tese
Development of biobased coatings for controlled release fertilizers and phosphorus use efficiency by wheat
Desenvolvimento de revestimentos de base biológica para fertilizantes de liberação controlada e eficiência no uso de fósforo pelo trigo
Registro en:
CANCELLIER, E. L. Development of biobased coatings for controlled release fertilizers and phosphorus use efficiency by wheat. 2018. 105 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2017.
Autor
Cancellier, Eduardo Lopes
Institución
Resumen
While controlled release nitrogen (N) fertilizers demonstrated to have agronomic and
environmental advantages over their fully soluble alternatives, little is known about the effect
of controlled release fertilizers (CRF) on phosphorus (P) use efficiency. In spite of these
benefits, the use of petroleum-based non-biodegradable coatings is expensive and pollutes
soil, rising the demand for new types of coating produced from inexpensive biobased
materials. On new coatings research numerous samples need to be tested and methods to
determine nutrient release rates from CRF usually rely on chemical analyses, which are timeconsuming and/or expensive. Therefore, the goals were to (i) develop an innovative and rapid
low-cost method to evaluate nutrient release from CRF using conductometry; (ii) test
biobased materials as coatings to produce CRF; and (iii) to investigated the potential of
controlled release P fertilizers to reduce P fixation and increase P use efficiency. To achieve
that, nutrient release in water was determined by measuring the electric conductivity (EC)
over time, with intervals dependent on release rates. For soluble salt fertilizers, EC can be
immediately determined and converted to concentration using a calibration curve. In the case
of urea, an additional step is needed to convert the EC-neutral urea into ammonium. A
validation test demonstrated strong agreement with the release determined using the EC
method and analytical techniques. The new method hence offers an easy way to quickly
evaluate over time the release of nutrients from CRF. For the coating development, a set of
biobased materials was tested as coatings to produce CRF, consisting of combinations of
wood resins with lignin and biobased sources of polyols for polyurethane synthesis. The
biobased source of polyols demonstrated to be suitable for production of high performance
CRF. It reduced MAP and urea release rates to 208 and 34 days respectively using as little as
6% of coating on MAP and 10% on urea. To assess the performance of these fertilizers, three
CRF were prepared by coating MAP, with a release time of 7, 37 and 209 days. These
fertilizers were incubated in soil for 70 days and chemical analyses of P in the soil and
fertilizer were carried out. Also a pot trial with wheat was carried out to assess the agronomic
effectiveness, using isotopic
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P tracer. A lower release rate did not decrease P fixation in the
calcareous soil, but had an effect in the Oxisol for the fertilizer with 37 days release. In the
pot trial, the CRF either had no effect on yield or even decreased the yield in comparison with
the control uncoated-MAP, particularly for the fertilizers with the slowest release rate.
However, for MAP with 37 days for release, the P uptake was higher than for the control
MAP in the Oxisol, indicating that controlled release does have potential to reduce fixation by
oxides and hence increase P uptake. Although reduction in fixation was observed to a limited
extend, the increase in P uptake was substantial (56%). It evidences that it is possible to
improve P use efficiency by controlled release MAP. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Enquanto fertilizantes nitrogenados de liberação controlada geralmente demonstram
vantagens agronômicas e ambientais sobre sua alternativa solúvel, pouco sabe-se a respeito
dos fertilizantes fosfatados de liberação controlada. Em contrapartida, o uso de revestimentos
derivados de petróleo e não biodegradáveis é caro e polui o solo, demandando assim
revestimentos produzidos de materiais biológicos de baixo custo. Na busca por novos
revestimentos, numerosas amostras precisam ser testadas. Contudo, os métodos para
determinação de taxa de liberação de nutrientes de fertilizantes de liberação controlada (FLC)
geralmente são baseadas em análises químicas onerosas e demoradas. Desta forma, objetivouse (i) desenvolver um método rápido e de baixo custo para avaliar a liberação de nutrientes de
FLC usando condutivimetria; (ii) testar materiais biológicos para produção de FLC; e (iii)
investigar o potencial de fertilizantes fosfatados de liberação controlada em reduzir fixação e
aumentar a eficiência de uso de P. Para isto, a liberação de nutrientes em agua foi determinada
através da leitura da condutividade elétrica (CE) no tempo. Para fertilizantes baseados em sais
solúveis a CE pode ser imediatamente determinada e convertida para concentração usando
uma curva de calibração. No caso da ureia, uma etapa adicional converte ureia em amônio
utilizando urease. A validação demonstrou uma alta concordância entre a liberação estimada
por técnicas analíticas e através da CE, demonstrando ser uma forma fácil e rápida de avaliar
a liberação de nutrientes. Ademais, um conjunto de materiais de base biológica foram testados
como revestimento para produção de FLC, consistindo de combinações de resinas com lignina
e fontes biológicas de polióis para síntese de poliuretano. As fontes biológicas de polióis
foram adequadas para a produção de FLC. Elas reduziram o tempo de liberação do MAP e da
ureia para 208 e 34 dias respectivamente usando apenas 6% de revestimento no MAP e 10%
na ureia. Para avaliar a performance destes fertilizantes, três FLC foram preparados
revestindo-se MAP e obtendo tempos para liberação de 7, 37 e 209 dias. Estes fertilizantes
foram incubados no solo por 70 dias e ao final foi feita quantificação do P no solo e
fertilizante. Ademais, um experimento em vaso com trigo foi conduzido para avaliar a
eficiência agronômica usando traçador isotópico. Menores taxas de liberação não reduziram a
fixação do P em solo calcário, entretanto houve um pequeno efeito no Oxisol para o
fertilizante com 37 dias para liberação. No experimento em vaso, os FLC não tiveram efeito
sobre o crescimento de plantas ou até mesmo reduziu o crescimento em relação ao MAP
controle, especialmente para o fertilizante com a menor taxa de liberação. Entretanto, para o
MAP com 37 dias para liberação, a absorção de P foi maior do que para o MAP controle no
Oxisol, indicando que a liberação lenta pode reduzir a fixação pelos óxidos e assim aumentar
a absorção de P. Apesar da redução da fixação ser pequena, o aumento na absorção de P foi
expressiva (56%). Isto evidencia uma possibilidade de se aumentar a eficiência no uso de P
com MAP de liberação controlada.