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不同有機(jī)酸對(duì)含鉀礦物釋鉀作用的影響

2018-07-18 02:20:12朱舒亮劉勝亮楊文英李建貴
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年12期
關(guān)鍵詞:含鉀丙酮酸酒石酸

朱舒亮,劉勝亮,李 靜,楊 越,楊文英,李建貴

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)研究所,新疆烏魯木齊 830052; 2.新疆紅棗工程技術(shù)研究中心,新疆烏魯木齊 830052;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)“2612”教學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),新疆烏魯木齊 830052)

鉀是農(nóng)作物生長(zhǎng)所必需的3種基本營(yíng)養(yǎng)元素之一[1],鉀在地殼中的克拉克值為2.59%[2],除人為施肥影響外,土壤中的鉀大部分來(lái)自含鉀礦物,土壤中鉀礦物主要以穩(wěn)定的鋁硅酸鹽狀態(tài)存在,不能被作物直接吸收利用。因此,研究如何使礦物中可溶性鉀可以更好地釋放出來(lái),成為農(nóng)田作物能吸收利用的可給態(tài)鉀,有著十分重要的意義[3]。原蘇聯(lián)學(xué)者亞歷山大羅夫從土壤中分離到硅酸鹽細(xì)菌并測(cè)定其解鉀強(qiáng)度,培養(yǎng)5 d后,釋放出來(lái)的鉀為原硅酸鹽中含量的15.9%[4]。李元芳認(rèn)為硅酸鹽細(xì)菌能分解長(zhǎng)石、云母等鋁硅酸鹽類(lèi)的原生礦物,使土壤中難溶性的鉀、磷、硅等元素轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軕B(tài),可供植物吸收利用[5]。

依據(jù)鉀對(duì)作物的有效性,速效鉀含量是表述土壤供鉀情況的重要指標(biāo)之一[6-7]。在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,鉀元素被大量加工成鉀肥應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但由于化肥配施比例不合理,導(dǎo)致我國(guó)土壤普遍缺鉀,而土壤缺鉀已成為限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要因素[8]。土壤中的鉀存在可給態(tài)與不可給態(tài),不可給態(tài)鉀由于溶解性很低,無(wú)法滿(mǎn)足一般作物的生長(zhǎng)需要,在遺傳學(xué)上稱(chēng)這種土壤鉀素為“遺傳學(xué)缺乏”[9]。因此,研究怎樣提高鉀素利用率已成為國(guó)內(nèi)外許多土壤學(xué)家及植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家廣泛關(guān)注的熱點(diǎn),而這也是世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究要點(diǎn)。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中,根系向根際土壤分泌大量物質(zhì),對(duì)土壤礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化具有重要作用。有研究表明,不同植物類(lèi)型或品種的根系分泌物對(duì)富鉀礦石以及土壤緩效鉀活化力存在顯著的差異[10-12],植物根系分泌物的主要物質(zhì)是有機(jī)酸類(lèi),且根系分泌物活化土壤鉀素效果明顯[13-15]。土壤中有機(jī)酸是有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程的中間產(chǎn)物和植物代謝產(chǎn)物,其對(duì)于提高鉀的有效性具有一定的促進(jìn)作用[16-17]。本試驗(yàn)以鉀長(zhǎng)石培養(yǎng)基為研究對(duì)象,通過(guò)加入不同組合有機(jī)酸,進(jìn)行室內(nèi)搖瓶試驗(yàn)培養(yǎng),探討不同種類(lèi)、不同濃度有機(jī)酸釋放含鉀礦物中可溶性鉀含量的影響,以期為明確有機(jī)酸的作用機(jī)制及溶解含鉀礦物提高解鉀率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試有機(jī)酸

供試的草酸、酒石酸、丙酮酸、蘋(píng)果酸、α-戊二酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、富馬酸、丙酸等10種有機(jī)酸,均由新疆紅棗工程技術(shù)研究中心提供。所有試劑均為分析純,試驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 培養(yǎng)基

