第43卷第3期 2018年6月 广 州 化 学 Guangzhou Chemistry Vol. 43 No. 3 Jun. 2018 文章编号：1009-220X(2018)03-0060-05 DOI: 10.16560/j.cnki.gzhx.20180320

生物炭基复混肥缓释特性研究

易从圣1， 宗同强1*， 杜衍红2*，

李 娜1， 袁雨珍2， 朱佳焘1

（1. 广州中科检测技术服务有限公司，广东 广州 510650；2. 广东省生态环境技术研究所，广东 广州 510650）

摘 要：以油茶壳、稻壳为原料，利用连续热解装置分别在400℃、500℃进行热解，制备油茶壳炭和稻壳炭，将生物炭与尿素、磷酸氢二钾以及自制的淀粉胶黏剂不同比例混合进行挤压造粒，制备了多种生物炭基复混肥，研究不同配比的生物炭基复混肥的缓释特性，发现稻壳炭基复混肥尿素缓释性能优于油茶壳炭基复混肥，500℃热解的稻壳炭与尿素、磷酸氢二钾比例为7∶1.5∶1.5时缓释性能最佳。本研究为开发新型环境友好型缓释复混肥提供了新的方法和视角。 关键词：生物炭；炭基肥；缓释特性 中图分类号：S145.5 文献标识码：A

中国是农业大国，同时也是化肥消费大国，氮肥消费量占世界氮肥总量的30%[1]。传统的普通化肥具

有利用率不高、流失率高的缺点[2]。随着大量的化肥施入农田，化肥污染问题、土壤板结问题等越来越严

重，环境友好型和资源节约型的新型肥料的研究与应用越来越受到重视[3]。

目前，生物炭以其稳定的碳架结构、发达的孔隙结构和比表面积，可作为土壤的碳汇剂和改良剂，这

引起了学术界的广泛关注[4-6]。已有研究发现，生物炭可改善酸性红壤环境促进作物的生长[7]，生物炭还田

增加土壤有机碳[8-9]、改善土壤板结状况[10]。生物炭作为化学肥料的载体制备炭基复混肥为生物炭的还田

提供了一条更为有效的途径，也为缓释肥的研究提供了新的视角。研究发现生物炭基缓释复混肥料作为新

型肥料，能够减缓肥料养分释放速率[11]，降低养分流失对水环境的污染，而生物炭留在土壤中可以改善土

壤性能，提高土壤的生产力以及减少环境污染[12]。一般来说，生物炭基缓释肥由生物炭、粘结剂、化学肥

料组成，不同生物炭、炭肥比等都会影响生物炭基肥的缓释性能[13]。以生物炭为载体，分别釆用简单掺混、

固液吸附和化学反应工艺将生物炭与硫酸铵进行复合，制备了3种炭基氮肥，其制备的生物炭基肥料具有

较好的控释效果[14]。王剑等[15]利用生物炭作为肥料的包裹材料制备了三种不同厚度的生物炭基包裹型缓释

肥料，发现制备肥料的缓释效果随包裹厚度增大而增加。

本文主要采用两种热解温度制备的油茶壳炭、稻壳炭作为尿素的载体，并与磷肥和钾肥进行混合造粒，

制备了12种炭基复混肥，探究其缓释特性，为生物炭基复混肥的制备和应用提供新的方法和依据。

1 实验

1.1 仪器和试剂

尿素、磷酸氢二钾、二甲氨基苯甲醛、硫酸均为分析纯；生物炭材料：油茶壳来自云南腾冲农场，稻

收稿日期：2018-04-19 基金项目：广东省科学院创新人才资助专项，多功能生物炭复合菌剂制备及其钝化土壤重金属效应研究（2017GDASCX-0829）。 作者简介：易从圣（1986~），男，江西宜春人，工程师，本科；主要从事化学检测方法开发和材料研究。

∗ 通讯作者：宗同强（1986~），男，江西南昌人，工程师，硕士；主要从事检测方法的开发。254297012@qq.com 杜衍红（1984~），女，山东泰安人，助研，博士；主要从事生物炭对酸性红壤的改良应用研究。yhdu@soil.gd.cn 第4期 易从圣等：生物炭基复混肥缓释特性研究 61

