高產量效果更好。

表2 沸石包膜重鈣對大豆生長及產量的影響

3 討論

通過電子顯微鏡觀察，沸石結構內部孔隙較多、較大，這與姜新福等［17］的研究結果一致。石勤等［18］指出，沸石的類型和粒徑、施用量，土壤質地和結構，以及肥料的類型和來源影響沸石基緩釋肥料的性能。本研究中通過土柱淋溶實驗和石英砂淋溶實驗得出，施用10%沸石包膜重鈣肥料能減少磷素淋溶損失，且在土壤中施用效果更好，施用20%沸石包膜重鈣肥料增加全磷淋溶量，這與胡鈺［13］的研究結果不一致，原因可能是實驗土壤不同，實驗所用沸石包膜重鈣肥料是由實驗室制備，工藝尚未成熟，也可能是導致實驗結果不一致的原因。施用20%沸石包膜重鈣肥料增加全磷淋溶量，可能是沸石與磷礦的質量比值增大，加速重鈣溶解，但溶解的磷量超出了沸石的吸附能力，增加了全磷淋溶量。華利民［19］研究表明，增施磷肥能促進根瘤生長，提高大豆固氮能力，提高大豆產量。施用沸石包膜重鈣肥料能提高土壤全磷和有效磷含量，提高大豆產量，施用20%沸石包膜重鈣肥料效果更好，這與胡鈺［13］研究結果一致。

4 結論

10%沸石包膜重鈣肥料能減少全磷、有效磷淋溶量，在土壤中的施用效果比石英砂中更好。20%沸石包膜重鈣肥料增加全磷淋溶量。

優化施肥能促進大豆生長，增加株高。優化施肥水平下，施用沸石包膜重鈣肥料能提高大豆產量，施用20%沸石包膜重鈣肥料效果更好。