生物-化學聯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

（華南農業大學資源環境學院，廣州 510642）

我國是農業大國，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口[2]。因此，如何充分開發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、化學助劑、強酸等物理化學方式，破壞鉀長石的晶體架狀結構，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、經濟成本較高、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行活化。解鉀菌，又稱為硅酸鹽細菌，通過產生有機酸、分泌胞外多糖等物質去分解土壤中的礦物鉀，使之變為可溶性狀態[4-5]。在現有報道中，采用亞歷山大硅酸鹽培養基篩選的解鉀菌[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、效果不穩定、轉化率低等短板，限制了解鉀微生物的有效應用和推廣[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活化劑相結合的方式，在常溫、常壓條件下，對鉀長石進行生物-化學協同活化以促進養分釋放。通過探索不同的聯用處理對鉀長石中鉀釋放的影響，并通過玉米盆栽驗證其肥效，旨在為促進鉀長石資源的綠色開發及高效利用提供科技依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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 均由本實驗室分離獲得。3 株解鉀菌在亞歷山大硅酸鹽液體培養基中培養3 d，解鉀質量濃度為 11.73～15.58 mg·L-1，與現有報道中菌株相比，解鉀能力屬于中上水平。

1.1.3 盆栽材料 供試土壤：采自華南農業大學樹木園，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有限公司；氯化鉀（K2O 60.0%），購自廣州化學試劑廠；過磷酸鈣（P2O512.0%），購自廣州化學試劑廠。供試玉米種子：華美甜9號，購自華農大種業公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同方法制備鉀長石及鉀含量測定 選取3 株解鉀能力較強且穩定的解鉀菌YC602、YC605和YC606 與5%活化劑QN 聯用，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置Table 1 Design of different method for making k-feldspar

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

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

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

④水溶性鉀測定：化學活化法采用3 次水浸提法測定活化鉀長石的水溶性鉀；生物法和生物-化學聯用法，與化學活化法相同，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-化學聯用法先將培養液于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 不同活化條件優化 從QN 含量、烘干溫度、水浸泡等角度研究生物-化學聯用效果的影響。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 ℃烘干制得化學活化鉀長石，詳見表2。

表2 不同活化優化條件設置Table 2 Design of difference activation condition

②生物活化鉀長石制備與生物-化學聯用化學鉀長石制備方法同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-化學聯用對鉀釋放的影響，于培養基中接種解鉀菌，在180 r·min-1、30 ℃的條件下分別培養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，進而分析活化鉀長石的結構變化與其釋鉀結果之間的關系[16]。取粉末樣品約1.0 g進行XRD 測定。試驗條件：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 玉米于2020年11月9日種，12月15日收樣，生長期共36 d。玉米盆栽試驗共9個處理，每處理4 次重復，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。因為考慮到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-化學活化鉀長石玉米盆栽試驗施肥方案Table 3 Bio-chemical combination of fertilization program in corn pot experiment

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

1.3 數據處理

采用SPSS Statistics 24.0統計軟件對數據進行統計分析，利用Duncan法進行差異顯著性多重比較，P＜0.05時差異達到顯著水平。采用GraphPad Prism 7、Origin Lab Origin Pro、Jade 6.5、Microsoft Excel 2016和Microsoft PowerPoint 2016進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同解鉀菌的化學聯用對鉀釋放效果的影響

由圖1 可知，單獨化學處理（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-化學聯用處理組（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活化劑的聯用效果有較大區別。

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 處理顯著促進了有效鉀的釋放。與 QN 聯用，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 活化的基礎上，解鉀菌YC602可更高效地促進鉀長石中水溶性鉀和有效鉀的釋放。因此，選取YC602 進行生物-化學聯用的優化試驗。

2.2 YC602進行生物-化學聯用的條件優化結果分析

由圖3 可知，生物-化學聯用（T1～T3 處理）后的水溶性鉀累積量均達1 000 mg·kg-1以上，單獨化學處理（CK1～CK3）的水溶性鉀累積量僅為400～500 mg·kg-1，單獨生物處理（T4）水溶性鉀累積量為750 mg·kg-1。與純化學處理和純生物處理比較，生物-化學聯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-化學聯用（T1～T3）后的有效鉀含量達1 700 mg·kg-1以上，單獨化學處理（CK1～CK3）的有效鉀含量為 500～600 mg·kg-1，單獨生物處理（T4）水溶性鉀累積量為1 300 mg·kg-1。與純化學處理和純生物處理比較，生物-化學聯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

與純化學處理和純生物處理比較，生物-化學聯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 和玉米盆栽試驗選用該活化方式進行。

