CN114956902B - 一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥及制备方法，该控释锌肥由质量比为10％～13％明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥、16％～20％壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥、65％～70％水基聚丙烯酸酯包膜锌肥均匀混合而制得。本发明利用明胶联合聚乙烯醇包膜材料的强吸水性和渗透性，壳聚糖戊二醛交联复合物包膜材料的中等强度吸水性和渗透性，和水基聚丙烯酸酯包膜材料的弱吸水性和渗透性。根据三种包膜材料的不同的释放规律，对不同包膜肥料的比例进行优化组合，得到本发明所述的控释锌肥，既能将锌肥的缓释期延长到50天左右，又能做到分段式释放。本发明所述的控释锌肥可将锌肥的水稻利用率提高超40％，对水稻糙米的降镉率提升超20个百分点。
Description
技术领域
本发明涉及重金属污染土壤治理技术领域，尤其是轻中度镉超标稻田安全生产技术。
背景技术
目前关于镉污染土壤治理与安全利用的研究有很多，包括镉低积累品种选育、钝化剂研制与应用、种植制度调整与农艺技术等。镉低积累品种往往难以同时兼顾产量和品质，实际大面积推广应用并不多见；钝化剂研制较多，包括石灰、有机肥、生物炭、海泡石、羟基磷灰石等，其主要通过提高土壤pH、改变镉的形态、降低土壤中有效镉含量，能够一定程度降低水稻对镉的吸收，但大多数成本较高，且长期施用易对土壤理化性质造成不利的影响，如长期施用石灰易造成土壤板结，导致肥力降低影响作物产量。农艺技术相对比较简单易行，通过田间水分调控和施用一些微量元素肥料也能达到较好的降镉效果。由于在相同转运蛋白OsIRT1、OsHMA2/3、OsZIP1/7的作用下被水稻根系吸收转运，土壤中锌和镉之间存在较强的竞争关系(Ma等，2021)。因此，施用锌肥在的在抑制水稻富集镉方面具有较好的应用前景。目前锌肥的施用方式较为粗放，主要为土壤施用和叶面喷施，施用形态主要为速溶性肥料硫酸锌(ZnSO4)。然而，在土壤水分运动、胶体吸附、微生物吸收等作用下，施入土壤的锌活性将不断降低(徐明岗等，2008)，同时叶面肥易受天气因素、水稻叶表蜡质层等因素的影响，导致当前利用方式下锌肥利用率低，降镉效果较差(10％-28％)(韩潇潇等，2019)。增加锌肥施用量可以提高降镉效率，但增加成本的同时易引发锌环境风险(吴佳等，2017)。
传统农业为了提高肥料的利用率，并减少农业面源污染，通常选择施用溶解速率较慢的肥料、或利用有机高分子和无机矿物材料包膜的方式来提高肥料肥料缓释性能和利用效率(胡育化等，2017；Huang等，2021)。但当前的缓释肥通常缓释期较短，一般10天之内完全释放(白甜等，2015)，之后在土壤老化作用下逐渐失活；另外，当前缓释肥多集中在某一时间段释放，对其他时期植物吸收利用的影响较小，故当前方法对锌肥的利用率和降镉效率提升较弱。
因此，亟需一种能够克服锌肥快速、集中释放的弊端，延长微肥缓释时间，实现分段释放的控释锌肥，以提高水稻对锌肥的利用率，进一步提高对糙米的将镉效率，同时减少因大量施用锌肥造成的生态环境风险。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥及制备方法，通过利用多种包膜材料不同的吸水性和渗透性，通过优化组合对锌肥进行包膜，使锌肥在环境中缓慢释放，并控制其阶段释放比例，以此提高锌肥的生物利用率和降镉效率，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥，所述控释锌肥肥芯为粒径3～5mm的七水合硫酸锌圆颗粒，10％～13％由明胶联合聚乙烯醇包膜、16％～21％由壳聚糖戊二醛交联复合物包膜、65％～70％由水基聚丙烯酸酯包膜。
此外，为实现上述目的，本发明还提供了一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥的制备方法，包括如下步骤：
S1、将10％明胶溶液和10％聚乙烯醇溶液以1:4比例在一定条件下混合，并按5％的质量比加入甘油，制得明胶联合聚乙烯醇包衣材料，以肥芯包衣质量比1:1的比例和一定包膜参数制备明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥；
S2、将戊二醛和壳聚糖分别溶于1％醋酸溶液制备0.2％戊二醛和2.5％壳聚糖，将戊二醛以体积比1:4逐滴滴加到不断搅拌的壳聚糖溶液，制得壳聚糖戊二醛交联复合物包衣材料，以肥芯包衣质量比3:1的比例和一定包膜参数制备壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥；
