李 慧，陈少雄，杜阿朋，吴志华

(国家林业局 桉树研究开发中心，广东 湛江 524022)

块状控释肥养分释放特性及缓释效果研究

李 慧，陈少雄，杜阿朋，吴志华

(国家林业局 桉树研究开发中心，广东 湛江 524022)

采用淋溶和水浸两种方式研究了相同原料配方的块状肥和粒状肥的N P K的释放特性及其缓释效果。用一级动力学方程，抛物线扩散方程和Elovich方程对它们释放养分的行为进行拟合，结果显示一级动力学方程对于块状肥料的拟合效果最好，其拟合度大多可达0.95以上，而Elovich方程对粒状肥料的拟合效果较好。并以浸提液中的 P释放浓度为指标分阶段进行比较,结果显示不同外形设计和不同质量的肥料之间均有不同程度的差异,其中块状肥和对照组中的粒状肥之间差异显著。另外，利用拟合方程计算肥料中的P在第1天和第28天的释放率，与国标进行对比，检验所有肥料的缓释性，实验结果显示缓释性均达到国标要求。其中无孔块状肥料相对于粒状肥料在第1天和第28天的溶出率分别减少了46.02%和6.30%，有孔块状肥料相对粒状肥料分别减少了36.92%和10.92%，缓释效果显著。结合苗木需肥的实际情况，在本研究中，最终选六号肥为最佳肥料。

块状控释肥；释放特性；粒状肥；淋溶法；拟合度

肥料在作物生产中占有非常重要的地位, 是农民生产性投资中最大的物资性投资[1]。然而在中国化肥施用过量资源浪费严重，水体和大气污染严重[2]。全国化肥网及南京土壤所研究表明我国氮肥当季利用率仅为30%～35%，P肥为10%～30%，K肥为40%～60%[3]，一次性施肥和追肥的利用率则会更低。发达国家的氮肥当季利肥率通常要高于我国10～15个百分点，在欧洲，氮素养分利用高达70%。之所以会有如此大的差距究其原因一方面是由于在我国肥料的养分释放速度太快,加快土壤微生物对肥料的分解[4]而作物又来不及吸收，因此损失严重，另一方面是由于我国的养分预算管理不到位，因此减缓肥料的溶解和释放速度以及对作物需肥规律的探究已成为提高我国作物肥料利用率的有效途径[5]。

世界上最早研究缓控释肥的国家是美国，包膜材料以硫包膜尿素(SCU)、包硫氯化钾(SCK)、包硫磷酸二铵(SCP)等为主[6]，随后日本和欧洲一些国家效仿美国从事缓释肥研究［7］其中日本以高分子包膜肥料为主,欧洲各国侧重于微溶性含氮化合物缓释肥料的研究[8]。我国研发缓释肥也有30多年的历史，但发展速度较慢,研发水平也较低[9]。自从包膜肥诞生以来人们就一直致力于包膜材料的研究，苗晓杰[10]对目前的包膜材料进行了概括。与此同时，几乎和缓控释肥生产同步,人们即开始致力于控释肥控释性能评价方法的研究。1962年Oertli和Lunt[11-12]首先测定养分溶出率,开创了这方面研究的先河。随后,许多学者例如Holcomb 等[13-17]都在这方面进行了探索，并对释放机理给予详细的阐述。

包膜缓控释肥也有其自身的弊端，诸如由于包膜控释材料或控释制作工艺复杂，成本昂贵，所以大部分仅应用于经济价值较高的花卉、蔬菜、草皮等生产，而且种类单一，以缓释氮肥为主，并且只强调了缓释而忽略了促释，真正意义上与作物需肥规律同步释放[18]的控释肥很少，农民在施肥时用量把握不到位，另外大部分包膜材料的分解性能不好，在施入土壤之后很容易造成土壤理化性质的改变等。针对以上问题，本研究将肥料制成块状，省去了传统缓控释肥需要包膜的程序以达到降低肥料成本，同时将肥料制成固定质量的块状，实行一树一肥，方便林农生产，而且不会引起土壤性能的改变。本实验对以制的相同养分含量的块状肥料与包膜粒状肥料进行淋溶和水浸实验，通过测定林溶液和浸提液中N、P、K的含量变化来了解肥料养分的释放过程并比较比较各肥料的缓释性能。

