基于胶粘物质的肥料控释装置的方案设计及其养分释放模拟

该文提出了可应用于农田的肥料控释装置方案设计,此装置由肥料主管道和养分释放分管道组成,选取天然、半天然高分子材料壳聚糖和果胶作为释放分管道的胶粘物质,在实验室条件下检测了其控释效果,结果表明:养分主要呈线性释放,装置具有良好控释效果。利用Fick第一扩散定律和欧姆定律模拟了装置养分的释放,结果表明:养分的释放主要受扩散系数或物阻率、扩散面积、胶粘物质厚度等因素影响。该模型表明,养分是呈线性释放的,和实测结果相一致,并由此计算出了胶粘物质的控释参数:扩散系数或物阻率,为实际应用提供了理论基础。

聚乙烯包膜肥料控释膜层结构特征研究

【目的】包膜肥料控释膜层结构和孔隙性质直接影响其养分释放速率。研究包膜肥料膜层结构特征,可以明确膜层结构参数与养分释放速率的关系,揭示包膜肥料控释机制,为建立养分释放数理模型提供理论依据。【方法】以聚乙烯包膜肥料控释膜层作为研究对象,量化研究了聚乙烯喷涂控释膜层的结构特征参数。利用扫描电镜,观测了在不同放大倍数下,采用喷涂工艺制备的聚乙烯包膜肥料膜层的外表层、横断面和内表层特征;以压汞仪测定了膜上孔隙的大小和分布;采用泡点法研究了大孔隙的最大孔径。【结果】不同放大倍数下的扫描电镜观测结果表明,喷涂法制备的包膜肥料控释膜层外表面整体上光滑、平整、均匀、疏松,但局部存在少量孔隙,孔径主要分布在1000~50 nm的范围内;在放大倍数很高的情况下,整体上膜层无细微孔隙结构。控释膜层厚度约为60~100μm,断面形貌疏松无孔。膜层内表面粗糙,高低起伏不平、犬牙交错。膜壳材料堆密度为0.4~0.8 g/mL,低于聚乙烯密度,属于疏松结构。孔隙结构分析结果表明,聚乙烯控释膜层的中值孔径为4.5~5.3 nm,与对比的聚乙烯薄膜基本一致,说明两种膜分子链间的细微结构没有差异;但是聚乙烯控释膜层中存在占比18%的直径约为1000~50 nm的较大孔,孔径小于10 nm的间隙占82%,进一步说明占比少的大孔影响控释膜层释放性能。喷涂控释膜层总孔体积在0.4686~1.2260 mL/g,平均孔径在25.1~86.8 nm范围内,孔隙率为33.0%~50.6%,显著高于拉伸工艺制备的聚乙烯薄膜。释放期在1~6个月的包膜控释肥料,最大孔径在990~480 nm的范围,随包膜肥料释放期的增加,膜孔直径逐步减小,说明包膜控释肥料养分释放速率与其最大孔径存在内在联系。【结论】综合3种方法的测定结果,聚乙烯控释膜层可以看作是膜层均匀致密且局部有孔隙,膜壳直径3 mm,膜层厚度约为50μm,最大孔径为1μm,平均孔径为50 nm的密闭球形壳体。最大孔是水分和养分进出膜层的主要通道,决定了包膜肥料养分释放速率的快慢。

温度敏感型缓/控释肥料的温度响应特征、养分释放性能与温敏机理研究进展

温度是影响缓/控释肥料养分释放特性的重要因素,开发温度敏感型缓/控释肥料可以使肥料养分释放与作物养分需求更加匹配,从而提高肥料利用效率,促进农业可持续发展。本文综述了聚酰胺类、聚醚类、聚酯类、多糖类以及温敏聚氨酯等常见的温敏聚合物材料的来源、类型和机理,详细阐述了聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)、聚N-乙烯基己内酰胺(PNVCL)、环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物(EO/PO)、甲基纤维素和温敏聚氨酯等常见温敏聚合物材料用作温敏缓/控释肥料包膜材料的国内外研究进展,并评估了其在温敏缓/控释肥料中应用的可行性与优缺点。根据温敏特性,将温敏缓/控释肥料分为低临界溶解温度(LCST)响应型和结晶转变温度(Tm)/玻璃化转变温度(Tg)响应型两大类,并详细总结了这两种类型的制备方法、特征、养分释放性能以及分子作用机制。最后,指出温敏型缓/控释肥料的研发尚处于初级阶段,未来应深入开展天然高分子温敏材料的基础研究和创新,筛选绿色可生物降解温敏聚氨酯材料,研发作物和区域专用型温敏缓/控释肥料。

