一种控释肥养分经膜释放的动态表征方法与流程

本发明控释肥养分释放评价方法领域，尤其涉及一种控释肥养分经膜释放的动态表征方法。

背景技术：

我国是农业大国，肥料是农业生产中最重要的生产资料之一，是农民生产投资中最大的物质投资，约占其全部生产性支出的50％。联合国粮农组织(FAO)的统计表明，20世纪世界粮食增产的40％～60％来自于肥料的贡献。为了提高产量，60年来，中国的化肥使用率竟增加了近百倍，据国家统计局数据，2013年化肥生产量7037万吨，农用化肥施用量5912万吨。我国占有7％的土地，却使用着全世界35％的化肥，相当于美国、印度的总和。虽然我国化肥施用量很高，但和发达国家相比化肥利用率很低。统计数据表明，发达国家氮肥利用率为40％～60％，磷肥为10％～20％，钾肥为50％～60％。而我国氮肥利用率平均为30％～40％，磷肥为10％～25％，钾肥为35％～60％。

化肥施用量过高会污染土壤和水源，土壤水溶性养分等物质被雨水和农田灌水淋溶到地下水及河流中造成部分地区的地下水及河流污染；会破坏土壤结构，土地开始板结，板结会使土壤保持水分、养分的能力变差，影响作物根系生长；会造成产品品质下降，作物营养失调，并且容易腐烂，不能存放；还会导致增产困难，受耕作栽培水平、作物需肥量等因素所限，作物不能获得很高的产量。

控释肥(Controlled Release Fertilizer,CRF)是指通过各种机制措施预先设定肥料在作物整个生育周期的养分释放模式，使其养分释放规律同作物吸收养分规律相同步，从而提高肥料利用率的一种新型肥料，它是缓释肥的高级形式。由于控释肥具有养分释放与作物吸收相同步的功能，具有损失小或不损失、施用方便、重施不盐害作物、对环境污染小等优点。为了解决化肥使用量过高等带来的一系列问题并参考发达国家的成功案例和经验，我国也在近几年逐渐开展缓控释肥的研究和推广。2006年科技部首次将“缓控释肥的研究和产业化应用”列为重点和优先支持的项目写入“十一五”国家科技支撑计划；2007年中央一号文件提出要“加快发展缓控释肥”；2008年全国农业技术推广服务中心直接向各省下发《关于做好缓控释肥示范推广工作的通知》，将缓控释肥上升到实践阶段。2015年农业部制订了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》。

缓控释肥的养分释放是反应缓控释肥质量的重要评价指标，目前，我国已有采用静水浸提法(HG/T 4215-2011和HG/T 4216-2011)作为控释肥养分释放的标准检测方法，但其需要传统的实验室常规分析方法测定氮磷钾等元素含量，费时费力耗能易污染，且无法表征膜及肥料经膜渗透情况，不利于量化研究膜特性、肥料动态释放特性及其相互作用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种控释肥养分经膜释放的动态表征方法，本发明提供的方法能够表征肥料经膜的释放情况以及可量化膜的变化。

本发明提供了一种控释肥养分经膜释放的动态表征方法，包括：

将控释肥待测样通过显微红外光谱仪进行检测，提取谱图，分析，得到膜材料厚度以及养分在膜材料内的释放情况；

其中，所述检测的工作参数为：扫描范围4000～500cm^-1；光谱分辨率14～16cm^-1；像素点大小6.25×6.25μm。

优选的，所述控释肥待测样按照以下方法制备得到：

将静水浸提或使用过程的控释肥颗粒冷冻、干燥，切片，得到控释肥待测样。

优选的，所述冷冻的温度为-78～-85℃。

优选的，所述干燥的温度为-45～-30℃。

优选的，所述切片为将冷冻干燥后的控释肥颗粒切成厚度为15～25μm控释肥待测样。

优选的，所述检测的扫描次数为3～6次。

优选的，所述检测用检测器为碲镉汞阵列检测器。

优选的，所述提取谱图具体为：

在原始红外光谱图的基础上沿颗粒样品边缘由表及里进行光谱提取，并对原始图谱进行二阶导数方法的计量学处理，分别提取特征波数下的单波数二阶导数光谱图像及其径向二阶导数光谱数据。

优选的，所述二阶导数的计量学处理中，二阶导数的差分宽度为8～10。

优选的，

所述分析为通过对特征波数为750～1750cm^-1、2250～2500cm^-1和2750～3500cm^-1三个区域的光谱数据进行分析，得到养分在膜材料内的释放情况；

