腐植酸原料对植烟土壤钾素淋溶的影响

张一扬 方丽婷 帅京彤 裴晓东

1湖南农业大学农学院 长沙 410128

2 长沙市烟草公司 长沙 410005

土壤中的营养元素随着水垂直向下移动到植物根系活动层以下部分而造成的损失称为土壤养分淋溶[1]。养分淋溶作用是导致肥料利用率降低的主要原因，同时它也会消耗土壤养分库，从而造成经济损失，严重影响农田生态环境[2，3]。钾是烟草生长中吸收最多的矿质元素，与烟叶的质量和烟草制品的安全性息息相关[4～6]，而烟草对钾肥利用率仅为24%～34%[7]。因此，减少钾素淋失量，提高钾肥利用率，在烟草种植上至关重要。

泥炭、褐煤中含有丰富的腐植酸，是规模化开发腐植酸产品的主要资源[8]。腐植酸可以改善土壤理化性质。在土壤中加入腐植酸物质，可形成较大的胶体比表面积和弱酸基团，增强对阴阳离子的物理和化学吸附交换性，降低阴阳离子的淋溶率[9]。据研究表明，腐植酸能提高钾肥的利用率[10]，对土壤钾素具有活化作用，还可以促进缓效钾等其他形态向速效钾转化[11]。枸溶性钾肥，又称钾硅肥，是用含有钾、硅以及多种元素的天然矿石为原材料，生产出的一种新型矿物钾肥[12]。枸溶性钾肥的钾素释放规律与作物需求同步，能够满足作物生长期对钾素的需求，减少钾肥的施用次数、降低使用成本[13]。

近几年，研究肥料淋溶的方法有田间观测法、数学模型法、平衡估算法和模拟土柱法等[14，15]。本研究将腐植酸原料与钾肥混合到土壤中，通过室内土柱淋洗试验，研究土壤钾素淋溶特性，监测土壤钾素迁移的动态变化，旨在减少钾肥淋溶损失量，改善土壤理化性状，提高烟叶含钾量，为提高烤烟烟叶品质提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 植烟土壤

植烟土壤采自湖南农业大学耘园基地，水稻土。前茬作物为水稻，供试土壤基本理化性状：有机质含量25.71 g/kg，pH 6.44，全氮0.06%，全磷0.04%，全钾1.74%，速效磷31.21 mg/kg，速效钾125.58 mg/kg。

1.1.2 腐植酸原料

供试腐植酸原料为草本泥炭、褐煤、木本泥炭，基本性质如表1所示。

表1 供试泥炭及褐煤的基本性质Tab.1 The basic properties of peat and lignite for test

采用日本JEOL JSM-6380LV型扫描电子显微镜扫描腐植酸原料的微观结构。从图1～图3可以看出：泥炭和褐煤主要是块状和絮状组成的团粒结构，孔隙大且很多都相互连通，数量多，结构疏松。这些微观结构决定了泥炭和褐煤具有含水率高、渗透性大、变异大等特征。通过电镜成像、孔隙色斑提取和加权孔径计算：草本泥炭的加权平均孔隙直径是0.74 μm，褐煤的加权平均孔隙直径是0.66 μm，木本泥炭的加权平均孔隙直径是0.88 μm。

1.1.3 钾肥

枸溶性钾肥（K2O 25%），由山西某公司提供；硫酸钾（K2O 54%）化学纯，市场购买。

1.2 试验设计

将一定量的腐植酸原料和钾肥混合到一定量的水稻土中，装入土柱中，在底部收集淋洗液。试验所用的土柱为内径5.0 cm，高30 cm的PVC管。每个土柱装土390 g，使用相同力度将其均匀的装入PVC管中。土柱顶部铺一层滤纸，底部铺一层石英砂和滤纸，起到减少加水对土壤的搅动影响及防止土壤渗透到淋出液中的作用。装填土柱时要将土柱边缘的土壤压实，确保无贴壁水流入渗，尽量减少管壁效应的产生。土柱装填结束后，加入足够的水使土壤达到饱和（田间持水量的70%～80%），在土壤达到饱和的后一天，用医用吊瓶向土柱中滴加100 mL蒸馏水淋洗，并收集淋出液，次日同上淋洗，在第30天、第60天、第90天、第120天、第150天及第180天收集淋出液用于分析检测，共分6个阶段完成，且每个处理3次重复。

