沸石包膜重过磷酸钙肥料养分释放特征及其对大豆的生物效应

王 伟，胡 钰，孙志玲，蔡姗姗，李玉梅，李 艳，魏 丹，孙 磊

（1.黑龙江省黑土保护利用研究院，黑龙江 哈尔滨 150028；2.北京市农林科学院 植物营养与资源研究所，北京 100081）

0 引言

磷是植物生长必需的营养元素，对大豆生长发育有着重要作用［1］，土壤中少部分有机磷可被农作物所利用［2］。磷肥施入土壤后，由于土壤的固定和吸附作用，仅有小部分磷溶解在土壤溶液中被农作物吸收利用，降低了磷肥利用率［3］。大量施用磷肥，土壤磷素不断积累，并通过淋滤的方式流失引起水体富营养化［4］。

沸石是一种多孔状碱金属和碱土金属的硅铝酸盐矿物，由硅氧四面体（SiO4） 和铝氧四面体（AlO4）构成的独特三维骨架决定了其在农业生产中具有良好的应用性能。因为铝是+3 价，硅是+4价，所以每个骨架铝原子的引入都会相应地产生一个单位的负电荷。为了保持沸石的电中性，沸石骨架需要吸附阳离子（如Na+、K+、Ca2+等）来平衡电荷，且不同的阳离子之间可以自由交换［5］，良好的阳离子吸附和交换性能，为沸石应用于缓释肥料提供了可能。沸石施入土壤后不但能提高化学肥料的利用率、改良土壤、保持土壤水分，还能修复土壤重金属污染［6-7］，因此，沸石基缓释肥料作为一种新型肥料具有良好的应用前景［8］。

魏莎等［9］发现利用天然沸石作为土壤调理剂，能在一定程度上提高土壤速效磷的含量。邵宗臣等［10］研究发现，施用沸石能明显改变土壤中不同形态无机磷的组成，提高土壤中水溶性磷的含量，并增加磷肥的生物有效性。赵斌等［11］研究表明，沸石包膜重过磷酸钙（以下简称重钙）肥料在土壤和石英砂中的磷素释放速率明显慢于普通重钙肥料。李录久［12］指出，沸石可以提高农作物地上部各器官的磷含量，促进其从根部运输到地上部茎叶，提高磷肥利用率。胡钰［13］研究表明，沸石包膜重钙肥料能显著减少磷素的淋失，其中，在石英砂中施用20%沸石包膜重钙肥料减少磷素淋失的效果最为显著。沸石包膜重钙肥料对大豆生长发育有明显的促进作用，施用20%沸石包膜重钙肥料可以显著提高大豆产量。

笔者利用沸石矿物材料和聚乙烯醇对普通重钙进行包膜制成沸石包膜重钙肥料，并开展淋溶实验和田间试验探讨其磷素释放特性及生物效应，以期为沸石包膜重钙肥料在农业生产中的进一步研究、推广及应用提供理论指导和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

植物：供试大豆品种为黑河43。

肥料：尿素，w（N）为46%；重钙，w（P2O5）为46%；氯化钾，w（K2O）为60%；沸石包膜重钙1（FT1），w（P2O5）为41.4%，w（沸石）为10%；沸石包膜重钙2（FT2），w（P2O5）为36.8%，w（沸石）为20%。

包膜材料：沸石，粒径≤0.025 mm；羧甲基纤维素钠，分析纯；聚乙烯醇。

1.2 包膜肥料的制备

将沸石末置于烘箱中在105 ℃条件下烘干2 h，取出备用。称取聚乙烯醇5 g置于玻璃烧杯中，加入去离子水100 mL 和甲醛5 mL，然后于磁力搅拌器上搅拌10 min，使物料混合均匀。再将烧杯放入恒温水浴锅中，逐渐升温使聚乙烯醇溶解，并不断搅拌，在80 ℃恒温条件下保持30 min。

称取重钙270 g置于匀速转动的容器中，将质量分数2%的羧甲基纤维素钠溶液喷洒于其表面，使颗粒表面形成一层黏液，将15 g沸石末撒在颗粒表面，并转动容器片刻，使颗粒表面形成一层紧密的包裹层，再喷洒一部分热聚乙烯醇溶液以浸润包裹层，再撒15 g沸石末，继续转动容器，直到黏结剂完全浸润包裹层中，重复上述过程3～4次，包膜完成后将肥料敞开放置24 h使包裹层固化，得到沸石包膜重钙1（FT1）。称取240 g 重钙，用同样方法，分2次分别撒施30 g沸石末制备沸石包膜重钙2（FT2）。

