曹書境，王少杰，王 寅，馮國忠，焉 莉，袁月明，杜 爽，高 強*

（1 吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春 130118；2 吉林農(nóng)業(yè)大學工程技術學院，長春 130118）

摻混肥料是指氮、磷、鉀三種養(yǎng)分中至少有兩種養(yǎng)分標明用量、使用干混方法制成的顆粒狀肥料[1]。摻混肥料生產(chǎn)模式靈活[2]，生產(chǎn)工藝簡單，投資少，能耗低，可根據(jù)土壤、作物、氣候、耕作技術等條件確定肥料養(yǎng)分比例，方便就地生產(chǎn)和銷售[3]。因此，摻混肥料在化肥市場中占據(jù)了重要地位[4]。

由于摻混肥料中各基礎肥料氮、磷、鉀養(yǎng)分含量以及性能表征各不相同，因此在生產(chǎn)、運輸和施用過程中容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象導致養(yǎng)分分離[5-8]，影響施用效果。國外對摻混肥產(chǎn)品質量的評價主要以基礎肥的粒徑及分布、密度、外形和破碎強度等為指標，其中，粒徑的影響最為顯著[9]。粒徑差異能夠影響產(chǎn)品施用的精準度，造成養(yǎng)分的不均勻性[10-12]。

肥料施用分布格局受到很多因素影響，大體可分為四種類型：1) 肥料顆粒的性質；2) 施肥機具；3) 施肥機工作寬度；4) 外部因素[5]。Miserque 等[13]總結出原料物理性狀差異與化肥分離的相關系數(shù)，指出顆粒粒徑和密度對養(yǎng)分分離的影響最大；Hofstee等[14]研究得出顆粒粒徑和粒徑分布、摩擦系數(shù)、恢復系數(shù)、氣動阻力和顆粒強度是影響顆粒摻混后養(yǎng)分均勻性的主要參數(shù)。Hall等[5]采用離散元法模擬評價了撒播顆粒肥料分布的均勻性。一般物料粒徑的控制指標通常采用平均主導粒徑 (SGN) 與均勻度指數(shù)(UI)[6]。也有研究表明，摻混肥料的均勻性取決于顆粒的物理性質，例如粒度分布、堆積密度、顆粒形狀、斷裂強度等[15]。

摻混肥基礎原料的性能及其適配性，是保證摻混及精準施用的關鍵。本文針對摻混肥在生產(chǎn)、運輸和施用過程中易產(chǎn)生分層導致養(yǎng)分分離的問題，以常見的22種基礎原料肥作為研究對象，分析評價其理化性質，根據(jù)影響摻混肥養(yǎng)分分布的主要物理指標對原料肥進行分類摻混，利用排肥機進行模擬施肥試驗，評價其施用后的養(yǎng)分分布狀況。

1 材料與方法

1.1 供試肥料

試驗選用市面上最常用的7種氮肥、9種磷肥(磷酸一銨、磷酸二銨)、6種鉀肥作為研究對象。肥料名稱、形狀、原產(chǎn)地及養(yǎng)分含量如表1所示。

1.2 基礎原料肥理化性質測定方法

1) 粒度，篩分法測定[16]。2) SGN[17]，根據(jù)測定的粒度值計算，計算公式詳見GB 21633-2008附B。3)UI[17]，根據(jù)肥料顆粒粒度結果計算，計算公式詳見GB 21633-2008附B。4) 顆粒硬度測定，隨機抽取樣品顆粒30粒，用顆粒強度測定儀測定顆粒硬度，測定三次取平均值作為最終數(shù)據(jù)。5) 堆密度的測定，取一固定容積 (30 mL)，裝滿并去除多余肥料，取出稱重，測量三次計算肥料的堆密度。6) 休止角的測定，采用固定漏斗法。7) 酸堿度的測定[18]，采用靜水溶出法，取濾液用pH計測定肥料溶液的pH值。8) 鹽指數(shù)的測定[19]，采用靜水溶出法，取濾液用電導率儀測定肥料溶液的電導率。以硝酸銨的電導率為100，計算化肥的相對值作為鹽指數(shù)。9) 臨界相對濕度，稱取3 g樣品 (精確到0.001 g)，置于恒溫恒濕箱內(nèi)，每隔1小時取出稱量1次，并計算對應吸濕率。每個濕度水平進行3次稱量 (3小時)，如果不增重或增重 ＜ 0.5%，將箱體濕度提高2.5%RH，重新更換樣品，重復上述過程，直至樣品的臨界相對濕度點為止。10) 養(yǎng)分分離度，用養(yǎng)分分離度作為確定養(yǎng)分分離的指標，是氮磷鉀三種肥料養(yǎng)分含量的比值。試驗中將裝滿肥料的鋁盒去皮稱重，分類挑揀，分別稱重計數(shù)。將實際氮、磷、鉀肥重量數(shù)值進行記錄，根據(jù)鋁盒內(nèi)肥料總重計算出樣品中養(yǎng)分分離度與理論值進行正交設計分析。對13種摻混肥進行養(yǎng)分均勻度排序，挑選出最適宜摻混的比例、施肥速度、影響?zhàn)B分均勻度的主要摻混分類指標。