1 材料与方法

1.1 材料来源

本实验种的块状肥料由广东省广宁县华扬肥料厂协助制作，其配方和华扬肥料厂的粒状包膜肥料相同。实验制作块状肥料分为与有孔和无两种，每种设有3种质量250 g 、500 g、750 g。肥料都为长宽比为2∶1，其中500 g和750 g的长为14 cm，宽为7 cm，250 g的肥料长为10 cm,宽为5 cm。

表1 各种肥料对照†Table 1 Comparison of fertilizers

1.2 实验方法

1.2.1 水浸法

将自制块状肥料样品(250 g 500 g 750 g)及商品粒状肥料(按照水肥比为20∶1[19]的比例浸入水中，其中肥料用网袋包起来，在水中静置,温度保持室温,按照每隔3天取样一次，等含量基本稳定时再适当延长取样时间，对浸提液进行养分测定，绘制养分释放曲线。在测定时将浸提液稀释100倍。该曲线的横坐标是浸泡天数，纵坐标为浸提液中总N、P、K的含量。

1.2.2 淋溶法

用自制淋溶器(直径110 mm,长250 mm的塑料管子和漏斗制成)在淋溶器的底部垫上脱脂棉和网子，将沙子洗干净和肥料(都取750 g)一块加入淋溶器中，肥料离淋溶柱底部50 mm距离淋溶柱上边50～60 mm.，置于实验室室温条件下进行。分别于1、3、5，10、15……天淋水，每次淋水400 mL，浇水之后将淋溶柱顶端密封，防止水分蒸发，收集淋溶液，进行养分N、P、K浓度的测定，绘制分解曲线。测定养分含量时将淋溶液稀释1000倍。

其N P用德国布朗-卢比公司生产的AA3流动分析仪测定，K 用德国耶拿公司ContraAA300测定。

1.3 动力学模型

动力学方程是描述阴阳离子在土壤中化学行为的重要手段[20]。目前应用较多的有以下几种动力学模型[21]。

一级动力学方程：Y=Y0(1-e-kx)。 （1）抛物扩散方程：Y = Y0(K1X1/2+C)。 （2）Elovich方程：Y=a+blnX。 （3）式中：Y为X时间段内水中养分释放量； Y0为养分最大释放量；X为释放时间；K为表观释放速率常数； K1为相对扩散系数；C为常数；a为常数；b为与释放速率相关的常数。

1.4 数据处理

采用origins8.0对曲线进行拟合，spss11.0对实验数据进行相关性分析，对不同肥料的不同释放阶段进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

在不同的时间，分别检测包膜肥料滤液中养分质量浓度的变化，可深入了解包膜缓释肥料养分释放的动态变化规律[22]。理论上讲由于肥料的释肥量取决于肥料中的养分含量的多少因此可以用动力学方程进行拟合，其目的就是了解肥料中养分的释放行为，为以后和作物的需肥规律结合提供预测性的指导。

2.1 不同肥料的养分释放曲线及动力学模型

2.1.1 养分释放曲线

水浸法反应的是肥料养分释放的累积变化过程，实验中对浸泡液按时间顺序取样，测定不同时期浸提液中的养分含量，而淋溶法则可对每阶段肥料养分释放速率的变化表现的更加直观，通过对林溶液不同时期的N P K的测定，可以看出不同时期养分具体释放速率的情况，结果如图1～6。

