腐植酸原料對植煙土壤鉀素淋溶的影響

張一揚 方麗婷 帥京彤 裴曉東

1湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 長沙 410128

2 長沙市煙草公司 長沙 410005

土壤中的營養(yǎng)元素隨著水垂直向下移動到植物根系活動層以下部分而造成的損失稱為土壤養(yǎng)分淋溶[1]。養(yǎng)分淋溶作用是導致肥料利用率降低的主要原因，同時它也會消耗土壤養(yǎng)分庫，從而造成經(jīng)濟損失，嚴重影響農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[2，3]。鉀是煙草生長中吸收最多的礦質(zhì)元素，與煙葉的質(zhì)量和煙草制品的安全性息息相關(guān)[4～6]，而煙草對鉀肥利用率僅為24%～34%[7]。因此，減少鉀素淋失量，提高鉀肥利用率，在煙草種植上至關(guān)重要。

泥炭、褐煤中含有豐富的腐植酸，是規(guī)?；_發(fā)腐植酸產(chǎn)品的主要資源[8]。腐植酸可以改善土壤理化性質(zhì)。在土壤中加入腐植酸物質(zhì)，可形成較大的膠體比表面積和弱酸基團，增強對陰陽離子的物理和化學吸附交換性，降低陰陽離子的淋溶率[9]。據(jù)研究表明，腐植酸能提高鉀肥的利用率[10]，對土壤鉀素具有活化作用，還可以促進緩效鉀等其他形態(tài)向速效鉀轉(zhuǎn)化[11]。枸溶性鉀肥，又稱鉀硅肥，是用含有鉀、硅以及多種元素的天然礦石為原材料，生產(chǎn)出的一種新型礦物鉀肥[12]。枸溶性鉀肥的鉀素釋放規(guī)律與作物需求同步，能夠滿足作物生長期對鉀素的需求，減少鉀肥的施用次數(shù)、降低使用成本[13]。

近幾年，研究肥料淋溶的方法有田間觀測法、數(shù)學模型法、平衡估算法和模擬土柱法等[14，15]。本研究將腐植酸原料與鉀肥混合到土壤中，通過室內(nèi)土柱淋洗試驗，研究土壤鉀素淋溶特性，監(jiān)測土壤鉀素遷移的動態(tài)變化，旨在減少鉀肥淋溶損失量，改善土壤理化性狀，提高煙葉含鉀量，為提高烤煙煙葉品質(zhì)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 植煙土壤

植煙土壤采自湖南農(nóng)業(yè)大學耘園基地，水稻土。前茬作物為水稻，供試土壤基本理化性狀：有機質(zhì)含量25.71 g/kg，pH 6.44，全氮0.06%，全磷0.04%，全鉀1.74%，速效磷31.21 mg/kg，速效鉀125.58 mg/kg。

1.1.2 腐植酸原料

供試腐植酸原料為草本泥炭、褐煤、木本泥炭，基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試泥炭及褐煤的基本性質(zhì)Tab.1 The basic properties of peat and lignite for test

采用日本JEOL JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡掃描腐植酸原料的微觀結(jié)構(gòu)。從圖1～圖3可以看出：泥炭和褐煤主要是塊狀和絮狀組成的團粒結(jié)構(gòu)，孔隙大且很多都相互連通，數(shù)量多，結(jié)構(gòu)疏松。這些微觀結(jié)構(gòu)決定了泥炭和褐煤具有含水率高、滲透性大、變異大等特征。通過電鏡成像、孔隙色斑提取和加權(quán)孔徑計算：草本泥炭的加權(quán)平均孔隙直徑是0.74 μm，褐煤的加權(quán)平均孔隙直徑是0.66 μm，木本泥炭的加權(quán)平均孔隙直徑是0.88 μm。

