幾種活化鉀長石的釋鉀特點(diǎn)及肥效研究*

王 俊，劉 輝，雷鋒文，毛小云，李華順，廖宗文

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 廣東廣州 510642)

近年來，我國缺鉀土壤的面積由南向北擴(kuò)大，尤其是長江以南地區(qū)，土壤缺鉀問題更為普遍，缺鉀已不同程度地限制了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[1]。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，對鉀肥的需求量很大，但國內(nèi)的水溶性鉀鹽資源很少，鉀肥主要依賴進(jìn)口，對外依存度高達(dá)50%[1]，威脅我國糧食安全，如何拓寬鉀肥供應(yīng)渠道成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。我國非水溶性含鉀巖石儲(chǔ)量豐富，其中鉀長石礦總量達(dá)百億噸，研發(fā)節(jié)能、高效和經(jīng)濟(jì)可行的鉀長石制肥產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，對破解鉀資源受制于人的困局、保障糧食安全具有重大的戰(zhàn)略意義。

在常溫、常壓下對鉀長石活化的研究主要有3種[1- 2]，即微生物活化[3- 4]、植物直接活化[5]和有機(jī)酸活化[6]，但活化效果均不是很理想，增幅不超過5倍。在煅燒條件下，從富鉀巖石中提取鉀已取得不少成果[7- 18]，但這些工藝或多或少存在一些不足，如：提鉀后的殘?jiān)荒鼙焕茫嬖谖廴镜娘L(fēng)險(xiǎn)[9- 10，18]；采用高溫、高壓分解鉀長石，分解時(shí)間較長，能耗高，碳排放量大[11,17]；提鉀過程中加入硫酸會(huì)產(chǎn)生SO3，HF等強(qiáng)腐蝕性氣體，不利于安全生產(chǎn)，而且設(shè)備腐蝕嚴(yán)重[8]；分解過程配料與鉀長石配比過高，物耗高[13]。為此，探索溫和條件下的鉀長石促釋活化技術(shù)十分必要。

促釋是基于活化態(tài)有效性而提出的新技術(shù)，其特點(diǎn)是通過對難溶礦物活化而促進(jìn)其養(yǎng)分釋放，使之與作物吸收實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)供需平衡。在應(yīng)用促釋技術(shù)處理磷礦和鎂礦成功的基礎(chǔ)上[19- 21]，研究了不同的理化處理手段對鉀長石的促釋效果，并通過玉米盆栽試驗(yàn)驗(yàn)證其肥效，為開拓利用我國豐富的鉀長石及其他非水溶性鉀礦制肥的新途徑提供科學(xué)依據(jù)。

1 不同的活化劑對鉀釋放的影響

1.1 供試材料

鉀長石，380 μm(40目)，全鉀(K2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.7%，產(chǎn)自安徽；6種活化劑分別為JMY，YY，KQ，NMS，WZ和QN，除QN外均為有機(jī)物，均由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)新肥料資源研究中心研制。

1.2 活化鉀長石的制備

在鉀長石中分別加入6種活化劑，加入量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，然后加入蒸餾水混合研磨，于100 ℃下烘干，待用。

1.3 活化鉀長石水溶性鉀的動(dòng)態(tài)測定

稱取0.500 0 g樣品于100 mL的離心管中，加入蒸餾水50 mL浸提，搖勻，在振蕩機(jī)上振蕩15 min(振蕩速率180次/min)，然后用離心機(jī)離心10 min(轉(zhuǎn)速5 000 r/min)，過濾，小心取出上清液，即得濾液Ⅰ。剩下樣品留在離心管中，再次加入蒸餾水50 mL浸提，搖勻，在振蕩機(jī)上振蕩15 min，然后用離心機(jī)離心10 min，過濾，小心取出上清液，即得濾液Ⅱ。采用同樣的方法處理得濾液Ⅲ。采用火焰光度法測定濾液中鉀的含量。

1.4 結(jié)果與分析

由圖1可知，除活化劑NMS外，其他各處理的水溶性鉀含量均較未活化鉀長石(CK)有所提高，其中JMY處理較CK提高1.15倍，YY處理提高68.8%，KQ處理提高21.9%，WZ處理提高1.23倍，QN處理提高4.19倍。QN處理的提高幅度最大，效果最明顯，因此對活化劑QN的活化條件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖1 6種活化鉀長石水溶性鉀的動(dòng)態(tài)釋放

