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摘要 [目的]充分利用土壤矿物态钾，提高土壤供钾能力。[方法]研究低分子量有机酸乙酸、乳酸、苹果酸、柠檬酸、草酸对土壤钾释放的影响。[结果]土壤钾释放分为快速释放（0～100 h）和稳定释放（100 h后）2个阶段，其中快速释放阶段的钾释放速度快，单位释放量大，持续时间较短；稳定释放阶段的钾释放较慢，单位时间钾释放量较小，持续时间长。土壤钾释放动态曲线接近对数方程和幂函数方程，拟合效果较好，与抛物线方程拟合效果较差。[结论]有机酸活化土壤钾能力从大到小依次为草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸。
关键词 土壤；钾释放；有机酸；动力学
中图分类号S158 文献标识码 A 文章编号0517-6611（2016）35-0140-03
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）
Abstract[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.
Key wordsSoil； Potassium release； Organic acids； Dynamics
我国北方地区土壤钾含量比较丰富，大部分钾是矿物态钾，占土壤全钾的90%～98%，短期内很难被吸收利用，因此我国烟田土壤呈缺钾或严重缺钾状态[1]。研究表明，缺钾胁迫环境会诱导植物根系大量分泌柠檬酸、草酸、苹果酸等低分子量有机酸[2-4]，这些有机酸释放到土壤，通过酸化、配位交换和還原作用活化土壤矿物态钾[5-7]，促进钾的有效释放，进而促进植物对钾的吸收[8]。因此，探索低分子量有机酸对土壤钾的活化效果对于降低农业肥料投入成本具有重要意义。鉴于此，笔者研究了低分子量有机酸对土壤钾释放的影响，旨在为充分挖掘烟草和土壤本身固有潜力及实现自然资源充分利用提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料
供试土壤为壤质潮土，取样深度为耕作层0～20 cm，基本理化性质：
有机质含量10.14 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，速效磷含量36.12 mg/kg，速效钾含量132.25 mg/kg，碱解氮含量75.35 mg/kg，pH 7.85。
供试有机酸包括草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸，均为分析纯试剂。各有机酸性质见表1。
1.2试验设计
供试土壤磨碎过40目筛，高压灭菌，风干。称取2.50 g供试土壤于50 mL三角瓶中，分别加入浓度为0（CK）、25、50、100、200、400 mmol/kg的有机酸溶液至土壤最大含水量的60%。滴加适量氯仿抑制微生物的活动，摇匀，振荡5 min，置于25 ℃恒温培养箱中培养48 h。称重法保持土壤水分恒定。试验共设25个处理，以蒸馏水作为对照（CK），每处理3次重复。48 h后将溶液过滤，测定滤液中钾含量。按照上述方法，设定有机酸浓度为200 mmol/kg，培养时间为6、12、24、48、96、180、360、720 h，分别在设定培养时间测定溶液中的钾含量。
2结果与分析
2.1有机酸对土壤钾含量的影响
由表2可知，与CK相比，5种有机酸均能明显促进土壤钾的释放，且随有机酸浓度的增大，土壤钾含量呈增加趋势。有机酸浓度为25 mmol/kg时，草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸处理中，土壤钾含量分别是CK的2.83、2.59、2.15、1.93、1.66倍；有机酸浓度为400 mmol/kg时，有机酸处理的土壤钾含量分别是CK的4.52、4.16、3.55、3.07、2.94倍。可见，5种有机酸活化土壤钾的能力从大到小依次为草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸，不同浓度有机酸处理间均呈显著差异。 2.2土壤矿物钾释放动力学
从图1可以看出，随着浸提时间的延长，土壤钾积累量逐渐增大。土壤钾释放分为2个阶段，即快速释放阶段和稳定释放阶段。浸提0～100 h为快速释放阶段，是以离子形式存在于土壤溶液和土壤胶体的钾通过扩散和离子交换进入溶液的过程，该阶段钾释放速度快，单位时间释放量大，持续时间相对较短。浸提100 h后为稳定释放阶段，是矿物钾在多种因素作用下，发生水解和络合反应，O—M 键和O—Si键断裂，矿物钾表面晶格结构变化，以离子状态的钾释放到土壤中。该阶段钾的释放速度相对较慢，单位时间内钾的释放量相对较小，但持续时间较长，最后达到稳定状态，是一个缓慢的过程。
