几种活化钾长石的释钾特点及肥效研究<sup>*</sup> - 201706

几种活化钾长石的释钾特点及肥效研究^*

Study of Characteristics of Potassium Release and Fertilizer Efficiency of Several Activated Potassium Feldspars

王俊 Jun WANG , 刘辉 Hui LIU , 雷锋文 TIngwen LEI , 毛小云 Xiaoyun MAO , 李华顺 Huashun LI , 廖宗文 Zongwen LIAO

华南农业大学资源与环境学院广东广州 510642 College of Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

Author notes:

Correspondence to: 廖宗文，男，华南农业大学资源与环境学院教授；zwliao@sohu.com

摘要：

通过筛选不同的活化剂并优化活化条件，研究了活化钾长石中钾释放效果并通过玉米盆栽试验研究活化钾长石的生物有效性。试验结果表明：6种不同活化剂对钾长石均有一定的活化作用，其中QN活化效果最好；不同活化剂用量、烘干温度及钾长石粒径对钾的释放也有明显的影响，增加活化剂用量、提高烘干温度、减小钾长石粒径有利于钾的释放，其中烘干温度对钾释放效果影响最大。盆栽试验结果表明，各活化钾长石部分取代氯化钾处理的生物量均有所增加。施用活化钾长石处理能够提高四苯硼钠法提钾量，增强土壤供钾能力，且能够提高土壤pH，防止土壤酸化。活化技术为难溶性钾矿的开发利用开拓了一条新的途径。

关键词：

钾长石; 活化剂; 钾释放; 玉米;

Abstract：

Through screening different activators and optimizing activation conditions, a study is carried out of potassium release effect of activated potassium feldspars, and by pot experiment on maize, the bio-availability of activated potassium feldspars is researched. Experimental results show that all 6 different activators have certain activation effect on potassium feldspars, among which the QN has the best activation effect; different activator amount, drying temperature and particle size of potassium feldspar have significant effect on the release of potassium, increasing activator amount, raising drying temperature and reducing particle size of potassium feldspar benefit the release of potassium, among which the drying temperature has the greatest effect on the release of potassium. The pot experiment results show that the biomass of each of activated potassium feldspars partly replaced potassium chloride is increased. Applying activated potassium feldspar treatment can increase extractable potassium of sodium tetraphenylboron method and has a positive effect on the availability of soil potassium. It can also increase soil pH, preventing soil acidification. The activation technology provides a new approach for develop and use of insoluble potassium mineral.

Keyword：

potassium feldspar; activator; release of potassium; maize;

近年来，我国缺钾土壤的面积由南向北扩大，尤其是长江以南地区，土壤缺钾问题更为普遍，缺钾已不同程度地限制了我国农业生产的发展^[1]。我国是一个农业大国，对钾肥的需求量很大，但国内的水溶性钾盐资源很少，钾肥主要依赖进口，对外依存度高达50%^[1]，威胁我国粮食安全，如何拓宽钾肥供应渠道成为一项紧迫的任务。我国非水溶性含钾岩石储量丰富，其中钾长石矿总量达百亿吨，研发节能、高效和经济可行的钾长石制肥产业化技术，对破解钾资源受制于人的困局、保障粮食安全具有重大的战略意义。

在常温、常压下对钾长石活化的研究主要有3种^[1-2]，即微生物活化^[3-4]、植物直接活化^[5]和有机酸活化^[6]，但活化效果均不是很理想，增幅不超过5倍。在煅烧条件下，从富钾岩石中提取钾已取得不少成果^[7-18]，但这些工艺或多或少存在一些不足，如：提钾后的残渣不能被利用，存在污染的风险^{[9-10, 18]}；采用高温、高压分解钾长石，分解时间较长，能耗高，碳排放量大^{[11, 17]}；提钾过程中加入硫酸会产生SO₃，HF等强腐蚀性气体，不利于安全生产，而且设备腐蚀严重^[8]；分解过程配料与钾长石配比过高，物耗高^[13]。为此，探索温和条件下的钾长石促释活化技术十分必要。