2 活化劑用量、烘干溫度及鉀長石粒徑對鉀釋放的影響

2.1 活化鉀長石的制備

在不同粒徑的鉀長石中分別加入一定量活化劑QN，然后加入蒸餾水混合研磨，再分別于60 ℃和100 ℃下烘干制得活化鉀長石(表1)。

表1 活化鉀長石制備條件

處理制備條件加入QN質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%鉀長石粒徑/μm烘干溫度/℃K10380(40目)K20150(100目)HK15150(100目)60HK25380(40目)100HK310380(40目)60HK410380(40目)100

2.2 活化鉀長石水溶性鉀的動(dòng)態(tài)測定

方法同1.3。

2.3 活化鉀長石各種形態(tài)鉀的測定

速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提法，緩效鉀采用1 mol/L硝酸煮沸法，過濾后采用火焰光度法測定液體中鉀含量。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 對水溶性鉀動(dòng)態(tài)釋放的影響

如圖2所示：活化的鉀長石水溶性鉀含量都較K1處理有所提高，其中效果最明顯的是HK4處理，其水溶性鉀的3次浸提總量達(dá)到1 908 mg/kg，接近K1處理的100.0倍；其次是HK2處理，是K1處理的63.7倍；再次是HK1處理，是K1處理的49.7倍；HK3處理是K1處理的17.4倍。與K1處理相比，K2處理的水溶性鉀含量更高，說明150 μm(100目)礦粉的水溶性鉀含量高于380 μm(40目)。HK1處理與K2處理相比，在鉀長石粒徑同樣為150 μm(100目)的條件下，加入QN質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%活化并在60 ℃下烘干，其水溶性鉀浸提量是K2處理的6.1倍。HK2處理與HK4處理相比可發(fā)現(xiàn)，增加QN用量可提高活化鉀長石3次水溶性鉀的浸提量，在100 ℃烘干條件下，使380 μm(40目)鉀長石的水溶性鉀浸提量提高54%。HK3處理與HK4處理相比，兩者QN用量都是質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，但HK4處理的烘干溫度高于HK3處理，活化效果HK4處理更好，說明提高烘干溫度可以提高活化效果；3次浸提試驗(yàn)結(jié)果表明，第1次水溶性鉀浸提量顯著高于后2次的浸提量。

圖2 不同處理對活化鉀長石水溶性鉀動(dòng)態(tài)釋放的影響

2.4.2 對不同形態(tài)鉀的影響

由圖3可知，不同處理的活化鉀長石水溶性鉀、速效鉀和緩效鉀含量基本上都較K1處理和K2處理有所提高。HK1處理與K2處理相比，加入QN質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%活化并在60 ℃下烘干，能大幅提高150 μm(100目)鉀長石的水溶性鉀含量，增幅達(dá)7.6倍，速效鉀含量提高3.2倍，緩效鉀含量提高46%。HK2處理與HK4處理相比，提高QN用量可以提高水溶性鉀、速效鉀和緩效鉀含量，在100 ℃烘干條件下可使380 μm(40目)鉀長石的水溶性鉀含量提高57.7%、速效鉀含量提高35.0%、緩效鉀含量提高51.0%。HK3處理與HK4處理相比，兩者QN用量都是質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，但HK4處理的烘干溫度高于HK3處理，HK4處理較HK3處理水溶性鉀含量提高4.9倍、速效鉀含量提高3.3倍、緩效鉀含量提高3.4倍，這說明提高烘干溫度能大幅提高活化效果。

圖3 不同處理對活化鉀長石不同形態(tài)鉀的影響

3 玉米盆栽試驗(yàn)

3.1 供試材料

供試土壤：采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園紅壤發(fā)育的旱地，鉀水平中等，需施鉀肥。土壤基本理化性狀：有機(jī)質(zhì)11.44 g/kg，全氮0.89 g/kg，堿解氮78.6 mg/kg，有效鉀(K2O)97.49 mg/kg，緩效鉀(K2O)370.86 mg/kg，有效磷(P2O5)154.05 mg/kg，pH(水土質(zhì)量比5∶1)5.84。

供試肥料：尿素，w(N)為46.0%；氯化鉀，w(K2O)為60%；過磷酸鈣，w(P2O5)為12%；活化鉀長石，如表1所示。

供試作物：華農(nóng)大2008甜玉米。

3.2 試驗(yàn)方法

玉米盆栽試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。每盆裝土4 kg，各處理氮肥(N)用量為1 kg土施150 mg，即每盆尿素用量為1.30 g；各處理磷肥(P2O5)用量為1 kg土施100 mg，即每盆過磷酸鈣用量為3.33 g；CK1處理鉀肥(K2O)用量為1 kg土施120 mg，即氯化鉀用量為0.80 g/盆。考慮到2種鉀源的水溶性差異太大，活化鉀長石的全鉀(K2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為9.7%，而KCl有效鉀(K2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，因此使用活化鉀長石取代1/3的氯化鉀用量，CK2，T1，T2以及T3處理以取代系數(shù)4∶1取代，即活化鉀長石施用量(1.07 g/盆)為KCl施用量的4倍，但其全鉀量仍低于被取代的KCl?；罨涢L石玉米盆栽試驗(yàn)施鉀肥方案具體如表2所示。

