納米—亞微米材料對(duì)土壤中速效鉀重力方向運(yùn)移的影響機(jī)制研究

冉?jīng)硸|+郭志雯++陳濤++梁玉祥

摘要 基于室內(nèi)一維土柱入滲試驗(yàn)，采用黃壤土表層均勻添加不同含量表層煤納米-亞微米材料（質(zhì)量含量分別為0、0.004%、0.020%、0.040%、0.100%），研究了納米-亞微米級(jí)材料對(duì)黃壤土的速效鉀在重力方向的運(yùn)移規(guī)律。結(jié)果表明，納米-亞微米級(jí)材料對(duì)黃壤土中速效鉀在重力方向的運(yùn)移有明顯影響。在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)組的速效鉀含量均保持小幅度平穩(wěn)變化，無(wú)較大波動(dòng)。納米-亞微米材料起到了緩釋作用。土壤中的鉀離子極其容易流失，鉀離子遷移主要受水分遷移及土壤膠體吸附作用的影響。添加納米-亞微米材料的土壤具有較強(qiáng)的保水性和吸附性，使得水分及速效鉀大量吸附于此。

關(guān)鍵詞 納米-亞微米材料；速效鉀；重力方向運(yùn)移規(guī)律

中圖分類號(hào) X131.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）11-0180-02

Influence Mechanism of Nano-submicron Materials on Migration in Direction of Gravity of Available Potassium in Soil

RAN Ming-dong 1 GUO Zhi-wen 1 CHEN Tao 2 LIANG Yu-xiang 1 *

（1 School of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610041； 2 Luzhou Product Quality Supervision and Inspection Institute）

Abstract Based on one-dimensional yellow loam soil columns，we studied the effects of different nano-submicron materials content（0，0.004%，0.020%，0.040%，0.100%） on the migration of available potassium.The main results were showed as follows，the nano-submicron materials had obvious influence on graving direction migration of available potassium in yellow loam.In the training time，the content of available potassium in the experimental group was stable，and had no large fluctuation.Nano-submicron materials played a slow-release effect. Mainly affected by water migration and soil colloid adsoption，the potassium ion in the soil was extremely easy to lose.The soil with nano-submicron materials had strong water-holding capacity and adsorption，which made the water and available potassium adsorbed here.

Key words nano-submicron materials；available potassium；law of migration in the direction of gravity

鉀是植物的主要營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是土壤中常因供應(yīng)不足而影響作物產(chǎn)量的三要素之一。農(nóng)作物含鉀量與含氮量相近但比含磷量高。在很多高產(chǎn)作物中，含鉀量超過(guò)含氮量。鉀與氮、磷不同，它不是植物體內(nèi)有機(jī)化合物的成分。迄今為止，尚未在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)含鉀的有機(jī)化合物。鉀呈離子狀態(tài)溶于植物汁液之中，其主要功能與植物的新陳代謝有關(guān)[1]。

將尺寸范圍介于10-9～10-7 m的納米材料應(yīng)用于土壤物理學(xué)領(lǐng)域是該領(lǐng)域的一個(gè)新突破，其主要原理為利用納米材料小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等基本特性，期待獲得許多傳統(tǒng)材料不具備的特性[2]。

納米碳的存在對(duì)土壤水分入滲過(guò)程產(chǎn)生阻礙作用，入滲率隨著納米碳含量增加而減小[3]。納米碳可以提高土壤的持水能力，隨著納米碳含量增加，土壤飽和含水量增加，相同土壤水吸力下土壤含水量增大。納米碳可以有效提高土壤吸持溶質(zhì)能力，隨著納米碳含量增加，初始穿透時(shí)間提前，完全穿透時(shí)間延長(zhǎng)，彌散度增大[3]。但納米材料對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中的傳遞影響研究還相對(duì)較少。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤樣品來(lái)自四川省彭州市郊區(qū)大田，采用標(biāo)準(zhǔn)法隨機(jī)取樣，取樣深度為地表以下0～20 cm。土樣于實(shí)驗(yàn)室自然條件下進(jìn)行風(fēng)干、除雜等預(yù)處理，然后過(guò)2 mm篩，保存?zhèn)溆谩Ｍ寥罏辄S壤土，含有機(jī)質(zhì)25.72 g/kg、有效氮153.11 mg/kg、速效磷31.64 mg/kg、速效鉀9.24 mg/kg，容重1.4 g/cm3，pH值6.32。

試驗(yàn)所選肥料為國(guó)光施特優(yōu)水溶肥，其氮、磷、鉀含量分別為12%、10%、28%。所選納米-亞微米材料為表層煤，其中C、O、Al、Si、S、K、Fe、Ca的含量分別為1.62%、60.76%、11.12%、17.72%、2.22%、2.93%、3.63%、0%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用裝置由上、中、下3段相同規(guī)格（Φ10 cm×11 cm）有機(jī)玻璃柱連接而成，其中上、中段玻璃柱無(wú)底面，最下段玻璃柱下底面開(kāi)有均勻小孔，以利于徑流水分的順利排出。土柱的裝填依次由下至上順序進(jìn)行，每段填土前在柱底或者段間用紗布隔開(kāi)，以防止土壤外漏。每段土柱的填土參數(shù)由黃壤土的容重（1.4 g/cm3）計(jì)算得出。

