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摘要 基于室内一维土柱入渗试验，采用黄壤土表层均匀添加不同含量表层煤纳米-亚微米材料（质量含量分别为0、0.004%、0.020%、0.040%、0.100%），研究了纳米-亚微米级材料对黄壤土的速效钾在重力方向的运移规律。结果表明，纳米-亚微米级材料对黄壤土中速效钾在重力方向的运移有明显影响。在培养时间内，试验组的速效钾含量均保持小幅度平稳变化，无较大波动。纳米-亚微米材料起到了缓释作用。土壤中的钾离子极其容易流失，钾离子迁移主要受水分迁移及土壤胶体吸附作用的影响。添加纳米-亚微米材料的土壤具有较强的保水性和吸附性，使得水分及速效钾大量吸附于此。
关键词 纳米-亚微米材料；速效钾；重力方向运移规律
中图分类号 X131.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）11-0180-02
Influence Mechanism of Nano-submicron Materials on Migration in Direction of Gravity of Available Potassium in Soil
RAN Ming-dong 1 GUO Zhi-wen 1 CHEN Tao 2 LIANG Yu-xiang 1 *
（1 School of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610041； 2 Luzhou Product Quality Supervision and Inspection Institute）
Abstract Based on one-dimensional yellow loam soil columns，we studied the effects of different nano-submicron materials content（0，0.004%，0.020%，0.040%，0.100%） on the migration of available potassium.The main results were showed as follows，the nano-submicron materials had obvious influence on graving direction migration of available potassium in yellow loam.In the training time，the content of available potassium in the experimental group was stable，and had no large fluctuation.Nano-submicron materials played a slow-release effect. Mainly affected by water migration and soil colloid adsoption，the potassium ion in the soil was extremely easy to lose.The soil with nano-submicron materials had strong water-holding capacity and adsorption，which made the water and available potassium adsorbed here.
Key words nano-submicron materials；available potassium；law of migration in the direction of gravity
鉀是植物的主要營养元素，同时也是土壤中常因供应不足而影响作物产量的三要素之一。农作物含钾量与含氮量相近但比含磷量高。在很多高产作物中，含钾量超过含氮量。钾与氮、磷不同，它不是植物体内有机化合物的成分。迄今为止，尚未在植物体内发现含钾的有机化合物。钾呈离子状态溶于植物汁液之中，其主要功能与植物的新陈代谢有关[1]。
将尺寸范围介于10-9～10-7 m的纳米材料应用于土壤物理学领域是该领域的一个新突破，其主要原理为利用纳米材料小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等基本特性，期待获得许多传统材料不具备的特性[2]。
纳米碳的存在对土壤水分入渗过程产生阻碍作用，入渗率随着纳米碳含量增加而减小[3]。纳米碳可以提高土壤的持水能力，随着纳米碳含量增加，土壤饱和含水量增加，相同土壤水吸力下土壤含水量增大。纳米碳可以有效提高土壤吸持溶质能力，随着纳米碳含量增加，初始穿透时间提前，完全穿透时间延长，弥散度增大[3]。但纳米材料对植物营养元素在土壤中的传递影响研究还相对较少。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验土壤样品来自四川省彭州市郊区大田，采用标准法随机取样，取样深度为地表以下0～20 cm。土样于实验室自然条件下进行风干、除杂等预处理，然后过2 mm筛，保存备用。土壤为黄壤土，含有机质25.72 g/kg、有效氮153.11 mg/kg、速效磷31.64 mg/kg、速效钾9.24 mg/kg，容重1.4 g/cm3，pH值6.32。
