全 文 ：中国生态农业学报 2014年 2月 第 22卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Feb. 2014, 22(2): 171−176


* 国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD141318)资助
** 通讯作者: 高明, 主要从事土壤质量与环境和土地利用规划方面的研究。E-mail: gaoming@swu.edu.cn
王侃, 主要从事土壤质量与环境方面的研究。E-mail: wangkan1416@126.com
收稿日期: 2013-09-22 接受日期: 2013-12-13
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.30916
不同 pH条件下生物质灰渣中 K+释放动力学研究*
王 侃 1 王子芳 1 高 明 1** 黄耀华 1 韩晓飞 1 张雅蓉 1 罗献友 2
(1. 西南大学资源环境学院 重庆 400715; 2. 重庆市铜梁县农业委员会 重庆 402560)
摘 要 试验选取 4种生物质灰渣(玉米灰渣、水稻灰渣、锯木灰渣和谷壳灰渣)为研究材料, 以不同 pH(4、7、
9)的 NH4Ac为交换液, 采用渗透交换法, 研究了生物质灰渣中 K+的释放动力学特征。结果表明, 在 pH为 4、
7和 9条件下, 供试生物质灰渣中K+释放量在 20~80 min达到平衡, 平衡释放量分别为 14.77~255.17 cmol·kg−1、
4.83~106.71 cmol·kg−1和 12.11~224.33 cmol·kg−1。相关分析表明, K+释放量与生物质灰渣中全钾含量极显著相
关, 说明受生物质灰渣中全钾含量影响, 其 K+释放平衡时间和释放量存在显著差异。方差分析显示, 同一生物
质灰渣中 K+释放速率在不同 pH条件之间存在极显著差异。由此可见, 受交换液 pH和全钾含量的影响, 不同
生物质灰渣中 K+的释放量和平衡时间均存在较大差异。不同 pH 条件下, 水稻灰渣和玉米灰渣 K+释放量(Q)
表现为 Q4>Q9>Q7, 锯木灰渣和谷壳灰渣的释放量表现为 Q9>Q4>Q7; 在 3种 pH条件下, 4种生物质灰渣 K+的
释放总量均表现为Q 水稻灰渣>Q 锯木灰渣>Q 谷壳灰渣>Q 玉米灰渣。平衡前不同时段K+的释放率(v)与反应时间的自然对数(lnt)
极显著相关。4种生物质灰渣 K+的释放动力学最适模型均表现为: pH=4时为 Elovich方程, pH=7时为双常数
方程, pH=9时为 Elovich方程; 同一 pH条件下, 4种生物质灰渣的模型拟合性最优为 Elovich方程, 双常数方
程次之, 抛物线扩散方程最差。
关键词 生物质灰渣 K+释放 pH 反应时间 动力模型
中图分类号: 141.4 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)02-0171-06
Analysis of K+ release kinetics of biomass ash with different pH
WANG Kan1, WANG Zifang1, GAO Ming1, HUANG Yaohua1, HAN Xiaofei1,
ZHANG Yarong1, LUO Xianyou2
(1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Tongliang County Agricultural Committee, Chongqing 402560, China)
Abstract Biomass ash is a kind of plant straw residuum produced by combustion of straw at 800 . Biomass ash contains lots of ℃
nutrients, including phosphorus (P), calcium (Ca), magnesium (Mg) and especially potassium (K). In biomass ash, K mainly occurs
as K2SO4, KCl and K2CO3. In recent years, biomass ash has been used to produce potassium-based fertilizers. However, less work
has been done on the principles and mechanisms of biomass ash K+ release. In the new production system and method proposed to
produce potassium fertilizers from biomass ash, pH is critical for K+ release. This paper used four types of biomass ash (cornstalk,
rice straw, sawn wood and chaff) with different pH of 4, 7 and 9 adjusted by ammonium acetate (NH4Ac) to extract available K by
the method of penetration exchange. This study discussed the cumulative quantity and rate of release of K+, and analyzed K+ release
dynamics of four types of biomass ash using three kinetic models. The results indicated that K+ release attained equilibrium in 20−80
min with a total capacity of K+ release significantly different for different pH. Total K+ release capacity was 14.77−255.17 cmol·kg−1
at pH of 4, 4.83−106.71 cmol·kg−1 at pH of 7 and 12.11−224.33 cmol·kg−1 at pH of 9. Total K+ release capacity under each pH
condition showed that rice straw released the most K+, followed by cornstalk and sawn wood, while chaff released the least K+.