并通过对膜材料的特征波数的二阶导数变化得到膜的厚度。

与现有技术相比，本发明提供了一种控释肥养分经膜释放的动态表征方法，通过将控释肥待测样通过显微红外光谱仪进行检测，提取谱图，分析，得到膜材料厚度以及养分在膜材料内的释放情况；其中，通过选择所述显微红外光谱仪检测的工作参数为：扫描范围4000～500cm^-1；光谱分辨率14～16cm^-1；像素点大小6.25×6.25μm；使得本发明提供的方法能够清楚、准确的表征控释肥养分的变化情况，而且还能够量化包覆养分的膜的变化情况，不仅检测方法方便、快捷，而且测试方法准确。

附图说明

图1为本发明实施提供的3中供试控释肥中氮素随浸提时间累积释放率曲线；

图2是本发明实施例中“金正大-花童”控释肥随浸提时间变化的显微红外光谱图；

图3是本发明实施例中“金正大-沃夫特”控释肥随浸提时间变化的显微红外光谱图；

图4是本发明实施例中“Nitrogro-花露”控释肥随浸提时间变化的显微红外光谱图；

图5为本发明实施例中“金正大-沃夫特”控释肥随浸提时间变化时包膜厚度动态变化结果。

具体实施方式

本发明提供了一种控释肥养分经膜释放的动态表征方法，包括：

将控释肥待测样通过显微红外光谱仪进行检测，提取谱图，分析，得到膜材料厚度以及养分在膜材料内的释放情况；

其中，所述检测的工作参数为：扫描范围4000～500cm^-1；光谱分辨率14～16cm^-1；像素点大小6.25×6.25μm。

按照本发明，本发明将控释肥待测样通过显微红外光谱仪进行检测，提取谱图，分析，得到膜材料厚度以及养分在膜材料内的释放情况；其中，所述扫描范围优选为3800～500cm^-1；所述光谱分辨率优选为16cm^-1；所述扫描的次数优选为3～6次，更优选为4～5次；所述检测用检测器优选为碲镉汞阵列检测器；所述待测样的样品载体优选为采用ZnS红外窗片。

本发明中，所述控释肥待测样按照以下方法制备得到：

将静水浸提或使用过程的控释肥颗粒冷冻、干燥，切片，得到控释肥待测样；其中，所述冷冻的温度优选为-78～-85℃，更优选为-80～-82℃；所述干燥的温度优选为-45～-30℃，更优选为-42～-35℃；所述干燥的真空度优选为8～15Pa，更优选为10～12Pa；所述切片为将冷冻干燥后的控释肥颗粒切成厚度为15～25μm控释肥待测样；其中，本发明中，冷冻干燥后的控释肥颗粒疏松程度较高，厚度越小切割难度越大越不易保持包膜及内部养分的完整性，但是厚度太后会导致测试结果不准确，本发明优选所述控释肥待测样的厚度为20～22μm。

本发明中，所述提取谱图优选具体为：

在原始红外光谱图的基础上沿颗粒样品边缘由表及里进行光谱提取，并对原始图谱进行二阶导数方法的计量学处理，分别提取特征波数下的单波数二阶导数光谱图像及其径向二阶导数光谱数据。其中，所述二阶导数的计量学处理中，二阶导数的差分宽度优选为8～10，更优选为9；所述缓释肥的特征波数优选为波数为750～1750cm^-1、2250～2500cm^-1和2750～3500cm^-1三个区域。

本发明中，所述分析为通过对特征波数为750～1750cm^-1、2250～2500cm^-1和2750～3500cm^-1三个区域光谱数据进行分析，得到养分在膜材料内的释放情况；并通过膜材料的特征波数的二阶导数变化得到膜的厚度；所述膜材料的特征波数随着膜的不同而不同。

本发明提供的一种控释肥养分经膜释放的动态表征方法，通过将控释肥待测样通过显微红外光谱仪进行检测，提取谱图，分析，得到膜材料厚度以及养分在膜材料内的释放情况；其中，通过选择所述显微红外光谱仪检测的工作参数为：扫描范围4000～500cm-1；光谱分辨率14～16cm-1；像素点大小6.25×6.25μm；使得本发明提供的方法能够清楚、准确的表征控释肥养分的变化情况，而且还能够量化包覆养分的膜的变化情况，克服了传统分析方法样品预处理繁琐，测定分析耗时、费力，且需要专业操作人员的限制，具有快速、便捷、可视化等优点；且避免了传统实验室分析方法大量使用化学试剂等产生的二次污染和大量耗能的限制，具有节能降耗和减少环境污染的优点；此外，本发明在可视化量化表征肥料养分动态释放的同时，可同时可视化量化表征膜材和肥料经膜释放动态变化，对于膜材、养分释放研究、工艺装备优化和确保控释肥品质均具有重要意义。

