一种菌糠腐植酸/凹凸棒石缓释肥的制备及性能研究

任 慧，邵 洋，李艳安，唐海慰，禹兴海

（1.河西学院柔性复合材料应用基础研究所，甘肃张掖 734000；2.河西学院化学化工学院，甘肃张掖 734000；3.甘肃省河西走廊特色资源利用省级重点实验室，甘肃张掖 734000）

腐植酸是天然有机聚合物，广泛存在于土壤、煤、泥炭和水中［1］。腐植酸所含有机质是土壤团聚体的重要组成部分，施用腐植酸对提高土壤中微生物数量和活性、调节土壤孔隙、改善和恢复土壤结构有显著作用。目前常用的腐植酸肥料都是单质速效肥料，肥效期短，养分容易在雨水或灌溉情况下淋失、挥发和渗透，既浪费资源又污染环境［2-3］。因此目前急需开发具有缓释、控释能力的腐植酸类肥料，通过控制养分的释放，延长肥料供应期，以提高肥料的利用效率，实现减肥增效，为发展可持续的绿色高效农业奠定基础。

凹凸棒石（ATP）是一种天然的含水富镁硅酸盐黏土矿物，具有独特的一维纤维状结构和发育的微孔结构，表面分布大量亲水羟基，表现出独特的分散性、可塑性、黏结力和物理吸附特性［4］。此外凹凸棒石本身含有多种矿物质营养元素和微量元素，作为肥料或者土壤改良剂使用可以改善土壤的结构和性能、提高土壤肥力［5-7］。凹凸棒石还能够通过一定的作用力和土壤中的有机质相结合，形成有机质-矿质复合体（即土壤团聚体），有助于控制和固定土壤中的养分，具有保肥、保水、缓释能力，可防止土壤养分流失和贫瘠化，被广泛应用于环境和农业领域［8-10］。

近年来我国食用菌产业规模不断扩大，菌糠作为食用菌生长栽培后的培养材料被大量废弃，所导致的资源浪费和环境污染问题亟须解决［11］。研究表明，发酵处理后的菌糠中除了存在着各种微生物和营养物质外，还含有较多的腐植酸，具有较高的利用价值［12-13］。将发酵菌糠中提取的腐植酸与凹凸棒石按一定质量比例混合制备成缓释肥，充分利用凹凸棒石的吸附特性，可以对腐植酸中有机物质起到缓释和控释作用，能够减缓有机物质的分解速率，延长养分释放时间，降低有机质的流失率。本实验以甘肃省张掖市临泽县特色资源凹凸棒石黏土为载体，利用物理方法经机械加工后将其与发酵菌糠中所提取的腐植酸钠（NaHA）共混，制备无机-有机缓释肥。

1 实验部分

1.1 实验试剂、材料与仪器

试剂：磷酸（分析纯），天津市化学试剂六厂；浓硫酸（分析纯），北京化工厂；氢氧化钠（分析纯），上海沃凯生物技术有限公司；重铬酸钾（分析纯），北京市红星化工厂；硫酸亚铁铵（分析纯），上海埃彼化学试剂有限公司；邻菲啰啉（分析纯），天津市福晨化学试剂厂。

材料：凹凸棒石样品采自甘肃省张掖市临泽县羊台山矿点；食用菌糠由甘肃省食用菌菌糠资源化利用工程研究中心提供。

仪器：电子天平（ESJ120-4）、恒温振荡器（THZ-82）、粉末X 射线衍射仪（PANalytical X′Pert3）、红外光谱仪（NicoletiS50）、行星球磨机、场发射扫描电子显微镜（Quanta 450）、同步热分析仪（STA 499 F3）、电热恒温鼓风干燥箱（DGH-9123A）、集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S 型）、超声清洗器（KQ-250B）、湘智离心机、恒温磁力搅拌器（85-2 型）、恒温恒湿培养箱。

1.2 腐植酸的提取

1） 菌糠发酵 将粉碎的菌糠粉末进行生物发酵，一次发酵20 d（每2 d翻一次进行供氧），二次发酵30 d（每8 d 翻一次），分别于第1、10、20、30、40、50天进行取样，每份样品取3份，混合后过0.075 mm（200目）筛，备用。

