王朝军, 朱云勤

(1.瓮安生态环境监测站 贵州瓮安 550400;2.贵州大学资源化工研究所 贵州贵阳 550025)

钾主要分布于农作物的营养器官中,茎秆中占主体。 钾能促进作物根系生长;提高光合作用,促进光合产物的运输;钾素饱和时植株体内的单糖可以合成蔗糖和淀粉,提高果实质量[1];钾还可以增进氮肥和磷肥的肥效,促进作物对氮、磷的吸收[2]。

传统的硅钙钾肥是以石灰石为钙质原料,与钾矿(含钾硅酸盐岩石,钾的质量分数为9.85%,以K2O 计)粉磨制块在1 160 ℃高温下烧制而成。石灰石的大量开采导致资源日渐紧缺,并破坏生态环境,因此亟需探寻合适的钙质原料来取代石灰石。 有研究发现,利用磷石膏(湿法磷酸工艺中用硫酸处理磷矿时产生的大量固体废弃物)、磷石膏钙渣(磷石膏综合利用制备硫酸铵时产生的大量二次固体废弃物)为钙质原料与钾矿生产硅钙钾肥,既解决了磷石膏、磷石膏钙渣废弃物对生态环境的污染,又实现了废弃物料中钙的资源化利用。 本课题以3 种硅钙钾肥(磷石膏∶钾矿=1 ∶2.2、磷石膏钙渣∶钾矿=1 ∶1.45、石灰石∶钾矿=1 ∶1.0 制备)为研究对象,探讨了有效钾溶出的规律,模拟了施肥后环境温度(振荡温度)、肥效时间(振荡时间)、土壤酸度(浸取液酸度)对有效钾溶出率的影响,以期对新型硅钙钾肥(磷石膏钙渣与钾矿制备)的推广使用提供参考[3]。

1 试验部分

1.1 主要仪器

SP-3580AA 型火焰原子吸收分光光度计,上海光谱仪器有限公司;AS-2 型钾空心阴极灯,国标(北京)检验认证有限公司;CP214 型电子天平,感量0.1 mg,奥豪斯仪器(常州)有限公司;DK-98-ⅡA 型恒温水浴锅,天津市泰斯特仪器有限公司;HY4 型调速多用振荡器,苏州威尔实验用品有限公司。

1.2 主要试剂

钾标准溶液,1 000 mg/L,北京坛墨质检科技有限公司;硝酸铯,分析纯,天津市大茂化学试剂厂;柠檬酸,分析纯,无锡市展望化工试剂有限公司。

钾标准使用溶液:100 mg/L,取10 mL 钾标准溶液于100 mL 容量瓶中,加硝酸(1+1)溶液2 mL,用去离子水稀释至刻度。 硝酸铯溶液:10 g/L。浸取液:20 g/L 柠檬酸溶液,pH 为2～3。

1.3 有效钾分析试液制备

称取1 g(精确至±0.000 2 g)经120 ℃干燥的硅钙钾肥试样置于250 mL 磨口锥形瓶中,用移液管准确加入100 mL 浸取液,立即塞紧瓶塞,放入振荡器,设定温度和时间(振荡频率120 次/min,不同条件对振荡温度和时间要求不同),浸出液用定量滤纸过滤于干燥的150 mL 烧杯中,得到有效钾分析试液[4-5]。

2 有效钾含量的测定

2.1 测定方法[6]

硅钙钾肥中有效钾含量的测定采用火焰原子吸收分光光度法,其原理是钾在空气-乙炔火焰中易于氧化,可在其灵敏线766.5 nm 处进行原子吸收测定。

准确移取分析试液2 ～25 mL 置于50 mL 容量瓶中,加硝酸(1+1)溶液2 mL、10 g/L 硝酸铯溶液3 mL,加去离子水至刻度,摇匀。 用50 mL去离子水进行空白试验。

2.2 标准曲线的制作[6]

准确移取钾标准使用溶液0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50 mL 于6 只50 mL 容量瓶中,加硝酸(1+1)溶液2 mL、10 g/L 硝酸铯溶液3 mL,加去离子水至刻度,摇匀,得到标准系列溶液的质量浓度依次为0、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mg/L。试样溶液的有效钾(以K2O 计)质量浓度ρ按式(1)计算:

