吴展才

男,1976生,台湾大学农学博士、博士后研究员。长年研究和经营高效肥料、微生物资材、有机农法等,目前为马来西亚Greenfeed Agro公司大中华区技术和销售总监。
常规复合肥料的用量多、流失快、人工耗、效果差,在国家减肥增效的政策下,新型肥料的发展方兴未艾。沸石肥料一直为科研上的热门题目,无论在理论和实践中都取得了令人满意的效果。由东南亚进口至中国的沸石复合肥料,近年来已在全国各地试用超过40种主要经济作物,足迹遍布全国170个据点,均收获良好的反应。前文已介绍其发展的契机和机遇。就其机理方面,本篇就沸石肥料的“吸附性”和 “溶解性”两方面进一步说明。

沸石为含硅铝盐结晶体,在高温的地底温境的压力和温度的形成过程中,水份经由急速的蒸发而留下了晶体结构上的多孔隙特性。常规的天然沸石含有钙、镁、钾、钠等离子,这些带正电荷离子和沸石上的负电荷进行正负电相吸,当这样的状况受到外界的阳离子浓度差时影响时,尤其是钙、镁离子就会释出,而把其他的阳离子和自己的位置进行“交换”,即形成所谓的阳离子交换能力。常规的沸石具有的交换能力介于100-300 cmolc/kg,国际统一表示的单位的意思就是每1公斤的沸石带有多少百分莫耳的电价,更常见的另一个单位是meq/100g,表达的意义就是每100克的沸石有多少毫当量的电价。因此,重点来了,2种单位代表的都是“电价”为计量的要素,所以,交换量固然是重点,但重中之重是交换了什么(电价)? 什么时候交换了? 在什么情况下交换得顺利? 以上三个问题直接响应到目前中国土壤施肥的三大问题: 元素是否失衡? 用肥时机对不对? 土壤环境是否恶劣?
 
沸石的吸附的作用,严格上来说,是一种“物理吸附”,具有可逆性。沸石为多孔隙的结构,孔隙的大小为奈米(10^-9米)等级,这些带负电荷孔隙表面,可轻易的让粒径只有数十到数百皮米(pm,10^-12米)的正电的离子如铵、钾、镁、钙、铁、锌等等离子进入,形成盐键(一种次级键结)。相较于共价键、离子键等较强的化学键,它们更易于解离、分散和重组吸附。此为吸附性肥料所发挥得第一层主力作用, 也就是供应肥力。进一步理解第2层的作用,当养分离子都已被作物消化完,沸石的孔隙就扮演吸附杂质的功能,土壤中的有害物质、有害气体、过量的元素等,就象在具有吸力的环境一样,被收集和吸附起来。常也有人会问到,被吸附起来的有害物质跑哪去了? 这样造成土壤产生高浓度毒害? 事实上我们可以这样来理解,土壤是非常具有缓冲性的复杂环境,有自身的机制来调节各种发生的状况。前述所提到的有害物质,事实上是常年的施肥失当,使土壤相对的累积了过剩的元素,它们导致元素发生拮抗、铬合、减低利用率,因此,在经由沸石的吸附和 “暂存”的这些元素,假以时日,仍是可被土壤和作物所代谢和利用的。
 
既然有物理吸附,就也有所谓的 “化学吸附”。
 
单纯从定义上的理解,它是指载体带有特定功能基形式的氧和氢基,如羧基、羟基、酚类、这些官能基氧化物或络合物。可与被吸附的产生化学反应,且通常为不可逆性。沸石某种程度上不发生此类 “化学吸附”。但在加工工艺上,将腐植酸、菌株导入的沸石肥料,可扮演此类功能。想象沸石就是艘航空母舰,可搭配各种长短装备武器,也承载各式战机。所以如果比喻沸石肥料是航母,必然没有速效肥或常规肥料如机动舰艇来得快速和机动。但以长效、高效和省能源的角度来看,沸石肥料是具有强大优势的。
 
下来可以谈谈肥料颗粒的大小。看到了大颗粒的沸石肥料,常常我们会听到农民问:  “肥料好不好溶?”。
 
其实,这个问题可仔细分拆为2个问题,也就是「溶多少」以及「溶多快」两个完全不同的概念。没理解提问者问问题的本质,通常都给不出令人满意的答案。「溶多少」指的是溶解度,也就是固态物质在定量的溶剂中到达饱和时所呈现的质量。既然有溶解,就表示有相对应的溶剂。沸石肥料作为土壤穴施,土壤的大环境包括雨水、土壤团粒等就是广义延伸的溶剂。沸石肥料需要做成大颗粒,利用和溶解度有关的Noyes-Whitney方程式,也就是「溶多快」,此公式可以一次的交代清楚「溶多少」和「溶多快」的影响因素。
 
dC/dt = DS(Cs-C)/(Vh)

dC/dt: 溶解速率
S: 可接触表面积
D: 为扩散系数
V: 溶剂体积
h: 扩散层厚度
Cs: 溶质在该溶剂中的溶解度
C: t时间溶液中溶质的浓度

从方程中可以看出,溶出速率与溶质的可接触表面积、扩散系数、浓度差成正比,而与扩散层厚度及溶出介质的体积成反比。
 
> 可接触表面积S:当颗粒愈小,可接触表面积越大,溶解愈快。反之,当沸石肥料颗粒愈大,比表面积愈小,S愈小,所以 “溶解”愈慢。也解释为什么要做大颗粒的原因。
 
> 溶剂体积V: 可以看作是施肥量和土壤空间的关系,也就是说作物株龄愈大,如施肥料不足,将和效果成反比。
 
> 扩散系数D:土质、温度、土壤离子浓度差都有影响。在沙质地和粘土,在冬或夏天,在常年耕作或新种土当中,表现都不同。
 
> 扩散层厚度h: 可以引申为要达到根系的“距离”愈远,肥料发生作用的时间就愈久。
 
> 溶质在该溶剂中的溶解度Cs: 可理解为影响沸石肥料解离的主要因素水分的含量。当水分充足,离子的溶解度愈大,移动愈顺利,效果成正比。
 
> 某时间内溶液中溶质的浓度C: 可理解为土壤中原离子的量愈少,所施入肥料可发挥的作用性愈高。也就是在高复杂的土壤环境,因为要应付各种元素的拮抗和铬合问题,产品的效果受影响。

沸石肥料在研发和应用的方向,就是朝用量少、释放缓、人工省、效果好的方向去发展。肥料从加工到土壤发生作用,就穿了就是吸附-释放那么回儿事。在今天常规肥料问题和忽悠一箩筐的今天,能把机理说的透彻新型肥料,才有存在和可持续发展的价值。

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