茶梗基緩釋尿素的養分釋放特征及應用效果研究

劉盈盈，王未名，蘇淑穎，張亭,3，薛志慧，冉琴，馮俊喬，孫歡，黃沖，林東藝*

1.福建農林大學安溪茶學院，福建 安溪 362406；2.安溪縣總工會職工服務中心，福建 安溪 362400；3.廈門茶葉進出口有限公司，福建 廈門 361000

肥料是中國農業生產的重要物資，是保證作物正常生長、提高產量的重要條件[1]。我國每年都會消耗大量肥料，但是目前肥料利用率普遍較低，大量肥料的施用并沒有達到合理的利用效果[2-3]。

緩釋肥料的本質是通過減緩肥料養分釋放速率，延長肥料釋放養分的有效周期，以滿足作物長期吸收養分的需要，達到提高產量和節約成本的目的[4]。緩釋肥料的出現為肥料利用率的提高提供了良好的借鑒，可以說，緩釋肥料是全世界肥料領域研究的重點和前沿[5-6]。緩釋肥料的緩釋性能是由緩釋材料決定的，所以研制新型緩釋肥，需從創新緩釋材料方面入手，同時對生產工藝和養分釋放性能作進一步研究[7-8]。

據了解，有學者利用變質玉米研制緩釋化肥得到較好效果[9-10]。從節約成本方面考慮，選擇農業生產廢棄物作為緩釋材料最具經濟意義。我國是茶葉大國，在茶葉生產中產生了大量茶梗資源，但茶梗的利用價值不高，未能帶來有效的經濟增長[11]。采用茶梗作為緩釋肥料的原料，既是合理利用茶葉廢棄物，又為緩釋肥料的包膜材料尋得了新的可靠原料。

因此，本研究先期以茶梗和尿素作為主要材料，采用擠壓膨化關鍵工藝，制備了不同比例的茶梗緩釋肥料。在此基礎上，通過靜水培養法測定和土柱淋溶法試驗分析不同配比下緩釋肥料的釋放特性，并利用盆栽玉米苗試驗，觀察不同處理下玉米的生長狀況，測定其株高和莖粗并進行對比，從而考察自制茶梗緩釋肥料在實際生產中的作用，綜合分析茶梗作為緩釋材料的優劣性[12-14]。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 供試材料

供試肥料：自制氮素緩釋肥料，由鐵觀音茶梗（安溪綠壺春茶業公司）與尿素（河北陽煤元正化工集團有限公司）按不同比例混合（表1），經擠壓膨化制作而成。

供試作物：市售玉米，選用大小相近的種子在實驗室培育后，篩選發育程度相近的玉米苗進行應用試驗。

供試土壤：黃壤，取自福建農林大學安溪茶學院茶樹資源圃。沙子：取自福建農林大學安溪茶學院沙池。

1.1.2 儀器設備

BSA1-243 型分析天平（上海歐邁科學儀器有限公司）、0-150型游標卡尺（上海新量螺紋工具有限公司）、F20 型多功能飼料粉碎機（湖南省金峰機械科技有限公司）、CH-500型多功能混合箱（廣東富捷自動化科技有限公司）、LZ65-ll型單螺桿谷物膨化機（濟南朗正機械設備有限公司）、9KL-125 型飼料造粒機（鄭州市威龍機械有限公司）、YK-3750型恒溫恒濕培養箱（東莞市友科自動化設備有限公司）、SHB-III型循環水式多用真空泵（鄭州新城科工貿有限公司）、HYP-320 型消化爐（上海纖檢儀器有限公司）、KDN-103F 型自動定氮儀（上海纖檢儀器有限公司）。

1.1.3 試劑

濃硫酸、氫氧化鈉、硼酸、95%乙醇、甲基紅、溴甲酚綠均為分析純。

1.2 緩釋肥料的制備

緩釋肥料的制備采用擠壓膨化技術，制備流程如圖1所示。將經過除雜處理的鐵觀音茶梗用多功能粉碎機破碎，過3 mm篩，得到茶梗粉末；再將茶梗粉末和普通尿素按比例混合，混勻后將物料送入單螺桿膨化機，進行擠壓膨化；物料在高溫、高壓、高剪力的條件下，被不斷擠壓從而達到細化、勻化的效果；物料被不斷推進，直至送出膨化機，在噴出的時候，瞬間膨化，完成擠壓膨化的作業效果；再將擠壓膨化后的產物利用造粒機造型。

圖1 擠壓膨化肥料制備流程圖

1.3 緩釋肥料微結構測定

緩釋肥料結構采用掃描電鏡觀察，分析自制緩釋肥料表面結構特征，將自制緩釋肥料樣品進行表面噴金處理后，每個處理緩釋肥料在500 倍、5 000 倍下依次掃描。掃描過程中要保證樣品穩定，確保掃描成像清晰，掃描觀察后保存圖像。

