木本泥炭對(duì)鉀的緩釋效果與固持作用

潘慧 李健鵬 洪婷 傅欣

摘要：以木本泥炭為載體，以氯化鉀和硫酸鉀為鉀源，分別制備木本泥炭氯化鉀肥和木本泥炭硫酸鉀肥。通過沙柱淋溶試驗(yàn)，研究木本泥炭氯化鉀肥和木本泥炭硫酸鉀肥的鉀釋放特性及其鉀累積釋放率曲線方程擬合情況。結(jié)果表明，10次沙柱淋溶后木本泥炭氯化鉀肥MTLK1處理的鉀釋放率比純氯化鉀LK減少13.43%。等當(dāng)量氯化鉀條件下，隨著木本泥炭用量的增加，鉀釋放率減小，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)木本泥炭氯化鉀肥的鉀累積釋放率曲線擬合效果最佳（r為0.969～0.995，SE為0.08%～1.44%）。木本泥炭硫酸鉀肥MTSK1處理經(jīng)過10次沙柱淋溶后鉀累積釋放率比純硫酸鉀SK處理減少30.34%。Elovich方程對(duì)木本泥炭硫酸鉀肥MTSK1、MTSK2處理的鉀累積釋放率曲線（r=0.992**，SE=1.30%;r=0.997**，SE=0.74%）的擬合度更高，拋物線方程對(duì)木本泥炭硫酸鉀肥MTSK3、MTSK4的鉀累積釋放率曲線（r=0.995**，SE=0.86%;r=0.996**，SE=0.70%）的擬合度更高。木本泥炭對(duì)2種不同鉀源的吸附固持能力存在一定差異，木本泥炭氯化鉀肥與木本泥炭硫酸鉀肥都有良好的緩釋效果。

關(guān)鍵詞：木本泥炭;緩釋;鉀肥;鉀釋放率;擬合

中圖分類號(hào)： S143.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）07-0205-04

收稿日期：2020-07-22

作者簡(jiǎn)介：潘 慧（1984—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士，工程師，肥料配方師，主要從事腐殖酸新型肥料、土壤改良相關(guān)研究。E-mail：ph18@163.com。

鉀是植物生長(zhǎng)所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年需要的鉀肥量巨大。但由于我國(guó)的可溶性鉀肥資源不足，年生產(chǎn)能力與總需求量相差甚遠(yuǎn)，因而我國(guó)大量鉀肥依賴進(jìn)口[1-2]。2013年農(nóng)業(yè)部組織專家完成的《中國(guó)三大糧食作物肥料利用率研究報(bào)告》顯示，我國(guó)水稻、玉米、小麥三大糧食作物鉀肥當(dāng)季平均利用率為42%，雖然我國(guó)主要糧食作物肥料利用率水平已經(jīng)屬于國(guó)際公認(rèn)的適宜范圍，但仍然處于較低的水平[3]。因此，在化肥零增長(zhǎng)的背景下[4]，提高鉀的利用率對(duì)降低農(nóng)業(yè)成本，提高作物產(chǎn)量具有重要意義。提高鉀肥的利用率除了改變耕作和施肥方式外，在鉀肥中加入一些具有吸附效果的物質(zhì)制成緩釋性肥料，是一種提高鉀肥利用率的有效方法。泥炭這種綠色、健康、潔凈和安全的有機(jī)礦產(chǎn)，在我國(guó)仍處于初級(jí)低值利用階段[5]。泥炭分為草本泥炭、木本泥炭、蘚類泥炭等，我國(guó)草本泥炭?jī)?chǔ)量占國(guó)內(nèi)泥炭總儲(chǔ)量的98.51%[6]，我國(guó)相關(guān)研究大多集中于草本泥炭，對(duì)儲(chǔ)量?jī)H占0.53%的木本泥炭研究較少。木本泥炭由木本植物殘?bào)w轉(zhuǎn)化而成，其腐殖酸含量高于草本泥炭[6-7]。腐殖酸是一類具有良好生物活性的有機(jī)高分子物質(zhì)，具有刺激作物生長(zhǎng)，活化土壤養(yǎng)分的作用，對(duì)氮、磷、鉀等具有吸附、緩釋等作用[8]。本試驗(yàn)利用木本泥炭作為載體，負(fù)載不同鉀肥后研究其對(duì)鉀的緩釋效果和固持效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試木本泥炭有機(jī)質(zhì)含量為89%，總腐殖酸含量為53.96%[9]，含水量為40.85%。由中向旭曜科技有限公司提供。

