一种新型保水缓释氮肥有关特征及性能

中国农业科学 2006,39(10):2048-2055 Scientia Agricultura Sinica 收稿日期：2006-05-16 ；接受日期：2006-08-07 基金项目：深圳市企业博士后科研基金 作者简介：何绪生（1962-）男，陕西周至人，助研，博士，研究方向为植物营养与施肥、新型肥料研究。E-mail: 。通讯 作者廖宗文（1947-） ，男，教授，研究方向为新型肥料资源。Tel:E-mail: 一种新型保水缓释氮肥有关特征及性能 何绪生 1,2,3P，廖宗文 1P，黄培钊 2，P段继贤 2，葛仁山 2P，李洪波 2，耿增超 3P （ 1 华南农业大学植物保护学博士后流动站，广州 510642； 2 深圳市芭田生态工程公司企业博士后工作站，深圳 518105； 3 西北农林科技大学资源与环境学院，杨凌 712100） 摘要：【目的】采用物理、化学方法研究一种以化学聚合反应共聚合成的新型保水缓释氮肥的特征和性能。 【方 法】采用红外光谱分析、电镜观察、差示 扫描量热分析和热重分析等方法 观察、解析及测定肥料有关特征和性能。 【结果】保水缓释氮肥吸水倍率可达 103 ggP -1，含氮量达 30，酸碱度接近中性，是盐度指数极低的肥料。保水缓释 氮肥的原料氮肥与保水材料之间通过氢键作用形成了共聚体，具有 亲水基团， 这是形成吸水保水的化学机制。保水 缓释氮肥是一种吸水膨胀而不溶解的凝胶，是整体不均质而局部较 均质的物质，在微 观上具有网状结构，这是其吸 水保水的物理结构。保水缓释氮肥所吸持的水分主要以有效性很高的自由水和束缚水存在，占其 总持水量的 95，而有效性差的结合水含量低于 5。 7 d 水溶出率养分占总养分的 77，具有延 缓养分释放功能。 【结论】保水 缓释氮肥是具有养分缓释和保水功能的新型保水缓释氮肥。 关键词：保水缓释氮肥；特征；性能 Characteristics and Performance of A New Water-Absorbent Slow Release Nitrogen Fertilizer HE Xu-shengP 1,2,3, LIAO Zong-wen1, HUANG Pei-zhao2, DUAN Ji-xian P 2, GE Ren-shan2, LI Hong-bo2, GENG Zeng-chao3 ( 1Postdoctorate Exchange Centre for Plant Protection, South China Agriculture University, Guangzhou 510642; 2Enterprise Postdoctorate Centre for Ba Tian Eco-Engineering CO. Ltd in Shenzhen, Shenzhen 518105; 3College of Resources and Environment, Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry, Yangling 712100 ) Abstract:【Objective】A research was conducted on the characterization and performance of water-absorbent slow release nitrogen fertilizer (WASRNF), which was prepared by chemical polymerization, physical, chemical methods. 【Method 】Investigation, interpretation and measurement were done with infrared spectroscopy (IR), scanning electronic microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry analysis (TGA). 