第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件

礦質(zhì)元素的土壤化學Chapter7土壤中鉀的動態(tài)礦質(zhì)元素的土壤化學Chapter7土壤中鉀的動態(tài)1知識點:土壤鉀素的形態(tài)與分級礦物鉀的的風化及其影響因素土壤鉀素的固定及釋放及其影響因子土壤鉀素的評價指標土壤鉀素循環(huán)知識點:土壤鉀素的形態(tài)與分級2

1土壤中鉀的含量、形態(tài)及其有效性1土壤中鉀的含量、形態(tài)及其有效性31.1土壤中鉀的含量

地殼中鉀豐度較高，平均含量為2.5%（K2O），在所有元素中占第七位，在植物必需營養(yǎng)元素中占第四位。大多數(shù)土壤鉀含量（K2O）為0.3-3.6%，平均為1.2%，是土壤中含量最高的大量元素。各種土壤含鉀量差異很大，主要與成土母質(zhì)、風化成土條件、土壤質(zhì)地、耕作和施肥措施等因素有關(guān)。

1.1土壤中鉀的含量

4

華中地區(qū)鉀素養(yǎng)分的含量都在不同程度上受母巖的影響(表)?；◢弾r發(fā)育的土壤含鉀量最高，石灰?guī)r的最低。這是因為花崗巖中含有較多的含鉀礦物(長石、云母等)，而石灰?guī)r中較少。華中地區(qū)鉀素養(yǎng)分的含量都在不同程度上受母巖的影響(表)。5第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件61.2土壤中鉀素的存在形態(tài)根據(jù)化學形態(tài)分Basedonchemicalform結(jié)構(gòu)鉀（難利用鉀）非交換性鉀（難交換性固定鉀）交換性鉀水溶性鉀根據(jù)對植物的有效性分Basedonplantavailability礦物鉀緩效性鉀速效性鉀存在處Whereitexists長石﹑云母結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙脫石﹑蛭石的晶層內(nèi)；黑云母和部分水云母結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒外表面土壤溶液中保持力Retainability配位作用層間吸附，配位作用靜電引力呈離子態(tài)平衡關(guān)系Balancerelationship礦物鉀風化非交換性鉀緩慢交換性鉀迅速水溶性鉀擴散系數(shù)Diffusion10-23~10-15~10-7常用測定系數(shù)Commonlyuseddeterminationmethods全鉀減去HNO3法HNO3法減去NH4Ac法NH4Ac法相對含量Relativecontent90％～98％2％～8％0.1％～2％1.2土壤中鉀素的存在形態(tài)根據(jù)化學形態(tài)分結(jié)構(gòu)鉀非交換性鉀（790%-99%

1-10%

土壤交換性鉀與溶液鉀處于動態(tài)平衡之中。當溶液鉀因植物吸收而有所下降時，部分交換性鉀便進入土壤溶液中。此平衡過程在幾分鐘內(nèi)即可完成。90%-99%

8Havlinetal.,

2001FertilizerHavlinetal.,2001Fertilizer92含鉀礦物的風化和礦物鉀的釋放（了解部分）2含鉀礦物的風化和礦物10

含鉀礦物是土壤有效鉀的最基本來源，它可經(jīng)由多種途徑，風化釋放出鉀供作物吸收利用。各種含鉀礦物的抗風化性是不同的，主要取決于礦物的晶格構(gòu)造和化學成分。含鉀硅酸鹽礦物的晶格構(gòu)造，一為片狀構(gòu)造（云母、伊利石和其它次生礦物），另一為架狀構(gòu)造（長石）。含鉀礦物是土壤有效鉀的最基本來源，它可經(jīng)由多種途徑11

通常，架狀結(jié)構(gòu)的長石類礦物的穩(wěn)定性大于片狀結(jié)構(gòu)的云母類礦物。因為架狀結(jié)構(gòu)的硅氧四面體的聯(lián)結(jié)程度較大，鹽基性較弱，Si-O鍵較多。而片狀結(jié)構(gòu)的每個硅氧四面體只和另外三個硅氧四面體相連，層與層之間皆有陰離子相聯(lián)，鹽基性較強，硅氧鍵較少。

從礦物晶格鍵能的強弱來看，架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽的鍵能較強，因而穩(wěn)定性也較大。在長石類礦物中，微斜長石抗風化性高于正長石。因為微斜長石為三斜對稱組合結(jié)構(gòu)，而正長石則為單斜對稱組合結(jié)構(gòu)。在云母類礦物中，因化學組成及晶胞體積不同，白云母較黑云母穩(wěn)定得多。

含鉀礦物的抗風化能力的順序為：鉀微斜長石>鉀長石>白云母>黑云母。通常，架狀結(jié)構(gòu)的長石類礦物的穩(wěn)定性大于片狀結(jié)構(gòu)的122.1長石類礦物中鉀的釋放

長石類含鉀礦物的分解是水解過程，是一個純界面反應(yīng)。在水解過程中H+首先與礦物表面Si-O-Si或者Al-O-Al反應(yīng)并使其水解和釋放出鉀，在這個過程中，同時釋放出Al和Si的水解產(chǎn)物，但是速率比K慢。長石類礦物組分的鉀釋放符合零級反應(yīng)動力學方程式。當溶液中鉀離子達到一定濃度時，會抑制礦物的進一步水解。一般認為，長石的風化次序為：

長石過渡礦物高嶺石

盡管許多土壤中長石含鉀比云母多，但一般認為長石釋放的鉀較少。除風化強烈的濕潤地區(qū)外，由鉀長石風化釋放的鉀很少，對當季植物的鉀營養(yǎng)意義不大。云母/伊利石蛭石2.1長石類礦物中鉀的釋放云母/伊利石蛭石132.2云母類礦物中鉀的釋放云母類礦物在風化過程均伴隨著鉀的釋放，是非交換性鉀的主要來源。在風化的同時，礦物變細，礦物的性質(zhì)發(fā)生改變（圖），特別是黑云母，由于三八面體中Fe2+易氧化，為了平衡電荷八面體內(nèi)的Mg2+等釋放出來。2.2云母類礦物中鉀的釋放142.3影響含鉀礦物中鉀釋放的環(huán)境因素（1）氫離子和土壤pH

土壤溶液中的氫離子來自于水分子的解離、CO2的溶解、礦物風化過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和生物來源的有機酸類物質(zhì)等，一般以H3O+的形式存在。

在硅酸鹽礦物表面和層狀硅酸鹽內(nèi)表面上，只要水膜是連續(xù)的，氫離子的擴散速率很快，而且H3O+的大小與K+相似，很容易取代鉀離子進入云母類礦物的晶層間，因而限制氫離子與云母層間鉀離子交換速率的因素是鉀離子的擴散速率。土壤pH決定了氫離子的活度高低。土壤pH對長石類和云母類礦物結(jié)構(gòu)鉀釋放的影響程度不同。2.3影響含鉀礦物中鉀釋放的環(huán)境因素土壤pH15（2）有機配位體

土壤中重要的有機配位體是有機酸包括草酸、酒石酸、蘋果酸和檸檬酸等，不僅提供氫離子，而且陰離子本身是配位體。有機酸對云母類和長石類含鉀礦物鉀的釋放都有促進作用，但其效果有一定的差異。例如，與0.01mol/L的草酸和檸檬酸反應(yīng)10天后，含鉀礦物釋放鉀的順序是：黑云母>微斜長石≈正長石>白云母，而與四苯硼鈉溶液反應(yīng)時其順序是：黑云母>白云母>微斜長石>正長石（表），說明陰離子的配位反應(yīng)在起作用。（2）有機配位體16（3）鉀離子的活度

云母類礦物周圍土壤溶液中K+的活度，對云母經(jīng)陽離子交換而釋放K有很大的影響。當土壤溶液K+水平低于臨界值時，層間鉀被溶液中其他陽離子置換。相反，當K+水平高于臨界值時，云母膨脹性2：1型礦物從溶液中吸取鉀。鉀的臨界水平與礦物種類有關(guān)。其中黑云母要顯著高于白云母。（3）鉀離子的活度云母類礦物周圍土壤溶液中K+17（4）植物根系和根際生物

植物根系對礦物結(jié)構(gòu)鉀的影響表現(xiàn)在兩個方面：

①植物根系對鉀的吸收降低了土壤溶液中鉀的濃度，打破了平衡反應(yīng)而促進礦物鉀的釋放。②植物根系能夠釋放有機酸或降低根際的pH值，提供的質(zhì)子和配位體可促進礦物鉀的釋放。