图1 草本泥炭的微观结构Fig.1 The microstructure of herbaceous peat

各处理为：P1，土壤+1%草本泥炭（3.9 g）+枸溶性钾肥；P2，土壤+1%褐煤（3.9 g）+枸溶性钾肥；P3，土壤+1%木本泥炭（3.9 g）+枸溶性钾肥；P4，土壤+1%草本泥炭（3.9 g）+硫酸钾；P5，土壤+1%褐煤（3.9 g）+硫酸钾；P6，土壤+1%木本泥炭（3.9 g）+硫酸钾；P7，土壤+硫酸钾；P8，土壤+枸溶性钾肥；CK，土壤。其中，钾肥用量以K2O 200 mg/kg加入。

图2 褐煤的微观结构Fig.2 The microstructure of lignite

图3 木本泥炭的微观结构Fig.3 The microstructure of woody peat

1.3 取样及指标的测定方法

1.3.1 淋洗液的收集、土壤样品的采集

在第30天、第60天、第90天、第120天、第150天及第180天收集淋洗液。在第180天收集完淋洗液后，沿土柱从上往下分层采集0～10、10～20 cm高度土样（分层依据：烟草在生长过程中，有一次非常重要的中耕培土耕作环节，有利于烟草形成大量的不定根，促进烟叶品质和产量的形成，中耕培土高度为10 cm左右），晾干，过筛，保存。同时测定2个层次的土壤的全钾、速效钾、有机质、pH含量。

1.3.2 分析方法

按照鲍士旦[16]的《土壤农化分析》第三版中的方法测定土壤的基本理化性状：有机质测定采用重铬酸钾容量法——外加热法；全钾测定采用氢氧化钠，火焰光度法；速效钾采用醋酸铵浸提法。按照鲁如坤[17]的《土壤农业化学分析方法》测定土壤pH，采用pH计（雷磁pHS-3C）测定（水土比2.5∶1）。

钾素瞬时淋出率（%）=（施钾处理每次淋滤液K+总量-不施钾处理每次淋滤液K+总量）/肥料和腐植酸原料K+总量×100%。

钾素表观淋出率（累积溶出率，%）=（施钾处理前n次淋滤液K+总量-不施钾处理前n次淋滤液K+总量）/肥料和腐植酸原料K+总量×100%。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2003软件进行数据整理与绘制图表，采用SPSS 22.0进行单因素方差分析，各处理间采用Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 腐植酸原料对植烟土壤钾素淋溶特性的影响

表2为不同处理植烟土壤溶液中速效钾的累积淋失量的动态变化。由表可知，随着淋洗次数的增加，土壤速效钾的累积淋失量逐渐增多，不同处理之间均存在显著差异。P1、P2和P3（不同腐植酸原料和枸溶性钾肥配施）与P4、P5和P6（不同腐植酸原料与硫酸钾配施）相比，前者的累积淋失量较后者分别降低9.98%、13.40%和8.71%，枸溶性钾肥在腐植酸原料中较硫酸钾肥料钾素不易淋失。同样P7和P8相比，P7钾素累积淋失量是P8的1.29倍，也说明枸溶性钾肥累积淋失率低于硫酸钾。添加了不同种类腐植酸原料的P1、P2、P3处理之间也存在显著差异，P2、P3处理分别降低了10.38%和19.53%，木本泥炭有利于降低土壤速效钾的累积淋失量；同样，由P4、P5、P6处理之间差异分析也表现出同样的规律。从整体上来看，添加外源腐植酸原料对降低土壤速效钾累积淋失量顺序为木本泥炭>褐煤>草本泥炭。

表2 不同处理植烟土壤溶液中速效钾的累积淋失量的变化Tab.2 The changes of the accumulative leaching losses of available potassium in tobacco planting soil solution under different treatments mg

表3为不同处理土壤钾素淋出率的变化。由表可知，不同处理土壤钾素瞬时淋出率和表观淋出率有所变化。随着淋洗次数的增加，钾素瞬时淋出率基本呈逐渐减少的趋势，在第30天、第60天和第90天时钾素瞬时淋出率最多。钾素表观淋出率以P7最高，P5次之，其他处理都低于10%。以添加木本泥炭和枸溶性钾肥的P3处理钾素表观淋出率最小，其次是添加枸溶性钾肥的P8处理。从整体上来看，添加腐植酸原料与枸溶性钾肥的P1、P2、P3处理的钾素表观淋出率小于添加腐植酸原料和硫酸钾的P4、P5、P6处理，添加枸溶性钾肥的表观淋出率小于添加硫酸钾的处理。添加硫酸钾的处理中，添加腐植酸原料处理的钾素表观淋出率要比未添加的处理低，而添加枸溶性钾肥的处理中，仅P3比未添加腐植酸原料处理的钾素表观淋出率低。因此，施用腐植酸原料和枸溶性钾肥可以有效降低钾素表观淋出率，其中木本泥炭和枸溶性钾肥配合使用效果最好，钾素表观淋出率最低，仅为3.29%。