式中:ρ——试样溶液的有效钾质量浓度,mg/L;

f——稀释比(试样定容体积与试样体积之比);

ρ标——由标准曲线查得的钾质量浓度,mg/L。

3 试验结果与分析

3.1 有效钾含量对比

称取经120 ℃干燥的3 种硅钙钾肥试样各1 g(精确至±0.000 2 g)于镍坩埚中,分别加入12 g氢氧化钠,温度设置为700 ℃,熔融时间25 min,制备成分析试样,用火焰原子吸收分光光度法测定其中有效钾的含量,结果见表1。

表1 3 种硅钙钾肥中有效钾的测定结果

3.2 肥料的稳定性

将在2015 年自制贮存至2021 年的3 种硅钙钾肥产品再取样检测其中有效钾的含量,结果见表2。

表2 3 种硅钙钾肥稳定性试验结果

由表2 可知,3 种硅钙钾肥中有效钾性质均较稳定,可长期贮存。

3.3 有效钾缓释性对比

分别将3 种硅钙钾肥的浸取液(分别为水和20 g/L 柠檬酸溶液)取出1/2 体积(取出的1/2体积溶液模拟被植物所吸收),然后加入等量的浸取溶液(分别为水和20 g/L 柠檬酸溶)继续浸取。 浸取环境温度均为常温(25 ℃),肥效时间均为30 min(振荡频率120 次/min),持续重复5 次[7-8]。 3 种硅钙钾肥中的有效钾在浸取液中的累积溶出率曲线见图1。

图1 有效钾的累积溶出率随浸取次数的变化

由图1 可知,3 种硅钙钾肥中有效钾累积溶出率均呈增加的趋势,且有效钾能持续溶出。 试验结果表明,磷石膏和磷石膏钙渣分别与钾矿制备的硅钙钾肥中有效钾的含量满足缓释性肥料的指标要求[9-10],肥料中的有效钾具有缓释性。

3.4 土壤酸度、环境温度、肥效时间对有效钾溶出率的影响

按试验要求,分别模拟不同的土壤酸度、环境温度、肥效时间等,考察了3 种硅钙钾肥中有效钾的溶出率,结果见图2～4。

图2 土壤酸度对有效钾溶出率的影响

由图2 可知,环境温度为常温(25 ℃)、肥效时间为30 min(振荡频率120 次/min)时,在土壤酸度pH＜3 的环境中,3 种硅钙钾肥中有效钾的溶出率变化明显,有效钾的溶出率随土壤酸度的增加不断增大。

由图3 可知,肥效时间为30 min(振荡频率120 次/min)、土壤酸度pH 为2 ～3 时,3 种硅钙钾肥中有效钾的溶出率随环境温度的升高不断增大。

图3 环境温度对有效钾溶出率的影响

由图4 可知,环境温度为常温(振荡频率120 次/min)、土壤酸度pH 为2～3 时,3 种硅钙钾肥中有效钾的溶出率随肥效时间的延长逐渐增大。

图4 肥效时间对有效钾溶出率的影响

4 讨论

4.1 正交试验[11]

根据对硅钙钾肥中有效钾溶出行为的影响因素分析,确定环境温度、肥效时间和土壤酸度为主要影响因素,分别选定3 个水平进行正交试验,结果见表3。

表3 正交试验L9(34)结果

由表3 可知,3 种硅钙钾肥中有效钾的溶出率受土壤酸度影响较大,环境温度和肥效时间对有效钾溶出率的影响不大。

4.2 方差分析[12]

对表3 的试验数据进行方差分析,分析结果见表4。

表4 方差分析结果

由表4 可知,土壤酸度对硅钙钾肥中有效钾溶出率的影响具有高显著性,而环境温度和肥效时间对其影响无显著性。

5 结语

(1)3 种硅钙钾肥中的有效钾均具有较好的缓释性。

(2)施肥后,环境温度和肥效时间对有效钾溶出率的影响无显著差异;土壤酸度对有效钾溶出率的影响存在显著差异,酸度越大,有效钾溶出率越大。

(3)3 种硅钙钾肥中有效钾的释放特征具有相似性,采用磷石膏、磷石膏钙渣代替石灰石生产硅钙钾肥,既解决了磷石膏、磷石膏钙渣废弃物对生态环境的污染,又实现了废弃物料中钙的资源化利用。