根際生物也有類似的作用。（4）植物根系和根際生物植物根系對礦物結(jié)構(gòu)鉀的影響表18

不同植物種類的根系對鉀釋放的影響及其機制不同。

例如，黑麥草吸鉀的能力強，顯著降低了溶液中鉀的濃度，促進了礦物鉀的釋放（表）。油菜則可同時促進礦物鉀和鎂的釋放。礦物學分析發(fā)現(xiàn)，在種植油菜時，蛭石化作用產(chǎn)生含有水合鋁離子的蛭石，這是由于油菜分泌的質(zhì)子，促進了Al和Mg的釋放和礦物分解。不同植物種類的根系對鉀釋放的影響及其機制不同。19

3土壤鉀的固定和非交換性鉀的釋放3土壤鉀的固定和非交換性鉀的釋放203.1鉀的固定(Fixationofsoilpotassium)

土壤中溶液鉀和交換性鉀進入粘土礦物層間轉(zhuǎn)化為非交換性鉀，從而降低鉀的有效性現(xiàn)象統(tǒng)稱為鉀的固定。3.1.1鉀的固定機制主要是2：1型粘土礦物如蛭石、蒙脫石以及水云母等的層間孔穴固定。當鉀離子進入2：1型粘土礦物層間后，由于K+的離子半徑(0.133nm)與晶層之間網(wǎng)格的大小(0.14nm)相匹配，更重要的是鉀離子的水化半徑小，礦物層間內(nèi)表面的負電荷與鉀離子的靜電引力超過了由離子水化引起的膨脹力，導致晶層之間不可逆收縮并將鉀離子閉蓄在晶格內(nèi)。3.1鉀的固定(Fixationofsoilpota21

K+ionexchange&fixationhexagonalholesTOilliteclaymineralK+Ca2+K+K+K+H+H+Ca2+K+ionexchange&fixationhe223.1.2影響土壤鉀固定的因素（1）粘土礦物的種類和數(shù)量

土壤粘土礦物的類型和數(shù)量對交換性鉀的保持力有很大的影響，它控制了土壤溶液中鉀的濃度，以及再補充鉀以供應(yīng)作物的能力。同時鉀肥施入土壤后，其固定程度及固定的鉀的釋放率也因土壤礦物類型而異。3.1.2影響土壤鉀固定的因素23從對鉀的吸持能力來看，粘土礦物可粗分為三類：

第一類為高嶺石。它們只能在表面和破碎的邊緣上吸附鉀，而且對鉀的吸附力也不強，也不能固定鉀。因而這類礦物不能阻止鉀的淋失，它的這些特性類似砂土。第二類為伊利石。它們在表層、破碎的邊緣和晶體邊緣的層間吸附鉀，但被吸附或固定的鉀仍易被交換。第三類為蛭石。它們以交換形式吸附鉀，當土壤變濕而膨脹時允許鉀進入層間的深處。當土壤干燥層間關(guān)閉時，內(nèi)層鉀受到包蔽或固定，而不易再釋放。從對鉀的吸持能力來看，粘土礦物可粗分為三類：24第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件25（2）粘土礦物晶層的電荷密度和電荷位置礦物晶層電荷密度越大，固鉀能力和數(shù)量越大。若電荷主要來自四面體層的礦物，由于電荷的位置更接近于被吸附的鉀離子，故有較強的固鉀能力。例如：蛭石不僅層間電荷密度較大，電荷來自四面體和八面體層，而且晶層間距離較小，故固鉀能力強；而蒙脫石除了電荷密度低之外，電荷主要來自八面體層，而且晶層間距離較大，因此固鉀能力相對較弱。（2）粘土礦物晶層的電荷密度和電荷位置礦物晶層電26（3）土壤水分

一般來說，干濕交替有利于鉀的固定，但與礦物類型有關(guān)。鉀的固定常因土壤干燥而加強，因為土壤干燥時，土壤溶液中鉀的濃度增加，晶層易脫水、收縮，從而促進鉀的固定。但是并不是所有的粘土礦物都需要經(jīng)過干燥過程才能固定鉀。對蒙脫石來說，干燥是其固定鉀的首要條件，而伊利石在濕潤條件下也能固定鉀，其原因與晶層間的距離有關(guān)，晶層間距離小于1.2nm的粘土礦物不需要脫水就可固定鉀。（3）土壤水分一般來說，干濕交替有利于鉀的固定，但27（4）粘土礦物的非交換性鉀耗竭程度

在水溶性鉀濃度相同時，層間鉀的耗竭程度越高，固鉀的數(shù)量也越多。（5）土壤中鉀的飽和度

在一定范圍內(nèi)，鉀的固定隨著土壤溶液中鉀的飽和度提高而增加，但是超過上限時，固定鉀的位點減少，鉀相對固定量減少。（4）粘土礦物的非交換性鉀耗竭程度（5）土壤中鉀的飽和度28（6）土壤pH和陪補離子狀況土壤固定鉀的能力隨土壤pH值升高而增強。在酸性條件下，土壤膠體所帶的負電荷少，陪補離子以H+、Al3+為主，抑制了對鉀的固定。此外，鐵鋁氧化物可進入粘土礦物層間，阻止鉀的移出和進入，也會影響鉀的固定。在中性條件下，陪補離子以Ca2+、Mg2+為主，能增強對鉀的固定。在堿性條件下，陪補離子以Na+為主，明顯地增強對鉀的固定。（6）土壤pH和陪補離子狀況土壤固定鉀的能力隨土29第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件30（7）銨(NH4+)離子的影響

由于銨離子半徑(0.149nm)與鉀離子半徑(0.133)相近，銨離子可與鉀離子競爭吸附和固定位點，因此當NH4+與K+同時存在時，鉀的固定減少，如果先加入銨離子也將減少鉀的固定。因此，在大量施用銨態(tài)氮肥后，土壤中鉀的固定位點被銨離子所占據(jù)，而使隨后施入的鉀的固定量減少。銨離子也能阻止固定態(tài)鉀的釋放。如果先施鉀后施銨，銨離子把晶層間的Ca2+、Mg2+置換出來，造成晶層間的距離縮短，從而把鉀離子閉蓄在晶層間的空穴內(nèi)。（8）土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)本身不固定鉀，即使是在晶層內(nèi)，也不影響鉀進入晶層內(nèi)部，但是如果土壤有機質(zhì)與土壤粘粒形成了穩(wěn)定性的團粒結(jié)構(gòu)，鉀的固定量將增加。（7）銨(NH4+)離子的影響31

Note!

在田間條件下，鉀的固定是一個相當緩慢的過程。在層間鉀匱乏的土壤上施用鉀肥，二三個月后才能達到平衡。

鉀素固定的作用:

一方面降低鉀的植物有效性；另一方面，也減少了鉀因淋溶作用而造成的損失。而且固定的鉀在一定條件下仍可釋放出來，變?yōu)榻粨Q性鉀供植物吸收利用。Note!323.2非交換性鉀的釋放

土壤非交換性鉀與交換性鉀之間存在動態(tài)平衡關(guān)系。當土壤中交換性鉀被植物吸收而減少時，非交換性鉀則緩慢地轉(zhuǎn)化為交換性鉀。大多數(shù)土壤非交換性鉀的釋放量低于20mg/100g，其中以沖積土的非交換性鉀釋放量最大。在鉀礦物（伊利石、蛭石）豐富的土壤中，依靠非交換性鉀釋放出來的鉀已完全能滿足黑麥草對鉀的需求。但是，土壤非交換性鉀的釋放受礦物結(jié)構(gòu)特征、結(jié)晶缺陷、顆粒大小以及干燥過程、土壤溶液離子的濃度、植物根際pH值和根系特性等一系列因素所制約。3.2非交換性鉀的釋放33一般認為，非交換性鉀的釋放是由擴散和交換機理控制的。擴散在很大程度上取決于礦物的膨脹，因而也決定于土壤濕度。交換則決定于鄰近溶液中或礦物表面的陽離子類型和濃度。

非交換性鉀的釋放速率可用下式描述：dkt/dt=k2(k0-kt)其中k0為非交換性鉀總量，kt為t時間內(nèi)釋放的鉀量，k2為釋放速率系數(shù)。層間鉀的釋放速率與鄰近溶液中鉀的濃度有關(guān)，在鉀濃度低的條件下其釋放速率較高。層間鉀的釋放與溶液pH也有關(guān)系，在低pH條件下則較易釋放。此外，干濕和凍融交替、高溫和灼燒等在一定條件下也有促進層間鉀釋放的作用。一般認為，非交換性鉀的釋放是由擴散和交換機理控制的34非交換性鉀的釋放步驟：

第一步是礦物吸水膨脹，使處于楔形部位的鉀，有可能被溶液中其它陽離子所交換。第二步是陽離子交換。第三步是鉀離子從礦物層間位置擴散遷移到礦物外表面。擴散步驟較為困難，鉀在礦物層間的擴散系數(shù)大約為10-15-10-23cm2/s，比土壤溶液中K+的擴散系數(shù)(De=10-7cm2/s)低得多。

因此，有人認為非交換性鉀釋放速率主要受礦物層間向外擴散速率所控制。非交換性鉀的釋放步驟：35Note!

