一种原位快速测定红壤旱地钾素生物有效性的方法与流程

本发明涉及土壤钾素生物有效性的测定方法，具体涉及一种原位快速测定红壤旱地钾素生物有效性的方法。

背景技术：

土壤钾的生物有效性是钾的形态转化、吸附解吸和微生物参与的矿物钾释放等综合效应的反映，且钾的生物有效性与作物钾素吸收关系密切。因此，测定和研究土壤钾的生物有效性就显得十分重要，尤其是在钾素匮乏的红壤旱地。

目前有关土壤钾素生物有效性的测定方法主要是生物耗竭法，即通过种植黑麦草等作物，以黑麦草等作物的钾素吸收量来直接表征土壤钾素的生物有效性。同时，也有研究表明，利用醋酸铵或四硼酸钠浸提测定的土壤速效钾与作物钾素吸收量密切相关，可以间接表征土壤钾素生物有效性。但是，这些方法均存在时间长和步骤繁琐等缺点，近年来，也有研究采用薄膜扩散梯度技术(dgt)进行了土壤含钾量测定，然而，虽然dgt可以实现土壤钾的快速测定，但其所需耗材十分昂贵(80-200元/个)，不利于大规模推广应用。因此，探讨易于大面积推广、性价比较优的快速评估土壤钾素生物有效性的方法就显得十分迫切。

近年来，在干旱地区的土壤上，以聚丙烯酰胺为主要材料的高吸水性树脂以其较高的吸水保水能力而得到大面积应用和推广。高吸水性树脂是一种吸水能力特别强的功能高分子材料，亦称保水剂。由于无毒无害，可以反复释水、吸水，因此农业上人们把它比喻为"微型水库"。同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效，且价格便宜(10-40元/kg)。因此，本研究拟以高吸水性树脂为材料，结合红壤旱地长期施肥定位试验，选取土壤钾含量差异较大的处理：ck、np、npk和npkm，分别在田间(玉米拔节期)和室内(2mm的土壤培养)，研究高吸水性树脂在红壤旱地的吸钾能力，并分析不同处理中高吸水性树脂获取的钾含量与耗竭试验中玉米吸钾量的相互关系，从而验证高吸水性树脂测定的土壤钾素生物有效性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种准确度高、实验材料廉价、能够快速测定土壤钾素生物有效性的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种原位快速测定红壤旱地中钾素生物有效性的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在田间耕层土壤中加入20.00g高吸水性树脂，静置12小时；

(2)收集步骤(1)的高吸水性树脂，除去树脂表面杂质，采用醋酸铵浸提法测定所得树脂中的钾元素含量x；

(3)根据回归方程计算土壤样品中的钾素生物有效性y：

y＝8.840+1.171x(r²＝0.7657,p<0.01)。

在本发明中，所述高吸水性树脂是钠盐型淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物或钠盐型丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。选用钠盐型高吸水树脂能够避免例如钾盐型高吸水性树脂中含有的外源钾素对土壤钾素测定的影响。

淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物和丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物均为现有的保水剂，其中，淀粉接枝丙烯酸盐通常为白色或淡黄色颗粒状晶体，这种保水剂在用于造林地蓄水保墒时，使用寿命一般能维持1年多的时间，但吸水倍率和吸水速度等性状很好。据实验室对黄土浸提液的吸水对比试验，该类保水剂在遇水后的15-20分钟内即可吸收自重150-160倍的水分。

淀粉接枝丙烯酸盐的合成可参考淀粉接枝丙烯酸系共聚吸水材料的制备及性能研究。也可以使用市场销售的淀粉接枝丙烯酸盐保水剂，例如由中国石化集团公司以高分子吸水性树脂sap颗粒抗旱保水剂型号销售的淀粉接枝丙烯酸盐保水剂。

丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物例如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵等。其中，聚丙烯酰胺通常呈白色颗粒晶体状，其具有使用周期和寿命较长的有点，在土壤中的蓄水保墒能力可维持4年左右，但其吸水能力会逐年降低。聚丙烯酸钠通常为白色或浅灰色颗粒状晶体，其吸水倍率高、吸水速度快，但保水性能只能保持2年有效。

聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵均为市场上可以购买获得产品，例如由河南明哲化工产品有限公司以阴离子聚丙烯酰胺型号销售的聚丙烯酰胺型保水剂，由中国石化集团公司以高分子吸水性树脂sap颗粒抗旱保水剂型号销售的聚丙烯酸钠型保水剂，由山东新京和化工科技有限公司公司以聚丙烯酸铵型号销售的聚丙烯酸铵型保水剂。

在本发明中，所述高吸水性树脂是微球状的。

优选地，在田间作物生长旺盛期实施所述方法。通常，“田间作物生长旺盛期”应当理解为作物开花期或拔节期。选择这个时期实施本发明的测定方法的原因是与成熟期等其他时期相比，开花期或拔节期的作物长势旺盛，根系发达，根系的吸钾量也较高，优势是可以较好的反应土壤的钾素供应能力，从而更好的表示土壤钾素生物有效性。

根据一种优选的实施方式，步骤(2)的醋酸铵浸提法的步骤如下：

称取1.00g树脂于150ml三角瓶中，加入50ml1mol/l的nh4ac溶液，塞紧三角瓶震荡30min，然后用干的定性滤纸过滤三角瓶中内容物，收集所得滤液，与钾标准系列溶液一起在火焰光度计上测定，记录检流计上的读数，然后从标准曲线上获得所得滤液中的钾浓度。

本发明还提供高吸水性树脂在快速测定红壤旱地中钾元素含量中的应用。

其中，所述高吸水性树脂是淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物或丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。

在本发明中，所述红壤旱地的成土母质为第四纪红黏土，土壤ph低于6.0，土壤速效钾为50-350mg/kg，土壤全钾为10-15g/kg。如果土壤ph低于或高于6.0，则会由于酸化的铝毒或高ph的阳离子增加导致结果偏低或偏高，如果土壤速效钾低于50或高于350mg/kg，则会由于高分子吸水树脂的吸收能力有限导致结果不准确。如果土壤全钾低于10或高于15g/kg，也会由于高分子吸水树脂的吸收能力有限导致结果不准确。然而，尽管存在局限性，对于符合范围内的红壤旱地土壤，本发明的钾素生物有效性测定方法均能快速获得准确度较好的结果。而且，尽管土壤中的钾素包括速效钾、缓效钾和矿物钾，其中，矿物钾和缓效钾不能直接被植物利用，只有速效钾可以被植物直接吸收。土壤中速效钾、缓效钾和矿物钾之间的比例实际呈动态变化，但由于只有速效钾与钾素生物有效性直接相关，而本发明实际通过测定速效钾以评价钾素生物有效性，因此对于不同的土壤情况，不同的速效钾、缓效钾和矿物钾比例不会影响本发明的方法的测定结果的有效性。

进一步的，通过重复性实验确认，选用不同的高吸水性树脂(包括淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物或钠盐型丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物)也不会影响本发明的方法的测定结果的有效性。

综上所述，本发明的钾素生物有效性的测定方法能够在田间原位快速、准确测定红壤旱地中钾素生物有效性，与传统土壤速效钾测定方法相比，本发明的方法适用性强、准确度高、所需试剂耗材廉价、人工操作少、实验时间短，具备良好的推广价值。

【附图说明】

图1为实施例1中高分子吸水树脂测定的钾含量与耗竭试验玉米钾含量的关系；

图2为实施例2中基于拟合方程获得玉米吸钾量预测值与实际值的关系。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。

实施例1

选取进贤红壤旱地长期施肥定位试验中不同施肥处理的田块，包括ck、np、npk和npkm处理，每个田块重复实验3次。其中，ck表示长期不施肥，np表示长期施用氮磷肥，不施钾肥；npk表示长期施用氮磷钾肥；npkm表示长期施用氮磷钾和有机肥。