壳是来自广州岑村某碾米厂。淀粉胶黏剂为自制的玉米淀粉胶黏剂。

紫外分光光度计（上海佑科，UV762），全自动工业分析仪（长沙友欣YX-GYFX7701）。

1.2 生物炭制备实验

油茶壳和稻壳经过烘干粉碎后，利用快速连续热解方法在400℃、500℃限氧条件下进行热解，得到固

态产物油茶壳炭和稻壳炭，标记为COSC400、COSC500、RHC400、RHC500，生物炭冷却后进行粉碎并

过100目筛备用；生物炭经过工业分析仪测的水分、灰分、挥发分和固定碳的比例如表1所示，稻壳炭的

灰分比较高，油茶壳炭的固定碳含量比较高，500℃热解制备的生物炭挥发分降低，灰分和固定碳增加。

表1 生物炭工业分析

水分/ % 灰分/ % 挥发份/ % 固定碳/ % 400℃油茶壳 6.02 3.77 36.87 53.34 500℃油茶壳 5.97 3.8 23.39 66.84 400℃稻壳 5.46 27.01 27.56 39.97 500℃稻壳 4.17 30.69 14.3 50.84

1.3 生物炭基缓释复混肥制备

设计不同生物炭与化肥配比组合（如表2所示），添加适量胶黏剂，利用挤压造粒机进行造粒，低温

烘干密封保存。

表2 炭基缓释复混肥种类

编号 肥料代号 原料 热解温度/℃ 材料配比（炭粉/尿素/磷酸氢二钾） 1 COSC400-SROF1 油茶壳 400 3∶1∶1 2 COSC400-SROF2 油茶壳 400 4∶1∶1 3 COSC400-SROF3 油茶壳 400 7∶1.5∶1.5 4 COSC500-SROF1 油茶壳 500 3∶1∶1 5 COSC500-SROF2 油茶壳 500 4∶1∶1 6 COSC500-SROF3 油茶壳 500 7∶1.5∶1.5 7 RHC400-SROF1 稻壳 400 3∶1∶1 8 RHC400-SROF2 稻壳 400 4∶1∶1 9 RHC400-SROF3 稻壳 400 7∶1.5∶1.5 10 RHC500-SROF1 稻壳 500 3∶1∶1 11 RHC500-SROF2 稻壳 500 4∶1:1 12 RHC500-SROF3 稻壳 500 7∶1.5∶1.5

1.4 炭基缓释复混肥缓释性能测试实验

通过土柱淋溶法分析炭基缓释复混肥单次尿素淋出率。模拟土柱，制备淋溶管：取550 mL矿泉水瓶

去掉底盖改制成淋溶管主体，瓶底直径6.0 cm，瓶高22.0 cm，瓶口作为淋溶出口。由打孔器统一为橡胶塞

钻孔，孔上配置移液枪枪头改制的过滤嘴。橡胶塞塞紧瓶口，在瓶内淋溶出口处附上一层纱布和两层滤纸。

装土：模拟耕层土壤，设置土柱高度15 cm，压实，均匀铺满5 g炭基缓释复混肥，再覆盖5 cm厚度

的土层。

收集滤液：实验第一天加入蒸馏水250 mL，以后每隔24小时缓慢加入加蒸馏水100 mL，下方用250 mL 62 广 州 化 学 第43卷 锥形瓶收集滤液，测量其体积V。由于供试土壤为干土，土壤润湿需要一定量的水分，所以第一次加入的