土壤非交換性鉀的植物有效性，不僅與土壤中鉀的存在形態(tài)以及各組分鉀的數(shù)量和其它土壤條件有關(guān)，也在很大程度上取決于植物對鉀的吸收和利用能力。如果植物對鉀的吸收能力較強，或者根際酸化和有機分泌作用較強，土壤非交換性鉀的有效性就大。在連續(xù)種植植物時，非交換性鉀是植物鉀的主要來源。如在南方連續(xù)種水稻、大麥3-6次，植物吸鉀總量的60-80%來自非交換性鉀。Note!36謝建昌等，2000：鉀與中國農(nóng)業(yè)。河海大學出版社謝建昌等，2000：鉀與中國農(nóng)業(yè)。河海大學出版社374土壤鉀的吸附和釋放4土壤鉀的吸附和釋放384.1鉀的吸附

土壤粘土礦物、金屬氧化物、有機質(zhì)等土壤膠體都能夠以離子交換的形式吸附鉀。土壤膠體對K+吸附的強度小于二、三價陽離子以及H+和NH4+，而大于Na+。不同土壤膠體對鉀離子的吸附能力不同。有機質(zhì)和高嶺石對K+的吸附能力較弱，其吸附位置對K+的專性低；而2：1型粘土礦物的吸附位置對K+的專性高，而且束縛力也強。最強的是伊利石，其次石是蛭石和云母。土壤膠體對鉀的吸附受質(zhì)量作用定律支配，即隨溶液中鉀濃度的增高而增加，隨著膠體鉀飽和度的增大而降低，同時還隨著pH的升高而增加。4.1鉀的吸附394.2交換性鉀的釋放

土壤交換性鉀，特別是根際土壤交換性鉀是當季作物鉀的主要來源，土壤交換性鉀的量和釋放速率與土壤鉀的植物有效性有很大的關(guān)系。交換性鉀與溶液中的鉀保持著動態(tài)平衡。膠體鉀的飽和度高，交換性鉀易于釋放進入溶液。吸附態(tài)鉀的解吸還與膠體類型、吸附位置、pH、土壤質(zhì)地和土壤含水量等因素有關(guān)。如土壤溫度升高和水分含量增加可使較多的交換性鉀進入溶液。在2：1型粘土礦物中，鉀的釋放還受吸附位置的影響（圖）。吸附在粘土礦物表面（p-位）上的K+很不牢固，易于釋放；層間（i-位）鉀具有很強的鍵能，不易釋放；處于層間楔形區(qū)邊緣位置（e-位）的鉀，其鍵能和釋放難易程度則處于中間狀態(tài)。4.2交換性鉀的釋放40第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件41ExchangebleK&Non-ExchangeableKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKCaReleaseofNon-exchangeableKFixationofNon-exchangeableKCaKKKKNon-exchangeableKExchangeableKExchangeableKKKExchangebleK&Non-Exchangeabl425鉀的淋失5鉀的淋失43

水溶性和交換性鉀易被降水或灌溉水淋失，其數(shù)量受土壤質(zhì)地、粘土礦物種類和是否種植作物等因素的影響。熱帶和亞熱帶高度風化的酸性土壤，粘土礦物以高嶺石為主，缺少鉀的專性吸附位點，而且陽離子交換量低，鉀的淋失嚴重；而對2：1型粘土礦物為主的土壤，鉀的淋失較少。質(zhì)地輕的土壤鉀的淋失量顯著大于質(zhì)地粘重的土壤。栽培作物能顯著降低鉀的淋失量。水溶性和交換性鉀易被降水或灌溉水淋失，其數(shù)量受土壤44PotassiumLeachingNegligibleonloamsoffinertexturedsoilsMayoccurinsoilswithlowCECMayoccurinsoilshighinCa++、Mg++,acidityMayoccurwithhighuseofNH4+fertilizersPotassiumLeachingNegligibleo45

酸性土壤施用石灰有利于土壤保持鉀素。其原因是：

可變電荷數(shù)量增加，鉀的吸附量增加；土壤pH升高導致Al的活度下降，鉀可以有效地與鈣競爭吸附位點；降低了水合氫離子的活度，減少了礦物鉀的釋放。酸性土壤施用石灰有利于土壤保持鉀素。其原因是：466土壤供鉀能力的評價與應(yīng)用6土壤供鉀能力的評價與應(yīng)用476.1土壤鉀素供應(yīng)能力的評價

目前常用的方法有：

生物方法（田間試驗、盆栽試驗）

化學方法（如醋酸銨法、硝酸煮沸法、四苯硼鈉法）

物理化學方法（如陽離子交換樹脂法）

電化學方法（如EUF法）6.1土壤鉀素供應(yīng)能力的評價目前常用的方486.1.1用生物試驗方法直接了解土壤供鉀狀況田間試驗是了解土壤供鉀能力及作物對鉀肥反應(yīng)的最基本、最直接和最可靠的生物試驗方法，而田間長期定位試驗是我們了解土壤供鉀能力變化的最重要的手段之一。與田間試驗相比，溫室試驗更加簡便和迅速，可以用少量土壤設(shè)計出不同處理的試驗以定量測定土壤的供鉀能力，而且試驗的條件可以控制一致，重現(xiàn)性高。用盆栽耗竭方法評價不同土壤供鉀潛力時，最好選用多年生植物。缺點：周期較長，工作量大，不可能大量進行。6.1.1用生物試驗方法直接了解土壤供鉀狀況田間496.1.2速效鉀作為當季土壤供鉀能力的指標

長期以來，速效鉀被廣泛地用于土壤供鉀能力的預測。

速效鉀是模擬植物根系的吸收以了解土壤中有多少鉀素在作物生長期間的有效性。在中國，一般是采用1mol/L中性醋酸銨提取的方法測定土壤速效鉀。6.1.2速效鉀作為當季土壤供鉀能力的指標長期506.1.3緩效鉀作為評價土壤供鉀潛力的指標

土壤緩效鉀是速效鉀的補給來源，緩效鉀的不斷釋放可以使速效鉀維持在適當?shù)乃缴?，當評價土壤的長期供鉀潛力時，應(yīng)主要考慮土壤緩效鉀的含量。

用35種土壤進行的土壤緩效鉀與鉀肥效果的關(guān)系中得出：緩效鉀量低者，鉀肥的效果大，并且隨著種植次數(shù)的增加，由于土壤潛在性鉀的消耗，鉀肥效果增大。因此，緩效鉀是反映土壤供鉀潛力的一個重要指標。6.1.3緩效鉀作為評價土壤供鉀潛力的指標用351土壤緩效鉀的測定是采用1mol/L硝酸消煮10min提取的，但土壤中什么組分、什么部位的鉀被提取仍然是十分模糊。此方法顯然涉及到硝酸對土壤礦物成分的相當劇烈的處理。Conyers等(1969)通過X射線研究，發(fā)現(xiàn)硝酸處理對蛭石和伊利石有較大的膨脹和溶解作用，而對高嶺石、蒙脫石影響相對較小。鮑士坦和史瑞和（1984）認為，用2mol/L冷硝酸提取的鉀既包括了土壤交換性鉀又能更好地反映土壤非交換性對水稻的供應(yīng)能力。土壤緩效鉀的測定是采用1mol/L硝酸消煮10526.1.4土壤供鉀能力的Q/I指標

研究土壤鉀素供應(yīng)的容量因素和強度因素之間的關(guān)系，對正確了解鉀的供應(yīng)狀況是很重要的。因為鉀容量因素相同的土壤，其強度因素未必相同(圖）。