鉀長(zhǎng)石培養(yǎng)基:蔗糖10.0 g,碳酸鈣1.0 g,酵母膏0.5 g,鉀長(zhǎng)石粉1.0 g,硫酸銨1.0 g,磷酸氫二鈉2.0 g,硫酸鎂 0.5 g,蒸餾水1 000 mL,pH值為7.0~7.5。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 不同種類(lèi)不同濃度有機(jī)酸對(duì)含鉀礦物的釋鉀作用 向250 mL三角瓶中加入50 mL鉀長(zhǎng)石培養(yǎng)基,在高溫滅菌鍋(1.0×105Pa)中滅菌30 min,冷卻至室溫靜置24 h。在超凈工作臺(tái)中,于無(wú)菌條件下分別向裝有鉀長(zhǎng)石培養(yǎng)基的三角瓶中加入不同濃度的草酸,使培養(yǎng)基中的草酸濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/L。同時(shí)將酒石酸、丙酮酸、蘋(píng)果酸、α-戊二酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、富馬酸、丙酸,按照上述對(duì)草酸的處理方法加入盛有培養(yǎng)基的三角瓶中,同時(shí)設(shè)置未加有機(jī)酸的對(duì)照處理(CK),每個(gè)處理3次重復(fù)。在180 r/min、30 ℃ 搖床培養(yǎng)144 h。

1.3.2 速效鉀的測(cè)定 取5 mL培養(yǎng)液,在4 ℃、5 000 r/min條件下離心15 min,取上清液,加入2.5 mL濃硫酸與1 mL過(guò)氧化氫溶液在消煮爐中消煮,待消煮液完全透明后,使用火焰光度計(jì)測(cè)定其中可溶性鉀的含量,重復(fù)3次。

1.3.3 正交試驗(yàn) 經(jīng)過(guò)不同種類(lèi)、不同濃度有機(jī)酸對(duì)含鉀礦物釋鉀作用的試驗(yàn),篩選出解鉀能力較強(qiáng)的5種有機(jī)酸(草酸、酒石酸、丙酮酸、乙酸、檸檬酸)進(jìn)行正交試驗(yàn),選取4個(gè)濃度水平,采用L16(45)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn),通過(guò)火焰分光光度法測(cè)定不同處理培養(yǎng)液中的可溶性鉀含量,對(duì)有機(jī)酸溶解鉀長(zhǎng)石作用進(jìn)行深入比較研究。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2003進(jìn)行整理,采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度有機(jī)酸對(duì)礦物鉀釋放的影響

由圖1可知,與CK相比,草酸釋放鉀長(zhǎng)石培養(yǎng)基中的可溶性鉀含量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“解鉀量”)增加1.48~12.67 mg/kg,酒石酸的解鉀量增加5.38~12.58 mg/kg,丙酮酸的解鉀量增加3.75~19.98 mg/kg,蘋(píng)果酸的解鉀量增加1.79~9.28 mg/kg,α-戊二酸的解鉀量增加1.31~6.88 mg/kg,乳酸的解鉀量增加1.77~5.39 mg/kg,乙酸的解鉀量增加 1.48~13.67 mg/kg,檸檬酸的解鉀量增加5.07~12.88 mg/kg,富馬酸的解鉀量增加4.18~9.39 mg/kg,丙酸的解鉀量增加3.18~6.39 mg/kg。比較10種有機(jī)酸不同濃度的解鉀量,在有機(jī)酸濃度為0.1 mg/L時(shí),該處理組可溶性鉀含量與其他濃度處理組相比,鉀含量相對(duì)較低,其中乙酸處理的可溶性鉀含量最高,各處理的可溶性鉀含量表現(xiàn)為乙酸>檸檬酸>酒石酸>α-戊二酸>丙酸>富馬酸>丙酮酸>蘋(píng)果酸>乳酸>草酸。當(dāng)有機(jī)酸濃度為0.2 mg/L時(shí),乙酸處理的可溶性鉀含量最高,其他種類(lèi)酸的解鉀量也有微量提升,各處理的可溶性鉀含量表現(xiàn)為乙酸>檸檬酸>酒石酸>丙酮酸>富馬酸>乳酸>丙酸>草酸>蘋(píng)果酸>α-戊二酸。當(dāng)有機(jī)酸濃度為0.3 mg/L時(shí),各酸處理的可溶性鉀含量差異明顯,其中丙酮酸處理的可溶性鉀含量變化最明顯,含量最高,各處理可溶性鉀含量表現(xiàn)為丙酮酸>檸檬酸>酒石酸>蘋(píng)果酸>草酸>富馬酸>丙酸>乙酸>乳酸>α-戊二酸。當(dāng)有機(jī)酸濃度為0.4 mg/L時(shí),草酸、酒石酸、丙酮酸處理的可溶性鉀含量接近,無(wú)明顯差異,各處理的可溶性鉀含量表現(xiàn)為丙酮酸>草酸>酒石酸>富馬酸>檸檬酸>乙酸>α-戊二酸>蘋(píng)果酸>丙酸>乳酸。當(dāng)有機(jī)酸濃度為0.5 mg/L時(shí),一部分有機(jī)酸的解鉀量呈降低趨勢(shì),各處理可溶性鉀含量表現(xiàn)為丙酮酸>草酸>酒石酸>α-戊二酸>富馬酸>檸檬酸>丙酸>乳酸>蘋(píng)果酸>乙酸。

