生物-化学联用对钾长石的活化效果及其肥效
时间：2022-12-02 13:45:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘晓玉， 盛锡兴， 廖宗文， 林黎珍， 黎坤婷， 蔡燕飞， 陈火君
（华南农业大学资源环境学院，广州 510642）
我国是农业大国，对钾肥的需求很大[1]。我国可溶性钾矿资源短缺而难溶性钾矿资源较为丰富，如长石和云母等。近年虽然我国钾肥产量逐年上升，但仍无法满足对钾肥的需求，50%的钾肥钾盐均依赖国外进口[2]。因此，如何充分开发和利用难溶性钾矿成为解决我国水溶性钾资源匮乏的重大课题。
目前，国内外利用钾长石制备钾肥的方法主要有高温分解法、低温酸解法、低温熔盐法、微生物分解法。前3种方法通过高温煅烧、化学助剂、强酸等物理化学方式，破坏钾长石的晶体架状结构，促使钾（K）、钙（Ca）、硅（Si）、铝（Al）等元素的释放[3]。但这些工艺存在能耗大、经济成本较高、废液废渣污染大等问题。微生物分解法主要是利用解钾菌对钾长石进行活化。解钾菌，又称为硅酸盐细菌，通过产生有机酸、分泌胞外多糖等物质去分解土壤中的矿物钾，使之变为可溶性状态[4-5]。在现有报道中，采用亚历山大硅酸盐培养基筛选的解钾菌[6]，大部分溶解钾长石的能力范围为10.0 ～20.0 mg·L-1，少数超过 20.0 mg·L-1[7-11]。同时，解钾菌存在解钾周期长、效果不稳定、转化率低等短板，限制了解钾微生物的有效应用和推广[12-14]。
为了提高微生物解钾的效果，本研究提出采用解钾微生物与化学活化剂相结合的方式，在常温、常压条件下，对钾长石进行生物-化学协同活化以促进养分释放。通过探索不同的联用处理对钾长石中钾释放的影响，并通过玉米盆栽验证其肥效，旨在为促进钾长石资源的绿色开发及高效利用提供科技依据。
1.1 试验材料
1.1.1 矿物和助剂 钾长石（100 目，K2O 含量9.2%），活化剂QN（自制）。
1.1.2 供试菌株 解钾菌YC602、YC605 和YC606 均由本实验室分离获得。3 株解钾菌在亚历山大硅酸盐液体培养基中培养3 d，解钾质量浓度为 11.73～15.58 mg·L-1，与现有报道中菌株相比，解钾能力属于中上水平。
1.1.3 盆栽材料 供试土壤：采自华南农业大学树木园，pH 5.0。供试肥料：尿素，含氮（N）46.0%，购自陕西陕化煤化工集团有限公司；
氯化钾（K2O 60.0%），购自广州化学试剂厂；
过磷酸钙（P2O512.0%），购自广州化学试剂厂。供试玉米种子：华美甜9号，购自华农大种业公司。
1.2 试验方法
1.2.1 不同方法制备钾长石及钾含量测定 选取3 株解钾能力较强且稳定的解钾菌YC602、YC605和YC606 与5%活化剂QN 联用，共同活化钾长石。通过测定活化样品的水溶性钾和有效钾的含量可判定其对钾释放的效果。具体分组见表1，具体做法如下。
表1 钾长石不同制备方法的设置Table 1 Design of different method for making k-feldspar
①化学活化钾长石制备：钾长石分别加入5%QN，再加入蒸馏水研磨，于100 ℃烘干制得化学活化钾长石。
②生物活化钾长石制备：将培养至OD600为0.4的菌液接种至含有0.50 g钾长石的50 mL解钾液体培养基中，在30 ℃、180 r·min-1的摇床中培养24 h。
③生物-化学联用化学钾长石制备：将解钾菌接种至含有0.50 g 不同化学活化后的钾长石的50 mL 解钾液体培养基，在30 ℃、180 r·min-1的摇床中培养24 h。
④水溶性钾测定：化学活化法采用3 次水浸提法测定活化钾长石的水溶性钾；
生物法和生物-化学联用法，与化学活化法相同，离心取上清液后，即为滤液I；