1.4 緩釋肥料養分釋放特征

1.4.1 靜水處理試驗方法

稱取不同處理肥料各10 g，裝入350 mL 塑料瓶中，加入100 mL 蒸餾水, 置于（25.0 ± 0.5） ℃的恒溫箱內。

培養開始后，在培養1、6、12、24、48、96 h時取樣，取出培養液并利用真空抽濾機抽濾，把殘留在濾紙上的樣品用蒸餾水沖洗回塑料瓶，再重新用蒸餾水定容至100 mL。

采用“凱式定氮法”[15]測定全氮含量。每個處理重復3次。

1.4.2 土柱淋溶法

淋溶法[16]是用水淋溶裝進淋溶柱的緩釋肥料，測定淋洗液中養分含量的方法。該方法可以減少濃度對養分擴散的影響，考慮了不同介質因素和土壤吸收、緩沖等影響，較接近土壤真實狀況。本文參照李曼[10]的試驗方法，略作修改。本試驗每個處理重復3次，培養時長205 h，一共取樣7次。

自制淋溶柱如圖2 所示：直徑30 mm，高120 mm，紗布孔徑1.2 mm。

圖2 淋溶裝置示意圖

裝柱：按圖2所示做好淋溶柱。取潔凈紗布重復折疊4 次，固定于淋溶柱的底部。將80 目過篩的粗沙裝入柱內約60 mm 處，稱取膨化緩釋肥料5.0 g（精確到0.000 1 g）投于沙子上方，再以40目過篩的細沙覆蓋于上方。為防止淋溶時的沖淋作用，最后于表層再放置大顆粒粗沙起緩沖作用。

淋溶：首次淋溶時，取30 mL蒸餾水分別淋溶每個淋溶柱，將淋溶液收集到消煮管，待柱下不再有液體流出后停止收集，及時密封保存。此后每次取20 mL蒸餾水淋溶1次，通過試驗測定，待各組養分有絕大部分淋溶出時即可結束淋溶。于淋溶開始后12、46、70、133、157、181、205 h時取樣。

測定：采用凱氏定氮法測定淋溶液含氮量。

1.5 玉米盆栽應用緩釋肥料研究

玉米盆栽試驗一共設置8 個處理，每個處理3個重復，分別設置不施肥組（CK）、施普通尿素組（7號）和施自制緩釋肥料組（1～6號處理）。試驗開始前先育苗，待玉米苗長出2～3 葉時，選出長勢一致的玉米苗移植至塑料花盆中，盆栽裝土至花盆的3/4，施肥量為每盆20 g 肥料混勻，倒入900 mL 水使土壤全部浸濕，其上加0.50 kg 土壤，最后澆水100 mL濕潤表面土壤。每3 d澆水500 mL。每周進行1次大淋，即每盆澆水1 000 mL。在施肥前觀察玉米苗情況，測量并記錄玉米苗的株高和莖粗。種植期間按時觀察玉米苗生長情況，及時澆水，保證其正常生長，一段時間后再次測量并記錄玉米苗的株高和莖粗。

株高測定：使用卷尺測定莖基至植株頂端最高處的長度。

莖粗測定：使用游標卡尺測定莖基最粗處的直徑。

1.6 數據處理

采用SPSS 23.0 進行數據分析，采用Excel 2012繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 緩釋肥料的結構分析

試驗利用掃描電鏡對緩釋肥料進行結構觀察，圖3 為2 號樣品在掃描電鏡下，放大500 倍和5 000 倍所得照片。通過觀察發現，鐵觀音茶梗與尿素混合物在單螺桿擠壓膨化機的擠壓膨化作用下，所制緩釋肥料表面整體結構疏松，多處存在細孔，而內部細孔則有利于養分緩慢釋放。

圖3 緩釋肥料掃描電鏡放大500倍（左）與放大5 000倍下的三維結構圖

2.2 不同緩釋肥料的養分釋放特征

2.2.1 不同緩釋肥料樣品的含氮量分析

采用凱氏定氮法測定不同處理樣品的含氮量。樣品含氮量從高到低依次為：7號>1號>2號>3 號>4 號>5號>6號，具體分別為41.99%、32.02%、28.37%、25.17%、20.23%、17.88%、2.05%（圖4）。說明各樣品都具有一定的含氮量，隨著樣品中尿素比例的降低，其含氮量呈明顯下降趨勢。

