低分子量有機酸對土壤鉀釋放的動力學分析

張 博，李佳穎， 李洪臣*

(1.三門峽市煙草公司陜州分公司，河南三門峽 472000；2.河南省煙草公司三門峽市公司，河南三門峽 472000)

低分子量有機酸對土壤鉀釋放的動力學分析

張 博1，李佳穎2， 李洪臣2*

(1.三門峽市煙草公司陜州分公司，河南三門峽 472000；2.河南省煙草公司三門峽市公司，河南三門峽 472000)

[目的]充分利用土壤礦物態鉀，提高土壤供鉀能力。[方法]研究低分子量有機酸乙酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸、草酸對土壤鉀釋放的影響。[結果]土壤鉀釋放分為快速釋放(0～100 h)和穩定釋放(100 h后)2個階段，其中快速釋放階段的鉀釋放速度快，單位釋放量大，持續時間較短；穩定釋放階段的鉀釋放較慢，單位時間鉀釋放量較小，持續時間長。土壤鉀釋放動態曲線接近對數方程和冪函數方程，擬合效果較好，與拋物線方程擬合效果較差。[結論]有機酸活化土壤鉀能力從大到小依次為草酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸、乳酸。

土壤；鉀釋放；有機酸；動力學

我國北方地區土壤鉀含量比較豐富，大部分鉀是礦物態鉀，占土壤全鉀的90%～98%，短期內很難被吸收利用，因此我國煙田土壤呈缺鉀或嚴重缺鉀狀態[1]。研究表明，缺鉀脅迫環境會誘導植物根系大量分泌檸檬酸、草酸、蘋果酸等低分子量有機酸[2-4]，這些有機酸釋放到土壤，通過酸化、配位交換和還原作用活化土壤礦物態鉀[5-7]，促進鉀的有效釋放，進而促進植物對鉀的吸收[8]。因此，探索低分子量有機酸對土壤鉀的活化效果對于降低農業肥料投入成本具有重要意義。鑒于此，筆者研究了低分子量有機酸對土壤鉀釋放

的影響，旨在為充分挖掘煙草和土壤本身固有潛力及實現自然資源充分利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試土壤為壤質潮土，取樣深度為耕作層0～20 cm，基本理化性質：有機質含量10.14 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，速效磷含量36.12 mg/kg，速效鉀含量132.25 mg/kg，堿解氮含量75.35 mg/kg，pH 7.85。

供試有機酸包括草酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸、乳酸，均為分析純試劑。各有機酸性質見表1。

表1 供試有機酸性質

注：KA為平衡解離常數。

Note:KAis the equilibrium dissociation constant.

1.2 試驗設計 供試土壤磨碎過40目篩，高壓滅菌，風干。稱取2.50 g供試土壤于50 mL三角瓶中，分別加入濃度為0(CK)、25、50、100、200、400 mmol/kg的有機酸溶液至土壤最大含水量的60%。滴加適量氯仿抑制微生物的活動，搖勻，振蕩5 min，置于25 ℃恒溫培養箱中培養48 h。稱重法保持土壤水分恒定。試驗共設25個處理，以蒸餾水作為對照(CK)，每處理3次重復。48 h后將溶液過濾，測定濾液中鉀含量。按照上述方法，設定有機酸濃度為200 mmol/kg，培養時間為6、12、24、48、96、180、360、720 h，分別在設定培養時間測定溶液中的鉀含量。

2 結果與分析

2.1 有機酸對土壤鉀含量的影響 由表2可知，與CK相比，5種有機酸均能明顯促進土壤鉀的釋放，且隨有機酸濃度的增大，土壤鉀含量呈增加趨勢。有機酸濃度為25 mmol/kg時，草酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸、乳酸處理中，土壤鉀含量分別是CK的2.83、2.59、2.15、1.93、1.66倍；有機酸濃度為400 mmol/kg時，有機酸處理的土壤鉀含量分別是CK的4.52、4.16、3.55、3.07、2.94倍。可見，5種有機酸活化土壤鉀的能力從大到小依次為草酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸、乳酸，不同濃度有機酸處理間均呈顯著差異。

表2 不同處理對土壤鉀含量的影響

注：同列不同大、小寫字母表示處理間在0.01、0.05水平差異顯著。

Note:Different capital letters and lowercases in the same column indicated significant differences at 0.01 and 0.05 levels,respectively.

2.2 土壤礦物鉀釋放動力學 從圖1可以看出，隨著浸提時間的延長，土壤鉀積累量逐漸增大。土壤鉀釋放分為2個階段，即快速釋放階段和穩定釋放階段。浸提0～100 h為快速釋放階段，是以離子形式存在于土壤溶液和土壤膠體的鉀通過擴散和離子交換進入溶液的過程，該階段鉀釋放速度快，單位時間釋放量大，持續時間相對較短。浸提100 h后為穩定釋放階段，是礦物鉀在多種因素作用下，發生水解和絡合反應，O—M 鍵和O—Si鍵斷裂，礦物鉀表面晶格結構變化，以離子狀態的鉀釋放到土壤中。該階段鉀的釋放速度相對較慢，單位時間內鉀的釋放量相對較小，但持續時間較長，最后達到穩定狀態，是一個緩慢的過程。