圖中a點是粘土鉀素的強度因素，b是砂土鉀素強度因素，比較后可看出，當鉀的容量因素相同時，強度因素低的土壤，緩沖力則高；強度因素高的土壤，緩沖力則低?？梢姡惩恋慕粨Q性鉀含量雖高，但它提供給植物的有效鉀量卻較低，因此對于質(zhì)地不同的土壤，不應(yīng)都以相同的交換性鉀含量作為判斷其鉀素供應(yīng)狀況的依據(jù)。6.1.4土壤供鉀能力的Q/I指標圖中a點是粘土鉀536.1.5陽離子交換樹脂法提取一般均是要將一定量的交換樹脂與一定量的土壤混合，測定時要把上述兩者分離，比較麻煩。杜承林等（1987）把氫飽和陽離子樹脂先裝入尼龍袋中，然后再來提取土壤鉀。用這種樹脂袋法先后測定了65種土壤的有效鉀并與生物試驗結(jié)果進行了比較。發(fā)現(xiàn)（圖）樹脂袋連續(xù)6次提取的鉀量分別與水稻連續(xù)種植3次，大米草連續(xù)種植7次的吸鉀量非常接近。

結(jié)果還表明，樹脂袋法第一次的提取的鉀量相當于土壤的交換性鉀，而以后各次的提取量則是緩效鉀中容易釋放而被作物吸收利用的那部分鉀。作物吸收與樹脂提取量之間的相關(guān)性證明樹脂提取的鉀是一種衡量土壤供鉀能力的有效指標。樹脂袋法連續(xù)提取的鉀比酸提取的鉀更能反映作物吸收和利用的那部分鉀。6.1.5陽離子交換樹脂法提取54第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件556.1.6電超濾法提取電超濾起源于滲析法，后來人們發(fā)明了電滲析法，加快了離子通過膜擴散的速度，將超濾與電滲析結(jié)合便形成了電超濾法。在溫度、電壓和時間的不同組合的條件下所提取出的鉀，代表了電超濾鉀的不同組分，而每一組分具有一定的化學和生物學含義，可提供土壤鉀素供應(yīng)的強度因素和容量因素的信息。6.1.6電超濾法提取電超濾起源于滲析法，后來56

在不同電場強度和時間下測定的不同組分電超濾鉀其意義：

（1）1-10min的電超濾鉀量，相當于土壤溶液中鉀的濃度（強度因素）；（2）10-35min的電超濾鉀量，相當于交換性鉀（容量因素）；

（3）在400V電壓、30-35min的電超濾鉀，可用于推測土壤溶液中鉀的濃度在植物生長季節(jié)可能降低的程度。不少研究結(jié)果指出，電超濾法是評價具有不同黏土礦物組成的土壤鉀有效性的一種比較好的方法，國內(nèi)從80年代開始用電超濾法研究土壤的供鉀能力。盡管電超濾法在評價土壤供鉀能力方面具有某些獨特的優(yōu)點，但由于實驗需要電超濾儀，因此它的應(yīng)用極為有限。在不同電場強度和時間下測定的不同組分電超濾鉀其意義576.1.7鉀的釋放動力學與供鉀能力預測

土壤各形態(tài)鉀之間處于一個動態(tài)變化中。當溶液中的鉀被作物吸收或淋溶后，土壤中的交換性鉀便釋放到溶液中去。當速效鉀的濃度減少后，土壤的緩效鉀也會不斷地釋放，以求達到新的平衡。在現(xiàn)有的土壤供鉀能力的預測方法中，往往只考慮鉀的提取量，而忽略了這種動態(tài)的變化。

實際上，土壤的含鉀量相同并不代表土壤具有相同的供鉀能力，這是因為在速效鉀被作物吸收利用以后，緩效鉀和礦物鉀的釋放速度不同所致。6.1.7鉀的釋放動力學與供鉀能力預測實際上，58在80年代，土壤鉀素轉(zhuǎn)化動力學問題已經(jīng)引起國內(nèi)科研工作者的注意。朱永官(1994)研究了不同土壤的非交換性鉀在0.01mol/L草酸或檸檬酸中的釋放動力學，并用一級反應(yīng)方程、拋物線擴散方程、Elovich方程和零級反應(yīng)方程求出各土壤中鉀的釋放速率，結(jié)果表明鉀的釋放速率與土壤的非交換性鉀間呈顯著的相關(guān)。程明芳等(1999)采用連續(xù)流動交換技術(shù)研究了我國北方25個供試土壤非交換性鉀的釋放速率。土壤非交換性鉀釋放速率與盆栽耗鉀試驗中玉米吸鉀量之間有極顯著的相關(guān)性，可以用它作為土壤供鉀能力的評價指標。在80年代，土壤鉀素轉(zhuǎn)化動力學問題已經(jīng)引起國內(nèi)科研59盡管鉀的釋放動力學的引入能幫助我們從土壤供鉀的強度、容量及速度方面較為全面地評價土壤的供鉀能力，但釋放速度的研究耗時費力。另外，土壤是一個十分復雜的體系，土壤的礦物組成、質(zhì)地、水分、溫度、pH、離子環(huán)境和微生物活動以及耕作施肥體系等都會影響鉀的釋放速度。采用什么方法來研究鉀的釋放動力學，以確定鉀的釋放速度指標，仍有待于未來的研究工作。盡管鉀的釋放動力學的引入能幫助我們從土壤供鉀的強606.2速效鉀指標的應(yīng)用條件

中國對土壤速效鉀的測定和應(yīng)用十分廣泛，20世紀70年代末，中國很多地區(qū)特別是在南方，都根據(jù)速效鉀的含量劃分了土壤供鉀能力的等級。全國土壤普查辦公室將土壤供鉀水平的等級定為6級：

速效鉀含量（mg/kg)土壤供鉀水平<30很低30-50低50-100中101-150高151-200很高>200極高6.2速效鉀指標的應(yīng)用條件61但有一些研究結(jié)果認為，速效鉀含量水平與鉀肥效應(yīng)的相關(guān)性很小。如陜西對作物施鉀效果與各種形態(tài)鉀的相關(guān)性研究中，土壤緩效鉀每次都與鉀肥效果呈極顯著相關(guān)，而速效鉀與其相關(guān)性很小(徐福利，1994)。有些土壤，根據(jù)土壤分析結(jié)果，應(yīng)屬于供鉀能力較強的土壤，但田間試驗的結(jié)果卻表明這些土壤也有很高的鉀肥肥效(金繼運，1994)。張寬等(1994)在速效鉀含量(K)為112.1～138.6mg/kg的黑土上所進行的玉米田間試驗表明，鉀肥最高可增產(chǎn)25％。但有一些研究結(jié)果認為，速效鉀含量水平與鉀肥效應(yīng)的62速效鉀含量是表征土壤鉀素供應(yīng)狀況的重要指標之一。及時測定和了解土壤速效鉀含量及其變化，對于指導鉀肥的施用是十分必要的。

但是，在實際中用土壤速效鉀的測定結(jié)果作為土壤供鉀能（潛）力的指標來指導鉀肥的施用常常與作物對鉀肥的實際反應(yīng)不相吻合。有時速效鉀含量較高的土壤，鉀肥表現(xiàn)出效果，而含量較低的卻無效。因此，速效鉀作為指標的應(yīng)用是十分復雜的，應(yīng)考慮下面的一些因素。速效鉀含量是表征土壤鉀素供應(yīng)狀況的重要指標之一。及636.2.1速效鉀是一個易變動的數(shù)值由于施肥、作物吸收以及耕作的影響，在一年中或年度之間速效鉀含量是在變化的，故不同季節(jié)取土樣進行的測定結(jié)果不同。如在南方的綠肥雙季稻輪作周期中，對土壤速效鉀的動態(tài)變化測定表明，在不施鉀肥的情況下，土壤速效鉀由綠肥翻耕前的47mg/kg增加到翻耕后的99mg/kg(主要由于綠肥釋放出鉀，灌水也有利于緩效鉀的釋放)，早稻自分蘗開始至拔節(jié)期，由于水稻的大量吸收，速效鉀顯著降低，降至49mg/kg(圖)。由于在一年中速效鉀含量有一個動態(tài)變化，含量可波動很大。因此，假如要對不同土壤的速效鉀進行比較時，采樣的季節(jié)要大體相近，如均在開春或秋末，以不同季節(jié)甚至于不同年份取樣的分析結(jié)果所進行的比較，往往會得出不正確的結(jié)論。6.2.1速效鉀是一個易變動的數(shù)值由于在一年64第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件656.2.2速效鉀經(jīng)作物吸收利用后，短期內(nèi)會降至某一“最低值”

