本文是一篇农业科学论文，本研究采用田间实验和室内实验相结合的方法，评价一类新型的水基聚合物包膜肥料—Nano-Fe III-tannic acid 改性水性聚丙烯酸酯包膜尿素(NWU)在水稻生产中的应用效果。为了更好地了解 NWU 的潜力，我们还对未改性水性聚丙烯酸酯包膜尿素(WU)、一类典型的释放周期较长的反应成膜的聚合物包膜肥料—聚氨酯聚合物包膜尿素(PU)和未包膜尿素(U)进行了评价。
第一章 绪论
1.1 氮肥在我国水稻应用中的现状
肥料是用于土壤或植物组织以提供一种或多种植物生长所必需的养分的任何一种材料，它可能是天然的或人工合成的(Akiyama 等., 2010)。氮(N)基肥料生产始于 Birkelande Eyde 工艺，这是氮基肥料生产中最具竞争力的工业工艺之一(赵先贵和肖玲, 2002)。在此过程中，将大气中的氮(N2)通过固氮固定成硝酸(HNO3)。那时硝酸被用作硝酸盐(NO3)的一种来源。现在，据估计，地球上几乎一半的人目前是由于合成氮肥的结果。合成肥料的发展显著支持了全球人口的增长。在过去的 50 年里，商业化肥的使用一直在稳步增长；达到每年近 1 亿吨氮。据估计，如果不添加化肥，大约三分之一的粮食将无法生产(李庆逵, 1998; 武志杰, 1997)。氮素作为作物生长的基本单元，施氮能保证水稻产量的提高，氮肥施用量的增加对粮食产量的提升起到了积极的作用，我国从 2000 年至 2018 年水稻产量逐年递增，氮肥投入量也随之增加，直至最近几年才趋于平稳(图 1.1)(FAO,2020)，但逐年递增产量与投加施氮量并不是线性相关的(Yao 等., 2018)。在同水平的施氮量下，稻田中氮肥的总损失较高，这造成目前为了追求更高产量，氮肥的投入量也随之加大。同时，氮肥过度滥用导致氮素利用效率(NUE)降低，氮素损失增加，养分需求与产量的平衡模式已经被改变(Sun 等. 2016)。尿素(U)在水解过程中在 1 ~ 2 天内转化为 NH4+、羟基和碳酸盐离子，施土后 N 的损失主要表现为氨挥发(AV)、N2O 排放、淋失和径流等形式(Tian et . 2015)。大气中的氨气和氮氧化物(NXO)，加剧温室效应，对流层臭氧层污染，导致天气变化，形成的气溶胶还导致雾霾等问题，特别是对人类健康的威胁，造成呼吸道合心血管疾病等(Fu 等., 2020)。其次通过径流、淋溶和干湿沉降进入生态系统中，也会引起土壤酸化和水体富营养化，饮用水中硝酸盐浓度超标也会影响人类健康(Gu 等.,2015)。
1.2 新型氮肥的氮素管理
合成的化学氮肥如尿素、硫酸铵、硝酸铵和碳酸氢铵等，极易溶于水中，便于作物快速的吸收，因此也被称为速效氮肥。这样氮肥施入农田中水解后一部分被作物吸收，一部分被土壤胶体吸附、矿化以及微生物固持并逐渐分解冗余在土壤中。但正因其在水中易快速溶解的特点，大量的氮元素在未能及时被作物吸收或留在土壤中，就通过气态损失和水相的迁移而流失，一定程度造成了不必要的氮素损失和随之引发的环境危害 (邢光熹 等., 2020)。随后，人们又采用氮肥分施的施肥制度，去匹配作物在不同时期的氮素营养需求的峰值，一般分为基施，蘖期施和穗期施，从而一定程度上有效提高了作物产量和氮肥利用率，然而这类管理模式需要较高的人力成本(Miao 等，2016)。因此为了解决速效氮肥前期易溶于水，造成氮素大量流失，无法与作物养分氮素需求相匹配的特点，人们研发了一类缓释肥料来调节肥料的释放速率(Akiyama 等., 2010)。
控释氮肥(CRNF)作为一种有前景的氮肥品种，通过扩散、溶解或者减慢营养物质的释放，减少它们提供的养分的流失并提高化肥的效率，在实现农艺和经济目标的同时减少大田作物产生的活性氮(Nr)对环境影响的，一直受到科学家、决策者和农业部门的关注。与常规氮肥(如尿素)的分施相比，单次基础施 CRNF通常可以通过延长植株的氮有效性，实现其氮释放与作物氮需求的同步(Akiyama等., 2010)。因此，用一次性基施 CRNF 替代常规氮肥的分施是一种可行的替代方法，可以节约劳动力成本，提高谷物产量，同时减少 Nr 的损失，世界各地的许多研究都已经解决了这一问题(Ye 等., 2013; Geng 等., 2015)。目前，控释肥市场上可分别物理，化学和复合类三类肥料类型 (Fu 等., 2018)。化学结合的肥料是需要将肥料与一种或多种化学材料通过共价键或离子键结合以产生微溶或水不溶性化合物的肥料。
第二章 材料与方法
2.1 供试肥料