下面将结合本发明实施例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

一、供试样品

选取3种代表性控释肥料，供试肥料的膜材、养分含量等具体参数如表1所列，表1为供试肥料的相关参数；

表1为供试肥料的相关参数

二、静水试验及氮素累积释放测定分析

参考有关标准(HG/T 4216-2011)采用以下试验方案：

(1)分别称取3种10.00g控释肥样品于150pm(100目)的指形尼龙网袋中，放入装有200ml超纯水的蓝盖瓶中(肥水比1：20)；

(2)将蓝盖瓶置于60℃电热鼓风干燥箱中静置培养；

(3)静水浸提试验时间持续312h。取样时间：分别在1h、12h、24h、144h、312h取浸提液备测；每次做2个平行对照；

(4)每次取样时将瓶上下摇晃3次，使瓶内的溶液浓度尽量一致；然后将尼龙网袋取出，溶液摇匀后分取待测样品并保存；

(5)用水冲洗尼龙网袋3次，洗涤已释放出来、吸附在网袋和缓释肥料表面上的肥料，以免影响下一次培养液的浓度。洗涤后用纸巾将网袋及试料表面的水分吸干，再置于事先放在60℃下装有200mL超纯水的蓝盖瓶中，继续放入电热鼓风干燥箱中培养至下一次取样。

静水浸提试验中使用的主要仪器设备如表2所列。

表2主要试验仪器

参照《缓释/控释肥料养分释放期及释放率的快速检测方法(HG/T 4216-2011)》、《控释肥料(HG/T 4215-2011)》等化工行业标准和相关文献，分析浸提液中氮元素释放特性。

三、控释肥料氮素释放特性

采用直接的水浸泡法测定包膜肥料的释放曲线时，通常情况下，30％以下的测定误差是允许的。具体结果见图1，图1为本发明实施提供的3中供试控释肥中氮素随浸提时间累积释放率曲线；从图中可以看出，3种供试肥料中，金正大-花童的氮素累积释放率曲线呈抛物线状，在第13天试验结束时氮素累积释放率平均值为98.65％；金正大-沃夫特的氮素累积释放率曲线呈倒“L”型，在第13天试验结束时氮素累积释放率平均值为46％；Nitrogro-花露的氮素累积释放率曲线呈“S”型，在第13天试验结束时氮素累积释放率平均值为64.91％。Nitrogro-花露控释肥控释氮素效果最好。Nitrogro-花露的“S”型氮素累积释放率曲线按养分释放速率大小，可划分为3个阶段，即缓慢释放阶段、升速阶段、降速阶段。在第1阶段，水蒸气透过包膜后对包膜的影响较小，而且未能形成饱和养分溶液；在第2阶段，包膜被水蒸气湿润、膨胀，造成膜上微孔增大，使养分快速扩散出来；随着养分大量扩散溶出，在第3阶段，包膜内外的养分浓度呈梯度下降，从而使养分释放速率变小。

四、基于红外光谱和显微成像技术耦合的控释肥膜及氮素经膜释放动态表征

1、预处理

将步骤二)静水浸提试验过程中第1h、12h、24h、6d、13d的控释肥颗粒在-80℃下预冻8h后利用冷冻干燥机(ALPHA 1-2plus，Christ公司，德国)进行冷冻干燥，干燥条件为-42℃、10Pa，干燥24h。由于控释肥颗粒样品经过静水浸提后包膜内部分养分已经释放出去，冷冻干燥后疏松程度较高，厚度越小切割难度越大越不易保持包膜及内部养分的完整性；优化确定冷冻切片厚度为20μm。

2、光谱采集

采用ZnS红外窗片作为样品载体，使用Spotlight 400(美国，PerkinElmer公司)傅里叶变换红外显微成像系统，采用液氮冷却的碲镉汞(Mercury cadmium telluride,MCT)阵列检测器，配有CCD可见光相机，同时采集可见光图像和红外光谱图像，工作参数如表3所列，表3为显微红外光谱检测的工作参数；