2） 碱溶提取 根据前期实验得出，腐植酸能更好地溶解于碱性溶液中，用碱浸提效果优于酸浸提，因此本实验采用氢氧化钠溶液作为浸提液。称取过筛后试样1 g（精确至0.000 2 g）于250 mL锥形瓶中，加入10 g/L NaOH 溶液70 mL，置于80 ℃恒温振荡箱中振荡12 h（转速120 r/min）。

3） 腐植酸的纯化和精制 将锥形瓶中碱化处理后的试样真空抽滤。在抽滤分离后得到的滤液中缓慢加入0.5 mol/L 稀盐酸，直到溶液呈中性。然后转入旋转蒸发仪，减压蒸馏除去大部分水后将浓缩液加入250 mL 烧杯，升温煮沸，再冷却至室温，待大部分固体结晶析出后，抽滤，自然风干后得纯腐植酸钠（NaHA）固体，将其用于缓释肥的制备。

1.3 凹凸棒石的纯化

将ATP 在研钵中研细，于40 ℃下烘干；在搅拌下将0.21 g 焦磷酸钠溶解在140 mL 的蒸馏水中；升温至40 ℃后继续搅拌30 min，在高速搅拌条件下将7 g 凹凸棒石加入焦磷酸钠溶液中，继续搅拌1 h 后静置30 min，抽取上层悬浊液后备用。在上述溶液中加入磷酸，直至不再产生气泡为止。超声30 min 后继续搅拌5 h，室温下陈化24 h，然后离心（3 000 r/s）分离，弃去上层清液，测其pH是否为中性。若不为中性则继续添加蒸馏水后离心处理。如此反复直到测得pH 为中性后，取出下层沉淀物烘干处理，即得到纯化ATP。用球磨机磨细后过0.075 mm 标准筛，测定元素含量，储存并贴上标签备用。

1.4 缓释肥的制备

将凹凸棒石与腐植酸钠按照质量比25 ∶75、50 ∶50、75 ∶25 混合后，分别放入球磨机中，以440 r/min 的转速球磨2 h（为避免球磨过程中过热，球磨操作30 min，休息25 min，交替进行），然后将磨好的样品过0.075 mm 标准筛，即得不同比例缓释肥，分别标记为ATP/NaHA （1 ∶3）、ATP/NaHA（1∶1）、ATP/NaHA（3∶1）（1∶3、1∶1、3∶1指的是凹凸棒石与腐植酸钠质量比）。

1.5 缓释肥缓释性能的测试

将制备好的缓释肥各称取1.0 g 分别放入编号为1 号、2 号、3 号的100 mL 烧杯中，再各加入蒸馏水20 mL，放入恒温振荡器中，在室温下振荡24 h（转速120 r/min），然后真空抽滤，将滤液收集于250 mL 容量瓶中，用蒸馏水定容，用于缓释营养物质的测定。

此外为测定所制备的缓释肥在实际应用中对作物表现出的供肥速率和肥效期，采用土壤培养法评价缓释肥料中腐植酸的释放特点。具体操作为：把500 g 土壤与10 g 缓释肥混匀后装入边长60 cm、内径5 cm 的聚氯乙烯（PVC）管中，管底部用纱布封口，每天用100 mL 蒸馏水淋洗土壤肥料混合物1 次，连续淋洗2 周，收集洗脱液并测定缓释营养物质含量。

缓释营养物质的测定相当于溶液中腐植酸含量的测定。准确移取洗脱液约5.0 mL 于250 mL 锥形瓶中，加入物质的量浓度为0.8 mol/L的重铬酸钾溶液0.5 mL，再缓慢加入浓硫酸15 mL，于温度为82 ～83 ℃的水浴中加热氧化30 min。取出，冷却到室温，加入水约70 mL、邻菲啰啉-硫酸亚铁铵混合指示液3 滴，用0.25 mol/L 硫酸亚铁铵标准滴定溶液进行滴定，溶液由橙色经亮绿色转变为砖红色即为终点，同时进行空白实验［14］。计算腐植酸含量：