缓控释肥料对水稻产量、品质及土壤微生物多样性的影响

为了探讨缓控释肥料对水稻产量、品质及土壤微生物多样性的影响,以籼稻品种桃优香占为材料,设置释放天数40d+80d各50%(X1)、释放天数40d+100d各50%(X2)、释放天数60d+80d各50%(X3)、释放天数80d(X4)、释放天数100d(X5)等5个处理,以常规肥料作为对照(CK),共6个处理。试验结果表明,与CK相比,施用缓控释肥料的各处理均在一定程度上提高了水稻穗数、穗粒数,从而使水稻产量增加,其中以X2(释放天数40d+100d各50%)处理产量最佳,增加了43.75%,原因为40d+100d控释肥处理提高了水稻的有效穗数和穗粒数。与其他不同释放天数缓/控释肥处理相比,40d+100d控释肥处理能更好地匹配水稻的养分吸收规律,在保证前期分蘖发生的同时,也使后期的光合物质生产稳定,以获得较好的穗数、穗粒数以及千粒重;施用缓控释肥料也有效改善了水稻外观品质,垩白度表现为X3<X2<X4<X5<X1<CK;此外,施用缓控释肥料对稻谷加工品质影响显著,X1、X3处理精米率、蛋白质含量都显著高于常规肥料处理,精米率提高了1.38%、1.34%,蛋白质含量增加了7.79%、7.15%;X2处理整精米率、蛋白质含量与常规肥料处理差异显著,X4、X5处理精米率表现较好,与常规肥料处理差异显著;各处理优势细菌门为变形菌门(Proteobacteria)、未分类细菌(unidentif-bacte)、拟杆菌门(Bacteroidota),势细菌属为Candidatus、RB41S、Anaeromyxibacter,与常规施肥处理(CK)相比,缓控释肥料的施入对稻田土壤中细菌群落的多样性存在影响,增加了土壤微生物群落的Chao1指数降低了Simpson指数;综上所述,X2(释放天数40d+100d各50%)处理控释肥配比能够较好地满足优质粳稻各个阶段的养分需求,获得较高的产量,同时稳定稻米的品质。

不同功能型控释肥料质量安全评价及其对油菜生长效应的影响

针对传统控释肥料难以有效克服农业生产中水资源短缺、次生盐渍化和极端气候威胁等因素导致的肥料利用率低和作物生理性障碍等问题,研发了保水型、促生型、抗盐型等3种区域化作物专用功能型控释肥料。对3种功能型控释肥料中的有毒有害物质含量进行了检测,并通过油菜盆栽和大田小区试验对上述肥料的作物适应性进行了评价。结果表明:3种功能型控释肥料中总砷、总镉、总铅、总铬、总汞和总铊含量满足国家标准《肥料中有毒有害物质的限量要求》(GB 38400—2019)的限量要求;在同等施肥量条件下,3种功能型控释肥料处理的盆栽油菜的叶片数和叶面积均高于常规施肥处理的;在减少施肥量的条件下,施用功能型控释肥料能明显促进田间油菜的生长,以促生型控释肥料的效果较优。

利用农林剩余物及果渣制造缓控释肥料壳体效益分析

从经济效益、社会效益、生态效益角度分析利用农林剩余物及果渣制造缓、控释肥料壳体的效益。壳体经济效益比较突出,主要体现在原料成本低廉、节约肥料、减少施肥次数与人工、减少大田用水电等方面。从社会效益角度分析,制造生产壳体是一种劳动密集型产业,不仅满足我国对废物循环利用的需求,也为资源型城市转型提供新的经济增长点。壳体生态效益明显,其原材料在制造缓控释肥料壳体过程中,均不会产生任何“三废”物质。农林剩余物、果渣、豆渣、菌糠全部都是农林业的废物利用再循环,整个壳体埋藏在地下很快降解,转变为肥料,无污染,对环境不造成危害。