促释是基于活化态有效性而提出的新技术，其特点是通过对难溶矿物活化而促进其养分释放，使之与作物吸收实现动态供需平衡。在应用促释技术处理磷矿和镁矿成功的基础上^[19-21]，研究了不同的理化处理手段对钾长石的促释效果，并通过玉米盆栽试验验证其肥效，为开拓利用我国丰富的钾长石及其他非水溶性钾矿制肥的新途径提供科学依据。

1 不同的活化剂对钾释放的影响

1.1 供试材料

钾长石，380 μm(40目)，全钾(K₂O)质量分数9.7%，产自安徽；6种活化剂分别为JMY，YY，KQ，NMS，WZ和QN，除QN外均为有机物，均由华南农业大学新肥料资源研究中心研制。

1.2 活化钾长石的制备

在钾长石中分别加入6种活化剂，加入量为5%(质量分数)，然后加入蒸馏水混合研磨，于100 ℃下烘干，待用。

1.3 活化钾长石水溶性钾的动态测定

称取0.500 0 g样品于100 mL的离心管中，加入蒸馏水50 mL浸提，摇匀，在振荡机上振荡15 min(振荡速率180次/min)，然后用离心机离心10 min(转速5 000 r/min)，过滤，小心取出上清液，即得滤液Ⅰ。剩下样品留在离心管中，再次加入蒸馏水50 mL浸提，摇匀，在振荡机上振荡15 min，然后用离心机离心10 min，过滤，小心取出上清液，即得滤液Ⅱ。采用同样的方法处理得滤液Ⅲ。采用火焰光度法测定滤液中钾的含量。

1.4 结果与分析

由图 1可知，除活化剂NMS外，其他各处理的水溶性钾含量均较未活化钾长石(CK)有所提高，其中JMY处理较CK提高1.15倍，YY处理提高68.8%，KQ处理提高21.9%，WZ处理提高1.23倍，QN处理提高4.19倍。QN处理的提高幅度最大，效果最明显，因此对活化剂QN的活化条件进行进一步优化。

图 1

6种活化钾长石水溶性钾的动态释放

2 活化剂用量、烘干温度及钾长石粒径对钾释放的影响

2.1 活化钾长石的制备

在不同粒径的钾长石中分别加入一定量活化剂QN，然后加入蒸馏水混合研磨，再分别于60 ℃和100 ℃下烘干制得活化钾长石(表 1)。

表 1

活化钾长石制备条件

处理	制备条件
处理	加入QN质量分数/%	钾长石粒径/μm	烘干温度/℃
K1	0	380(40目)
K2	0	150(100目)
HK1	5	150(100目)	60
HK2	5	380(40目)	100
HK3	10	380(40目)	60
HK4	10	380(40目)	100

2.2 活化钾长石水溶性钾的动态测定

方法同1.3。

2.3 活化钾长石各种形态钾的测定

速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提法，缓效钾采用1 mol/L硝酸煮沸法，过滤后采用火焰光度法测定液体中钾含量。

2.4 试验结果分析

2.4.1 对水溶性钾动态释放的影响

如图 2所示：活化的钾长石水溶性钾含量都较K1处理有所提高，其中效果最明显的是HK4处理，其水溶性钾的3次浸提总量达到1 908 mg/kg，接近K1处理的100.0倍；其次是HK2处理，是K1处理的63.7倍；再次是HK1处理，是K1处理的49.7倍；HK3处理是K1处理的17.4倍。与K1处理相比，K2处理的水溶性钾含量更高，说明150 μm(100目)矿粉的水溶性钾含量高于380 μm(40目)。HK1处理与K2处理相比，在钾长石粒径同样为150 μm(100目)的条件下，加入QN质量分数5%活化并在60 ℃下烘干，其水溶性钾浸提量是K2处理的6.1倍。HK2处理与HK4处理相比可发现，增加QN用量可提高活化钾长石3次水溶性钾的浸提量，在100 ℃烘干条件下，使380 μm(40目)钾长石的水溶性钾浸提量提高54%。HK3处理与HK4处理相比，两者QN用量都是质量分数10%，但HK4处理的烘干温度高于HK3处理，活化效果HK4处理更好，说明提高烘干温度可以提高活化效果；3次浸提试验结果表明，第1次水溶性钾浸提量显著高于后2次的浸提量。

