鉀長(zhǎng)石化學(xué)活化的影響因子及其優(yōu)化研究初報(bào)*

喬 凱，吳瑤瑤，廖宗文，沈彥汐，蔡燕飛

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 廣東廣州 510640)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)鉀肥的需求量很大，但50%的鉀肥鉀鹽依賴進(jìn)口[1]。我國(guó)可溶性鉀礦資源短缺，鉀長(zhǎng)石和云母等難溶性鉀礦資源豐富[1-2]，因此充分開(kāi)發(fā)和利用難溶性鉀礦資源成為我國(guó)一項(xiàng)重大的課題。目前，高溫煅燒法是國(guó)內(nèi)外利用鉀長(zhǎng)石制鉀肥的一種重要方法[3-4]，但是煅燒溫度高達(dá)1 300 ℃，能耗高、碳排放量大。雷鋒文等[5]對(duì)煅燒溫度進(jìn)行研究，將溫度降至900 ℃，鉀長(zhǎng)石仍能保持同樣的活化效果。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)對(duì)溫度、研磨時(shí)間等因素的調(diào)整優(yōu)化，在煅燒溫度200 ℃條件下獲得預(yù)期的效果，并通過(guò)有效性的化學(xué)測(cè)定和玉米盆栽試驗(yàn)驗(yàn)證其肥效，為促進(jìn)鉀長(zhǎng)石等非水溶性鉀礦資源的綠色低碳開(kāi)發(fā)及高效利用提供新的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 礦物和活化劑

鉀長(zhǎng)石，150 μm(100目)，w(K2O)為9.2%；活化劑QN、CM均為堿性，CM含有少量硅鈣微量元素。

1.2 盆栽材料

供試土壤：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)土，風(fēng)干后過(guò)1 cm篩備用；w(有機(jī)質(zhì))為23.1 g/kg，w(堿解氮)為109.7 mg/kg，w(全氮)為1.0 g/kg，w(全磷)為5.8 g/kg，w(速效磷)為15.7 mg/kg，w(速效鉀)為57.7 mg/kg，pH為5.4。

供試肥料：尿素，w(N)為45.0%；氯化鉀，w(K2O)為60.0%；過(guò)磷酸鈣，w(有效P2O5)為16.0%。所有肥料均由中化化肥有限公司生產(chǎn)。

供試作物：甜玉米(華美甜9號(hào))。

1.3 活化劑種類、用量與研磨時(shí)間試驗(yàn)

化學(xué)活化鉀長(zhǎng)石制備：稱取一定量的鉀長(zhǎng)石置于陶瓷研缽中，加入不同量的活化劑CM或QN，再加入占鉀長(zhǎng)石質(zhì)量25%的蒸餾水，研磨不同時(shí)間后，分別于200 ℃烘干12 min。

活化試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)處理，見(jiàn)表1。每個(gè)處理重復(fù)3次，其中P2C與P1A對(duì)比考察沸水浸泡活化的效果。

表1 活化試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

活化鉀長(zhǎng)石有效性的測(cè)定：采用水浸提法測(cè)定水溶性鉀含量[6]，采用中性乙酸銨溶液浸提、火焰光度法測(cè)定速效鉀含量[7]；測(cè)定結(jié)果取3次重復(fù)測(cè)定的平均值，下同。

1.4 活化鉀長(zhǎng)石盆栽試驗(yàn)

玉米盆栽試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次，每盆裝土3 kg。玉米于2021年5月30日移栽，3株/盆，6月24日收獲，生長(zhǎng)期為26 d。各處理的氮肥、磷肥施用量一致，氮肥用量按每千克土150 mg施入，每盆尿素用量為1 g；磷肥(P2O5)用量按每千克土100 mg施入，每盆過(guò)磷酸鈣用量為1.87 g；CK1鉀肥(K2O)用量按每千克土120 mg施入，氯化鉀用量為0.6 g。考慮到兩種鉀源水溶性差異太大，活化鉀長(zhǎng)石的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為9.2%，而氯化鉀中有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，其余施鉀處理采用活化鉀長(zhǎng)石取代50%氯化鉀，取代系數(shù)為4.6∶1，即活化鉀長(zhǎng)石施用量為氯化鉀的4.6倍，但全鉀量比氯化鉀處理減少了14.7%，具體見(jiàn)表2。收獲時(shí)測(cè)定植株的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、全鉀含量、土壤堿解氮和速效鉀含量。

