生物-化學(xué)聯(lián)用對鉀長石的活化效果及其肥效

劉曉玉， 盛錫興， 廖宗文， 林黎珍， 黎坤婷， 蔡燕飛， 陳火君

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642）

我國是農(nóng)業(yè)大國，對鉀肥的需求很大[1]。我國可溶性鉀礦資源短缺而難溶性鉀礦資源較為豐富，如長石和云母等。近年雖然我國鉀肥產(chǎn)量逐年上升，但仍無法滿足對鉀肥的需求，50%的鉀肥鉀鹽均依賴國外進(jìn)口[2]。因此，如何充分開發(fā)和利用難溶性鉀礦成為解決我國水溶性鉀資源匱乏的重大課題。

目前，國內(nèi)外利用鉀長石制備鉀肥的方法主要有高溫分解法、低溫酸解法、低溫熔鹽法、微生物分解法。前3種方法通過高溫煅燒、化學(xué)助劑、強(qiáng)酸等物理化學(xué)方式，破壞鉀長石的晶體架狀結(jié)構(gòu)，促使鉀（K）、鈣（Ca）、硅（Si）、鋁（Al）等元素的釋放[3]。但這些工藝存在能耗大、經(jīng)濟(jì)成本較高、廢液廢渣污染大等問題。微生物分解法主要是利用解鉀菌對鉀長石進(jìn)行活化。解鉀菌，又稱為硅酸鹽細(xì)菌，通過產(chǎn)生有機(jī)酸、分泌胞外多糖等物質(zhì)去分解土壤中的礦物鉀，使之變?yōu)榭扇苄誀顟B(tài)[4-5]。在現(xiàn)有報道中，采用亞歷山大硅酸鹽培養(yǎng)基篩選的解鉀菌[6]，大部分溶解鉀長石的能力范圍為10.0 ～20.0 mg·L-1，少數(shù)超過 20.0 mg·L-1[7-11]。同時，解鉀菌存在解鉀周期長、效果不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化率低等短板，限制了解鉀微生物的有效應(yīng)用和推廣[12-14]。

為了提高微生物解鉀的效果，本研究提出采用解鉀微生物與化學(xué)活化劑相結(jié)合的方式，在常溫、常壓條件下，對鉀長石進(jìn)行生物-化學(xué)協(xié)同活化以促進(jìn)養(yǎng)分釋放。通過探索不同的聯(lián)用處理對鉀長石中鉀釋放的影響，并通過玉米盆栽驗(yàn)證其肥效，旨在為促進(jìn)鉀長石資源的綠色開發(fā)及高效利用提供科技依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 礦物和助劑 鉀長石（100 目，K2O 含量9.2%），活化劑QN（自制）。

1.1.2 供試菌株 解鉀菌YC602、YC605 和YC606 均由本實(shí)驗(yàn)室分離獲得。3 株解鉀菌在亞歷山大硅酸鹽液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)3 d，解鉀質(zhì)量濃度為 11.73～15.58 mg·L-1，與現(xiàn)有報道中菌株相比，解鉀能力屬于中上水平。

1.1.3 盆栽材料 供試土壤：采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園，pH 5.0。供試肥料：尿素，含氮（N）46.0%，購自陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司；氯化鉀（K2O 60.0%），購自廣州化學(xué)試劑廠；過磷酸鈣（P2O512.0%），購自廣州化學(xué)試劑廠。供試玉米種子：華美甜9號，購自華農(nóng)大種業(yè)公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 不同方法制備鉀長石及鉀含量測定 選取3 株解鉀能力較強(qiáng)且穩(wěn)定的解鉀菌YC602、YC605和YC606 與5%活化劑QN 聯(lián)用，共同活化鉀長石。通過測定活化樣品的水溶性鉀和有效鉀的含量可判定其對鉀釋放的效果。具體分組見表1，具體做法如下。

