尿素过氧化物嵌入含硒酸盐的藻酸盐–壳聚糖复合包膜材料对水稻土氧化还原电位及硒形态的调控

《Polysaccharides》：Urea Peroxide Embedded in Alginate–Chitosan Compound Coating Material Containing Selenate Altered Redox Potential and Selenium Speciation in Paddy Soil

　　

水稻土中较低的氧化还原电位（Eh）会导致包括硒（Se）在内的多种养分生物有效性及利用效率偏低。在关键养分阶段施用具有缓释功能的氧化剂以维持土壤Eh处于足够高的水平，有利于植物养分累积。本研究采用由藻酸盐（Alg）、壳聚糖（Chi）、纳米二氧化硅（n-SiO2）、羧甲基纤维素（CMC）和硒酸盐组成的多组分包膜材料包埋尿素过氧化物（UP），制备氧化性物质的缓释肥料。研究考察了各组分对氧化性物质释放及力学性能的影响，并通过水稻土试验验证了其对改变土壤Eh和硒形态的贡献。含20~25 mg g?1藻酸盐、15 mg g?1壳聚糖、30 mg g?1纳米二氧化硅、10 mg g?1羧甲基纤维素、0.1 mg g?1硒酸钠和150 mg g?1尿素过氧化物的配方在各处理中表现最佳。与仅施硒处理的土壤相比，该配方具有令人满意的力学性能，并使Eh提升幅度超过100 mV且至少维持40 d，同时提高了土壤中水溶性、交换态及部分铁/锰结合态硒的含量与比例，尤其是六价硒。值得注意的是，硒酸盐不仅提供硒，还有助于结构强化。研究结果为土壤养分管理提供了一种缓释载体，但在硒与氧化性物质更协调释放方面仍需改进。

研究背景：传统肥料的水溶性养分在施肥后于土壤中快速溶解、扩散和耗竭，导致养分有效性剧烈波动，30–70%的养分通过淋溶或挥发损失；低剂量多次施肥费工费时，且土壤中部分养分因沉淀、专性吸附、生物固定等理化因素而生物有效性低。硒（Se）是植物和人类的有益营养元素，参与细胞分化与功能、维持细胞膜完整性、清除活性氧、灭活毒素及缓解胁迫和免疫等。谷物及其制品提供公众膳食硒摄入总量约70%，但中国东部超过72%的耕地处于缺硒状态，超过75%的稻米产品不能满足摄入需求，硒缺乏已成为全球公共营养问题。农艺生物强化（以施肥为主）比遗传生物强化更简便廉价，且从可持续农业角度所有土壤均需外源硒输入。土壤中硒的价态包括+6、+4、0和?2，无机硒氧阴离子（HSeO₃^?和SeO₄^2?）是根际营养中的主要有效组分；但高剂量无机硒氧阴离子存在潜在毒性，利用效率较低，硒酸盐尤为严重。水稻土因长期淹水，根际处于强还原状态，氧有限；此条件下土壤硒主要价态为四价，易被土壤胶体固定，水稻对硒的有效性低，硒累积于根而非地上部，阻碍稻米硒生物强化。提高土壤氧化还原电位（Eh）对增加土壤SeO₄^2?及稻米硒累积是必要的，但水稻生育期生理需水使长期落干晒田不可行，因此需要其他缓解土壤氧化还原状况的手段。尿素过氧化物（UP）是过氧化氢与尿素的加合物，可缓解根际氧化还原状况并同时高效提供氮（N）营养，其水解产物为氧、碳酸盐（或二氧化碳）和铵，均可被植物利用；同时供应氮和硒可略微增加籽粒硒累积，因为铵可促进水稻在土–水界面吸收硒。但UP溶解后氧化性物质释放（OSR）快速且不受控，可能导致根系急性氧化损伤，需采用控释材料。包膜肥料是一类缓/控释肥料（S/CRFs），其核心肥料通过化学交联或物理黏附被具有半透性的疏水性控释高分子材料嵌入、覆盖或包封；将核心肥料与聚合物包膜材料混合可获得养分均匀分布于包膜材料中的增效肥料。壳聚糖（Chi）、藻酸盐（Alg）、纤维素、淀粉、环糊精等农业生物材料具有来源广、成本低、生物相容性和生物降解性好及无毒等优点，经简单化学或物理改性后可制成可降解水凝胶，其肥料养分利用效率更高。藻酸盐二聚体通过阳离子（如Ca²⁺）与古洛糖醛酸残基中-OH及-COOH基团间的离子键形成；海藻酸钙（CaAlg）因“蛋盒”结构截留小分子而成为养分、农药等农用化学品的潜在载体，包膜层厚度可通过Ca²⁺浓度调节，但纯CaAlg包膜效率低、在土壤中降解过快，难以调控包埋养分的释放动态，因此需与其他物质改性或复合。Chi与Alg通过-NH₃⁺与-COO^?间的交联反应和静电作用形成复合膜，交联网络显著减小孔径但保持包膜完整性，有利于控释。CMC与Chi可通过-NH₂和-COOH自组装，所得肥料具有纳米级孔隙，可通过毛细效应非电荷依赖地吸附包埋养分，并在不同环境pH下表现不同释放动力学。本研究旨在提供一种能缓解水稻土缺氧根际（即提高Eh）并改变土壤硒组分（尤其提高植物易利用硒比例）的肥料产品，同时为硒生物强化建立适宜土壤条件。研究人员假设由Alg和Chi组成的包膜材料可能适合调控土壤中UP和硒养分的释放，使土壤Eh和生物有效硒浓度在较长时间内维持在满意水平；因此研究了多组分包膜材料的制备过程、力学性能以及用该包膜材料制成的包膜肥料颗粒在氧化性物质和硒养分释放方面的表现。