Correlation analysis suggested that total K content of biomass ash was critical for the time and total capacity of K+ release. The
correlation coefficient of released K+ amount and total K content was 0.991−0.997. A significant difference was noted in K+ release
rate among biomass ash types. These implied that the greater content of K contain the more amount of K+ release. This indicated that
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equilibrium time and quantity of released K+ varied with pH and total K content of exchange solution. Under the three pH conditions,
released K+ amounts (Q) of rice straw and cornstalk were in the order of Q4 > Q9 > Q7, while those of sawn wood and chaff were Q9
> Q4 > Q7. The order of total K+ release capacity of biomass ash was Q Rice straw > QSawn wood > QChaff > QCornstalks under the three pH
conditions. Before equilibrium time, K+ release velocity (v) was logarithmically related with time (lnt) during each reaction stage. For
the same biomass ash, the optimal kinetic mode of K+ release changed with pH condition. The best models at pH of 4, 7 and 9 were
Elovich Equation (EE), Dual Constant Equation (DCE) and EE, respectively. Under the same pH condition, the model that best
described K+ release process was the EE and DCE, while the Parabolic Diffusion (PD) was the most inappropriate model.
Keywords Biomass ash; K+ release; pH; Reaction time; Dynamic model
(Received Sep. 22, 2013; accepted Dec. 13, 2013)
生物质灰渣是指农业生产中产生的秸秆、谷壳
等废弃物, 经高温灼烧, 其中的有机物和 C、N化合物
氧化分解后残留的灰烬, 粒径主要分布在 0.1~1 mm
范围内 , 颗粒呈规则的球形 , 硬度较高 , 与农业废
弃物草木灰[1]有显著不同。据研究, 生物质灰渣中含
有 6%~12%的 K 素, 并且 90 %以上为水溶性钾[2],
主要以 K2SO4、KCl和 K2CO3形式存在, 可以被植物
直接吸收利用, 同时含有 Ca、Mg、S、P、Si、Zn等
其他矿质元素[3], 是一种重要的钾肥资源。卞有生[4]
研究了水稻、小麦、大豆和油菜等作物秸秆中各营
养元素成分, 发现 K 素含量明显高于其他元素。秸
秆燃烧后, 除 C、N 元素大部分以气体形式耗散外,
其余元素均能较好地保留下来。据调查, 我国每年