1.3 淋溶实验设计

土柱淋溶实验：参照PARAMASIVAM 等［14］提出的方法，向预先用孔径为0.074 mm 滤布封底口（在滤布上垫少量的玻璃棉）的聚氯乙烯塑料管（内径5 cm，高40 cm）中模拟耕层以1.3 g/cm3的容重先装入土壤（经风干处理，并过2 mm 筛） 200 g（约10 cm高），再在其上按同样紧实度装入土壤与肥料的混合物200 g（w（P）1 000 mg/kg），上面再以少量砂子（25 g）覆盖以防加水时扰乱土层。以不加肥料的土柱作为对照，每个处理重复3 次。第1 次根据土壤的饱和水含量先加入100 mL去离子水使土壤水分接近饱和，培养1 d；再向淋溶柱中加入50 mL去离子水，收集5 h 内的淋溶液，淋溶结束后以刺有小孔的保鲜薄膜封闭塑料管上口，室温下培养2 d，用50 mL去离子水进行第2 次淋溶；以后每隔2 d按同样方法进行操作，淋溶后收集淋溶液并分析各次淋溶液的全磷、有效磷含量。

石英砂淋溶实验：以洗净的石英砂代替土柱，淋溶步骤与土柱淋溶实验相同（第1次淋溶前也加100 mL去离子水）。

1.4 田间试验设计

试验于2019 年在嫩江试验园区进行，试验用土为黑土，质地为黏壤，取土深度范围为0～20 cm耕层土壤，w（有机质）32.6 g/kg，w（碱解氮）、w（P2O5有效）、w（K2O速效）分别为147.7、45.0、189.8 mg/kg。

共设5个施肥处理（见表1），全部肥料作基肥施入，每个处理重复3次，随机区组排列，每小区面积为39 m2。收获后测定大豆的株高、百粒质量、秸秆干质量。

表1 各施肥处理肥料用量 kg/hm2

1.5 分析方法

全磷测定采用NaOH 熔融-钼锑抗比色法［15］；速效磷测定采用碳酸氢钠-钼蓝比色法［16］。

1.6 数据分析

利用Excel 2003完成数据计算及图表绘制，利用SPSS19.0 软件进行相关性及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 沸石包膜重钙对磷素释放特征的影响

2.1.1 沸石包膜重钙在土壤中磷素淋溶特征

不同类型肥料在土壤中全磷淋溶情况如图1所示。由图1可以看出，3种肥料通过7次（14 d）土柱淋溶实验，全磷淋溶积累量为FT2＞重钙＞FT1，与重钙相比，FT2 全磷淋溶量增加31.83%，FT1减少19.72%。从3种肥料全磷的释放曲线可以看出，全磷淋溶浓度呈波动变化趋势，施用重钙和FT1，全磷浓度均在第6 次（第12 天）淋溶时达到最大值，而后下降。由此可见，在土壤中施用FT1能减少全磷淋溶量；施用FT2增加全磷淋溶量，可能是增大沸石与重钙的质量比，加速重钙溶解，溶解的磷超出了沸石的吸附能力，增加了土壤全磷淋溶量。

图1 不同类型肥料在土壤中全磷淋溶情况

不同类型肥料在土壤中有效磷淋溶情况如图2所示。由图2 可以看出，3 种肥料通过7 次（14 d）土柱淋溶实验，有效磷淋溶积累量为重钙＞FT2＞FT1，与重钙相比，FT2 有效磷淋溶量减少2.52%，FT1 减少41.67%。从3 种肥料有效磷的释放曲线看，淋溶7次后，重钙和FT2的有效磷淋溶浓度仍有较强的升高趋势，FT1在第6次淋溶（第12天）时有效磷浓度达到最大值，而后下降。由此可见，在土壤中施用FT1肥料对减少有效磷淋溶的效果更好。