表1 鉀長石不同制備方法的設(shè)置Table 1 Design of different method for making k-feldspar

①化學(xué)活化鉀長石制備：鉀長石分別加入5%QN，再加入蒸餾水研磨，于100 ℃烘干制得化學(xué)活化鉀長石。

②生物活化鉀長石制備：將培養(yǎng)至OD600為0.4的菌液接種至含有0.50 g鉀長石的50 mL解鉀液體培養(yǎng)基中，在30 ℃、180 r·min-1的搖床中培養(yǎng)24 h。

③生物-化學(xué)聯(lián)用化學(xué)鉀長石制備：將解鉀菌接種至含有0.50 g 不同化學(xué)活化后的鉀長石的50 mL 解鉀液體培養(yǎng)基，在30 ℃、180 r·min-1的搖床中培養(yǎng)24 h。

④水溶性鉀測定：化學(xué)活化法采用3 次水浸提法測定活化鉀長石的水溶性鉀；生物法和生物-化學(xué)聯(lián)用法，與化學(xué)活化法相同，離心取上清液后，即為濾液I；再加入50 mL 蒸餾水浸提2 次，得濾液Ⅱ和濾液Ⅲ。

⑤有效鉀測定：化學(xué)活化法采用2 mol·L-1冷HNO3提取有效鉀[15]；生物法和生物-化學(xué)聯(lián)用法先將培養(yǎng)液于8 000 r·min-1離心 8 min，取上清液作為濾液I；再往沉淀中加入50 mL 2 mol·L-1的HNO3浸提2 次，取出上清液作為濾液Ⅱ。采用火焰光度法測定濾液I 和濾液Ⅱ中有效鉀的含量，2 次濾液中有效鉀的含量加和即為有效鉀總量。

1.2.2 不同活化條件優(yōu)化 從QN 含量、烘干溫度、水浸泡等角度研究生物-化學(xué)聯(lián)用效果的影響。水溶性鉀和有效鉀的測定分別采取水浸提法和HNO3浸提法，做法同1.2.1的④和⑤。

①化學(xué)活化鉀長石制備：鉀長石分別加入一定量活化劑QN，再加入蒸餾水研磨，分別于100或200 ℃烘干制得化學(xué)活化鉀長石，詳見表2。

表2 不同活化優(yōu)化條件設(shè)置Table 2 Design of difference activation condition

②生物活化鉀長石制備與生物-化學(xué)聯(lián)用化學(xué)鉀長石制備方法同1.2.1。

1.2.3 活化時間對鉀釋放的影響 探究在不同活化時長下，生物-化學(xué)聯(lián)用對鉀釋放的影響，于培養(yǎng)基中接種解鉀菌，在180 r·min-1、30 ℃的條件下分別培養(yǎng)6、12、24 h，測定并比較不同活化時長釋放的水溶性鉀和有效鉀含量。

1.2.4 X 射線衍射測定（XRD） 利用XRD 可以獲得活化后鉀長石的主峰峰型變化情況以及新礦物相生成情況，進(jìn)而分析活化鉀長石的結(jié)構(gòu)變化與其釋鉀結(jié)果之間的關(guān)系[16]。取粉末樣品約1.0 g進(jìn)行XRD 測定。試驗(yàn)條件：銅靶，X 射線波長0.154 18 nm，Ni 濾波片，管壓40 kV，管流40 mA，掃描步長 0.02°，掃描速度19.2 s·步-1；發(fā)散狹縫（divergence slit，DS） 0.5 mm；防 散 射 狹 縫（scatterproof slit，SS）8 mm，掃描角度5°～80°。

