凹凸棒土肥料粘结剂对生物有机肥成品品质及肥效的影响研究

凹凸棒土肥料粘结剂对生物有机肥成品品质及肥效的影响研究1研究背景凹凸棒土(attapulgite),又名坡缕石，是一种含水富镁硅酸盐黏土的非金属矿物，天然的凹凸棒土是一种层链状结构[1]，为海泡石族非金属粘土矿物。凹凸棒土因为有特殊的纤维结构，不同平常的胶体和吸附性能，所以其具有广泛的应用领域,常被誉为千土之王、万用之土。1862年，俄国学者隆科钦科夫首先发现这种矿物，并给起名为坡缕土(Palygorskite),后来在美国佐治亚洲奥特堡地区也发现了这种矿土，直到1935年，第拉百连特为其命名为Attapulgite。我国发现这种矿土的时间是为1976年，江苏的六合小盘山第一次发现了凹凸棒土矿物，我国学者许冀泉先生根据音译，以及该矿物晶体结构的特征，译成“凹凸棒土”，从此这个名字一直在国内使用[2]。凹凸棒土属于非金属矿物，是一种吸附性矿物，具有多孔性和离子交换性，具有改良土壤的作用[3]。这种矿物能提高土壤的保肥能力，改善土壤保水透气性和土壤的保温性、缓冲性，还可以稀释土壤的毒性[4,5]。在肥料中也有广泛的应用领域，如可以用于肥料的粘结剂，缓释肥料的载体，液体肥料的悬浮剂等[6,7],在提供肥料的微量元素方面也有着很重要的作用[8,9]。凹凸棒石具有良好的吸附性能，主要包括物理吸附和化学吸附。物理吸附是基于凹凸棒内部具有密集的微孔结构赋予其巨大的比表面积，通过范德华力将吸附质吸附于内外表面。化学吸附是基于凹凸棒的表面物理化学结构和离子状态独特，分子间可以产生化学键作用，使得凹凸棒石的表面形成吸附中心。由于凹凸棒石储量丰富，开发成本低，操作处理简单，吸附性能优异，使其作为脱色剂、吸附剂、除臭剂、净化剂等领域得以广泛使用[10,11]，并已取得可观的经济和社会效益。2研究意义随着研究的不断深入，凹凸棒土已经广泛应用到了诸多领域，但是纵观我国凹凸棒土的研究历史，关于其对于水污染的治理、土壤重金属改良的研究居多，但是关于凹凸棒土作为肥料粘结剂对肥料制作工艺以及对肥料肥效影响的农业应用研究还十分少见。本研究将以此为突破口，将不同比例的凹凸棒土作为肥料粘结剂与生物有机肥混经过一系列的制作流程生产出新型生物有机肥，并研究该生物有机肥成品品质、肥效和缓释效应，探索凹凸棒土施入肥料的最佳配比。该项研究能够为传统施肥方式的改良和新型肥料的研发提供新的方向和思路，为促进凹凸棒土在农业领域的应用提供理论支撑，这也对我国农业的可持续发展拓展新的突破点具有重要意义。3研究内容与目标本研究分为三个阶段，第一个阶段在生物有机肥的制备过程中施入不同比例的凹凸棒土肥料粘结剂，检测成品肥料的品质，探索出不同凹凸棒土施入量对生物有机肥成品的影响。第二阶段选取我国北方普遍种植的作物小麦作为供试对象,采用理论分析与实证研究,动态分析与静态分析,宏观分析与微观分析,田间实验与生化实验相结合的方法,研究不同比例的凹凸棒土肥料粘结剂所制成的成品生物有机肥对土壤理化性质和小麦生理生态指标的影响。第三阶段，通过田间试验对制成的新型生物有机肥的养分缓释效应进行探索，该研究阶段将定时对施肥后田间土壤养分进行检查，制作出养分变化曲线，最终总结出不同凹凸棒土施入量对生物有机肥养分缓释效应的影响。在研究后期，对肥料成品品质指标、土壤理化性质指标、小麦生理生态指标等试验数据进行对比和总结，探索凹凸棒土作为肥料粘结剂对生物有机肥成品和肥效的影响，总结出最优凹凸棒土的施入比例。旨在为凹凸棒土应用于生物有机肥制备领域，提高生物有机肥肥效提供科学依据,并为新型生物有机肥研制和应用提供技术支撑。4试验方法与设计4.1凹凸棒土粘合剂在新型生物有机肥制备中的应用研究4.1.1试验材料与设备试验材料：生物有机肥、凹凸棒土试验设备：搅拌机、圆盘造粒机、滚筒烘干机、滚筒冷机、筛分机。