在作物生長過程中，由于作物的吸收利用，土壤速效鉀會迅速降低。當降低至某一水平時，剩下部分就被更強烈地吸持著，鉀進入溶液減少，作物的吸收也就減少。當減少至某一“最低值”后，即再難以被吸收利用。不同土壤均有不同的“最低值”，如第四紀紅色粘土發(fā)育的土壤，這一“最低值”約為40mg/kg左右。GrimmeandNemeth(1978)在盆栽耗竭試驗中，觀察到由于作物吸收而出現(xiàn)土壤交換性鉀的“最低值”以后不再下降。從吸收前后的差值可以計算出土壤交換性鉀可利用值的百分率(即有效度)，水稻平均為72.8％(n=10)，黑麥草平均為77％(n=10)。

這說明不是所有的交換性鉀對作物的有效性都是一樣的，只有部分的交換性鉀與溶液中鉀建立較為密切的聯(lián)系。不同土壤不一樣，可能與粘粒含量和粘土礦物類型有關(guān)。6.2.2速效鉀經(jīng)作物吸收利用后，短期內(nèi)會降至某一“最低值66第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件67

但目前一般是這樣來計算土壤可提供利用的鉀素，假如速效鉀為70mg/kg時，則每公頃可提供的鉀量為70mg/kg×10-6×

150000kg×15＝157.5kg。

由于作物的吸收，土壤速效鉀降低到某一最低值后不再降低，因此根據(jù)測定的速效鉀含量來評價土壤鉀素狀況往往估計偏高，因為在這一最低水平以下的交換性鉀不能為作物吸收利用，實際上此時作物吸收的是由緩效鉀釋放的鉀素。但目前一般是這樣來計算土壤可提供利用的鉀素，假如686.2.3土壤質(zhì)地和鉀飽和度

土壤中速效鉀水平很高或很低，一般能反映砂性土壤的供鉀狀況的高低，但對粘性土壤并不完全可靠。因為質(zhì)地不同的土壤，其粘土礦物的含量不同，其對鉀的吸附固定的能力及其有效性不同。國外在確定速效鉀指標用以推薦施肥時，都是考慮質(zhì)地的（表）。雖然這些標準不一定完全適合我國，但目前我們不問土壤質(zhì)地如何，用一個尺度顯然是不正確的。6.2.3土壤質(zhì)地和鉀飽和度國外在確定速效69第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件706.2.4土壤粘土礦物性質(zhì)的影響

菲律賓報道了一個試驗結(jié)果(表)，盡管兩種土的粘粒含量相似，但由于粘土礦物不同，因而施鉀后水稻的反應(yīng)大不相同。在低鉀的B土壤(55mg/kg)上施鉀沒有反應(yīng)，但在高鉀的A土壤(156mg/kg)上施鉀增產(chǎn)非常顯著。

其原因是粘土礦物不同。盡管A土壤具有足夠的速效鉀，但是緩效鉀較低，因此，施鉀有助于提供土壤溶液鉀濃度，因而對提高產(chǎn)量是有效的。B土壤雖然速效鉀低，但其蛭石類的粘土固鉀能力強，固定了肥料中的鉀，因而施鉀并沒有增加溶液鉀的濃度，也就未表現(xiàn)增產(chǎn)。6.2.4土壤粘土礦物性質(zhì)的影響其原因是粘土71第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件72由此可見，交換性鉀的臨界水平，在不固鉀的土壤(砂土、有機質(zhì)土、含有高嶺類粘土礦物的土壤)上，其值較低；在固鉀土壤(具有蛭石、貝得石或者水云母為主的粘土礦物)上，其值較高。土壤中交換性鉀濃度超過臨界水平時，施鉀就沒有效果。在我國不同地區(qū)，即使是在同一地區(qū)的不同土壤，其粘土礦物也有差異，其對鉀的吸附固定能力不同，鉀的有效程度也不同，其臨界值也應(yīng)有所不同。若在這種情況下用相同的指標值，這顯然是不合理的。由此可見，交換性鉀的臨界水平，在不固鉀的土壤(736.2.5待測樣品處理方法的影響

水分是對土壤鉀素釋放、固定的一個重要影響因素。據(jù)研究，100個田間濕潤土壤經(jīng)過室內(nèi)風干處理，可使土壤交換性鉀有不同程度的增加(彭干濤，1984)。-----根據(jù)其增加百分率，可把土壤區(qū)分為3類情況，第1類是釋鉀低(釋放率10％以下)；第2類是釋鉀中等(釋放率平均為36％)；第3類是釋鉀高(釋放率平均為83％)。經(jīng)過風干后，土壤速效鉀增多的原因，有人認為是這些土壤含有邊緣風化了的云母碎片，這些碎片暴露了層間鉀，當風干時，這些鉀就釋放出來了。因此風干后釋鉀較多的土壤，當以風干土測定值作為施肥指標時，不能反應(yīng)田間的實際情況。往往認為這類土壤鉀肥無效(因測定值較高)，而在大田條件下，可能對鉀肥有反應(yīng)。而實際上為了操作方便，一般都是用風干土進行分析的。6.2.5待測樣品處理方法的影響746.2.6耕層以下土壤供鉀的影響

植物根系可以深入到耕作層以下，底土對鉀素營養(yǎng)的貢獻常被忽視。我們一般采取耕層樣品，很少采集犁底層以下的土壤樣品來研究其供鉀狀況。某些海岸平原或江河沖積物形成的土壤，砂質(zhì)表層的下面是較細質(zhì)地的B層，它可能含有大量對植物有效的鉀離子。尤其對于某些深根作物如甜菜、冬小麥和苜蓿來說，心底層土壤對鉀的貢獻很大，因此若只注意表層土壤的含鉀量，往往會出現(xiàn)難以解釋的現(xiàn)象。例如，在河南封丘的上述土壤上進行的定位試驗表明(范欽楨，1994)，土壤雖含鉀不高，但不施鉀處理經(jīng)過3年種植后，鉀肥效果仍不明顯，主要與耕層以下土壤的供鉀有關(guān)。Beringer(1984)和Haak(1981)發(fā)表的數(shù)據(jù)表明，作物吸收的鉀50％以上是來自心土。6.2.6耕層以下土壤供鉀的影響75第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件766.2.7不同作物對鉀的吸收利用能力和需要量不同

植物對鉀的吸收利用受到一系列生物和環(huán)境因素的影響。例如不同的生育期作物對鉀需要量不同，吸鉀的能力也有差異，而且對鉀肥的反應(yīng)也有差異；不同的植物種類或同一種類不同的基因型對鉀的吸收利用能力具有明顯的差異；不同的溫度、濕度、通氣性等條件下，不僅影響鉀在土壤中的轉(zhuǎn)化及其動態(tài)，而且對鉀的吸收利用也會產(chǎn)生一定的影響。不同植物種類對土壤鉀供應(yīng)的臨界值也不相同。

6.2.7不同作物對鉀的吸收利用能力和需要量不同77WhatAffectsPotassiumUptakebyCrops?SoilconditionsWhereareavailableKsupplieslocated?EnvironmentalconditionsAreconditionsfavorableforKuptake?PlantcharacteristicsWhereisrootuptakeofK

occurringrelativetoKsupply

inthesoil?PlantKSoilSolutionKReactionsSoilKUptakeWhatAffectsPotassiumUptake78

國際上的鉀素臨界值標準也因作物而異(表)。國內(nèi)的一些試驗中也發(fā)現(xiàn)當土壤速效鉀為120mg/kg時，棉花施用鉀肥還可能有效，而某些作物在含鉀量為80mg/kg時鉀肥就不會出現(xiàn)效果了。國際上的鉀素臨界值標準也因作物而異(表)。國內(nèi)的一79我們認為，凡作物在短期內(nèi)需鉀較多而吸收能力相對較弱的作物，如塊根(甘薯)、塊莖(馬鈴薯)、甜菜、棉花、大豆等作物，種植在土壤交換性鉀含量較低的土壤上，一般靠土壤緩效性鉀的釋放不能滿足它的需要，所以對這些作物土壤交換性鉀含量可作為鉀素的診斷指標；對稻、麥、黑麥草等禾谷類作物吸鉀能力很強，許多試驗證明，緩效鉀是這些作物鉀素的主要給源。很顯然，對禾本科作物稻麥等來說，單憑交換性鉀的指標來衡量土壤供鉀狀況是不夠的。根據(jù)禾本科作物(稻、麥)的吸鉀特點，除吸收土壤速效鉀以外，非交換性緩效鉀在補給交換性鉀方面起了重要作用。我們認為，凡作物在短期內(nèi)需鉀較多而吸收能力相對較弱806.2.8土壤緩效性鉀的影響

