湖南不同母質植煙土壤供鉀能力及鉀釋放特性

嚴紅星，羅建新，歐陽志標，田 飛

（湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，植物營養(yǎng)湖南省普通高等學校重點實驗室，長沙 410128）

湖南不同母質植煙土壤供鉀能力及鉀釋放特性

嚴紅星，羅建新*，歐陽志標，田 飛

（湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，植物營養(yǎng)湖南省普通高等學校重點實驗室，長沙 410128）

為探明湖南不同母質植煙土壤供鉀能力及鉀釋放特性，對4種主要成土母質植煙土壤進行了調查研究。結果表明，4種母質植煙土壤主要釋放易解吸的特殊吸附鉀，非交換性鉀的釋放量相對較小；土壤水溶性鉀、特殊吸附鉀含量與初始釋鉀速率和半釋鉀速率均達顯著正相關。第四紀紅土母質土壤雖然鉀容量和供鉀潛力有限，但卻有較高的初始釋鉀速率及有效鉀水平；石灰?guī)r母質土壤擁有較高的特殊吸附鉀含量，能為土壤提供較穩(wěn)定的有效鉀，土壤供鉀能力較強；而紫色頁巖與板頁巖母質土壤雖然鉀庫容量大，供鉀潛力也大，但有效鉀含量相對較低，土壤供鉀強度有限。不同母質土壤的供鉀強弱為：石灰?guī)r＞第四紀紅土＞板頁巖＞紫色頁巖。

湖南；成土母質；植煙土壤；供鉀能力；鉀釋放

鉀是煙草吸收最多的元素之一[1]。鉀能促進煙草的代謝與生長，影響煙草品質[2-3]。鉀在土壤中以多種形態(tài)存在，土壤供鉀能力與成土母質和鉀的存在形態(tài)關系密切，成土母質是鉀的主要來源[4]。孟霖等[5]研究表明，成土母質影響土壤的本質特性，在影響土壤供鉀能力上比其他因素重要；王允白等[6]、李軍等[7]和LUEBS等[8]研究表明，成土母質是影響土壤供鉀能力的重要原因，不同成土母質土壤的供鉀能力及速效鉀的水平差異較大，石灰?guī)r母質和頁巖母質土壤供鉀能力大于花崗巖母質和砂巖母質土壤。黃紹文等[9]把土壤鉀的形態(tài)分為水溶性鉀、非特殊吸附鉀、特殊吸附鉀、非交換性鉀與礦物鉀，并表明，有效性最高的為水溶性鉀和非特殊吸附鉀，其次為特殊吸附鉀，非交換性鉀與礦物鉀只有在土壤鉀素水平較低時才會緩慢釋放出來。土壤不同形態(tài)鉀之間可以相互轉化，始終處于動態(tài)平衡[10-12]，土壤對鉀的吸附、解吸和轉化的速率成為評價土壤供鉀能力的重要因素之一[13]。土壤鉀的動態(tài)轉化過程及其動力學特征受到眾多土壤科技工作者的關注[14-16]。國內外對土壤鉀轉化速率的研究主要是應用動力學理論[17]，采用不同的提取方法[18]，結合零級、一級、二級以及Elovich等動力學模型，通過理論計算獲得土壤鉀素的吸附、解吸速率。但由于土壤性質十分復雜，土壤鉀形態(tài)、含量、有效性與各種土壤條件有關[19]，對土壤鉀素轉化特性的差異研究表明[20-24]，土壤鉀素的轉化過程受多種因素影響。章明清等[25]研究表明，成土母質對土壤鉀素的轉化特性及動力學特征具有較大影響。本研究采用連續(xù)浸提法，利用二級動力學模型研究湖南不同母質植煙土壤的供鉀能力與鉀素釋放特征，以期為煙區(qū)不同母質植煙土壤合理施用鉀肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1供試土壤

2013年12月至2014年1月，在湖南主產煙區(qū)的瀏陽、寧鄉(xiāng)、衡南、常寧、寧遠、嘉禾、桂陽、慈利、桑植、龍山等10個縣（市）采用“S”型多點取樣法，采集4種主要成土母質的14個具有代表性的植煙土壤樣本（表1），每個樣本約1 kg；土樣經風干、磨細、過篩后充分混勻、裝袋備用，供土壤相關指標分析。

1.2測定方法

土壤水溶性鉀用去離子水按土液比1：10提取，非特殊吸附鉀=0.5 mol/L醋酸鎂浸提鉀-水溶性鉀，特殊吸附鉀=1 mol/L中性醋酸銨浸提鉀-0.5 mol/L醋酸鎂浸提鉀，非交換性鉀=1 mol/L熱硝酸提取鉀-1 mol/L中性醋酸銨提取鉀，礦物鉀=全鉀-1 mol/L熱硝酸提取鉀，土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融法提取，各提取液中的鉀均用火焰光度法測定[9]。