式中V——空白实验消耗硫酸亚铁铵标准滴定溶液体积，mL；

V1——测定样液时消耗硫酸亚铁铵标准滴定溶液体积，mL；

c——硫酸亚铁铵标准滴定溶液浓度，mol/L；

0.003——1/4碳的毫摩尔质量，g/mmol；

0.64——腐植酸的含碳率，

m——试液质量，g。

2 实验结果与讨论

2.1 纯化凹凸棒石成分

采用色散型X 射线荧光光谱仪（Axios-mAX，荷兰帕纳科公司）测定纯化后凹凸棒石中主要组成元素及含量，结果如表1 所示。由表1 可知，凹凸棒石中主要氧化物成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、 K2O 等，此外还含有微量Ti 和I等元素。

表1 凹凸棒石主要组成元素及含量

2.2 缓释肥结构表征

2.2.1 红外（IR）光谱分析

凹凸棒石、腐植酸钠、不同质量比例的凹凸棒石与腐植酸钠复合缓释肥（ATP/NaHA（3∶1）、ATP/NaHA（1∶1）ATP/NaHA（1∶3））的红外光谱见图1。由图1中ATP的红外光谱图可知，3 615 cm-1左右的吸收峰为ATP内部结构中八面体与四面体之间Mg、Al的—OH振动；3 423 cm-1左右的弱吸收峰是其内部结构中吸附H2O 的—OH 振动；1 639 cm-1左右的弱吸收峰为ATP表面和层间H2O的—OH振动，1 416 cm-1左右的吸收峰属于碳酸盐杂质的特征吸收峰；977 cm-1左右的吸收峰为ATP 中Si—O—Si 的振动吸收；900 cm-1以下的吸收峰为ATP中其他金属的振动吸收。对于腐植酸钠的红外吸收曲线，在2 930 cm-1、2 850 cm-1附近的吸收峰为—CH2的对称和反对称伸缩振动；1 650 cm-1处是C C 振动引起的吸收峰，1 450 cm-1处是C O振动的吸收峰，1 000 cm-1处则是C—O振动的吸收峰，这是腐植酸钠的特征吸收峰。对于ATP/NaHA的红外吸收曲线，977 cm-1处明显具有ATP 的特征吸收峰，其余为腐植酸钠的吸收峰，其中ATP/NaHA（1 ∶3）的光谱图与NaHA 的光谱图最为相似。傅里叶红外光谱结果显示，与纯物质比较，对应的缓释肥的红外光谱没有出现新的吸收峰，证明该缓释肥没有生成新的化学键，吸收峰位与ATP、NaHA的峰位基本一致，这说明此缓释肥的形成不是化学相互作用而只是物理相互作用，同时也表明机械作用能使腐植酸钠与凹凸棒石高效复合。

图1 ATP、NaHA与ATP/NaHA的红外光谱图

2.2.2 X射线衍射（XRD）表征

图2 为ATP、NaHA、ATP/NaHA （1 ∶3）、ATP/NaHA（1∶1）、ATP/NaHA（3∶1）的X射线衍射谱图。由图2可知，在2θ=21.0°、26.7°出现了ATP的特征衍射峰，而NaHA在2θ=20°附近出现了一个宽的衍射峰，在2θ=27°附近出现了一个尖峰，这些是腐植酸钠的特征吸收峰，表明了腐植酸钠是无定形的粉末。而在ATP/NaHA（1∶3）的X射线衍射图中，在2θ=20°～27°出现了比较分散的吸收峰，这是由于NaHA 和ATP 经过球磨后，NaHA 进入ATP 中，使其有序晶体结构发生变化，并转变为无定型态。ATP/NaHA（1 ∶1）和ATP/NaHA（3∶1）的特征吸收峰与ATP的特征吸收峰无太大差异，这是因为腐植酸钠的含量少，导致其在球磨后全部被ATP包裹，故而只显示ATP的特征吸收峰。从而也表明了制备ATP/NaHA 缓释肥的ATP与NaHA的合适质量比为1∶3。

图2 ATP、NaHA与ATP/NaHA的射线衍射谱图

2.2.3 热重分析（TG）

通过热重分析可以对缓释肥的热稳定性进行研究，ATP、NaHA、ATP/NaHA（1∶3）的热重曲线见图3。从图3 中可以发现，在20 ～500 ℃凹凸棒石有明显的失重，可能是失去了凹凸棒石中原有的水分；腐植酸钠在100 ℃以下出现明显的脱水失重过程，而在高温下会逐步分解。缓释肥在20 ～500 ℃质量不断损失，此失重过程包括了凹凸棒石中水分的减少过程以及缓释肥中腐植酸钠受热分解过程；但是从图3中可以清楚看到腐植酸钠中加入凹凸棒石后其热稳定性并不受影响，在温度小于100 ℃的范围内除了受热脱水之外，不存在化学分解，说明所制备的缓释肥具有良好的热稳定性。

