简介概要

含钛高炉渣合成复合肥料及大豆栽培实验研究

来源期刊：稀有金属2010年第4期

论文作者：张悦杨合薛向欣

文章页码：601 - 605

关键词：含钛高炉渣;肥料;大豆;产量;

摘要：以含钛高炉渣为原料,采用加热法制备肥料,以提高其溶解性能,使其中的营养元素转化为易被植物吸收利用的形式,并通过盆栽实验研究了肥料对大豆生长状况、性状、产量和营养成分的影响。结果表明,炉渣中Mg,Ti,Fe的溶出率分别为88%,84%和75%,该肥料可以使大豆的株高、节数、主根长、叶干重和叶绿素含量明显增加;使大豆的单株枇荚数和荚皮重/粒重明显减少,单株荚数、单株荚重、单株粒数和单株粒重显著增加,对百粒重、蛋白质和淀粉含量影响不大。说明该肥料对大豆植株和根系的生长均有促进作用,对大豆有增产作用且增产作用是通过增加单株荚数、单株荚重和单株粒数来实现的。

稀有金属 2010,34(04),601-605

含钛高炉渣合成复合肥料及大豆栽培实验研究

张悦杨合薛向欣

东北大学材料与冶金学院

摘要：

以含钛高炉渣为原料,采用加热法制备肥料,以提高其溶解性能,使其中的营养元素转化为易被植物吸收利用的形式,并通过盆栽实验研究了肥料对大豆生长状况、性状、产量和营养成分的影响。结果表明,炉渣中Mg,Ti,Fe的溶出率分别为88%,84%和75%,该肥料可以使大豆的株高、节数、主根长、叶干重和叶绿素含量明显增加;使大豆的单株枇荚数和荚皮重/粒重明显减少,单株荚数、单株荚重、单株粒数和单株粒重显著增加,对百粒重、蛋白质和淀粉含量影响不大。说明该肥料对大豆植株和根系的生长均有促进作用,对大豆有增产作用且增产作用是通过增加单株荚数、单株荚重和单株粒数来实现的。

关键词：

含钛高炉渣;肥料;大豆;产量;

中图分类号： S565.1;TQ444

作者简介：张悦(1982-),男,辽宁沈阳人,博士研究生;研究方向:冶金资源综合利用;薛向欣(E-mail:xuexx@mail.neu.edu.cn);

收稿日期：2009-08-07

基金：国家973资助项目(2007CB613504);

Synthesis of Compound Fertilizer from Titanium-Bearing Slag and Cultivation of Soybean

Abstract：

A kind of fertilizer was synthesized with titanium-bearing slag as a major raw material by heating method to improve its sol-ubility so that nutritional elements could transform into other forms to be easily absorbed by plants.The effects of the fertilizer on growth condition,character,yield and nutritional component of soybean were investigated by pot experiment.The results showed that the dis-solution rate of magnesium,titanium and iron in the slag were 88%,84% and 75%,the fertilizer could make the height,the knot number,the main root length,the weight of dry leaf and the chlorophyll content of soybean increase significantly;make the number of empty legumen per plant,the weight rate of hull and grain decreased apparently;make the number of legumen per plant,the weight of legumen per plant,the number of grain per plant and the weight of grain per plant increase prominently;at the same time,the fertilizer had little effect on the weight of per 100 grains,the content of protein and amylum.The fertilizer could promote growth of the plant and the root of soybean;enhance the yield of soybean by increasing the number of legumen per plant,the weight of legumen per plant and the number of grain per plant.

Keyword：

titanium-bearing slag;fertilizer;soybean;yield;

Received： 2009-08-07

攀钢每年排放300万吨含Ti O₂19%～25%的含钛高炉渣，即浪费了钛资源又污染了环境。我国对含钛高炉渣的综合利用问题做了大量的研究工作，例如，生产硅钛铁合金;制取Ti O₂及Ti Cl₄;制备釉面砖及陶瓷材料;含钛组分的选择性富集、长大与分离。但这些工艺都存在浪费了渣中的钛资源，生产过程复杂，存在二次污染等弊端 ^[1] 。

由于含钛高炉渣中不含有毒有害的重金属及放射性元素，且含有硅、钙、铁、镁、钛等对农作物有益的微量营养元素 ^{[2,3,4,5,6,7]} ，特别是钛可促进植物光合作用和碳水化合物的合成，促进植株生长发育，增加产量、植株叶绿素含量和叶质干重，提高固氮能力和酶活性 ^[8,9] 。将含钛高炉渣用于肥料的制备既解决了由于炉渣的大量排放造成的环境污染问题，又合理利用了炉渣这种二次资源，同时满足农业生产对植物营养元素的需求。为考察其施用效果，将该肥料进行大豆栽培实验，为后续研究提供依据。