由农业活动产生的各种农作物秸秆超过 6 亿 t[5], 其
中半数通过就地焚烧或作为家庭燃料、工业原料等
方式处理, 产生大量的生物质资源, 其中的钾肥资
源相当可观, 若能将其合理利用, 不仅减轻了环境
压力, 而且具有良好的农业经济效益, 是实现循环
农业的有效途径。生物质灰渣作为一种新型肥料资
源, 利用前景十分广阔。王兢[6]提出了一种生物质灰
渣综合利用的方法及系统, 利用生物质灰渣中的 K、
P、Si、Ca、Mg等元素, 制取钾基复合肥, 实现了生
物质灰渣的综合全面利用。
近年来有关土壤中K+的吸附解吸动力学研究报
道较多, 薛泉宏等[7]研究了黄土性土壤吸附解吸 K+
的动力学性质, 发现K+平衡吸附量与CEC及黏粒含
量有关。熊明彪等[8]研究紫色土 K+吸附解吸动力学
发现, 长期不同施肥处理对土壤 CEC、黏粒及交换
钾量产生影响, 从而影响紫色土 K+吸附、解吸平衡
时间及吸附、解吸平衡量。动力学方程拟合发现, 一
级动力学方程是描述黄土性土壤、褐土、潮土吸附解
吸动力学的最优模型[7−10]。然而有关生物质灰渣的研
究鲜有报道, 其中 K+的释放规律及其机理尚不明确。
因此, 本文选取 4种工业高温焚烧产生的生物质灰渣
为研究对象, 研究不同 pH条件下生物质灰渣中 K+的
释放及动力学过程, 为生物质灰渣中 K+的释放规律
及钾盐的高效提取和农业利用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验选用 4种生物质灰渣, 分别为玉米灰渣、
水稻灰渣、锯木灰渣和谷壳灰渣, 经 800 ℃焚烧而
成, 由重庆市生息节能技术有限公司提供。灰渣经
研磨过 1 mm筛备用, 其主要养分含量如表 1所示。
表 1 供试生物质灰渣化学特性
Table 1 Chemical characteristics of different biomass ashes
used in the experiment
生物质灰渣种类
Biomass ash type
全钾
Total K
(g·kg−1)
全磷
Total P
(g·kg−1)
速效钾
Available K
(g·kg−1)
pH
玉米灰渣
Cornstalks
25.38 2.42 1.62 10.7
水稻灰渣
Rice straw
87.28 2.25 14.37 11.1
锯木灰渣
Sawn wood
24.89 5.99 9.12 12.8
谷壳灰渣 Chaff 21.90 2.52 0.87 10.3

1.2 试验方案设计
试验设置 3种 pH条件和 4种生物质灰渣 2个因
素, 采用完全组合设计, 共 12 个处理, 每个处理重
复 3次。称取 0.200 g的生物质灰渣, 平铺在直径约
5 cm的交换柱渗滤装置中, 上下加盖滤纸防止灰渣
流动并使滤液保持澄清, 用蒸馏水略微打湿滤纸层,
排除气泡使滤纸层闭合紧密, 然后拧紧交换柱以固
定滤纸——生物质灰渣层。试验开始前吸入少量交
换液使交换柱中溶液刚好淹没滤纸, 保证试验开始
后交换液能均匀通过滤纸。以不同 pH(4、7、9)的
NH4Ac为交换液, 用冰乙酸或氨水调节 pH。在蠕动
泵推动下以恒定流速自上而下通过交换柱, 模拟田
间状态下雨水或灌水, 保持渗水速率约每秒 2 滴对
生物质灰渣的淋溶, 采用部分自动收集器收集滤出液,
待第1滴滤出液流出时准确计时, 每次收集10 mL, 收
集时间为 2 min, 累计收集时间为 80 min, 3种 pH条
件下分别表示为 Q4、Q7、Q9, 4种生物质灰渣的 K+释
放量分别表示为 Q 水稻灰渣、Q 锯木灰渣、Q 谷壳灰渣、Q 玉米灰渣。
试验所用装置简图如图 1 所示, 收集反应后的渗出
液, 用于测定 K+浓度。
第 2期 王 侃等: 不同 pH条件下生物质灰渣中 K+释放动力学研究 173



图 1 试验装置示意图[8]
Fig. 1 Schematic diagram of the testing apparatus
1.3 测定项目及方法
pH测定采用灰渣与蒸馏水的比例为 1︰10, 酸度
计法进行测定; 生物质灰渣全钾含量用H2SO4-H2O2消
化−火焰光度法测定; 生物质灰渣和渗出液中速效钾
含量用 NH4Ac 浸提−火焰光度法测定, 渗出液收集至
试管后, 采用火焰光度法直接测定其中 K+含量。
