尚海麗，張延旭，裘 浪,畢銀麗

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

蒙東草原地區(qū)屬于大陸性亞寒帶氣候，土壤貧瘠，作物年生長周期較短，生態(tài)環(huán)境脆弱。當(dāng)?shù)芈短烀禾块_采形成大規(guī)模排土場，造成土地資源浪費(fèi)，引起粉塵污染、水土流失、植被破壞等多種環(huán)境問題，草原生態(tài)急劇惡化。在蒙東第四系沉積層約15～30 m深度分布一套巨厚暗色黏土層，黏土礦物相對含量可達(dá)到55%～60%，主要以伊蒙混層礦物、伊利石、高嶺石等黏土礦物組成，富含有機(jī)質(zhì)，是排土場土壤重構(gòu)過程中地表熟土的寶貴替代資源[1]。微生物菌劑作為一種綠色、經(jīng)濟(jì)的土壤改良劑，在土壤修復(fù)、礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中發(fā)揮了重要作用[2]。因此，利用微生物技術(shù)充分開發(fā)蒙東地區(qū)黏土層作為替代熟土的巨大潛力，是蒙東露天礦排土場復(fù)墾的重要內(nèi)容。

其中，伊蒙混層礦物、伊利石和鉀長石等礦物富含鉀元素，具有極大的鉀肥開發(fā)潛力。但是大部分礦物鉀元素不能被植物有效利用，且由于淋濾作用強(qiáng)烈，很大一部分鉀元素被淋濾流失，造成土壤鉀的實際利用率低[3]。鉀元素從土壤深部向上遷移至植物根系層，才可能被植物吸收利用。這種遷移過程與多種因素有關(guān)，特別是與土壤黏土礦物對鉀元素的吸附動力學(xué)過程有密切聯(lián)系[4]。前人針對土壤鉀元素的吸附動力學(xué)做了大量研究[5-6]。研究結(jié)果表明，潮土和褐土在不同K+濃度條件下的吸附動力學(xué)過程可以用一級反應(yīng)動力學(xué)方程描述[7]。薛泉宏和馬博虎[8]對比研究了耕層土、黃綿土、黑壚土和黏化層等4種黃土高原地區(qū)土壤的鉀吸附動力學(xué)過程，結(jié)果表明黏化層和黑壚土的吸附固定量最大。土壤鉀的吸附動力學(xué)過程不僅與土壤類型有關(guān)，還與溫度、施肥方式、土壤中鈣、鈉和鎂離子的交換作用等因素有關(guān)[9-11]。

解鉀細(xì)菌具有釋放黏土礦物中植物不能直接利用的有用元素，如鉀、鎂和硅等，以及促進(jìn)植物生長的能力[12]。有學(xué)者通過對樟子松接種叢枝菌根真菌，研究叢枝菌根真菌對土壤黑云母、微斜長石等礦物釋鉀能力的影響，結(jié)果表明，叢枝菌根真菌促進(jìn)黑云母的釋鉀作用，樟子松葉片鉀含量顯著提高[10]。尚海麗等[13]研究表明，解鉀細(xì)菌對伊利石的釋鉀效果優(yōu)于鉀長石，解鉀細(xì)菌在促進(jìn)鉀元素遷移、提高玉米生長中具有顯著促進(jìn)作用。因此，進(jìn)一步研究解鉀細(xì)菌對伊利石、鉀長石等礦區(qū)常見礦物鉀的吸附動力學(xué)的影響，是揭示解鉀細(xì)菌釋鉀過程的重要機(jī)理研究，也為合理利用解鉀細(xì)菌開發(fā)蒙東草原土壤鉀肥潛力提供理論基礎(chǔ)。