图 2

不同处理对活化钾长石水溶性钾动态释放的影响

2.4.2 对不同形态钾的影响

由图 3可知，不同处理的活化钾长石水溶性钾、速效钾和缓效钾含量基本上都较K1处理和K2处理有所提高。HK1处理与K2处理相比，加入QN质量分数5%活化并在60 ℃下烘干，能大幅提高150 μm(100目)钾长石的水溶性钾含量，增幅达7.6倍，速效钾含量提高3.2倍，缓效钾含量提高46%。HK2处理与HK4处理相比，提高QN用量可以提高水溶性钾、速效钾和缓效钾含量，在100 ℃烘干条件下可使380 μm(40目)钾长石的水溶性钾含量提高57.7%、速效钾含量提高35.0%、缓效钾含量提高51.0%。HK3处理与HK4处理相比，两者QN用量都是质量分数10%，但HK4处理的烘干温度高于HK3处理，HK4处理较HK3处理水溶性钾含量提高4.9倍、速效钾含量提高3.3倍、缓效钾含量提高3.4倍，这说明提高烘干温度能大幅提高活化效果。

图 3

不同处理对活化钾长石不同形态钾的影响

3 玉米盆栽试验

3.1 供试材料

供试土壤：采自华南农业大学校园红壤发育的旱地，钾水平中等，需施钾肥。土壤基本理化性状：有机质11.44 g/kg，全氮0.89 g/kg，碱解氮78.6 mg/kg，有效钾(K₂O)97.49 mg/kg，缓效钾(K₂O)370.86 mg/kg，有效磷(P₂O₅)154.05 mg/kg，pH(水土质量比5 :1)5.84。

供试肥料：尿素，w(N)为46.0%；氯化钾，w(K₂O)为60%；过磷酸钙，w(P₂O₅)为12%；活化钾长石，如表 1所示。

供试作物：华农大2008甜玉米。

3.2 试验方法

玉米盆栽试验共设5个处理，每个处理3次重复。每盆装土4 kg，各处理氮肥(N)用量为1 kg土施150 mg，即每盆尿素用量为1.30 g；各处理磷肥(P₂O₅)用量为1 kg土施100 mg，即每盆过磷酸钙用量为3.33 g；CK1处理钾肥(K₂O)用量为1 kg土施120 mg，即氯化钾用量为0.80 g/盆。考虑到2种钾源的水溶性差异太大，活化钾长石的全钾(K₂O)质量分数仅为9.7%，而KCl有效钾(K₂O)质量分数为60%，因此使用活化钾长石取代1/3的氯化钾用量，CK2，T1，T2以及T3处理以取代系数4 :1取代，即活化钾长石施用量(1.07 g/盆)为KCl施用量的4倍，但其全钾量仍低于被取代的KCl。活化钾长石玉米盆栽试验施钾肥方案具体如表 2所示。

表 2

活化钾长石玉米盆栽试验施钾肥方案

处理	施钾肥方案
CK1	0.80 g KCl
CK2	0.53 g KCl+1.07 g钾长石(380 μm)
T1	0.53 g KCl+1.07 g活化钾长石(5%QN，150 μm，60 ℃)
T2	0.53 g KCl+1.07 g活化钾长石(5%QN，380 μm，100 ℃)
T3	0.53 g KCl+1.07 g活化钾长石(10%QN，380 μm，60 ℃)