因土壤中的速效鉀含量受土壤緩效鉀貯量的控制，當速效鉀消耗后進行補充的數(shù)量取決于緩效鉀的貯量，貯量不同時，鉀肥肥效也各異。因此，當兩個土壤的速效鉀含量相近，而緩效鉀含量不同時，緩效鉀高的土壤對鉀肥的需要性相對小一些。例如蘇南的白土和低肥黃泥土與蘇北的砂土相比，速效鉀含量都在66mg/kg左右，但前者的緩效鉀低于300mg/kg，而后者為300～600mg/kg。所以前者的鉀肥肥效較為明顯，而后者只對一些喜鉀作物才表現(xiàn)效果(中國科學院南京土壤研究所鉀組，1975)。6.2.8土壤緩效性鉀的影響例如蘇南的白土和低肥81因此對于某些土壤，當土壤速效鉀不能滿足作物的需要時，大量緩效性鉀在作物生長過程中會轉(zhuǎn)化為速效鉀而被作物吸收，因而緩效鉀的含量及轉(zhuǎn)化速度會大大影響作物當季的供鉀能力。

土壤鉀素指標值要從施用效果和經(jīng)濟效益兩方面考慮。一般，當土壤含鉀水平高于土壤臨界含鉀量時，施用鉀肥不大可能增產(chǎn)。從經(jīng)濟角度來看，當土壤含鉀量超過臨界含鉀量時，肥料的施用在經(jīng)濟上也是不合算的。在國外，有的把產(chǎn)量能達最高產(chǎn)量的80％時的土壤含鉀量定為臨界值，此值顯然應(yīng)根據(jù)當時作物產(chǎn)值和肥料成本進行調(diào)整。對某些經(jīng)濟作物，施鉀不一定能增加產(chǎn)量，但卻大大改善了品質(zhì)。我國與一些西歐國家相比，指標普遍相對較低，隨著生產(chǎn)條件和目標產(chǎn)量的變化，指標也會相應(yīng)改變。

因此對于某些土壤，當土壤速效鉀不能滿足作物的需要82Note!

在實際應(yīng)用時，如果不區(qū)分情況，籠統(tǒng)地用統(tǒng)一的速效鉀含量作指標評價土壤供鉀能（潛）力和指導鉀肥的施用往往會產(chǎn)生一定的偏差。由于土壤速效鉀水平與鉀肥肥效間關(guān)系的復雜性，因此在衡量這二者間的關(guān)系以及土壤供鉀水平時應(yīng)同時考慮土壤緩效鉀的含量，尤其當土壤速效鉀含量較低時更應(yīng)如此。正如前述，土壤速效鉀含量是一個容易變動的數(shù)值，而緩效鉀含量相對要穩(wěn)定得多，因此用緩效鉀含量來評價土壤供鉀潛力以及指導鉀肥的施用可能更為合理。Note!83第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件847土壤鉀素循環(huán)7土壤鉀素循環(huán)85ThePotassiumCycleAnimalmanuresandbiosolidsMineralfertilizersCropharvestRunoffanderosionLeachingSoilsolutionpotassium(K+)PlantresiduesPlantuptakeMineralpotassiumFixedpotassiumExchangeablepotassiumInputtosoilComponentLossfromsoilThePotassiumCycleAnimalMiner86思考題1.簡述土壤鉀的形態(tài)及含量變化規(guī)律。2.簡述影響含鉀礦物中鉀釋放的主要環(huán)境因素植物根系是如何影響礦物結(jié)構(gòu)鉀的釋放的？3.為什么說酸性土壤施用石灰有利于土壤保持鉀素？4.試述影響土壤鉀固定的因素5.1:1型礦物與2:1型礦物，兩者誰對于鉀的固定強些？為什么？2:1型礦物中蛭石、伊利石、蒙脫石對于鉀的固定能力的影響又是如何？南方土壤與北方土壤對鉀的固定有何差異？6.論述土壤干濕交替過程在礦質(zhì)元素的形態(tài)轉(zhuǎn)化及養(yǎng)分的植物有效性方面的意義。7.如何評價土壤鉀素供應(yīng)能力？思考題1.簡述土壤鉀的形態(tài)及含量變化規(guī)律。87第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件88礦質(zhì)元素的土壤化學Chapter7土壤中鉀的動態(tài)礦質(zhì)元素的土壤化學Chapter7土壤中鉀的動態(tài)89知識點:土壤鉀素的形態(tài)與分級礦物鉀的的風化及其影響因素土壤鉀素的固定及釋放及其影響因子土壤鉀素的評價指標土壤鉀素循環(huán)知識點:土壤鉀素的形態(tài)與分級90

1土壤中鉀的含量、形態(tài)及其有效性1土壤中鉀的含量、形態(tài)及其有效性911.1土壤中鉀的含量

地殼中鉀豐度較高，平均含量為2.5%（K2O），在所有元素中占第七位，在植物必需營養(yǎng)元素中占第四位。大多數(shù)土壤鉀含量（K2O）為0.3-3.6%，平均為1.2%，是土壤中含量最高的大量元素。各種土壤含鉀量差異很大，主要與成土母質(zhì)、風化成土條件、土壤質(zhì)地、耕作和施肥措施等因素有關(guān)。

1.1土壤中鉀的含量

92

華中地區(qū)鉀素養(yǎng)分的含量都在不同程度上受母巖的影響(表)?；◢弾r發(fā)育的土壤含鉀量最高，石灰?guī)r的最低。這是因為花崗巖中含有較多的含鉀礦物(長石、云母等)，而石灰?guī)r中較少。華中地區(qū)鉀素養(yǎng)分的含量都在不同程度上受母巖的影響(表)。93第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件941.2土壤中鉀素的存在形態(tài)根據(jù)化學形態(tài)分Basedonchemicalform結(jié)構(gòu)鉀（難利用鉀）非交換性鉀（難交換性固定鉀）交換性鉀水溶性鉀根據(jù)對植物的有效性分Basedonplantavailability礦物鉀緩效性鉀速效性鉀存在處Whereitexists長石﹑云母結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙脫石﹑蛭石的晶層內(nèi)；黑云母和部分水云母結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒外表面土壤溶液中保持力Retainability配位作用層間吸附，配位作用靜電引力呈離子態(tài)平衡關(guān)系Balancerelationship礦物鉀風化非交換性鉀緩慢交換性鉀迅速水溶性鉀擴散系數(shù)Diffusion10-23~10-15~10-7常用測定系數(shù)Commonlyuseddeterminationmethods全鉀減去HNO3法HNO3法減去NH4Ac法NH4Ac法相對含量Relativecontent90％～98％2％～8％0.1％～2％1.2土壤中鉀素的存在形態(tài)根據(jù)化學形態(tài)分結(jié)構(gòu)鉀非交換性鉀（9590%-99%

1-10%

土壤交換性鉀與溶液鉀處于動態(tài)平衡之中。當溶液鉀因植物吸收而有所下降時，部分交換性鉀便進入土壤溶液中。此平衡過程在幾分鐘內(nèi)即可完成。90%-99%

96Havlinetal.,

2001FertilizerHavlinetal.,2001Fertilizer972含鉀礦物的風化和礦物鉀的釋放（了解部分）2含鉀礦物的風化和礦物98

含鉀礦物是土壤有效鉀的最基本來源，它可經(jīng)由多種途徑，風化釋放出鉀供作物吸收利用。各種含鉀礦物的抗風化性是不同的，主要取決于礦物的晶格構(gòu)造和化學成分。含鉀硅酸鹽礦物的晶格構(gòu)造，一為片狀構(gòu)造（云母、伊利石和其它次生礦物），另一為架狀構(gòu)造（長石）。含鉀礦物是土壤有效鉀的最基本來源，它可經(jīng)由多種途徑99