【Result 】 The water absorbency and nitrogen analysis of WASRNF was 103 ggP -1 and 30%, respectively, and WASRNF exhibited neutral in pH and had very low salt index. WASRNF was a copolymer of nitrogen fertilizer and water-absorbent material by hydrogen bond association. There were many hydrophilic groups, a chemical mechanism to absorb and retain water. WASRNF swelled and did not dissolve in water. WASRNF exhibited whole heterogenous and locally homogenous network structures from the viewpoint of microscope. The network structure physically absorbed and retained water. The water retained in WASRNF existed as a free and a freezing water state, accounting for more than 95% water retained in WASRNF. Non-freezing water accounted for less than 5%. The nutrient solution rate WASRNF in 7 days of water accounted for 77% of total nutrient content. 【Conclusion】 WASRNF, water-absorbent slow release nitrogen fertilizers, showed the double function that delays nitrogen release and stores water in it. Key words: Water-absorbent slow release nitrogen fertilizer; Characteristics; Performance 10 期 何绪生等：一种新型保水缓释氮肥有关特征及性能 2049 0 引言 【本研究的重要意义】水肥是农业生产中两个重要 因素，水肥交互作用和一体化调控有助于提高水分利 用效率，而保水剂和肥料复合一体化制备保水缓释肥 料已成为水肥作用和肥料研究的最新方向之一 13， 也是水肥一体化调控的必然趋势。 【前人研究进展】 然而，关于保水剂和肥料复合一体化的方式主要有保 水剂与肥料物理造粒 4, 5、保水剂吸附肥料溶液 6, 7、 及用保水剂物理包裹常规肥料 8。这些保水肥料都是 使用的成品保水剂，一是成本高，二是保水肥料要么 吸水倍率难以提高，要么养分含量偏低。而用聚合化 学反应在肥料颗粒表面直接成膜则可获得高吸水高养 分含量的保水缓释肥料 9, 10，但因使用成品颗粒肥料 而使保水缓释肥料成本较高。也有用化学共聚反应制 备保水缓释磷肥 11P、保水缓释氮磷 12、氮钾保水剂 13、保水缓释微额肥 14及含激素类保水复合肥 15， 获得良好保水和养分缓释功能保水肥料的研究报道。 【本研究的切入点】目前，保水缓释肥料存在成本高， 工艺复杂及养分含量低的问题，对保水缓释肥料的特 征与性能间的关系缺少系统的研究报道。 【拟解决的 关键问题】笔者利用化学共聚反应将肥料和保水材料 在材料和功能上复合为一体化的物质，制成了一种高 吸水高养分含量的保水缓释氮肥，采用物理、化学方 法观察、解析及测定其特征与性能，旨在了解其特征 与性能关系，为进一步研究和开发保水缓释氮肥提供 依据。 1 材料与方法 1.1 肥料制备 利用聚合反应将原料氮肥和保水材料进行混合共 聚得到一种保水剂和肥料材料和功能复合一体水凝胶 物质，烘干为形状取决于破碎方式的白色固态物质， 粉碎后即为保水缓释氮肥样品。 1.2 测试方法 1.2.1 吸水倍率测定 16 称量预先烘干的保水缓释 氮肥样品 1 g左右（0.01 g），然后浸入水中。充分吸 水膨胀后，用滤纸吸去样品表面多余水分，称量膨胀 样品的重量，用下列公式计算保水缓释氮肥的吸水倍 率和平衡水含量（EWC）。 膨胀率或吸水倍率 SR（gg -1）=（W s-Wd）/ Wd （1） 平衡水含量 EWC（%）= （W s-Wd）/ Ws100 （2） 式中，W sB是室温下吸水膨胀状态保水缓释氮肥的重 量，W dB是保水缓释氮肥烘干样品重量。 