一种基于微孔扩散释放模型设计控释肥料装置的方法

本发明涉及一种养分微孔扩散释放数理模型的计算方法及基于养分微孔扩散释放数理模型设计的肥料控释装置。控释领域可依据养分微孔扩散释放数理模型进行控释装置的设计。控释装置是储存肥料的容器，可以装载各类水溶性强的单质或多元肥料，采用可循环使用的材料制备，能够解决传统颗粒包膜肥料膜壳难降解、难回收等问题。该装置适用于农业化学投入品的控制释放，尤其是可溶性化肥的控释，属于缓控释肥料应用领域。

背景技术：

1、缓控释技术在肥料上应用广泛，缓控释肥料可以实现一次施肥供应植物全生育期的养分，使养分的释放速率与作物在生长发育期的需肥规律一致，从而达到省时省力、增产增效的目的。储库型、渗透泵型、基质型为控释领域三种主要控释系统。农业上使用的缓控释肥主要以包膜肥料为主，属于储库型控释系统。主要是通过在肥料颗粒表面喷涂一层或多层无机或有机疏水材料来阻碍水分进入肥料内核，以此来减慢肥料养分在土壤中的释放速率。

2、包膜肥料中最具代表性且能够商品化的产品主要包括硫包膜尿素和聚合物包膜肥料。硫包膜尿素是生产成本相对较低的一类缓控释肥料，但由于其膜层脆性大容易产生裂纹使控释性能失效，释放期较短。聚合物包膜肥料控释性能好，但膜壳难降解，农业上肥料施用量大，塑料膜壳长期累积可能对土壤生态功能和环境安全造成潜在危害。同时聚合物包膜肥料在生产过程中需要使用高分子的聚合物原料作为包膜材料，因此需要设置收集系统来回收溶解聚合物的有机溶剂，工艺复杂且产品中会残留有机溶剂，施用到农田中产生二次污染（刘永辉, 2009）。包膜肥料养分的释放主要通过聚合物膜壳上的孔进行释放，这些孔大多数是在生产过程中由包膜温度、包膜时间、包膜液浓度、包膜速率等因素造成的缺陷，由于现有工艺的限制，包膜肥料也很难精准调控释放期，释放期的延长主要依靠增加包膜的厚度来实现。

3、在不透性的装置上开孔制备的缓释装置可以实现控释功能。药物通过药剂球开口处的多孔纤维棒（cn211607974）、释放腔外壁上的孔（cn202665759）实现药物控释。农业上的控释装置多应用在液体肥或其他液体物质上，液体肥料可通过缓释孔（cn202020596534.6）实现养分释放速率的减慢，改变孔洞数量（cn220023577）可进一步控制液体肥料流速可对养分释放速率进行调控。固体可溶性肥料在浇水时从圆柱形缓释装置（cn105085095）的多孔瓶壁溶出，实现养分缓释。以上发明与本发明的理念一致，控释装置皆为药物或养分通过孔释放的储库型控释系统，但上述发明并未明确释放孔的大小与药物或养分释放的数理关系，不能精准调控释放期。

4、上述养分释放速率的调控是通过堵塞孔洞来实现的，这需要人为调节、且速率凭使用人经验控制、释放期无法精准调控。根据杨相东等人的研究发现，发现养分释放速率与包膜肥料膜层的大孔尺寸具有一定的相关关系（x. d. yang et al., 2018; 2019）；建立了肥料微孔扩散释放的数理模型（y. j. wang et al., 2022），明确了肥料的释放速率与控释膜层孔径大小之间的具体关系，计算出释放期为60天的包膜尿素的释放微孔的半径为约2微米。因此只要知道作物需肥量、需肥期，我们就可以根据此模型计算孔径大小，从而实现如控释肥料一样的控释作用。另外，孙明雪的研究表明，控释肥料能减少对土壤无机氮的扰动强度，养分在生育期内能够持续稳定的集中在施肥点0-10 cm范围内（孙明雪, 2022）。因此，将控释装置放置在作物根系附近，能够有效阻控氮素损失。