缓控释肥料研发需要长期坚持

发展缓控释肥料是实现化肥减量增效的重要方向,在支撑现代农业绿色发展中发挥着重要作用。文章回顾了北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所在该领域32年的研究工作,从研究历程、队伍建设、产品开发和农化服务等方面阐述了缓控释肥料自实验室走向农田的来龙去脉,对未来的研究方向进行了分析与展望。研究所1991—1998年相继研制出沸石包膜肥料和聚烯烃树脂包膜肥料。1999—2015年,控释肥料逐步实现产业化。2016年以后,生物基包膜控释肥料受到重视,研究取得了较大进展。沸石包衣肥料是以天然沸石为包膜剂的无机包膜肥料。聚烯烃树脂包膜肥料是将树脂溶液喷洒在肥料表面形成一层半渗透或不渗透材料,以实现养分的控制释放。聚氨酯包膜肥料是一种热固性树脂包膜控释肥料,无溶剂原位反应成膜是其常用生产工艺,研究所先后开发了半自动、自动化连续生产技术。研究所缓控释肥料的创制服务了从大田到园艺系列作物养分精准需求,带动了肥料产业升级、面源污染治理、肥料减量增效工作的开展。为适应农业发展的现实需求,未来仍需在肥料产品包膜材料生物可降解、肥料养分释放多阶段连续可控、大规模连续化生产工艺创新、肥料产品质量在线快速检测技术、作物专用多元复合控释功能肥料等方面持续研究。

筛选温敏聚氨酯包膜肥料膜材以提升养分智能控释效果

【目的】温度是影响作物生长和肥料养分释放速率的重要因素之一。未来农业的发展需要能够主动适应作物养分需求的智能肥料。利用温敏材料研制开发温敏型包膜控释肥料,可达到肥料养分释放随土壤温度变化而智能释放的目的,因此温敏材料的筛选至关重要。【方法】使用不同分子量的己二酸-1,4-丁二醇(PBA)、聚四亚甲基醚二醇(PTMG)、聚己内酯二醇(PCL)和聚乙二醇(PEG),共计18种多元醇,将其分别与二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)反应制备聚氨酯包膜尿素。通过对制备的包膜尿素进行水浸泡法测试,评价其控释性能;对制备的聚氨酯膜用差示扫描量热仪(DSC)测试其相转变温度,评价其温敏性能。【结果】不同多元醇制备的聚氨酯包膜尿素控释性能优劣顺序为PTMG>PCL>PBA>PEG,其中PTMG及PCL系列制备的聚氨酯包膜尿素控释效果较好。在同一系列聚氨酯包膜尿素中,随着多元醇分子量的增加肥料控释性能逐渐变差。DSC测试结果表明,低分子量(2000以下)多元醇制备的聚氨酯膜不具有温敏性,同一系列聚氨酯中,随着分子量的增加其温敏温度逐渐升高。其中PTMG2000、PTMG3000、PCL2000、PBA2000和PCL3000共5种温敏聚氨酯材料的敏感温度分别为13℃、22℃、27℃、39℃和43℃,具有进一步用作制备温敏聚氨酯包膜尿素温敏材料的开发潜力。最后,选取PCL2000和PCL3000作为温敏材料,将其分别与聚丙二醇(PPG)以2∶8摩尔比混合改性,成功制备了两种温敏聚氨酯包膜控释肥料(PUCF1、PUCF2)。变温试验结果表明,温度到达35℃时,PUCF1和PUCF2释放速率分别为11.1%/d和7.1%/d,分别为恒温(25℃)条件下的13.2和6.0倍。而温度再降至25℃后,释放速率随之降低,说明二者均具有温敏性,且控释性能均可达到释放期30天。【结论】综合来看,低分子量多元醇制备的聚氨酯控释性能好但不具备温敏性能,高分子量多元醇制备的聚氨酯具有温敏性能但控释性能差。高分子量多元醇通过改性制备的温敏聚氨酯包膜尿素具有温敏特性,且控释期可达到30天。该结果可为温敏聚氨酯包膜控释肥料的制备提供一定的理论依据与应用基础。