关键技术方法：研究采用单因素实验考察包膜材料组分对OSR（强度与持续时间）的影响；采用正交设计多因素实验优化配方并分析Alg、n-SiO₂和Chi的交互作用；通过水浸提法测定提取液Eh以评价OSR；采用质构仪测定颗粒硬度、弹性、黏聚性和回复性等力学指标；采用密度瓶法测定颗粒密度；结合立体显微镜和扫描电子显微镜观察颗粒表面与断面形貌；采用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析结构；开展水稻土盆栽培养试验，定期测定土壤Eh并按20 d间隔取样，采用改进的逐步提取法结合氢化物发生原子荧光光谱（AFS）测定土壤硒形态（水溶性Se_sol、交换态Se_exc、铁/锰氧化物结合态Se_Fe/Mn、有机/硫化物结合及元素态Se_ose和残渣态Se_res），并区分四价硒（Se^IV）与六价硒（Se^VI）。土壤样品采自中国广州，为黏壤质地水稻土，pH 6.60，自然淹水平衡后Eh为?29.3 mV，总硒396.2 μg kg^?1。

研究结果：

肥料组分对颗粒形态特征的影响：预试验表明制备时组分溶解顺序显著影响颗粒结构，先溶解Alg和Chi者表面更细腻、形状更接近球形且孔径与直径较小，故后续制备先溶解Alg和Chi。UP含量是影响颗粒外观的显著因素：100和150 mg g^?1 UP颗粒直径相近，100 mg g^?1断面致密但不规则圆，150 mg g^?1断面可见大量大孔；200 mg g^?1 UP显著增大颗粒直径，断面出现大量气泡。扫描电镜显示先溶解Alg和Chi者壁较厚、表面较粗糙、由厚片或大块组成，UP晶体嵌于内壁；先溶解UP者壁薄、无明显片状结构和UP晶体。添加CMC使颗粒直径略增、形状更接近正球、表面更光滑；添加10 mg g^?1及以上n-SiO₂使表面由半透明转为实心白色、断面致密无可见孔洞，10~30 mg g^?1 n-SiO₂可维持正球形，40 mg g^?1因溶液B黏度更高而呈椭球形（最短/最长直径比低于0.8，其余约0.9）；CMC与n-SiO₂共同添加可显著改善颗粒结构稳定性，即使UP达200 mg g^?1断面仍致密无孔。Alg含量为10 mg g^?1时溶液B黏度低，颗粒呈不规则球形并夹带气泡；20或30 mg g^?1时为致密正球，30 mg g^?1断面更细腻光滑。

