磷酸盐改性尿素醛缓控释肥料制备以及性能研究

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针对传统速效肥引发的环境污染和资源浪费等问题,越来越多的学者关注缓控释肥的研究与应用。尿素醛(UF)是最常见的缓控释肥之一,也是较早研发应用的缓释肥。由于UF缓释肥料的养分释放周期过长,周期通常为1~2年,不利于作物对养分的吸收利用。因此,对UF进行改性从而提高其养分释放速率显得尤为重要。目前关于磷酸盐改性UF的研究还很少,磷酸盐改性UF肥料在农业中的具体应用及其对土壤理化性质的影响也还很模糊。针对上述问题,本研究具体研究内容以及研究结果如下:(1)本论文采用溶液聚合配合原位挤出技术,将磷酸盐(磷酸二氢钙MCP、磷酸二氢铵ADP和磷矿粉PRP)穿插在形成的UF大分子链间,制备得到新型含氮、磷养分的缓控释肥料。采用TG、XRD和FTIR等测试手段对肥料的结构和官能团等进行了表征和分析,通过XPS研究了肥料表面元素价态的变化,并对制备机理和所制备的改性缓控释肥在静水中的养分缓释速率进行了研究。TG和DTG的结果表明磷酸盐的加入使得改性UF分子链长度小于相同工艺制备的纯UF分子链,其中PRP/UF只有一个峰,表明形成的PRP/UF分子链长短均匀。由XRD分析可知,磷酸盐降低了UF的结晶度,其中ADP/UF的尿素结晶峰的位移程度最大,表明ADP在UF基体中的分散性最好,对UF分子间氢键的破坏程度最大。在FTIR谱图中,ADP/UF磷酸基团的P=O伸缩振动峰从1271 cm-1处位移到1247 cm-1,PRP/UF磷酸基团的PO43-反对称伸缩振动峰从1098 cm-1处位移到1132 cm-1,表明ADP、PRP与UF之间存在强烈的氢键作用。通过XPS谱图中结合能的增加与降低可得磷酸盐与UF的反应机理。TG、XRD、FTIR和XPS等结果表明成功制备了磷酸盐改性UF肥料且两种组分间不是简单的物理混合,而是分子间形成了氢键作用,破坏了UF大分子链的有序排列,从而降低了UF的结晶度。静水试验研究表明,磷酸盐改性肥在水中放置140天后,UF、MCP/UF、ADP/UF和PRP/UF的氮累计释放率分别为70.73%、80.13%、84.29%、81.07%,MCP/UF、ADP/UF和PRP/UF的磷累计释放率分别为31.22%、99.05%、38.21%。结果表明,UF中加入磷酸盐能够改善养分释放性能,更匹配作物生长对养分的需求规律。(2)通过小油菜盆栽实验,系统性研究了不同种类磷酸盐改性UF缓控释肥料在土壤中的养分释放速率以及其对土壤理化性质、小油菜氮磷含量、根长、根重、干重和产量的影响。盆栽实验的结果表明,UF与磷酸盐合成的改性肥料明显改善了UF中养分的释放速率,磷酸盐在其中发挥了关键作用,其通过影响原位形成的UF分子链的长度,进而影响肥料养分的释放。此外,磷酸盐改性UF缓控释肥料均显著改善了土壤的理化性质。磷酸盐改性肥使土壤p H值趋近于中性,有利于土壤微生物生长,增加了土壤微生物的数量和酶活性,改善了土壤的稳定性,提高了土壤肥力。磷酸盐改性UF缓控释肥料的加入显著提高了小油菜中氮磷的含量、根长、根重、干重和产量。氮磷质量比为2:1和尿素甲醛摩尔比(即U/F)为1.4:1制备得到的PRP/UF-2/1-1.4/1处理的小油菜产量最高、植株氮磷含量最多、根长最长、根重和干重最重。此处理的植株根系发达且粗壮,可以更强有力的吸收土壤中的水和各种养分。同时,土壤理化性质最佳,脲酶活性和磷酸酶活性更高,肥料养分释放时间更长,实验后期养分释放量较多,更加符合小油菜的需肥规律,使产量增加。
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