通常，架狀結(jié)構(gòu)的長石類礦物的穩(wěn)定性大于片狀結(jié)構(gòu)的云母類礦物。因為架狀結(jié)構(gòu)的硅氧四面體的聯(lián)結(jié)程度較大，鹽基性較弱，Si-O鍵較多。而片狀結(jié)構(gòu)的每個硅氧四面體只和另外三個硅氧四面體相連，層與層之間皆有陰離子相聯(lián)，鹽基性較強，硅氧鍵較少。

從礦物晶格鍵能的強弱來看，架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽的鍵能較強，因而穩(wěn)定性也較大。在長石類礦物中，微斜長石抗風化性高于正長石。因為微斜長石為三斜對稱組合結(jié)構(gòu)，而正長石則為單斜對稱組合結(jié)構(gòu)。在云母類礦物中，因化學組成及晶胞體積不同，白云母較黑云母穩(wěn)定得多。

含鉀礦物的抗風化能力的順序為：鉀微斜長石>鉀長石>白云母>黑云母。通常，架狀結(jié)構(gòu)的長石類礦物的穩(wěn)定性大于片狀結(jié)構(gòu)的1002.1長石類礦物中鉀的釋放

長石類含鉀礦物的分解是水解過程，是一個純界面反應(yīng)。在水解過程中H+首先與礦物表面Si-O-Si或者Al-O-Al反應(yīng)并使其水解和釋放出鉀，在這個過程中，同時釋放出Al和Si的水解產(chǎn)物，但是速率比K慢。長石類礦物組分的鉀釋放符合零級反應(yīng)動力學方程式。當溶液中鉀離子達到一定濃度時，會抑制礦物的進一步水解。一般認為，長石的風化次序為：

長石過渡礦物高嶺石

盡管許多土壤中長石含鉀比云母多，但一般認為長石釋放的鉀較少。除風化強烈的濕潤地區(qū)外，由鉀長石風化釋放的鉀很少，對當季植物的鉀營養(yǎng)意義不大。云母/伊利石蛭石2.1長石類礦物中鉀的釋放云母/伊利石蛭石1012.2云母類礦物中鉀的釋放云母類礦物在風化過程均伴隨著鉀的釋放，是非交換性鉀的主要來源。在風化的同時，礦物變細，礦物的性質(zhì)發(fā)生改變（圖），特別是黑云母，由于三八面體中Fe2+易氧化，為了平衡電荷八面體內(nèi)的Mg2+等釋放出來。2.2云母類礦物中鉀的釋放1022.3影響含鉀礦物中鉀釋放的環(huán)境因素（1）氫離子和土壤pH

土壤溶液中的氫離子來自于水分子的解離、CO2的溶解、礦物風化過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和生物來源的有機酸類物質(zhì)等，一般以H3O+的形式存在。

在硅酸鹽礦物表面和層狀硅酸鹽內(nèi)表面上，只要水膜是連續(xù)的，氫離子的擴散速率很快，而且H3O+的大小與K+相似，很容易取代鉀離子進入云母類礦物的晶層間，因而限制氫離子與云母層間鉀離子交換速率的因素是鉀離子的擴散速率。土壤pH決定了氫離子的活度高低。土壤pH對長石類和云母類礦物結(jié)構(gòu)鉀釋放的影響程度不同。2.3影響含鉀礦物中鉀釋放的環(huán)境因素土壤pH103（2）有機配位體

土壤中重要的有機配位體是有機酸包括草酸、酒石酸、蘋果酸和檸檬酸等，不僅提供氫離子，而且陰離子本身是配位體。有機酸對云母類和長石類含鉀礦物鉀的釋放都有促進作用，但其效果有一定的差異。例如，與0.01mol/L的草酸和檸檬酸反應(yīng)10天后，含鉀礦物釋放鉀的順序是：黑云母>微斜長石≈正長石>白云母，而與四苯硼鈉溶液反應(yīng)時其順序是：黑云母>白云母>微斜長石>正長石（表），說明陰離子的配位反應(yīng)在起作用。（2）有機配位體104（3）鉀離子的活度

云母類礦物周圍土壤溶液中K+的活度，對云母經(jīng)陽離子交換而釋放K有很大的影響。當土壤溶液K+水平低于臨界值時，層間鉀被溶液中其他陽離子置換。相反，當K+水平高于臨界值時，云母膨脹性2：1型礦物從溶液中吸取鉀。鉀的臨界水平與礦物種類有關(guān)。其中黑云母要顯著高于白云母。（3）鉀離子的活度云母類礦物周圍土壤溶液中K+105（4）植物根系和根際生物

植物根系對礦物結(jié)構(gòu)鉀的影響表現(xiàn)在兩個方面：

①植物根系對鉀的吸收降低了土壤溶液中鉀的濃度，打破了平衡反應(yīng)而促進礦物鉀的釋放。②植物根系能夠釋放有機酸或降低根際的pH值，提供的質(zhì)子和配位體可促進礦物鉀的釋放。

根際生物也有類似的作用。（4）植物根系和根際生物植物根系對礦物結(jié)構(gòu)鉀的影響表106

不同植物種類的根系對鉀釋放的影響及其機制不同。

例如，黑麥草吸鉀的能力強，顯著降低了溶液中鉀的濃度，促進了礦物鉀的釋放（表）。油菜則可同時促進礦物鉀和鎂的釋放。礦物學分析發(fā)現(xiàn)，在種植油菜時，蛭石化作用產(chǎn)生含有水合鋁離子的蛭石，這是由于油菜分泌的質(zhì)子，促進了Al和Mg的釋放和礦物分解。不同植物種類的根系對鉀釋放的影響及其機制不同。107

3土壤鉀的固定和非交換性鉀的釋放3土壤鉀的固定和非交換性鉀的釋放1083.1鉀的固定(Fixationofsoilpotassium)

土壤中溶液鉀和交換性鉀進入粘土礦物層間轉(zhuǎn)化為非交換性鉀，從而降低鉀的有效性現(xiàn)象統(tǒng)稱為鉀的固定。3.1.1鉀的固定機制主要是2：1型粘土礦物如蛭石、蒙脫石以及水云母等的層間孔穴固定。當鉀離子進入2：1型粘土礦物層間后，由于K+的離子半徑(0.133nm)與晶層之間網(wǎng)格的大小(0.14nm)相匹配，更重要的是鉀離子的水化半徑小，礦物層間內(nèi)表面的負電荷與鉀離子的靜電引力超過了由離子水化引起的膨脹力，導致晶層之間不可逆收縮并將鉀離子閉蓄在晶格內(nèi)。3.1鉀的固定(Fixationofsoilpota109

K+ionexchange&fixationhexagonalholesTOilliteclaymineralK+Ca2+K+K+K+H+H+Ca2+K+ionexchange&fixationhe1103.1.2影響土壤鉀固定的因素（1）粘土礦物的種類和數(shù)量

土壤粘土礦物的類型和數(shù)量對交換性鉀的保持力有很大的影響，它控制了土壤溶液中鉀的濃度，以及再補充鉀以供應(yīng)作物的能力。同時鉀肥施入土壤后，其固定程度及固定的鉀的釋放率也因土壤礦物類型而異。3.1.2影響土壤鉀固定的因素111從對鉀的吸持能力來看，粘土礦物可粗分為三類：

第一類為高嶺石。它們只能在表面和破碎的邊緣上吸附鉀，而且對鉀的吸附力也不強，也不能固定鉀。因而這類礦物不能阻止鉀的淋失，它的這些特性類似砂土。第二類為伊利石。它們在表層、破碎的邊緣和晶體邊緣的層間吸附鉀，但被吸附或固定的鉀仍易被交換。第三類為蛭石。它們以交換形式吸附鉀，當土壤變濕而膨脹時允許鉀進入層間的深處。當土壤干燥層間關(guān)閉時，內(nèi)層鉀受到包蔽或固定，而不易再釋放。從對鉀的吸持能力來看，粘土礦物可粗分為三類：112第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件113（2）粘土礦物晶層的電荷密度和電荷位置礦物晶層電荷密度越大，固鉀能力和數(shù)量越大。若電荷主要來自四面體層的礦物，由于電荷的位置更接近于被吸附的鉀離子，故有較強的固鉀能力。例如：蛭石不僅層間電荷密度較大，電荷來自四面體和八面體層，而且晶層間距離較小，故固鉀能力強；而蒙脫石除了電荷密度低之外，電荷主要來自八面體層，而且晶層間距離較大，因此固鉀能力相對較弱。（2）粘土礦物晶層的電荷密度和電荷位置礦物晶層電114（3）土壤水分