1.1.3 鉀肥

枸溶性鉀肥（K2O 25%），由山西某公司提供；硫酸鉀（K2O 54%）化學純，市場購買。

1.2 試驗設計

將一定量的腐植酸原料和鉀肥混合到一定量的水稻土中，裝入土柱中，在底部收集淋洗液。試驗所用的土柱為內(nèi)徑5.0 cm，高30 cm的PVC管。每個土柱裝土390 g，使用相同力度將其均勻的裝入PVC管中。土柱頂部鋪一層濾紙，底部鋪一層石英砂和濾紙，起到減少加水對土壤的攪動影響及防止土壤滲透到淋出液中的作用。裝填土柱時要將土柱邊緣的土壤壓實，確保無貼壁水流入滲，盡量減少管壁效應的產(chǎn)生。土柱裝填結(jié)束后，加入足夠的水使土壤達到飽和（田間持水量的70%～80%），在土壤達到飽和的后一天，用醫(yī)用吊瓶向土柱中滴加100 mL蒸餾水淋洗，并收集淋出液，次日同上淋洗，在第30天、第60天、第90天、第120天、第150天及第180天收集淋出液用于分析檢測，共分6個階段完成，且每個處理3次重復。

圖1 草本泥炭的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The microstructure of herbaceous peat

各處理為：P1，土壤+1%草本泥炭（3.9 g）+枸溶性鉀肥；P2，土壤+1%褐煤（3.9 g）+枸溶性鉀肥；P3，土壤+1%木本泥炭（3.9 g）+枸溶性鉀肥；P4，土壤+1%草本泥炭（3.9 g）+硫酸鉀；P5，土壤+1%褐煤（3.9 g）+硫酸鉀；P6，土壤+1%木本泥炭（3.9 g）+硫酸鉀；P7，土壤+硫酸鉀；P8，土壤+枸溶性鉀肥；CK，土壤。其中，鉀肥用量以K2O 200 mg/kg加入。

圖2 褐煤的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 The microstructure of lignite

圖3 木本泥炭的微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 The microstructure of woody peat

1.3 取樣及指標的測定方法

1.3.1 淋洗液的收集、土壤樣品的采集

在第30天、第60天、第90天、第120天、第150天及第180天收集淋洗液。在第180天收集完淋洗液后，沿土柱從上往下分層采集0～10、10～20 cm高度土樣（分層依據(jù)：煙草在生長過程中，有一次非常重要的中耕培土耕作環(huán)節(jié)，有利于煙草形成大量的不定根，促進煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量的形成，中耕培土高度為10 cm左右），晾干，過篩，保存。同時測定2個層次的土壤的全鉀、速效鉀、有機質(zhì)、pH含量。

1.3.2 分析方法

按照鮑士旦[16]的《土壤農(nóng)化分析》第三版中的方法測定土壤的基本理化性狀：有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法；全鉀測定采用氫氧化鈉，火焰光度法；速效鉀采用醋酸銨浸提法。按照魯如坤[17]的《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》測定土壤pH，采用pH計（雷磁pHS-3C）測定（水土比2.5∶1）。

鉀素瞬時淋出率（%）=（施鉀處理每次淋濾液K+總量-不施鉀處理每次淋濾液K+總量）/肥料和腐植酸原料K+總量×100%。

鉀素表觀淋出率（累積溶出率，%）=（施鉀處理前n次淋濾液K+總量-不施鉀處理前n次淋濾液K+總量）/肥料和腐植酸原料K+總量×100%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)整理與繪制圖表，采用SPSS 22.0進行單因素方差分析，各處理間采用Duncan法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸原料對植煙土壤鉀素淋溶特性的影響