灰渣 K+释放量(Q)计算公式:
1(cmol kg ) C V tQ
W
− Δ × ×Δ⋅ = (1)
式中, ΔC、V、Δt、W分别为渗出液中 K+浓度、蠕动
泵流速、收集时间和供试灰渣的质量。按时间顺序
将各时间段的释放量累加, 得到该反应时间段内的
累积释放量 Q。
反应速率 V 为单位时间内单位质量生物质灰渣
释放的 K量, 计算公式为:
d
QV
t
= Δ (2)
式中, dV 为相应时段的平均释放速率(cmol·kg−1·min−1), Δt
为反应时间(min)。
试验发现 , 不同时间段 K+的平均释放速率不
同。随着释放平衡状态的接近, 释放速率不断下降。
反应速率与反应时间之间符合方程:
lndV A B t= + (3)
式中, t为反应时间, A、B均为常数, 其中 B可反映出
反应速率随时间降低的快慢趋势, ln为自然对数[7]。
1.4 统计分析方法
试验数据采用 Excel 2013、Origin8.6 和 SPSS
10.0数据处理软件进行分析。
2 结果与分析
2.1 不同 pH条件下生物质灰渣的K+累积释放量(Q)
及平衡时间
图 2可以看出, 不同生物质灰渣释放K+的平衡
时间各不相同。当 pH=9时, 水稻灰渣、锯木灰渣、
谷壳灰渣和玉米灰渣等 4 种生物质灰渣的 K+累积
释放量分别为 224.33 cmol·kg−1、42.56 cmol·kg−1、
23.25 cmol·kg−1和 12.11 cmol·kg−1; pH=7时, 累积释放量
分别为 106.71 cmol·kg−1、21.47 cmol·kg−1、12.13 cmol·kg−1
和 4.83 cmol·kg−1; pH=4时, 分别为 255.17 cmol·kg−1、
45.83 cmol·kg−1、19.32 cmol·kg−1、14.77 cmol·kg−1。
由此可见, 在 3种 pH下, 各生物质灰渣 K+的释放量
均表现为 Q 水稻灰渣>Q 锯木灰渣>Q 谷壳灰渣>Q 玉米灰渣。然而, 如
表 1所示, 4种生物质灰中全钾含量依次为水稻灰渣>
玉米灰渣>锯木灰渣>谷壳灰渣。对生物质灰渣中全
钾含量与 3种 pH条件下K+释放量进行相关分析, 发
现二者的相关性均达到极显著水平, 可见生物质灰
渣中的全钾含量对 K+释放量有重要影响。K+释放过

图 2 不同 pH条件下 4种生物质灰渣K+释放动力学曲线
Fig. 2 Kinetics curves of K+ release of four kinds of biomass
ash under different pH conditions
174 中国生态农业学报 2014 第 22卷


程在 20~80 min 达到平衡, 其中谷壳灰渣和玉米灰
渣的释放平衡时间大致相同, 为 60~80 min; 而水稻
灰渣和锯木灰渣则需要较长时间才能达到平衡。将反
应时间延长至 120 min时, 锯木灰渣中仍然有少量K+
释放出来, 释放速度为 0.01~0.02 cmol·kg−1·min−1。
从图 2中还可以看出, 在 3种 pH下, 锯木灰渣、
谷壳灰渣中 K+释放量表现为 Q9>Q4>Q7; 玉米灰渣、
水稻灰渣中 K+释放量表现为 Q4>Q9>Q7。4种生物质
灰渣均表现出酸、碱性条件下 K+的释放量高于中性
条件。
2.2 不同 pH条件下生物质灰渣的 K+释放速率(V)
表 2反映了试验的前 10 min内, 4种生物质灰渣
的释放速率。由表 2可知, 3种 pH条件下, 4种生物质
灰渣 K+的释放速率各不相同。pH=7 时, 水稻灰渣、玉
米灰渣、谷壳灰渣和锯木灰渣的 K+释放率最低, 分别为
9.5 cmol·kg−1·min−1、0.32 cmol·kg−1·min−1、0.86 cmol·kg−1·min−1
和 0.99 cmol·kg−1·min−1。pH=9和 pH=4时, 各生物质
灰渣 K+释放速率相差不大; 然而在同一 pH条件下, 4
种生物质灰渣中 K+释放速率则呈现 V 水稻灰渣>V 锯木灰渣>
V 谷壳灰渣>V 玉米灰渣。方差分析表明, 同一 pH 条件下 K+
释放速率在 4种生物质灰渣之间存在极显著差异; 同
时, 各生物质灰渣的 K+释放速率在不同 pH条件下也