图1 水浸法溶液中总N含量变化Fig. 1 Changing curves of total N content in leaching solution

图2 水浸法溶液中总P含量曲线Fig. 2 Changing curves of total P content in extracting solution

图3 水浸法溶液中的K含量Fig. 3 Changing curves of K content in extracting solution

图4 淋溶液总N含量变化Fig. 4 Changing curves of total N content in leaching solution

图5 淋溶液总P含量变化Fig. 5 Changing curves of total P content in leaching solution

以上图1～图3反应了肥料养分的累积释放过程，从图中可以看到，在整个实验间段，对照组中的粒状肥料的释放量明显高于其他块状肥料。块状肥料养分的释放大体可以分为3阶段：第1阶段为快速释放阶段，其中大多块状肥是在前6天。第2阶段为慢速释放阶段，块状肥是从第6天到第21天，第3阶段为平衡阶段。而粒状肥在所作实验的45天内却可以归纳为二个阶段的第一阶段也为快速释放阶段，此阶段是在前3天，第2阶段为可看做慢速释放阶段即从第3天到第45天。图4～图6反应了肥料养分瞬时的释放能力，由图可以看到，前五天内粒状的释肥能力明显高于个块状肥，但随着时间的推移粒状肥料的释肥能力逐渐小于块状肥，最后几乎接近零。从整个淋溶过程来看，肥料的释放速率在前3天均呈现出急速下降，在第5天的时候往往又会有一定的回升，随后所有肥料的N P K释放率都逐渐降低，其原因可能是在前3天淋溶的养分表现为肥料表面养分的溶解，即通常所说的肥料的初级溶出率，等到肥料表面养分淋溶完成时，即表现为图中第3天的低谷。接着进行淋溶是肥料内部的养分借助水势向外渗透，因此在图中表现为释放量会增加。但随时间的增加，肥料由内到外的渗透逐渐变得困难或者是由于养分的释放趋于结束，所以后期的养分释放量表现为成递减趋势。

图6 淋溶液K的含量变化Fig. 6 Changing curves of K content in leaching solution

2.1.2 养分释放动力学模型

从理论上讲，由于控释肥的释氮量取决于肥料中氮素的多少，所以控释肥在培养期间养分释放曲线可以动力学方程来描述，这对了解肥料释放过程有预测性作用，本文利用一级动力学方程、抛物扩散方程和Elovich方程对各肥料水浸法的释放特性进行拟合。其中对各拟合方程进行相关性检验都达到极显著水平，由表2可以看出，一级动力学方程对本实验中的块状肥料的拟合度相对较高，其拟合优度大部分可达0.95以上，而Elovich方程对于粒状肥料的拟合度较高。

表2 水浸法N P K的各种释放曲线拟合方程的相关参数†Table 2 Relation parameters of leaching N P K release fitting curve equations

根据一级动力学模型Y =Y0(1-e-kt)式中的K反应了养分的释放速率，K值越大释放速率越快，而Y0反应了肥料的最大释放能力，但是在培养期间控释肥及其配比溶出的养分可能以挥发或其他形式部分损失，所以养分的最大释放量不可能达到理论最大值，Y0的大小可能是和肥料的外观造型有一定的关系。

由此可以根据K值对块状肥料的释放速率进行排序:

N的释放速率大小顺序Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅵ；P的释放速率大小顺序Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅵ；K的释放速率大小顺序Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅵ。

从上面的K值排序中不难发现N、P的肥料的释放速率通常都满足：有孔＞无孔，质量小的＞质量大的，说明不同造型和质量块的肥会对肥料养分释放有由影响，而它们反应到本质上是由于肥料的表面积与体积比对养分释放有影响。

2.2 统计分析

本研究中以P为研究对象，根据前文的3阶段理论，以前6天，6天～21天，21天以后的阶段累积淋溶数据分别使用SPSS11.0对7种肥料的P释放速率进行方差分析结果如下：

