包膜有机和无机缓释肥料的研制及其对土壤培肥的机理研究

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:doudou2008
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随着世界人口的日益增长,粮食的需求也逐年增加,为了满足全球粮食需求,很多地区施用了大量的传统化学肥料来促进单位面积内粮食的增产,虽然能提高作物的产率,但是多余养分的流失容易造成环境污染,所以如何提高肥料的养分利用率成为解决问题的关键。近年来,包膜缓释肥料在作物生产中得到了广泛地研究与应用,也获得了良好的反馈收益,但是由于许多包膜材料中包含有毒有害、不可降解的成分,对土壤、水体和大气环境都存在潜在威胁,所以开发既能提高肥料养分利用率,又能避免对环境造成二次污染的环境友好型肥料产品成为本研究关注的焦点。因此,本文对两种环境友好型包膜缓释肥料展开研究,通过对包膜材料比表面积、孔隙结构、膜层结构图像、官能团种类等进行研究,探究不同参数对包膜肥料缓释性能的影响,并应用于盆栽实验,探索包膜肥料对土壤培肥和作物生长反馈效果的影响。主要结论包含以下两个方面:(1)生物油包膜炭基缓释肥料:在小麦秸秆热解制备生物炭和生物油的过程中,热解模式和气氛会影响生物炭和生物油的理化性质。相对于一步热解,两步热解的生物炭在养分保留方面有更出色的表现,氮、磷、钾的保留率分别提高了6.47%、10.95%、8.58%。同时,在比表面积、孔容积方面也均有提升,CO2是比N2更加适合制备高吸附性生物炭材料的气氛。两步热解至800℃的生物油中含有大量的羟基官能团,对于提升生物油的包膜性能起到促进作用。将热解制备的生物炭和养分物质粉末按照比例混合均匀,养分物质的组分为(NH4)3PO4和KCl,将黏土作为粘合剂,用圆盘造粒机制作出颗粒肥料,在荸荠式包衣机中,将生物油喷洒至肥料表面,以80℃、40r/min的转速进行混合热固化反应,烘干干燥,获得生物油包膜炭基缓释肥料。在水溶液养分浸出方面,与传统肥料相比,生物炭基缓释肥料能提高肥料的缓释性能,养分释放率降低了7.0%-18.9%,而生物油包膜肥料的缓释能力进一步得到优化,养分释放率减少了14.6%-28.1%。在土壤养分淋失方面,相较于传统肥料,生物炭基缓释肥料的养分淋失率降低了37.6%-47.7%,经过生物油包膜的肥料降低淋失的效果更加显著,下降了45.2%-53.9%的水平。其中在CO2气氛下两步热解的包膜缓释肥料在水溶液和土壤环境中都表现出最优的缓释能力。在土壤培肥和小麦生长方面,施用生物油包膜肥料的植株干物质积累量增加,植株的氮、磷、钾含量相对于空白对照组和传统肥料组均有显著提高。其中,CO2气氛下两步热解的生物油包膜炭基缓释肥料最符合植物生长需求,是制备生物油包膜炭基缓释肥料的最佳技术工艺。(2)乙基纤维素包膜鸡粪缓释肥料:将鸡粪和黏土按照1:1的比例加入圆盘造粒机,速度设置为20r/min,混合制备出鸡粪颗粒肥料。称取适量的乙基纤维素置于烧杯中,将烧杯放入45℃的磁力搅拌器上搅拌20min,得到乙基纤维素包膜溶液。将鸡粪颗粒肥料放置于荸荠式包衣机中,将乙基纤维素喷洒至肥料表面,以80℃、40r/min的转速进行混合热固化反应,烘干干燥,获得乙基纤维素包膜鸡粪缓释肥料。乙基纤维素的浓度会影响包膜鸡粪肥料的缓释性能。与未包膜的鸡粪颗粒肥料相比,乙基纤维素的包膜处理提升了肥料的缓释性能,养分56天的水溶出率降低了6.78%-19.90%的水平,N、P、K的释放寿命分别为56d、70d、28d,其中乙基纤维素添加量为0.10g/ml的包膜肥料具有最佳的缓释能力。通过对包膜肥料进行孔隙结构、扫描电镜和表面官能团等性质的分析发现,膜层厚度的提高、平均孔径的减少和包膜材料中疏水基团的增多是包膜肥料对养分缓释作用提升的原因。同时,乙基纤维素浓度的差异会影响土壤培肥和作物生长的效果,乙基纤维素添加量为0.05g/ml、0.10g/ml、0.15g/ml的肥料种植的小麦植株的N含量较纯干鸡粪组分别上升2.89%、3.85%和2.04%,三组中累积N含量淋失率较纯干鸡粪组下降29.24%、33.62%和28.64%,P和K养分也有相应的效果,小麦植株的P含量较纯干鸡粪组分别上升1.49%、2.33%和1.13%,累积P含量淋失率分别下降31.18%、39.88%和46.51%,小麦植株的K含量较纯干鸡粪组分别上升1.43%、3.26%和2.42%,累积K含量淋失率分别下降13.23%、15.89%和13.51%,乙基纤维素包膜鸡粪肥料在提高养分利用率和减少养分淋失方面均表现出更优异的性能,既能提高土壤肥力,又能进一步促进作物的生长。以上两种制备新型包膜缓释肥料的方法为缓释肥料包膜材料的选择打开了新思路,同时也为秸秆和畜禽粪便等农业废弃物的资源化利用提供了理论指导。
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