存在极显著差异。相关分析发现, 试验的前 10 min内,
3 种 pH 条件下生物质灰渣中 K+的释放速率与其全钾
含量显著相关: pH=4时, 相关系数为 0.997; pH=7时,
相关系数为 0.997; pH=9时, 相关系数为 0.991。
表 2 试验前 10 min内 3种 pH条件下生物质灰渣的 K+
释放速率
Table 2 K+ release rate of biomass ash in first 10 mins of the
experiment under three pH conditions
cmol·kg−1·min−1
生物质灰渣种类 K+释放速率 Release rate of K+
Biomass ash type pH=4.0 pH=7.0 pH=9.0
玉米灰渣 Cornstalks 1.34±0.17** 0.32±0.02** 1.02±0.05**
水稻灰渣 Rice straw 24.69±1.48** 9.50±0.13** 21.00±1.1**
锯木灰渣 Sawn wood 3.33±0.18** 0.99±0.06** 3.94±0.14**
谷壳灰渣 Chaff 1.75±0.26** 0.86±0.01** 1.98±0.32**
**表示相关性达极显著(P<0.01), 下同。** indicate significant
correlation at 0.01 level. The same below.

由表 3 可知, K+释放速率与反应时间自然对数
之间存在良好的线性关系, 相关系数为 0.824~0.968,
达到极显著水平。直线的截距 A表明反应最初的 K+
释放量, 水稻灰渣、玉米灰渣和谷壳灰渣初期释放
量在 pH=4时最高, pH=9次之, pH=7最低; 锯木灰
渣则表现为 pH=9时最高, pH=4次之, pH=7最低。
4 种生物质灰渣均表现出酸碱环境下 K+的高释放
量, 及中性环境低释放量的特征。由此可见, 生物
质灰渣中 K+的释放量和释放速率主要受环境酸碱
性的影响。
表 3 不同 pH条件下生物质灰渣 K+释放速率( dV )与反应时间(lnt)的回归方程
Table 3 Regression equations of the release rate ( dV ) of K
+ and reaction time (lnt) of biomass ash under different pH conditions
生物质灰渣种类 Biomass ash type pH 回归方程 Regression equation 相关系数 Correlation coefficient 标准误 Standard error
4 V=5.561+0.437×lnt 0.968** 0.100
7 V=0.885−0.206×lnt 0.910** 0.083
玉米灰渣 Cornstalk
9 V=2.969−0.708×lnt 0.899** 0.305
4 V=110.091+4.34×1lnt 0.824** 2.638
7 V=27.755−6.634×lnt 0.900** 2.850
水稻灰渣 Rice straw
9 V=64.185−15.468×lnt 0.889** 7.049
4 V=7.882+0.837×lnt 0.958** 0.222
7 V=1.878−0.394×lnt 0.919** 0.149
锯木灰渣 Sawn wood
9 V=8.042−1.756×lnt 0.896** 0.768
4 V=7.312+0.569×lnt 0.963** 0.140
7 V=2.453−0.577×lnt 0.898** 0.250
谷壳灰渣 Chaff
9 V=5.847−1.397×lnt 0.897** 0.609

生物质灰渣的 pH为 10.3~12.5, 碱性较强, 在酸
性环境中, 生物质灰渣表面的 OH−被大量 H+中和,
快速将包裹在内的营养物质释放出来, 随着反应继
续, 生物质灰渣中可释放的元素逐渐减少, 直至平
衡 , 从而显示出生物质灰渣初期 K+的高释放量。
NH4Ac 属于极性溶剂, 生物质灰渣被 OH−包裹也显
示出极性, 根据相似相容原理, 其在碱性环境下也
可以大量溶解, 也表现出初期较高的 K+释放量。