由于含钛高炉渣的化学性质稳定，其中的硅、钙、镁、铁和钛等元素均以难溶性物质的形式存在，不能被植物吸收利用。因此，本研究对含钛高炉渣进行处理，使其中的镁、铁和钛等元素转化为易被植物吸收利用的水溶性物质 ^[10] ，同时一次性整体利用含钛高炉渣，避免二次污染。

1 实验

含钛高炉渣取自四川攀枝花钢铁公司高炉，其冷却方式为缓冷，其化学组成见表1。将含钛高炉渣水淬、干燥并粉磨至80～120μm后与8倍质量的硫酸铵混合均匀，升温至360℃并保温反应30 min即得产物。硫酸铵与含钛高炉渣中的镁、铁和钛反应生成金属的硫酸盐和氨气(氨气可回收)，过量的硫酸铵可提高反应速率，并存在于反应产物中，作为营养元素氮和硫的来源:

含钛高炉渣中的硅酸钙在此过程中基本不发生变化。

试验土壤为棕土，土质松软均匀，p H=7.3，有机质18.6 g·kg^-1，碱解氮53.94 mg·kg^-1，速效磷(P₂O₅)34.08 mg·kg^-1，速效钾(K₂O)101.9mg·kg^-1。所试验的大豆品种为辽豆21。栽培实验采取室外盆栽的方式，设对照(CK)和施用肥料(A)两个处理，每个处理重复6遍，两个处理均施用磷酸二氢钾10 g·m^-2作底肥，CK施用硫酸铵(含N 21%)62 g·m^-2，以保持两个处理的氮营养水平一致。5月25日定植时施用该肥作基肥，定植前有一定的降水，雨量适中，土壤墒情良好。6月11日(初花期)和6月23日(结荚期)施用该肥作追肥，施肥量为72 g·m^-2。常规管理。8月20日成熟。收获后测定其产量、营养成分和钛含量等指标。考察该肥料对大豆生长状况、性状、产量、营养成分和钛含量的影响。

表1 含钛高炉渣的化学组成(%，质量分数) 下载原图

Table 1 Chemical composition of titanium-bearing blast furnace slag(%,mass fraction)

表1 含钛高炉渣的化学组成(%，质量分数)

2 结果与讨论

2.1 肥料理化性质

该方法制得的肥料中可被植物有效利用的元素有氮、硅、硫、钙、镁、铁和钛，其中氮、硫、镁、铁和钛以水溶性物质硫酸铵、硫酸镁、硫酸亚铁和硫酸钛的形式存在，作为速效成分;硅和钙以枸溶性物质硅酸钙的形式存在，可作为缓效长效成分，均易被植物吸收利用。其中水溶性氮(N)、硫(S)、镁、铁和钛含量分别为18.1%,20.6%,0.68%,0.24%和1.8%。经计算，炉渣中Mg,Ti,Fe的溶出率(水溶性含量与全量的比值)分别为88%,84%和75%。说明营养元素钛、镁和铁的存在形式及状态发生明显变化，由难溶物质转化为易溶于水、易被植物吸收利用的物质。

2.2 肥效试验结果

2.2.1 大豆生长状况

日常管理观察发现，施用该肥料的大豆与对照组的大豆相比，其植株高度较高、叶片颜色较深且结荚数量较多，说明该肥料促进了大豆植株的生长发育。

2.2.2 大豆的性状指标

对大豆进行性状指标的测定，选取株高、节数、主根长、叶干重和叶绿素含量作为考察指标，叶绿素含量的测定采用乙醇提取-分光光度法，测定结果见表2。

从表2可以看出，施用该肥料的大豆与对照组的大豆相比，其株高、节数、主根长、叶干重和叶绿素含量明显增加。说明该肥料具有增加大豆株高和节数、促进植株和根系生长发育，增加叶质干重和叶绿素含量的作用，特别是肥料中的镁和钛参与和促进了叶绿素的合成。叶质干重和叶绿素含量的增加能促进大豆有机物的合成，使大豆增产。