肥料组分对水浸提试验中OSR的影响：包膜使OSR较未包膜纯UP处理更温和，即Eh变化更缓、高Eh持续时间（HESD）更长；先溶解UP者Eh曲线更陡，氧化性物质18 d内完全释放，先溶解Alg和Chi者Eh变化平缓且高值维持更久。UP含量不密切影响初始Eh但显著影响HESD，100、150、200 mg g^?1处理分别持续30、37、57 d，且150和200 mg g^?1处理的最高Eh及升降速率显著高于100 mg g^?1；达到峰值后缓慢下降阶段占总HESD的比例由100 mg g^?1的35.5%增至200 mg g^?1的61.0%。含n-SiO₂和CMC的配方OSR特征不同：三种UP水平处理提取液Eh均在1 d内达600 mV，并分别维持30 d（100或150 mg g^?1）至45 d（200 mg g^?1）后骤降至去离子水水平（LDW）。10 mg g^?1 Alg处理19 d后氧化性物质耗尽，短于更高Alg处理；20 mg g^?1 Alg峰值Eh更高但HESD较短，30 mg g^?1 Alg则HESD更长、OSR更温和。n-SiO₂含量对最高Eh影响小但显著影响HESD，含n-SiO₂各处理初始Eh不同程度升高而HESD较不含者缩短，四者中以30 mg g^?1 n-SiO₂处理HESD最长。Chi含量10、15、20 mg g^?1处理高Eh分别维持27、16、29 d，10和20 mg g^?1处理在第27~30天骤降至390 mV以下且模式相似，10 mg g^?1处理HESD短于15 mg g^?1处理。CMC/n-SiO₂比值方面，最长HESD出现在1:3处理；除1:2情形外，相同比值下CMC和n-SiO₂绝对含量越高，HESD越长、峰值Eh越高；总体10 mg g^?1 CMC优于5.0 mg g^?1，且15 mg g^?1 CMC使溶液A流动性显著降低、难以去除颗粒表面残余自由水，故10 mg g^?1为适宜CMC含量。

组分对颗粒力学性能的影响：与不含n-SiO₂和CMC者相比，n-SiO₂和CMC显著提高颗粒硬度和黏聚性；UP在含Alg、Chi、n-SiO₂和CMC但不含Na₂SeO₄的配方中略降低硬度和黏聚性，在无n-SiO₂和CMC时影响不明显；无Na₂SeO₄时UP显著降低弹性，n-SiO₂和CMC则轻度提高弹性；Na₂SeO₄提高硬度、黏聚性和回复性但降低弹性，在含n-SiO₂和CMC时更明显；仅含Alg、Chi和UP的配方回复性最高，Na₂SeO₄使回复性降至该配方约80%。综合硬度和回复性，基于单因素结果确定的Control 1配方（20 mg g^?1 Alg、15 mg g^?1 Chi、10 mg g^?1 CMC、30 mg g^?1 n-SiO₂、150 mg g^?1 UP、0.1 mg g^?1 Na₂SeO₄）表现较为理想。正交设计中Control 1硬度和黏聚性最高，Treatment I、V、VIII硬度也较高，Treatment III、VI、IX硬度黏聚性低但回复性高，Treatment IV硬度和黏聚性中等、弹性高但回复性低；方差分析表明Alg、Chi和n-SiO₂含量对硬度、黏聚性和回复性存在交互作用，故宜由具体处理的多重比较结果而非各因素水平的综合结果推断最优配方。空白与对照处理中仅黏聚性与硬度存在显著线性相关，而九个正交处理与Control 1中各参数两两间均存在显著线性相关，说明黏聚性与硬度的相关性是Alg–Chi复合包膜材料中固有的、与添加物无关，其余相关性（尤其涉及回复性者）仅在全部组分同时存在时成立；高硬度颗粒可在较宽弹性变形范围内保持形状，但受力超过弹性极限后难以恢复原状。

肥料颗粒密度：基础包膜材料（Blank 3）密度略高于1.00 g cm^?3，添加UP（Blank 2）使密度显著降至0.70 g cm^?3，与形态结果一致；添加n-SiO₂和CMC（Control 1）显著逆转该趋势，使密度恢复至1.06 g cm^?3，但仍低于完整包膜配方（Blank 1）；Na₂SeO₄虽仅以万分之一量级添加，却显著改善颗粒密度（Control 2）。