2.3 K+释放动力学模型
Sparks 等[10−12]提出了几种用来描述酸性砂质土
吸附、解吸 K+及非交换性 K+释放反应过程的动力学
模型。目前, 常用于表征土壤 K+吸附解吸动力学的
方程主要有:
Elovich方程: qt=a+b×lnt (4)
第 2期 王 侃等: 不同 pH条件下生物质灰渣中 K+释放动力学研究 175


抛物线扩散方程: qt=a+bt½ (5)
双常数方程(也称指数方程): lnqt=a+b×lnt
或(qt=a×tb) (6)
一级动力学方程 : ln(1−qat/q∞)=−ka×t; ln(1−qd×
t/q∞)=−kd×t (7)
式中, t为时间, qt为 t时间内的 K+累积吸附量(解吸
量), a、b为动力学参数(在不同方程中含义不同), ka、
kd 分别表示一级动力学方程中表观吸附速率常数和
解吸速率常数, q∞为表观平衡吸附(解吸)量[13]。
在连续液流条件下, 几种模型对生物质灰渣中
K+释放过程也有较好且程度不同的拟合性(表 4)。模
型拟合性指由模型所得计算值与实测值的符合程度,
常用相关系数(r)和标准误(SE)判定, r愈大, SE愈小,
则拟合性愈好。
从表 4可以看出, 由于生物质灰渣类型和 pH条
件不同, 拟合的 K+释放动力学曲线模型的适宜性也
不同。在 pH=4条件下, 4种生物质灰渣 K+释放模型
的相关系数 r 值表现为 Elovich 方程(0.929)>双常数
方程(0.919)>抛物线扩散方程(0.834), 表明在 pH=4时,
Elovich 方程和抛物线扩散方程分别为描述 K+释放的
最优及最差模型。Elovich方程和抛物线扩散方程的标
准误 SE均值为 0.2和 0.3。pH=7时, 谷壳灰渣和锯木
灰渣模型拟合程度表现一致, 为双常数方程(0.998)>
抛物线扩散方程(0.994)>Elovich 方程(0.989), 玉米灰
渣表现为双常数方程(0.999)>Elovich 方程(0.997)>抛
物线扩散方程 (0.986), 水稻灰渣为 Elovich 方程
(0.960)>双常数方程(0.948)>抛物线扩散方程(0.872)。
pH=9 时, 谷壳灰渣和锯木灰渣同样为 Elovich 方程
(0.978)>双常数方程(0.969)>抛物线扩散方程(0.915),
玉米灰渣为 Elovich 方程(0.988)>双常数方程(0.980)>
抛物线扩散方程 (0.935), 水稻灰渣为双常数方程
(0.931)>Elovich方程(0.923)>抛物线扩散方程(0.819)。
表 4 3种模型的相关系数(r)、标准误(SE)及参数
Table 4 Correlation coefficients (r), standard errors (SE) and departments of three kinetic models
Elovich 方程
Elovich equation
抛物线扩散方程
Parabolic diffusion equation
双常数方程
Dual constant equation
生物质灰渣种类
Biomass ash
type
pH
A B r SE A B r SE A B r SE
4 11.12 0.874 0.968** 0.03 12.10 0.337 0.885** 0.06 11.25 0.066 0.959** 0.04
7 1.60 0.717 0.997** 0.01 2.26 0.299 0.986** 0.02 2.03 0.198 0.999** 0.00
玉米灰渣
Cornstalk
9 7.62 1.028 0.988** 0.02 8.68 0.411 0.935** 0.05 7.89 0.100 0.980** 0.03
4 220.17 8.685 0.824** 0.80 231.47 3.078 0.693** 1.00 219.95 0.037 0.814** 0.80
7 75.24 7.531 0.960** 0.30 83.72 2.886 0.872** 0.50 76.40 0.051 0.948** 0.30
水稻灰渣
Rice straw