通過(guò)對(duì)10種有機(jī)酸對(duì)含鉀礦物釋放可溶性鉀含量與有機(jī)酸濃度之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,由表1可知,草酸、酒石酸、丙酮酸的解鉀效果與濃度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),這說(shuō)明草酸在濃度表達(dá)上體現(xiàn)出隨著濃度的遞增,解鉀的效果和能力相應(yīng)提高。但酒石酸與丙酮酸隨著濃度的提高,在0.3、0.4 mg/L時(shí)到達(dá)解鉀能力頂峰后,出現(xiàn)解鉀能力下降的現(xiàn)象。說(shuō)明并不是所有的有機(jī)酸的解鉀能力均隨著濃度的遞增而提高,不同有機(jī)酸的解鉀能力都會(huì)有一個(gè)最適濃度。乙酸的解鉀效果與濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),說(shuō)明部分有機(jī)酸會(huì)呈現(xiàn)出在低濃度時(shí)有著較高的解鉀效果。蘋(píng)果酸、乳酸、檸檬酸、丙酸的解鉀效果與濃度的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值,α-戊二酸、富馬酸的解鉀效果與濃度的相關(guān)系數(shù)為正值,但這幾種酸與濃度的相關(guān)性較弱,反映出其解鉀效果受濃度的影響較弱。

表1 不同種類(lèi)有機(jī)酸解鉀效果與濃度的相關(guān)系數(shù)

注:“*”“**”分別表示在0.05、0.01水平上顯著相關(guān)。

2.2 不同種類(lèi)有機(jī)酸對(duì)礦物鉀釋放的影響

由圖1可知,有機(jī)酸種類(lèi)不同會(huì)對(duì)礦物中鉀的釋放產(chǎn)生強(qiáng)弱不一的效果,經(jīng)過(guò)培養(yǎng)對(duì)鉀長(zhǎng)石釋鉀均有一定的促進(jìn)作用,可有效促進(jìn)鉀的釋放。經(jīng)過(guò)持續(xù)培養(yǎng)144 h,其中草酸對(duì)含鉀礦物釋鉀的作用處于較高水平,其解鉀能力隨著濃度增高而提升,在0.4、0.5 mg/L濃度時(shí),解鉀效果差異性不明顯,并都處于草酸解鉀效果最高水平。酒石酸對(duì)鉀長(zhǎng)石粉的釋鉀能力也和草酸基本持平,但酒石酸的解鉀效果是在濃度為 0.3 mg/L 時(shí)達(dá)到最高水平,隨后在0.4、0.5 mg/L時(shí)呈現(xiàn)出小幅度變幅。丙酮酸表現(xiàn)出的解鉀量,解鉀能力在這10種有機(jī)酸中效果最好、作用最大,其在濃度作用變化上與酒石酸相似,也是在濃度為0.3 mg/L時(shí)解鉀效果最好,此時(shí)可溶性鉀含量達(dá)20.56 mg/kg。蘋(píng)果酸、乳酸與前幾種有機(jī)酸相比解鉀量較低,前期呈現(xiàn)出隨濃度增高解鉀能力提高的趨勢(shì),在濃度為0.4、0.5 mg/L時(shí),其解鉀量均降低,甚至出現(xiàn)高濃度時(shí)的解鉀量低于低濃度時(shí)的解鉀量的情況,其中乳酸的解鉀量在10種有機(jī)酸中最低。α-戊二酸在解鉀能力上表現(xiàn)不穩(wěn)定,差異性較大,從解鉀量與濃度上不能直觀地看出其相關(guān)性。乙酸在解鉀能力上表現(xiàn)較好,在濃度為0.1 mg/L時(shí)就表現(xiàn)出較高的解鉀能力,并在濃度為0.2 mg/L時(shí)增高,但在 0.3、0.4、0.5 mg/L時(shí)解鉀量要低于草酸、酒石酸、丙酮酸等3種解鉀能力較強(qiáng)的有機(jī)酸。檸檬酸在各濃度的解鉀能力均較強(qiáng),其解鉀能力與濃度的相關(guān)性與丙酮酸、蘋(píng)果酸相似,均是先隨著濃度的升高解鉀效果提升,在濃度為0.3 mg/L時(shí)最高,隨后濃度增高解鉀效果降低。富馬酸與丙酸的解鉀能力相比而言處于中下水平,其中富馬酸在0.4 mg/L時(shí)解鉀量最高,丙酸在0.3 mg/L時(shí)解鉀量最高。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,不同濃度的有機(jī)酸在釋放礦物鉀方面作用大、效率高,甚至在低濃度下作用也很明顯。10種有機(jī)酸中,在不同濃度下有著不同程度的解鉀效果,其中草酸、酒石酸、丙酮酸、乙酸、檸檬酸的解鉀效果較為明顯,其處理的可溶性鉀含量較高。因此,選擇草酸、酒石酸、丙酮酸、乙酸、檸檬酸等5種有機(jī)酸進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