图3 ATP、NaHA与ATP/NaHA（1∶3）的热重曲线

2.2.4 微观形貌表征

利用扫描电镜（SEM）观察了凹凸棒石和缓释肥的微观形貌，分别见图4、图5。由图4 可知，纯化的ATP呈现片层结构，团聚现象严重。由图5可以看出球磨后的ATP/NaHA（1∶3）呈现絮状颗粒，尺寸在5 ～50 μm，ATP 与NaHA 二者均匀复合，没有观察到明显的两相分离现象，这表明机械化学工艺能使腐植酸钠与凹凸棒石高效复合，使其发挥最佳效果和用途。

图4 ATP的SEM图

图5 ATP/NaHA（1∶3）的SEM图

2.3 缓释肥的性能测试

将ATP、NaHA、ATP/NaHA（1 ∶3）在温度为25 ℃、相对湿度为60%的恒温恒湿箱培养24 h后取出，观察表面形态。ATP 和NaHA 经过24 h 吸湿后，都会产生明显的结块现象，但是ATP/NaHA（1∶3）缓释肥中没有出现结块现象，仍然呈现最初的粉末状形态，说明ATP/NaHA 缓释肥吸湿性小，具有防结块能力。

图6 是不同配比的ATP/NaHA 缓释肥在土壤中缓释两周后所测得的腐植酸释放率。由图6 可知，ATP/NaHA（1 ∶3），在土壤中累积缓释出的腐植酸量最高，约为51.42%。而图7 为ATP/NaHA（1∶3）缓释肥在土壤中累积释放腐植酸含量与释放时间之间的关系曲线。由图7可知，随着释放天数增加，土壤中腐植酸含量也增加，而且前期腐植酸释放速率较快，后期趋于稳定，但在此阶段释放的腐植酸量约为总量的1/2，因此在后续释放过程中由于释放速率降低，将会延长肥料的肥效期，以满足作物对养分的需求特征，促进作物更好的生长和发育。

图6 14 d后3种不同比例的ATP/NaHA缓释肥腐植酸释放率

图7 ATP/NaHA（1∶3）缓释曲线

本实验还以辣椒（子弹五彩椒）种苗幼苗期为对象，通过观测幼苗株高变化，考察所制备的ATP/NaHA（1∶3）缓释肥对其生长规律的影响。图8为辣椒在温度为25 ℃、相对湿度为75%的恒温恒湿培养箱（肥料用量为每克土2.25 mg）培养时其茎秆高度随培养时间的变化规律。从图8中可以清楚观察到加入缓释肥处理的辣椒茎秆高度变化最为突出，随着生长时间增长，其茎秆高度增加显著高于纯天然土壤和加入ATP的土壤。栽培时间达到15 d后，加入缓释肥处理辣椒的茎秆高度比天然土壤中辣椒的茎秆高度增加了117.6%。此外还观测了不同物候条件下施用ATP/NaHA缓释肥对辣椒幼苗生长发育的影响。结果表明，施用ATP/NaHA缓释肥能够促进辣椒幼苗生长，在不同浇灌水量和物候条件下都表现出长势旺盛的特点，也说明ATP/NaHA缓释肥性能优异，适合农业栽培种植，在不同环境和物候条件下都有利于作物生长发育。

图8 辣椒茎秆高度随培养时间变化曲线

3 结论

首先采用碱溶提取法从发酵菌糠中提取腐植酸，然后将提取的腐植酸钠与凹凸棒石按照一定的比例混合，经机械球磨制备出一种具有缓释作用的缓释肥料，通过IR、XRD、TG、SEM 等测试手段对制备的缓释肥的结构进行了表征。结果表明机械作用可以使腐植酸钠与凹凸棒石实现高效复合，且此条件下制得的ATP/NaHA 缓释肥具有优良的缓释、控释性能。辣椒（子弹五彩椒）种植实验表明，此缓释肥可以使营养物质缓慢释放，以供农作物高效吸收，可作为当前农业生产减肥增效、增产增收的替代肥料使用。