试验所选肥料为国光施特优水溶肥，其氮、磷、钾含量分别为12%、10%、28%。所选纳米-亚微米材料为表层煤，其中C、O、Al、Si、S、K、Fe、Ca的含量分别为1.62%、60.76%、11.12%、17.72%、2.22%、2.93%、3.63%、0%。
1.2 试验方法
试验所用装置由上、中、下3段相同规格（Φ10 cm×11 cm）有机玻璃柱连接而成，其中上、中段玻璃柱无底面，最下段玻璃柱下底面开有均匀小孔，以利于径流水分的顺利排出。土柱的装填依次由下至上顺序进行，每段填土前在柱底或者段间用纱布隔开，以防止土壤外漏。每段土柱的填土参数由黄壤土的容重（1.4 g/cm3）计算得出。 其中，表层填土材料为纳米材料、肥料和土壤混合材料，其中肥料5 g，分别按照纳米材料质量含量为0、0.004%、0.020%、0.040%、0.100%与100 g黄绵土均匀混合后散铺于土柱表层，其中纳米材料含量为0的试验组是对照组（CK）。全部土样装填完毕，向土柱表层不断加蒸馏水，维持水层高度2 cm左右，使土样一直处于淹水状态。最后，将试验装置置于20 ℃室内通风实验台进行培养，得到试验样品。试验共设5组处理，每组试验重复3次[4]。
1.3 调查内容与方法
每隔4 d在5、15 cm处取1次样，各取5次样。采用那淑芝等[4]改进后的四苯硼钠比浊法测得样品中速效钾含量，将试验数据进行整理、计算、统计分析、编辑以及制图。
2 结果与分析
2.1 不同纳米材料浓度对土壤5 cm深度速效钾分布的影响
从图1可以看出，加入肥料之后，土壤中的速效钾含量急剧增加。在5 cm深度的土壤中速效钾含量随时间的增加而不同程度的降低，主要是由于速效鉀极易以钾离子的形式随水流失，随着水分在重力方向的入渗，5 cm深度的速效钾不同程度随水向下运移造成的。
中等浓度（0.004%、0.020%、0.040%）纳米材料的变化曲线相对于高浓度（0.100%）和空白对照组的变化曲线较平缓，这是由于土壤中的大孔隙被極其细小的纳米材料颗粒填充为多个小孔隙，小孔隙数量增加，对速效钾的吸附性增强。同时由于纳米材料的存在，改变了原本的水流通道，孔隙弯度增加，抑制水分入渗[2]。因此，速效钾难以顺利随着水分向下迁移；当纳米材料含量为0.100%时，可能是因为过多的碳材料无法全部吸附在表层土壤，随着水分向下迁移至0～5 cm处的土壤，从而使得0～5 cm土壤具有很强的保水性和吸附性，把大部分从表层肥料迁移下来的速效钾固定在0～5 cm土壤中。在培养时间内，试验组速效钾含量均保持小幅度平稳变化，无较大波动，说明纳米-亚微米材料起到了缓释作用。
2.2 不同纳米材料浓度对土壤15 cm深度速效钾分布的影响
从图2可以看出，加入肥料之后土壤中的速效钾含量急剧增加，与5 cm深度土壤的分析情况相似。15 cm深度的速效钾含量随着时间的增加，会不同程度地先增加再减少，在第12天左右达到峰值。这是因为当0～15 cm含纳米材料的土壤吸附速效钾的值达到饱和后，表层肥料不断溶解出的速效钾随水向下迁移并大量聚集在15 cm深度；此后随着时间的增加，当表层的肥料已经完全溶解，不再有速效钾向下迁移时，15 cm土壤的速效钾将不同程度地随水流失。
不同纳米材料浓度试验组速效钾分布曲线的变化程度不同，浓度越高，土壤中速效钾吸附饱和值越大。高浓度纳米材料试验组由于过量的纳米碳向下迁移，使0～15 cm土壤具有比低浓度纳米材料试验组更好的持水性和吸附性，吸附大量随着水分向下迁移的速效钾。因此，高浓度纳米碳试验组在15 cm深度的速效钾含量比低浓度试验组低。
3 结论
自然条件下，土壤速效钾在灌溉水作用下很容易发生迁移。加入肥料后土柱5、15 cm深度速效钾积累量高于速效钾初始含量几十倍，并且5 cm深度速效钾积累量高于15 cm深度速效钾积累量。纳米-亚微米级纳米材料对黄壤土中速效钾在重力方向的运移有明显影响。在培养时间内，试验组速效钾含量在5、15 cm深度的积累量均保持小幅度变化，无较大波动，纳米-亚微米材料起到了缓释作用。土壤中的钾离子主要受水分迁移及土壤胶体吸附作用的影响，添加纳米-亚微米材料的土壤具有较强的保水性和吸附性，使水分及速效钾大量吸附于此，有助于稳定速效养分、延长有效时间，提高肥料利用率[5-7]。
4 参考文献
[1] 李长浩，郑承烈，杨军元，等.集安地区土壤中钾含量的测定[J].中国农业信息，2014（3）：95.
[2] 刘秀梅，冯兆滨，张树清，等.纳米-亚微米级复合材料对褐潮土有机无机复合体含量及各粒级复合体中C、N、P含量与分布的影响[J].植物营养与肥料学报，2007（1）：57-63.
[3] 吕金榜，周蓓蓓，王全九，等.纳米TiO2对土壤水分运动及离子迁移过程影响的试验研究[J].水土保持研究，2015（5）：58-61.
[4] 那淑芝，杨贵明.四苯硼钠测定土壤速效钾比浊条件的改进[J].土壤肥料，1991（4）：41-42.