圖4 不同處理肥料含氮量

根據尿素含氮量測定值和各處理尿素和茶梗配比推算1～5 號自制緩釋肥料樣品全氮含量的理論值分別為34.00%、30.01%、26.01%、22.02%、18.03%。而自制緩釋肥料樣品的全氮含量測定值略低于理論值，是由于肥料制備過程中，粉碎的茶梗與尿素混合進行擠壓膨化過程中，設備產生的高溫可能導致尿素微量揮發，使得自制緩釋肥料樣品含氮量低于理論含氮量。

2.2.2 不同處理肥料的靜水處理法養分釋放特征

通過靜水處理試驗，不同處理養分釋放量從高到低依次為7 號>1 號>2 號>3 號>4 號>5 號>6 號，分別為：41.58%、31.76%、27.49%、24.32%、19.57%、17.58%、1.94%（表2）。

表2 靜水試驗中不同處理養分累積釋放量隨時間變化情況%

由表2 可知，純尿素樣品在靜水中培養1 h 后養分基本全部溶解，養分釋放率達100%。1號、2號、3 號、4 號、5 號自制緩釋肥料樣品在1 h 時養分釋放率分別為77.68%、78.10%、77.34%、78.08%、80.89%；各樣品在前6 h，釋放速度較快，之后趨于平緩，且茶梗比例越低，樣品養分釋放速度越快；在24 h 時檢測仍有少量養分釋放，養分累積釋放量分別為31.76%、27.49%、24.32%、19.57%、17.58%。相較于純尿素，緩釋肥料的養分釋放速率相對較慢，能滿足農作物在一定時間內均有養分吸收的需求。自制緩釋肥料養分釋控效果優于普通尿素。

2.2.3 不同處理肥料的土柱淋溶法養分釋放特征

為模擬土壤中養分的釋放動態特點，通過土柱淋溶試驗測得各處理養分溶出量。由表3 可見，經過205 h淋溶后，不同處理養分釋放量從高到低依次為：7號>1號>2號>3號>4號>5號>6號，分別為26.99%、19.83%、19.12%、16.86%、15.37%、12.88%、0.72%，并且7 號處理（純尿素）在經過46 h 淋溶后養分基本釋放完全，而1 號、2 號、3號、4 號、5 號自制緩釋肥料樣品在淋溶46 h 后，仍有小幅度緩慢釋放并漸趨平穩。可見茶梗緩釋肥料與普通尿素相比，可有效緩解作物生長前期營養過剩。

表3 土柱淋溶試驗中不同處理養分累積釋放量隨時間變化情況%

2.3 不同處理對玉米苗生長的影響

觀察發現，經過施肥處理后，玉米苗一直保持正常生長。同時，不同處理玉米苗長勢開始出現明顯差異。不同處理玉米苗的株高與莖粗測量結果如表4所示，施肥處理的玉米苗莖粗全部大于CK；7 號處理（純尿素）玉米苗莖粗最大，達到5.00 cm，說明尿素有利于玉米苗莖部生長；3 號、4 號、5 號、6 號處理玉米苗株高大于CK，其中3號處理的玉米苗長勢較好，株高最高，并顯著高于除4號以外的其他處理，說明自制緩釋肥料有利于玉米苗的生長發展；而含氮量較高的1 號、2號、7 號處理玉米苗株高小于CK，說明初始尿素施用過多反而不利于玉米苗的生長。綜上，茶梗與尿素配比為4∶6 時制備而成的緩釋尿素最適用于玉米苗的培養。

表4 不同施肥處理對玉米苗生長的影響cm

3 小結與討論

本試驗研究主要分為3部分，一是通過電鏡掃描和冷水浸泡，對自制緩釋肥料的三維結構和溶解率進行分析；二是采用靜水培養對自制緩釋肥料進行養分釋放特征研究，試驗以普通尿素作為對照，分析了普通尿素與自制緩釋肥料養分釋放特征的不同；三是采用盆栽試驗對緩釋肥料的實際應用效果進行考察，試驗設置不施肥組和施用普通尿素組作為對照，從玉米苗期的株高、莖粗分析了自制緩釋肥料的實際應用效果，得出以下結論。

與普通尿素相比，茶梗基緩釋肥料，具有良好的養分釋控效果，且隨著包膜茶梗材料比例的提高，自制緩釋肥料中的氮素釋放速率減慢，對提高肥料緩釋效果有很好的作用。在本次玉米盆栽試驗中，施用3 號緩釋肥料的玉米苗長勢最好，說明自制緩釋肥料適用于生產應用的最佳配比為：茶梗40%、尿素60%。本課題的開展可為茶梗資源的綜合利用提供新的途徑，也可以為基于茶梗的生物可降解緩釋肥料的制備工藝和實際應用提供一定的理論參考，以期實現茶廢棄資源的綠色應用，為“碳達峰、碳中和”目標作出貢獻。