以往關(guān)于解鉀細(xì)菌的研究主要集中在解鉀細(xì)菌釋鉀作用對土壤鉀元素釋放、促進(jìn)植物生長的影響等方面[13-15]，土壤吸附動力學(xué)研究主要集中在土質(zhì)、礦物類型和農(nóng)耕管理措施等因素的影響[16-18]，但是關(guān)于解鉀細(xì)菌對土壤黏土礦物吸附動力學(xué)過程的影響鮮見研究。因此，筆者以蒙東地區(qū)常見2種礦物伊利石、鉀長石為供試材料，通過靜置培養(yǎng)法進(jìn)行樣品接菌預(yù)處理，采用平衡法研究解鉀細(xì)菌作用對2種礦物鉀吸附動力學(xué)過程的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試礦物:由于蒙東草原黏土層土壤礦物種類多樣，含有大量伊蒙混層礦物，且礦物相對含量不穩(wěn)定，不適用于直接進(jìn)行定量化的吸附試驗研究。因此，本試驗選用河北省靈壽縣天然伊利石黏土巖和鉀長石礦粉，粒徑均<0.15 mm。X射線熒光分析測得鉀長石和伊利石樣品的主要化學(xué)組成(表1)。其中，鉀長石含鉀量10%，伊利石含鉀量5.4%。鉀長石樣品以微斜長石為主，含少量鈉長石，伊利石樣品中含少量石英。

表1 供試鉀長石和伊利石化學(xué)組成
Table 1 Chemical compositons of illite and feldspar%

供試微生物:解鉀細(xì)菌C6X。由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)微生物復(fù)墾試驗室自行篩選[19]，并經(jīng)廣東省微生物分析檢測中心進(jìn)一步分離純化，鑒定該菌種為Phyllobacteriumifriqiyense，屬革蘭氏陰性菌，記為C6X。

1.2 試驗方法

1.2.1樣品預(yù)處理

伊利石和鉀長石2種礦物、蒸餾水均采用蒸汽滅菌處理，滅菌溫度120 ℃，時長30 min，壓力120 kPa。2種礦物粉分別裝入直徑90 mm的玻璃培養(yǎng)皿中，20 g/個。每份樣品分別加入田間最大持水量70%的蒸餾水，分別進(jìn)行接菌和接滅活菌2種處理，記為K和CK。其中，蒸餾水中解鉀細(xì)菌菌液或滅活菌液添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，供試菌液在440 nm 波長下的光密度(OD)為0.12。待浸潤均勻，封口膜密封保持水分恒定，放入恒溫生化培養(yǎng)箱30 ℃恒溫靜置培養(yǎng)7 d 后，樣品自然陰干，4 ℃冷藏待測。以上操作均在無菌試驗室進(jìn)行。

1.2.2鉀的吸附動力學(xué)試驗

稱取經(jīng)預(yù)處理后的陰干樣品伊利石和鉀長石，每份2.500 g，放入100 mL聚乙烯離心管中，加入鉀質(zhì)量濃度為60 mg/L的0.01 mol/L CaCl2溶液50 mL，在25 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩2 h，靜置平衡12 h，搖勻離心，傾出上清液測定鉀質(zhì)量濃度，記為Ct。再向離心管加入50 mL上述CaCl2溶液，重復(fù)上述操作至基本平衡，累計時間120 h。每種處理設(shè)3個重復(fù)。

鉀的吸附量Δqt=(C0-Ct)V/m，式中，Δqt為樣品在某段時間的鉀吸附量，mg/kg;V為平衡溶液體積，mL;C0和Ct分別為鉀的初始溶液質(zhì)量濃度和t時間吸附后平衡溶液質(zhì)量濃度，mg/L;m為樣品質(zhì)量，g。將各時間段樣品鉀吸附量Δqt按時間順序逐一累加，即為各時刻的鉀累積吸附量。

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測定上清液K質(zhì)量濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用一級動力學(xué)方程、拋物線方程、Elovich方程和指數(shù)方程進(jìn)行鉀元素的吸附動力學(xué)模型擬合。利用Vt=A+Blnt方程擬合鉀元素吸附速率隨時間的變化過程。利用Elovich方程擬合分析鉀元素吸附固定的不同反應(yīng)階段。