2.3 正交試驗(yàn)法研究5種有機(jī)酸釋放含鉀礦物中可溶性鉀的能力

通過(guò)對(duì)10種不同種類(lèi)濃度有機(jī)酸解鉀能力的測(cè)定,分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,其中草酸、酒石酸、丙酮酸、乙酸、檸檬酸等5種有機(jī)酸具有較強(qiáng)的解鉀能力,因此選擇這5種有機(jī)酸進(jìn)行正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)選擇濃度為0、0.05、0.10、0.15 mg/L等4個(gè)試驗(yàn)水平。采用L16(45)正交表(表2)進(jìn)行正交試驗(yàn),以測(cè)定不同有機(jī)酸的解鉀最優(yōu)種類(lèi)濃度組合,分析解鉀能力強(qiáng)弱關(guān)系。

表2 正交試驗(yàn)的因素與水平

由表3可知,草酸、酒石酸解鉀長(zhǎng)石的能力在濃度為 0.10 mg/L 時(shí)效果最好,丙酮酸、乙酸解鉀長(zhǎng)石的能力在濃度為0.05 mg/L時(shí)效果最好,檸檬酸在濃度為0.05 mg/L時(shí)效果最好。分析極差的結(jié)果來(lái)看,草酸的解鉀效果最好,乙酸的解鉀效果最差。通過(guò)對(duì)極差的比較,發(fā)現(xiàn)5種有機(jī)酸對(duì)鉀長(zhǎng)石中鉀離子的釋放效果表現(xiàn)為草酸>檸檬酸>酒石酸>丙酮酸>乙酸。其中處理11的混合酸組合表現(xiàn)出的解鉀效果最優(yōu),即0.10 mg/L草酸、0.10 mg/L酒石酸、0.05 mg/L乙酸、0.15 mg/L檸檬酸。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3 結(jié)論與討論

鑒于我國(guó)土壤普遍缺鉀,而且鉀肥短缺的情況,含鉀礦物中鉀素釋放的研究對(duì)高效利用我國(guó)鉀素資源在一定程度上緩解鉀素缺乏具有重要意義。本研究以含鉀礦物為材料,釆用恒溫振蕩培養(yǎng)法研究了有機(jī)酸作用下含鉀礦物釋鉀的規(guī)律與效果,為含鉀礦物中鉀元素的高效利用提供理論依據(jù)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析,各種酸在不同濃度表現(xiàn)出的解鉀效果不同,其中草酸、α-戊二酸在濃度為0.5 mg/L時(shí)解鉀效果最好,酒石酸、丙酮酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸、丙酸在濃度為 0.3 mg/L 時(shí)解鉀效果最好,乳酸、乙酸在濃度為0.2 mg/L時(shí)解鉀效果最好,富馬酸在濃度為0.4 mg/L時(shí)解鉀效果最好。其中草酸、酒石酸、丙酮酸、乙酸、檸檬酸的解鉀能力較強(qiáng)。通過(guò)相關(guān)性分析可知,草酸、酒石酸、丙酮酸的解鉀能力與濃度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),表現(xiàn)出隨著濃度增高,解鉀能力提升的效果;而乙酸的解鉀能力與濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),表現(xiàn)出在低濃度有較高的解鉀能力。通過(guò)對(duì)極差的大小進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),5種有機(jī)酸對(duì)鉀長(zhǎng)石中鉀離子的釋放效果表現(xiàn)為草酸>檸檬酸>酒石酸>丙酮酸>乙酸。其中處理11表現(xiàn)出的解鉀效果最優(yōu),即0.10 mg/L草酸、0.10 mg/L酒石酸、0.05 mg/L乙酸、0.15 mg/L檸檬酸。