在晚玉米开花期(8月下旬)进行测量。

在各处理的田间耕层土壤中分别加入20.00g高吸水性树脂，静置12小时。

然后，小心收集田间的高吸水性树脂，淀粉接枝丙烯酸钠，用蒸馏水小心去除表面的土壤等杂质，得到待测树脂样品。

作为对照，采用常规方法测定树脂样品中的钾含量，具体使用醋酸铵浸提-火焰光度计法：称取1.00g树脂样品于150ml三角瓶中，加入50ml1mol/l的nh4ac溶液，用塞子塞紧，在往返式震荡机上震荡30min，用干的定性滤纸过滤，再用小三角瓶或小烧杯收集滤液后，与钾标准系列溶液一起在火焰光度计上测定，记录读数。所得数据如表1。

表1各处理样品中的高分子吸水树脂的钾含量

同时，采集各个田块的耕层土壤，带回室内，去除根系等杂质，风干研磨，过2mm筛备用。对应每个田块称取200g风干土壤，置于圆形花盆中，加入蒸馏水50ml，静置48小时。每个花盆播种1粒玉米种子，培养40天。在试验结束后，收集玉米植株，烘干研磨，采经硝酸、高氯酸消煮后，用火焰分光光度计测定玉米植株的钾含量(每个田块重复3次实验)。测定结果如表2所示。

表2耗竭试验玉米钾含量

以表1所得高分子吸水树脂的钾含量为x轴，表2的植株钾为y轴，通过线性方程进行拟合，得到拟合方程y＝8.840+1.171x(r²＝0.7657,p<0.01)，如图1所示。

实施例2

通过实施例1得到的回归方程y＝8.840+1.171x(r²＝0.7657,p<0.01)，另取田块，结合作物耗竭试验验证本发明的钾素生物有效性测定方法的准确性。

以南方丘陵地区的红壤旱地为实验对象，该地区的土质为红壤，成土母质为第四纪红粘土。

采集进贤县张公镇10个普通农户的红壤旱地的耕层土壤样品，带回室内，去除根系等杂质，风干研磨，过2mm筛备用。对应每个田块称取200g风干土壤，置于圆形花盆中，加入蒸馏水50ml，静置48小时。

每个花盆播种1粒玉米种子，培养40天。在试验结束后，收集玉米植株，烘干研磨，采经硝酸、高氯酸消煮后，用火焰分光光度计测定玉米植株的钾含量(每个田块重复3次实验)。测定结果如表3所示。

表3验证试验中玉米植株的钾含量

在盆栽试验的同时，采用与实施例1相同的原位测定方法获得各土壤样品对应的高分子吸水树脂钾含量，所得结果代入实施例1的拟合方程y＝8.840+1.171x(r²＝0.7657,p<0.01)得到植株全钾含量的预测值，结果见表4。

表4高分子树脂钾含量和结合拟合方程获得的植物全钾预测值

然后，将表4中的植株全钾含量预测值与表3记载的玉米植株的钾含量进行比较，结果如图2所示。

结果显示，根据拟合方程获得作物吸钾量与实际的作物吸钾量高度吻合，r²＝0.9619，p<0.05。这说明本发明的方法结合实施例1的拟合方程能够有效测定红壤旱地的钾素生物有效性，其结果具有良好的准确度。

实施例3

分别用实施例1的方法和传统的土壤速效钾测定方法对100个土壤样品进行测试，对比两种方法的试剂耗材、人工和时间，结果如表5所示。

表5传统土壤速效钾测定方法与本发明的方法的比较

结果表明，与传统土壤速效钾测定方法相比，本发明采用高吸水性树脂对土壤钾素有效性进行测定，所需试剂耗材和人工投入更少，所需时间也更短，因此，本发明的方法可以作为一种快速测定土壤钾素生物有效的方法进行大规律应用，尤其是其较低的投入成本，在未来具有较好的推广价值。