水基共聚物-生物炭复合材料包膜缓释氮肥制备及氮素在土壤-作物系统中化学行为

Coated nitrogen attracted extensive attention worldwide since it can improve nitrogen use efficiency and reduce the negative impact of nitrogen applying on the environment. The research and development of membrane material which is inexpensive, environment friendly, nutrient release effectively has become a hot topic in the field of coated slow-release fertilizer. .The copolymer of polyvinyl alcohol which is easy to be filmed and biodegradable and polyvinylpyrrolidone will be used as film-formed agent by the technologies of organic polymer polymerization and solution blending. Biochar which has big surface area and high adsorption capacity will be used as stuffing to produce aqueous copolymer/biochar composites. The suitable ratio of all fractions and synthesis conditions will be determined by measuring hydrophobicity, mechanical property and micromorphology etc. of membrane. Granular urea (15N labeled) will be coated using fluidized bed process to produce slow-release fertilizer. The nutrients releasing mechanisms of this membrane will be confirmed using infrared spectroscopy and scanning electron microscopy combined with nutrient dissolution characteristics. Meanwhile, the increasing of nitrogen use efficiency of coated slow-release fertilizer will be also clarified in this study. These results will provide the scientific basis for the research-development and apply of coated slow-release fertilizer, which has characteristics of inexpensive, environment friendly and nutrient release effectively.

包膜缓释氮肥能够提高氮率利用率，减少氮肥施用对环境造成的负面影响而受到广泛关注。缓控释效果好、价格低廉、环境友好的膜材料研发已成为包膜缓释肥料领域研究热点。本项目采用有机高分子聚合和溶液共混技术以成膜性好、可降解的聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮共聚物为成膜剂，以比表面积大、吸附性强的生物炭为填充物制成水基共聚物-生物炭复合膜材料，通过测定膜材料疏水性、力学特性、微形态等指标明确各组分适宜配比和合成条件；采用流化床工艺对颗粒尿素（15N标记）进行包膜，制备包膜缓释氮肥。利用红外光谱仪和扫描电镜技术结合养分溶出特征，明确该膜材料对养分控释机理；采用土箱微区的试验方法，利用15N稳定性同位素示踪技术阐明所研制的新型包膜缓释氮肥氮素在土壤-作物系统中迁移转化规律，揭示该包膜缓释氮肥提高氮素利用效率的机理。研究结果为价格低廉、环境友好、养分控释效果好的包膜缓释肥料研发和应用提供科学依据。

包膜缓释氮肥能够提高氮率利用率，减少氮肥施用对环境造成的负面影响而受到广泛关注。缓控释效果好、价格低廉、环境友好的膜材料研发已成为包膜缓释肥料领域研究热点。本项目研发出环境友好的水基共聚物-生物炭复合物包膜材料，制备包膜缓释氮肥，明确了反应条件。水基共聚物浓度为6.0%，生物炭用量为3.0%、粒级为60目时制备的水基共聚物-生物炭复合膜材料效果最佳，具有良好的生物降解性、缓释性能。与常规施肥相比，在肥料用量减少20%时仍有1.45%的增产效果，氮素利用率可达到58.22%。扫描电镜结果表明水基共聚物-生物炭复合膜材料能够相对均匀的混合且能够较为完整的分布于肥料颗粒表面，同时部分包膜物质渗透到尿素颗粒表面的空隙中，使得膜材料与尿素结合更为紧密，形成了水分子进入包膜尿素的一道屏障，延长其缓释性能。.利用15N同位素标记技术，采用田间盆栽试验方法阐明了研发的包膜缓释肥料氮素在土壤-玉米系统行为及分配，包膜缓释肥料对土壤供氮能力的影响，明确了包膜缓释尿素提高氮素利用效率的机制。同时对膜材料的研发又进行了深入的探讨，成功研发了纳米SiO2-聚乙烯醇-γ聚谷氨酸复合膜材料，该膜材料的耐水性能、对氮素缓释性能更优，使本项目的研究又深入一步。研究结果可为我国研发价格低廉、环境友好、养分控释效果好的包膜缓释肥料研发和应用提供科学依据。目前正在与沈阳九利生物肥业有限公司商讨利用该项成果合作研发有机-无机-生物三元复合肥事宜，如能物化为肥料产品，可为我国减少肥料用量，提高氮素利用效率，实现农业绿色发展提供技术支撑，具有广阔的发展前景。.在本项目资助下共发表学术论文12篇，其中SCI收录4篇、北大中文核心期刊8篇，另外还有2篇SCI收录论文已经录用；授权国家发明专利1件，荣获辽宁农业科技贡献一等奖1项；培养博士研究生3人、硕士研究生6人，研究生毕业论文被评为中国植物营养与肥料学会和沈阳农业大学优秀硕士学位论文各2篇。