1.2.5 盆栽試驗(yàn) 玉米于2020年11月9日種，12月15日收樣，生長期共36 d。玉米盆栽試驗(yàn)共9個處理，每處理4 次重復(fù)，每盆3 株。每盆裝土2.5 kg，土壤高度為16 cm。各處理氮磷肥一致，N用量 150 mg·kg-1，每盆尿素用量為 0.81 g；P2O5用量 100 mg·kg-1，每 盆 過 磷 酸 鈣 用 量 為 2.09 g；MCK1 的 K2O 按 120 mg·kg-1施入，每盆氯化鉀用量為0.50 g。因?yàn)榭紤]到2 種鉀源水溶性差異太大，活化鉀長石的全鉀含量僅為9.2%，而KCl 有效鉀含量為60%，采用活化鉀長石取代一定比例KCl，但全鉀量仍低于被取代的KCl（低30%），其百分占比具體見表3。

表3 生物-化學(xué)活化鉀長石玉米盆栽試驗(yàn)施肥方案Table 3 Bio-chemical combination of fertilization program in corn pot experiment

1.2.6 淋溶試驗(yàn) 于玉米生長后11、15、24 d進(jìn)行淋溶試驗(yàn)，盆栽土壤高度為16 cm，澆水量遠(yuǎn)大于土壤田間持水量。分別澆150、150、350 mL 的水進(jìn)行淋溶，靜置1 h后收集濾液，記錄濾液體積，采用火焰分光光度計(jì)測定濾液中的鉀含量，最后計(jì)算被水淋洗淋溶的鉀量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS Statistics 24.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Duncan法進(jìn)行差異顯著性多重比較，P＜0.05時差異達(dá)到顯著水平。采用GraphPad Prism 7、Origin Lab Origin Pro、Jade 6.5、Microsoft Excel 2016和Microsoft PowerPoint 2016進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同解鉀菌的化學(xué)聯(lián)用對鉀釋放效果的影響

由圖1 可知，單獨(dú)化學(xué)處理（C1）水溶性鉀含量為 508 mg·kg-1，生物處理（B1～B3）為 748～894 mg·kg-1，生物-化學(xué)聯(lián)用處理組（U1～U3）為775～1 383 mg·kg-1。與 C1 相比，B1～B3 可有效提高鉀長石釋放水溶性鉀的能力，而U1 與B1～B3 相比，更能有效提高水溶性鉀的含量。與QN 聯(lián)用，YC602 的水溶性鉀含量提高了76.10%，而YC605和YC606 分別降低了11.09%和1.02%，說明不同的菌種與化學(xué)活化劑的聯(lián)用效果有較大區(qū)別。

圖1 不同解鉀菌對鉀長石水溶性鉀的釋放效果Fig.1 Release effects of different KSB on the water-soluble K of K-feldspar

有效鉀含量結(jié)果見圖2，C1處理有效鉀含量為622 mg·kg-1，B1～B3 處理為 1 023～1 348 mg·kg-1，U1～U3 處 理 為 1 080～1 690 mg·kg-1。 與 C1 和B1～B3 處理相比，U1 處理顯著促進(jìn)了有效鉀的釋放。與 QN 聯(lián)用，YC602、YC605 和 YC606 的有效鉀含量分別提高了25.37%、15.50%和5.57%。

圖2 不同活化方法鉀長石有效鉀的釋放效果Fig.2 Release effects of under different methods on the available K of K-feldspar

綜上，在活化劑QN 活化的基礎(chǔ)上，解鉀菌YC602可更高效地促進(jìn)鉀長石中水溶性鉀和有效鉀的釋放。因此，選取YC602 進(jìn)行生物-化學(xué)聯(lián)用的優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 YC602進(jìn)行生物-化學(xué)聯(lián)用的條件優(yōu)化結(jié)果分析

由圖3 可知，生物-化學(xué)聯(lián)用（T1～T3 處理）后的水溶性鉀累積量均達(dá)1 000 mg·kg-1以上，單獨(dú)化學(xué)處理（CK1～CK3）的水溶性鉀累積量僅為400～500 mg·kg-1，單獨(dú)生物處理（T4）水溶性鉀累積量為750 mg·kg-1。與純化學(xué)處理和純生物處理比較，生物-化學(xué)聯(lián)用后的水溶性鉀累積量顯著提高，分別提升了66.67%～150.0%、33.3%。從CK1 和 CK2 結(jié)果可知，隨著 QN 濃度增大，水溶性鉀含量提高；從CK2 和CK3 比較來看，采用水浸泡攪拌和提高烘干溫度的方式釋放鉀長石中的水溶性鉀，效果顯著提高。