再加入50 mL 蒸馏水浸提2 次，得滤液Ⅱ和滤液Ⅲ。
⑤有效钾测定：化学活化法采用2 mol·L-1冷HNO3提取有效钾[15]；
生物法和生物-化学联用法先将培养液于8 000 r·min-1离心 8 min，取上清液作为滤液I；
再往沉淀中加入50 mL 2 mol·L-1的HNO3浸提2 次，取出上清液作为滤液Ⅱ。采用火焰光度法测定滤液I 和滤液Ⅱ中有效钾的含量，2 次滤液中有效钾的含量加和即为有效钾总量。
1.2.2 不同活化条件优化 从QN 含量、烘干温度、水浸泡等角度研究生物-化学联用效果的影响。水溶性钾和有效钾的测定分别采取水浸提法和HNO3浸提法，做法同1.2.1的④和⑤。
①化学活化钾长石制备：钾长石分别加入一定量活化剂QN，再加入蒸馏水研磨，分别于100或200 ℃烘干制得化学活化钾长石，详见表2。
表2 不同活化优化条件设置Table 2 Design of difference activation condition
②生物活化钾长石制备与生物-化学联用化学钾长石制备方法同1.2.1。
1.2.3 活化时间对钾释放的影响 探究在不同活化时长下，生物-化学联用对钾释放的影响，于培养基中接种解钾菌，在180 r·min-1、30 ℃的条件下分别培养6、12、24 h，测定并比较不同活化时长释放的水溶性钾和有效钾含量。
1.2.4 X 射线衍射测定（XRD） 利用XRD 可以获得活化后钾长石的主峰峰型变化情况以及新矿物相生成情况，进而分析活化钾长石的结构变化与其释钾结果之间的关系[16]。取粉末样品约1.0 g进行XRD 测定。试验条件：铜靶，X 射线波长0.154 18 nm，Ni 滤波片，管压40 kV，管流40 mA，扫描步长 0.02°，扫描速度19.2 s·步-1；
发散狭缝（divergence slit，DS） 0.5 mm；
防 散 射 狭 缝（scatterproof slit，SS）8 mm，扫描角度5°～80°。
1.2.5 盆栽试验 玉米于2020年11月9日种，12月15日收样，生长期共36 d。玉米盆栽试验共9个处理，每处理4 次重复，每盆3 株。每盆装土2.5 kg，土壤高度为16 cm。各处理氮磷肥一致，N用量 150 mg·kg-1，每盆尿素用量为 0.81 g；
P2O5用量 100 mg·kg-1，每 盆 过 磷 酸 钙 用 量 为 2.09 g；
MCK1 的 K2O 按 120 mg·kg-1施入，每盆氯化钾用量为0.50 g。因为考虑到2 种钾源水溶性差异太大，活化钾长石的全钾含量仅为9.2%，而KCl 有效钾含量为60%，采用活化钾长石取代一定比例KCl，但全钾量仍低于被取代的KCl（低30%），其百分占比具体见表3。
表3 生物-化学活化钾长石玉米盆栽试验施肥方案Table 3 Bio-chemical combination of fertilization program in corn pot experiment
1.2.6 淋溶试验 于玉米生长后11、15、24 d进行淋溶试验，盆栽土壤高度为16 cm，浇水量远大于土壤田间持水量。分别浇150、150、350 mL 的水进行淋溶，静置1 h后收集滤液，记录滤液体积，采用火焰分光光度计测定滤液中的钾含量，最后计算被水淋洗淋溶的钾量。
1.3 数据处理
采用SPSS Statistics 24.0统计软件对数据进行统计分析，利用Duncan法进行差异显著性多重比较，P＜0.05时差异达到显著水平。采用GraphPad Prism 7、Origin Lab Origin Pro、Jade 6.5、Microsoft Excel 2016和Microsoft PowerPoint 2016进行作图。
2.1 不同解钾菌的化学联用对钾释放效果的影响
