仿生型水基共聚物包膜尿素改性机理及其养分释放特征

水基共聚物包膜尿素控释期较短,通过仿生改性技术提升水基共聚物包膜尿素养分控释期并明确其养分释放特征是实现其在农业生产中应用的重要影响因素。为了探究仿生型水基共聚物包膜尿素的改性机理及养分释放特征,本研究采用壳聚糖、淀粉和聚乙烯醇合成的水基共聚物膜材料为原料,通过纳米二氧化硅和1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷对其进行仿生改性并制备仿生型水基共聚物包膜尿素。探究不同温度和土壤水分条件下仿生型水基共聚物包膜尿素养分释放的动力学和热力学特性,并结合扫描电镜、能谱分析、热稳定性分析、原子力电子显微镜,探究其养分释放机理。试验结果表明,仿生改性后水基共聚物包膜尿素的缓释效果显著提升,42 d氮素累积释放率比水基共聚物包膜尿素降低了7.23%。此外,通过一级动力学方程探讨了仿生型水基共聚物包膜尿素的动力学和热力学释放特性,结果表明:随着土壤含水量的增高,活化能Ea逐渐减小;吉布斯自由能变量.G>0、熵变.S>0、焓变.H<0表示包膜尿素在土壤中的释放不是一个独立的系统,与土壤环境发生了热量交换,并明确了土壤温度和含水量与养分释放间的关系。此外,还通过仿生改性前后膜材官能团结构特征、表面微观结构、表面元素变化及热重分析等手段明确了其养分释放机制。     

日本包膜缓释肥料养分释放及微结构研究

采用恒温水培试验,研究了日本生产的五种包膜肥料(LP40、LPS40、SC60、LPSS和LPSS100)氮素释放特性,用一级反应动力学方程进行拟合,并用扫描电镜观察了包膜肥料水培前后膜的微观结构。结果表明,包膜肥料的膜材料不同,氮素释放量也不同;包膜肥料的氮素释放率随着时间的延长而增加;这五种包膜肥料的氮素释放特征均可用一级反应动力学方程来描述,氮素释放速率常数与氮素释放率成正比,与氮素溶出的半时值成反比;扫描电镜的图像分析结果显示,水培后LPSS、SC60的膜外表面完整性要好于LP40,LPSS的膜剖面结构很紧实,阻水性能好。     

秸秆还田量对土壤团聚体有机碳和玉米产量的影响

为明确秸秆深还田对土壤团聚体及有机碳和作物产量的影响,在辽宁省半干旱地区进行了6年秸秆深还田小区定位试验,秸秆施用量分别为0(CK)、6 000 kg/hm~2(T1)、12 000 kg/hm~2(T2)、18 000 kg/hm~2(T3)、24 000 kg/hm~2(T4),将秸秆还入20～40cm土壤亚表层,利用干筛、湿筛得到不同粒级土壤团聚体。结果表明:秸秆添加与CK比可降低土壤0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重;土壤机械性团聚体主要集中在0.25 mm粒级,而水稳性团聚体主要集中在0.25mm粒级,与CK处理比秸秆的添加增加了土壤机械稳定性团聚体平均重量直径(MWD)和土壤水稳性团聚体MWD,随秸秆还田量增加,MWD值增大;秸秆深还田使各粒级团聚体有机碳均高于CK,对20～40 cm土层土壤团聚体碳含量的影响大于0～20 cm土层;秸秆深还田可增加玉米产量,随秸秆还田时间延长,不同秸秆还田量对玉米产量增加存在差异,2016年玉米产量测定结果各处理与CK比,T1增产4.66%、T2增产6.71%,T3增产5.37%、T4增产8.82%。秸秆深还田,能够提升土壤团聚体的稳定性,有利于增加土壤团聚体碳含量,对土壤质量和玉米产量的提高具有促进作用。     