1.2.2 养分含量测定 氮素养分含量的测定采用 KB2BSOB4B-CuSOB4B-Se 混合加速剂浓 HB2BSOB4B消煮-半微量 凯氏蒸馏法，具体方法参考土壤农化分析法 17。 1.2.3 酸碱度测定 称量 1 g 保水缓释氮肥，放入 200 ml 蒸馏水中，让其充分吸水膨胀后，摇动使多 其与余水分混和均匀，然后用 PSH2 型酸度计测定溶 液 pH 值。 1.2.4 盐度指数测定 分别称量取等质量的保水缓 释氮肥和硝酸钠，分别放入 200 ml 蒸馏水中，搅拌 使硝酸钠溶解。待保水缓释氮肥充分吸水膨胀后，搅 拌其水凝胶液。然后用电导率仪（ORION105A）测 定盐分浓度，用盐度指数公式计算肥料盐度指数。 1.2.5 红外光谱 将保水缓释氮肥、保水材料及氮 肥样品在(801)烘箱中烘干，磨为粉末，用 KBr 压 片法制备红外扫描样品，然后用傅立叶红外光谱仪在 4 000400 cm -1 范围扫描记录红外透光率光谱图。 取 3 g 左右的保水缓释氮肥，放入充足（500 ml）的蒸馏水中浸泡 1 d 后，用 200 目的尼龙布过滤， 并用蒸馏水淋洗，浸泡过滤淋洗 3 次，然后收集凝胶 状过滤物，在(801)恒温烘干箱中烘干，然后用上 述同样方法扫描红外光谱。 1.2.6 电镜观察 取保水缓释氮肥样品，用解剖刀 切出光滑平整的剖面，将其放在电镜观察样台上，剖 面向上，用粒子喷镀仪喷涂金粉，然后用 Philiphs FEG XL3 环境扫描电镜（ environmental scanning electronic microscopy, ESEM）观察并记录电镜图。 吸水后冻干保水缓释氮肥样品电镜观察：取小量 保水缓释氮肥样品，放入蒸馏水中，充分吸水膨胀后 转入生物样品冻干室中，在真空下冻干后取出样品， 然后用解剖刀剖开平面，将样品放到样台上，剖平面 向上，用粒子喷镀仪喷涂金粉，然后在扫描电镜下观 察并记录电镜图。 1.2.7 差示扫描量热和热重分析（DSC and TGA） 水分状态测定用美国 TA 公司 Q1000 型差示扫描量 热仪。315 mg 吸水饱和平衡水凝胶样品，用滤纸 擦去表面的水后放入样品池中，密封样品池，从- 40开始，以 2min -1 的升温速度至 50，得到水 凝胶的 DSC 热流图。自由水和可冻结束缚水含量 （WB fBW BfbB）由水凝胶样品各自相应的熔融热焓计算。 2050 中 国 农 业 科 学 39 卷 下列方程假定保水缓释氮肥凝胶中自由水熔化热 （Q endo）与冰中自由水熔化热（Q f340 Jg-1）相当 18。 不同状态水含量计算公式如下： 自由水和可冻结束缚水： Wf+Wfb=（Q endo/Qf）100 （3） 不可冻结水：W b（%）=W t -（ Wf+Wfb） =Wt -（Q endo/Qf）100 （4） 式中，Q endo为水凝胶由 DSC测定图吸热峰面积计算的 单位质量热焓。W t为保水缓释氮肥的平衡含水量 （ECW%） 。 吸水饱和的保水缓释氮肥水凝胶样品放入 SDT Q600X 型热重分析样品池中，在 N2 氛围中由常温升 温至 350，记录样品失重曲线和 DSC 热流曲线。 1.2.8 养分缓释测定 采用改进的 7 d 水溶出率法， 其方法是，1 g（0.01g）保水缓释氮肥样品，首次放 入 200 ml 蒸馏水的烧杯中，静置 24 h 后过滤，然后 将凝胶状肥料用 100 ml 蒸馏水洗入到原烧杯中，静 置 24 h 后再过滤，再用 100 ml 蒸馏水冲洗肥料到烧 杯中，每隔 24 h 过滤，加水静置，时间序列为 1、2、3、4、5、6、7、10 和 15 d，然后将每次收集 的滤液转入 100 ml 容量瓶中，定容至 100 ml 后，采 用 K2SO4-CuSO4-Se 混合加速剂浓 H2SO4 消煮-半微量 凯氏蒸馏法测定全氮量 17。 2 结果与分析 2.1 物理化学性质 保水缓释氮肥的含氮量平均在 30%，而其吸水 倍率大于 100 gg-1，属于超强吸水保水肥料，其酸碱 度接近中性（表 1） ，盐度指数十分低。因此，其不 会对作物种子，根系产生盐分伤害，也不会在土壤产 生大量盐分累积现象。 