湖南不同母质植烟土壤供钾能力及钾释放特性

严红星，罗建新，欧阳志标，田 飞

（湖南农业大学资源环境学院，植物营养湖南省普通高等学校重点实验室，长沙 410128）

湖南不同母质植烟土壤供钾能力及钾释放特性

严红星，罗建新*，欧阳志标，田 飞

（湖南农业大学资源环境学院，植物营养湖南省普通高等学校重点实验室，长沙 410128）

为探明湖南不同母质植烟土壤供钾能力及钾释放特性，对4种主要成土母质植烟土壤进行了调查研究。结果表明，4种母质植烟土壤主要释放易解吸的特殊吸附钾，非交换性钾的释放量相对较小；土壤水溶性钾、特殊吸附钾含量与初始释钾速率和半释钾速率均达显著正相关。第四纪红土母质土壤虽然钾容量和供钾潜力有限，但却有较高的初始释钾速率及有效钾水平；石灰岩母质土壤拥有较高的特殊吸附钾含量，能为土壤提供较稳定的有效钾，土壤供钾能力较强；而紫色页岩与板页岩母质土壤虽然钾库容量大，供钾潜力也大，但有效钾含量相对较低，土壤供钾强度有限。不同母质土壤的供钾强弱为：石灰岩＞第四纪红土＞板页岩＞紫色页岩。

湖南；成土母质；植烟土壤；供钾能力；钾释放

钾是烟草吸收最多的元素之一[1]。钾能促进烟草的代谢与生长，影响烟草品质[2-3]。钾在土壤中以多种形态存在，土壤供钾能力与成土母质和钾的存在形态关系密切，成土母质是钾的主要来源[4]。孟霖等[5]研究表明，成土母质影响土壤的本质特性，在影响土壤供钾能力上比其他因素重要；王允白等[6]、李军等[7]和LUEBS等[8]研究表明，成土母质是影响土壤供钾能力的重要原因，不同成土母质土壤的供钾能力及速效钾的水平差异较大，石灰岩母质和页岩母质土壤供钾能力大于花岗岩母质和砂岩母质土壤。黄绍文等[9]把土壤钾的形态分为水溶性钾、非特殊吸附钾、特殊吸附钾、非交换性钾与矿物钾，并表明，有效性最高的为水溶性钾和非特殊吸附钾，其次为特殊吸附钾，非交换性钾与矿物钾只有在土壤钾素水平较低时才会缓慢释放出来。土壤不同形态钾之间可以相互转化，始终处于动态平衡[10-12]，土壤对钾的吸附、解吸和转化的速率成为评价土壤供钾能力的重要因素之一[13]。土壤钾的动态转化过程及其动力学特征受到众多土壤科技工作者的关注[14-16]。国内外对土壤钾转化速率的研究主要是应用动力学理论[17]，采用不同的提取方法[18]，结合零级、一级、二级以及Elovich等动力学模型，通过理论计算获得土壤钾素的吸附、解吸速率。但由于土壤性质十分复杂，土壤钾形态、含量、有效性与各种土壤条件有关[19]，对土壤钾素转化特性的差异研究表明[20-24]，土壤钾素的转化过程受多种因素影响。章明清等[25]研究表明，成土母质对土壤钾素的转化特性及动力学特征具有较大影响。本研究采用连续浸提法，利用二级动力学模型研究湖南不同母质植烟土壤的供钾能力与钾素释放特征，以期为烟区不同母质植烟土壤合理施用钾肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1供试土壤

2013年12月至2014年1月，在湖南主产烟区的浏阳、宁乡、衡南、常宁、宁远、嘉禾、桂阳、慈利、桑植、龙山等10个县（市）采用“S”型多点取样法，采集4种主要成土母质的14个具有代表性的植烟土壤样本（表1），每个样本约1 kg；土样经风干、磨细、过筛后充分混匀、装袋备用，供土壤相关指标分析。

1.2测定方法

土壤水溶性钾用去离子水按土液比1：10提取，非特殊吸附钾=0.5 mol/L醋酸镁浸提钾-水溶性钾，特殊吸附钾=1 mol/L中性醋酸铵浸提钾-0.5 mol/L醋酸镁浸提钾，非交换性钾=1 mol/L热硝酸提取钾-1 mol/L中性醋酸铵提取钾，矿物钾=全钾-1 mol/L热硝酸提取钾，土壤全钾采用氢氧化钠熔融法提取，各提取液中的钾均用火焰光度法测定[9]。

表1土壤样品信息Table 1 Information of soil samples

土壤钾素释放动态：采用2 mol/L冷硝酸恒温连续浸提法，称2 g土样于已知重量的50 mL离心管中，加入2 mol/L HNO3溶液20 mL，在20 ℃恒温条件下振荡提取0、10、20、30、60、90、120、180、240、300、420、540、660、840、1020、1200、1440 min后取出离心管离心分离上清液，再加入2 mol/L HNO3溶液20 mL，继续振荡提取，如此反复，直至最后提取液中钾含量很少且恒定为止。土壤连续提取均设2次重复，各提取时间的累积释钾量以2次重复的平均值表示；提取液用原子吸收分光光度计法测定其钾含量[18]。