表2為不同處理植煙土壤溶液中速效鉀的累積淋失量的動態(tài)變化。由表可知，隨著淋洗次數(shù)的增加，土壤速效鉀的累積淋失量逐漸增多，不同處理之間均存在顯著差異。P1、P2和P3（不同腐植酸原料和枸溶性鉀肥配施）與P4、P5和P6（不同腐植酸原料與硫酸鉀配施）相比，前者的累積淋失量較后者分別降低9.98%、13.40%和8.71%，枸溶性鉀肥在腐植酸原料中較硫酸鉀肥料鉀素不易淋失。同樣P7和P8相比，P7鉀素累積淋失量是P8的1.29倍，也說明枸溶性鉀肥累積淋失率低于硫酸鉀。添加了不同種類腐植酸原料的P1、P2、P3處理之間也存在顯著差異，P2、P3處理分別降低了10.38%和19.53%，木本泥炭有利于降低土壤速效鉀的累積淋失量；同樣，由P4、P5、P6處理之間差異分析也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。從整體上來看，添加外源腐植酸原料對降低土壤速效鉀累積淋失量順序為木本泥炭>褐煤>草本泥炭。

表2 不同處理植煙土壤溶液中速效鉀的累積淋失量的變化Tab.2 The changes of the accumulative leaching losses of available potassium in tobacco planting soil solution under different treatments mg

表3為不同處理土壤鉀素淋出率的變化。由表可知，不同處理土壤鉀素瞬時淋出率和表觀淋出率有所變化。隨著淋洗次數(shù)的增加，鉀素瞬時淋出率基本呈逐漸減少的趨勢，在第30天、第60天和第90天時鉀素瞬時淋出率最多。鉀素表觀淋出率以P7最高，P5次之，其他處理都低于10%。以添加木本泥炭和枸溶性鉀肥的P3處理鉀素表觀淋出率最小，其次是添加枸溶性鉀肥的P8處理。從整體上來看，添加腐植酸原料與枸溶性鉀肥的P1、P2、P3處理的鉀素表觀淋出率小于添加腐植酸原料和硫酸鉀的P4、P5、P6處理，添加枸溶性鉀肥的表觀淋出率小于添加硫酸鉀的處理。添加硫酸鉀的處理中，添加腐植酸原料處理的鉀素表觀淋出率要比未添加的處理低，而添加枸溶性鉀肥的處理中，僅P3比未添加腐植酸原料處理的鉀素表觀淋出率低。因此，施用腐植酸原料和枸溶性鉀肥可以有效降低鉀素表觀淋出率，其中木本泥炭和枸溶性鉀肥配合使用效果最好，鉀素表觀淋出率最低，僅為3.29%。

表3 不同處理土壤鉀素淋出率的變化Tab.3 The changes of soil potassium leaching rate under different treatments %

圖4為不同處理對淋出液總體積的影響。由圖可知，不同處理的淋出液總體積之間有差異。添加腐植酸原料的處理淋出液總體積都在500 mL以下，P2、P3分別為469 mL和466 mL，淋出液體積較少，且處理間差異不顯著；沒有添加腐植酸原料的P7、P8和CK的淋出液總體積較多，以CK體積最多。從添加硫酸鉀和枸溶性鉀肥的處理來看，添加枸溶性鉀肥的P1、P2、P3和P8處理淋出液總體積要少于添加硫酸鉀的P4、P5、P6和P7處理。從整體上來看，P3淋出液總體積最少，即木本泥炭和枸溶性鉀肥的組合，具有較好的保水保肥性能。

圖4 不同處理對淋出液總體積的影響Fig.4 Effects of different treatments on total volume of leaching solution注：圖中不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05），下同。

2.2 不同處理土壤鉀素淋溶指標與土壤化學性質(zhì)的相關(guān)性

表4為不同處理土壤經(jīng)過180天淋溶后土壤全鉀、速效鉀、pH值和有機質(zhì)含量情況。其中添加腐植酸原料處理的土壤有機質(zhì)含量均高于未添加腐植酸的處理。通過對不同土壤鉀素淋溶指標與土壤性質(zhì)進行Person相關(guān)性分析，分析結(jié)果如表5所示。在0～10 cm的土層中，鉀素表觀淋出率與pH呈顯著負相關(guān)；在10～20 cm土層中，鉀素表觀淋出率與有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)，累積淋失量與全鉀和速效鉀呈顯著或極顯著負相關(guān)。從表中可以看出，pH僅與0～10 cm層的土壤鉀素表觀淋出率有關(guān)，且呈反比關(guān)系。10～20 cm的土壤有機質(zhì)含量影響鉀素表觀淋出率，土壤全鉀和速效鉀含量是影響鉀素淋失量的主要因素，隨著土壤中速效鉀含量的增加，鉀素淋失量就越少，越有利于提高鉀肥的利用率。