表 1 供試氮磷鉀原料肥Table 1 Appearance, place of origin and nutrient content of the tested fertilizers

1.3 樣肥制備及其離析測試實驗

分析選用農(nóng)戶常用的兩種比例1∶1∶1 (多數(shù)為15∶15∶15) 和 2∶1∶1 (多數(shù)為 20∶10∶10)，按照密度、SGN、休止角相近、不相近的原則選擇摻混原料肥進行摻混，制備供試樣肥。利用自主研發(fā)的排肥機在室內(nèi)進行小批量摻混原料肥離析度實驗[20]。詳細實驗步驟：使用機械將原料肥摻混，按照所需比例在混合機中運行240 s，每次12.5 kg。把摻混后的肥料放入模擬施肥機內(nèi)，在施肥機對應頻率下，將樣肥放入對應試驗的肥箱中，運行30 s，在第10 s和第20 s時將取樣鋁盒放入到施肥機的排肥口，接滿將兩次取樣進行摻混后用盒蓋刮下最上面的肥料，蓋上盒蓋，貼上標簽。貼簽保存，分揀，稱重，計數(shù)，測評養(yǎng)分分離狀況[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

模擬施肥試驗結果用DPS軟件中正交設計表L13(33) 進行數(shù)據(jù)處理分析，設計3水平 (氮、磷、鉀三種原料肥) 和3因素 (施肥機速度、摻混比例、摻混分類指標)，確定摻混后的13種處理養(yǎng)分均勻度順序。

2 結果與分析

2.1 供試原料肥的理化性質

本研究對市場上7種不同種類的氮肥、9種不同產(chǎn)地的磷肥、6種不同產(chǎn)地鉀肥的SGN、UI、硬度、密度、休止角、酸堿度、鹽指數(shù)等指標進行了測試，每個樣品重復測量3次，取平均值(表2)。

摻混肥原料性能評價結果顯示，河北省磷酸二銨、吉林省氯化鉀和硫酸鉀、產(chǎn)自俄羅斯的硫酸鉀肥平均主導粒徑 (SGN) 超出280～340的適宜摻混范圍[17]；原料中黑龍江省硫酸銨肥和吉林省氯化鉀均勻度指數(shù) (UI) 低于最小要求40，不適宜作為摻混肥原料[17]；供試肥料中氮肥硬度普遍偏低，除江蘇產(chǎn)氯化銨 (N6) 外，其余肥料硬度均在0.20～13.27 N之間，達到摻混肥硬度要求；氮、磷、鉀原料肥密度分別在0.71～0.87、0.84～1.05和1.03～1.19 g/cm3之間，均在可摻混范圍內(nèi)[9]；休止角與肥料顆粒形狀、摩擦系數(shù)等因素有關。由于鉀肥和硫酸銨為不規(guī)則多邊形，所以休止角偏大，尿素和磷肥多為圓形或橢圓形，休止角較小。

表 2 供試原料肥理化性質Table 2 Physical and chemical properties of the tested fertilizers

2.2 分類摻混

根據(jù)影響摻混肥養(yǎng)分分離的主要指標，按照測定結果，將密度、SGN、休止角從小到大劃分為三個等級 (表3)，并根據(jù)上述三個指標相近和不相近原則進行摻混，共得到13種摻混肥，如表4所示。利用外槽輪排肥機對13種摻混肥進行實驗室模擬排肥研究，評價其施用后的養(yǎng)分分離狀況。

表 3 按供試原料肥密度、平均主導粒徑、休止角進行的等級劃分Table 3 Classification of prepared lend fertilizers according to density, average primary particle size (SGN) and repose angle

表 4 摻混樣肥代碼及所用的原料肥Table 4 Code of bulk blended fertilizer samples and the raw fertilizers used

2.3 摻混樣肥養(yǎng)分分離度

表4中所列的13個摻混樣肥，均配備了兩個養(yǎng)分比例 (1∶1∶1和2∶1∶1) 在四種排肥速度 (6、8、10、12 km/h) 下，其養(yǎng)分比例測試結果見表5。