[5] 杜欢，王玉军，李程程，等.纳米Ag在四种不同性质土壤上的吸附行为研究[J].农业环境科学学报，2015（6）：1069-1075.
[6] 李淑敏，马辰，李丽鹤，等.纳米碳对玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影响[J].东北农业大学学报，2014（7）：14-18.
[7] 方婧，余博阳.3种金属氧化物纳米材料在不同土壤中运移行为研究[J].环境科学，2013（10）：4050-4057.
关键词 纳米-亚微米材料；速效钾；重力方向运移规律
中图分类号 X131.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）11-0180-02
Influence Mechanism of Nano-submicron Materials on Migration in Direction of Gravity of Available Potassium in Soil
RAN Ming-dong 1 GUO Zhi-wen 1 CHEN Tao 2 LIANG Yu-xiang 1 *
（1 School of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610041； 2 Luzhou Product Quality Supervision and Inspection Institute）
Abstract Based on one-dimensional yellow loam soil columns，we studied the effects of different nano-submicron materials content（0，0.004%，0.020%，0.040%，0.100%） on the migration of available potassium.The main results were showed as follows，the nano-submicron materials had obvious influence on graving direction migration of available potassium in yellow loam.In the training time，the content of available potassium in the experimental group was stable，and had no large fluctuation.Nano-submicron materials played a slow-release effect. Mainly affected by water migration and soil colloid adsoption，the potassium ion in the soil was extremely easy to lose.The soil with nano-submicron materials had strong water-holding capacity and adsorption，which made the water and available potassium adsorbed here.
Key words nano-submicron materials；available potassium；law of migration in the direction of gravity
鉀是植物的主要營养元素，同时也是土壤中常因供应不足而影响作物产量的三要素之一。农作物含钾量与含氮量相近但比含磷量高。在很多高产作物中，含钾量超过含氮量。钾与氮、磷不同，它不是植物体内有机化合物的成分。迄今为止，尚未在植物体内发现含钾的有机化合物。钾呈离子状态溶于植物汁液之中，其主要功能与植物的新陈代谢有关[1]。
将尺寸范围介于10-9～10-7 m的纳米材料应用于土壤物理学领域是该领域的一个新突破，其主要原理为利用纳米材料小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等基本特性，期待获得许多传统材料不具备的特性[2]。
纳米碳的存在对土壤水分入渗过程产生阻碍作用，入渗率随着纳米碳含量增加而减小[3]。纳米碳可以提高土壤的持水能力，随着纳米碳含量增加，土壤饱和含水量增加，相同土壤水吸力下土壤含水量增大。纳米碳可以有效提高土壤吸持溶质能力，随着纳米碳含量增加，初始穿透时间提前，完全穿透时间延长，弥散度增大[3]。但纳米材料对植物营养元素在土壤中的传递影响研究还相对较少。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验土壤样品来自四川省彭州市郊区大田，采用标准法随机取样，取样深度为地表以下0～20 cm。土样于实验室自然条件下进行风干、除杂等预处理，然后过2 mm筛，保存备用。土壤为黄壤土，含有机质25.72 g/kg、有效氮153.11 mg/kg、速效磷31.64 mg/kg、速效钾9.24 mg/kg，容重1.4 g/cm3，pH值6.32。