由图1 可知，单独化学处理（C1）水溶性钾含量为 508 mg·kg-1，生物处理（B1～B3）为 748～894 mg·kg-1，生物-化学联用处理组（U1～U3）为775～1 383 mg·kg-1。与 C1 相比，B1～B3 可有效提高钾长石释放水溶性钾的能力，而U1 与B1～B3 相比，更能有效提高水溶性钾的含量。与QN 联用，YC602 的水溶性钾含量提高了76.10%，而YC605和YC606 分别降低了11.09%和1.02%，说明不同的菌种与化学活化剂的联用效果有较大区别。
图1 不同解钾菌对钾长石水溶性钾的释放效果Fig.1 Release effects of different KSB on the water-soluble K of K-feldspar
有效钾含量结果见图2，C1处理有效钾含量为622 mg·kg-1，B1～B3 处理为 1 023～1 348 mg·kg-1，U1～U3 处 理 为 1 080～1 690 mg·kg-1。
与 C1 和B1～B3 处理相比，U1 处理显著促进了有效钾的释放。与 QN 联用，YC602、YC605 和 YC606 的有效钾含量分别提高了25.37%、15.50%和5.57%。
图2 不同活化方法钾长石有效钾的释放效果Fig.2 Release effects of under different methods on the available K of K-feldspar
综上，在活化剂QN 活化的基础上，解钾菌YC602可更高效地促进钾长石中水溶性钾和有效钾的释放。因此，选取YC602 进行生物-化学联用的优化试验。
2.2 YC602进行生物-化学联用的条件优化结果分析
由图3 可知，生物-化学联用（T1～T3 处理）后的水溶性钾累积量均达1 000 mg·kg-1以上，单独化学处理（CK1～CK3）的水溶性钾累积量仅为400～500 mg·kg-1，单独生物处理（T4）水溶性钾累积量为750 mg·kg-1。与纯化学处理和纯生物处理比较，生物-化学联用后的水溶性钾累积量显著提高，分别提升了66.67%～150.0%、33.3%。从CK1 和 CK2 结果可知，随着 QN 浓度增大，水溶性钾含量提高；
从CK2 和CK3 比较来看，采用水浸泡搅拌和提高烘干温度的方式释放钾长石中的水溶性钾，效果显著提高。
图3 不同处理下钾长石水溶性钾的活化Fig.3 Activation of water-soluble K of K-feldspar under different treatment
由图4 可知，生物-化学联用（T1～T3）后的有效钾含量达1 700 mg·kg-1以上，单独化学处理（CK1～CK3）的有效钾含量为 500～600 mg·kg-1，单独生物处理（T4）水溶性钾累积量为1 300 mg·kg-1。与纯化学处理和纯生物处理比较，生物-化学联用后明显提高了有效钾含量，分别提升了143.0%～183.0%、30.77%。随着QN 用量增大、水浸泡搅拌和提高烘干温度等方式，有效钾含量并未明显增加。
图4 不同处理对钾长石有效钾的活化Fig.4 Activation of available K of K-feldspar under different treatment
与纯化学处理和纯生物处理比较，生物-化学联用可有效提高活化钾长石的水溶性钾和有效钾的含量，其中 T1 处理（5%QN + 100 ℃烘干+YC602）提高效果最佳，故XRD 和玉米盆栽试验选用该活化方式进行。
2.3 活化时间对钾释放的影响
由图5 可见，随着活化时间的增加，水溶性钾含量呈现先减后增的情况，在培养24 h 后达到最大值，为 1 398 mg·kg-1。由图6 可知，有效钾在培养时间为 6、12、24 h 时的含量分别为1 870、2 370、2 116 mg·kg-1，在培养12 h时达到最大值。
