段路路, 董茂忠, 李接勵(lì), 牛彥超

(1.上海化工院檢測(cè)有限公司 上海 200062;2.山東師范大學(xué) 山東濟(jì)南 250014;3.上?；ぱ芯吭河邢薰?上海 200062)

0 前言

我國是世界上最大的化肥生產(chǎn)國和消費(fèi)國,化肥產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支撐,是關(guān)系國計(jì)民生的重要基礎(chǔ)[1-2]。由于當(dāng)前存在化肥利用率低、農(nóng)業(yè)面源污染等突出問題,每年氮磷鉀養(yǎng)分累計(jì)損失超過30 760 kt,造成的經(jīng)濟(jì)損失超千億元,嚴(yán)重?fù)p害國民經(jīng)濟(jì)和居民健康?；试诒ＷC糧食安全的同時(shí),也給環(huán)境造成了巨大的壓力[3],限制了農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。因此,大力發(fā)展新型肥料已成為當(dāng)前化肥工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向[4-5]。

近年來,世界各國都在針對(duì)普通化學(xué)肥料利用率低,使用過程中容易出現(xiàn)損失且污染環(huán)境等問題,紛紛研制養(yǎng)分緩慢釋放或控制釋放的肥料,使肥料的養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物的養(yǎng)分吸收規(guī)律相同步,既可實(shí)現(xiàn)一次性施肥省工高效,又可大幅提高肥料的利用率[6]。因此,緩控釋肥料是順應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展而產(chǎn)生的新型肥料[7]。雖然我國緩控釋肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展時(shí)間較短,但通過技術(shù)研發(fā)取得了較多的成果,眾多工藝已經(jīng)達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平,生產(chǎn)成本也較國外同類產(chǎn)品大幅降低,已經(jīng)成為世界上最大的緩控釋肥料生產(chǎn)國,我國的緩控釋肥料產(chǎn)品已具有較強(qiáng)的國際競爭力,且主要應(yīng)用于大田農(nóng)作物。但由于緩控釋肥料市場(chǎng)還不夠成熟,產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)技術(shù)尚存在一些突出問題亟須研究和解決[8-10]。

極端溫度和鹽漬化等非生物逆境也會(huì)從形態(tài)學(xué)、生理學(xué)等方面影響作物生長,同樣也威脅我國的糧食安全[11-12]。因此,通過各種途徑提高作物肥料利用率和抗逆性已成為當(dāng)前肥料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[13-15]。目前,國際上傳統(tǒng)的控釋肥料膜材料多為石化產(chǎn)品,不僅成本高,而且資源不可再生[16-18]。研究基于生物基膜材料的增產(chǎn)、提質(zhì)、促逆等功效的國產(chǎn)化控釋肥料,不僅可以填補(bǔ)國際空白,也是節(jié)能降耗、綠色發(fā)展、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)肥料產(chǎn)業(yè)健康自主發(fā)展的重要體現(xiàn)[19]。

功能型控釋肥料是能夠提高肥效或增強(qiáng)作物抗逆性或改善土壤性能的一類肥料,即對(duì)常規(guī)氮、磷、鉀肥料,通過一定的工藝、添加某些功能性物質(zhì),從而在鹽堿脅迫、水資源短缺、連作障礙、寒冷高溫等逆境條件下,能發(fā)揮其特殊功效的肥料[20-21]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)控釋肥料難以有效克服農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源短缺、次生鹽漬化和極端氣候威脅等因素導(dǎo)致的肥料利用率低和作物生理性障礙等問題,研發(fā)了3種具有保水、促生、抗鹽等功能的區(qū)域化作物專用功能型控釋肥料,并對(duì)3種功能型控釋肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞、總鉈等有毒有害物質(zhì)的含量進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià);同時(shí)采用油菜盆栽和大田試驗(yàn),對(duì)油菜全生育期的生物量和產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定,并結(jié)合其結(jié)果評(píng)價(jià)3種功能型控釋肥料的作物適應(yīng)性,為深入認(rèn)識(shí)該類肥料的生產(chǎn)、使用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

3種供試功能型控釋肥料均以復(fù)合肥料(15-15-15)為核芯的實(shí)驗(yàn)室自制產(chǎn)品,分別為保水型控釋肥料(WSCRF)、抗鹽型控釋肥料(SRCRF)和促生型控釋肥料(GPCRF)。WSCRF含有生物基高效農(nóng)林保水劑,SRCRF含有腐殖酸、黃腐酸等功能性物質(zhì),GPCRF中添加了宛氏擬青霉提取物等活性物質(zhì),復(fù)合肥料(15-15-15)、尿素為市售商品肥料。

試驗(yàn)所用土壤采自上海市崇明區(qū)上實(shí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)7號(hào)區(qū)13號(hào)地,采樣深度為0～20 cm,質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土,基本理化性狀：pH為8.45,w(全氮)為0.05 g/kg,w(全磷)為0.54 g/kg,w(速效鉀)為0.18 g/kg,w(全鹽)為7.89 g/kg,土壤容重為1.3 g/cm3,田間持水量為34%。