供試鉀肥為分析純硫酸鉀（K2O含量為65.66%）、分析純氯化鉀（K2O含量為58.59%）。以純氯化鉀（LK）、純硫酸鉀（SK）為對(duì)照。供試木本泥炭鉀肥為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自行制備，將木本泥炭與一定質(zhì)量比例的氯化鉀（或硫酸鉀）充分吸附、反應(yīng)，利用擠壓造粒的方法，分別配制K2O含量約為10%、20%、30%、40%的木本泥炭氯化鉀肥和木本泥炭硫酸鉀肥;空白木本泥炭同樣進(jìn)行擠壓造粒，作為空白對(duì)照。由于肥料制備過程中木本泥炭水分減少，導(dǎo)致肥料中K2O實(shí)際含量升高，為避免試驗(yàn)誤差，分析每種木本泥炭鉀肥中K2O的實(shí)際含量，具體結(jié)果見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

沙柱淋溶法：在直徑為3 cm，高20 cm的玻璃淋溶管中，事先用0.075 mm尼龍濾布封底口，淋溶管分為3層，上下2層為30 g細(xì)沙（過0.25～1 mm篩，180 ℃烘干），中間一層為等當(dāng)量鉀的木本泥炭鉀肥（氯化鉀或硫酸鉀，制備后過2～4 mm篩）與20 g細(xì)沙的混合物，上面覆蓋2層濾紙以免加水時(shí)擾亂沙層，以等當(dāng)量鉀的純氯化鉀或純硫酸鉀以及造粒后的空白木本泥炭原料為對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)5次重復(fù)。首先緩慢而多次地滴加總量為20 mL的蒸餾水使沙柱充分潤(rùn)濕，再加入10 mL水淋溶沙柱，收集淋溶液。每次淋溶加蒸餾水10 mL，每隔1 h淋溶1次，在沙柱下用錐形瓶收集淋溶液，并將收集的淋溶液定容至 50 mL。淋溶液中的鉀素含量用火焰光度法測(cè)定[10]。本試驗(yàn)于2019年9月在中向旭曜科技有限公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.3 鉀累積釋放率曲線方程擬合

本試驗(yàn)利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線方程[11]對(duì)肥料養(yǎng)分累積釋放率曲線進(jìn)行擬合。一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程[公式（1）]、Elovich方程[公式（2）]、拋物線方程[公式（3）]如下：

N=N0×[1-exp（-k×f）]。（1）

N=a+b×lnf。（2）

N=a+b×f0.5。（3）

式中：N為t時(shí)間段內(nèi)養(yǎng)分累積釋放率（%）;N0為最大養(yǎng)分累積釋放率（%）;a、b為方程常數(shù);k為速率常數(shù)（d-1）;f為淋溶次數(shù)（次）。

擬合方程用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件的非線性回歸統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行擬合，并計(jì)算其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)分析

鉀釋放速率=（鉀釋放量-空白對(duì)照鉀釋放量）/總鉀量×100%;

鉀累積釋放率=（鉀累積釋放量-空白對(duì)照鉀釋放量）/總鉀量×100%;

原始數(shù)據(jù)均采用Excel 2007進(jìn)行整理計(jì)算、繪制圖表，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 木本泥炭氯化鉀肥中鉀的釋放特性

通過比較各點(diǎn)鉀累積釋放率的大小，可以了解各肥料中鉀的釋放總量。由圖1-A可知，LK處理在第1次淋溶時(shí)鉀累積釋放率已達(dá)90%以上，第2次淋溶已接近100%，而MTLK1和MTLK2處理直到第10次淋溶時(shí)鉀累積釋放率仍不到90%，MTLK3和MTLK4均在第3次淋溶以后鉀累積釋放率才達(dá)到90%左右，說明木本泥炭氯化鉀肥具有一定的緩釋效果，經(jīng)過10次淋溶尚不能完全洗脫，說明木本泥炭對(duì)鉀具有一定的吸附固持作用。等當(dāng)量鉀條件下，木本泥炭氯化鉀肥的氧化鉀含量越低，沙柱內(nèi)木本泥炭添加量越多，養(yǎng)分釋放時(shí)間越長(zhǎng)。

由圖1-B可知，5種氯化鉀肥處理的鉀釋放速率峰值均出現(xiàn)在第1次淋溶時(shí)，LK的鉀釋放速率明顯高于4種MTLK處理。隨淋溶次數(shù)增加，LK的鉀釋放速率明顯降低，在第3次淋溶時(shí)鉀釋放速率已經(jīng)低于1%/h，而4種MTLK處理鉀釋放速率的減小幅度均比LK小，MTLK4在第5次淋溶后鉀釋放速率才低于1%/h。隨著木本泥炭氯化鉀肥的氧化鉀濃度降低，MTLK1在第10次淋溶時(shí)釋放速率尚大于1%/h。在前期淋溶過程中，木本泥炭氯化鉀肥的鉀釋放速率要小于純氯化鉀肥;而隨淋溶次數(shù)增加，沙柱中鉀含量開始減少，但由于木本泥炭的吸附作用，使鉀的流失作用減小，所以在木本泥炭氯化鉀肥后期的淋溶過程中，鉀的釋放速率要高于純氯化鉀肥，木本泥炭氯化鉀肥具有一定緩釋效果。