图5 不同培养时间对水溶性钾释放的影响Fig.5 Effect of different incubation time on the release of water-soluble K
图6 不同培养时间对有效钾释放的影响Fig.6 Effect of different incubation time on the release of available K
综上，就水溶性钾而言，活化时长24 h 最佳，6 h 次之；
就有效钾而言，活化时长以12 h 最佳，24 h 次之。在生产实践中，根据对水溶性钾和有效钾比例的需求及能耗、人工的综合考虑，也可选择6 或12 h 的微生物活化时间，可以缩短活化时间，减少生产成本，同时也能获得水溶性钾和有效钾比例合适的成品。
2.4 X射线衍射测定结果
图7 为钾长石原矿X 射线衍射（XRD）图，其晶面坐标（-2，0，1）、（0，4，0）、（-2，0，4）和（-5，-3，3）与标准谱图（PDF#84-0710）相符合[17]。图8为QN 和联用处理后的钾长石的XRD 图。可以清晰地看出经过QN 处理后，钾长石相的主衍射峰发生显著变化，强度明显减弱。而QN 与解钾菌YC602 联用后，钾长石主衍射峰峰值也呈降低趋势，但降低幅度较小。表明QN 活化和联用技术能够明显降低原始钾长石的晶体完整性，增加无定形态，并且破坏矿物的三维框架结构。
图7 原始钾长石的X射线衍射图Fig.7 X-ray diffraction pattern of the original K-feldspar
同时XRD 图谱中特异性衍射峰的出现或消失一般都意味着矿物的相变[18-19]。图8 中并未出现新的衍射峰，因此经过处理后，并未生成新的矿物相。结合先前测定水溶性钾和有效钾的结果可推测，在QN 和生物-化学联用的条件下，钾长石的结构被破坏，其中的钾离子被释放出来，从难溶性转变为可溶性。
图8 活化剂和联用处理的钾长石X射线衍射图Fig.8 X-ray diffraction pattern of K-feldspar treated with activator and bio-chemical combination
2.5 不同活化钾长石对玉米生长的影响
由表4 可知，玉米的株高、地上部鲜重和干重其他处理组与MCK0 相比均有所提高。其中，T2A 的效果与 MCK2 基本持平，甚至比 MCK2 好。与CK1 相比，T1A 促生效果不明显。KCl 减半施加并采用生物-化学联用的处理组（T2A）可有效促进玉米生长。茎粗、鲜重、干重方面，T2A 分别提高了6.96%、16.58% 和 13.11%。全钾方面，MCK2 的茎叶全钾量最高，为113.18 mg。处理组中 T2A 全钾量最 高，为 95.31 mg。与 MCK1 和MCK0 相比，T2A 显著提高了玉米茎叶中的全钾量。而茎叶全钙和全镁，各处理组差异不显著。
表4 玉米农艺性状即茎叶矿物元素含量Table 4 Agricultural characteristics of corn and content of mineral element in its stem and leaf
综上所述，生物-化学联用活化钾长石可减少50% KCl 的施用量，同时有效提高土壤中钾长石的活化效果，进而促进玉米植株生长。
2.6 不同活化钾长石淋溶性分析