释钾二级动力学模型及其参数计算[21]。

模型表达式为：

式中Kt为t时间的土壤累积释钾量（mg/kg），t为解吸时间（min），K0为土壤最大释钾量（mg/kg），k为速率常数。对（1）式进行积分，并代入初始条件t=0时，Kt=0得：

引入解吸半时间（t1/2），即土壤累积释钾量达到最大释钾量一半（Kt=K0/2）所需的时间，由（2）

式得t1/2=1/k×K0，代入（2）式得：

将（3）式进一步对t求导数即可得土壤钾素释放速率方程：

方程（4）经线性变换后得：

从线性方程（5）的斜率和截距可求得速率方程中的常数K0和t1/2。

土壤钾素累积释放量标准差根据下式计算：

式中S为钾素累积释放量标准差，Kt和Kt´分别为t时间的土壤非交换性钾累积释放量实测值和模型计算值（mg/kg），n为测定次数。

1.3数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行原始数据处理，用DPS v7.05对数据进行统计分析和模型拟合。

2 结 果

2.1不同母质土壤钾素形态特征

4种不同母质植烟土壤各形态钾的含量及比例见表2。结果表明，不管何种母质土壤，矿物钾的比例最高，占全钾的95.63%～97.49%；非交换性钾占全钾的1.18%～2.51%，特殊吸附钾与水溶性钾仅占全钾的0.60%～1.49%和0.22%～0.69%，非特殊吸附钾含量最低，仅占全钾的0.20%～0.51%。

不同母质植烟土壤的水溶性钾和非特殊吸附钾含量差异不显著，但其占全钾的比例变幅较大。第四纪红土和石灰岩母质土壤与板页岩母质土壤的特殊吸附钾含量差异显著，其占全钾的比例相差1倍左右；4种成土母质土壤之间非交换性钾含量差异顺序为：紫色页岩＞石灰岩＞板页岩＞第四纪红土，其中紫色页岩、石灰岩与第四纪红土母质土壤之间差异达到极显著水平，紫色页岩、板页岩与石灰岩母质土壤之间差异不显著；代表土壤母质特性的矿物钾含量差异较大，第四纪红土母质土壤与紫色页岩和板页岩土壤差异达到极显著水平，其中紫色页岩和板页岩土壤矿物钾含量是第四纪红土母质土壤的2倍。

2.2不同母质土壤钾素释放的动力学参数

2.2.1 土壤钾素释放的t/kt-t线性方程及其参数表3的方程拟合结果表明，二级动力学模型对4种母质土壤钾素释放方程拟合的相关系数均达到极显著水平（r0.01=0.626），说明该模型对不同母质土壤均有较好的拟合效果，但不同母质土壤模拟方程的特征参数具有差异，土壤最大释钾量表现为：石灰岩＞第四纪红土＞板页岩＞紫色页岩；第四纪红土母质土壤的钾半解吸时间（t1/2）最短，仅为17.38 min，这表明第四纪红土母质土壤在钾素消耗情况下，能够以较快的速度将其一半的有效钾容量释放到土壤溶液中。其他母质土壤的t1/2相对较大，变化在22.76～25.99 min，且差异较小。

表2土壤各形态钾的含量及比例Table 2 Contents and proportions of potassium in soils

表3土壤钾素释放的t/kt-t线性方程及其参数Table 3 Thet/kt-tequations and their parameters of K release

2.2.2 土壤释钾速率与时间的关系 由图1可知，4种不同母质土壤的释钾速率随时间的变化趋势基本一致，前30 min释钾速率大幅下降，之后减缓至趋于稳定。但不同母质土壤释钾速率下降的幅度与速度明显不同：第四纪红土母质土壤的释钾速率下降速度最快、幅度最大，其初始释钾速率最高，但30 min时的释钾速率仅为1.89 mg/(kg·min)，为同期其他母质土壤中最低，并且30 min后，各时间段释钾速率均低于其他母质土壤；经计算，释钾持续时间也仅有840 min。石灰岩、板页岩和紫色页岩母质土壤释钾速率的差异主要表现在前120 min，120 min后趋于相近水平；紫色土母质土壤前120 min各时期的释钾速率均最小，但其释钾速率下降速度最慢，幅度最小，120 min 时的释钾速率已达同期最高水平；石灰岩母质土壤的释钾速率在全期内始终保持较高水平，除V0与V10低于第四纪红土母质土壤外，其它时期释钾速率均为最高，说明其对土壤溶液中钾素的补充能力可能较强，而板页岩母质土壤各时期释钾速率均处于中下水平，土壤短期与长期供钾能力可能都较差。

2.2.3 土壤钾素累积释放量与时间的关系 从图2可看出，石灰岩母质土壤初期的释钾量并不多，但能保持相对较高的释钾速率和较长的持续时间，其最终释钾量明显高于其他土壤；而第四纪红土母质土壤初期的释钾量虽然最高，但后期释钾减缓，释钾速率与持续时间均较小，导致最终释钾量不高。紫色土和板页岩母质土壤初期具有相对较低的释钾量，这也决定了其释钾量最终也较低。