圖3 不同處理下鉀長石水溶性鉀的活化Fig.3 Activation of water-soluble K of K-feldspar under different treatment

由圖4 可知，生物-化學(xué)聯(lián)用（T1～T3）后的有效鉀含量達(dá)1 700 mg·kg-1以上，單獨(dú)化學(xué)處理（CK1～CK3）的有效鉀含量為 500～600 mg·kg-1，單獨(dú)生物處理（T4）水溶性鉀累積量為1 300 mg·kg-1。與純化學(xué)處理和純生物處理比較，生物-化學(xué)聯(lián)用后明顯提高了有效鉀含量，分別提升了143.0%～183.0%、30.77%。隨著QN 用量增大、水浸泡攪拌和提高烘干溫度等方式，有效鉀含量并未明顯增加。

圖4 不同處理對鉀長石有效鉀的活化Fig.4 Activation of available K of K-feldspar under different treatment

與純化學(xué)處理和純生物處理比較，生物-化學(xué)聯(lián)用可有效提高活化鉀長石的水溶性鉀和有效鉀的含量，其中 T1 處理（5%QN + 100 ℃烘干+YC602）提高效果最佳，故XRD 和玉米盆栽試驗(yàn)選用該活化方式進(jìn)行。

2.3 活化時間對鉀釋放的影響

由圖5 可見，隨著活化時間的增加，水溶性鉀含量呈現(xiàn)先減后增的情況，在培養(yǎng)24 h 后達(dá)到最大值，為 1 398 mg·kg-1。由圖6 可知，有效鉀在培養(yǎng)時間為 6、12、24 h 時的含量分別為1 870、2 370、2 116 mg·kg-1，在培養(yǎng)12 h時達(dá)到最大值。

圖5 不同培養(yǎng)時間對水溶性鉀釋放的影響Fig.5 Effect of different incubation time on the release of water-soluble K

圖6 不同培養(yǎng)時間對有效鉀釋放的影響Fig.6 Effect of different incubation time on the release of available K

綜上，就水溶性鉀而言，活化時長24 h 最佳，6 h 次之；就有效鉀而言，活化時長以12 h 最佳，24 h 次之。在生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)對水溶性鉀和有效鉀比例的需求及能耗、人工的綜合考慮，也可選擇6 或12 h 的微生物活化時間，可以縮短活化時間，減少生產(chǎn)成本，同時也能獲得水溶性鉀和有效鉀比例合適的成品。

2.4 X射線衍射測定結(jié)果

圖7 為鉀長石原礦X 射線衍射（XRD）圖，其晶面坐標(biāo)（-2，0，1）、（0，4，0）、（-2，0，4）和（-5，-3，3）與標(biāo)準(zhǔn)譜圖（PDF#84-0710）相符合[17]。圖8為QN 和聯(lián)用處理后的鉀長石的XRD 圖?？梢郧逦乜闯鼋?jīng)過QN 處理后，鉀長石相的主衍射峰發(fā)生顯著變化，強(qiáng)度明顯減弱。而QN 與解鉀菌YC602 聯(lián)用后，鉀長石主衍射峰峰值也呈降低趨勢，但降低幅度較小。表明QN 活化和聯(lián)用技術(shù)能夠明顯降低原始鉀長石的晶體完整性，增加無定形態(tài)，并且破壞礦物的三維框架結(jié)構(gòu)。