4.1.2肥料工艺制备的工艺流程及方法为确定凹凸棒土粘结剂在生物有机肥造粒中的最优用量，肥料制备过程中每批次进料量为1t,粘结剂凹凸棒土的用量分别为总物料量的0、5%、10%、12%、14%、16%、18%、20%。肥料造粒方法为圆盘造粒法,具体采用的工艺流程如图1所示。将粉碎后的生物有机肥与一定量的凹凸棒土放入搅拌机加水搅拌，然后经过造粒、烘干冷却、筛分后得到肥料成品，并对肥料成品的成粒率、颗粒平均抗压强度、颗粒PH、肥料的吸水倍率及平衡水含量进行检测，分析不同凹凸棒土施入量对新型生物有机肥的品质影响。图1新型生物有机肥的制备工艺流程4.1.3待测项目和方法1）颗粒平均抗压强度：随机抽取各凹凸棒土施入量下肥料成品颗粒30粒，然后依次采用颗粒强度测定仪测定其颗粒强度，最后取其平均值；2）颗粒成粒率：颗粒成粒率是指大于1mm肥料颗粒所占总物料质量的百分比。具体测定方法是用孔径为1mm的尼龙网筛筛选成品肥，称量大于1mm的颗粒，用下述公式计算：颗粒成粒率=(大于1mm的颗粒质量／总物料质量)×100％；3）颗粒pH：称取10g(精确至0.01g)成品肥料置于100mL烧杯中，加50mL水，搅拌1min，澄清后用pH酸度计测定颗粒pH；4）肥料的吸水倍率及平衡水含量：称取1g(精确至0.01g)成品肥m1，浸入一定体积的水中，待肥料充分吸水膨胀后用滤纸去除多余水分，称量记为m2。吸水倍数=(m2-m1)／m1；平衡水含量=[(m2-m1)／m2]×100%。4.2新型生物有机肥对土壤理化性质和作物生理生态指标的影响研究4.2.1试验方案与设计新型生物有机肥制成后分别对其进行编号，各编号所对应的肥料中凹凸棒土所占比例如表1所示。试验采用大田试验的方法，试验作物为小麦。将7种成品肥料视为7种处理，按照1.5t/hm2的施入量分别施入田间试验小区，并将肥料编号标记在小区旁边，以便于后期数据的采集和记录。试验每个处理重复三次，成品各处理施入的小区位置采用随机区组排列，每个小区面积为20m2（4m×5m），各小区的耕作方式与灌水量均相同。小麦于3月种植，待小麦出苗后统计各小区出苗率，并在小麦各生理期测定小麦株高、叶面积。小麦收获后60℃烘干，测定千粒重、穗粒重和穗粒数，重复5次，并测定小麦的淀粉、蛋白质及干物质含量。同时立即采集各小区土壤送往实验室进行土壤理化性质的测定。并对比各处理中土壤理化性质及小麦生理生态的指标，分析出不同凹凸棒粘合剂施入量对生物有机肥的肥效效益的影响机理。表1：试验各处理中凹凸棒土所占比例处理编号凹凸棒土所占比例（%）CK0C15%C210%C312%C414%C516%C618%C720%4.2.2待测项目及测定方法1）土壤团聚体：采用干筛法测定，土壤团聚体的分级为＞5mm、5~2mm、2~1mm、1~0.25mm、小于0.25mm；2）土壤容重：环刀法进行测量，将花盆内土壤铲平，去除环刀两端的盖子，再将环刀（刀口端向下）平稳压入土壤中，切忌左右舞动，在土柱冒出环刀上端后，用铁铲挖周围土壤，取出充满土壤的环刀，用锋利的削土刀削去环两端多余的土壤，使环刀内的土壤体积恰为环刀的容积。在环刀刀口垫上滤纸，并盖上底盖，环刀上端盖上顶盖。擦去环刀外的泥土，立即称重，并进行后续计算后得出；3）土壤含水量：烘干法进行测量，在紧靠测定土壤容重时环刀采样处，再采土10－15克，装入铝盒带回实验室内，将盛有新鲜土样的铝盒在分析天平上称重，准确至0.01g。揭开盒盖，放在盒底下，置于已预热至105±2℃的烘箱中烘烤12h。取出，盖好，移入干燥器内冷却至室温（约需30min），立即称重。