正交设计处理在水浸提和土壤培养试验中的OSR：单因素试验中Eh曲线相互重叠，难以区分优劣，正交设计更甚，故该部分使用制备后储存6个月的肥料颗粒以放大差异。水浸提中所有处理Eh几乎全程低于LDW（340.7 mV），几乎所有处理在第2或3天出现明显降至?100 mV以下的下降（新制肥料未出现），Treatment V例外；Control 1和Treatment IX的早期Eh谷值分别推迟至第6和第12天；Treatment I~IV、VIII、IX和Control 1在第10天后恢复至100~200 mV，Treatment V~VII则维持在100 mV以下波动；Control 1与Treatment II曲线几乎重合，HESD超过60 d；Treatment IV低Eh状态持续至第20天，随后在100~250 mV间波动；Treatment V和VII前15 d Eh高于150 mV，随后降至100 mV以下，最低分别达?44.4 mV和?160.7 mV。这表明组分变化不仅影响峰值和HESD，还决定颗粒内部OSR开始前低Eh期的长度（延迟期）。土壤培养试验结果与水浸提一致但绝对值更低：水浸提中能长期维持高Eh的处理（Control 1、Treatment II）也使土壤Eh升至更高水平；各处理前8 d均出现Eh下降，最低值在?86.5 mV至?129 mV之间；此后Se处理持续下降至第25天，之后在?128.8 mV至?168.8 mV间波动；Se + UP处理短期下降后略升，下降速率慢于Se处理，最低值约?150 mV且全程高于Se处理；仅嵌入Na₂SeO₄而无UP的Control 4在前30 d及第60~80天Eh模式与Se + UP相似，第35~50天更接近Se处理；Control 1与Treatment II模式总体相似但存在细微差异，二者在第8天下降过后均高于其他三个处理，并在第35~40天恢复至峰值；Control 1初始Eh为32.3 mV，Treatment II为?38.2 mV，Control 1仅在前10 d及第55~70天高于Treatment II（后者该回升未出现），且Control 1的Eh波动更平缓。

XRD分析：观察到UP和Na₂SeO₄原料的典型衍射图；CaAlg和Chi聚合度多样且交联固化时缺乏结晶条件，n-SiO₂的晶体结构和各向异性似因纳米化制备而显著减弱，故CaAlg、Chi和n-SiO₂衍射图缺乏锐峰；细晶UP和Na₂SeO₄均匀随机分布于基质凝胶中导致衍射散射，故肥料颗粒基质和终产物也呈无定形衍射图，特征峰被宽峰掩盖，难以判断制备过程中是否生成新物质，因此采用FTIR从另一角度揭示处理间OSR和力学性能差异的结构基础。

FTIR分析：最显著的特征峰之一来自n-SiO₂（纯SiO₂为474和1108 cm^?1，终产物中分别移至472 ± 2和1106 ± 1 cm^?1），表明n-SiO₂虽不能被XRD检出，但确实通过Si-O键维持颗粒结构；CaAlg和CMC羧基的1427 cm^?1吸收峰在所有处理（含空白和对照）中均存在（最大移至1422 cm^?1），证明其骨架作用；n-SiO₂原803 cm^?1峰在多数处理中移至809~814 cm^?1，表明包膜材料复合后SiO₂不对称伸缩振动进一步减弱；1050~1110 cm^?1范围内无定形n-SiO₂不对称伸缩振动峰与CMC、Alg羧酸基团峰重叠，除Blank 2外几乎所有处理均观察到该范围吸收峰；Chi、CMC和Alg中-COO^?与-NH₄⁺结合在1602 cm^?1的吸收峰移至1606~1612 cm^?1；正交设计处理谱图相似，但3150~3350 cm^?1范围存在细微差异，该范围包含Alg、Chi和CMC的-OH与-NH₂基团及UP中-O-O-基团相互作用产生的吸收峰，空白和对照处理中更明显；SeO₄^2?在887 cm^?1的特征吸收峰在产物谱图中不突出。