表 1 保水缓释氮肥的物理化学性质或肥料属性 Table 1 Physical, chemical and fertilizer properties of water-absorbent slow release nitrogen fertilizer (WASRNF) 理化性质 Physical and chemical properties 吸水倍率 Absorbency (gg-1) 养分含量 N content (%) 酸碱度 pH 盐度指数 Salt index 保水缓释氮肥 WASRNF 103.71.2 30.810.17 6.970.21 0.120.03 2.2 化学结构 保水缓释氮肥的红外光谱图与原氮肥红外光谱图 十分相似（图 1） ，原料氮肥NH 2 的 3 446 cm-1（NH 反对称伸缩振动）和 3 347 cm-1（NH对称伸缩振动） 与保水缓释氮肥（3 444 和 3 349 cm-1）是相同振动的 吸收峰，由于受保水材料羧基（3 431 cm-1）与其氢 键作用，使得保水氮肥在 3 0003 500 cm-1 间的 NH 2 吸收峰加宽。原料氮肥在 3 257 cm-1（OH伸缩 震动）的水分吸收峰在保水缓释氮肥中同样出现。保 水材料在 2 927 cm-1（主键之一 CH）吸收峰在保水 缓释氮肥中以 2 956 cm-1 吸收峰出现，这是CH受吸 电子基团影响而移向高波数形成的。原料氮肥在 2 807 cm-1 的（醛基碳上CH） （形成大颗粒尿素所添 加的物质）吸收峰在保水缓释氮肥中出现在 2 811 cm-1，原料氮肥在 2 0001 900 cm-1 之间的其他峰均 在保水缓释氮肥中相应位置出现。原料氮肥在 1 681 cm-1（C=O 伸缩振动）的羰基吸收峰在保水缓释氮肥 中仍然存在，而保水材料在 1 716 cm-1 的羰基吸收峰 在保水缓释氮肥吸收峰中并未找到相应吸收峰，说明 通过化学聚合反应后，单体分子的羰基在保水缓释氮 肥共聚物中吸收峰与其在保水材料中的位置不同，可 能受氢键移向低频，与氮肥中羰基吸收峰重叠。原料 氮肥在 1 626 cm-1 的（NH）面内弯曲振动+ （C- H）伸缩振动以（NH）为主，归属为 吸收NH 2 O 峰）在保水缓释氮肥中也存在，说明原料氮肥分子结 构未破坏。而原氮肥在 1 600 cm-1 的分子内氢键 振动吸收峰在保水氮肥中消失，说明原料氮肥与保水 材料单体分子间发生了氢键缔合作用。在 1 500400 cm-1 的指纹区，保水缓释氮肥的吸收峰与原料氮肥吸 收峰基本相同，只在保水缓释氮肥 1 400 cm-1 出现了 弱的吸收峰，这是保水材料分子盐在此的吸收峰，保 水材料分子指纹区其他吸收峰并未在保水缓释氮肥峰 谱中相应位置出现，这与保水材料在保水缓释氮肥所 占质量比小，吸收峰弱有关。因此，保水材料与原料 氮肥尽管发生了共聚反应，形成凝胶，但是它们二者 共聚主要是氢键发生了作用。此外，保水缓释氮肥中 存在着NHB 2B和羰基，这些是保水材料的亲水基团 19， 这是保水缓释氮肥吸水的化学机制。 10 期 何绪生等：一种新型保水缓释氮肥有关特征及性能 2051 由图 2 可看出，保水缓释氮肥经过水分淋洗，其 红外吸收图谱发生了变化，表现在保水缓释氮肥的 NH B2B的 3 444 和 3 349 cm-1 两个吸收峰在水洗后消 失，而出现的 3 439 cm-1 则是保水材料分子的羧羟基 吸收峰。保水缓释氮肥在 3 0002 000 cmP -1 P间的吸收 峰均在水洗后消失，而水洗后保水缓释氮肥在 2 926 和 2 853 cm-1 出现了吸收峰，这是保水材料分子中饱 和CH 键受临近不同基团影响的吸收峰。水洗前后， 保水缓释氮肥的羰基位置发生了变化，水洗前保水缓 释氮肥羰基在 1 679 cm-1，水洗后则移至 1 667 cm-1， 这说明水洗后保水材料分子内共轭或强氢键作用所致。 1 625 cm-1 吸收峰在水洗后仍在 1 624 cm-1P。水洗后 1 500400 cm-1P指纹区保水缓释氮肥中氮肥指纹峰还 有多个峰存在，只是吸收峰强度大大地弱化，水洗前 保水缓释氮肥 1 463 cm-1 的吸收峰消失，水洗后出现 了 1 448 cm-1 吸收峰，指纹区仍保有原料氮肥的吸收 特征峰，说明经洗涤后保水缓释氮肥中还保留有氮肥， 这是保水缓释氮肥具有养分缓释作用的机制。 