改性聚乙烯醇-硅藻土复合膜材料的制备及其对肥料养分缓释机理的研究

提高肥料利用率，减少或避免因肥料损失造成的环境污染，发展省工省力的施肥方式，是现代农业发展的必然趋势，而包膜缓释肥料的出现为实现这一目标提供了新的途径。本研究以研发高效、环保、低成本的包膜缓释肥料为目的，选用聚乙烯醇、硅藻土为供试材料，采用有机高分子聚合技术对聚乙烯醇进行改性，探讨提高其成膜耐水性的物质和化学反应条件；将改性聚乙烯醇与硅藻土按一定比例进行混合，运用化学方法合成有机无机复合膜材料，采用转鼓工艺对颗粒尿素进行包膜，研发出包膜缓释肥料。利用红外光谱仪和扫描电镜对改性聚乙烯醇、复合膜材料及其包膜缓释肥料在不同环境条件下微结构变化进行探讨，结合养分释放特征阐明改性聚乙烯醇-硅藻土复合物包膜肥料对养分缓释机理，同时对所研发的包膜缓释肥料生物学效应和膜材料在土壤中降解情况进行研究。以期为我国研发价格低廉、环境友好、养分缓释效果好的包膜缓释肥料奠定基础。

本项目在国家自然科学基金委的资助下，按照研究计划圆满的完成了研究内容，达到了预定的研究目标。总结如下：（1）红外光谱分析和膜材料吸水率结果表明，以聚乙烯醇为原料，环氧树脂、柠檬酸均能改性聚乙烯醇，可以降低聚乙烯醇成膜的吸水性，适宜改性条件为60℃下，聚乙烯醇质量浓度为70g/kg，环氧树脂加入量25g/kg、24 g/kg的柠檬酸，反应2h。（2）从初期溶出率 值上看，改性后聚乙烯醇交联液浓度为10%，与占交联液重量8%的比例添加硅藻土合成的膜材料制成的包膜缓释肥料对养分缓释效果好于其它处理。（3）在不同温度、土壤含水量和水蒸气压下有机无机复合物包膜缓释尿素的氮素溶出特征可以用一级反应动力学方程 描述，其溶出速率常数 ，随着温度升高、土壤含水量增加、水蒸气压差增大而增大。其机理为：温度升高，加快了水分子透过膜材料的速率和包膜内尿素溶解度，导致包膜内外水蒸气压差和渗透压增大；温度升高也使膜材料的孔隙增多，加快了氮素溶出速率；土壤含水量增加，土水势增大，土壤饱和水蒸气压增大，加快水分子透过膜材料的速度，导致氮素溶出速率加快。（4）扫描电镜试验表明，研制的改性聚乙烯醇-硅藻土复合物包膜材料与肥料结合比较紧密，以片状形式包裹在肥料颗粒上；红外光谱图可知，改性的聚乙烯醇-硅藻土制成复合物膜材料在包膜过程中与尿素发生了化学反应，形成了新的化学键，增强了膜材料与肥料间的结合力，提高了缓释效果。（5）从外观、质量分析、红外光谱分析、扫描电镜表明，研制的膜材料在自然界能够缓慢降解，一个作物生长季最高的降解率能达到10%以上。（6）作物田间试验表明，研制的改性聚乙烯醇-硅藻土复合物包膜缓释肥料能够达到延缓养分释放、提高作物产量，提高肥料利用效率的目的。综上，改性后的聚乙烯醇与硅藻土按照一定的比例共混制成包膜材料，用于颗粒肥料的包膜，具有价格低廉、养分释放稳定、不污染土壤与环境等优点，值得推广。.项目执行过程中，国家发明专利授权1项，在国内外期刊发表论文9篇，到日本东京大学、九州大学和筑波大学参加国际学术交流3人次，培养硕士研究生5名，1名毕业论文荣获沈阳农业大学优秀硕士研究生毕业论文。