圖7 原始鉀長石的X射線衍射圖Fig.7 X-ray diffraction pattern of the original K-feldspar

同時XRD 圖譜中特異性衍射峰的出現(xiàn)或消失一般都意味著礦物的相變[18-19]。圖8 中并未出現(xiàn)新的衍射峰，因此經(jīng)過處理后，并未生成新的礦物相。結(jié)合先前測定水溶性鉀和有效鉀的結(jié)果可推測，在QN 和生物-化學(xué)聯(lián)用的條件下，鉀長石的結(jié)構(gòu)被破壞，其中的鉀離子被釋放出來，從難溶性轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄浴?/p>

圖8 活化劑和聯(lián)用處理的鉀長石X射線衍射圖Fig.8 X-ray diffraction pattern of K-feldspar treated with activator and bio-chemical combination

2.5 不同活化鉀長石對玉米生長的影響

由表4 可知，玉米的株高、地上部鮮重和干重其他處理組與MCK0 相比均有所提高。其中，T2A 的效果與 MCK2 基本持平，甚至比 MCK2 好。與CK1 相比，T1A 促生效果不明顯。KCl 減半施加并采用生物-化學(xué)聯(lián)用的處理組（T2A）可有效促進(jìn)玉米生長。莖粗、鮮重、干重方面，T2A 分別提高了6.96%、16.58% 和 13.11%。全鉀方面，MCK2 的莖葉全鉀量最高，為113.18 mg。處理組中 T2A 全鉀量最 高，為 95.31 mg。與 MCK1 和MCK0 相比，T2A 顯著提高了玉米莖葉中的全鉀量。而莖葉全鈣和全鎂，各處理組差異不顯著。

表4 玉米農(nóng)藝性狀即莖葉礦物元素含量Table 4 Agricultural characteristics of corn and content of mineral element in its stem and leaf

綜上所述，生物-化學(xué)聯(lián)用活化鉀長石可減少50% KCl 的施用量，同時有效提高土壤中鉀長石的活化效果，進(jìn)而促進(jìn)玉米植株生長。

2.6 不同活化鉀長石淋溶性分析

由圖 9 可知，在第 1 次、第 2 次和第 3 次淋溶中，MCK2 被淋溶的水溶性鉀總累積量最高，達(dá)到2 836.9 μg。這與KCl 易被雨水沖刷造成環(huán)境污染這一現(xiàn)狀相符合[20]。與MCK2 相比，生物-化學(xué)聯(lián)用處理組被淋溶洗出的水溶性鉀都較少。結(jié)合玉米盆栽試驗(yàn)結(jié)果，生物-化學(xué)聯(lián)用+KCl 減半施用處理組（T2A），在促進(jìn)玉米植株生長、提高植株對鉀素吸收等方面與MCK2 基本持平，同時具有不易被雨水淋溶損失、肥效長的優(yōu)勢，可有效減少化學(xué)肥料對環(huán)境造成的污染，是一種綠色環(huán)保的施肥方式。該方式為今后在生產(chǎn)實(shí)踐中的推廣運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)，對綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展也具有重要意義。

圖9 不同處理下淋溶3次的水溶性鉀含量Fig.9 Content of water-soluble K leached three times under different treatment

3 討論

3.1 生物-化學(xué)聯(lián)用是鉀長石活化技術(shù)的新途徑

目前鉀長石的化學(xué)活化和微生物活化都有一定效果，但在活化率、活化能耗、時間、成本等方面仍然存在一些不足。目前報道的解鉀菌活化鉀長石需3～7 d，甚至更長時間[21-23]。繼續(xù)從化學(xué)活化或微生物活化等單方面研究雖有進(jìn)展，但發(fā)展空間有限。本文從生物-化學(xué)聯(lián)用進(jìn)行探索，突破了單一技術(shù)研究的模式。試驗(yàn)結(jié)果顯示，這一途徑的活化效果優(yōu)于化學(xué)活化、生物活化等單一技術(shù)模式，在24 h 甚至更短時間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高效提鉀。此外，化學(xué)活化鉀長石常需要高溫煅燒、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等方式來實(shí)現(xiàn)高效提鉀，本文提出的生物-化學(xué)聯(lián)用技術(shù)可在常溫常壓下促進(jìn)鉀長石中水溶性鉀和有效鉀的釋放，降低了提鉀工藝的能耗，進(jìn)而降低成本，是一種有前途的鉀長石資源化的新技術(shù)途徑。同時優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果也表明，可通過適當(dāng)提高烘干溫度、增加QN 的含量、水浸泡攪拌等方式來提高生物-化學(xué)聯(lián)用的效果。今后，在優(yōu)化活化方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究，還有更大的提升空間。