新鲜土样水分的测定应做三份平行测定；4）土壤孔隙度：直接可以利用公式1-（土壤容重/土壤密度）×100%得出；5）土壤颗粒组成：用比重计法进行测定；6）土壤化学性质：土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；全氮采用半微量开式蒸馏法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；全磷采用分光光度法定量测定；速效磷采用碳酸氢钠法测定；全钾与速效钾用火焰光度法测定；7）小麦株高：指小麦最高点与地面的垂直距离，均用直尺测量，测量后得到的平均值为测定的株高；8）小麦叶面积：用直尺量取样本植株所有小麦叶片的长度（叶片基部至顶端）和宽度（量取距叶片基部3～5cm处的宽度，即叶片最大宽度）,各叶片长宽乘积后再求和,再乘以0.83，即所有绿叶叶面积之和，再除以样本株数得到单株叶面积；9）小麦籽粒淀粉含量的测定用国标GB5514-85，蛋白质含量的测定用凯氏定氮法，干物质含量的测定按照国标GB/T14769-93。4.3新型生物有机肥的养分缓释效果研究4.3.1试验方案与设计凹凸棒土由于其特殊的理化性质，施加在肥料中具有控释肥料的效果，为了检测研究中制备的新型生物有机肥的释放效果，本试验设计了只施肥、不种作物的大田实验，观察肥料的养分释放效果。将已经制成的7种生物有机肥，分为三个施肥梯度（0.75t/hm2，1.5t/hm2，2.25t/hm2）分别施入试验小区，每次处理三次重复，随机区组排列，小区面积为6m2（2m×3m）。3月中下旬土壤解冻后及时耕翻土壤，结合耕翻一次性将肥料均匀施入对应的小区，随即覆膜。试验于9月上旬结束，试验过程中每20天取土一次，取样深度为0~20cm，跟踪土壤养分的动态，评估新型生物有机肥养分释放效果。4.3.2待测项目及测定方法1）土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；2）全氮采用半微量开式蒸馏法测定；3）碱解氮用碱解扩散法测定；4）全磷采用分光光度法定量测定；5）速效磷采用碳酸氢钠法测定；6）全钾与速效钾用火焰光度法测定。5数据处理利用统计分析软件MicrosoftExcel和SPSS对试验后期所得到的数据信息进行统计分析并完成数据图表的制作。6参考文献[1]杨婕，陈敬中.江苏盱眙坡缕石的矿物学特征[J].资源调查与环境,2004,25(3):190-196.[2]胡涛,钱运华.凹凸棒土的应用研究[J].中国矿业,2005,14(10):73～76.[3]李小为.化肥使用中存在的问题[J].农村科学实验,2000,6:1～4.[4]ChenH,WangA.Kineticandisothermalstudiesofleadionadsorptionontopalygorskiteclay.JournalofColloidandInterfaceScience,2007,307(2):309-316.[5]Álvarez-Ayuso,E.Garcia-SanchezA.,Palygorskiteasafeasibleamendmenttostabilizeheavymetalpollutedsoils,EnvironmentalPollution,2003,125(3):337-344.[6]侯翠红,张宝林,王光龙,等[J].化工矿物与加工,2002,(1):13～15.[7]育会娥.凹凸棒在肥料中应用的基础研究[D].郑州大学.2014:8~9[8]杜相革,董民,曲再红等.有机农业和土壤生物多样性[J].有机农业和食品科学,2004,20(4):80一83[9]李晓,王迎春.土壤微生物多样性与植物多样性[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2006,37(6):710一71[10]王青宁，李澜等.凹凸棒粘土脱色剂对航空煤油脱色研究.非金属矿,2007,30(2):40-42.[11]茹乐平.鞋及鞋垫夹层用除臭剂.中国:发明专利申请公布,CN1425469.2003.