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，水溶性鉀含量呈現先減后增的情況，在培養24 h 后達到最大值，為 1 398 mg·kg-1。由圖6 可知，有效鉀在培養時間為 6、12、24 h 時的含量分別為1 870、2 370、2 116 mg·kg-1，在培養12 h時達到最大值。

圖5 不同培養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。在生產實踐中，根據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射線衍射測定結果

圖7 為鉀長石原礦X 射線衍射（XRD）圖，其晶面坐標（-2，0，1）、（0，4，0）、（-2，0，4）和（-5，-3，3）與標準譜圖（PDF#84-0710）相符合[17]。圖8為QN 和聯用處理后的鉀長石的XRD 圖。可以清晰地看出經過QN 處理后，鉀長石相的主衍射峰發生顯著變化，強度明顯減弱。而QN 與解鉀菌YC602 聯用后，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 活化和聯用技術能夠明顯降低原始鉀長石的晶體完整性，增加無定形態，并且破壞礦物的三維框架結構。

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或消失一般都意味著礦物的相變[18-19]。圖8 中并未出現新的衍射峰，因此經過處理后，并未生成新的礦物相。結合先前測定水溶性鉀和有效鉀的結果可推測，在QN 和生物-化學聯用的條件下，鉀長石的結構被破壞，其中的鉀離子被釋放出來，從難溶性轉變為可溶性。

圖8 活化劑和聯用處理的鉀長石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-化學聯用的處理組（T2A）可有效促進玉米生長。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-化學聯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，進而促進玉米植株生長。

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，達到2 836.9 μg。這與KCl 易被雨水沖刷造成環境污染這一現狀相符合[20]。與MCK2 相比，生物-化學聯用處理組被淋溶洗出的水溶性鉀都較少。結合玉米盆栽試驗結果，生物-化學聯用+KCl 減半施用處理組（T2A），在促進玉米植株生長、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、肥效長的優勢，可有效減少化學肥料對環境造成的污染，是一種綠色環保的施肥方式。該方式為今后在生產實踐中的推廣運用奠定了基礎，對綠色可持續農業發展也具有重要意義。

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-化學聯用是鉀長石活化技術的新途徑

目前鉀長石的化學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]。繼續從化學活化或微生物活化等單方面研究雖有進展，但發展空間有限。本文從生物-化學聯用進行探索，突破了單一技術研究的模式。試驗結果顯示，這一途徑的活化效果優于化學活化、生物活化等單一技術模式，在24 h 甚至更短時間內可實現高效提鉀。此外，化學活化鉀長石常需要高溫煅燒、強酸強堿等方式來實現高效提鉀，本文提出的生物-化學聯用技術可在常溫常壓下促進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，進而降低成本，是一種有前途的鉀長石資源化的新技術途徑。同時優化試驗結果也表明，可通過適當提高烘干溫度、增加QN 的含量、水浸泡攪拌等方式來提高生物-化學聯用的效果。今后，在優化活化方式的基礎上進一步深入研究，還有更大的提升空間。

3.2 生物-化學聯用技術制備鉀長石的鉀有效性分析

研究顯示，生物-化學聯用技術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的特點。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；另一方面，鉀肥淋出率與土壤pH 呈負相關，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這一現狀吻合[24-25]。在南方酸性土壤和高溫多雨環境下，聯用技術不易被淋洗沖刷的優勢尤其明顯。此外，使用聯用技術活化鉀長石，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）。聯用技術不僅降低KCl的使用量，減少其對環境的污染，而且促進了玉米作物的生長，這對于實現綠色農業可持續發展具有重要意義。

3.3 生物-化學聯用效果的機理分析

聯用技術處理活化鉀長石的鉀釋放和肥效的優勢，與其晶格無定型化有關。經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化。化學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礦物鉀的活化。可見這是研磨的物理作用、活化劑的化學作用和微生物的生物作用相結合的效果，優于單一技術處理的作用效果。

本試驗結果已顯示，聯用活化技術是很有發展前景的新技術。目前的結果僅是初步的，因此，今后將從以下幾方面深入研究以進一步提高提鉀水平。①篩選更優的菌種或組合菌種。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的，但與活化劑聯用后，其釋放鉀的能力大幅度提高。今后可繼續從土壤篩選分離出更高效的解鉀微生物，與多種活化劑聯用共同活化鉀長石，進一步提高釋鉀效果。②研究活化鉀的水溶性鉀/有效鉀比例的優化。水溶性鉀/有效鉀比例對供鉀強度和持續性有重要影響。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。其比例的優化應與土壤質地、砂黏性和兩季相結合研究做出評價。其優化比例受聯用技術手段影響。今后還應進一步深入研究活化劑種類、研磨時間、搖床培養時間等技術手段對該比例的影響，以優化水溶性鉀/有效鉀比例，提高肥效。