2.2 木本泥炭硫酸鉀肥中鉀的釋放特性

由圖2-A可知，SK處理在第3次淋溶時(shí)鉀累積釋放率已達(dá)90%以上，第5次淋溶時(shí)已達(dá)到96.26%，而4種MTSK處理直到第10次淋溶時(shí)鉀累積釋放率均不到81%，甚至MTSK3和MTSK4處理第10次淋溶時(shí)累積釋放率不足70%，說明木本泥炭對(duì)鉀有一定的吸附固持作用，木本泥炭硫酸鉀肥具有緩釋效果。

由圖2-B可知，SK和4種MTSK處理的鉀釋放速率峰值均出現(xiàn)在第2次淋溶時(shí)，第1次淋溶時(shí)各處理硫酸鉀淋出量相對(duì)較低。前3次淋溶時(shí)，4種MTSK處理的鉀釋放速率均小于SK，而在后期的淋溶過程中，4種MTSK處理的鉀釋放速率均高于SK，SK在第6次淋溶時(shí)的鉀釋放速率已經(jīng)低于1%/h，而4種MTSK處理到第10次淋溶時(shí)的鉀釋放速率仍大于1%/h，說明木本泥炭硫酸鉀肥具有緩釋效果。

2.3 鉀累積釋放率曲線方程擬合

將沙柱淋溶得到的鉀累積釋放率曲線用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、拋物線方程進(jìn)行擬合（表2）。對(duì)于各氯化鉀肥處理的鉀累積釋放率曲線的擬合，均以一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合相關(guān)系數(shù)（r）最高，為0.969～0.995，SE為0.08%～1.44%，說明一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)各氯化鉀肥的鉀累積釋放率曲線擬合效果最佳;進(jìn)一步分析一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)鉀釋放速率（k）可知，MTLK1、MTLK2、MTLK3、MTLK4處理的鉀釋放速率逐漸增加，且均小于LK的鉀釋放速率。各硫酸鉀肥處理中，對(duì)照SK的鉀累積釋放率曲線方程擬合結(jié)果顯示， 一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（r=0.918**，SE=13.30%）的擬合度最佳;而對(duì)于木本泥炭硫酸鉀肥處理MTSK1、MTSK2的鉀累積釋放率曲線，Elovich方程（r=0.992**，SE=1.30%; r=0.997**， SE=0.74%） 的擬合度更高;拋物線方程對(duì)木本泥炭硫酸鉀肥處理MTSK3、MTSK4的鉀累積釋放率曲線（r=0.995**，SE=0.86%;r=0.996**，SE=0.70%）的擬合度更高。

3 討論與結(jié)論

緩釋肥料一般都是通過包膜、包囊、涂層等物理方法延長(zhǎng)肥效，或利用孔隙豐富、吸附能力強(qiáng)的生物質(zhì)炭、凹凸棒石等材料，與化學(xué)養(yǎng)分混合，制成載體肥料達(dá)到緩釋效果。將碳基材料與肥料復(fù)合制備成炭基緩釋肥料，成為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的新發(fā)展方向[12]。然而，由于生物炭是通過對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行高溫?zé)峤庵苽涠?，在這一高溫?zé)峤膺^程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生一定量的多環(huán)芳烴、二英或呋喃，并且這些化合物會(huì)附著于生物炭的表面或孔隙中[13-14]。隨著生物炭的廣泛施用，其中有害物質(zhì)會(huì)隨之進(jìn)入環(huán)境，威脅環(huán)境健康[15]。

泥炭作為一種天然碳基材料，目前世界上泥炭開采量的70%都應(yīng)用于農(nóng)業(yè)[16-17]，許多開采泥炭的國(guó)家都以泥炭為原料，加工生產(chǎn)有機(jī)肥料[18]。目前，我國(guó)的泥炭資源主要是以能源礦產(chǎn)，或者直接開采的形式粉碎作為園藝營(yíng)養(yǎng)土或土壤有機(jī)肥料利用，并不能充分發(fā)揮其價(jià)值，亟待研發(fā)高技術(shù)含量的泥炭產(chǎn)品，如新型緩釋肥料等耗費(fèi)資源少、科技含量高的泥炭產(chǎn)品，以提高產(chǎn)品的附加價(jià)值[5]。