表2 活化鉀長石玉米盆栽試驗(yàn)施鉀肥方案

處理施鉀肥方案CK10．80gKClCK20．53gKCl+1．07g鉀長石(380μm)T10．53gKCl+1．07g活化鉀長石(5%QN，150μm，60℃)T20．53gKCl+1．07g活化鉀長石(5%QN，380μm，100℃)T30．53gKCl+1．07g活化鉀長石(10%QN，380μm，60℃)

玉米于10月2日播種(每盆3株)，次年1月11日收獲，生長期為73 d。收獲時(shí)測定植株株高、莖粗；收割地上植株部分，測定鮮重、干重并分析植株鉀含量。收獲后取土樣，分析土壤速效鉀和緩效鉀含量及pH(水土質(zhì)量比5∶1)。

植物全鉀含量采用H2SO4- H2O2消煮后用火焰光度法測定；土樣速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提法測定，緩效鉀采用1 mol/L硝酸煮沸法、四苯硼鈉法測定[22]。

通過偏生產(chǎn)力比較各種鉀肥的肥效，鉀肥偏生產(chǎn)力=干重/鉀施用量(以K2O計(jì))。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 不同處理對玉米生物量、莖粗、株高和干重的影響

不同處理對玉米生物量(鮮重)的影響如圖4所示，不同處理對玉米莖粗、株高和干重的影響如表3所示。

圖4 不同處理對玉米生物量(鮮重)的影響

表3 不同處理對玉米莖粗、株高和干重的影響

處理莖粗/cm株高/cm干重/(g·盆-1)CK10．88±0．06a74．28±4．97ab9．98±1．39bCK20．94±0．07a82．40±3．92a10．97±1．13abT10．99±0．03a83．18±1．80a11．13±1．33abT20．98±0．05a82．92±3．83a11．33±1．45abT31．02±0．07a85．12±6．02a14．21±0．61a

如圖4所示，各活化處理(T1～T3)的玉米生物量都較CK1處理大，分別提高35.0%，19.5%和52.7%，其中T3處理與CK1處理相比達(dá)顯著差異水平。T1處理的玉米鮮重較CK2處理略有提高，T2處理與CK2處理基本持平，T3處理較CK2處理提高26.2%，表明活化鉀長石部分取代氯化鉀能夠促進(jìn)玉米生長。由水溶性浸提結(jié)果和不同形態(tài)鉀測定結(jié)果來看，QN用量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的T1處理與T2處理的活化效果相差不大，因此對盆栽生物量影響差異不顯著。T3處理的活化鉀長石的活化效果雖然不及T1處理和T2處理，但生物量卻有較大提高，其原因：①能夠顯著提高土壤pH；②能顯著提高四苯硼鈉法提取鉀量，此形態(tài)的鉀不容易隨水淋失，植物利用率高[22]，因此增產(chǎn)效果明顯。

3.3.2 不同處理對盆栽土壤3種形態(tài)鉀含量的影響

如圖5所示，盆栽土壤速效鉀、緩效鉀及四苯硼鈉法測定的鉀含量中，與生物量相關(guān)性好的為四苯硼鈉法測定的鉀。

圖5 不同處理玉米盆栽土壤中3種形態(tài)鉀含量

土壤速效鉀含量是反映土壤直接供鉀能力的常用指標(biāo)。由圖5可知，各處理中CK1的土壤速效鉀含量最高，原因?yàn)镃K1施用氯化鉀，而其他處理都用鉀長石部分取代氯化鉀，因此速效鉀含量有所降低。T2處理玉米干重大于CK2處理，其土壤速效鉀含量仍高于CK2處理，表明活化處理能提高鉀的釋放和促進(jìn)玉米生長。T3處理的土壤速效鉀含量最低，僅為CK1處理的40%，但T3處理的玉米干重卻比CK1處理高42%以上，表明玉米對鉀的吸收是造成土壤速效鉀含量降低的主要原因。雖然CK1處理的土壤速效鉀含量最高，但其生物量反而低于其他處理。相關(guān)研究也表明，作物種植前后土壤速效鉀含量的變化難以很好地表征植物對鉀素的吸收和利用[22- 23]。