2 結(jié)果與分析

2.1 解鉀細(xì)菌對黏土礦物隨時間變化的鉀吸附量的影響

解鉀細(xì)菌對伊利石、鉀長石鉀的吸附動力學(xué)過程的影響效果不同(圖1)。圖1是不同接菌處理的黏土礦物中鉀的吸附動力學(xué)曲線。

由圖1可知：隨著反應(yīng)時間增加，鉀的累積吸附量逐漸增加，在84 h伊利石對鉀的吸附基本達(dá)到平衡，而鉀長石在108 h達(dá)到平衡。在反應(yīng)初始階段(0～12 h),伊利石和鉀長石各處理的累積吸附量差異不顯著。當(dāng)反應(yīng)時間大于12 h后，伊利石的鉀累積吸附量接菌處理大于接滅活菌處理，且差異顯著;鉀長石接菌處理和接滅活菌處理鉀的累積吸附量無顯著差異。接菌處理伊利石最終累積吸附量大于2種接菌處理的鉀長石，且差異顯著。結(jié)果表明，與鉀長石對比，伊利石鉀的吸附平衡時間更短、鉀的累積吸附量更大，解鉀細(xì)菌對伊利石鉀的累積吸附量促進(jìn)作用顯著。因此，伊利石比鉀長石更利于鉀的吸附，解鉀細(xì)菌作用進(jìn)一步提高伊利石對鉀的吸附能力。

這一結(jié)果可能與伊利石和鉀長石的礦物結(jié)構(gòu)有關(guān)。與鉀長石具有架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)不同，伊利石具有典型的層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，為土壤鉀元素提供豐富的吸附點位，包括礦物表面p位、礦物晶片邊緣e位以及礦物層間i位等，利于鉀元素吸附固定[20]。同時，層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)也為解鉀細(xì)菌代謝活動提供了充足的營養(yǎng)來源和活動場所[21]。

2.2 鉀元素吸附固定過程的動力學(xué)模型

Sparks等用雙常數(shù)方程描述2種土壤鉀鈣交換過程,Martin等將一級擴(kuò)散方程、Elovich方程、拋物擴(kuò)散及零級方程用于非交換性鉀的釋放,薛泉宏等將上述模型和一級反應(yīng)方程用于黃土性土壤交換鉀吸附、解吸過程,獲得了理想的擬合效果[8]。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，最終選用一級動力學(xué)方程、拋物線方程、Elovich方程和指數(shù)方程進(jìn)行擬合，擬合效果見表2。綜合比較相關(guān)系數(shù)R、相對系數(shù)R2、標(biāo)準(zhǔn)誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)誤差，不同接菌處理的伊利石吸附動力學(xué)過程對指數(shù)方程擬合效果最佳，鉀長石擬合效果最佳的動力學(xué)模型是一級動力學(xué)方程，兩種礦物均對Elovich方程和拋物線方程擬合效果最差。結(jié)果還表明，解鉀細(xì)菌對兩種礦物的鉀吸附固定過程的動力學(xué)模型無顯著影響。

圖1 不同處理黏土礦物中鉀的吸附動力學(xué)曲線Fig.1 Potassium adsorption kinetics curves of clay minerals with different treatments

表2 鉀元素吸附固定的4種動力學(xué)模型
Table 2 Four kinds of kinetic models of potassium adsorption

處理類型一級動力學(xué)方程ln(1-q/q∞)=KαtRR2SeRse/%拋物線方程q/q∞=A+Bt1/2RR2SeRse/%Elovich方程q=Bln t+ARR2SeRse/%指數(shù)方程ln q=Bln t+ARR2SeRse/%鉀長石-CK0.980.960.230.060.990.999.612.450.990.999.362.390.990.990.030.01鉀長石-K0.950.910.440.10 0.990.9910.382.450.990.9813.013.070.990.990.030.01伊利石-CK0.990.980.240.050.940.8824.00 5.340.980.9613.543.010.970.940.050.01伊利石-K0.950.890.640.110.970.9426.944.790.990.9814.012.490.980.970.050.01