表2 盆栽試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

1.5 玉米盆栽淋溶試驗(yàn)

在玉米生長(zhǎng)的第10天、第20天時(shí)分別澆水300 mL進(jìn)行淋溶試驗(yàn)，2 h后收集底部液體，記錄液體體積，采用火焰光度法測(cè)定水溶性鉀含量，計(jì)算淋溶鉀量。淋溶試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Microsoft Excel 2016和Microsoft PowerPoint 2016進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 活化劑種類、用量與研磨時(shí)間對(duì)鉀長(zhǎng)石活化效果的影響

不同活化處理對(duì)鉀長(zhǎng)石活化效果的影響見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2和圖3可知：采用CM處理的水溶性鉀和速效鉀含量明顯高于QN處理的；同活化劑用量水平下，P1B處理的水溶性鉀、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比P3A處理的提高1 788.3、977.5 mg/kg；P2A處理的水溶性鉀、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比P3B處理的增加1 291.9、128.0 mg/kg。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著活化劑用量的增加或研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，水溶性鉀及速效鉀水平有所上升。

水溶性鉀含量較高的處理為P2B、P1C、P1B、P2A，速效鉀含量較高的處理為P1B、P1C。

P1A與P2C處理對(duì)比顯示，P2C的水溶性鉀含量略高但差別不大，而速效鉀含量較高且差異明顯。這說(shuō)明沸水研磨有利于活化，有望通過(guò)鍋爐余熱或者太陽(yáng)能升溫來(lái)提高活化效果。

2.2 盆栽試驗(yàn)驗(yàn)證

不同活化處理的鉀長(zhǎng)石對(duì)盆栽玉米地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、植株含鉀量、土壤中堿解氮和速效鉀含量的影響分別見(jiàn)圖4～圖8。

由圖4可看出：CK0處理的盆栽玉米地上部鮮質(zhì)量最低，其次為T2B處理的，其余處理的均顯著高于CK0的；T1C處理的鮮質(zhì)量最高，其次為CK1(鉀肥為純氯化鉀)處理的。這表明在大幅減少鉀肥施用量的情況下，T1C處理的肥效不減反增，優(yōu)于純氯化鉀處理的。

由圖5可看出，T1C處理的地上干質(zhì)量最高，其次為CK1處理的，再次為T3處理的，最少為CK0處理的，同樣顯示活化鉀長(zhǎng)石T1C處理的肥效不亞于純氯化鉀處理的。

從圖6可看出：除CK0處理的植株全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%外，其他處理的均明顯高于CK0處理的；各活化鉀長(zhǎng)石處理間的全鉀含量差異不大；全鉀含量最高的是CK1處理，但是其生物量卻低于活化鉀長(zhǎng)石T1C處理的；T1C處理的生物量最高而植株全鉀含量并非最高，說(shuō)明其單位鉀的增產(chǎn)效率優(yōu)于氯化鉀的，這可能與CK1處理供肥量高低波動(dòng)大，導(dǎo)致鉀奢侈吸收有關(guān)。

由圖7可看出，各活化鉀長(zhǎng)石處理的土壤中堿解氮含量都明顯高于不施鉀肥(CK0)或純氯化鉀(CK1)處理的，說(shuō)明活化鉀長(zhǎng)石能有效提高土壤中堿解氮含量，其中最優(yōu)的是T1C處理，既增產(chǎn)又能提高土壤中堿解氮含量。

由圖8可看出：經(jīng)兩次淋溶后，3個(gè)活化鉀長(zhǎng)石處理的土壤中速效鉀含量均高于CK1處理的，其中T1C處理的土壤中速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為95.85 mg/kg，之后分別是T2C、T2B處理的87.40、79.72 mg/kg；CK0處理的土壤中速效鉀含量最低為61.28 mg/kg。這顯示活化鉀長(zhǎng)石處理在施鉀總量降低的情況下，還可提升土壤中有效鉀的水平，有利于提高土壤在作物生長(zhǎng)后期的持續(xù)供鉀能力。

2.3 淋溶試驗(yàn)