表3

3、3种控释肥料红外显微成像分析

图2～图4是3种控释肥分别在静水浸提试验过程中第1h、12h、24h、6day和13day切片的原始显微透射中红外光谱图，其中，图2是本发明实施例中“金正大-花童”控释肥随浸提时间变化的显微红外光谱图；图3是本发明实施例中“金正大-沃夫特”控释肥随浸提时间变化的显微红外光谱图；图4是本发明实施例中“Nitrogro-花露”控释肥随浸提时间变化的显微红外光谱图；其中，图中由紫到红颜色越深的地方表示吸光度越大，即养分含量越多，虽然切片不能完整地保留包膜内所有养分，但能大致反映一个趋势，即养分含量逐渐变少，包膜厚度逐渐变小。

在图2～图4所述的红外光谱图基础上沿颗粒径向由表及里所取像素点提取光谱并分别进行分析，结果表明：

(1)金正大-花童控释肥：在750～4000cm^-1具有丰富的吸收，主要表现在3个区域：1000～1750cm^-1，2250～2500cm^-1和2750～3500cm^-1。不同浸提时间下光谱图有相似的吸收特征，但是各吸收峰的相对吸收强度发生明显改变。在1000～1200cm^-1附近出现较强的C-O和Si-O共同振动吸收峰；在1736cm^-1处有很强的-C＝O伸缩振动吸收峰；2855cm^-1附近饱和CH₂对称伸缩振动出现变缓趋势，说明饱和烃含量有逐渐减少趋势；在3300～3450cm^-1处表现出相对较宽的特征峰且随浸提时间增加峰的走势逐渐变陡，是由O-H及N-H的伸缩振动引起的。说明包膜组分随着浸提时间增加发生改变，某些物质含量减少。

原始显微红外光谱图所示，红色区域所占面积逐渐减小即包膜内养分含量随时间的增加逐渐减少，因为控释肥颗粒样品总养分含量固定，累积释放到包膜外的养分含量逐渐增加，累积养分释放率逐渐增加，此结果与根据标准方法测定绘制出的氮素累积释放率曲线一致；在第1h、12h、24h时，包膜内红色区域面积逐渐减小，由此表明从浸提1h开始到第24h，释放到膜外的养分含量显著增多，大部分养分由包膜内部释放到包膜外，累积养分释放率明显增加；与浸提第24h相比，浸提第6d的显微红外光谱图显示包膜内红色区域面积骤然减小，表示养分释放速率增加，大部分养分由包膜内部释放到包膜外，累积养分释放率明显增加，与根据标准方法测定绘制出的氮素累积释放率曲线走势一致。浸提第13d时，包膜内红色区域面积与第6d相比无显著增加，且浸提刚开始时包膜内养分均匀地分布在膜内，而浸提后期养分会移向包膜，分布不再均匀，聚集在包膜附近。

可见，该分析结果中得到的养分的释放结果与步骤三)中得出的氮素的释放结果一致，且本发明提供的方法能够很好的观测到薄膜的变化。

(2)金正大-沃夫特控释肥：采用二阶导数差分宽度为9，对原始图谱进行二阶求导。因为金正大-沃夫特控释肥的包膜材料是聚乙烯，2925cm^-1波数下饱和烃CH₂反对称伸缩振动。以第1h样品为例，采用Boltzmann方程拟合径向二阶导数数值变化曲线。包膜厚度起点(即横坐标原点)为骨架颗粒边缘上一点。根据2925cm^-1判定包膜厚度时，因包膜厚度逐渐减少，理论上由表及里饱和烃CH₂减小，故2925cm^-1处二阶导数值沿光谱提取方向减小至负值，至数值基本不再下降的一点对应的厚度界定为包膜层厚度。同一时间下，控释肥颗粒个体2925cm^-1处二阶导数数值变化有较大差异，说明存在个体差异；不同时间下，2925cm^-1处二阶导数数值变化有显著差异，说明包膜组分中CH₂确实随着浸提时间的增加发生着改变。如图5所示，图5为本发明实施例中“金正大-沃夫特”控释肥随浸提时间变化时包膜厚度动态变化结果，从图中可以看出，随着时间的增加，虽然包膜厚度在24h处出现增加，但包膜厚度整体呈减少趋势，根据谱图确定，从第1h到第13天包膜的厚度平均值从78.125um减少到37.5um。原始光谱经二阶导数处理特征波数更加明晰，同时消除了基线漂移。此外，沿光谱提取方向，固定波段处二阶导数值变化规律表明，随浸提时间增加，其对应的化学组分由表及里存在明显差异，包膜所含特征物质聚乙烯具有的CH₂官能团含量沿颗粒边缘由表及里逐渐减少；由此可见，CH₂官能团降解程度由表及里逐渐增大，包膜首先从肥芯接触的部位开始降解，随浸提时间增加，由内及外依次开始降解。