注:Se為標(biāo)準(zhǔn)誤差;Rse為相對標(biāo)準(zhǔn)誤差。下同。

上述結(jié)果說明伊利石和鉀長石鉀的吸附動力學(xué)過程比人們預(yù)想的更為復(fù)雜，這種復(fù)雜性可能是伊利石和鉀長石的礦物結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。鉀長石屬于架狀結(jié)構(gòu)的礦物，對鉀元素的吸附作用主要依靠礦物表面的吸附，即當(dāng)反應(yīng)發(fā)生在p 位(礦物表面)上時,反應(yīng)主要受控于膜擴(kuò)散形式,符合一級動力學(xué)方程。而伊利石對鉀元素的吸附點位多樣，包括P位、e位和i位，依次為礦物表面、礦物晶片邊緣和礦物層間。因此，伊利石對鉀的吸附動力學(xué)過程更復(fù)雜，更符合指數(shù)方程[20]。

2.3 鉀元素吸附固定速度與時間的數(shù)學(xué)模型

解鉀細(xì)菌對不同黏土礦物吸附動力學(xué)的影響不僅體現(xiàn)在累積吸附量的變化，還包括吸附動力學(xué)過程的影響(表3)。不同時段2種處理的伊利石和鉀長石鉀的吸附固定速度顯著不同。鉀的吸附固定平均速度由大到小依次為接菌伊利石>接滅活菌伊利石>接菌鉀長石>接滅活菌鉀長石。因此，解鉀細(xì)菌顯著提高了伊利石和鉀長石鉀的吸附固定速度。

對比各時段鉀的吸附固定速度，接菌處理的伊利石在達(dá)到平衡時間之前的吸附固定速度顯著高于其它3種處理。接菌伊利石在84 h之后時段吸附速率顯著降低，表明此時段已基本達(dá)到平衡。接滅活菌伊

表3 不同時段黏土礦物鉀的吸附固定速度和平均速度
Table 3 Potassium adsorption fixed velocity and averagevelocity of clay minerals at different times

時段/h鉀長石-CK鉀長石-K伊利石-CK伊利石-K0～1213.5715.4819.3121.5112～245.533.816.188.2524～362.213.283.414.1536～482.313.072.433.9348～602.472.982.363.3160～722.252.421.433.1872～841.731.750.202.1184～961.611.380.150.3396～1080.800.850.150.11108～1200.150.320.130.03平均速度3.263.533.584.69

注:鉀長石-CK，鉀長石-K，伊利石-CK，伊利石-K單位為mg/(kg·h)。

利石的吸附速率在72 h之后顯著下降，即在72 h達(dá)到基本平衡。接菌處理鉀長石各時段吸附速率大于接滅活菌處理，僅在12～24，84～96 h 兩個時段接滅活菌處理大于接菌處理。解鉀細(xì)菌對鉀長石鉀的吸附平衡時間無顯著影響。因此，解鉀細(xì)菌通過提高伊利石鉀的吸附速率、延長鉀的吸附平衡時間，從而最終提高伊利石鉀的吸附量。解鉀細(xì)菌通過提高鉀長石鉀的吸附速率，從而提高鉀長石鉀的吸附量，但不同時段對吸附速率的提高效果不穩(wěn)定。

鉀元素吸附固定速率隨時間變化過程可利用Vt=A+Blnt方程擬合[8]，擬合效果見表4。伊利石吸附速率和lnt的相關(guān)性最強(qiáng)，擬合效果最佳;鉀長石的擬合效果較差。對比速率方程的B值，接菌伊利石>接滅活菌伊利石>接菌鉀長石>接滅活菌鉀長石。這說明解鉀細(xì)菌作用提高了伊利石吸附速度隨時間的降低速率，伊利石吸附速度隨時間的降低速率比鉀長石更快，這一點在表3中也可以得到印證。

表4 鉀元素吸附速度和時間lnt的數(shù)學(xué)模型
Table 4 Mathematical models lntand potassiumadsorption velocity

