粘土矿物对农田土壤保肥性能的研究

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

我国土壤施用的化学肥料在近30年来的消耗量持续增长，2007年国内消耗量已相当于世界范围内的35%左右[1]，但其增施带来的增产效应却相应较低，现有的氮磷钾肥利用率仅分别为10.8%～40.5%、7.3%～20.1%、21.2～35.9%，均远低于农业发达国家的利用水平[2-4]，粘土矿物储量丰富，天然环保，利用其良好吸附性能及巨大比表面积，在改善肥料性状的同时，发挥其较好的保肥效应，缓解困扰农业发展多年的化学肥料流失问题，因此深入探讨农田土壤氮磷钾肥缓释、控释的有效手段意义重大。

1 材料与方法

1.1 试验材料

取土自成都平原内某农田土壤表层20cm内，该区域属四川盆地，将试验用土挑选出残枝落叶、大块石头等杂物，自然风干后，研磨过10目筛，混合均匀后供试。粘土矿物膨润土采购自储量丰富的山东省。

1.2 试验设计

以碳酸氢铵(0.056g)、硝酸钠(0.06g)、磷酸氢二钠(0.1g)、氯化钾配(0.03g)制N-P-K液体复合肥，将其与土壤(200g)、土壤(200g)/粘土(4g)混合均匀后于反应装置里养护3天，用配制模拟雨水淋洗，每条件设置2个平行样，每装置下方设置一接收器，每收集100mL滤液后取样测定该滤液中总氮、总磷、总钾含量，各作用条件设置不投加液体复合肥空白对照组，后续数值均为扣除空白对照后结果。

1.3 测定方法

总氮：碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法；总磷：钼锑抗分光光度法；氨氮：纳氏试剂光度法。

2 结果与分析

分析图1可发现，随着淋滤雨水的增多，总氮和总钾的整体淋出率也随之上升，且总氮最终淋失量占到添加氮素总量的90%左右，总钾流失问题不如氮肥严重，表明淋溶是氮素和钾损失主要途径之一，与姚璐等人研究结果较一致[1]。与氮素的释放曲线相比，磷素累积淋出率明显偏低，初步说明淋溶并不是造成磷素利用率低下的主要原因，这也符合众多前人观点[1,7]。由图1可知，各肥料的淋失容易程度为：氮肥>钾肥>磷肥。

孙军益等[5]发现流失的氮素中硝酸盐态氮贡献率达到70%～86%，这造成了土壤中氮素流失率的偏高。膨润土为多孔性粘土矿物，永久负电荷丰富，具有良好的阳离子交换性能和比表面积，一方面提高了土壤对阳离子的吸附能力，另一方面也增多了土壤中对氮素作用的吸附点位，提升了两者的作用强度，但其所带正电荷量十分有限，因此对阴离子型的硝酸盐态氮素交换吸附能力差，很大程度影响了膨润土对氮素保肥性能的发挥。

图1 总氮、总磷及总钾释放曲线图

粘土矿物膨润土为多孔性吸附物质，比表面积发达，永久负电荷丰富，CEC极高，在投加到土壤后，使得Bent中吸附性无机矿物胶体增加，土壤阳离子交换吸附量提高，一方面，溶液中钾离子会与粘土中的阳离子如Ca2+、H+等发生吸附交换作用，使得钾被淋洗出的难度加大[6]；另一方面，膨润土还有着特殊的晶体结构，部分钾离子会进入到膨润土的矿物晶格里面从而变成了缓效性的钾，也称为闭蓄态的非交换性钾[7]，当土壤溶液中钾离子浓度降低或其他比钾更为活泼的阳离子较多时，膨润土吸附的钾则会重新释放至水溶液中，使得整个淋洗阶段都保持较均匀的钾肥释放速率，在保证较低淋失率的同时，也保证了对作物肥效的持续供给，较好达到了钾素的保肥性能。

当配制好的Na2HPO4溶液投加至土壤后，磷酸根会首先与胶体发生迅速的离子交换反应，经较长时间的相互作用后，被吸附的磷酸根逐步同土壤/矿物中的碳酸钙、氧化物等物质发生化学反应，与土壤的吸持力逐步加强，导致在淋洗初期阶段，淋失率偏低。供试土壤本身有一定的阳离子交换能力，其内部吸附有较多的阳离子如Na+、K+，在淋洗量增加条件下，磷酸钙等沉淀物质电解出的Ca2+浓度提高，土壤利用其内部的Na+、K+等阳离子与溶液中的Ca2+发生交换作用后，间接促使了磷酸钙溶解速率的增快，潘炎烽等利用红外光谱发现经膨润土与磷酸钙的作用后，PO43-会与溶液中的水分子发生反应，生成易溶物质H2PO4-/HPO42-，从而进一步促进磷肥的溶解释放[8]。相比CK，Bent中的膨润土具有更高的阳离子交换能力，与磷酸钙中的Ca2+交换更加充分与频繁，使得其在后期的释放能力优于CK，从而以促进磷肥溶解的方式在一定程度上优化了土壤对磷的保肥性能。

3 结论

(1)天然土壤在模拟雨水的淋洗作用下，各肥料的淋失容易程度为：氮肥>钾肥>磷肥，初步表明淋溶是土壤氮、钾肥利用率低下的主要原因，而造成磷肥利用率低下的主要原因则是源于土壤对磷的固定。

(2)在氮磷钾肥的淋溶试验中，膨润土凭借其良好的阳离子交换性能，对钾肥表现出了最好的缓释效果，受阴离子型肥料硝酸盐氮的影响，膨润土对氮肥的缓释效果相对偏低，而对磷肥则起到了一定的促释作用，总体上提高了土壤的保肥性能。