從研究結(jié)果可以看出,經(jīng)過(guò)連續(xù)振蕩培養(yǎng)144 h后,各酸溶液中對(duì)含鉀礦物的解鉀量均高于對(duì)照處理,不同有機(jī)酸的解鉀能力隨著濃度的變化,也呈現(xiàn)出不同的效果,這與王瑾等的研究結(jié)果[18-19]一致,他們認(rèn)為有機(jī)酸之所以能夠促進(jìn)含鉀礦物中的鉀素釋放,其原因是由于礦物表面的晶格在有機(jī)酸溶液中被破壞,從而破壞了礦物的結(jié)構(gòu),加快礦物的溶解,使得鉀素可以游離在溶液之中。試驗(yàn)采用的這10種有機(jī)酸對(duì)鉀長(zhǎng)石的溶解效果也表明,有機(jī)酸對(duì)含鉀礦物釋放的可溶性鉀含量與有機(jī)酸濃度之間存在一定的相關(guān)性,但可溶性鉀含量并不完全是隨著有機(jī)酸濃度的升高而提升,低濃度時(shí)也會(huì)表現(xiàn)出較高的解鉀能力與效果。

有機(jī)酸通過(guò)酸化作用可溶解和轉(zhuǎn)化一些難溶性礦物,達(dá)到釋放養(yǎng)分的效果。有機(jī)酸的酸化與絡(luò)合作用均對(duì)速效鉀含量的提高有一定作用,且二者為協(xié)同關(guān)系[20]。不同濃度的有機(jī)酸對(duì)鉀釋放的主要作用不同,高濃度以酸化作用為主,低濃度以絡(luò)合作用為主,但有機(jī)酸含量不能盲目提高,郭亞利等研究發(fā)現(xiàn),部分有機(jī)酸若含量過(guò)高時(shí),能在一定程度上抑制鉀的釋放效果[21]。因此,篩選出有機(jī)酸釋鉀的最適濃度,具有十分重要的意義。

試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了不同有機(jī)酸對(duì)鉀長(zhǎng)石粉釋鉀效應(yīng)上的差異,這與王光華等的研究結(jié)果[22-23]一致,他們認(rèn)為有機(jī)酸的解磷、解鉀效果主要受到有機(jī)酸種類(lèi)與濃度的限制,每種解鉀、解磷效果較強(qiáng)的有機(jī)酸,都存在最適濃度。因此通過(guò)正交試驗(yàn),深入研究有機(jī)酸對(duì)含鉀礦物釋鉀作用的最適濃度與組合。

有機(jī)酸可以有效促進(jìn)礦物鉀的分解釋放,有機(jī)酸對(duì)含鉀礦物的釋鉀是一個(gè)既緩慢又持續(xù)的綜合動(dòng)態(tài)過(guò)程,含鉀礦物的解鉀量既受有機(jī)酸種類(lèi)的影響,也與其濃度關(guān)系密切,經(jīng)試驗(yàn)比較,草酸具有較強(qiáng)的釋鉀能力,對(duì)含鉀礦物鉀素釋放的效果要強(qiáng)于其他有機(jī)酸。檸檬酸、丙酮酸、酒石酸、乙酸等有機(jī)酸,主要是通過(guò)絡(luò)合溶解作用活化礦物鉀。因此,在下一階段更深入的研究中,應(yīng)以有機(jī)酸溶解作用為主導(dǎo),更全面地研究解鉀的影響與制約因素,將有可能更深入地揭示與闡明高效解鉀酸的解鉀機(jī)制,這一點(diǎn)很值得更進(jìn)一步關(guān)注與探索。

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