由图 9 可知，在第 1 次、第 2 次和第 3 次淋溶中，MCK2 被淋溶的水溶性钾总累积量最高，达到2 836.9 μg。这与KCl 易被雨水冲刷造成环境污染这一现状相符合[20]。与MCK2 相比，生物-化学联用处理组被淋溶洗出的水溶性钾都较少。结合玉米盆栽试验结果，生物-化学联用+KCl 减半施用处理组（T2A），在促进玉米植株生长、提高植株对钾素吸收等方面与MCK2 基本持平，同时具有不易被雨水淋溶损失、肥效长的优势，可有效减少化学肥料对环境造成的污染，是一种绿色环保的施肥方式。该方式为今后在生产实践中的推广运用奠定了基础，对绿色可持续农业发展也具有重要意义。
图9 不同处理下淋溶3次的水溶性钾含量Fig.9 Content of water-soluble K leached three times under different treatment
3.1 生物-化学联用是钾长石活化技术的新途径
目前钾长石的化学活化和微生物活化都有一定效果，但在活化率、活化能耗、时间、成本等方面仍然存在一些不足。目前报道的解钾菌活化钾长石需3～7 d，甚至更长时间[21-23]。继续从化学活化或微生物活化等单方面研究虽有进展，但发展空间有限。本文从生物-化学联用进行探索，突破了单一技术研究的模式。试验结果显示，这一途径的活化效果优于化学活化、生物活化等单一技术模式，在24 h 甚至更短时间内可实现高效提钾。此外，化学活化钾长石常需要高温煅烧、强酸强碱等方式来实现高效提钾，本文提出的生物-化学联用技术可在常温常压下促进钾长石中水溶性钾和有效钾的释放，降低了提钾工艺的能耗，进而降低成本，是一种有前途的钾长石资源化的新技术途径。同时优化试验结果也表明，可通过适当提高烘干温度、增加QN 的含量、水浸泡搅拌等方式来提高生物-化学联用的效果。今后，在优化活化方式的基础上进一步深入研究，还有更大的提升空间。
3.2 生物-化学联用技术制备钾长石的钾有效性分析
研究显示，生物-化学联用技术处理钾长石钾有效性显著提高，活化钾长石既有速效水溶性钾，又有长效缓效钾，对作物施用具有缓急相济的特点。一方面，化肥KCl全为速效钾，且具有易受雨水淋洗而损失的缺点；
另一方面，钾肥淋出率与土壤pH 呈负相关，与我国南方酸性土壤持钾能力弱、北方中碱性土壤持钾能力强这一现状吻合[24-25]。在南方酸性土壤和高温多雨环境下，联用技术不易被淋洗冲刷的优势尤其明显。此外，使用联用技术活化钾长石，其肥料利用率较高。在总钾量较低的情况下，其肥效能够与KCl 基本持平（表4）。联用技术不仅降低KCl的使用量，减少其对环境的污染，而且促进了玉米作物的生长，这对于实现绿色农业可持续发展具有重要意义。
3.3 生物-化学联用效果的机理分析
联用技术处理活化钾长石的钾释放和肥效的优势，与其晶格无定型化有关。经过微生物和活化剂处理的钾长石，其主衍射峰峰值急剧减小，矿物晶体向无定型转化。化学活化剂研磨使钾长石晶格受到破坏，暴露出边角破键。矿粉表面积增大，从而增大了微生物与矿物的接触面积，更有利于微生物的分泌物作用于矿物表面而促进矿物钾的活化。可见这是研磨的物理作用、活化剂的化学作用和微生物的生物作用相结合的效果，优于单一技术处理的作用效果。
本试验结果已显示，联用活化技术是很有发展前景的新技术。目前的结果仅是初步的，因此，今后将从以下几方面深入研究以进一步提高提钾水平。①筛选更优的菌种或组合菌种。本文所选用的解钾菌与目前报道的菌种相比，其解钾能力并不是最强的，但与活化剂联用后，其释放钾的能力大幅度提高。今后可继续从土壤筛选分离出更高效的解钾微生物，与多种活化剂联用共同活化钾长石，进一步提高释钾效果。②研究活化钾的水溶性钾/有效钾比例的优化。水溶性钾/有效钾比例对供钾强度和持续性有重要影响。若比例太高，则前期淋溶过度而后期供钾不足；
比例太低，则容易造成前期供钾不足。其比例的优化应与土壤质地、砂黏性和两季相结合研究做出评价。其优化比例受联用技术手段影响。今后还应进一步深入研究活化剂种类、研磨时间、摇床培养时间等技术手段对该比例的影响，以优化水溶性钾/有效钾比例，提高肥效。