供試作物為油菜,品種為東方二號(hào),品牌為至遠(yuǎn),生育期60 d左右。

1.2 功能型控釋肥料的重金屬含量檢測(cè)

采用國家標(biāo)準(zhǔn)《肥料和土壤調(diào)理劑 砷、鎘、鉻、鉛、汞含量的測(cè)定》(GB/T 39229—2020)[22]中的電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)測(cè)定3種功能型控釋肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞含量,采用《肥料中總鎳、總鈷、總硒、總釩、總銻、總鉈含量的測(cè)定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》(GB/T 39356—2020)[23]中的ICP-OES法測(cè)定3種功能型控釋肥料中鉈含量。

1.3 油菜盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理,分別為不施肥(CK)處理、常規(guī)施肥(RF1)處理、保水型控釋肥料低量(WSCRF1)處理、保水型控釋肥料高量(WSCRF2)處理、抗鹽型控釋肥料低量(SRCRF1)處理、抗鹽型控釋肥料高量(SRCRF2)處理、促生型控釋肥料低量(GPCRF1)處理、促生型控釋肥料高量(GPCRF2)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次。每盆裝土1.5 kg,每盆定植3棵植株。RF1處理所用肥料為15-15-15市售商品復(fù)合肥料,其余處理所用肥料均為實(shí)驗(yàn)室自制肥料。RF1和不同功能型控釋肥料高量處理中1 kg土的氮肥施用量為0.30 g(以N計(jì),下同),不同功能型控釋肥料低量處理的為0.15 g,N、P2O5、K2O施用比例為1∶1∶1。除RF1處理的肥料播種前先施用一半,一個(gè)月后再施用另一半外(均勻撒在土壤表面),其他施肥處理的肥料在播種前與土混施。分別在播種后第15天、第30天、第45天、第60天記錄葉片數(shù)和葉面積大小,測(cè)定方法為選取每盆的代表性植株測(cè)定全部葉片求平均值。第60天收獲取樣,取樣后將植株洗凈擦干,測(cè)定地上部和根鮮質(zhì)量。

1.4 油菜大田小區(qū)試驗(yàn)

試驗(yàn)地位于上海市崇明區(qū)上實(shí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)7號(hào)區(qū)13號(hào)地,共設(shè)4個(gè)處理,分別為常規(guī)施肥(RF2)處理、保水型控釋肥料(WSCRF3)處理、抗鹽型控釋肥料(SRCRF3)處理、促生型控釋肥料(GPCRF3)處理,每個(gè)處理均設(shè)3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)面積為5 m×5 m,采用隨機(jī)區(qū)組排列。油菜株距10 cm、行距20 cm,試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)保護(hù)行。試驗(yàn)所用肥料與油菜盆栽試驗(yàn)用肥品種一致,其中WSCRF3、SRCRF3、GPCRF3處理的肥料在播種前一次性施入,施肥量為50 kg/畝(1畝=667 m2);RF2在播種前按50 kg/畝施用15-15-15復(fù)合肥,并在第30天追施尿素6 kg/畝。分別在播種后第30天、第60天取樣,每個(gè)處理隨機(jī)選取5棵植株帶根取出,去除泥土等雜物后,分別稱量5棵油菜鮮質(zhì)量并求平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 功能型控釋肥料質(zhì)量安全評(píng)價(jià)研究

肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞、總鉈等重金屬的含量是影響肥料質(zhì)量安全的重要指標(biāo),也是強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《肥料中有毒有害物質(zhì)限量要求》(GB 38400—2019)[24]中的必測(cè)項(xiàng)目。由表1可知,實(shí)驗(yàn)室研制的3種功能型控釋肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞和總鉈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別不超過12.82、0.18、2.32、19.28、0.52、0.23 mg/kg,滿足GB 38400—2019中無機(jī)肥料w(總砷)≤50 mg/kg、w(總鎘)≤10 mg/kg、w(總鉛)≤200 mg/kg、w(總鉻)≤500 mg/kg、w(總汞)≤5 mg/kg和w(總鉈)≤2.5 mg/kg的限量要求。

表1 不同功能型控釋肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞、鉈的含量 mg/kg

2.2 不同施肥處理對(duì)盆栽油菜生長效應(yīng)的影響

2.2.1 對(duì)盆栽油菜長勢(shì)的影響

葉片數(shù)和葉面積反映了油菜的生長狀況。在油菜生長的整個(gè)生育期,各處理的油菜葉片數(shù)和葉面積總體變化規(guī)律是前期有明顯升高,中后期逐漸達(dá)到平衡,符合植物生長規(guī)律,見圖1。

圖1 不同施肥處理的盆栽油菜葉片數(shù)和葉面積

從圖1(a)可看出：CK處理的油菜葉片數(shù)始終處于最低水平;3種功能型控釋肥料高量處理的油菜葉片數(shù)明顯高于低量處理的;除了WSCRF1處理后期的葉片數(shù)低于RF1處理的,其余控釋肥處理的葉片數(shù)明顯高于RF1處理的,且以GPCRF2、SRCRF2處理的表現(xiàn)較優(yōu)。從圖1(b)可看出：不同施肥處理對(duì)油菜葉面積的影響規(guī)律與葉片數(shù)的相似,CK處理的油菜葉面積始終處于最低水平;在油菜生長前期,各處理的油菜葉面積無明顯差異,但在第60天時(shí),WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理的油菜葉面積比CK處理的分別提高了77.0%、126.6%、79.1%、195.9%、102.9%、188.1%,同時(shí)WSCRF2、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2等4個(gè)處理的油菜葉面積也明顯高于RF1處理的。