水分较多。

尿素释放率的测定：利用对二甲氨基苯甲醛显色分光光度法（GB/T 23348-2009），检测水溶液中常微

量尿素含量。选择测试波长为422 nm，对二甲氨基苯甲醛（PDAB）显色剂用量10 mL，硫酸溶液用量4 mL，

显色时间10 min，在此条件下测得的标准曲线在0～1 000 µg/mL范围内为线性关系，最低检出限为 0.5 µg/mL。

2 结果与讨论

2.1 纯尿素淋溶曲线分析

称取5 g的尿素进行淋溶对照实验，尿素单次释放

率结果如图1所示。可以看出，第1次的尿素单次释放

率在70%左右，第2次尿素单次释放率为30%左右，第3次基本没有尿素淋出。

2.2 油茶壳炭基缓释复混肥缓释性能分析

将6种油茶壳炭基缓释复混肥进行淋溶实验，尿素

单次淋出率结果如图2与图3所示。6种复混肥尿素单

次淋出率变化趋势基本相同，都是在第2天尿素淋出率

最高，随后依次减少直至第7天尿素基本完全淋出。第1天的单次释放率均不大于40%，与纯尿素颗粒相比，

加入油茶壳炭基缓释复混肥的尿素释放率明显降低，复混肥的缓释性能明显提高。

其中，COSC400-SROF1第1天淋溶尿素单次淋出率为21.65%，第2天淋出率为32.05%，第3天淋出

率为15.23%，第4、5、6天依次减少，第7天尿素基本全部淋出；COSC400-SROF1前3天的尿素单次释

放率都低于其它两种复混肥，前3天尿素累积释放率＜80%，因此COSC400-SROF1缓释效果较好，即400℃

热解的油茶壳炭与尿素、磷酸氢二钾的比例为3∶1∶1的炭基缓释复混肥的缓释性能更好。

1d2d3d4d5d6d7d010203040

尿素单次浸出率/ %

t / d

图2 油茶壳炭基缓释复混肥尿素淋溶曲线 COSC400-SROF1 COSC400-SROF2 COSC400-SROF3

400℃

1d2d3d4d5d6d7d0510152025303540

45

500℃尿素单次浸出率/ %

t / d

图3 油茶壳炭基缓释复混肥尿素淋溶曲线 COSC500-SROF1 COSC500-SROF2 COSC500-SROF3

500℃热解的油茶壳炭制备的复混肥淋溶率如图3所示，由图3可以看出，前2天COSC500-SROF2与

COSC500-SROF3淋出率较低，随着生物炭含量的增多，尿素淋出率降低，炭基肥的缓释性能更好。经比较，

以上6种油茶壳炭基复混肥中C500-COSOF3的淋出曲线较为平缓，单次淋出率均低于30%，缓释性能最佳。 1d2d3d4d5d6d7d020406080

图1 空白试验纯尿素淋溶曲线尿素单次浸出率/ %

t / d

第4期 易从圣等：生物炭基复混肥缓释特性研究 63

2.3 稻壳炭基缓释复混肥缓释性能分析

将6中稻壳炭基复混肥进行淋溶实验，各肥料尿素淋溶曲线如图4、图5所示。由图4可以看出， RHC400-SROF1第1天尿素单次淋出率为28.73%，第2天淋出率为31.62%，第7天尿素基本淋溶完全；

RHC400-SROF2第1天尿素单次淋出率为24.05%，第2天淋出率为29.05%，RHC400-SROF3第1天尿素

单次淋出率为24.46%，第2天淋出率为25.84%，三种肥料第三天尿素淋出率差异不大，约为24.0%。RHC400-SROF3前3天的尿素单次淋出率都低于其它两种复混肥，前3天尿素累积释放率＜80%，且淋出

曲线较为平缓，因此RHC400-SRF3缓释效果较好。

1d2d3d4d5d6d7d05101520253035

400℃尿素单次浸出率/ %

t / d

图4 稻壳炭基缓释复混肥尿素淋溶曲线 COSC400-SROF1 COSC400-SROF2

COSC400-SROF3

1d2d3d4d5d6d7d05101520253035

500℃

尿素单次浸出率/ %

t / d

图5 稻壳炭基缓释复混肥尿素淋溶曲线 COSC500-SROF1 COSC500-SROF2 COSC500-SROF3

由图5可以看出，RHC500-SROF3第1天尿素单次淋出率为22.47%，第2天淋出率为23.44%，第3

天淋出率为21.90%，前三次累积淋出率＜80%， RHC500-SROF3缓释效果较好，与RHC400-SROF3淋出

曲线相比，同一时间单次淋出率更低，缓释性能也优于RHC400-SROF3。

另外，12种肥料淋溶曲线可以看出，第2天尿素淋出率比第1天高，这是因为第2天淋溶时，土柱是

湿润的，肥料浸润在水分中，尿素释放更快。

3 结论

本文采用400℃、500℃连续热解制备的稻壳炭、油茶壳炭与尿素、磷酸氢二钾按照3种配比组合研制

了12种炭基缓释复混肥，研究其淋溶特性，探讨炭基肥尿素的缓释特性，得出以下结论： 1）生物炭作为尿素态氮复混肥的载体，原料来源对炭基复混肥的缓释性能影响较大，本文的两种材

料来看，相同热解条件下，相同制备工艺，稻壳炭基复混肥的缓释性能更好，稻壳炭基复混肥缓释性能较

好的炭肥比即稻壳炭/尿素/磷酸氢二钾为7∶1.5∶1.5。 2）对于稻壳炭基缓释复混肥，相同的炭肥比时，500℃热解制备的稻壳炭作为尿素态氮复混肥的载体

制备的炭基复混肥的缓释性能优于400℃的稻壳炭基复混肥。 3）400℃热解制备的油茶壳炭作为尿素态氮复混肥的载体制备的油茶壳炭基复混肥，当生物炭、尿素

和磷酸氢二钾的质量比为3∶1∶1时缓释性能较好。

总之，通过对比12种生物炭基复混肥的尿素的淋溶曲线，可以得出，RHC500-SROF3的单次淋出率

较低，缓释性能较好。主要原因是500℃热解稻壳炭比表面积更大，孔隙结构更发达，对尿素的负载和吸

附能力更强，从而缓释性能更好。