缓控释肥硅基膜材的制备与表征

以钙镁磷肥、硅丙树脂为主要原料,加入甲基硅酸钠作粘结剂,制备了缓控释肥硅基膜材,并采用撒粉离心包衣、底喷式流化床工艺制备了密封型硅钙镁磷肥、粘结型硅钙镁磷肥、改性硅丙树脂3种包膜尿素,通过静水试验研究了此3种包膜尿素的释放特征。结果表明,3种包膜尿素的释放周期分别为60、79、96 d,在水中均能保持完整球形,耐水性较好。通过扫描电镜、红外光谱、X-射线衍射法对膜材形貌特征和结构进行表征,发现钙镁磷肥和硅丙树脂为成膜材料;甲基硅酸钠作为密封剂和防水剂参与了成膜反应,有效增加了膜材的塑性和韧性,此复合材料可用作缓控释肥的胶结剂和包膜剂。

我国控释肥料研究的现状和展望

本文结合作者长期从事控释肥料研究的心得和经验,在参阅国内外大量研究资料的基础上,比较系统地综述了我国控释肥料的研究进展。论文指出了我国控释肥料研究的学术价值和经济意义,阐述了我国控释肥料研发的切入点和目标、研制与社会需求、研制与我国经济发展。论述了控释肥料和缓释肥料的内涵和区别、区分控释肥料和缓释肥料的意义和作用。参阅1979年以来的研究资料,回顾了我国控释肥料研究的历史和现状,将我国控释肥料研制划分为3个阶段:1)缓控释肥料的探索阶段;2)控释肥料研究普及阶段;3)控释肥料关键技术深化和技术集成与产业化,概括了各个阶段的研究成果。在此基础上,通过对我国控释肥料研制与国际同类研究差距对比、我国控释肥料研究与发展总体趋势和特点分析、控释肥料研究的前沿领域的讨论,对我国控释肥料研究进行了展望,并提出了今后的研究方向。

水稻一次性施用控释肥料增产机理探讨

目的探讨水稻一次性施用控释肥增产机理。方法采用盆栽试验和网箱试验,研究了3种控释肥对土壤速效氮含量、水稻根系生长发育、后期衰老和抗倒伏能力的影响。结果与专用肥分次施用处理比较,一次性施用等养分的植物素包膜控释肥(CRF1)、高分子材料包膜尿素复混肥(CRF3)显著提高了土壤速效氮含量,移栽30d以后平均含量分别高出12.0%和147.9%;明显促进根系生长,根系数量大、分布深广、活力增强;灌浆后期旗叶叶绿素含量分别提高9.5%和15.5%,可溶性蛋白提高89.7%和108.0%,CAT酶活性明显增加;茎基部粗壮,根深指数大,茎根比降低。即使施用低钾含量的磷酸铵镁包膜控释肥CRF2也能促进根系发育、提高根系活力、增强旗叶生理功能。结论水稻一次性施用控释肥增产主要机理表现为显著提高了氮素供应水平,明显促进水稻根系生长发育,强化根系吸收养分能力,延缓后期衰老速度,并显著改善了水稻抗倒伏能力。

缓/控释肥料对辣椒生长及养分利用率的影响

采用盆栽试验方法,连续3年研究了不同缓/控释肥料在辣椒上的施用效果.结果表明:与常规分次施肥处理(T1)相比,一次性施用聚合物包膜控释肥处理(T2)提高了辣椒的单果质量和维生素C含量,改善了根系活力,产量平均提高8.4%,但可溶性糖含量没有明显变化;施用磷酸铵镁包膜控释肥处理(T3)的单果质量和维生素C含量与T1无显著差异,但可溶性糖含量提高了5.67%,根系活力在生育前期旺盛,后期较弱,平均产量略有降低;而3种缓释肥处理则提高了果实的可溶性糖含量,显著改善了根系活力,但平均产量与T1无显著差异.在养分利用方面,除T2处理氮钾利用率提高、磷素利用率降低外,其他缓/控释肥料处理的氮、磷、钾利用率均明显提高.表明合理施用缓/控释肥料能改善辣椒的根系活力,提高养分利用率.