仿生改性水基共聚物包膜氮肥的制备及其性能研究

【目的】 为了提高水基共聚物膜材料的耐水性,依据仿生学原理,采用疏水效果好的纳米二氧化硅和1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷对其进行疏水改性,明确最佳改性配比及机理,进而制备出缓释效果好的环境友好型包膜氮肥。【方法】 采用三因素三水平L₉(3³)正交试验设计,探究添加不同比例的壳聚糖（0.5%、1.0%、1.5%）、淀粉（0.5%、1.0%、1.5%）和聚乙烯醇（PVA）（2%、3%、4%）对水基共聚物膜材料性能的影响,通过水基共聚物膜材料的吸水率及极差分析筛选出疏水效果好的最优配比。在优选的水基共聚物包膜材料中分别加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%的纳米二氧化硅进行疏水改性,通过测定纳米改性水基共聚物膜材料的吸水率和渗透率明确最佳纳米二氧化硅用量。随后,将优选的纳米改性水基共聚物膜材料分别置于含0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷（FAS）的正己烷溶液中进行自组装改性,探究组装浓度对膜材料性能的影响。通过对改性前后水基共聚物膜材料疏水性及透性等变化明确其改性效果,通过改性前后膜材料红外光谱特征、表面微观结构变化探讨其疏水改性机理。并通过土壤培养试验探究所制备的仿生改性水基共聚物包膜尿素的养分释放特性。【结果】 当壳聚糖含量为0.5%、淀粉含量为1.5%、PVA含量为4.0%时所制备的水基共聚物膜材料吸水率最低,为42.50%。与水基共聚物膜材料相比,纳米二氧化硅改性水基共聚物膜材料、纳米二氧化硅和FAS双重改性水基共聚物膜材料的吸水率分别降低了38.54%和55.98%,铵离子的渗透率分别降低了24.14%和44.58%,水分子渗透率分别降低了36.14%和60.98%。红外光谱结果表明,纳米二氧化硅改性水基共聚物膜材料的-OH数量减少,并且观察到了Si-O-Si摇摆振动和反对称伸缩振动,纳米二氧化硅和FAS双重改性后水基共聚物材料表面观察到了C-F键。扫描电镜和能谱分析结果表明,在纳米二氧化硅改性水基共聚物膜材料表面发现Si元素,纳米二氧化硅和FAS双重改性水基共聚物膜材料表面发现F元素,并且观察到粗糙的表面结构,其水接触角由62.5°提升到118.6°,表现出良好的疏水效果。此外,土壤培养试验结果表明,纳米二氧化硅改性水基共聚物包膜尿素（NWCU）、纳米二氧化硅和FAS双重改性水基共聚物包膜尿素（SNWCU）的养分缓释期明显延长,SNWCU养分累积释放80%所需时间由改性前的10 d左右提升了28 d左右。【结论】 采用纳米二氧化硅和FAS对水基共聚物膜材料进行联合改性可以显著改善水基共聚物膜材料的耐水性及透性,所制备的仿生改性水基共聚物包膜氮肥具有良好的缓释效果。     

生物有机肥配施化肥对设施土壤养分含量及团聚体分布的影响

本研究以番茄–黄瓜轮作下的设施土壤为研究对象，共设4个处理（1/2化肥氮+1/2生物有机肥氮，COF；全部施用生物有机肥氮，OF；全部施用化肥氮，CF；不施肥处理，CK），探讨生物有机肥配施化肥对设施土壤养分含量及团聚体分布和稳定性的影响。研究结果表明，相较于单施化肥处理，施用生物有机肥均提高了土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾养分含量和土壤pH，分别提高了9.61%~54.28%、7.38%~35.45%、31.86%~98.53%、40.88%~96.40%、3.02%~15.99%、0.96%~18.23%和0.73%~7.03%；单施生物有机肥或与化肥配施均可使土壤大团聚体（>0.25 mm）比例上升，微团聚体（<0.25 mm）比例下降，显著提高了土壤团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和>0.25 mm团聚体含量（R_0.25）（P<0.05），且土壤团聚体稳定性随着施入生物有机肥年限的增加而增加；相关分析表明，MWD、GMD和R_0.25均与>2 mm和0.25~2 mm团聚体质量分数呈显著正相关（P<0.05），与<0.053 mm团聚体组成呈极显著负相关（P<0.01），与0.053~0.25 mm团聚体组成呈显著负相关（P<0.05）。生物有机肥替代化肥更有利于提高土壤养分含量、大团聚体的数量及团聚体的稳定性。