處理類型ABRSeRse/%鉀長石-CK22.261-4.755-0.8971.818 013.402 2鉀長石-K24.089-5.145-0.8682.292 914.810 5伊利石-CK32.426-7.221-0.9042.657 713.760 9伊利石-K36.911-8.064-0.9232.611 112.137 3

2.4 鉀元素吸附固定過程的快、中、慢反應(yīng)階段

采用擬合效果最差的Elovich方程擬合伊利石和鉀長石鉀的吸附固定過程，可以顯示反應(yīng)速率明顯不同的2～3個吸附階段[8](圖2)。接菌和接滅活菌處理伊利石、鉀長石的鉀吸附動力學(xué)過程均可以劃分為快、中、慢3個反應(yīng)階段。每個反應(yīng)階段的平衡常數(shù)B、反應(yīng)時間和吸附量及其所占比例見表5。接菌伊利石在快速階段和中速階段的吸附量占近99%，高于接滅活菌處理(93.7%);但是吸附時間比接滅活菌處理延長總時長的10%。接菌處理和接滅活菌處理鉀長石的3個階段的吸附時間無顯著差異。僅在中速階段和慢速階段，鉀長石接菌處理吸附量高于接滅活菌處理，而快速階段鉀長石接滅活菌處理大于接菌處理。綜上所述，由于伊利石層狀結(jié)構(gòu)的先天優(yōu)勢，為解鉀細(xì)菌提供充分的活動場所和營養(yǎng)元素，解鉀細(xì)菌對伊利石礦物結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和形貌的改造強(qiáng)烈，因此解鉀細(xì)菌對伊利石鉀的吸附動力學(xué)過程的影響作用顯著高于鉀長石[21]。

圖2 鉀的吸附固定Elovich方程曲線Fig.2 Curves of Elovich equation of potassium adsorption and fixation

表5 鉀吸附過程的不同反應(yīng)階段(Elovich方程)
Table 5 Different reaction stages of adsorption process

注:Bi為每個反應(yīng)階段的平衡常數(shù);ti為每個反應(yīng)階段所需平衡時間;ti占比為每個反應(yīng)階段的平衡時間占反應(yīng)總時間的百分比;qi為每個反應(yīng)階段達(dá)到吸附平衡時的鉀的吸附量;qi占比為每個反應(yīng)階段的吸附量占總吸附量的百分比。

3 討 論

3.1 伊利石和鉀長石鉀的吸附動力學(xué)過程的差異

蒙東草原常見富鉀礦物為伊利石、伊蒙混層礦物、鉀長石等，土壤總鉀量高達(dá)2 000 mg/kg，但是植物可利用的交換性鉀含量不超過80 mg/kg，土壤鉀元素利用率很低[1]。土壤中的氮、磷、鉀等多種元素是植物生長必須的主要營養(yǎng)元素，這些營養(yǎng)元素在土壤中以不同形式存在。其中，有一部分被土壤黏土礦物吸附的土壤養(yǎng)分在一定條件下更易被釋放，供植物生長所需[22]。因此，土壤黏土礦物對土壤養(yǎng)分的吸附和釋放能力在植物生長中具有重要作用。土壤黏土礦物對鉀元素的吸附能力主要體現(xiàn)在鉀元素淋濾作用強(qiáng)烈的土壤中，這種吸附性可以有效減少土壤鉀元素的淋濾，對土壤保持肥力具有重要意義[20]。土壤黏土礦物對鉀元素的釋放解吸能力表現(xiàn)在土壤貧瘠，所供植物生長的養(yǎng)分缺乏時，黏土礦物及時釋放鉀元素，為植物生長提供源源不斷的營養(yǎng)元素，緩解土壤肥力不足的問題[23]。土壤吸附動力學(xué)過程主要包括累積吸附量、吸附平衡時間、吸附速率、吸附過程的動力學(xué)模型等。袁東海等[24]通過磷等溫吸附解吸試驗表明不同黏土礦物對磷素的吸附量顯著不同，主要取決于鈣含量和膠體氧化鐵及氧化鋁的含量，而pH、陽離子交換量和比表面積對磷的吸附量影響較小。土壤鉀元素的吸附動力學(xué)過程主要與土壤類型、溫度、施肥種類和方式、農(nóng)藝方式等因素有關(guān)。在本文研究中，對比鉀長石，伊利石通過提高吸附速率、在較短的平衡時間內(nèi)達(dá)到較高的累積吸附量。這說明土壤鉀元素的吸附動力學(xué)過程與土壤礦物種類有關(guān)。這與李娜等[20]的研究結(jié)果一致，表明土壤鉀元素通過黏土礦物多樣化的吸附點位吸附固定在土壤顆粒中。MAGNUS Simonsson等[25]通過長期田間試驗研究，結(jié)果表明，土壤2:1型黏土礦物在土壤鉀的釋放和固定過程中起到非常重要的作用，XRD曲線表明伊利石(001)晶面層間距會隨著鉀元素的吸附固定顯著增大，而且伊利石蒙脫石化的程度阻礙了伊利石對鉀元素的固定作用。這一研究結(jié)果對蒙東草原大量伊蒙混層礦物在土壤鉀肥管理中的作用具有重要啟示。

