作物强吸钾条件下土壤钾素形态转化与迁移的空间效应研究

土壤钾素方面的研究已有很多，但强吸钾条件下土壤钾素形态转化与迁移过程并不清楚。土壤钾的植物有效性不仅与化学形态有关，也与空间位置密切相关。本项目以吸钾能力较强的黑麦草为指示作物研究作物生长过程中土壤钾素形态转化与迁移的空间效应。主要内容包括：（1）利用分室根箱和冰冻切片技术研究拟合土壤不同形态钾素含量变化与距根系距离的关系，建立土壤钾素形态转化动力学和迁移模型。（2）研究强吸钾条件下土壤钾素形态转化与迁移空间效应的化学和矿物学机制。重点采用原位原子力显微镜研究有机酸对土壤含钾矿物的溶解作用，分析距离根系不同空间位置的主要含钾矿物K+吸附、解吸及相应的结合能。明确强吸钾条件下土壤钾素形态转化与迁移的空间效应，从根系-土壤互作产生的化学和矿物学效应阐明土壤钾素转化与迁移的空间效应机理。通过上述研究，对植物根系吸收土壤钾的机制有更加基础的认识，为合理利用土壤钾素资源及改进施钾技术提供依据。

尽管土壤钾素方面的研究在近几十年来已取得了许多进展，但强吸钾条件下土壤钾素形态转化与迁移的过程及影响土壤钾素形态转化的矿物学机制还不是很清楚。本项目在前人研究的基础上，采用改进的圆柱体式分室根箱和冰冻切片技术，以吸钾能力较强的水稻和黑麦草为指示作物，研究强吸钾条件下土壤钾素形态转化与迁移的空间效应；借助原位原子力显微镜（AFM）研究土壤含钾矿物的溶解过程，进一步探讨影响土壤钾素形态转化和迁移的矿物学机制。主要研究结果如下：（1）采用三种不同质地的土壤（粘质黄褐土、壤质红壤和砂质潮土）研究作物强吸钾条件下土壤钾素迁移和转化，明确了作物强吸钾条件下土壤不同形态钾素的变化特征：作物首先吸收利用根区土壤水溶性钾，根区土壤交换性钾、非交换性钾向水溶钾转化；非根区土壤水溶钾逐渐向根区扩散，非根区土壤交换性钾、非交换性钾向水溶钾转化。距根区6-7cm以内的非根区红壤水溶性钾向根区发生迁移，非根区土壤交换性钾、非交换性钾向水溶性钾转化。不同类型土壤的迁移转化距离存在一定差异。（2）阐明了土壤钾素形态转化和迁移的化学和矿物学因素：作物强吸钾后的耗竭土壤，1.0 mol/L HNO3-K、1.0 mol/L NH4OAc-K呈持续增加趋势，与矿物态钾的释放有关。黑云母、正长石、微斜长石等含钾矿物在不同提取剂的连续浸提条件下的最优释钾动力学模型是双常数模型，白云母的最优模型是Elovich模型。原子力显微镜观测结果显示，10 mmol/L柠檬酸溶液增加黑云母（001）面上台阶或者残片的溶解速率，但只有在较低的pH条件下才能产生新的蚀坑。黑云母表面溶解与转化同时进行，而且转化速率要明显大于溶解速率，容易在（001）面上形成次生矿物阻碍溶解的进一步发生。通过上述研究，对作物吸钾条件下土壤供钾规律有了更加基础的认识，对高效利用土壤钾素资源具有重要的意义。