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

        2022-12-04 09:43:08吳瑤瑤廖宗文沈彥汐蔡燕飛
        肥料與健康 2022年3期
        關(guān)鍵詞:鉀長石淋溶氯化鉀

        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)

        我國是農(nóng)業(yè)大國,對鉀肥的需求量很大,但50%的鉀肥鉀鹽依賴進(jìn)口[1]。我國可溶性鉀礦資源短缺,鉀長石和云母等難溶性鉀礦資源豐富[1-2],因此充分開發(fā)和利用難溶性鉀礦資源成為我國一項重大的課題。目前,高溫煅燒法是國內(nèi)外利用鉀長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]對煅燒溫度進(jìn)行研究,將溫度降至900 ℃,鉀長石仍能保持同樣的活化效果。在此基礎(chǔ)上,本文通過對溫度、研磨時間等因素的調(diào)整優(yōu)化,在煅燒溫度200 ℃條件下獲得預(yù)期的效果,并通過有效性的化學(xué)測定和玉米盆栽試驗驗證其肥效,為促進(jìn)鉀長石等非水溶性鉀礦資源的綠色低碳開發(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)場土,風(fēng)干后過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)。

        1.3 活化劑種類、用量與研磨時間試驗

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

        活化試驗共設(shè)置8個處理,見表1。每個處理重復(fù)3次,其中P2C與P1A對比考察沸水浸泡活化的效果。

        表1 活化試驗處理設(shè)計

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

        1.4 活化鉀長石盆栽試驗

        玉米盆栽試驗共設(shè)8個處理,每個處理重復(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??紤]到兩種鉀源水溶性差異太大,活化鉀長石的全鉀質(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石取代50%氯化鉀,取代系數(shù)為4.6∶1,即活化鉀長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%,具體見表2。收獲時測定植株的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、全鉀含量、土壤堿解氮和速效鉀含量。

        表2 盆栽試驗處理設(shè)計

        1.5 玉米盆栽淋溶試驗

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

        1.6 數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 25.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,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、用量與研磨時間對鉀長石活化效果的影響

        不同活化處理對鉀長石活化效果的影響見圖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。試驗結(jié)果表明,隨著活化劑用量的增加或研磨時間的延長,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。這說明沸水研磨有利于活化,有望通過鍋爐余熱或者太陽能升溫來提高活化效果。

        2.2 盆栽試驗驗證

        不同活化處理的鉀長石對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大,導(dǎo)致鉀奢侈吸收有關(guān)。

        由圖7可看出,各活化鉀長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,說明活化鉀長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個活化鉀長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后期的持續(xù)供鉀能力。

        2.3 淋溶試驗

        第10天淋溶結(jié)果(見圖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個處理為T1A、T2C,表明2個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 活化鉀長石的化學(xué)有效性和盆栽生物量

        試驗結(jié)果顯示,活化鉀長石的化學(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間、溫度等綜合條件較優(yōu),因此化學(xué)活化測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)化試驗條件,有望繼續(xù)提高鉀長石的活化效果,進(jìn)而獲得增產(chǎn)。

        3.2 活化鉀長石的優(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)。

        淋溶試驗顯示,各活化鉀長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。各活化鉀長石處理中氯化鉀用量僅為CK1處理的50%,其余為活化鉀長石,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及多個活化鉀長石處理的,原因是其玉米生長較差,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優(yōu)于CK1處理的,居各處理中最高位(見圖8),因而鉀營養(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)開拓了新的技術(shù)途徑。

        3.3 應(yīng)用前景

        本文在鉀長石煅燒溫度降至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,深入研究以提高活化效果,同時適當(dāng)延長烘干時間,從而進(jìn)一步降低成本。這一技術(shù)如能實現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)和應(yīng)用,將為我國鉀長石等資源的高效低碳開發(fā)提供有力支撐。

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