波数 Wevenumbers (cm-1) 1-原料氮肥 Native N fertilizer; 2-保水材料 Water absorbent material; 3-保水缓释氮肥 WASRNF 图 1 保水缓释氮肥、氮肥及保水材料的红外光谱图 Fig. 1 IR spectra of WASRNF, nitrogen fertilizer and water- absorbent material 波数 Wevenumbers (cm-1) 1-保水缓释氮肥原样品 Native sample of WASRNF 2-保水缓释氮肥水洗样品 Water rinsed sample of WASRNF 图 2 保水缓释氮肥水洗前、后的红外光谱 Fig. 2 IR spectra of WASRNF sample before and after distilled water rinse 2.3 物理结构 干燥的保水缓释氮肥外观是不规则块状白色固体， 质地较为疏松多孔，没有气味。吸水后膨胀，但不溶 解于水，为无色透明的水凝胶，稍有弹性，粘性差。 图 3 是保水缓释氮肥颗粒在不同放大倍率下的环 境扫描电镜图。由图 3-a（35）可看出，保水缓释 氮肥颗粒是不规则形状颗粒，构成物质分布不均匀， 有些部分质地较密，有些部分疏松，整体颗粒上还存 在孔洞和裂缝，大小不等。在图 3-b（568）的局 部放大后图中可看出，剖面上主要是倾斜分布的基块 状物，基块状物间存在着裂缝，而在基块状物上还分 布着一些颗粒状晶体，形状多样，这些颗粒晶体似粘 接在基块状物上。进一步放大后（图 3-c，4544 倍） 可以看出，基块状物呈现簇生树枝状晶体，结合紧密， 但其间也存在不同形状的空隙，此外还可看到与树枝 状晶体不同的块状晶体。树枝状晶体放大到 53218 倍 后（图 3-d）可看到，整体暗色致密基质上分布着一 些白点，这些白点其尺寸在 100 nm 以下。保水缓释 氮肥颗粒表面的另一部分放大如图 3-e（1025） ，可 看到破碎核桃仁状晶体堆，每个大的晶体堆又由不定 形状小晶体堆积而成，晶体堆之间存在着孔洞，晶体 堆上也存在缝隙和小孔洞，进一步放大后（图 3- f，5014 ） ，不同大小（多数小于 5 m）形状的致 密晶体堆积在一起，其间存在着裂缝和孔隙，这些应 是水分进入渗的通道。 图 3-g（20165）中可看出不规则晶体堆积之 间形成的缝隙，这些缝隙也是形状和尺寸不等。在图 3-h（ 40330）可看出一个晶体表面分布着白点，这 些白可能是微晶体，尺寸在 100 nm 以下。 从保水缓释氮肥的微观结构上看，树枝状晶体显 然与核桃仁状晶体以及块状晶体不同，说明保水缓释 氮肥颗粒形状不定，整体上保水材料和氮肥共聚后物 质分布不均匀，但局部分布较均匀。因此，保水缓释 氮肥是一个非均匀聚合物，这也是其在固态时为白色 浑浊而不透明的原因 20。同时，在保水缓释氮肥颗 粒内部存在着不同形状和尺寸的孔隙和孔洞，有些是 反应过程中产物中热水汽逃逸过程中形成，有些是晶 2052 中 国 农 业 科 学 39 卷 体堆积形成的，这些是水分进入的通道。因此，这是 保水缓释氮肥吸水速度快的原因之一。 图 4 是吸水后冻干样品的电镜图，在放大 5 000 倍（A）和 10 000 倍（B）情况下，分别可看到水分 被减压冻干后留下网状孔隙，这种网状孔隙是保水缓 释氮肥存贮水分的物理空间，这种网状空间也是保水 缓释氮肥分子网络结构的反映。 图 3 保水缓释氮肥的环境扫描电镜图 Fig. 3 ESEM photos of WASRNF lump in different magnification a b dc e f h 1 m 500 nm 5 m 500 nm 50 m 20 m 5 m 1 mm g 10 期 何绪生等：一种新型保水缓释氮肥有关特征及性能 2053 2.4 水分状态 差示扫描量热分析可以测定吸水剂 21和软质透 22的 水分状态，可以反映所测定水凝胶中的自由水（冻结 水） ，中间水（可冻结束缚水）和结合水数量。吸水 剂和软质透镜是含水凝胶物质，而保水缓释氮肥也属 于含水凝胶物质。因此，本研究首次用差示扫描量热 分析（图 5）来测定保水缓释氮肥的不同状态水分含 量。由图 5 可看出，保水缓释氮肥由-40的冷冻固 态向 50升温过程中，其相变吸热峰在- 4.642.85之间，相变起始温度在-1.76，而最大 吸热峰在 1.28。而保水缓释氮肥熔融相变热焓为 336.81 Jg-1，相变热焓值是计算自由水和可冻结束缚 水的基本数据。根据计算公式（3）和（4）可计算出 保水缓释氮肥中自由水可冻结束缚水和结合水含量， 结果列于表 2。 