表1土壤樣品信息Table 1 Information of soil samples

土壤鉀素釋放動態(tài)：采用2 mol/L冷硝酸恒溫連續(xù)浸提法，稱2 g土樣于已知重量的50 mL離心管中，加入2 mol/L HNO3溶液20 mL，在20 ℃恒溫條件下振蕩提取0、10、20、30、60、90、120、180、240、300、420、540、660、840、1020、1200、1440 min后取出離心管離心分離上清液，再加入2 mol/L HNO3溶液20 mL，繼續(xù)振蕩提取，如此反復，直至最后提取液中鉀含量很少且恒定為止。土壤連續(xù)提取均設2次重復，各提取時間的累積釋鉀量以2次重復的平均值表示；提取液用原子吸收分光光度計法測定其鉀含量[18]。

釋鉀二級動力學模型及其參數計算[21]。

模型表達式為：

式中Kt為t時間的土壤累積釋鉀量（mg/kg），t為解吸時間（min），K0為土壤最大釋鉀量（mg/kg），k為速率常數。對（1）式進行積分，并代入初始條件t=0時，Kt=0得：

引入解吸半時間（t1/2），即土壤累積釋鉀量達到最大釋鉀量一半（Kt=K0/2）所需的時間，由（2）

式得t1/2=1/k×K0，代入（2）式得：

將（3）式進一步對t求導數即可得土壤鉀素釋放速率方程：

方程（4）經線性變換后得：

從線性方程（5）的斜率和截距可求得速率方程中的常數K0和t1/2。

土壤鉀素累積釋放量標準差根據下式計算：

式中S為鉀素累積釋放量標準差，Kt和Kt′分別為t時間的土壤非交換性鉀累積釋放量實測值和模型計算值（mg/kg），n為測定次數。

1.3數據處理

采用Microsoft Excel 2003進行原始數據處理，用DPS v7.05對數據進行統(tǒng)計分析和模型擬合。

2 結 果

2.1不同母質土壤鉀素形態(tài)特征

4種不同母質植煙土壤各形態(tài)鉀的含量及比例見表2。結果表明，不管何種母質土壤，礦物鉀的比例最高，占全鉀的95.63%～97.49%；非交換性鉀占全鉀的1.18%～2.51%，特殊吸附鉀與水溶性鉀僅占全鉀的0.60%～1.49%和0.22%～0.69%，非特殊吸附鉀含量最低，僅占全鉀的0.20%～0.51%。

不同母質植煙土壤的水溶性鉀和非特殊吸附鉀含量差異不顯著，但其占全鉀的比例變幅較大。第四紀紅土和石灰?guī)r母質土壤與板頁巖母質土壤的特殊吸附鉀含量差異顯著，其占全鉀的比例相差1倍左右；4種成土母質土壤之間非交換性鉀含量差異順序為：紫色頁巖＞石灰?guī)r＞板頁巖＞第四紀紅土，其中紫色頁巖、石灰?guī)r與第四紀紅土母質土壤之間差異達到極顯著水平，紫色頁巖、板頁巖與石灰?guī)r母質土壤之間差異不顯著；代表土壤母質特性的礦物鉀含量差異較大，第四紀紅土母質土壤與紫色頁巖和板頁巖土壤差異達到極顯著水平，其中紫色頁巖和板頁巖土壤礦物鉀含量是第四紀紅土母質土壤的2倍。

2.2不同母質土壤鉀素釋放的動力學參數

2.2.1 土壤鉀素釋放的t/kt-t線性方程及其參數表3的方程擬合結果表明，二級動力學模型對4種母質土壤鉀素釋放方程擬合的相關系數均達到極顯著水平（r0.01=0.626），說明該模型對不同母質土壤均有較好的擬合效果，但不同母質土壤模擬方程的特征參數具有差異，土壤最大釋鉀量表現為：石灰?guī)r＞第四紀紅土＞板頁巖＞紫色頁巖；第四紀紅土母質土壤的鉀半解吸時間（t1/2）最短，僅為17.38 min，這表明第四紀紅土母質土壤在鉀素消耗情況下，能夠以較快的速度將其一半的有效鉀容量釋放到土壤溶液中。其他母質土壤的t1/2相對較大，變化在22.76～25.99 min，且差異較小。