3.2 解鉀細(xì)菌對2種富鉀礦物鉀的吸附動力學(xué)過程的影響作用差異

解鉀細(xì)菌是一種低廉、綠色的微生物菌劑，可以通過酸解作用、螯合作用、陽離子交換反應(yīng)和有機(jī)酸產(chǎn)物等作用，釋放黏土礦物中植物不能直接利用的K+，Mg2+和Si4+等元素，提高土壤肥力水平[26]。尚海麗等[13-14]的研究表明，在玉米生長條件下，解鉀細(xì)菌促進(jìn)了鉀元素向上遷移，提高土壤固鉀能力，并促進(jìn)玉米對鉀元素的吸收積累。本文試驗結(jié)果表明，解鉀細(xì)菌提高了伊利石鉀的累積吸附量，提高伊利石鉀的吸附固定速率，并且延長了伊利石對鉀的吸附時間。解鉀細(xì)菌對鉀長石鉀的吸附動力學(xué)過程無顯著影響。根際微生物通過分泌檸檬酸、有機(jī)酸等代謝成分，影響土壤礦物對鉀元素的釋放過程，前人的研究結(jié)果表明，施用G.m真菌菌劑，對鉀長石的釋鉀作用無顯著效果，而作為具有典型層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)的黑云母，釋鉀效果顯著[10]。因此，微生物對土壤鉀元素吸附動力學(xué)過程的影響，主要作用于黏土礦物，這與黏土礦物具有層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)有關(guān)[27]。LIAN Bin等[9]在研究喜溫真菌Aspergillusfumigatus對含鉀礦物的釋鉀作用中表明，Aspergillusfumigatus通過溶解有機(jī)配體的絡(luò)合作用、固定的生物聚合物、生物細(xì)胞和礦物顆粒的物理接觸形成的機(jī)械張力等3種途徑促進(jìn)礦物鉀的釋放。綜上所述，解鉀細(xì)菌不僅促進(jìn)黏土礦物釋鉀，而且通過提高黏土礦物鉀的吸附速率、延長吸附平衡時間，最終促進(jìn)黏土礦物對鉀的吸附固定能力。因此，解鉀細(xì)菌在開發(fā)東草原黏土層土壤肥力、促進(jìn)黏土層作為替代熟土的過程中具有積極意義。

4 結(jié) 論

(1)伊利石鉀的累積吸附量顯著大于鉀長石，而吸附平衡時間較短。

(2)解鉀細(xì)菌顯著提高伊利石對鉀的累積吸附量，使伊利石鉀的吸附時間延長10%，且提高伊利石對鉀的平均吸附速度。

(3)解鉀細(xì)菌對鉀長石鉀的吸附動力學(xué)特征的影響不顯著。