试验所选肥料为国光施特优水溶肥，其氮、磷、钾含量分别为12%、10%、28%。所选纳米-亚微米材料为表层煤，其中C、O、Al、Si、S、K、Fe、Ca的含量分别为1.62%、60.76%、11.12%、17.72%、2.22%、2.93%、3.63%、0%。
1.2 试验方法
试验所用装置由上、中、下3段相同规格（Φ10 cm×11 cm）有机玻璃柱连接而成，其中上、中段玻璃柱无底面，最下段玻璃柱下底面开有均匀小孔，以利于径流水分的顺利排出。土柱的装填依次由下至上顺序进行，每段填土前在柱底或者段间用纱布隔开，以防止土壤外漏。每段土柱的填土参数由黄壤土的容重（1.4 g/cm3）计算得出。 其中，表层填土材料为纳米材料、肥料和土壤混合材料，其中肥料5 g，分别按照纳米材料质量含量为0、0.004%、0.020%、0.040%、0.100%与100 g黄绵土均匀混合后散铺于土柱表层，其中纳米材料含量为0的试验组是对照组（CK）。全部土样装填完毕，向土柱表层不断加蒸馏水，维持水层高度2 cm左右，使土样一直处于淹水状态。最后，将试验装置置于20 ℃室内通风实验台进行培养，得到试验样品。试验共设5组处理，每组试验重复3次[4]。
1.3 调查内容与方法
每隔4 d在5、15 cm处取1次样，各取5次样。采用那淑芝等[4]改进后的四苯硼钠比浊法测得样品中速效钾含量，将试验数据进行整理、计算、统计分析、编辑以及制图。
2 结果与分析
2.1 不同纳米材料浓度对土壤5 cm深度速效钾分布的影响
从图1可以看出，加入肥料之后，土壤中的速效钾含量急剧增加。在5 cm深度的土壤中速效钾含量随时间的增加而不同程度的降低，主要是由于速效鉀极易以钾离子的形式随水流失，随着水分在重力方向的入渗，5 cm深度的速效钾不同程度随水向下运移造成的。
中等浓度（0.004%、0.020%、0.040%）纳米材料的变化曲线相对于高浓度（0.100%）和空白对照组的变化曲线较平缓，这是由于土壤中的大孔隙被極其细小的纳米材料颗粒填充为多个小孔隙，小孔隙数量增加，对速效钾的吸附性增强。同时由于纳米材料的存在，改变了原本的水流通道，孔隙弯度增加，抑制水分入渗[2]。因此，速效钾难以顺利随着水分向下迁移；当纳米材料含量为0.100%时，可能是因为过多的碳材料无法全部吸附在表层土壤，随着水分向下迁移至0～5 cm处的土壤，从而使得0～5 cm土壤具有很强的保水性和吸附性，把大部分从表层肥料迁移下来的速效钾固定在0～5 cm土壤中。在培养时间内，试验组速效钾含量均保持小幅度平稳变化，无较大波动，说明纳米-亚微米材料起到了缓释作用。
2.2 不同纳米材料浓度对土壤15 cm深度速效钾分布的影响
从图2可以看出，加入肥料之后土壤中的速效钾含量急剧增加，与5 cm深度土壤的分析情况相似。15 cm深度的速效钾含量随着时间的增加，会不同程度地先增加再减少，在第12天左右达到峰值。这是因为当0～15 cm含纳米材料的土壤吸附速效钾的值达到饱和后，表层肥料不断溶解出的速效钾随水向下迁移并大量聚集在15 cm深度；此后随着时间的增加，当表层的肥料已经完全溶解，不再有速效钾向下迁移时，15 cm土壤的速效钾将不同程度地随水流失。
不同纳米材料浓度试验组速效钾分布曲线的变化程度不同，浓度越高，土壤中速效钾吸附饱和值越大。高浓度纳米材料试验组由于过量的纳米碳向下迁移，使0～15 cm土壤具有比低浓度纳米材料试验组更好的持水性和吸附性，吸附大量随着水分向下迁移的速效钾。因此，高浓度纳米碳试验组在15 cm深度的速效钾含量比低浓度试验组低。
3 结论
自然条件下，土壤速效钾在灌溉水作用下很容易发生迁移。加入肥料后土柱5、15 cm深度速效钾积累量高于速效钾初始含量几十倍，并且5 cm深度速效钾积累量高于15 cm深度速效钾积累量。纳米-亚微米级纳米材料对黄壤土中速效钾在重力方向的运移有明显影响。在培养时间内，试验组速效钾含量在5、15 cm深度的积累量均保持小幅度变化，无较大波动，纳米-亚微米材料起到了缓释作用。土壤中的钾离子主要受水分迁移及土壤胶体吸附作用的影响，添加纳米-亚微米材料的土壤具有较强的保水性和吸附性，使水分及速效钾大量吸附于此，有助于稳定速效养分、延长有效时间，提高肥料利用率[5-7]。
4 参考文献
[1] 李长浩，郑承烈，杨军元，等.集安地区土壤中钾含量的测定[J].中国农业信息，2014（3）：95.
[2] 刘秀梅，冯兆滨，张树清，等.纳米-亚微米级复合材料对褐潮土有机无机复合体含量及各粒级复合体中C、N、P含量与分布的影响[J].植物营养与肥料学报，2007（1）：57-63.
[3] 吕金榜，周蓓蓓，王全九，等.纳米TiO2对土壤水分运动及离子迁移过程影响的试验研究[J].水土保持研究，2015（5）：58-61.
[4] 那淑芝，杨贵明.四苯硼钠测定土壤速效钾比浊条件的改进[J].土壤肥料，1991（4）：41-42.
[5] 杜欢，王玉军，李程程，等.纳米Ag在四种不同性质土壤上的吸附行为研究[J].农业环境科学学报，2015（6）：1069-1075.
[6] 李淑敏，马辰，李丽鹤，等.纳米碳对玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影响[J].东北农业大学学报，2014（7）：14-18.
[7] 方婧，余博阳.3种金属氧化物纳米材料在不同土壤中运移行为研究[J].环境科学，2013（10）：4050-4057.