玉米于10月2日播种(每盆3株)，次年1月11日收获，生长期为73 d。收获时测定植株株高、茎粗；收割地上植株部分，测定鲜重、干重并分析植株钾含量。收获后取土样，分析土壤速效钾和缓效钾含量及pH(水土质量比5 :1)。

植物全钾含量采用H₂SO₄-H₂O₂消煮后用火焰光度法测定；土样速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提法测定，缓效钾采用1 mol/L硝酸煮沸法、四苯硼钠法测定^[22]。

通过偏生产力比较各种钾肥的肥效，钾肥偏生产力＝干重/钾施用量(以K₂O计)。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 不同处理对玉米生物量、茎粗、株高和干重的影响

不同处理对玉米生物量(鲜重)的影响如图 4所示，不同处理对玉米茎粗、株高和干重的影响如表 3所示。

图 4

不同处理对玉米生物量(鲜重)的影响

表 3

不同处理对玉米茎粗、株高和干重的影响

处理	茎粗/cm	株高/cm	干重/(g·盆^-1)
CK1	0.88±0.06 a	74.28±4.97 ab	9.98±1.39 b
CK2	0.94±0.07 a	82.40±3.92 a	10.97±1.13 ab
T1	0.99±0.03 a	83.18±1.80 a	11.13±1.33 ab
T2	0.98±0.05 a	82.92±3.83 a	11.33±1.45 ab
T3	1.02±0.07 a	85.12±6.02 a	14.21±0.61 a

如图 4所示，各活化处理(T1~T3)的玉米生物量都较CK1处理大，分别提高35.0%，19.5%和52.7%，其中T3处理与CK1处理相比达显著差异水平。T1处理的玉米鲜重较CK2处理略有提高，T2处理与CK2处理基本持平，T3处理较CK2处理提高26.2%，表明活化钾长石部分取代氯化钾能够促进玉米生长。由水溶性浸提结果和不同形态钾测定结果来看，QN用量均为质量分数5%的T1处理与T2处理的活化效果相差不大，因此对盆栽生物量影响差异不显著。T3处理的活化钾长石的活化效果虽然不及T1处理和T2处理，但生物量却有较大提高，其原因：①能够显著提高土壤pH；②能显著提高四苯硼钠法提取钾量，此形态的钾不容易随水淋失，植物利用率高^[22]，因此增产效果明显。

3.3.2 不同处理对盆栽土壤3种形态钾含量的影响

如图 5所示，盆栽土壤速效钾、缓效钾及四苯硼钠法测定的钾含量中，与生物量相关性好的为四苯硼钠法测定的钾。

图 5

不同处理玉米盆栽土壤中3种形态钾含量

土壤速效钾含量是反映土壤直接供钾能力的常用指标。由图 5可知，各处理中CK1的土壤速效钾含量最高，原因为CK1施用氯化钾，而其他处理都用钾长石部分取代氯化钾，因此速效钾含量有所降低。T2处理玉米干重大于CK2处理，其土壤速效钾含量仍高于CK2处理，表明活化处理能提高钾的释放和促进玉米生长。T3处理的土壤速效钾含量最低，仅为CK1处理的40%，但T3处理的玉米干重却比CK1处理高42%以上，表明玉米对钾的吸收是造成土壤速效钾含量降低的主要原因。虽然CK1处理的土壤速效钾含量最高，但其生物量反而低于其他处理。相关研究也表明，作物种植前后土壤速效钾含量的变化难以很好地表征植物对钾素的吸收和利用^[22-23]。

土壤缓效钾含量是土壤速效钾的储备，当土壤中的速效钾由于作物吸收而减少时，缓效钾就会释放以补充速效钾的缺失。由图 5可知，T2和T1处理的全钾施用量少于CK1处理，且生物量也较CK1提高，但缓效钾含量仍高于CK1处理和CK2处理，表明活化钾长石能通过提高土壤缓效钾含量以减少钾的流失，增强土壤的持续供钾能力。