S3、采用原位熔融法制备水基聚丙烯酸酯乳液，以肥芯包衣质量比5:3的比例和一定包膜参数制备水基聚丙烯酸酯包膜锌肥。
S4、将上述明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥以质量比10％～13％、壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥以质量比16％～20％、水基聚丙烯酸酯包膜锌肥以质量比65％～70％混合均匀，得到一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥。
优选的，所述步骤S1中明胶和聚乙烯醇混合条件为：40～45℃水浴温度下搅拌30～45分钟，静置6-12小时脱泡。
优选的，所述步骤S1中的包膜参数为：采用底喷式流化床包膜设备，蠕动泵转速0.5～0.7转/min，物料仓室温20～25℃，喷嘴压力0.3～0.4MPa。
优选的，所述步骤S2中搅拌条件为：搅拌速度为1200～1500转/min，搅拌时间为4～6小时。
优选的，所述步骤S2中的包膜参数为：采用底喷式流化床包膜设备，蠕动泵转速0.3～0.5转/min，物料仓室温20～25℃，喷嘴压力0.3～0.4MPa。
优选的，所述步骤S3中水基聚丙烯酸酯的制备条件为：搅拌速度为400～500转/min，搅拌温度为75～85℃。
优选的，所述步骤S3中的包膜参数为：采用底喷式流化床包膜设备，蠕动泵转速1.3～1.5转/min，物料仓室温20～25℃，喷嘴压力0.3～0.4MPa。
本发明所述的控释锌肥的缓释期远高于当前常见的缓释肥，克服了因缓释期短造成肥料利用率不高的问题，同时该控释锌肥可以做到分段释放，克服了缓释肥集中释放的弊端，进一步提高了微肥的利用效率，并强化了对水稻糙米的降镉效率。
本发明的有益效果是：本发明方法利用明胶联合聚乙烯醇包膜材料的强吸水性和渗透性，主要在早期释放，利用壳聚糖戊二醛交联复合物包膜材料的中等强度吸水性和渗透性，主要在中期释放，利用水基聚丙烯酸酯包膜材料的弱吸水性和渗透性，主要在后期释放。根据三种包膜材料的释放规律，对不同包膜肥料的比例进行优化组合，得到本发明所述的控释锌肥，既能将锌肥的缓释期延长到50天左右，又能做到分段式释放，前10天释放8％～12％，10～20天释放20％～23％，20～30天释放28％～31％，30～40天释放16％～20％，之后释放剩余的15～18％(图2)。本发明所述的控释锌肥可将锌肥的水稻利用率提高超40％，对水稻糙米的降镉率提升超20个百分点。
附图说明
图1为本发明制备方法步骤流程示意图；
图2为三种包膜材料单独和优化组合包膜后锌肥的动态释放图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
肥芯选择粒径4mm左右的七水硫酸锌圆颗粒，按上述方法制备明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥、壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥、水基聚丙烯酸酯包膜锌肥。以明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥12％、壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥18％、水基聚丙烯酸酯包膜锌肥70％的质量比混合制成控释锌肥。
在pH4.81、全镉0.68mg/kg、全锌65.9mg/kg的江西贵溪稻田，种植品种为赣晚籼29号，设置空白对照、3kg/亩常规锌肥(七水硫酸锌圆颗粒)、3kg/亩控释锌肥三个处理，水稻移栽前2天，田间淹水状况下，土壤基施锌肥或控释锌肥，田间水肥管理方式与传统方式保持一致，待水稻成熟后收获，试验结果见表1：
表1实施例1中各处理水稻产量和糙米锌、镉含量差异
| 处理 | 水稻产量(kg/亩) | 糙米锌含量(mg/kg) | 糙米镉含量(mg/kg) |
| 空白对照 | 541±26.3a | 25.6±2.31c | 0.55±0.06a |
| 常规锌肥 | 546±16.5a | 36.4±3.58b | 0.43±0.03b |
| 控释锌肥 | 551±22.8a | 49.7±5.29a | 0.30±0.02c |
注：表中各组除处理方式不同外，其他常规栽培均一致。
在实施例1中，各处理水稻产量之间无明显差异，但常规锌肥使糙米锌含量比空白对照显著增加42.2％，而本发明所述的控释锌肥使糙米锌含量比空白对照显著增加94.1％，提升比率较常规锌肥增加51.9％；相较于对照，常规锌肥使糙米镉含量下降21.8％，而本发明所述的控释锌肥使糙米锌含量下降45.5％，降镉率较常规锌肥提升了23.7％。