2.3土壤释钾特征参数与各形态钾素的关系

根据二级动力学模型拟合的土壤释钾方程与速率方程，可计算任意时刻的土壤累积释钾量与释钾速率，其中能代表土壤供钾能力的有：最大释钾量K0、初始释钾速率V0、半解吸时间（t1/2）和半释钾速率（Vt1/2）。相关分析结果（表4）表明，供试土壤的初始释钾速率、半释钾速率与水溶性钾、非特殊吸附钾及特殊吸附钾含量均呈正相关关系，其中与水溶性钾、特殊吸附钾达显著相关；而与非交换性钾、矿物钾、全钾含量呈负相关，但相关性不显著；土壤最大释钾量与特殊吸附钾含量呈极显著正相关，与水溶性钾、非特殊吸附钾含量呈显著正相关，与其他形态钾的相关性则未达显著水平；半解吸时间与各形态钾含量的相关性也均不显著。

图1土壤释钾速率与时间的关系Fig. 1 Relationship between velocity and time

图2土壤钾素累积释放量与时间的关系Fig. 2 Relationship between the quantity of K released and time

表4钾素形态与释钾参数的相关性Table 4 Relationship between the parameter of K released and potassium forms

3 讨 论

土壤钾素释放受多种外部因素影响[26-27]，而成土母质作为土壤的本质特性对释钾过程具有至关重要的作用[28]。不同母质土壤的钾素形态、含量与供应能力都具有较大差异，因此，在制定钾肥施用方案时，应考虑不同母质土壤的特点。本研究结果表明，土壤释钾量、释钾速率与非交换性钾含量相关性不显著，这与邢世和等[18]的研究结果吻合，但与廖育林等[16]的结果相悖，这可能与选用的动力学方程模型及所用的方法不同有关。

紫色页岩与板页岩母质土壤各形态钾素含量及比例、释钾速率、释钾量均比较接近，土壤水溶性钾、非特殊吸附钾含量较低，这与王晖等[29]、张会民等[30]的研究结果类似。较低的水溶性钾含量限制了土壤初始释钾速率，含量较低的特殊吸附钾则影响了土壤的释钾总量；丰富的交换性钾与矿物钾，则表明土壤释钾潜力巨大。如何充分利用土壤丰富的钾库资源，促使非交换性钾和矿物钾快速有效化，可能是缓解这两类土壤供钾能力不足的有效途径。

由于第四纪红土母质土壤的矿物养分、盐基离子长期淋失[31-32]，保水、保肥力差，有酸、粘、瘦的特性，其较高的水溶性钾含量可能与长期的耕作施肥有关，从而导致土壤释钾过程的初始释钾速率明显较高；特殊吸附钾含量虽然也较高，但层间钾的释放、非交换性钾和矿物钾含量过低，导致其释钾后期速率减缓，持续时间较短，后期钾素释放量也明显较低。这类土壤对短期钾素的缺乏具有较好的补给能力，但长期缺钾条件下的供钾能力脆弱，烟草生产中对钾肥的需求较大，与李成亮等[33]的研究结论吻合。

石灰岩母质土壤对多种盐分吸附作用较强[34]，使盐分淋失缓慢。含钾矿物在风化过程中形成较多对钾离子具有特殊吸附作用的锲形带，使得这类土壤特殊吸附钾含量较高[9]，为释钾的持续时间与释钾后期的释钾速率提供了可靠支撑。而较高的土壤水溶性钾与非特殊吸附钾总量，对初始释钾速率有利。因此，石灰岩母质土壤的平均释钾速率与释钾总量均最大。这类土壤钾素有效性、供钾能力均高于其他土壤，在土壤缺钾条件下，依然能够较好地维持稳定的钾源提供。

由于不同母质植烟土壤的供钾能力及钾释放特性也会受到其成土过程中的气候、生物等因素的综合影响，而且其本身性质也多样，本研究仅对其形态、含量与释钾能力作了初步探讨，如能有进一步的生物试验予以验证，可能结果会更加完善。

4 结 论

土壤钾素形态、含量及比例与成土母质关系密切，紫色页岩与板页岩母质土壤对有效钾的保持能力可能有限；石灰岩母质土壤供钾强度不高，但供钾持续时间较长；第四纪红土母质土壤供钾能力有限，在钾库容量和自身补给潜力有限的情况下，土壤有效钾水平的维持可能主要与钾肥的施用有关。

不同母质土壤释钾速率、释钾量及各形态钾素含量的差异明显，4种不同母质植烟土壤的供钾能力为：石灰岩＞第四纪红土＞板页岩＞紫色页岩。

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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

湖南中烟工业有限责任公司项目“基地植烟土壤综合改良技术推广与应用”（2011130085）

严红星（1992-），男，硕士研究生，主要从事植烟土壤改良与培肥研究。E-mail：352948503@qq.com。*通信作者，E-mail：hnndljx@sina.com

016-10-31

2017-01-11