表3 各阶段的方差分析†Table 3 Variance analysis of each stage

由表4可以看出，在第一阶段肥料的释放浓度大小顺序为CK＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅵ；在第二阶段释放浓度的大小顺序为Ⅵ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅲ＞CK＞Ⅰ；而在第三阶段各肥释放速率差异不明显。在第一阶段中Ⅰ＞Ⅱ，Ⅲ＞Ⅳ，Ⅴ＞Ⅵ，说明在释放初期有孔肥料释放率大于无孔的，在第二阶段Ⅵ＞Ⅴ，Ⅳ＞Ⅲ，Ⅱ＞Ⅰ，说明在释放中期无孔肥料的释放率要大于有孔的。初期满足Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅴ，Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅵ,说明质量越大的肥料的释放速率越低，到了中期满足Ⅵ＞Ⅳ＞Ⅱ，Ⅴ＞Ⅲ＞Ⅰ,说明粒状肥料普遍在前期释放较快，中后期释肥能力较弱，而块状肥正好相反，且肥料块越大的肥料后期越有利于养分的释放。

以6种块状肥料有孔和无孔和3种质量为两因素，对其进行多因素方差分析，结果显示肥料的外观造型和质量的大小均会对肥料养分的释放有显著影响。

2.3 缓效性评价

肥料缓释性的评价方法有很多，而且各评价的体系均不同，其中王小利[24]等人用肥料养分释放80%的时间进行对比，释放时间越长，缓释性越好。而我国的缓释肥国标也有其自身的一套评价体系。根据我国2009年9月1日制定的《缓释肥料》国家标准缓释肥料在25℃静水中浸泡24小时初期养分释放率小于15%,28天累积养分释放率小于80%,实验对磷进行抽查，通过测定肥料中磷的含量和浸提液中的含量，根据拟合式计算出1天和28天时的养分分解百分率如下：

表4 P的溶出率Table 4 Dissolution rate of P from different fertilizers with different release time

由表4可以看出，所有肥料的释放均满足缓释肥国标，实验中块状控释肥24小时和28天的溶出率相对于对照组CK均有不同程度的减小，其中Ⅰ号肥料相对于CK分别减小了27.02%和8.86%，Ⅱ号肥料相对CK分别减少了38.99%和1.33%，Ⅲ号肥料相对于CK分别减小了35.22%和13.66%，Ⅳ号肥料相对于CK分别减小了41.83%和5.86%，Ⅴ号肥料相对于CK分别减小了48.51%和10.22%，Ⅵ 肥相对于CK分别减小了57.23%和11.70%。而无孔肥料相对于粒状肥料24小时和28天的溶出率分别减少了46.02%和6.30%，于有孔肥料相对粒状肥料24小时和28天的溶出率分别减少了36.92%和10.92%。各肥料释放率24小时表现为粒状＞有孔＞无孔，在28天时释放率表现为粒状＞无孔＞有孔，而整个过程中质量越小的肥料释放率愈大。这与上文通过建模常数排序和方差分析及多重比较排序的结果相一致。

3 结论与讨论

(1)块状肥料养分的释放特性基本满足一级动力学方程，其N P K 的释放趋势基本一致，即释放量在前期均是急速上升，然后缓慢上升至平稳，而粒状包膜肥在试验阶段满足Elovich方程。根据Aharoni等[23]指出,如果实验数据与Elovich方程具有较高的相关系数,扩散过程是非均相的扩散过程,即此处包膜肥养分的释放并不是简单的一级反应,而是一个由反应速率和扩散因子综合控制的过程。由此可以推断二者在释放机理上可能有所差别。