实施例2
肥芯选择粒径3mm左右的七水硫酸锌圆颗粒，按上述方法制备明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥、壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥、水基聚丙烯酸酯包膜锌肥。以明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥13％、壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥20％、水基聚丙烯酸酯包膜锌肥67％的质量比混合制成控释锌肥。
在pH5.42、全镉0.57mg/kg、全锌93.6mg/kg的安徽铜陵稻田，种植品种为晶两优华占,设置空白对照、3kg/亩常规锌肥(七水硫酸锌圆颗粒)、3kg/亩控释锌肥三个处理，水稻移栽前2天，田间淹水状况下，土壤基施锌肥或控释锌肥，田间水肥管理方式与传统方式保持一致，待水稻成熟后收获，试验结果见表2：
表2实施例2中各处理水稻产量和糙米锌、镉含量差异
| 处理 | 水稻产量(kg/亩) | 糙米锌含量(mg/kg) | 糙米镉含量(mg/kg) |
| 空白对照 | 613±18.6a | 21.3±3.14c | 0.41±0.03a |
| 常规锌肥 | 621±30.9a | 33.6±2.85b | 0.32±0.02b |
| 控释锌肥 | 635±40.1a | 42.8±4.23a | 0.24±0.01c |
注：表中各组除处理方式不同外，其他常规栽培均一致。
在实施例2中，各处理水稻产量之间无明显差异，但常规锌肥使糙米锌含量比空白对照显著增加57.7％，而本发明所述的控释锌肥使糙米锌含量比空白对照显著增加100.9％，提升比率较常规锌肥增加43.2％；相较于对照，常规锌肥使糙米镉含量下降21.4％，而本发明所述的控释锌肥使糙米锌含量下降41.5％，降镉率较常规锌肥提升了20.1％。
上述实施例表明，控释锌肥既不影响水稻产量，又可大幅度提高水稻对锌元素的积累，同时强化对水稻糙米的降镉效果，说明本发明中的控释锌肥比常规锌肥更有利于提升水稻的富锌降镉效果。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥的制备方法，其特征在于，所述控释锌肥肥芯为粒径3~5mm的七水合硫酸锌圆颗粒；
所述控释锌肥的制备方法包括如下步骤：
S1、将10%明胶溶液和10%聚乙烯醇溶液以1:4比例在一定条件下混合，并按5%的质量比加入甘油，制得明胶联合聚乙烯醇包衣材料，以肥芯包衣质量比1:1的比例和一定包膜参数制备明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥；
S2、将戊二醛和壳聚糖分别溶于1%醋酸溶液制备0.2%戊二醛和2.5%壳聚糖，将戊二醛以体积比1:4逐滴滴加到不断搅拌的壳聚糖溶液，制得壳聚糖戊二醛交联复合物包衣材料，以肥芯包衣质量比3:1的比例和一定包膜参数制备壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥；
S3、采用原位熔融法制备水基聚丙烯酸酯乳液，以肥芯包衣质量比5:3的比例和一定包膜参数制备水基聚丙烯酸酯包膜锌肥；
S4、将上述明胶联合聚乙烯醇包膜锌肥、壳聚糖戊二醛交联复合物包膜锌肥及水基聚丙烯酸酯包膜锌肥以10%~13%：16%~20%：65%~70%质量比混合均匀，得到一种强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥；
所述步骤S1中明胶和聚乙烯醇混合条件为：40~45℃水浴温度下搅拌30~45分钟，静置6-12小时脱泡；
所述步骤S1中的包膜参数为：采用底喷式流化床包膜设备，蠕动泵转速0.5~0.7转/min，物料仓室温20~25℃，喷嘴压力0.3~0.4MPa；
所述步骤S2中搅拌条件为：搅拌速度为1200~1500转/min，搅拌时间为4~6小时；
所述步骤S2中的包膜参数为：采用底喷式流化床包膜设备，蠕动泵转速0.3~0.5转/min，物料仓室温20~25℃，喷嘴压力0.3~0.4MPa；
所述步骤S3中水基聚丙烯酸酯的制备条件为：搅拌速度为400~500转/min，搅拌温度为75~85℃；
所述步骤S3中的包膜参数为：采用底喷式流化床包膜设备，蠕动泵转速1.3~1.5转/min，物料仓室温20~25℃，喷嘴压力0.3~0.4MPa。
2.一种根据权利要求1所述的制备方法制得的强化水稻糙米富锌降镉的控释锌肥。
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