控释肥料提高氮素利用率的作用及对水稻效应的研究

研究了田间条件下控释肥料氮的释放速率与水稻吸收氮量之间的关系。结果表明 ,控释肥料氮的释放速率在水稻生育前期高 ,但随着时间的进程而逐渐降低。水稻从 70日型控释肥料中吸收的氮遵循三次曲线 ,因此 70日型控释肥料能够满足水稻本田生长期对氮的需要。施用控释肥料的水层含氮量极低 ,且无可见的水藻生长 ;而施尿素的水层则尿素N和NH+4 N含量高 ,水藻活动繁茂 ,滞留于水层的肥料氮 5～ 6d内迅速地降至无氮对照水平 ,氨的挥发损失和氮的反硝化损失大。控释肥料氮的利用率高达 72 3% ,比尿素高出 36 5个百分点。

控释肥料对稻田氧化亚氮排放的影响

采用静态箱法研究了控释肥料和常规肥料处理对华南赤红壤发育的稻田N2 O排放的影响 .结果表明 ,施用控释肥处理与非包膜复合肥处理 ,在水稻移栽后 10d内水层中NH4+ N和NO3 - N浓度间差异达极显著水平 ,各处理水层中NO3 - N浓度与 2d后或当天N2 O排放量间的偏相关系数达极显著水平 .包膜型控释肥比未包膜复合肥能极显著地降低稻田N2 O的排放量 .在施肥后 10 0d内 ,控释肥的N2 O累积排放量仅为未包膜型复合肥料的 13 4 5 %～ 2 1 2 6 % ,是尿素处理的 71 17%～ 112 4 7% .复合肥处理的N2 O排放主要集中在施肥后 1～ 2 5d和水稻晒田期间 ,控释肥在此时期的排放量显著降低 ,尿素处理则延缓并减小了N2 O排放峰 .控释肥一次施用和尿素分次施用都能减少N2 O排放 .

控释肥料养分释放规律及对水稻生长发育效应的研究

采用盆栽试验,研究了控释肥料与水稻专用肥不同施用方式的养分释放规律及对水稻生长发育的影响.结果表明,一次性施用控释肥料,在水稻移栽初期对氮素有一定控制效果,至第9d氮素释放达到高峰,第9～50d氮素供应充足,50d以后氮素供应仍维持在较高水平.因此,养分释放完全能满足水稻本田期需求.施用控释肥料,水稻总茎数与一级分蘖均比专用肥分次施用和一次施用处理增加,平均成穗数比后者分别增加16 7%和8 3%;在水稻生长后期叶绿素含量保持在较高水平;水稻谷粒产量显著提高,较专用肥分次施用和一次施用处理分别增产10 1%和18 2%.一次性施用控释肥料能明显提高肥料氮利用率,较专用肥分次施用和一次施用处理分别提高13 5%和22 7%,磷钾利用率也有一定提高.

控释肥料对花生产量、品质以及养分利用率的影响

以普通单质肥料（尿素、磷酸二铵、氯化钾和硫酸钾等）为原料,制备了N-P2O5-K2O分别为18-11-11和14-8-8的5种控释肥料,于2005年在福建省龙岩市进行田间试验,研究了控释肥料品种对花生产量、品质以及养分利用率的影响。结果表明,在等NPK比例和等养分量处理下,控释肥料可以减小肥料对花生结瘤的抑制作用,改善花生主要的农艺性状。与普通肥料1次性施用相比,控释肥料处理增加荚果产量2.5%1～0.8%,增加生物量1．3％～6．9％，氮、磷、钾当季利用率分别提高3．9％～15．8％、0．6％～4．2％和2．6％～14．2％；与普通肥料分2次施用相比，控释肥料处理的荚果增产-0．6％～7．5％，生物量增加-2．6％～2．8％，氮、磷、钾当季利用率分别提高了-5．5％～5．7％、2．7％～6．3％和-2．2％～9．4％。此外，控释肥料还可以改善花生的品质，提高花生仁的粗蛋白和粗脂肪含量。