9 181.42 10.361 0.923** 0.60 193.64 3.880 0.819** 0.90 182.10 0.051 0.931** 0.60
4 23.64 2.513 0.958** 0.10 27.41 0.796 0.881** 0.20 24.23 0.082 0.947** 0.10
7 2.33 2.788 0.987** 0.06 5.98 0.968 0.995** 0.04 5.01 0.244 0.998** 0.03
锯木灰渣 Sawn
wood
9 28.61 2.815 0.968** 0.10 32.82 0.894 0.893** 0.20 29.28 0.077 0.958** 0.10
4 14.62 1.138 0.964** 0.04 15.91 0.436 0.876** 0.08 14.78 0.065 0.954** 0.05
7 4.95 1.562 0.991** 0.03 6.34 0.659 0.992** 0.03 5.79 0.165 0.997** 0.02
谷壳灰渣
Chaff
9 15.19 1.849 0.987** 0.04 17.08 0.739 0.936** 0.09 15.64 0.092 0.980** 0.05

从表 4 还可以看出, 同一动力学模型的拟合性
在不同 pH 条件下均表现出 pH=7>pH=9>pH=4 的趋
势。总体来说, pH=4时, 4种生物质灰渣的最适模型
为 Elovich, pH=7时最适模型为双常数方程, pH=9时
为 Elovich。由此可见, 生物质灰渣 K+的释放与土壤
有一定相似性, 不是一个单纯过程, 也可能包括颗
粒膨胀、吸附位活化、表面扩散等复杂过程[8,14]。
3 讨论与结论
生物质灰渣中 K+的释放受环境条件影响较大,
并且受 K素含量和生物质灰渣种类的影响, 表现出
不同的释放特征。相同 pH 条件下, 不同生物质灰
渣中 K+的释放量也不尽相同, 具体表现为 Q 水稻灰渣>
Q 锯木灰渣>Q 谷壳灰渣>Q 玉米灰渣; 不同 pH条件下, 水稻灰渣
和玉米灰渣 K+释放量为 Q4>Q9>Q7; 锯木灰渣和谷
壳灰渣的释放量为 Q9>Q4>Q7。反应初期, 4 种生物
质灰渣都表现出较高的 K+释放量, 随着反应时间的
进行, 单位时间内的 K+释放量逐渐降低。K+的瞬时
释放速率受 pH影响较大, 在中性条件下, K+瞬时释
放速率最低, 酸碱环境能促进 K+的释放。不同类型
生物质灰渣的 K+释放速率也不同, 基本表现为 V 水稻灰渣>
V 玉米灰渣>V 锯木灰渣>V 谷壳灰渣。通过对 4种生物质灰渣 K+
释放过程进行动力学模型拟合发现, 同一 pH 条件
下, Elovich 模型为最优模型, 其次为双常数方程模
型和抛物线扩散方程模型。但在不同 pH条件下最适
模型表现为: pH=4时为 Elovich模型, pH=7时为双
176 中国生态农业学报 2014 第 22卷


常数方程模型, pH=9时为 Elovich方程模型。
目前, 土壤中 K+的吸附解析机理主要被认为是
发生在黏粒上的物理化学吸附[8,15], 黏粒表面 K+的
吸附位点分别为黏粒矿物晶层表面吸附位点 p 位,
黏粒矿物晶层边缘吸附位点 e 位和黏粒矿物层间的
吸附位点 i位[16]。但是生物质灰渣中 K+的吸附解吸
机理目前尚无明确定论, 根据双电层理论, 生物质
灰渣颗粒表面存在电场, 产生电场力, 可能形成一
层特殊状态的膜状水层 , K+的释放由于自由液相
NH4+通过水膜内外的浓度梯度作用进入膜内反离子
层, 与反离子层中的 K+进行交换吸附。
pH对生物质灰渣颗粒 K+的释放存在显著影响。
在低 pH, 即酸性条件下, 溶液中主要阳离子为 NH4+
和 H+, 作为陪伴离子, H+与 NH4+争夺进入层间, 竞
争K+吸附位点, 加速了K+释放; 在高 pH, 即碱性条
件下, 带负电荷的颗粒对 OH−产生强烈排斥, 扩散
层中 NH4+大量聚集, 也使得 K+的交换吸附增加。总
的来说, 生物质灰渣颗粒表面 K+的释放与土壤颗粒
表面 K+释放有一定区别, 该方面的研究还有待完善,
生物质灰渣表面离子的交换机理有待进一步研究。
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