表2 大豆的性状指标下载原图

Table 2 Character indexes of soybean

表2 大豆的性状指标

表3 大豆的产量指标Ⅰ 下载原图

Table 3 Yield indexes of soybean

表3 大豆的产量指标Ⅰ

表4 大豆的产量指标Ⅱ 下载原图

Table 4 Yield indexes of soybean

表4 大豆的产量指标Ⅱ

2.2.3 大豆产量

对大豆进行产量及产量构成因素相关指标的测定，其中单株粒重即为衡量产量的指标，测定结果见表3和4。

从表3和4可见，施用该肥料的大豆与对照组的大豆相比，其单株枇荚数和荚皮重/粒重明显减少，单株荚数、单株荚重、单株粒数和单株粒重显著增加，百粒重基本无差异。说明该肥料对大豆有增产作用且增产作用是通过增加单株荚数、单株荚重和单株粒数来实现的，发挥了铁增加大豆株高、节数、单株荚数、粒数，减少秕荚数等作用，发挥了钙对农作物根系生长发育的促进作用，与Caires等 ^[6] 的报道相一致。另外，有研究表明，钙促进根系发育;钛促进植物对氮、磷、钾、铁和镁等营养元素的吸收，提高植物体内酶的活性，使新陈代谢更旺盛，提高营养物质吸收运转能力，使土壤中的肥料能更好地发挥作用;镁和氮均是叶绿素(C₅₅H₇₂O₅N₄Mg和C₅₅H₇₀O₆N₄Mg)的重要组成成分;铁和钙促进叶绿素的合成;硅增加植物中、下层叶片对阳光的吸收，提高叶片的光合作用强度，有利于通风透光和有机物的积累;铁和硫促进光合作用。本研究中上述营养元素共同作用，提高了叶绿素含量，并使叶绿素合成更多的有机物，进而使大豆增产。因此，本研究初步认为，大豆增产是肥料中各种营养元素综合作用的结果。该肥料发挥了氮、硅、硫、钙和钛等营养元素对大豆的增产作用。初花期和结荚期正值大豆生育最旺盛、营养生长和生殖生长交替进行的时期，需肥量大，特别是硫和氮均是蛋白质的重要组成成分，故此时追肥的效果明显。

2.2.4 大豆的营养成分

对大豆进行营养成分的测定，选取蛋白质和淀粉作为考察指标，采用国家标准方法 ^[11,12] ，测定结果见表5。

从表5可见，施用该肥料的大豆与对照组的大豆相比，其蛋白质和淀粉含量基本无差异，未体现出钛等营养元素增加营养成分含量的作用。这可能是由于该肥料对大豆同时具有增产作用和提高营养成分总重量的作用，但增产的大豆在生物量上对营养成分总重量有稀释效应，一定程度上抵消了营养成分总重量的提高，进而导致表观上营养成分含量未提高，具体原因有待于深入研究。

表5 大豆营养成分的测定结果下载原图

Table 5 Content of nutrient component of soybean

表5 大豆营养成分的测定结果

2.2.5 大豆的钛含量

对大豆进行钛含量的测定，采用ICP-AES法 ^[13,14] ，测定结果见表6。

表6 大豆钛含量的测定结果下载原图

Table 6 Content of titanium of soybean

表6 大豆钛含量的测定结果

从表6可见，施用该肥料的大豆与对照组的大豆相比，其钛含量明显降低，单株钛含量明显提高，与袁婉清等 ^[15] 的报道有类似之处。这说明施用该肥料的大豆与对照组的大豆相比，从该肥料中吸收了更多的钛，使单株钛含量明显提高，可能是由于增产的大豆在生物量上对钛总重量有稀释效应，抵消了单株钛含量的提高，进而导致表观上钛含量降低，具体原因有待于深入研究。

综上所述，施用该肥料的大豆与对照组的大豆相比，在大幅度增加产量的同时，营养成分无明显变化;我国是冶金大国和农业大国，化肥是农业高产的基础，该研究为含钛高炉渣的综合利用提供新的途径，说明该肥料值得继续深入研究。

3 结论

以含钛高炉渣和硫酸铵作为原料，采用加热法可制备复合肥料，炉渣中Mg,Ti,Fe的溶出率分别为88%,84%和75%，肥料中可被植物有效利用的元素有氮、硅、硫、钙、镁、铁和钛，其中氮、硫、镁、铁和钛以水溶性物质硫酸铵、硫酸镁、硫酸亚铁和硫酸钛的形式存在，作为速效成分;硅和钙以枸溶性物质硅酸钙的形式存在，可作为缓效长效成分，均可被植物有效利用。该肥料可以使大豆的株高、节数、主根长、叶干重和叶绿素含量明显增加;使大豆的单株枇荚数和荚皮重/粒重明显减少，单株荚数、单株荚重、单株粒数和单株粒重显著增加，百粒重、蛋白质和淀粉含量基本无差异。说明该肥料对大豆植株和根系的生长均有促进作用，对大豆有增产作用且增产作用是通过增加单株荚数、单株荚重和单株粒数来实现的。