試驗(yàn)結(jié)果表明：功能型控釋肥料能根據(jù)油菜生長的需求適時(shí)地釋放養(yǎng)分,并且因添加了促生、抗鹽、保水功效物質(zhì),可以明顯提高油菜的葉片數(shù)和葉面積;在施肥量減少一半的情況下,促生型和抗鹽型控釋肥料處理的油菜葉片數(shù)明顯優(yōu)于RF1處理的,同時(shí)促生型控釋肥料處理的油菜葉面積也明顯優(yōu)于RF1處理的。

2.2.2 對(duì)盆栽油菜生物量的影響

在肥料質(zhì)量或肥效評(píng)價(jià)中,作物的產(chǎn)量是重要的指標(biāo),不同施肥處理對(duì)盆栽油菜生物量的影響見圖2。

圖2 不同施肥處理對(duì)盆栽油菜生物量的影響

從圖2可看出：施用不同功能型控釋肥料的油菜地上部和根鮮質(zhì)量均高于CK處理的;GPCRF2處理的生物量最高,低施肥量處理的生物量次于對(duì)應(yīng)高施肥量處理的。在對(duì)地上部鮮質(zhì)量的影響上,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理比CK處理分別提高了20.0%、89.2%、36.9%、118.5%、43.1%、135.4%,WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2處理比RF1處理分別提高了43.0%、65.1%、77.9%。在對(duì)根鮮質(zhì)量的影響上,WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理比CK處理分別提高了43.5%、121.7%、56.5%、156.5%、69.9%、195.7%,WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2處理比RF1處理分別提高了50.0%、73.5%、100.0%。由于盆栽油菜生育期為60 d,控釋肥料的養(yǎng)分釋放期與此接近,并且在油菜整個(gè)生育期土壤保持了較高的養(yǎng)分水平,持續(xù)地為油菜生長發(fā)育提供養(yǎng)分,為油菜的高產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ),最終表現(xiàn)為油菜地上部和根鮮質(zhì)量均得到較大幅度的增加。

2.3 不同施肥處理對(duì)大田油菜生長效應(yīng)的影響

植物地上部和根的生長發(fā)育及功能之間存在相互依存、互為競爭的關(guān)系,植物的生長取決于地上部及根之間的生長和功能的平衡。與盆栽試驗(yàn)相比,大田試驗(yàn)更能反映植物的實(shí)際生長情況,見表2。

表2 不同施肥處理的大田油菜生物量

從表2可知：在第30天,各處理的油菜地上部鮮質(zhì)量由大到小的順序?yàn)镾RCRF3>GPCRF3>WSCRF3>RF2,不同施肥處理對(duì)根鮮質(zhì)量的影響與對(duì)油菜地上部鮮質(zhì)量的影響規(guī)律一致;在第60天,WSCRF3、SRCRF3、GPCRF3處理的油菜地上部鮮質(zhì)量比RF2處理的分別提高了63.9%、83.8%和143.3%,根鮮質(zhì)量分別提高了67.4%、83.7%和143.1%。由此可見,在減少施肥量的情況下,施用功能型控釋肥料也能明顯促進(jìn)油菜的生長,且以促生型控釋肥料的效果較優(yōu)。

3 結(jié)語

具有保水、促生和抗鹽功能的3種功能型控釋肥料中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞和總鉈的含量滿足GB 38400—2019中對(duì)相關(guān)重金屬指標(biāo)的限量要求。在油菜盆栽試驗(yàn)中,收獲時(shí),WSCRF1、WSCRF2、SRCRF1、SRCRF2、GPCRF1、GPCRF2處理的葉面積比CK處理的分別提高了77.0%、126.6%、79.1%、195.9%、102.9%、188.1%,同時(shí)3種功能型控釋肥料高量處理的油菜葉面積也明顯高于RF1處理的;WSCRF2、SRCRF2、GPCRF2處理的地上部鮮質(zhì)量比RF1處理的分別提高了43.0%、65.1%、77.9%。油菜大田試驗(yàn)結(jié)果表明,在減少施肥量的情況下,施用功能型控釋肥料能明顯促進(jìn)油菜的生長,且以促生型控釋肥料的效果較優(yōu)。

與常規(guī)肥料相比,功能型控釋肥料能促進(jìn)油菜的生長,并且油菜的長勢(shì)和生物量明顯提高。因此,功能型控釋肥料對(duì)于作物的增產(chǎn)具有明顯的作用,通過對(duì)肥料與作物匹配性的評(píng)價(jià),并將兩者結(jié)合起來,可以為制造適合作物生長發(fā)育的專用功能型控釋肥料提供科學(xué)依據(jù)。