对土壤钾含量用Elovich方程、抛物线扩散方程、双常数曲线方程拟合，结果见表3。由表3可知，土壤钾释放动态曲线接近对数方程和幂函数方程2种曲线。Elovich方程判定系数（R2）为0.886～0.994，双常数方程的R2为0.871～0.992，达到显著水平，拟合效果较好。抛物线扩散方程的R2为0.834～0.960，拟合效果相对较差。
3结论与讨论
（1）根系分泌物中低分子量有机酸可通过酸化作用、配位交换作用和还原作用溶解转化土壤中的矿物钾，促进钾释放，提高生物有效性[9]。有机酸有多个配基，可与矿物表面铝、硅及其他多种金属原子形成配合物，促进土壤中含钾矿物表面的铝风化[10]。一般来说，有机酸对铝的络合常数越大，活化土壤矿物钾的能力越强，但有机酸活化钾的能力与其络合能力大小并不完全一致。该研究表明，5种有机酸活化土壤钾的能力从大到小依次为草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸。草酸活化土壤钾的能力大于柠檬酸，这是由于草酸络合能力和水解能力均较强，柠檬酸具有较强的络合能力，但水解能力较弱，导致活化土壤钾能力弱于草酸。乙酸、乳酸为一元酸，络合能力和水解能力均较弱，活化土壤钾的能力较低。
（2）有机酸作用下，土壤钾的释放具有明显的阶段性，分为快速释放和稳定释放2个阶段。土壤钾释放与Elovich方程和双常数方程拟合较好，能直观地反映出土壤钾释放的过程。
参考文献
[1] 曹志洪，周秀如，李仲林，等.我国烟叶含钾状况及其与植烟土壤环境条件的关系[J].中国烟草科学，1990（3）：6-13.
[2] 马斯纳H.高等植物的矿质营养[M].曹一平，陆景陵，译.北京：北京农业大学出版社，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] 張福锁.土壤与植物营养研究新动态[M].北京：北京农业大学出版社，1992：64-70.
[6] 曹享云.营养胁迫与根系分泌物[J].土壤学进展，1994，22（3）：27-33.
[7] 袁可能.植物营养元素的土壤化学[M].北京：科学出版社，1983：166-220.
[8] HOEKENGA O A，VISION T J，SHAFF J E，et al.Identification and characterization of aluminum tolerance loci in Arabidopsis（Landsberg erect×Columbia）by quantitative trait locus mapping.A physiologically simple but genetically complex trait[J].Plant physiol，2003，132（2）：936-948.
[9] 陈凯，马敬，曹一平，等.磷亏缺下不同植物根系有机酸的分泌[J].中国农业大学学报，1999，4（3）：58-62.
[10] 徐仁扣.有机酸对酸性土壤中铝的溶出和铝离子形态分布的影响[J].土壤，1998（4）：214-217.
关键词 土壤；钾释放；有机酸；动力学
中图分类号S158 文献标识码 A 文章编号0517-6611（2016）35-0140-03
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）
Abstract[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.
Key wordsSoil； Potassium release； Organic acids； Dynamics
我国北方地区土壤钾含量比较丰富，大部分钾是矿物态钾，占土壤全钾的90%～98%，短期内很难被吸收利用，因此我国烟田土壤呈缺钾或严重缺钾状态[1]。研究表明，缺钾胁迫环境会诱导植物根系大量分泌柠檬酸、草酸、苹果酸等低分子量有机酸[2-4]，这些有机酸释放到土壤，通过酸化、配位交换和還原作用活化土壤矿物态钾[5-7]，促进钾的有效释放，进而促进植物对钾的吸收[8]。因此，探索低分子量有机酸对土壤钾的活化效果对于降低农业肥料投入成本具有重要意义。鉴于此，笔者研究了低分子量有机酸对土壤钾释放的影响，旨在为充分挖掘烟草和土壤本身固有潜力及实现自然资源充分利用提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料
供试土壤为壤质潮土，取样深度为耕作层0～20 cm，基本理化性质：
有机质含量10.14 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，速效磷含量36.12 mg/kg，速效钾含量132.25 mg/kg，碱解氮含量75.35 mg/kg，pH 7.85。
供试有机酸包括草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸，均为分析纯试剂。各有机酸性质见表1。
1.2试验设计
