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肥料对提高农作物产量起到了不可替代的重要作用,但是已有的研究资料表明,作物对化肥养分的利用率却相当低,我国化肥中氮素的当季作物利用率仅30%~50%,磷素为10%~15%。肥料利用率偏低,不仅浪费肥料养分资源、增加农业生产成本,而且给环境带来不同程度的污染。因此,提高化肥利用率显得十分迫切。包膜缓控释肥料的研究和开发是探索解决这个问题的方法之一。
本项研究首先从包膜肥料的膜材料选择入手,通过成膜实验确定包膜材料;使用流化床包膜设备自行制备包膜肥料;通过电镜扫描对包膜肥料的基本物理特性(膜的厚度和结构特征)进行观察;运用水溶出率法、土壤淋溶法、土壤培养法对各种包膜肥料的养分释放速率进行了分析,以期筛选出缓控释性能较好的自制包膜肥料。通过实验得出以下结论:
⑴通过成膜性试验,筛选出5种包膜材料,分别是水性丙烯酸(PA)、水性聚氨酯(PU)和两者的不同配比(1∶1、1∶2、2∶1)溶液;
⑵肥料吸湿性试验研究表明,肥料吸湿增重不明显,各种肥料在室内放置吸湿增重均小于肥料重量的0.5%;
⑶通过对包膜肥料的电镜扫描发现,肥料膜层最厚的为包膜肥料PA-6%,膜层厚度为70~80μm;最薄的为包膜肥料1∶1-6%,仅为10~15μm。气泡量最多的为包膜肥料PU-6%,而在包膜肥料1∶2-6%的膜层中几乎见不到包膜过程中产生的气泡。在每种肥料的表面都可以清晰的看到附着着的固体颗粒物质,膜层中杂质量较少,只有包膜肥料2∶1-6%膜层内部含有较多的颗粒杂质,其它肥料膜层间仅夹杂着少量的非膜固体物质,包膜肥料1∶2-6%中,几乎见不到任何固体颗粒杂质。综上所述,根据膜材1∶2-6%电镜下照片所示,其包膜效果优于其它包膜肥料;
⑷在浸泡法试验里,15种包膜肥料中,包膜量3%的肥料释放都过快,第一天的养分释放率都大于75%。包膜量6%和9%的肥料第一天的释放率都很小,在12%~31%之间。初期溶出率反应了包膜肥料膜层的完整程度,说明包膜量3%的膜层完整程度最差。15种包膜肥料的初期溶出率从大到小顺序分别是:空白>1∶1-3%>1∶2-3%>PU-3%>PA-3%>2∶1-3%>PU-6%>PU-9%>1∶2-6%>PA-9%>PA-6%>2∶1-6%>2∶1-9%>1∶1-9%>1∶1-6%>1∶2-9%。
微分溶出率在一定程度上反应了肥料养分的释放速度。一般认为微分溶出率在0.25~2.5之间最好。15种包膜肥料的微分溶出率只有初期溶出率较高的肥料微分溶出率在0.25~2.5之间,其它肥料的微分溶出率均大于2.5,微分溶出率按从大到小的顺序分别是:PA-6%>1∶2-6%>1∶2-9%>1∶1-6%>1∶1-9%>2∶1-6%>2∶1-9%>PA-9%>2∶1-3%>PU-9%>PU-6%>PA-3%>PU-3%>1∶1-3%>1∶2-3%>CK;
⑸土壤淋溶试验的结果表明,各种肥料与空白的差异都达到了极显著水平,说明15种包膜肥料都具备一定的缓控释性能,能够达到使肥料养分缓慢的释放出来,并且包膜肥料1∶2-9%与其它肥料的差异都达到了极显著水平,此种肥料包膜效果和缓控释性能在15种肥料中为最优。5种包膜量为9%的包膜肥料,其缓释性能与其它包膜量的肥料(除2∶1-6%)的差异都达到了极显著水平,可认为包膜量9%为最佳包膜量。而包膜量3%的肥料虽然与空白的差异达到了极显著水平,但与其它包膜肥料的差异也都达到了极显著水平,所以认为其缓控释性能在3种包膜量中最差;
⑹在土壤培养实验中,分别对10种包膜肥料在土壤含水量15%、25%和淹水条件下肥料释放的氮素累积释放值进行回归分析,结果显示均符合多项式方程,并且每个方程的R2都大于0.99;
⑺通过流化床包衣的工艺,运用水溶出率法、土壤淋溶法和土壤培养法的评价方法,并经肥料吸湿性的研究,最终研究结果可以概括出,采用水性高分子材料-PA+PU按1∶2组合,9%用量的材料包衣为理想选择。