其中，表層填土材料為納米材料、肥料和土壤混合材料，其中肥料5 g，分別按照納米材料質(zhì)量含量為0、0.004%、0.020%、0.040%、0.100%與100 g黃綿土均勻混合后散鋪于土柱表層，其中納米材料含量為0的試驗(yàn)組是對(duì)照組（CK）。全部土樣裝填完畢，向土柱表層不斷加蒸餾水，維持水層高度2 cm左右，使土樣一直處于淹水狀態(tài)。最后，將試驗(yàn)裝置置于20 ℃室內(nèi)通風(fēng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行培養(yǎng)，得到試驗(yàn)樣品。試驗(yàn)共設(shè)5組處理，每組試驗(yàn)重復(fù)3次[4]。

1.3 調(diào)查內(nèi)容與方法

每隔4 d在5、15 cm處取1次樣，各取5次樣。采用那淑芝等[4]改進(jìn)后的四苯硼鈉比濁法測(cè)得樣品中速效鉀含量，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析、編輯以及制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同納米材料濃度對(duì)土壤5 cm深度速效鉀分布的影響

從圖1可以看出，加入肥料之后，土壤中的速效鉀含量急劇增加。在5 cm深度的土壤中速效鉀含量隨時(shí)間的增加而不同程度的降低，主要是由于速效鉀極易以鉀離子的形式隨水流失，隨著水分在重力方向的入滲，5 cm深度的速效鉀不同程度隨水向下運(yùn)移造成的。

中等濃度（0.004%、0.020%、0.040%）納米材料的變化曲線相對(duì)于高濃度（0.100%）和空白對(duì)照組的變化曲線較平緩，這是由于土壤中的大孔隙被極其細(xì)小的納米材料顆粒填充為多個(gè)小孔隙，小孔隙數(shù)量增加，對(duì)速效鉀的吸附性增強(qiáng)。同時(shí)由于納米材料的存在，改變了原本的水流通道，孔隙彎度增加，抑制水分入滲[2]。因此，速效鉀難以順利隨著水分向下遷移；當(dāng)納米材料含量為0.100%時(shí)，可能是因?yàn)檫^(guò)多的碳材料無(wú)法全部吸附在表層土壤，隨著水分向下遷移至0～5 cm處的土壤，從而使得0～5 cm土壤具有很強(qiáng)的保水性和吸附性，把大部分從表層肥料遷移下來(lái)的速效鉀固定在0～5 cm土壤中。在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)組速效鉀含量均保持小幅度平穩(wěn)變化，無(wú)較大波動(dòng)，說(shuō)明納米-亞微米材料起到了緩釋作用。

2.2 不同納米材料濃度對(duì)土壤15 cm深度速效鉀分布的影響

從圖2可以看出，加入肥料之后土壤中的速效鉀含量急劇增加，與5 cm深度土壤的分析情況相似。15 cm深度的速效鉀含量隨著時(shí)間的增加，會(huì)不同程度地先增加再減少，在第12天左右達(dá)到峰值。這是因?yàn)楫?dāng)0～15 cm含納米材料的土壤吸附速效鉀的值達(dá)到飽和后，表層肥料不斷溶解出的速效鉀隨水向下遷移并大量聚集在15 cm深度；此后隨著時(shí)間的增加，當(dāng)表層的肥料已經(jīng)完全溶解，不再有速效鉀向下遷移時(shí)，15 cm土壤的速效鉀將不同程度地隨水流失。

不同納米材料濃度試驗(yàn)組速效鉀分布曲線的變化程度不同，濃度越高，土壤中速效鉀吸附飽和值越大。高濃度納米材料試驗(yàn)組由于過(guò)量的納米碳向下遷移，使0～15 cm土壤具有比低濃度納米材料試驗(yàn)組更好的持水性和吸附性，吸附大量隨著水分向下遷移的速效鉀。因此，高濃度納米碳試驗(yàn)組在15 cm深度的速效鉀含量比低濃度試驗(yàn)組低。

3 結(jié)論

自然條件下，土壤速效鉀在灌溉水作用下很容易發(fā)生遷移。加入肥料后土柱5、15 cm深度速效鉀積累量高于速效鉀初始含量幾十倍，并且5 cm深度速效鉀積累量高于15 cm深度速效鉀積累量。納米-亞微米級(jí)納米材料對(duì)黃壤土中速效鉀在重力方向的運(yùn)移有明顯影響。在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)組速效鉀含量在5、15 cm深度的積累量均保持小幅度變化，無(wú)較大波動(dòng)，納米-亞微米材料起到了緩釋作用。土壤中的鉀離子主要受水分遷移及土壤膠體吸附作用的影響，添加納米-亞微米材料的土壤具有較強(qiáng)的保水性和吸附性，使水分及速效鉀大量吸附于此，有助于穩(wěn)定速效養(yǎng)分、延長(zhǎng)有效時(shí)間，提高肥料利用率[5-7]。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 李長(zhǎng)浩，鄭承烈，楊軍元，等.集安地區(qū)土壤中鉀含量的測(cè)定[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)信息，2014（3）：95.

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