表3 不同处理土壤钾素淋出率的变化Tab.3 The changes of soil potassium leaching rate under different treatments %

图4为不同处理对淋出液总体积的影响。由图可知，不同处理的淋出液总体积之间有差异。添加腐植酸原料的处理淋出液总体积都在500 mL以下，P2、P3分别为469 mL和466 mL，淋出液体积较少，且处理间差异不显著；没有添加腐植酸原料的P7、P8和CK的淋出液总体积较多，以CK体积最多。从添加硫酸钾和枸溶性钾肥的处理来看，添加枸溶性钾肥的P1、P2、P3和P8处理淋出液总体积要少于添加硫酸钾的P4、P5、P6和P7处理。从整体上来看，P3淋出液总体积最少，即木本泥炭和枸溶性钾肥的组合，具有较好的保水保肥性能。

图4 不同处理对淋出液总体积的影响Fig.4 Effects of different treatments on total volume of leaching solution注：图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05），下同。

2.2 不同处理土壤钾素淋溶指标与土壤化学性质的相关性

表4为不同处理土壤经过180天淋溶后土壤全钾、速效钾、pH值和有机质含量情况。其中添加腐植酸原料处理的土壤有机质含量均高于未添加腐植酸的处理。通过对不同土壤钾素淋溶指标与土壤性质进行Person相关性分析，分析结果如表5所示。在0～10 cm的土层中，钾素表观淋出率与pH呈显著负相关；在10～20 cm土层中，钾素表观淋出率与有机质呈显著负相关，累积淋失量与全钾和速效钾呈显著或极显著负相关。从表中可以看出，pH仅与0～10 cm层的土壤钾素表观淋出率有关，且呈反比关系。10～20 cm的土壤有机质含量影响钾素表观淋出率，土壤全钾和速效钾含量是影响钾素淋失量的主要因素，随着土壤中速效钾含量的增加，钾素淋失量就越少，越有利于提高钾肥的利用率。

从以上结果可以看出，土壤酸化不利于土壤钾素累积。同样，土壤有机质含量增加有利于降低钾素淋出率。在生产上，可以通过添加腐植酸物质，改善土壤酸化，增加有机质，进而提高土壤保肥性能。

表4 不同处理土壤180天淋溶后的土壤性质Tab.4 The soil properties after 180 days leaching under different treatments

表5 土壤钾素淋溶指标与土壤性质的相关性Tab.5 The relativity between potassium leaching index of soil and soil properties

2.3 钾素淋溶对土壤不同层次养分的影响

图5为不同处理对不同层次土壤全钾的影响。由图可知，不同处理0～10 、10～20 cm层次的土壤全钾含量变化幅度不大。除P3、P4、P5土壤全钾含量是0～10 cm层次小于10～20 cm层次，其他处理均相反。在0～10 cm层次时，各处理间差异不大，全钾含量在1.49%～1.58%之间。在10～20 cm层次，P5处理土壤全钾含量最高，与P4相比差异不显著。因此，添加外源腐植酸原料对不同耕作层次土壤全钾含量影响不大。

图5 不同处理对不同层次土壤全钾的影响Fig.5 Effects of different treatments on total potassium in different soil layers

图6 为不同处理对不同层次土壤速效钾的影响。由图可知，不同处理0～10 、10～20 cm层次的土壤速效钾含量有所变化。除P2、P6、P8和CK的土壤速效钾含量是0～10 cm层次高于10～20 cm层次外，其他处理均相反。从添加的腐植酸原料来看，10～20 cm土层中以添加木本泥炭的P3和P6处理的土壤速效钾含量最高，其次是褐煤，最后是草本泥炭。添加枸溶性钾肥的P8处理土壤速效钾较添加硫酸钾的P7处理各层次间分别增加27.92%和1.97%。总之，P3处理两个层次的土壤速效钾含量最丰富，均在380 mg/kg左右，但10～20 cm土层土壤速效钾含量最高。就增加土壤速效钾含量而言，木本泥炭优于褐煤和草本泥炭，枸溶性钾肥优于硫酸钾，不同土壤层次间差异较小。P3处理有利于增加耕层土壤供钾强度。