研究發(fā)現(xiàn)，將木本泥炭作為緩釋載體材料，在等當(dāng)量鉀的情況下，負(fù)載氯化鉀的木本泥炭氯化鉀肥比普通氯化鉀肥的鉀釋放時(shí)間更長(zhǎng)，在氧化鉀含量為12.88%時(shí)，經(jīng)過10次沙柱淋溶之后木本泥炭氯化鉀肥的氧化鉀釋放率比普通氯化鉀肥減少13.43%，具有一定的緩釋效果。氧化鉀含量為45.85%的木本泥炭硫酸鉀肥相比其他氧化鉀含量更高的木本泥炭硫酸鉀肥的緩釋效果更好，其經(jīng)過10次沙柱淋溶后鉀累積釋放率比普通硫酸鉀肥減少30.34%，緩釋效果明顯。對(duì)比硫酸鉀肥料和氯化鉀肥料的鉀釋放率，淋溶10次（h）后，木本泥炭氯化鉀肥MTLK1和MTLK2處理的鉀釋放率低于90%，而木本泥炭硫酸鉀肥的鉀釋放率均低于81%，木本泥炭硫酸鉀肥緩釋時(shí)間相比更長(zhǎng)。木本泥炭對(duì)于不同鉀源均有一定的吸附固持作用，相比氯化鉀，淋溶10次后，木本泥炭對(duì)硫酸鉀的吸附量更高。木本泥炭氯化鉀肥和木本泥炭硫酸鉀肥均對(duì)鉀的釋放有緩釋效果，木本泥炭硫酸鉀肥的緩釋效果更強(qiáng)。

木本泥炭的腐殖酸含量高，可以作為土壤改良劑，制成木本泥炭鉀肥后可提高鉀肥利用率，研究木本泥炭作為緩釋肥料載體的緩釋效果有重要意義，可為木本泥炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域更廣闊的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王德漢，彭俊杰，廖宗文. 木質(zhì)素改性產(chǎn)物對(duì)鉀肥的緩釋作用與作物吸鉀量的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2003，9（3）：308-311.

[2]劉愛平，馮啟明，王維清，等. 膨潤(rùn)土對(duì)鉀肥的吸附性能及緩釋效果研究[J]. 非金屬礦，2010，33（6）：49-54

[3]四川省農(nóng)業(yè)廳. 我國(guó)三大糧食作物肥料利用率處較低水平[J]. 四川農(nóng)業(yè)科技，2013（12）：47.

[4]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部. 到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案[J]. 青海農(nóng)技推廣，2015（2）：3-6.

[5]王利偉，孔凡晶，鄭綿平，等. 我國(guó)泥炭資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及建議[J]. 礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2019，39（2）：142-147.

[6]孟憲民. 我國(guó)泥炭資源的儲(chǔ)量、特征與保護(hù)利用對(duì)策[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2006，21（4）：567-574.

[7]饒嬌萍，賈沁賢，王登紅，等. 中國(guó)泥炭礦成礦規(guī)律與開發(fā)利用[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，94（1）：192-203.

[8]王振振，張 超，史春余，等. 腐殖酸緩釋鉀肥對(duì)土壤鉀素含量和甘薯吸收利用的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2012，18（1）：249-255

[9]潘 慧，傅 欣，趙世軍，等. 活化條件對(duì)木本泥炭中腐殖酸提取效果的影響[J]. 腐植酸，2016（1）：20-23.

[10]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料測(cè)定方法 第3部分：總鉀含量：GB/T 17767.3—2010[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[11]Morgan K T，Cushman K E，Sato S. Release mechanisms for slow-and controlled-release fertilizers and strategies for their use in vegetable production[J]. Horttechnology，2009，19（1）：10-12.

[12]廖依丹，賀秋華. 生物炭在農(nóng)業(yè)上的研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（34）：112-113，125.

[13]Hilber I，Blum F，Leifeld J，et al. Quantitative determination of PAHs in biochar：a prerequisite to ensure its quality and safe application[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2012，60（12）：3042-3050.

[14]Schimmelpfennig S，Glaser B. One step forward toward characterization：some important material properties to distinguish biochars[J]. Journal of Environmental Quality，2012，41（4）：1001-1013.

[15]李增波，王聰穎，蔣 新，等. 生物質(zhì)炭中多環(huán)芳烴的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2016，53（6）：1357-1370.

[16]王利偉，孔凡晶，鄭綿平，等. 我國(guó)泥炭資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及建議[J]. 礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2019，39（2）：148-153.

[17]曹石榴. 泥炭在農(nóng)業(yè)中的研究與應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代園藝，2018（3）：81-82，164.

[18]侯憲文，王曰鑫. 腐殖酸資源農(nóng)業(yè)利用的現(xiàn)狀與前景[C]//第四屆全國(guó)綠色環(huán)保肥料新技術(shù)、新產(chǎn)品交流會(huì)論文集，北京：2004：11-14.