原始显微红外光谱图所示，红色区域所占面积逐渐减小即包膜内养分含量随时间的增加逐渐减少，因为控释肥颗粒样品总养分含量固定，累积释放到包膜外的养分含量逐渐增加，累积养分释放率逐渐增加，此结果与根据标准方法测定绘制出的氮素累积释放率曲线相符合；在第1h、12h、24h时，包膜内红色区域面积逐渐减小，由此表明从浸提1h开始到第24h，释放到膜外的养分含量显著增多，大部分养分由包膜内部释放到包膜外，累积养分释放率明显增加；与浸提第24h相比，浸提第6d的原始显微红外光谱图显示包膜内红色区域面积无显著减小，表示从浸提24h开始到第6d，释放到膜外的养分含量未明显增多，此时间阶段范围内累积养分释放率缓慢增加；浸提第13d时，包膜内红色区域面积大小与第6d相似，由此可见，从第6d到第13d，仅有少量养分从包膜内释放到膜外，此时间阶段范围内氮素累积释放率无显著增加。综上所述，累积养分释放率增加先快后慢，从浸提第1h到第24h累积养分释放率迅速增加，从浸提第24h到第6d累积养分释放率缓慢增加，从浸提第6d到第13d累积养分释放率基本无明显增加，此结果与根据标准方法测定绘制出的氮素累积释放率曲线走势一致。且浸提刚开始时包膜内养分均匀地分布在膜内，而浸提后期养分会移向包膜，分布不再均匀，聚集在包膜附近。

可见，该分析结果中得到的养分的释放结果与步骤三)中得出的氮素的释放结果一致，且本发明提供的方法可定量表征静水浸提试验过程中金正大-沃夫特控释肥包膜厚度的动态变化。

(3)Nitrogro-花露控释肥：此图谱表明，在750～4000cm^-1具有丰富的吸收，主要表现在2个区域：750～1750cm^-1和2750～3500cm^-1。1115cm^-1处醚基的C-O-C峰随浸提时间增加逐渐变缓；1220cm^-1处存在酯基的C-O峰；1650～1730cm^-1处氨基甲酸酯的C＝O伸缩振动吸收峰随浸提时间增加先变陡后变缓；2850～2990cm^-1波数范围内存在CH₃、CH₂官能团振动吸收峰，且随着静水浸提试验时间增加逐渐变缓。

原始显微红外光谱图所示，红色区域所占面积逐渐减小即包膜内养分含量随时间的增加逐渐减少，因为控释肥颗粒样品总养分含量固定，累积释放到包膜外的养分含量逐渐增加，累积养分释放率逐渐增加，此结果与根据标准方法测定绘制出的氮素累积释放率曲线一致；在第1h、12h、24h时，包膜内红色区域面积大小相似，由此表明从浸提1h开始到第24h，释放到膜外的养分含量未显著增多，累积养分释放率无明显增加。与浸提第24h相比，浸提第6d的显微红外光谱图显示包膜内红色区域面积骤然减小，表示养分释放速率增加，大部分养分由包膜内部释放到包膜外，累积养分释放率明显增加，与根据标准方法测定绘制出的氮素累积释放率曲线走势一致。浸提第13d时，包膜内红色区域面积与第6d相比无显著增加，由此可见，从第6d到第13d氮素累积释放率缓慢增加，与根据标准方法测定绘制出的氮素累积释放率曲线走势一致。且浸提刚开始时包膜内养分均匀地分布在膜内，而浸提后期养分会移向包膜，分布不再均匀，聚集在包膜附近。

可见，该分析结果中得到的养分的释放结果与步骤三)中得出的氮素的释放结果一致，且本发明提供的方法能够很好的观测到薄膜的变化。

综上，使用红外和显微成像耦合技术对控释肥颗粒的包膜厚度、包膜结构及肥料释放进行表征分析，其得到的养分释放结果与步骤三)得到的结果一致，可见，本发明提供的方法可以用于控释肥释放的表征，而且具有良好的定性及定量分析能力。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。