試驗結果通過DPS軟件進行數(shù)據(jù)處理，通過實測的氮磷鉀養(yǎng)分比與理論氮磷鉀比值分析比較得出，在排肥機前進速度為6 km/h、摻混比為2∶1∶1時，實測結果與理論值最接近。其中，施用后養(yǎng)分分布最均勻的為F5 (N1P1K5)，最不均勻的為F9(N7P7K5)。由表4可知，F(xiàn)5是根據(jù)原料肥SGN值相近進行摻混，各單質肥料SGN值差異最小，摻混后肥料較均勻；而F9按SGN不相近進行摻混，單質原料肥間SGN相差較大，摻混肥施用過程中養(yǎng)分分離情況嚴重，影響摻混肥的施用效果。此外，按密度摻混結果中，兩種養(yǎng)分配比 (1∶1∶1和2∶1∶1)下，摻混肥施用后養(yǎng)分均勻度高低次序為：F3 ＞ F2 ＞F1 ＞ F4 和 F2 ＞ F3 ＞ F4 ＞ F1。結果顯示，密度并不是影響摻混肥養(yǎng)分分離的主要因素，對摻混后養(yǎng)分均勻性無顯著影響[22]。在兩種養(yǎng)分配比下，按原料肥SGN相近摻混的三種肥料 (F5、F6、F7) 施用后養(yǎng)分均勻度均高于SGN不相近摻混肥料 (F8、F9)，說明原料肥顆粒的SGN對摻混肥施用后養(yǎng)分分離狀況影響較大。按休止角摻混結果顯示，在養(yǎng)分配比為1∶1∶1和2∶1∶1條件下，摻混肥施用后養(yǎng)分均勻度高低順序均為 F10 ＞ F11 ＞ F13 ＞ F12。可見，原料肥顆粒休止角是影響摻混肥施用后養(yǎng)分分離的另一個重要因素。綜上所述，通過對13種摻混肥室內(nèi)模擬施肥試驗得出，原料肥SGN、休止角是摻混肥養(yǎng)分分離狀況的主要影響因素。

3 討論

肥料的物理性質主要取決于肥料的加工過程和添加劑對其的影響。本研究利用外槽輪式排肥機對13種摻混肥進行室內(nèi)模擬施肥試驗，試驗結果顯示，在排肥機前進速度為6 km/h、摻混比為2∶1∶1時，實測結果與理論值最接近。原料肥的SGN值一般在280～340之間比較適合摻混[17]，且SGN越接近越能更好地匹配。按SGN分類摻混的情況下，施用后養(yǎng)分分布最均勻的摻混肥為F5 (N1P1K5)，其氮、磷、鉀原料肥SGN差值為340～348，大于前人報道的適宜摻混范圍[17]，可能是由于肥料顆粒間SGN差異較小，UI較高，降低了肥料的養(yǎng)分分離。該結果與Reumers等[12]試驗結果一致，SGN是影響摻混肥養(yǎng)分分離狀況的主要物理特性。此外，摻混肥F5、F6、F7施用后養(yǎng)分均勻度均大于F8、F9(表5)，進一步分析可知，F(xiàn)5、F6和F7原料肥間SGN值相差較小，F(xiàn)5、F6和F7的SGN差值分別為8、59、24，F(xiàn)8、F9處理中SGN差值范圍分別為59、171。由此得出，摻混肥中原料肥SGN間差值應控制在小于59范圍內(nèi)，可降低養(yǎng)分分離狀況。前人研究表明，密度是影響摻混肥養(yǎng)分分離的重要因素[23]。Hoffmeister等[9]試驗得出基本原料肥顆粒密度在0.72～1.20 g/cm3范圍時較適合摻混。而在本研究中，密度對摻混后肥料養(yǎng)分分離狀況并無明顯影響，這可能是由于本研究所選用的22種供試肥料密度 (0.71～1.19 g/cm3) 均在適合摻混范圍之內(nèi)。休止角與肥料顆粒形狀、摩擦系數(shù)等因素有關，顆粒近似圓形的肥料休止角較小，顆粒為不規(guī)則形狀的肥料 (如鉀肥) 休止角較大。試驗結果顯示，F(xiàn)10、F11施用后養(yǎng)分分布均比F12、F13均勻，這可能是

由于F10、F11中三種原料肥都為圓形顆粒，肥料休止角小，導致?lián)交旆十a(chǎn)品摻混后肥料均勻分布。說明原料肥休止角也是影響摻混肥養(yǎng)分分布的重要因素。在選用摻混肥的原料肥時應當選用顆粒性狀相近的原料，盡量不選用顆粒形狀不規(guī)則的肥料進行摻混，否則會嚴重影響摻混肥的養(yǎng)分均勻性，進而影響摻混肥的施用效果。本研究結果表明，選用休止角差值小的原料肥進行摻混，能夠有效降低摻混后的肥料養(yǎng)分分離度。

表 5 不同模擬施肥速度下?lián)交鞓臃实膶崪yN∶P2O5∶K2O比例Table 5 Measured N, P2O5, K2O ratio of the bulk blending fertilizer samples under different simulated fertilization speeds

4 結論

本試驗選用原材料中有80%可作為摻混肥原料肥。原料肥平均主導粒徑、休止角是影響摻混肥施用過程中養(yǎng)分分離狀況的主要因素。原料肥平均主導粒徑在340～348 mm之間時較適宜摻混，且平均主導粒徑間差值越小，養(yǎng)分分布越均勻。選用休止角較小的原料肥，并減小休止角間差異，可降低摻混肥養(yǎng)分分離度。