图7为不同处理对不同层次土壤pH的影响。由图可知，0～10 cm层次的土壤pH值低于10～20 cm层次的土壤pH值。0～10 cm层次土壤pH值无显著变化，只添加硫酸钾的P7处理pH最低为6.42；10～20 cm层次的土壤pH ，P3、P5和P6处理间无明显差异，但显著低于P2处理，P7处理相比其他处理最低，且差异显著。总体而言，随着土层深度增加，土壤pH值受淋溶的影响变化幅度较小。

图6 不同处理对不同层次土壤速效钾的影响Fig.6 Effects of different treatments on available potassium in different soil layers

图7 不同处理对不同层次土壤pH的影响Fig.7 Effects of different treatments on soil pH in different soil layers

图8 为不同处理对不同层次土壤有机质的影响。由图可知，不同处理土壤有机质含量为0～10 cm层次的低于10～20 cm层次。添加腐植酸原料的处理有机质含量大小为：P3>P2>P1、P6>P5>P4，腐植酸原料与钾肥配施时，添加枸溶性钾肥的处理有机质含量高于添加硫酸钾的处理。单施硫酸钾或枸溶性钾肥有机质含量远低于腐植酸原料与钾肥配施的处理。木本泥炭与枸溶性钾肥配施的P3处理土壤有机质含量在每个层次均高于30 mg/kg。添加外源性腐植酸原料有利于增加土壤有机质含量，以P3处理效果最佳。

图8 不同处理对不同层次土壤有机质的影响Fig.8 Effects of different treatments on soil organic matter in different soil layers

3 讨论与结论

添加腐植酸原料与枸溶性钾肥处理的钾素表观淋出率小于添加腐植酸原料和硫酸钾的处理，添加枸溶性钾肥的表观淋出率小于添加硫酸钾的处理。腐植酸原料与钾肥混合对土壤养分淋溶是一个动态的变化过程，其变化会因时间、添加物本身的性质而产生一定的差异。养分淋溶主要是在溶液中发生的，腐植酸原料的添加使淋出液总体积降至500 mL以下，低于未加腐植酸原料的处理，说明腐植酸原料中丰富的孔隙结构能够提高土壤持水能力，它能够通过对水分的作用来间接影响土壤养分淋溶[18，19]；本试验中添加的3种腐植酸原料都能降低土壤钾素的淋失量，使钾素瞬时淋出率和表观淋出率最小，其中效果为木本泥炭>褐煤>草本泥炭，这可能与腐植酸原料本身的孔隙度、吸附性等有关。此外，相关研究表明，不同类型泥炭中的腐植酸含量差别较大，一般木本泥炭含量高，其次是草本泥炭[20]。巨大的比表面积和酸/碱性官能团能够通过物理化学等作用直接吸附土壤中的养分[21]。

添加枸溶性钾肥和硫酸钾的处理进行比较，添加硫酸钾的处理钾素淋出率最大。这是因为硫酸钾是以离子的形式存在于土壤中，破坏土壤中不同形态钾的平衡，当较多的钾离子进入土壤中只有少部分转化成交换性钾或被土壤固定，大部分会随着水分流失。枸溶性钾肥主要是以缓效态钾存在，当投入到土壤中只有少部分会转化成离子形态与非交换性钾，绝大部分还是以交换性钾的形式留在土壤中，只有当酸性较强时才能被释放出来[22]。

从钾素淋溶对土壤不同层次养分的影响来看，土壤全钾受淋溶影响不大。我国土壤中全钾含量一般在16.6 g/kg左右，高的可达33.2 g/kg，但绝大部分钾是固定态，不易受环境影响而被植物直接吸收利用[23]。土壤速效钾含量易受耕作和外源性条件的影响，木本泥炭和枸溶性钾肥配施能有利于增加耕层土壤速效钾供钾强度。随着土层深度增加，土壤pH值受淋溶的影响减弱。添加外源性腐植酸原料有利于增加10～20 cm土层土壤有机质含量，提升土壤保水保肥性能。刘梅堂等[24]将泥炭、褐煤等制成品加入农田土壤，也可显著提高土壤有机质含量。

腐植酸原料对添加硫酸钾土柱的土壤钾素淋出率的抑制作用较为明显，但对于枸溶性钾肥仅木本泥炭添加时土壤钾素淋出率要比仅用枸溶性钾肥的土柱小，可能是本试验所用材料为腐植酸原料，未经活化处理，对钾素的固定作用不能更好地发挥出来，因此将腐植酸原料活化后对钾素淋溶的影响还有待进一步研究。