图 4 吸水后减压抽气冻干保水缓释氮肥样品的扫描电镜 图 Fig. 4 SEM photos of WASRNF sample dried by freezing in vacuum chamber 图 5 吸水保水缓释氮肥的差示扫描量热图 Fig. 5 DSC thermogram of WASRNF saturated by distilled water 由表 2 可看出，吸水倍率为 125 gg-1 的保水缓 释氮肥，其平衡含水量为 99.21%，而其所含水的 99.06%是自由水和可冻结束缚水，结合水含量仅占 0.15%。由 DSC 热分析结果解释的热力学基础可知， 自由水是 表 2 保水缓释氮肥不同状态水分含量及热焓 Table 2 Content of different state and enthalpies of water in WASRNF 吸水倍率 Absorbency (gg-1) 平衡含水量 EWC (%) 热焓 Q (Jg-1) 自由水束缚水 Wf+Wfb (%) 结合水 WBbB (%) 125.12 99.21 336.81 99.06 0.15 和普通水完全一样的水，具有相同的热力学性质和力 学性质，相当于土壤中田间持水量水和毛管水，是植 物的易效水。而可冻结束缚水是受分子间氢键作用吸 附的水分，其热力学性质和力学性能与普通水略有不 同，相当于土壤中膜状水，是缓效水。结合水则是水 凝胶中通过氢键和亲水基团结合的水分，其即使在很 低的温度下也不冻结的水，这部分水相当于土壤中的 永久萎焉点以下水分（吸湿水和矿物晶格水） ，极难 被植物利用。由图 6 保水缓释氮肥吸水饱和时 DSC 和热重分析可知，DSC 吸热峰外延温度 77.58是保 水缓释氮肥水凝胶失重的起始温度，这一温度原料氮 肥和保水材料都难以分解，而失去的是水分，温度 113.37是保水缓释氮肥水凝胶失重达到最快的温度 点，而这时保水缓释氮肥水凝胶失去总重量的 95.68%， 原料氮肥的熔点在 130以上，而保水材料的熔点和 分解点则更高，所以这些失去的重量应是水分。因此， 可以说保水缓释氮肥的水分多达 95%都是有效水。 2.5 养分缓释性能 A B 6.0 m 3.0 m 2054 中 国 农 业 科 学 39 卷 图 6 保水缓释氮肥吸水饱和水凝胶的差示扫描量热和热 重分析图 Fig. 6 DSC and TGA diagram of hydrogel of WASRNF saturated with water 由图 7 可看出，保水缓释氮肥在水中 15 d的累积 溶出率约为其总氮量的 77%，其初级溶出率（24 h的 溶出量）为 20%。其 24 h释放量大于欧洲标准 23的 15%，其 15 d的释放量高于欧洲标准规定的 28 d释放 不超过 75%的指标，尽管如此，其释放明显比尿素 要延缓，可以认为是具有缓释效果的保水缓释肥料。 其次，依据日本和美国“24 h的初级溶出率不大于 40%，7 d内，至少有 80%的养分释放出来”的控释 肥料标 准 24, 25，则该保水氮肥是具有养分控释性 能的缓释肥料。 图 7 保水缓释氮肥氮素水溶出率 Fig. 7 Nutrient solution rate of WASRNF in distilled water 3 讨论 由于保水材料和氮肥是通过聚合反应共聚在一体 的亲水性聚合物，这改善了保水剂与肥料掺混时的颗 粒分离作用，也改善了保水剂通过吸附肥料溶液而难 以提高养分含量的状况，因而，保水缓释氮肥养分含 量较高，含氮量达 30%左右，而且也有较高的吸水 倍率（103 gg-1）。保水缓释氮肥酸碱性呈中性，盐度 指数极低，不会对植物种子或土壤产生酸碱或盐分危 害，这与氮肥为非电解质分子有关。 通过红外光谱分析揭示了保水缓释氮肥中保水材 料单体分子和氮肥之间存在氢键作用，在保水缓释氮 肥中存在着胺基（NHB 2） ，羰基（ ）及羧基作用， 这些是亲水性基团，其可与水分子成氢键而结合水， 这是保水氮肥吸水保水的化学机制，而先前的研究未 见这方面的报道。保水缓释氮肥是一种白色无定形的 块状物质，吸水后膨胀而不溶解，为透明水凝胶状态。 通过对其表面结构的观察表明，保水缓释氮肥是一种 非均质的聚合物，物质整体分布不均匀，而局部分布 较为均匀；晶体颗粒形状不规则，尺寸不等。这是保 水缓释氮肥固体呈现白色的原因。吸水膨胀并冻干的 保水缓释氮肥样品扫描电镜图呈现网状结构，其间分 布的孔隙是水分除去后留下的，说明保水缓释氮肥具 有吸水保水的网状空间，这些是保水缓释氮肥可吸水 保水的物理机制。 