從以上結(jié)果可以看出，土壤酸化不利于土壤鉀素累積。同樣，土壤有機質(zhì)含量增加有利于降低鉀素淋出率。在生產(chǎn)上，可以通過添加腐植酸物質(zhì)，改善土壤酸化，增加有機質(zhì)，進而提高土壤保肥性能。

表4 不同處理土壤180天淋溶后的土壤性質(zhì)Tab.4 The soil properties after 180 days leaching under different treatments

表5 土壤鉀素淋溶指標與土壤性質(zhì)的相關(guān)性Tab.5 The relativity between potassium leaching index of soil and soil properties

2.3 鉀素淋溶對土壤不同層次養(yǎng)分的影響

圖5為不同處理對不同層次土壤全鉀的影響。由圖可知，不同處理0～10 、10～20 cm層次的土壤全鉀含量變化幅度不大。除P3、P4、P5土壤全鉀含量是0～10 cm層次小于10～20 cm層次，其他處理均相反。在0～10 cm層次時，各處理間差異不大，全鉀含量在1.49%～1.58%之間。在10～20 cm層次，P5處理土壤全鉀含量最高，與P4相比差異不顯著。因此，添加外源腐植酸原料對不同耕作層次土壤全鉀含量影響不大。

圖5 不同處理對不同層次土壤全鉀的影響Fig.5 Effects of different treatments on total potassium in different soil layers

圖6 為不同處理對不同層次土壤速效鉀的影響。由圖可知，不同處理0～10 、10～20 cm層次的土壤速效鉀含量有所變化。除P2、P6、P8和CK的土壤速效鉀含量是0～10 cm層次高于10～20 cm層次外，其他處理均相反。從添加的腐植酸原料來看，10～20 cm土層中以添加木本泥炭的P3和P6處理的土壤速效鉀含量最高，其次是褐煤，最后是草本泥炭。添加枸溶性鉀肥的P8處理土壤速效鉀較添加硫酸鉀的P7處理各層次間分別增加27.92%和1.97%?？傊?，P3處理兩個層次的土壤速效鉀含量最豐富，均在380 mg/kg左右，但10～20 cm土層土壤速效鉀含量最高。就增加土壤速效鉀含量而言，木本泥炭優(yōu)于褐煤和草本泥炭，枸溶性鉀肥優(yōu)于硫酸鉀，不同土壤層次間差異較小。P3處理有利于增加耕層土壤供鉀強度。

圖7為不同處理對不同層次土壤pH的影響。由圖可知，0～10 cm層次的土壤pH值低于10～20 cm層次的土壤pH值。0～10 cm層次土壤pH值無顯著變化，只添加硫酸鉀的P7處理pH最低為6.42；10～20 cm層次的土壤pH ，P3、P5和P6處理間無明顯差異，但顯著低于P2處理，P7處理相比其他處理最低，且差異顯著。總體而言，隨著土層深度增加，土壤pH值受淋溶的影響變化幅度較小。

圖6 不同處理對不同層次土壤速效鉀的影響Fig.6 Effects of different treatments on available potassium in different soil layers

圖7 不同處理對不同層次土壤pH的影響Fig.7 Effects of different treatments on soil pH in different soil layers