5、综上所述，目前控释肥料领域主要存在以下缺点：

6、1.控释肥料的释放性能受工艺影响较大，包膜液添加方式、包膜液浓度、包膜速率都会影响包膜的完整性，进行影响包膜肥料的控释性能。

7、2.不同材料制备的包膜肥料各有缺点：聚合物包膜肥料的生产成本较高，且膜壳难降解；价格低廉的无机包膜肥料如硫包衣肥料膜壳机械性能较差，易破裂失去控释性能；可生物降解的生物基材料控释性能较差，目前并不能大规模工厂化生产。

8、3.控释肥料残留膜壳直径通常为 2～5 mm，属于微塑料的范畴，难以进行回收，最终将长期残存于土壤中。聚合物膜壳微塑料进入土壤后，积累到一定程度会影响土壤理化性质、功能及生物多样性。

9、4.能够重复使用的一些控释装置多用在液体肥料上，且并未明确孔参数对释放的影响，不能精准控制养分的释放。

技术实现思路

1、本发明的目的是，基于养分微孔扩散释放数理模型中微孔与养分释放之间的数理关系设计出一个装置，通过控制装置上孔的大小来控制养分的释放速率，且装置又能被回收利用。这一可填充肥料的缓控释装置，既能简化生产过程、降低生产成本又能减少环境污染。

2、为达此目的，本发明的设计思路如下：

3、（1）装置体积的计算：根据所需作物在生产期内所需肥料量m以及肥料的堆积密度 ρ，代入体积计算公式计算出装置所需固体肥料的体积。

4、所述作物的养分需求量，根据作物目标产量、养分吸收量、区域土壤养分供应量和肥料利用率采用养分平衡计算确定；或者直接由测土配方推荐施肥量确定。

5、所述作物，可以是粮食作物，经济作物或多年生果树。优选地，施用在果树上可实现长期稳定供肥。

6、所述固体肥料，可以是任何水溶性强的单质或多元肥料，如尿素、硝酸铵（nh4no3）、硫酸铵（(nh4)2so4）、磷酸一铵（nh4h2po4）、磷酸二铵（(nh4)2hpo4）、氯化钾（kcl）、硫酸钾（k2so4）及氮磷钾复合肥。优选地，氮磷钾复合肥作为肥料芯。

7、所述固体肥料的体积，也即所设计装置的体积。

8、（2）选择具有上述体积的容器作为控释装置，测量待开孔处壁厚。

9、所述容器，材质可以是一次性使用的环境友好型可降解的生物基材料，或是便于循环使用的塑料。

10、所述容器，形状可以是球型、柱形、棒状等。可根据需要确定形状。

11、（3）根据养分微孔扩散释放数理模型中孔径与养分释放时间的关系确定开孔孔径。

12、所述养分通过微孔进行扩散释放的数理模型为：

13、其中，mt为养分扩散到外部环境中的释放量，ds为养分的扩散系数（m2 / s），csat为养分的饱和溶液浓度， l为控释层的厚度，a为控释层表面的有效孔总面积，m为养分总含量，v为养分总体积，0≤t1≤t'，t'＜t2。

14、装置的释放期为t，稳定期时间为： (1)

15、则衰退期时间t2=t﹣t1，衰退期累积释放量为，则由衰退期公式可推导出： (2)

16、包膜肥料释放过程中扩散系数ds不变，将（1）与（2）相除，可以得到稳定期与衰退期的比例关系为：

17、 (3)

18、根据释放期t=t1+t2及公式（3）计算出t1的数值，其中养分在稳定期的释放公式可变形为： (4)

19、（4）将t1的数值、装置参数及固体肥料性质参数代入公式（4）计算出开孔的孔面积。使用打孔设备按照计算的开孔孔面积对所选择容器进行开孔。

20、所述孔，可开在容器的任何位置，可为单孔，也可打多孔，多孔的总面积应等于单孔的总面积。

21、（5）将所需用量的肥料装填入容器内，封装完毕后即制得控释装置。将装置埋在根际附近。在肥料释放完全后可以回收重新装填肥料，节约资源。

22、所述装置的埋藏点位在根际10厘米范围内，0~10厘米为控释肥料释放后养分分布的主要区域。

23、所述控释装置，在固体肥料释放完全后可以回收重新装填肥料，节约资源。

24、本装置仅用考虑开孔的大小且孔径可控，且装置的材料可以使用废弃的塑料瓶，能减少塑料的污染并且能循环利用。装置的制备技术简单易行，无需考虑包膜肥料生产过程中复杂的工艺控制、原料的调配。