DSC 热分析结果表明，保水缓释氮肥中所保持 的水分 99.06%是自由水和可冻结束缚水，这些水是 植物有效水，只是利用难度略有差异。结合水含量很 低（0.15% ） ，这部分水分因结合紧而难以利用。热 重分析反映多达 95%的水分在 113.37释放出来， 说明保水缓释氮肥所保水分的有效性很高，这与保水 缓释氮肥水分主要存在于网状空间有关。 原料氮肥和保水材料之间的氢键结合使氮肥和 保水材料形成了共聚物，属于基质复合缓释肥料，因 此，使得保水缓释氮肥可吸持氮肥，从而使养分具有 缓释作用。 4 结论 由于水分相互作用的重要性以及节水技术的需求， 保水剂和肥料复合一体化研制保水缓释肥料已是肥料 研究的国际方向。本文研究通过化学聚合反应合成了 一种氮肥和保水材料在材料和功能复合一体化的凝胶 保水缓释肥料，具有肥料养分缓释和保水剂保水的双 重功能，为水肥一体化调控及增强水肥交互作用提供 了技术途径，与纯保水材料吸水倍率相比，保水缓释 氮肥的吸水倍率还有待进一步的提高。 10 期 何绪生等：一种新型保水缓释氮肥有关特征及性能 2055 用红外光谱和扫描电镜揭示出保水缓释氮肥之所 以具有超强保水性能，是其化学亲水基团和凝胶分子 网状结构决定的。差示扫描量热和热重分析评价了保 水缓释氮肥所吸持水分的有效性是与其存在状态有关， 用热分析的水分状态表征保水缓释肥料的水分有效性 是值得借鉴的新方法。 References 1 Mikkelsen R L. Using hydrophilic polymers to control nutrient release. Fertilizer Research, 1994, 38: 53-59. 2 Mikkelsen R L. Using hydrophilic polymers to improve uptake of manganess fertilizers by soybeans. Fertilizer Research, 1995, 41: 87- 92. 3 何绪生, 廖宗文, 黄培钊, 段继贤, 葛仁山, 李洪波, 赵建华. 保 水缓/控释肥料研究进展. 农业工程学报, 2006, 22(5): 184-190. He X S, Liao Z W, Huang P Z, Duan J X, Ge R S, Li H P, Zhao J H. Research advances in slow/controlled-release water-storing fertilizers. Transactions of Chinese Society of Agricultural Engineering, 2006, 22(5): 184-190. (in Chinese) 4 叶 云, 崔英德, 尹国强, 康 正, 廖列文 . 保水长效复合肥的生产 与应用. 广州化工, 2000, 28(4): 91-93, 78. Ye Y, Cui Y D, Yin G Q, Kang Z, Liao L W. The production and application of long-acting water-keeping compound fertilizer. Guangzhou Chemistry Industry, 2000, 28(4): 91-93, 78. (in Chinese) 5 周 斌. 保水长效复合肥的生产及其应用. 化肥工业, 2003, 30(4): 55-56. Zhou B. Production and uses of water-retaining long-effect compound fertilizer. Journal of the Chemical Fertilizer Industry, 2003, 30(4): 55-56. (in Chinese) 6 Smith J D, Harrison H C. Evaluation of polymers for controlled release properties when incorporated with nitrogen fertilizer solutions. Commun Soil Sci. Plant Anal., 1991, 22: 559-73. 7 Pill W G, Watts D M. Nutrient-fortified gel as a growth medium for tomato seedlings. HortScience, 1983, 18: 909-911. 