土壤緩效鉀含量是土壤速效鉀的儲(chǔ)備，當(dāng)土壤中的速效鉀由于作物吸收而減少時(shí)，緩效鉀就會(huì)釋放以補(bǔ)充速效鉀的缺失。由圖5可知，T2和T1處理的全鉀施用量少于CK1處理，且生物量也較CK1提高，但緩效鉀含量仍高于CK1處理和CK2處理，表明活化鉀長石能通過提高土壤緩效鉀含量以減少鉀的流失，增強(qiáng)土壤的持續(xù)供鉀能力。

通過圖5可知，T3處理的土壤中四苯硼鈉法測定的鉀含量最高，且其玉米的生物量也最高，表明四苯硼鈉法測定的鉀確實(shí)與生物有效性有更好的相關(guān)性，因而可更好地評價(jià)土壤中鉀的生物有效性。能被四苯硼鈉法通過擴(kuò)散和離子交換作用完全提取出來的鉀是非交換態(tài)鉀中的活躍部分，與一般的非交換態(tài)鉀不同，易于轉(zhuǎn)化為交換態(tài)和水溶態(tài)鉀，在速效鉀被作物吸收后即可迅速轉(zhuǎn)化為速效鉀，且能夠防止徑流和淋溶損失[22- 23]，因此四苯硼鈉法優(yōu)于其他鉀的提取方法(乙酸銨浸提法和硝酸煮沸法)。

3.3.3 對土壤pH的影響

有研究表明[24]，從1980年至2000年，我國土壤pH出現(xiàn)明顯下降。測定玉米盆栽土壤pH的結(jié)果顯示，活化鉀長石具有緩解土壤酸化的功效。如圖6所示，各處理的玉米盆栽土壤pH呈現(xiàn)步步高的3個(gè)階梯。第1個(gè)階梯，CK1處理施用的KCl是生理酸性肥料，會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，因此pH最小。第2個(gè)階梯(CK2，T1和T2處理)，CK2處理施用鉀長石，其玉米盆栽土壤的pH明顯高于第1個(gè)階梯，表明施用未活化的鉀長石部分取代氯化鉀可以減緩?fù)寥赖乃峄?；T1和T2處理的玉米盆栽土壤的pH略高于CK2處理，表明用QN活化的鉀長石更加有利于減緩?fù)寥浪峄?。?個(gè)階梯，T3處理為施用QN添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%活化的鉀長石，玉米盆栽土壤pH隨QN添加量的增加而較T1和T2處理進(jìn)一步提高。

3.3.4 對盆栽玉米第2片葉子含鉀量的影響

由圖7可知，單施氯化鉀的CK1處理中第2片葉子含鉀量最高，其原因：①由于氯化鉀是完全水溶性的，作物容易吸收，可能存在奢侈吸收的現(xiàn)象；②活化鉀長石處理的生物量均大于CK1處理，生物量的稀釋作用導(dǎo)致各活化鉀長石處理的葉片含鉀量降低。T1處理的生物量和葉片鉀含量均大于CK2處理，表明活化鉀長石(150 μm)更有利于玉米對鉀素的吸收和利用。T2和T3處理同樣是施用380 μm(40目)活化鉀長石，生物量較CK1處理均有所提高，特別是T3處理，其生物量較CK2處理增加29.5%，但植株含鉀量僅降低6%，表明活化鉀長石處理的鉀養(yǎng)分有更高的增產(chǎn)效果。

圖7 不同處理對玉米第2片葉子含鉀量的影響

3.3.5 不同處理的鉀肥偏生產(chǎn)力

由表4可知，不同活化鉀長石處理的鉀肥偏生產(chǎn)力均較CK1處理提高，且隨著活化劑QN用量的增加，活化鉀長石偏生產(chǎn)力指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，其中T3處理較CK1處理提高60%。

表4 不同處理的鉀肥偏生產(chǎn)力

處理偏生產(chǎn)力CK120．80CK225．68T126．07T226．53T333．29

4 結(jié)語

通過活化劑及活化條件的篩選，并采用盆栽試驗(yàn)比較，可得出以下結(jié)論：

(1) 活化劑對鉀長石有明顯的活化作用，可大幅提高鉀長石中鉀的釋放量。

(2) 活化劑的活化效果與活化劑用量、烘干溫度和鉀長石粒徑有關(guān)，是三者綜合作用的結(jié)果。

(3) 活化鉀長石有明顯的肥效，在全鉀量較低時(shí)，與KCl處理相比，可增加玉米生物量。

(4) 活化鉀長石處理能提高土壤pH，防止土壤酸化。

(5) 四苯硼鈉法提取鉀量與盆栽生物量相關(guān)性最好，優(yōu)于乙酸銨浸提法和硝酸煮沸法。

(6) 活化技術(shù)為難溶性鉀礦的開發(fā)利用開拓了一條新的途徑，發(fā)展前景良好。

[1] 王改蘭，段建南.土壤礦物鉀活化途徑[J].土壤通報(bào)，2004(6)：802- 805.