(2)对肥料养分的释放率数据进行分析所有的块状肥料缓释性均要好于粒状，而有空和无孔的肥料往往在初期有孔的释放量要大于无孔的，后期则相反。质量大的在前期释肥缓慢，后期要好于质量小的，从表面上看是由于外观以及质量对肥料缓释性有影响，但从其内部原因分析在初期影响肥料释放主要是肥料的表面积与体积比。无论是不同造型，还是不同质量的肥料，或者是粒状肥，在初期养分的释放速率是与它自身的表面积与体积比成正比，即表面积/体积的值越大，肥料初期溶出率就越大，其原因可能是在前期的养分释放主要是肥料表面的养分，表现为肥料的初级释放，这时同样质量的肥料表面积越大，其释放率也会越大，而在中后期肥料的养分释放主要是靠上文所提到的渗透，即肥料内部和外部的养分浓度差，此时初期释放快的肥料其释放速率就会低于前期释放慢的肥料。因此肥料的释放从表面上看是随着时间的变化而变化的，但究其内部原因是由于渗透压造成，而渗透压又取决于浓度差，所以肥料的整个释放过是与肥料所处环境的养分浓度有着一定的关系，下图以水浸法一号肥的P作为研究对象，以释放率为纵坐标以溶液，可以看出肥料的释放率是随着浓度的增大而逐渐减小(见图7)。

(3)由于目前各种控释肥控释材料、控释途径、控释机理不同,而人们只是侧重于对肥料缓释性的研究，通过各种手段，肥料的缓释性虽然有了很大程度上的改变，但是却没有和植物的需求达到同步，而这却是要提高肥料利用的关键一步。因此至今没有一个统一的、完善的、标准且切合实际情况的评价方法可供依循。大量的研究往往只注重肥料的整体缓释效果，通常只是集中于肥料某个时间点的释放量或释放率进行研究，而忽略了肥料的释放过程，即通常所说的只重视肥料的缓释性，而忽略了与实际情况相结合，往往不能与植物需求规律满足。通常植物在初期需肥量较少，而目前的肥料大多是在初期释放较多，这样往往会造成天旱时烧苗，而雨水充足是养分流失，最终导致肥料利用率低下。在中后期当植物大量需要肥料时许多肥料往往释放不足，造成植物缺素，营养不良。

图7 浓度与溶解率的关系Fig.7 Relation of concentration and dissolution rate

综上所述，在选取肥料时不光要满足缓释性要求，还要结合此肥料的释放过程，最好选择初期溶出率想对较小，中后期释放量较大的肥料，结合本研究，即最好的缓释肥料为Ⅵ号块状肥料。

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Bulk controlled-release fertilizers’ nutrient release characteristics and sustained-release effect

LI hui,CHEN Shao хiong*,DU A peng,WU Zhi hua
(China Eucalypt Research Centre, Chinese Academy of Forestry, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

The leaching and eхtracting methods and were used to study N P K releasing characteristics and their sustained-release properties of bulk fertilizer and granular fertilizer，which were made of the same raw materials. The kinetic equation, Parabolic diffusion equation and Elovich equation were used to fit the element releasing processes. The results show the kinetic equation was the best one for matching the bulk fertilizer, its degree of fitting was more than 0.95, and the Elovich equation was more suitable for matching the granular fertilizer. Meanwhile, the release concentrations of P in different stages weere compared, the outcomes were that the fertilizers with different shape and quality had differences, the bulk fertilizer and the granular fertilizer in control group were significant different. In addition, the fitted equations of P were used to calculate the releasing rate of different fertilizer on the 1st and 28th day, the slow-releasing effects of all trial fertilizers reached the National Sustained-release Degree Standard. The non-porous bulk fertilizer’s dissolution rate reduced by 46.02% and 6.30%; compared in the 1stand 28th day granular fertilizer, the porous bulk fertilizer reduced by 36.92% and 10.92%, sustained-release effect was notable. Finally, fertilizer No.6 was selected as the best one of all trial controlled-release fertilizers after testing in the field.

bulk controlled-release fertilizer；sustained-release effect；granular fertilizer；leaching；degree of fitting；

S792.39;S714.8

A

1673-923X(2012)02-0049-07

2011-09-12

桉树长效基肥(2008B021000037)；林业公益性行业科研专项“桉树生态经营及产业升级关键技术研究”(201104003)

李 慧(1984-)，男，硕士研究生，主要研究方向：桉树肥料；E-mail；li.hui.cool.love@163.com；Tel:13729031218

陈少雄,研究员；E-mail: sхchen01@163.com

[本文编校:邱德勇]