供试土壤磨碎过40目筛，高压灭菌，风干。称取2.50 g供试土壤于50 mL三角瓶中，分别加入浓度为0（CK）、25、50、100、200、400 mmol/kg的有机酸溶液至土壤最大含水量的60%。滴加适量氯仿抑制微生物的活动，摇匀，振荡5 min，置于25 ℃恒温培养箱中培养48 h。称重法保持土壤水分恒定。试验共设25个处理，以蒸馏水作为对照（CK），每处理3次重复。48 h后将溶液过滤，测定滤液中钾含量。按照上述方法，设定有机酸浓度为200 mmol/kg，培养时间为6、12、24、48、96、180、360、720 h，分别在设定培养时间测定溶液中的钾含量。
2结果与分析
2.1有机酸对土壤钾含量的影响
由表2可知，与CK相比，5种有机酸均能明显促进土壤钾的释放，且随有机酸浓度的增大，土壤钾含量呈增加趋势。有机酸浓度为25 mmol/kg时，草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸处理中，土壤钾含量分别是CK的2.83、2.59、2.15、1.93、1.66倍；有机酸浓度为400 mmol/kg时，有机酸处理的土壤钾含量分别是CK的4.52、4.16、3.55、3.07、2.94倍。可见，5种有机酸活化土壤钾的能力从大到小依次为草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸，不同浓度有机酸处理间均呈显著差异。 2.2土壤矿物钾释放动力学
从图1可以看出，随着浸提时间的延长，土壤钾积累量逐渐增大。土壤钾释放分为2个阶段，即快速释放阶段和稳定释放阶段。浸提0～100 h为快速释放阶段，是以离子形式存在于土壤溶液和土壤胶体的钾通过扩散和离子交换进入溶液的过程，该阶段钾释放速度快，单位时间释放量大，持续时间相对较短。浸提100 h后为稳定释放阶段，是矿物钾在多种因素作用下，发生水解和络合反应，O—M 键和O—Si键断裂，矿物钾表面晶格结构变化，以离子状态的钾释放到土壤中。该阶段钾的释放速度相对较慢，单位时间内钾的释放量相对较小，但持续时间较长，最后达到稳定状态，是一个缓慢的过程。
对土壤钾含量用Elovich方程、抛物线扩散方程、双常数曲线方程拟合，结果见表3。由表3可知，土壤钾释放动态曲线接近对数方程和幂函数方程2种曲线。Elovich方程判定系数（R2）为0.886～0.994，双常数方程的R2为0.871～0.992，达到显著水平，拟合效果较好。抛物线扩散方程的R2为0.834～0.960，拟合效果相对较差。
3结论与讨论
（1）根系分泌物中低分子量有机酸可通过酸化作用、配位交换作用和还原作用溶解转化土壤中的矿物钾，促进钾释放，提高生物有效性[9]。有机酸有多个配基，可与矿物表面铝、硅及其他多种金属原子形成配合物，促进土壤中含钾矿物表面的铝风化[10]。一般来说，有机酸对铝的络合常数越大，活化土壤矿物钾的能力越强，但有机酸活化钾的能力与其络合能力大小并不完全一致。该研究表明，5种有机酸活化土壤钾的能力从大到小依次为草酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、乳酸。草酸活化土壤钾的能力大于柠檬酸，这是由于草酸络合能力和水解能力均较强，柠檬酸具有较强的络合能力，但水解能力较弱，导致活化土壤钾能力弱于草酸。乙酸、乳酸为一元酸，络合能力和水解能力均较弱，活化土壤钾的能力较低。
（2）有机酸作用下，土壤钾的释放具有明显的阶段性，分为快速释放和稳定释放2个阶段。土壤钾释放与Elovich方程和双常数方程拟合较好，能直观地反映出土壤钾释放的过程。
参考文献
[1] 曹志洪，周秀如，李仲林，等.我国烟叶含钾状况及其与植烟土壤环境条件的关系[J].中国烟草科学，1990（3）：6-13.
[2] 马斯纳H.高等植物的矿质营养[M].曹一平，陆景陵，译.北京：北京农业大学出版社，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.
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[6] 曹享云.营养胁迫与根系分泌物[J].土壤学进展，1994，22（3）：27-33.
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[8] HOEKENGA O A，VISION T J，SHAFF J E，et al.Identification and characterization of aluminum tolerance loci in Arabidopsis（Landsberg erect×Columbia）by quantitative trait locus mapping.A physiologically simple but genetically complex trait[J].Plant physiol，2003，132（2）：936-948.
[9] 陈凯，马敬，曹一平，等.磷亏缺下不同植物根系有机酸的分泌[J].中国农业大学学报，1999，4（3）：58-62.
[10] 徐仁扣.有机酸对酸性土壤中铝的溶出和铝离子形态分布的影响[J].土壤，1998（4）：214-217.