试验肥料为 3 种聚合物包膜尿素(PU、WU、NWU)和未包膜尿素(U)。包膜尿素的氮含量分别为 42.40%、42.60%、40.20%；常规尿素氮含量为 46.40%，粒径为 1.0 ~ 2.0 mm。聚氨酯类反应成膜的聚合物材料(PU)，此类半透膜的制作过程中均匀附着在尿素颗粒表面，包膜时间 10 min，热风流量 380m3/h，热风流动温度 65℃，喷雾速度 4 g min-1，喷涂温度：65℃，转速：40 rpm。在 60±2℃下热固化反应 10 min 后，将形成的 PU 涂层(相对于尿素肥料的 0.5%)附着在尿素颗粒表面。需要经过 6~8 轮的热塑性聚氨酯混合和配制，涂层强度高，不易降解，包膜内的尿素依靠内外浓度差不断浸出，理论上在 25℃的静水中最达释放周期可达 180 天(Chadwick 等. 2015)。WU 以水性聚丙烯酸酯为原料，不需要有机溶剂，单次连续涂膜料制备工艺。常规乳胶聚合法制备聚丙烯酸酯乳液(Shen 等.2015)，并采用装有底喷式气动喷嘴的底喷流化床对水性聚丙烯酸酯尿素进行覆膜，在 Wurster 流化床中对肥料颗粒进行了涂层处理，配备 LDP-3 型底喷气动喷嘴(常州嘉发制粒干燥设备有限公司)。工艺参数分别为:流化床温度 45 ~ 50℃，涂层喷涂速度 2.5 g min-1，雾化压力：0.1 MPa。涂层乳液用量为每 500g 常规尿素颗粒含 125g 包膜，涂层平均厚度约为 100μm。膜颗粒在45℃的烤箱中烘干 24h。水性聚丙烯酸酯(NWU)的基础上改性纳米 Fe III-TA 共混的涂层结构得到了较低的黏性、较好的润湿性和较大的弹性模量，其复合涂层材料为乳胶与 FeCl3·6H2O、单宁酸和聚丙烯酸酯乳胶配合物合成。
2.2 养分释放特征
2.2.1 静水体系的养分释放特征
在去离子水中测定 4 种肥料的养分释放曲线(PU、WU、NWU)和常规尿素(U)，每个处理三个重复样品，称重颗粒(10g)浸入在 200mL 去离子水中，橡胶塞密封，在 25℃的培养箱中恒温培养。每个处理的尿素溶液定期采样提取液，测定提取液的尿素浓度。采样时间为第 1、3、5、7、10、14、28、42、56 天取样，以后每隔 15 天进行取样，直至累积养分释放率达 80%以上为止。对于聚合物包膜肥料的处理组分，应将待分析的包膜颗粒和溶液完全取出，待测液送去测定，再将化肥表面的残留溶液冲洗干净，然后重新加入 200mL 去离子水中继续密封培养。对于尿素处理，抽取 20mL 待测溶液进行分析，之后加入 20mL 去离子水。尿素溶液的浓度测定采用国标的方法 (GB/T 23348-2009)，将提取液与 4-二甲氨基苯甲醛进行定量显色反应，用预先建立的标准曲线分光光度法测定溶液中尿素浓度。累积氮释放率计算为测定的尿素累积氮量除以总氮添加量。用于观测水中尿素释放的动态变化(累积氮释放速率与培养时间的关系)。同时运用 Richards 方程模型拟合不同肥料处理的释放曲线。
2.2.2 土壤体系养分释放特征与氨排放损失
风干后的土壤样品(干重 200.0g)加入 250mL 广口瓶中使其湿润，调节至100%田间最大持水量(接近实际水稻土淹水条件)。在培养箱中 25℃静置预培养一周(激发土壤生物活性)。设置 4 个处理(分别为 U、PU、WU、NWU)以及空白样(CK)进行土壤培养试验。然后，将定量氮肥颗粒埋于土层 2cm 下，3 次重复处理。调整土壤氮含量至 110mg N kg-1。处理置于 25℃培养箱中好氧培养。每 5天加入去离子水，保持土壤水分恒定。在第 1、3、5、7、14、21、28、35、42、49、56、63、70、77、84、91 天对每组样品进行破坏性采样，并去除肥料颗粒。
第三章 新型聚合物包膜肥料的养分释放特征......................29
3.1 聚合物包膜肥料的在静水体系养分释放特征.......................29
3.2 聚合物包膜肥料的在土壤体系养分释放特征..........................30
第四章 新型聚合物包膜肥料田间实验的应用效果..........................34
4.1 产量............................34
4.2 累积氮吸收、农学利用率、氮肥利用率以及生理利用率......................36
第五章 新型聚合物包膜肥料环境氮损失特征..............................39
5.1 水稻生长季环境氮损失的田间观测..............................39
5.1.1 氨挥发监测......................................39
5.1.2 N2O 排放监测...............................42
第七章 讨论
7.1 聚氨酯包膜控释肥释放特征
在水稻种植制度中，尿素常规 3 次施:基施 1 次，