通过图 5可知，T3处理的土壤中四苯硼钠法测定的钾含量最高，且其玉米的生物量也最高，表明四苯硼钠法测定的钾确实与生物有效性有更好的相关性，因而可更好地评价土壤中钾的生物有效性。能被四苯硼钠法通过扩散和离子交换作用完全提取出来的钾是非交换态钾中的活跃部分，与一般的非交换态钾不同，易于转化为交换态和水溶态钾，在速效钾被作物吸收后即可迅速转化为速效钾，且能够防止径流和淋溶损失^[22-23]，因此四苯硼钠法优于其他钾的提取方法(乙酸铵浸提法和硝酸煮沸法)。

3.3.3 对土壤pH的影响

有研究表明^[24]，从1980年至2000年，我国土壤pH出现明显下降。测定玉米盆栽土壤pH的结果显示，活化钾长石具有缓解土壤酸化的功效。如图 6所示，各处理的玉米盆栽土壤pH呈现步步高的3个阶梯。第1个阶梯，CK1处理施用的KCl是生理酸性肥料，会导致土壤酸化，因此pH最小。第2个阶梯(CK2，T1和T2处理)，CK2处理施用钾长石，其玉米盆栽土壤的pH明显高于第1个阶梯，表明施用未活化的钾长石部分取代氯化钾可以减缓土壤的酸化；T1和T2处理的玉米盆栽土壤的pH略高于CK2处理，表明用QN活化的钾长石更加有利于减缓土壤酸化。第3个阶梯，T3处理为施用QN添加质量分数10%活化的钾长石，玉米盆栽土壤pH随QN添加量的增加而较T1和T2处理进一步提高。

图 6

不同处理对玉米盆栽土壤pH的影响

3.3.4 对盆栽玉米第2片叶子含钾量的影响

由图 7可知，单施氯化钾的CK1处理中第2片叶子含钾量最高，其原因：①由于氯化钾是完全水溶性的，作物容易吸收，可能存在奢侈吸收的现象；②活化钾长石处理的生物量均大于CK1处理，生物量的稀释作用导致各活化钾长石处理的叶片含钾量降低。T1处理的生物量和叶片钾含量均大于CK2处理，表明活化钾长石(150 μm)更有利于玉米对钾素的吸收和利用。T2和T3处理同样是施用380 μm(40目)活化钾长石，生物量较CK1处理均有所提高，特别是T3处理，其生物量较CK2处理增加29.5%，但植株含钾量仅降低6%，表明活化钾长石处理的钾养分有更高的增产效果。

图 7

不同处理对玉米第2片叶子含钾量的影响

3.3.5 不同处理的钾肥偏生产力

由表 4可知，不同活化钾长石处理的钾肥偏生产力均较CK1处理提高，且随着活化剂QN用量的增加，活化钾长石偏生产力指数呈现增加趋势，其中T3处理较CK1处理提高60%。

表 4

不同处理的钾肥偏生产力

处理	偏生产力
CK1	20.80
CK2	25.68
T1	26.07
T2	26.53
T3	33.29

4 结语

通过活化剂及活化条件的筛选，并采用盆栽试验比较，可得出以下结论：

(1) 活化剂对钾长石有明显的活化作用，可大幅提高钾长石中钾的释放量。

(2) 活化剂的活化效果与活化剂用量、烘干温度和钾长石粒径有关，是三者综合作用的结果。

(3) 活化钾长石有明显的肥效，在全钾量较低时，与KCl处理相比，可增加玉米生物量。

(4) 活化钾长石处理能提高土壤pH，防止土壤酸化。

(5) 四苯硼钠法提取钾量与盆栽生物量相关性最好，优于乙酸铵浸提法和硝酸煮沸法。

(6) 活化技术为难溶性钾矿的开发利用开拓了一条新的途径，发展前景良好。

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