對土壤鉀含量用Elovich方程、拋物線擴散方程、雙常數曲線方程擬合，結果見表3。由表3可知，土壤鉀釋放動態曲線接近對數方程和冪函數方程2種曲線。Elovich方程判定系數(R2)為0.886～0.994，雙常數方程的R2為0.871～0.992，達到顯著水平，擬合效果較好。拋物線擴散方程的R2為0.834～0.960，擬合效果相對較差。

圖1 不同有機酸對土壤鉀積累量的影響Fig.1 Effects of different organic acids on potassium accumulation in soil

有機酸種類TypesoforganicacidsElovich方程Elovichequationy=a+blntR2ab拋物線擴散方程Parabolicdiffusionequationy=a+bt0．5R2ab雙常數方程Doubleconstantequationy=atbR2ab草酸Oxalicacid0．97975．6136．550．849197．545．720．958125．710．14檸檬酸Citricacid0．994153．7342．380．853156．654．630．94199．740．18蘋果酸Malicacid0．960106．4848．540．834203．746．450．992166．150．13乙酸Aceticacid0．971141．3638．540．908148．237．140．882143．350．22乳酸Lacticacid0．88646．7153．540．960137．754．420．871134．610．21蒸餾水(CK)Distilledwater0．95766．4836．210．871104．455．540．963104．120．17

3 結論與討論

(1)根系分泌物中低分子量有機酸可通過酸化作用、配位交換作用和還原作用溶解轉化土壤中的礦物鉀，促進鉀釋放，提高生物有效性[9]。有機酸有多個配基，可與礦物表面鋁、硅及其他多種金屬原子形成配合物，促進土壤中含鉀礦物表面的鋁風化[10]。一般來說，有機酸對鋁的絡合常數越大，活化土壤礦物鉀的能力越強，但有機酸活化鉀的能力與其絡合能力大小并不完全一致。該研究表明，5種有機酸活化土壤鉀的能力從大到小依次為草酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸、乳酸。草酸活化土壤鉀的能力大于檸檬酸，這是由于草酸絡合能力和水解能力均較強，檸檬酸具有較強的絡合能力，但水解能力較弱，導致活化土壤鉀能力弱于草酸。乙酸、乳酸為一元酸，絡合能力和水解能力均較弱，活化土壤鉀的能力較低。

(2)有機酸作用下，土壤鉀的釋放具有明顯的階段性，分為快速釋放和穩定釋放2個階段。土壤鉀釋放與Elovich方程和雙常數方程擬合較好，能直觀地反映出土壤鉀釋放的過程。參考文獻

[1] 曹志洪，周秀如，李仲林，等.我國煙葉含鉀狀況及其與植煙土壤環境條件的關系[J].中國煙草科學，1990(3)：6-13.

[2] 馬斯納H.高等植物的礦質營養[M].曹一平，陸景陵，譯.北京：北京農業大學出版社，1991：270-274.

[3] KRAFFCZYK I，TROLLDENIER G，BERINGER H.Soluble root exudates of maize：Influence of potassium supply and rhizosphere microorganisms[J].Soil biology and biochemistry，1984，16(4)：315-322.

[4] JONES D L.Organic acids in the rhizosphere：A critical review[J].Plant and soil，1998，205(1)：25-44.

[5] 張福鎖.土壤與植物營養研究新動態[M].北京：北京農業大學出版社，1992：64-70.

[6] 曹享云.營養脅迫與根系分泌物[J].土壤學進展，1994，22(3)：27-33.

[7] 袁可能.植物營養元素的土壤化學[M].北京：科學出版社，1983：166-220.

[8] HOEKENGA O A，VISION T J，SHAFF J E，et al.Identification and characterization of aluminum tolerance loci inArabidopsis(Landsberg erect×Columbia)by quantitative trait locus mapping.A physiologically simple but genetically complex trait[J].Plant physiol，2003，132(2)：936-948.

[9] 陳凱，馬敬，曹一平，等.磷虧缺下不同植物根系有機酸的分泌[J].中國農業大學學報，1999，4(3)：58-62.

[10] 徐仁扣.有機酸對酸性土壤中鋁的溶出和鋁離子形態分布的影響[J].土壤，1998(4)：214-217.

Dynamics Analysis of Low Molecular Weight Organic Acids on Soil Potassium Release

ZHANG Bo1，LI Jia-ying2, LI Hong-chen2*

(1. Shanzhou Tobacco Company of Sanmenxia City，Sanmenxia, Henan 472000; 2. Sanmenxia Tobacco Company of Henan Province, Sanmenxia, Henan 472000)

[Objective] The aim of the study was to use mineral soil potassium, and improve soil potassium supplying capacity.[Method] The effects of low molecular weight organic acids of acetic acid, lactic acid, malic acid, citric acid, oxalate on soil potassium release were studied. [Result] Soil potassium release included quick release(0-100 h) and stable release (after 100 h). In fast release phase, potassium released speed, and released large units with short duration. In released phase, slow released potassium, potassium emission per unit time was small, long duration. Dynamic curve of soil potassium released in nearly logarithmic equations and exponential equations fitted better with the parabolic equation was poor. [Conclusion] The order of organic acid activating soil potassium capacity was by oxalic acid, citric acid, malic acid, acetic acid, lactic acid.

Soil; Potassium release; Organic acids; Dynamics

河南省煙草公司科技攻關項目(HYKJ201103)。

張博(1987-)，男，河南洛陽人，助理農藝師，從事煙葉生產研究。*通訊作者，助理農藝師，碩士，從事煙草品種選育研究。

2016-10-31

S 158

A

0517-6611(2016)35-0140-03