[2] 潘大偉，梁成華，杜立宇.土壤含鉀礦物的釋鉀研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào)，2005(2)：253- 258.

[3] 鈕旭光，華秀英，何隨成.硅酸鹽細(xì)菌解鉀活性的研究[J].土壤通報(bào)，2005(6)：950- 953.

[4] 薛泉宏，張紅娟，蔡艷，等.鉀細(xì)菌對江西酸性土壤養(yǎng)分活化作用的研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002(1)：38- 42.

[5] 王東升，徐志強(qiáng)，杜立宇，等.大豆和小麥對礦物鉀的活化作用研究[J].土壤通報(bào)，2006(6)：1118- 1122.

[6] 王東升，王君.低分子量有機(jī)酸作用下土壤礦物鉀釋放機(jī)制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(Z2)：259- 261.

[7] 趙恒勤，馬化龍，金梅，等.鉀長石的堿石灰燒結(jié)法綜合利用研究[J].非金屬礦，2003(1)：24- 26.

[8] 薛彥輝，潘兆科，張桂齋.低溫分解鉀長石的動(dòng)力學(xué)研究[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2006(1)：167- 170.

[9] 韓效釗，胡波，肖正輝，等.鉀長石與磷礦共酸浸提鉀過程實(shí)驗(yàn)研究[J].化工礦物與加工，2005(9)：1- 3.

[10] 韓效釗，姚衛(wèi)棠，胡波，等.封閉恒溫法由磷礦磷酸與鉀長石反應(yīng)提鉀機(jī)理探討[J].中國礦業(yè)，2003(5)：56- 58.

[11] 苗世頂，馬鴻文，馮武威，等.煅燒分解鉀長石提取碳酸鉀的實(shí)驗(yàn)研究[J].非金屬礦，2004(1)：5- 7.

[12] 馬鴻文，白志民，楊靜，等.非水溶性鉀礦制取碳酸鉀研究：副產(chǎn)13X型分子篩[J].地學(xué)前緣，2005(1)：137- 155.

[13] 聶軼苗，馬鴻文，劉賀，等.水熱條件下鉀長石的分解反應(yīng)機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006(7)：846- 850.

[14] 戚龍水，馬鴻文，苗世頂.碳酸鉀助熔焙燒分解鉀長石熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)，2004(1)：73- 75.

[15] 薛彥輝，楊靜.鉀長石低溫?zé)Y(jié)法制鉀肥[J].非金屬礦，2000(1)：19- 21.

[16] 姚衛(wèi)棠，韓效釗，胡波，等.論鉀長石的研究現(xiàn)狀及開發(fā)前景[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2002(3)：151- 156.

[17] 趙恒勤，馬化龍，金梅，等.鉀長石的堿石灰燒結(jié)法綜合利用研究[J].非金屬礦，2003(1)：24- 26.

[18] 藍(lán)計(jì)香，顏勇捷.鉀長石中鉀的加壓浸取方法[J].高技術(shù)通訊，1994(8)：26- 28.

[19] 孫克君，趙冰，盧其明，等.活化磷肥的磷素釋放特性、肥效及活化機(jī)理研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007(8)：1722- 1729.

[20] 熊金濤，毛小云，張俊濤，等.不同溫度下促釋材料活化磷礦粉效果的研究[J].腐植酸，2009(1)：29- 33.

[21] 趙冰，毛小云，廖宗文.幾種鎂肥對番茄肥效的比較研究[J].土壤通報(bào)，2006(4)：830- 832.

[22] 王火焰，朱樹國，周健民，等.常規(guī)方法準(zhǔn)確測定土壤有效鉀素變化可能性的探討[J].土壤通報(bào)，2006(5)：954- 960.

[23] 沈欽華，王火焰，周健民，等.四苯硼鈉溶液中含鉀礦物非交換態(tài)鉀的釋放特性研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2011(2)：477- 485.

[24] GUO J H, LIU X J, ZHANG Y, et al. Significant Acidification in Major Chinese Croplands[J].Science，2010(5968)：1008- 1010.