圖8 為不同處理對不同層次土壤有機質(zhì)的影響。由圖可知，不同處理土壤有機質(zhì)含量為0～10 cm層次的低于10～20 cm層次。添加腐植酸原料的處理有機質(zhì)含量大小為：P3>P2>P1、P6>P5>P4，腐植酸原料與鉀肥配施時，添加枸溶性鉀肥的處理有機質(zhì)含量高于添加硫酸鉀的處理。單施硫酸鉀或枸溶性鉀肥有機質(zhì)含量遠低于腐植酸原料與鉀肥配施的處理。木本泥炭與枸溶性鉀肥配施的P3處理土壤有機質(zhì)含量在每個層次均高于30 mg/kg。添加外源性腐植酸原料有利于增加土壤有機質(zhì)含量，以P3處理效果最佳。

圖8 不同處理對不同層次土壤有機質(zhì)的影響Fig.8 Effects of different treatments on soil organic matter in different soil layers

3 討論與結(jié)論

添加腐植酸原料與枸溶性鉀肥處理的鉀素表觀淋出率小于添加腐植酸原料和硫酸鉀的處理，添加枸溶性鉀肥的表觀淋出率小于添加硫酸鉀的處理。腐植酸原料與鉀肥混合對土壤養(yǎng)分淋溶是一個動態(tài)的變化過程，其變化會因時間、添加物本身的性質(zhì)而產(chǎn)生一定的差異。養(yǎng)分淋溶主要是在溶液中發(fā)生的，腐植酸原料的添加使淋出液總體積降至500 mL以下，低于未加腐植酸原料的處理，說明腐植酸原料中豐富的孔隙結(jié)構(gòu)能夠提高土壤持水能力，它能夠通過對水分的作用來間接影響土壤養(yǎng)分淋溶[18，19]；本試驗中添加的3種腐植酸原料都能降低土壤鉀素的淋失量，使鉀素瞬時淋出率和表觀淋出率最小，其中效果為木本泥炭>褐煤>草本泥炭，這可能與腐植酸原料本身的孔隙度、吸附性等有關(guān)。此外，相關(guān)研究表明，不同類型泥炭中的腐植酸含量差別較大，一般木本泥炭含量高，其次是草本泥炭[20]。巨大的比表面積和酸/堿性官能團能夠通過物理化學等作用直接吸附土壤中的養(yǎng)分[21]。

添加枸溶性鉀肥和硫酸鉀的處理進行比較，添加硫酸鉀的處理鉀素淋出率最大。這是因為硫酸鉀是以離子的形式存在于土壤中，破壞土壤中不同形態(tài)鉀的平衡，當較多的鉀離子進入土壤中只有少部分轉(zhuǎn)化成交換性鉀或被土壤固定，大部分會隨著水分流失。枸溶性鉀肥主要是以緩效態(tài)鉀存在，當投入到土壤中只有少部分會轉(zhuǎn)化成離子形態(tài)與非交換性鉀，絕大部分還是以交換性鉀的形式留在土壤中，只有當酸性較強時才能被釋放出來[22]。

從鉀素淋溶對土壤不同層次養(yǎng)分的影響來看，土壤全鉀受淋溶影響不大。我國土壤中全鉀含量一般在16.6 g/kg左右，高的可達33.2 g/kg，但絕大部分鉀是固定態(tài)，不易受環(huán)境影響而被植物直接吸收利用[23]。土壤速效鉀含量易受耕作和外源性條件的影響，木本泥炭和枸溶性鉀肥配施能有利于增加耕層土壤速效鉀供鉀強度。隨著土層深度增加，土壤pH值受淋溶的影響減弱。添加外源性腐植酸原料有利于增加10～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量，提升土壤保水保肥性能。劉梅堂等[24]將泥炭、褐煤等制成品加入農(nóng)田土壤，也可顯著提高土壤有機質(zhì)含量。

腐植酸原料對添加硫酸鉀土柱的土壤鉀素淋出率的抑制作用較為明顯，但對于枸溶性鉀肥僅木本泥炭添加時土壤鉀素淋出率要比僅用枸溶性鉀肥的土柱小，可能是本試驗所用材料為腐植酸原料，未經(jīng)活化處理，對鉀素的固定作用不能更好地發(fā)揮出來，因此將腐植酸原料活化后對鉀素淋溶的影響還有待進一步研究。