表2土壤各形態(tài)鉀的含量及比例Table 2 Contents and proportions of potassium in soils

表3土壤鉀素釋放的t/kt-t線性方程及其參數Table 3 Thet/kt-tequations and their parameters of K release

2.2.2 土壤釋鉀速率與時間的關系 由圖1可知，4種不同母質土壤的釋鉀速率隨時間的變化趨勢基本一致，前30 min釋鉀速率大幅下降，之后減緩至趨于穩(wěn)定。但不同母質土壤釋鉀速率下降的幅度與速度明顯不同：第四紀紅土母質土壤的釋鉀速率下降速度最快、幅度最大，其初始釋鉀速率最高，但30 min時的釋鉀速率僅為1.89 mg/(kg·min)，為同期其他母質土壤中最低，并且30 min后，各時間段釋鉀速率均低于其他母質土壤；經計算，釋鉀持續(xù)時間也僅有840 min。石灰?guī)r、板頁巖和紫色頁巖母質土壤釋鉀速率的差異主要表現在前120 min，120 min后趨于相近水平；紫色土母質土壤前120 min各時期的釋鉀速率均最小，但其釋鉀速率下降速度最慢，幅度最小，120 min 時的釋鉀速率已達同期最高水平；石灰?guī)r母質土壤的釋鉀速率在全期內始終保持較高水平，除V0與V10低于第四紀紅土母質土壤外，其它時期釋鉀速率均為最高，說明其對土壤溶液中鉀素的補充能力可能較強，而板頁巖母質土壤各時期釋鉀速率均處于中下水平，土壤短期與長期供鉀能力可能都較差。

2.2.3 土壤鉀素累積釋放量與時間的關系 從圖2可看出，石灰?guī)r母質土壤初期的釋鉀量并不多，但能保持相對較高的釋鉀速率和較長的持續(xù)時間，其最終釋鉀量明顯高于其他土壤；而第四紀紅土母質土壤初期的釋鉀量雖然最高，但后期釋鉀減緩，釋鉀速率與持續(xù)時間均較小，導致最終釋鉀量不高。紫色土和板頁巖母質土壤初期具有相對較低的釋鉀量，這也決定了其釋鉀量最終也較低。

2.3土壤釋鉀特征參數與各形態(tài)鉀素的關系

根據二級動力學模型擬合的土壤釋鉀方程與速率方程，可計算任意時刻的土壤累積釋鉀量與釋鉀速率，其中能代表土壤供鉀能力的有：最大釋鉀量K0、初始釋鉀速率V0、半解吸時間（t1/2）和半釋鉀速率（Vt1/2）。相關分析結果（表4）表明，供試土壤的初始釋鉀速率、半釋鉀速率與水溶性鉀、非特殊吸附鉀及特殊吸附鉀含量均呈正相關關系，其中與水溶性鉀、特殊吸附鉀達顯著相關；而與非交換性鉀、礦物鉀、全鉀含量呈負相關，但相關性不顯著；土壤最大釋鉀量與特殊吸附鉀含量呈極顯著正相關，與水溶性鉀、非特殊吸附鉀含量呈顯著正相關，與其他形態(tài)鉀的相關性則未達顯著水平；半解吸時間與各形態(tài)鉀含量的相關性也均不顯著。

圖1土壤釋鉀速率與時間的關系Fig. 1 Relationship between velocity and time

圖2土壤鉀素累積釋放量與時間的關系Fig. 2 Relationship between the quantity of K released and time

表4鉀素形態(tài)與釋鉀參數的相關性Table 4 Relationship between the parameter of K released and potassium forms

3 討 論

土壤鉀素釋放受多種外部因素影響[26-27]，而成土母質作為土壤的本質特性對釋鉀過程具有至關重要的作用[28]。不同母質土壤的鉀素形態(tài)、含量與供應能力都具有較大差異，因此，在制定鉀肥施用方案時，應考慮不同母質土壤的特點。本研究結果表明，土壤釋鉀量、釋鉀速率與非交換性鉀含量相關性不顯著，這與邢世和等[18]的研究結果吻合，但與廖育林等[16]的結果相悖，這可能與選用的動力學方程模型及所用的方法不同有關。

紫色頁巖與板頁巖母質土壤各形態(tài)鉀素含量及比例、釋鉀速率、釋鉀量均比較接近，土壤水溶性鉀、非特殊吸附鉀含量較低，這與王暉等[29]、張會民等[30]的研究結果類似。較低的水溶性鉀含量限制了土壤初始釋鉀速率，含量較低的特殊吸附鉀則影響了土壤的釋鉀總量；豐富的交換性鉀與礦物鉀，則表明土壤釋鉀潛力巨大。如何充分利用土壤豐富的鉀庫資源，促使非交換性鉀和礦物鉀快速有效化，可能是緩解這兩類土壤供鉀能力不足的有效途徑。