8 杜建军. 保水性控释肥料的研制及控释肥料评价方法的研究. 华 南农业大学博士论文, 2002. Du J J. Research on Preparation of Water-Absorbent Controlled Release Fertilizer and Evaluation Method to Controlled Release Fertilizer. Ph. D. Dissertation of South China Agricultural University, 2002. (in Chinese) 9 Abraham J, Pillai V N R. Membrane-encapsulated controlled-release urea fertilizers based on acrylamide copolymers. TJournal of Applied Polymer Science, 1996, 60: 2347-2351. 10 何绪生, 张夫道. 保水剂包膜尿素肥料的特征与性能 . 植物营养 与肥料学报, 2005, 11: 334-339. He X S, Zhang F D. Characteristics and performance of water- absorbent polymer coated urea fertilizer. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005, 11: 334-339. (in Chinese) 11 Zhan F L, Liu M Z, Guo M Y, Wu L. Preparation of superabsorbent polymer with slow-release phosphate fertilizer. Journal of Applied Polymer Science, 2004, 92: 3417-342. 12 Guo M Y, Liu M Z, Hu Z, Zhan F L, Wu L. Preparation and properties of a slow release NP compound fertilizer with superabsorbent and moisture preservation. Journal of Applied Polymer Science, 2005, 96: 2132-2138. 13 王莉莉, 温国华 , 塔 娜, 张 良, 李蜀眉, 田维平. 含钾、氮的吸 水保水剂的合成与性能研究. 胶体与聚合物, 2005, 23(2): 32-33, 42. Wang L L, Wen G H, Ta N, Zhang L, Li S M, Tian W P. Synthesis and properties of super absorbent polymer contained potassium and nitrogen. Chinese Journal of Colloid and Polymer, 2005, 23(2): 32- 33, 42. (in Chinese) 14 李雅丽. 含微量元素土壤保水剂的合成研究. 化工时刊, 2003, 17(5): 21-23. Li Y L. Study on synthesis of microelement water-retaining reagent of soil. Journal of Chemistry Industry, 2003, 17(5): 21-23. (in Chinese) 15 Karadag E, Saraydin D, Caldiran Y, Geven O. Swelling studies of copolymeric acrylamide/crotonic acid hydrogels as carriers for agricultural uses. Polymers for Advanced Technologies, 2000, 11: 59-68. 16 Lee S B, Ha D I, Cho S K, Kim S J, Lee Y M. Temperature / pH- sensitive comb-type graft hydrogels composed of chi