缓/控释肥料研究进展

缓/控释肥料对作物产量的影响因作物种类、肥料种类和试验条件而异,大多数植物增产比较明显,如大豆使用长效尿素,与普通尿素相比增产幅度最高可达33%。各种类型的缓/控释肥料,均可不同程度的提高肥料利用率。缓/控释肥料在农业上的应用能有效地保护生态环境,如抑制土壤NH4+向NO3-氧化,减少土壤NO3-的积累,从而减少氮肥以NO3-形式淋溶损失,减少了施肥对环境的污染;可以减少土壤N2O的释放等。提出了目前缓/控释肥料在农业应用中存在的问题及今后的发展方向。

Richards方程在描述包膜控释肥料氮素释放特征中的运用

【目的】筛选适合于描述控释肥料氮素释放特征的数学模型,为以数学模型预测预报控释肥料供肥特征提供理论依据。【方法】运用Richards,Logistic和Bertalanffy方程拟合在(25±0.5)℃恒温条件下包膜控释肥料在静态水中的氮素累积释放曲线。【结果】结果表明Richards函数能较好地拟合不同形状的氮素养分累积释放曲线,其拟合度优于通用的Bertalanffy和Logistic方程。3种方程中,Richards方程的特征参数更能精确地描述包膜控释肥料氮素释放特征,能反映出氮素养分最大释放速率出现的时间、累积释放曲线的形状等。【结论】Richards方程可用于拟合S型、抛物线型和双抛物线型3种类型的养分释放曲线;增加包膜厚度能降低控释肥料氮素养分在水中前期的溶出率,同时推迟最大养分释放速率出现的时间。

控释肥与普通肥料混施对设施番茄生长和土壤硝态氮残留的影响

【目的】比较控释肥与普通肥料混配基施与常规施肥对设施番茄农学特性和环境效应的影响。【方法】以京郊设施番茄为对象,研究包膜控释肥与普通肥料混配基施对番茄株高、茎粗、叶片面积、叶绿素含量、根系分布,果实产量、品质,根层土壤(0—30 cm)无机氮动态和收获后残留硝态氮的影响。【结果】番茄产量为84.1—90.8 t.hm-2,处理间没有明显差异,但控释肥处理(CN270)明显降低了果实的硝酸盐含量,并提高了糖酸品质。与常规施肥相比(N450),控释肥处理(CN270)减施氮肥40%后番茄的株高、茎粗、叶绿素含量均没有降低,叶片面积有增加趋势并在第三穗果膨大期明显增加。番茄根系主要分布在0—30 cm土层内,根长密度值为0.39—1.75 cm.cm-3。CN270与N450处理根长密度值接近,均明显高于常规减量施肥处理(N270)。在整个果实膨大期间,CN270处理的表层土壤中(0—30 cm)无机氮含量为643—796 kg.hm-2,形成了充足的氮素供应;收获后,CN270处理的硝态氮主要残留在表层土壤中,减少了NO3--N向下层的淋洗。【结论】与常规处理的多次施肥相比,控释肥处理在氮肥减量40%后番茄产量没有降低,并且改善了果实品质,促进了根系生长,减小了NO3--N的淋洗。因此,控释肥和普通肥料混配基施是设施番茄优质高效生产的一种有效施肥措施。

纳米材料胶结包膜型缓/控释肥料的特性及对作物氮素利用率与氮素损失的影响

通过冬小麦—夏玉米轮作下3年6季的田间试验,研究纳米级材料胶结包膜型缓/控释肥料对氮素利用率和硝态氮淋溶损失的影响。结果表明,与普通氮磷钾化肥配施相比,4种纳米级材料胶结包膜型缓/控释肥料提高小麦对氮素的利用率2.80-23.38个百分点,玉米对氮素的利用率1.01-21.63个百分点。在0—80 cm土层,PS、BC208和306处理下土壤硝态氮含量高于普通氮磷钾化肥配施处理,而F208处理低于普通氮磷钾化肥配施处理;在80—160 cm土层,均低于普通氮磷钾化肥配施处理;在接近地下水水位土层（140—160 cm）,减少硝态氮1.61-2.42 mg/kg。4种纳米级材料胶结包膜型缓/控释肥料损失出土壤-作物系统的氮素比普通氮磷钾化肥配施处理减少2.00-24.90个百分点。结果表明,纳米级材料胶结包膜型缓/控释肥料能有效的提高氮素利用率和减少硝态氮的淋溶损失。