图2 不同类型肥料在土壤中有效磷淋溶情况

2.1.2 沸石包膜重钙在石英砂中磷素淋溶特征

不同类型肥料在石英砂中全磷淋溶情况如图3所示。由图3可知，3种肥料通过7次（14 d）石英砂柱淋溶实验，全磷淋溶累积量为FT2＞重钙＞FT1，与重钙相比，FT2 全磷淋溶量增加9.91%，FT1 减少7.30%。从3 种肥料全磷的释放曲线上看，施用FT2 在第1 次（第2 天）淋溶时淋溶液全磷浓度达到最大，而后呈逐渐下降趋势，施用重钙在第3 次（第6 天）淋溶时淋溶液全磷浓度达到最大，施用FT1 在第2 次（第4 天）淋溶时淋溶液全磷浓度达到最大值，第4次淋溶后，全磷浓度平缓下降。3种磷肥在石英砂中全磷淋溶累积量明显高于土壤；在石英砂中施用FT1 能减少全磷淋溶量，但较在土壤中施用效果差，可能是沸石在石英砂中的吸附能力较土壤中小，增加了全磷淋溶量；施用FT2增加全磷淋溶量。

图3 不同类型肥料在石英砂中全磷淋溶情况

不同类型肥料在石英砂中有效磷淋溶情况如图4所示。由图4可知，3种肥料通过7次（14 d）石英砂柱淋溶实验，有效磷淋溶累积量为FT2＞重钙＞FT1，与重钙相比，FT2 有效全磷淋溶量增加7.64%，FT1减少1.49%。从3种肥料有效磷的释放曲线来看，3种肥料有效磷在前期淋溶中，表现出“集中爆发式”释放特征。3 种肥料在石英砂中有效磷淋溶累积量明显高于土壤。由此可见，在石英砂中施用FT1 能减少有效磷淋溶量，但较在土壤中施用效果差，可能是沸石在石英砂中的吸附能力较土壤中小，增加了有效磷淋溶量；施用FT2增加有效磷淋溶量。

图4 不同类型重钙在石英砂中有效磷淋溶情况

2.2 沸石包膜重钙对大豆生长及产量的影响

沸石包膜重钙对大豆生长及产量的影响见表2。由表2 可知，与习惯施肥处理相比，优化施肥处理的株高和秸秆量增加3.17%和5.10%，产量下降2.82%。优化施肥处理与优化施肥-不施磷处理相比，优化施肥-不施磷处理株高降低1.62%，产量下降3.14%；与优化施肥处理相比，优化施肥减磷25%（FT1）处理和优化施肥减磷25%（FT2）处理的株高分别降低3.74%和5.95%，产量分别提高3.86%和9.99%。施用20%沸石包膜重钙肥料对促进大豆生产和提高产量效果更好。

表2 沸石包膜重钙对大豆生长及产量的影响

3 讨论

通过电子显微镜观察，沸石结构内部孔隙较多、较大，这与姜新福等［17］的研究结果一致。石勤等［18］指出，沸石的类型和粒径、施用量，土壤质地和结构，以及肥料的类型和来源影响沸石基缓释肥料的性能。本研究中通过土柱淋溶实验和石英砂淋溶实验得出，施用10%沸石包膜重钙肥料能减少磷素淋溶损失，且在土壤中施用效果更好，施用20%沸石包膜重钙肥料增加全磷淋溶量，这与胡钰［13］的研究结果不一致，原因可能是实验土壤不同，实验所用沸石包膜重钙肥料是由实验室制备，工艺尚未成熟，也可能是导致实验结果不一致的原因。施用20%沸石包膜重钙肥料增加全磷淋溶量，可能是沸石与磷矿的质量比值增大，加速重钙溶解，但溶解的磷量超出了沸石的吸附能力，增加了全磷淋溶量。华利民［19］研究表明，增施磷肥能促进根瘤生长，提高大豆固氮能力，提高大豆产量。施用沸石包膜重钙肥料能提高土壤全磷和有效磷含量，提高大豆产量，施用20%沸石包膜重钙肥料效果更好，这与胡钰［13］研究结果一致。

4 结论

10%沸石包膜重钙肥料能减少全磷、有效磷淋溶量，在土壤中的施用效果比石英砂中更好。20%沸石包膜重钙肥料增加全磷淋溶量。

优化施肥能促进大豆生长，增加株高。优化施肥水平下，施用沸石包膜重钙肥料能提高大豆产量，施用20%沸石包膜重钙肥料效果更好。