第10天淋溶結(jié)果(見(jiàn)圖9)顯示：純氯化鉀(CK1)是鉀淋溶損失最多的處理；鉀淋溶損失最少的2個(gè)處理為T1A、T2C，表明2個(gè)處理的土壤中水溶性鉀含量最少；除T3、CK1處理外，其余處理的鉀淋溶損失均小于CK0處理的。

第20天淋溶結(jié)果(見(jiàn)圖9)顯示：純氯化鉀(CK1)仍然是鉀淋溶損失最多的處理；綜合2次淋溶的總量進(jìn)行分析，各活化鉀長(zhǎng)石處理的鉀淋溶損失均低于純氯化鉀(CK1)處理的，其中鉀淋溶損失最少的是T2C處理。

3 討論

3.1 活化鉀長(zhǎng)石的化學(xué)有效性和盆栽生物量

試驗(yàn)結(jié)果顯示，活化鉀長(zhǎng)石的化學(xué)有效性與盆栽生物量具有明顯的相關(guān)性，即化學(xué)活化效果好的活化處理，其盆栽產(chǎn)量也高(見(jiàn)圖2～圖5)，反映了化學(xué)有效性與肥效兩者間的內(nèi)在聯(lián)系。T1C處理的活化劑及研磨時(shí)間、溫度等綜合條件較優(yōu)，因此化學(xué)活化測(cè)定值及盆栽生物量均最高。這些結(jié)果與高溫煅燒的活化鉀長(zhǎng)石化學(xué)有效性和盆栽生物量的關(guān)系是一致的。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)條件，有望繼續(xù)提高鉀長(zhǎng)石的活化效果，進(jìn)而獲得增產(chǎn)。

3.2 活化鉀長(zhǎng)石的優(yōu)越性及機(jī)理探討

T1C處理在施鉀量減少14.7%的條件下，與CK1處理相比產(chǎn)量提高，其原因主要與抗淋溶力強(qiáng)以及土壤中速效鉀含量較高有關(guān)。

淋溶試驗(yàn)顯示，各活化鉀長(zhǎng)石處理的鉀淋溶損失都低于CK1處理的，而T2C處理的鉀淋溶損失最低。各活化鉀長(zhǎng)石處理中氯化鉀用量?jī)H為CK1處理的50%，其余為活化鉀長(zhǎng)石，既有一定的緩釋性，可抗淋溶損失，又有一定的水溶性，鉀的供應(yīng)強(qiáng)度和持續(xù)性得到較好的協(xié)調(diào)，因而生物量最高。在多雨季節(jié)，這一優(yōu)勢(shì)將更為明顯。而氯化鉀容易隨水流失，因此CK1處理雖然施鉀量最高，但盆栽產(chǎn)量不及T1C處理的。CK0處理雖然未施用鉀肥，但其淋溶損失高于T1C及多個(gè)活化鉀長(zhǎng)石處理的，原因是其玉米生長(zhǎng)較差，根系吸收鉀的能力也較低，所以土壤中的鉀更容易淋溶損失。

速效鉀是反映持續(xù)供鉀能力的重要指標(biāo)。

T1C處理的土壤速效鉀含量?jī)?yōu)于CK1處理的，居各處理中最高位(見(jiàn)圖8)，因而鉀營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)較持久。這是T1C處理在施鉀總量較低的情況下，仍然獲得高產(chǎn)的重要原因，也表明T1C處理的鉀肥利用率是最高的，為鉀肥減量、增效、高產(chǎn)開(kāi)拓了新的技術(shù)途徑。

3.3 應(yīng)用前景

本文在鉀長(zhǎng)石煅燒溫度降至900 ℃的基礎(chǔ)上[5]，再大幅度降溫至200 ℃，不僅能耗大幅下降，而且不需要建設(shè)耐高溫煅燒爐，可較方便地利用鍋爐廢熱、太陽(yáng)能進(jìn)行供熱，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，適用范圍更廣泛，更容易推廣。在此基礎(chǔ)上，于煅燒溫度100～200 ℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)，深入研究以提高活化效果，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)烘干時(shí)間，從而進(jìn)一步降低成本。這一技術(shù)如能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用，將為我國(guó)鉀長(zhǎng)石等資源的高效低碳開(kāi)發(fā)提供有力支撐。