改性聚乙烯醇包膜的选取及包膜肥料缓释性能研究

摘要

环境和资源的可持续利用越来越受到重视，因此农业生产中的创新使命集中在既要提高肥料利用效率，使粮食增产增收，又要保证肥料的损失最小。而缓释肥料能够在很大程度上影响养分释放速度，使肥料养分被吸收及利用的周期增长，保证肥效的连续性与可持续性，提升肥料利用效率，减少养分流失，对农业可持续发展具有重大意义。本学位论文着眼于开发高效、环保、低成本的多功能缓释肥料，以无机矿物凹凸棒黏土为基质，硅藻土、膨润土、沸石粉为改性剂共聚制得羧甲基淀粉钠/酚基环氧树脂—聚乙烯醇等合成高分子物质为包膜材料，并对其成膜吸水降解特性进行了系统研究。以尿素、无机复合肥和有机鸡粪发酵肥为肥料核心原料，制备了一系列多功能复合包膜型缓释肥料，并对其在水中和土壤两介质环境中的养分缓释行为、缓释机理进行研究，结合植物和土壤对肥料的响应，揭示缓释肥料养分释放特性，通过协调“肥料—土壤—植物”复合体系，制备系列缓释肥料。主要结论如下：
　　（1）在相同培养时间及培养温度下，不同包膜材料的成膜效果存在较大差异。就固化成膜效果来看，硅藻土改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVG）、膨润土改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVP）、沸石粉改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVF）以及沸石粉改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇（EVF）效果均完全且表现良好，而硅藻土改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇（EVG）及膨润土改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇（EVP）均表现为部分固化，成膜效果较前4种差；从固化成膜的表面特征分析，硅藻土改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVG）与沸石粉改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVF）固化成膜表面光滑平整，膨润土改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVP）与沸石粉改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇（EVF）固化成膜表面微皱，而硅藻土改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇（EVG）及膨润土改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇（EVP）固化成膜表面均出现少量或者大量气泡；以固化成膜的弹性分析，硅藻土改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVG）、沸石粉改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇（AVF）以及沸石粉改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇（EVF）固化成膜表面均发生一定的弹性形变，表明了其韧性较强、膜的致密度较高，而另外三种包膜相对于前3种较差。综上所述，所有包膜成膜效果表现为EVF>AVG>AVF>AVP>EVP>EVG。
　　（2）不同包膜材料的吸水特性存在明显的差异，随着培养温度的升高，包膜材料的吸水量与吸水倍率都表现出不同程度提高。其中AVG、AVF、EVG以及EVF提高效果较为显著， AVP与EVP提高效果不显著。吸水量的增加直接影响着吸水倍率，其中EVF、AVG以及AVF增长趋势极为显著，而EVP、EVG、AVP增长趋势较前3种不太显著。综上所述可以得出，由硅藻土/沸石粉改性的羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇包膜以及由沸石粉改性的酚基环氧树脂-聚乙烯醇包膜吸水性能较好，其他三种包膜稍差，由强到弱依次为EVF、AVG、AVF、EVP、EVG、AVP。
　　（3）随着培养时间的延长，包膜材料的累计降解量与累计降解率均呈现出不断增大的趋势，其中AVF、AVG及EVF增长极显著，而AVP、EVG及EVP，在整个降解过程中的增长趋势不明显。随着时间的增长，包膜材料的累计降解量和累计降解率虽然整体上还是呈现出增长趋势，但10d之内的阶段性累计降解量和累计降解率均呈现出降低的趋势。综上所述可以得出，由硅藻土/沸石粉改性的羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇包膜以及由沸石粉改性的酚基环氧树脂-聚乙烯醇包膜降解性能较好，其他三种包膜稍差，由强到弱依次为AVF、AVG、EVF、EVP、AVP、EVG。
　　（4）包膜肥料由于包膜种类的不同，其吸水特性也存在较显著差异。总体趋势表现为，硅藻土改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇包膜肥料的吸水量与吸水倍率相对较低，沸石粉改性酚基环氧树脂-聚乙烯醇包膜肥料的吸水量与吸水倍率整体较高，沸石粉改性羧甲基淀粉钠-聚乙烯醇包膜肥料的吸水量与吸水倍率居中。不同包膜肥料因为包膜材料的不同均呈现出较大的差异性，表现为包膜复混肥>包膜尿素>包膜复合肥，3种包膜复合肥处理中，EVFC最高，AVGC次之，AVFC再次之，而3种包膜尿素以及包膜复混肥处理中，则表现为EVFU/EVFM最高，AVFU/AVFM次之，AVGU/ AVGM再次之。