一般來說，干濕交替有利于鉀的固定，但與礦物類型有關(guān)。鉀的固定常因土壤干燥而加強，因為土壤干燥時，土壤溶液中鉀的濃度增加，晶層易脫水、收縮，從而促進鉀的固定。但是并不是所有的粘土礦物都需要經(jīng)過干燥過程才能固定鉀。對蒙脫石來說，干燥是其固定鉀的首要條件，而伊利石在濕潤條件下也能固定鉀，其原因與晶層間的距離有關(guān)，晶層間距離小于1.2nm的粘土礦物不需要脫水就可固定鉀。（3）土壤水分一般來說，干濕交替有利于鉀的固定，但115（4）粘土礦物的非交換性鉀耗竭程度

在水溶性鉀濃度相同時，層間鉀的耗竭程度越高，固鉀的數(shù)量也越多。（5）土壤中鉀的飽和度

在一定范圍內(nèi)，鉀的固定隨著土壤溶液中鉀的飽和度提高而增加，但是超過上限時，固定鉀的位點減少，鉀相對固定量減少。（4）粘土礦物的非交換性鉀耗竭程度（5）土壤中鉀的飽和度116（6）土壤pH和陪補離子狀況土壤固定鉀的能力隨土壤pH值升高而增強。在酸性條件下，土壤膠體所帶的負電荷少，陪補離子以H+、Al3+為主，抑制了對鉀的固定。此外，鐵鋁氧化物可進入粘土礦物層間，阻止鉀的移出和進入，也會影響鉀的固定。在中性條件下，陪補離子以Ca2+、Mg2+為主，能增強對鉀的固定。在堿性條件下，陪補離子以Na+為主，明顯地增強對鉀的固定。（6）土壤pH和陪補離子狀況土壤固定鉀的能力隨土117第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件118（7）銨(NH4+)離子的影響

由于銨離子半徑(0.149nm)與鉀離子半徑(0.133)相近，銨離子可與鉀離子競爭吸附和固定位點，因此當NH4+與K+同時存在時，鉀的固定減少，如果先加入銨離子也將減少鉀的固定。因此，在大量施用銨態(tài)氮肥后，土壤中鉀的固定位點被銨離子所占據(jù)，而使隨后施入的鉀的固定量減少。銨離子也能阻止固定態(tài)鉀的釋放。如果先施鉀后施銨，銨離子把晶層間的Ca2+、Mg2+置換出來，造成晶層間的距離縮短，從而把鉀離子閉蓄在晶層間的空穴內(nèi)。（8）土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)本身不固定鉀，即使是在晶層內(nèi)，也不影響鉀進入晶層內(nèi)部，但是如果土壤有機質(zhì)與土壤粘粒形成了穩(wěn)定性的團粒結(jié)構(gòu)，鉀的固定量將增加。（7）銨(NH4+)離子的影響119

Note!

在田間條件下，鉀的固定是一個相當緩慢的過程。在層間鉀匱乏的土壤上施用鉀肥，二三個月后才能達到平衡。

鉀素固定的作用:

一方面降低鉀的植物有效性；另一方面，也減少了鉀因淋溶作用而造成的損失。而且固定的鉀在一定條件下仍可釋放出來，變?yōu)榻粨Q性鉀供植物吸收利用。Note!1203.2非交換性鉀的釋放

土壤非交換性鉀與交換性鉀之間存在動態(tài)平衡關(guān)系。當土壤中交換性鉀被植物吸收而減少時，非交換性鉀則緩慢地轉(zhuǎn)化為交換性鉀。大多數(shù)土壤非交換性鉀的釋放量低于20mg/100g，其中以沖積土的非交換性鉀釋放量最大。在鉀礦物（伊利石、蛭石）豐富的土壤中，依靠非交換性鉀釋放出來的鉀已完全能滿足黑麥草對鉀的需求。但是，土壤非交換性鉀的釋放受礦物結(jié)構(gòu)特征、結(jié)晶缺陷、顆粒大小以及干燥過程、土壤溶液離子的濃度、植物根際pH值和根系特性等一系列因素所制約。3.2非交換性鉀的釋放121一般認為，非交換性鉀的釋放是由擴散和交換機理控制的。擴散在很大程度上取決于礦物的膨脹，因而也決定于土壤濕度。交換則決定于鄰近溶液中或礦物表面的陽離子類型和濃度。

非交換性鉀的釋放速率可用下式描述：dkt/dt=k2(k0-kt)其中k0為非交換性鉀總量，kt為t時間內(nèi)釋放的鉀量，k2為釋放速率系數(shù)。層間鉀的釋放速率與鄰近溶液中鉀的濃度有關(guān)，在鉀濃度低的條件下其釋放速率較高。層間鉀的釋放與溶液pH也有關(guān)系，在低pH條件下則較易釋放。此外，干濕和凍融交替、高溫和灼燒等在一定條件下也有促進層間鉀釋放的作用。一般認為，非交換性鉀的釋放是由擴散和交換機理控制的122非交換性鉀的釋放步驟：

第一步是礦物吸水膨脹，使處于楔形部位的鉀，有可能被溶液中其它陽離子所交換。第二步是陽離子交換。第三步是鉀離子從礦物層間位置擴散遷移到礦物外表面。擴散步驟較為困難，鉀在礦物層間的擴散系數(shù)大約為10-15-10-23cm2/s，比土壤溶液中K+的擴散系數(shù)(De=10-7cm2/s)低得多。

因此，有人認為非交換性鉀釋放速率主要受礦物層間向外擴散速率所控制。非交換性鉀的釋放步驟：123Note!

土壤非交換性鉀的植物有效性，不僅與土壤中鉀的存在形態(tài)以及各組分鉀的數(shù)量和其它土壤條件有關(guān)，也在很大程度上取決于植物對鉀的吸收和利用能力。如果植物對鉀的吸收能力較強，或者根際酸化和有機分泌作用較強，土壤非交換性鉀的有效性就大。在連續(xù)種植植物時，非交換性鉀是植物鉀的主要來源。如在南方連續(xù)種水稻、大麥3-6次，植物吸鉀總量的60-80%來自非交換性鉀。Note!124謝建昌等，2000：鉀與中國農(nóng)業(yè)。河海大學出版社謝建昌等，2000：鉀與中國農(nóng)業(yè)。河海大學出版社1254土壤鉀的吸附和釋放4土壤鉀的吸附和釋放1264.1鉀的吸附

土壤粘土礦物、金屬氧化物、有機質(zhì)等土壤膠體都能夠以離子交換的形式吸附鉀。土壤膠體對K+吸附的強度小于二、三價陽離子以及H+和NH4+，而大于Na+。不同土壤膠體對鉀離子的吸附能力不同。有機質(zhì)和高嶺石對K+的吸附能力較弱，其吸附位置對K+的專性低；而2：1型粘土礦物的吸附位置對K+的專性高，而且束縛力也強。最強的是伊利石，其次石是蛭石和云母。土壤膠體對鉀的吸附受質(zhì)量作用定律支配，即隨溶液中鉀濃度的增高而增加，隨著膠體鉀飽和度的增大而降低，同時還隨著pH的升高而增加。4.1鉀的吸附1274.2交換性鉀的釋放

土壤交換性鉀，特別是根際土壤交換性鉀是當季作物鉀的主要來源，土壤交換性鉀的量和釋放速率與土壤鉀的植物有效性有很大的關(guān)系。交換性鉀與溶液中的鉀保持著動態(tài)平衡。膠體鉀的飽和度高，交換性鉀易于釋放進入溶液。吸附態(tài)鉀的解吸還與膠體類型、吸附位置、pH、土壤質(zhì)地和土壤含水量等因素有關(guān)。如土壤溫度升高和水分含量增加可使較多的交換性鉀進入溶液。在2：1型粘土礦物中，鉀的釋放還受吸附位置的影響（圖）。吸附在粘土礦物表面（p-位）上的K+很不牢固，易于釋放；層間（i-位）鉀具有很強的鍵能，不易釋放；處于層間楔形區(qū)邊緣位置（e-位）的鉀，其鍵能和釋放難易程度則處于中間狀態(tài)。4.2交換性鉀的釋放128第7講-土壤中鉀的動態(tài)課件129ExchangebleK&Non-ExchangeableKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKCaReleaseofNon-exchangeableKFixationofNon-exchangeableKCaKKKKNon-exchangeableKExchangeableKExchangeableKKKExchangebleK&Non-Exchang