选定处理的土壤硒组分变化：由于硒酸盐含量在10^?4量级，探讨肥料中硒是否改变土壤硒状况具有意义。试验前20 d，除Se_ose外几乎所有硒组分含量因外源硒输入而不同程度增加；相反，几乎所有处理的Se_ose含量和比例全程低于初始值。具体而言，Se处理水溶性Se_t和Se^VI含量增幅最大；所有处理Se_exc显著增加，Se + UP处理的交换态Se_t、Se^VI及Se_res为各处理最高；Treatment II的铁/锰结合态Se_t、Se^VI及土壤总硒最高，Control 1的Se_ose含量最高。第40天，水溶性Se_t最高者为Se + UP处理，水溶性Se^VI维持高值者为Control 1，其他处理Se_sol普遍下降，即Se + UP处理Se_sol的优势价态亦为四价；三个包膜肥料处理交换态Se_t、Se^VI含量和比例持续增加，Control 1当时最高，而Se和Se + UP处理相应参数下降；Se和Se + UP处理Se_Fe/Mn含量虽高于三个包膜处理，但主要形态为植物有效性低的Se^IV；Se处理和Treatment II的Se_ose在第40天显著增加；所有处理Se_res含量和比例不同程度增加，Se + UP处理残渣态和土壤总硒最高。第60天，所有处理Se_sol（绝对值和比例）普遍增加，Treatment II水溶性Se_t和Se^VI最高，且其交换态Se_t和Se^VI在其他处理下降时仍保持较高水平；Control 4成功将Se_Fe/Mn的Se_t、Se^VI及Se_res维持在高水平，而其他处理相应参数普遍下降；Control 1的Se_ose为各处理最高且降幅最小。第80天土壤总硒含量趋同，各处理Se_sol变化各异而Se_ose普遍下降；Treatment II水溶性Se_t、Se^VI、交换态Se_t及Se_ose均为各处理最高，Control 1交换态Se^VI和Se_Fe/Mn的Se^VI最高且相应参数显著增加，Se + UP处理铁/锰结合态Se_t最高；三个包膜肥料处理Se_res下降而Se和Se + UP处理增加，Se处理残渣态硒最高。