　　（5）与未施肥处理相比，施加肥料的土壤最大持水率均发生一定程度的增长。其中加入包膜尿素/复合肥的土壤增长趋势极显著，而加入未包膜尿素/复合肥的最大土壤持水率增长趋势不显著，可见在土壤中施入包膜处理尿素/复合肥肥料后，能够在提高土壤持水率方面还是起到了明显的作用。随着时间的延长，土壤的保水性能越来越低，但包膜肥料的土壤保水率仍均显著高于未施肥处理的保水率以及施用未包膜尿素/复合肥处理的保水率。复混肥也能够显著增强土壤持水保水性能且强于尿素/复合肥，但包膜复混肥与未包膜复混肥增强作用差异性较小，随着时间的延长，施加复混肥土壤的保水性能也呈现出越来越低的趋势，但又与尿素和复合肥不同，呈现出先慢后快再慢的降低趋势且不同的包膜施肥处理土壤保水率之间相互差异均不显著。
　　（6）水环境条件下，在相同培养时间内，随着温度的升高，肥料养分释放的速率以及累积释放率均表现为不断增大的趋势，但整体表现为包膜肥料<未包膜肥料，包膜肥料体现出了良好的养分缓释性能，其释放速率和累积释放率均显著低于未包膜肥料，养分的释放速度得到有效地抑制，有效性能也得以提高，释放曲线良好，与植物生长发育周期性养分需求规律相契合。依据养分初期溶出率以及微分溶出率来预测肥料有效期，包膜后的肥料释放期均明显增长，进一步证实了包膜肥料的养分缓释性能均较好，但预测期又都低于实测期，表明了养分释放特点表现为前期快于后期的趋势，养分释放过程中释放的速率并不是完全均衡的。
　　（7）土壤环境较水环境复杂，诸多因素影响了养分的释放，具体表现为相同的培养的时间内其累积释放率较水溶法的小，释放速率也显著降低。在土壤中，随着初始含水率的增加，肥料养分释放速率以及累计释放率均呈现增长趋势，但增长幅度包膜肥料的要低于未包膜肥料，表现出了较好的缓释效果。结合释放指数以及扩散系数来评价养分释放特征，随着初始含水率的增加，包膜后的肥料释放指数均大多保持在0.5-1之间，释放效应较好，扩散系数随着初始含水率的增加呈现出不断增大的趋势。
　　（8）不同种植类型土壤pH值均随着植物生长时期的不同表现出一定的差异性，但pH值均保持在偏中性、中性和弱碱性范围内。无论是种植狗牙根还是多花木蓝，施加包膜肥料对土壤酸碱度的调节力度要强于未施加包膜肥料土壤，pH值显著增大，其变化幅度也明显增大，但最终pH值基本都会维持在中性和弱碱性范围内。与未施肥处理相比，施加肥料的狗牙根种植土壤，不同生长时期土壤pH值均发生较大程度上的增大,但整体变化趋势有差异。其中施加尿素肥料的土壤pH值在出苗期、拔节期、成熟期整体增长变化呈现出先升高后降低的趋势，施加复合肥料的土壤pH值变化呈现出先降低后升高的趋势，施加复混肥料的土壤pH值呈现出持续降低的趋势。施加复混肥料后，多花木蓝不同生长时期土壤pH值发生较大程度上的增大且整体变化趋势明显，在出苗期、拔节期、开花期、成熟期，整体增长变化呈现出先降低后升高再降低的趋势，而施加尿素以及复合肥料后的土壤pH值增长较施加复混肥土壤均不显著且整体变化趋势不明显。
　　（9）无论是种植狗牙根还是多花木蓝，不施肥料CK处理的生物量均显著低于施肥处理。在施肥量、施肥方法、施肥时间相同的条件下，不同聚合材料包膜尿素AVGU、AVFU、EVFU处理较未包膜尿素U处理也均表现出一定的生物量增长效果，但增长幅度不显著。通过对施加3种聚合材料包膜尿素后植物生物量增长效果比较，可以知道无论是狗牙根还是多花木蓝，不同包膜尿素处理生物量增长效果差异均显著，具体表现为AVGU>EVFU>AVFU。施加复合肥后，植物生物量较尿素处理发生了显著的增长，与不施肥处理相比增长极显著，与未包膜复合肥C处理相比，包膜后的复合肥AVGC、AVFC、EVFC均表现出较显著的生物量增长效果，具体表现为AVGC>EVFC>AVFC，施加复混肥后，植物生物量较不施肥以及尿素处理均发生了极显著的增长，与复合肥处理相比较增长显著，与不施肥处理相比增长极显著。与未包膜复混肥M处理相比，包膜后的复混肥AVGM、AVFM、EVFM均表现出较显著的增长效果，表现为AVGM>AVFM>EVFM。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 国内外缓释肥料的研究概况

1.3 养分释放机理

1.4 缓释肥料养分释放的数学模型

1.5 缓释肥料养分释放的评价方法

1.6 缓释肥料目前存在的问题及展望

1.7 本学位论文选题指导思想

1.8 技术路线

2.1 试验原材料的选择

2.2 包膜材料的制备工艺

2.3试验内容与表征方法

2.4 结果与分析

3.1 试验材料与仪器

3.2 包膜肥料的制备工艺

3.3 试验内容与表征方法

3.4 结果与分析

4包膜肥料养分释放特性研究

4.1 包膜肥料在静水中的养分释放特性研究

4.2 包膜肥料在土壤中的养分释放特性研究

4.3聚合物包膜肥料对土壤酸碱度的调节及植物生物量影响研究

4.4 结果与分析

5 讨论

5.1 关于包膜材料的吸水降解性能

5.2 关于包膜肥料对土壤持水保水能力的影响

5.3关于水土介质环境中包膜肥料的养分释放特性

5.4于包膜肥料对土壤pH的影响

5.5关于植物对包膜肥料的响应特性

6 结论

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的成果