由于第四紀紅土母質土壤的礦物養(yǎng)分、鹽基離子長期淋失[31-32]，保水、保肥力差，有酸、粘、瘦的特性，其較高的水溶性鉀含量可能與長期的耕作施肥有關，從而導致土壤釋鉀過程的初始釋鉀速率明顯較高；特殊吸附鉀含量雖然也較高，但層間鉀的釋放、非交換性鉀和礦物鉀含量過低，導致其釋鉀后期速率減緩，持續(xù)時間較短，后期鉀素釋放量也明顯較低。這類土壤對短期鉀素的缺乏具有較好的補給能力，但長期缺鉀條件下的供鉀能力脆弱，煙草生產中對鉀肥的需求較大，與李成亮等[33]的研究結論吻合。

石灰?guī)r母質土壤對多種鹽分吸附作用較強[34]，使鹽分淋失緩慢。含鉀礦物在風化過程中形成較多對鉀離子具有特殊吸附作用的鍥形帶，使得這類土壤特殊吸附鉀含量較高[9]，為釋鉀的持續(xù)時間與釋鉀后期的釋鉀速率提供了可靠支撐。而較高的土壤水溶性鉀與非特殊吸附鉀總量，對初始釋鉀速率有利。因此，石灰?guī)r母質土壤的平均釋鉀速率與釋鉀總量均最大。這類土壤鉀素有效性、供鉀能力均高于其他土壤，在土壤缺鉀條件下，依然能夠較好地維持穩(wěn)定的鉀源提供。

由于不同母質植煙土壤的供鉀能力及鉀釋放特性也會受到其成土過程中的氣候、生物等因素的綜合影響，而且其本身性質也多樣，本研究僅對其形態(tài)、含量與釋鉀能力作了初步探討，如能有進一步的生物試驗予以驗證，可能結果會更加完善。

4 結 論

土壤鉀素形態(tài)、含量及比例與成土母質關系密切，紫色頁巖與板頁巖母質土壤對有效鉀的保持能力可能有限；石灰?guī)r母質土壤供鉀強度不高，但供鉀持續(xù)時間較長；第四紀紅土母質土壤供鉀能力有限，在鉀庫容量和自身補給潛力有限的情況下，土壤有效鉀水平的維持可能主要與鉀肥的施用有關。

不同母質土壤釋鉀速率、釋鉀量及各形態(tài)鉀素含量的差異明顯，4種不同母質植煙土壤的供鉀能力為：石灰?guī)r＞第四紀紅土＞板頁巖＞紫色頁巖。

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Potassium Supply Capacity and Release Characteristics of Tobacco-planting Soils Originated from Different Parent Materials in Hunan

YAN Hongxing, LUO Jianxin*, OUYANG Zhibiao, TIAN Fei
(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Hunan Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition in Common University, Changsha 410128, China)

In order to explore the potassium supply capacity and releasing characteristics of different tobacco-planting soils originated from different parent materials in Hunan Province, tobacco-planting soils originated from 4 representative parent materials were surveyed. The results showed that： the release amount of potassium mainly depends on the specially absorbed potassium, and is relatively less from non-exchangeable potassium; There are significantly positive correlations between soluble potassium and the initial release rate or the rate of semi release potassium, and between absorbed potassium and the initial release rate or the rate of semi release potassium. In despite of the limited soil potassium supplying capacity, soils derived from the Quaternary Red Soil parent material maintained high potassium initial rates and available potassium levels, and soils originated from the limestone parent material showed higher specially absorbed potassium which provides relatively stable potassium sources and has better potassium capacity; By comparison, soils originated from the purple slate and plate shale parent materials have larger potassium storage capacity and potassium supplying potential, but the available potassium content is relatively low, and the amount and supply intensity level of potassium is limited. Soils derived from the limestone parent material were top ranked in potassium supplying capacity, followed by Quaternary Red Soil, late shale, and purple slate.

Hunan; parent material; tobacco-planting soil; K supply capacity; K release

S572.01

1007-5119（2017）03-0020-06 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2017.03.004

湖南中煙工業(yè)有限責任公司項目“基地植煙土壤綜合改良技術推廣與應用”（2011130085）

嚴紅星（1992-），男，碩士研究生，主要從事植煙土壤改良與培肥研究。E-mail：352948503@qq.com。*通信作者，E-mail：hnndljx@sina.com

016-10-31

2017-01-11