3.2 生物-化學(xué)聯(lián)用技術(shù)制備鉀長石的鉀有效性分析

研究顯示，生物-化學(xué)聯(lián)用技術(shù)處理鉀長石鉀有效性顯著提高，活化鉀長石既有速效水溶性鉀，又有長效緩效鉀，對作物施用具有緩急相濟(jì)的特點(diǎn)。一方面，化肥KCl全為速效鉀，且具有易受雨水淋洗而損失的缺點(diǎn)；另一方面，鉀肥淋出率與土壤pH 呈負(fù)相關(guān)，與我國南方酸性土壤持鉀能力弱、北方中堿性土壤持鉀能力強(qiáng)這一現(xiàn)狀吻合[24-25]。在南方酸性土壤和高溫多雨環(huán)境下，聯(lián)用技術(shù)不易被淋洗沖刷的優(yōu)勢尤其明顯。此外，使用聯(lián)用技術(shù)活化鉀長石，其肥料利用率較高。在總鉀量較低的情況下，其肥效能夠與KCl 基本持平（表4）。聯(lián)用技術(shù)不僅降低KCl的使用量，減少其對環(huán)境的污染，而且促進(jìn)了玉米作物的生長，這對于實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3.3 生物-化學(xué)聯(lián)用效果的機(jī)理分析

聯(lián)用技術(shù)處理活化鉀長石的鉀釋放和肥效的優(yōu)勢，與其晶格無定型化有關(guān)。經(jīng)過微生物和活化劑處理的鉀長石，其主衍射峰峰值急劇減小，礦物晶體向無定型轉(zhuǎn)化?；瘜W(xué)活化劑研磨使鉀長石晶格受到破壞，暴露出邊角破鍵。礦粉表面積增大，從而增大了微生物與礦物的接觸面積，更有利于微生物的分泌物作用于礦物表面而促進(jìn)礦物鉀的活化?？梢娺@是研磨的物理作用、活化劑的化學(xué)作用和微生物的生物作用相結(jié)合的效果，優(yōu)于單一技術(shù)處理的作用效果。

本試驗(yàn)結(jié)果已顯示，聯(lián)用活化技術(shù)是很有發(fā)展前景的新技術(shù)。目前的結(jié)果僅是初步的，因此，今后將從以下幾方面深入研究以進(jìn)一步提高提鉀水平。①篩選更優(yōu)的菌種或組合菌種。本文所選用的解鉀菌與目前報道的菌種相比，其解鉀能力并不是最強(qiáng)的，但與活化劑聯(lián)用后，其釋放鉀的能力大幅度提高。今后可繼續(xù)從土壤篩選分離出更高效的解鉀微生物，與多種活化劑聯(lián)用共同活化鉀長石，進(jìn)一步提高釋鉀效果。②研究活化鉀的水溶性鉀/有效鉀比例的優(yōu)化。水溶性鉀/有效鉀比例對供鉀強(qiáng)度和持續(xù)性有重要影響。若比例太高，則前期淋溶過度而后期供鉀不足；比例太低，則容易造成前期供鉀不足。其比例的優(yōu)化應(yīng)與土壤質(zhì)地、砂黏性和兩季相結(jié)合研究做出評價。其優(yōu)化比例受聯(lián)用技術(shù)手段影響。今后還應(yīng)進(jìn)一步深入研究活化劑種類、研磨時間、搖床培養(yǎng)時間等技術(shù)手段對該比例的影響，以優(yōu)化水溶性鉀/有效鉀比例，提高肥效。