[发明专利]一种氮掺杂碳纳米粒子缓释氮肥及其制备方法

说明书

技术领域

本申请属于肥料制备技术领域，具体地说，涉及一种氮掺杂碳纳米粒子缓释氮肥及其制备方法。

背景技术

氮肥的施用在促进现代农业生产发展中发挥了重要作用，但较低的氮肥利用率造成的资源、能源的巨大浪费以及农产品和土壤、水体的重度污染。中国科学院南京土壤研究所的朱兆良在总结国内研究结果的基础上,对我国农田中化肥氮的去向进行了初步估计，除了35％为作物吸收及13％无法统计外，其余均以各种途径损失殆尽，其中最主要的途径是表观硝化与反硝化，占据氮肥总施用量的34％。大量损失的氮素进入环境后，造成了大面积的水体污染，以湘江流域株洲-湘潭段为例，一年和二年年总氨氮平均超标率分别高达16.67％和33..33％，长沙城区地下水硝态氮超标率35％，是正常值的1.1-1.4倍，严重影响了该流域居民用水安全。如何提高氮肥利用率，减少氮素损失，避免氮污染成了人们普通关心的问题。

生物圈中各个生态系统的N素循环一般以NH₃(生物固氮、氮肥施用)的形式输入氮素，经由同化、氨化、硝化、异化性硝酸盐还原等生物转化作用及其相伴的迁移运动，最终借助反硝化作用，以氮气的形式输出N素。在这个地球化学循环过程中，硝化作用对于促进生态系统的N循环、缓解环境压力、保持生态环境健康稳定有着重要意义。但是，经硝化作用形成的硝态氮不易被土壤胶体吸附，成为降低氮肥利用率、污染水体的主要原因。因此，寻找能调控硝化作用的有机或无机物质并进行农业应用开发是缓解氮肥利用率低等一系列问题的有效途径。

硝化抑制剂(Nitrification inhibitor)是一类应用较为广泛的氮肥增效剂，其主要特点在于能显著影响N素的转化过程，提高土壤中N固持量，减少硝酸盐积累，降低N₂O的排放量，提升作物品质和产量。目前在农业上大量应用的硝化抑制剂主要有Nitrapyrin(氯甲基吡啶)、DCD(双氰胺)和DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸盐)等，室内研究表明，这几种物质都有着较好的硝化抑制效果。如按纯氮量的0.3％制备氯甲基吡啶乳油剂，在砂土中的硝化抑制率能达到40.0％～79.0％，在粘土上略低为35.7％～53.3％。DCD配施氮肥可使设施番茄氮素的平均利用率由13.84％提高到22.45％。添加纯氮量1％-2％的DMPP可以有效减缓硝化作用过程。而在田间应用条件下，DCD能减少约26％的N₂O损失，DMPP的效果更强，能减少约49％N₂O损失。这些硝化抑制剂的大规模应用为减少氮肥施用量、降低氮肥污染起到了积极作用。同时对这些硝化抑制剂的作用机理研究也逐步深入，以期更好的发挥硝化抑制剂氮肥增效效果。

土壤中的氨在氨氧化细菌(AOB)或氨氧化古细菌(AOA)的作用下转化为亚硝酸盐，这是土壤氮素转化的第一步，也是硝化过程中的限速步骤，因而在氮素地球化学循环中，这类菌群的活性有着极为重要的地位。较早前的研究认为，参与硝化过程的土壤硝化菌群主要为氨氧化细菌(AOB)及亚硝酸盐氧化菌(NOB)，但最新的研究表明，氨氧化古细菌(AOA)也是影响硝化过程的主要菌群。由于氨氧化细菌很难进行纯培养，因而单纯根据培养结果对硝化抑制剂的作用机理进行分析将不准确。随着分子生物学技术的进步，定量分析硝化抑制剂对氮素转化过程中功能微生物种群变化的影响成为可能。杨扬等人(杨扬，孟德龙，秦红灵，吴敏娜，朱亦君，魏文学.硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响[J].生态学报，2012，32(21):6803-6810.)运用荧光定量PCR技术研究发现施用DCD会导致土壤中硝化基因amoA丰度显著减少，而amoA基因被认为是AOB菌群中负责将氨转化为羟胺的氨单加氧酶的活性中心。宫平则运用荧光定量PCR技术实时监控DCD和DMPP对棕褐土中AOA及AOB种群数量的影响，结果表明这两种硝化抑制剂能显著降低AOB的数量，但对于AOA种群数量作用不明显，这一定程度上限制了这类硝化抑制剂在以AOA为主要硝化菌群的环境中应用效果。

除此之外，作用不稳定、价格昂贵、毒性和污染等缺陷也限制了这类硝化抑制剂的推广。DMPP的抑制效率高低、有效期长短及施用效果，均受到土壤质地、温度、水分、土壤过氧化氢酶活性、土壤pH等诸多因素的影响。DCD被认为虽能减少氮损失，但对于作物增产没有明显影响，反而会因为用量较大而降低农产品实际收入。氯甲基吡啶用量过多就会对植物产生毒害作用，影响作物根系、叶片，不同的用量对不同的作物产生的毒害作用不同。