讨论部分总结：正交设计因素与水平的选择方面，虽然所有组分均影响力学和OSR性能，但正交设计因素和水平数量有限，需依据单因素试验并兼顾力学性能与OSR模式选择。较高UP含量延长HESD在预期之内，高UP含量潜在结构缺陷可由n-SiO₂和CMC克服，且含n-SiO₂和CMC时UP不明显影响作为关键力学参数的硬度，故UP不再是制约配方调整的关键因素；CMC对OSR影响较明确，单因素试验可确定其最优浓度为10 mg g^?1。Alg、Chi和n-SiO₂含量探索空间更大：10 mg g^?1 Alg导致颗粒形状差，20和30 mg g^?1在OSR上各有优势，故正交设计中Alg水平设为20、25和30 mg g^?1；Chi三水平Eh曲线相近，较低Chi含量HESD更长而较高Chi含量初期峰值Eh更高，故选取10、15和20 mg g^?1；30 mg g^?1 n-SiO₂形态和OSR表现满意，但其对OSR的非线性影响提示同时改变三者含量时可能存在更复杂交互作用，故选取20、30和40 mg g^?1。研究人员承认所选因素和水平未必最佳，但至少是合适的选择。包膜材料配方对释放特性的影响方面，交联过程通过影响包膜聚合物稳定性（即抗分解能力）决定释放特性，使包埋物质在给定条件（如特定pH或土壤水分）下按设计模式释放；CaAlg性质取决于Ca²⁺与Alg浓度比，聚电解质复合物较相应单一物质具有更好耐蚀性，高聚合度大分子交联后构象改变有助于Chi–Alg和Chi–CMC复合物具有高抗变形能力和假塑性流体特征，力学试验结果予以验证；Ca²⁺、Chi的-NH₃⁺与Alg和CMC的-COO^?间静电作用既促进交联又瞬时控制跨膜离子扩散，故复合包膜材料可更灵活调控养分释放，交联由FTIR中1606~1612 cm^?1新键吸收峰证实；但结合力学结果，过弱或过强键合均导致硬度和弹性不理想，文献报道较高Ca²⁺浓度导致包膜更厚、稳定性更高但溶胀能力更低，故本研究选择10 mg g^?1以平衡该矛盾。关于Alg，文献报道高浓度Alg加速释放，但本研究中30 mg g^?1 Alg处理OSR慢于20 mg g^?1处理；10 mg g^?1 Alg处理Eh较低、HESD较短且颗粒过软难以保持形状，故20~30 mg g^?1为本研究满意的Alg控释浓度范围。关于Chi，文献认为Chi与Alg质量比1:1时聚合物与电解质介质相互作用产生更致密精细结构而延缓释放，但材料疏水性随Chi比例增加而增强；单因素试验中Chi/Alg为20 mg g^?1 Chi的处理恰好符合1:1比例，且呈现稳定可持续的OSR曲线，支持上述观点。高UP含量导致的结构缺陷可能使颗粒受压后破碎，颗粒内空腔降低密度使其漂浮于水层而非沉入水稻土，导致氧化性物质和养分释放到表层水并流失，这些缺点限制了UP含量范围及应用；n-SiO₂作为小直径环境友好填料主导复合材料孔隙率、疏水性和比表面积，文献报道含5%（即50 mg g^?1）n-SiO₂的包膜肥料即使比表面积扩大70倍仍能维持内部空间结构稳定和足够孔隙率，n-SiO₂含量低于阈值时增加其含量促进水分渗透和养分释放，超过阈值则增强水和养分吸附；本研究中该阈值相应为30 mg g^?1而非文献报道的50 mg g^?1；不含n-SiO₂处理OSR慢于含n-SiO₂处理（30 mg g^?1除外）的现象可由颗粒准宏观结构解释：添加n-SiO₂不仅增加小孔径孔隙，还消除UP水解引起的大孔径孔隙，使颗粒内更多水和UP溶液被毛细管截留；除优化结构外，n-SiO₂对缓解UP水解所致密度下降的显著贡献也可能归因于其自身较高密度；此外n-SiO₂和CMC提高包膜材料和颗粒硬度与弹性的作用此前文献鲜有报道，其机制值得进一步研究。关于UP含量，含更多UP似更符合研究目的，但低浓度尿素与高交联度Alg的配方也能实现更高效控释结构，且考虑高UP含量颗粒内部小孔隙潜在结构缺陷，本研究将UP含量设在100~200 mg g^?1，并选取150 mg g^?1为最优含量；200 mg g^?1 UP处理可见UP晶体较少似属异常但可解释：溶液A中自由水被局部高浓度UP晶体的高渗透压吸引后溶解UP而非被Alg基质截留；类似地，先溶解Alg和Chi处理溶液B中自由水少于先溶解UP处理，故其UP水解更慢、制备过程氧损失更少、HESD更长；另一方面，无机盐混合物水亲和性一般强于有机聚合物，包膜材料易被核心无机肥料脱水，从而削弱生物大分子材料的力学、理化及养分释放性能，文献亦发现增加尿素比例增大颗粒直径但降低密度，而KH₂PO₄作用相反，本研究中UP因尿素和UP水解产生O₂的联合作用放大了密度下降。由于溶液A中Alg与Na₂SeO₄共存，二者同时与溶液B中CaCl₂反应，故终产物中不仅形成CaAlg还形成CaSeO₄，后者因溶解度低被视为缓释硒肥；遗憾的是XRD未检出CaSeO₄，但含Na₂SeO₄处理力学性能的改善提供了间接证据。

研究结论翻译：本研究制备了一种由藻酸盐、壳聚糖、纳米二氧化硅、羧甲基纤维素和硒酸盐组成的多组分包膜材料，用于包埋尿素过氧化物以制备氧化性物质缓释肥料。含20~25 mg g^?1藻酸盐、15 mg g^?1壳聚糖、30 mg g^?1纳米二氧化硅、10 mg g^?1羧甲基纤维素、0.1 mg g^?1硒酸钠和150 mg g^?1尿素过氧化物的配方表现最佳，具有满意的力学性能，与仅施硒处理相比Eh提升幅度超过100 mV且至少维持40 d，并提高了土壤中水溶性、交换态及部分铁/锰结合态硒的含量与比例，尤其是六价硒；值得注意的是，硒酸盐不仅提供硒，还有助于结构强化。研究结果为土壤养分管理提供了一种缓释载体，但在硒与氧化性物质更协调释放方面仍需改进。