水分管理方式对寒地稻田土壤钾的影响



水分管理方式对寒地稻田土壤钾的影响

孙磊1, 2，徐姗姗2, 3，韩利萍2，毕诗婷2，罗盛国2

（1.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京210008;

2.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150030；

3.孙吴县农业局，黑龙江黑河164299）

摘要：通过室内模拟试验，研究干湿交替和长期淹水对黑龙江省广泛分布的四种类型水稻土钾淋洗损失和不同形态钾含量的影响。结果表明，不同类型水稻土钾淋洗量随干湿交替次数增加或淹水时间的延长而增加，除草甸土在干湿交替处理下钾淋洗量高于淹水处理外，其他三种土壤在连续淹水条件下的钾淋洗量均高于干湿交替处理，且白浆土>黑土>暗棕壤。与连续淹水相比，干湿交替有利于外源钾在表土层积累，同时促进黑土、白浆土和草甸土中缓效钾释放，但减弱暗棕壤中缓效钾的释放。因此，为提高土壤中有效钾供给量，减少钾的淋洗损失，白浆土型水稻土和黑土型水稻土宜采取干湿交替的水分管理方式，草甸土型水稻土和暗棕壤型水稻土可适当延长淹水时间。

关键词：水稻土；寒地；干湿交替；水分管理；钾

网络出版时间2015-3-13 15:21:00

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150313.1521.003.html

孙磊,徐姗姗,韩利萍,等.水分管理方式对寒地稻田土壤钾的影响[J].东北农业大学学报, 2015, 46(3): 15-20.

黑龙江省是我国优质粳稻主产区，水稻商品率达75%[1]。虽然近年来水稻产量提高很快，但是水稻倒伏和病害较重，单产波动较大。钾素对于增强作物抗倒伏和抗病性具有重要作用[2]，在我国大多数地区，缺钾已成为限制农业生产连续发展的重要因素之一[3]。水稻是喜钾作物，特别是对于杂交水稻，充足的钾素可有效提高水稻产量和品质[4-5]。干湿交替的稻田水分管理方式，可有效改善稻田土壤氧化还原状况，提高稻田土壤中肥料利用效率[6]，且这一过程还将影响稻田土壤速效钾含量及缓效钾释放[7]。对于不同土壤类型，干湿交替频率对土壤钾素有效性的影响是合理利用土壤钾及确定钾肥合理施用的参考依据。白浆土、黑土、暗棕壤和草甸土是黑龙江省主要稻田土壤类型，关于干湿交替对寒地稻田土壤钾素有效性影响尚未见报道。黑龙江省近年来稻田土壤出现严重的钾素亏缺现象[8]，一半以上稻田土壤出现土壤钾素供应不足情况，本试验通过室内模拟稻田土壤干湿交替和连续淹水的水分管理方式，研究干湿交替和连续淹水对不同类型稻田土壤钾淋洗损失和缓效钾释放的影响。为确定合理评价寒地稻田土壤钾素供应能力，充分发挥稻田土壤供钾潜力、科学施用钾肥、有效提高钾肥利用率提供理论依据。

1　材料与方法

1.1供试土壤

暗棕壤型水稻土、黑土型水稻土、草甸土型水稻土和白浆土型水稻土分别取自黑龙江省水稻主产区宁安、庆安、五常和建三江0~20 cm耕层土壤。土壤经自然风干后，研磨过2 mm筛备用。土壤基本理化性质见表1~2。

表1　供试土壤基本理化性质Table 1　Physical and chemical properties of soils studied

表2　供试土壤中的粘粒及粘土矿物含量Table 2　Clay and minerals contents of the tested soils

1.2试验设计

1.2.1干湿交替处理

在自制的5 cm（D）×30 cm (h)玻璃管（见图1）底部铺上1 cm石英砂，然后根据四种土壤容重，分别装入不同土壤样品400~440 g，保证土柱高20 cm，3次重复。

为使土柱沉实并排除土柱中空气，第1次用蠕动泵从土柱下方注水（以后均从土柱上方进水）。在室温条件下保持土柱表面1 cm水层，进行72 h淹水处理。淹水培养结束后，通过调节玻璃管下端活塞，以30滴·min-1速度将土柱中水分从下部排水管排出，并收集于塑料瓶中，用于测定淋洗液中钾含量，12 h后停止排水。将排水后土柱在恒温培养箱中40℃培养72 h（表层1~2 cm深度内有裂隙），完成干处理。在第2次和第7次干湿交替后，根据土壤基础肥力和寒地水稻推荐施肥量[9]施入氯化钾，氯化钾施用量草甸土和白浆土为0.15 g·柱-1，黑土和暗棕壤为0.09 g·柱-1。然后按上述方法进行12次干湿交替处理，处理结束后将各土壤按0~5、5~10、10~15和15~20 cm分段进行风干、过筛处理，并分别测定各段土壤中速效钾和缓效钾含量，培养周期3个月。1.2.2连续淹水处理

图1　玻璃管Fig. 1　Glass column

该处理土柱同干湿交替处理土柱在同样环境条件下进行培养，干湿交替处理进行烘干处理时，连续淹水处理土柱按上法将水放掉，但立即加水保持1 cm水层继续培养。

干湿交替处理和连续淹水处理均为3次重复。

1.3测定方法

土壤粘粒含量测定：土壤样品用稀盐酸去除碳酸盐，浓H2O2去除有机质，用0.5 mol·L-1NaOH调节悬浮液pH为7.3，以自由沉降法提取<2 μm粘粒并称重，计算土壤中<2 μm粘粒含量。

粘土矿物组成及含量测定：用柠檬酸钠-碳酸氢钠-连二亚硫酸钠祛除<2 μm粘粒中游离氧化铁，Mg2+饱和后，用甘油水溶液将样品制成定向薄膜，用日本理学D/max-ⅢC进行X衍射分析矿物组成；>2 μm颗粒经磨细后，直接进行X射线衍射分析矿物组成。根据试样衍射图谱中各种矿物特征衍射峰强度比估算其矿物含量。

土壤速效钾用1 mol·L-1中性HN4OAc浸提-火焰光度计法；酸溶性钾用1 mol·L-1热HNO3浸提-火焰光度计法，缓效钾根据土壤酸溶性钾和速效钾差值可得；淋洗液中钾用火焰光度计直接测定[10]。

数据分析处理采用Excel 2003和DPS 7.05软件完成。

2　结果与分析

2.1干湿交替和连续淹水对土壤钾淋洗的影响

由图1可见，不同类型水稻土钾淋洗量均随干湿交替次数增加或淹水时间延长而增加。施肥前连续淹水处理和干湿交替处理白浆土钾淋洗量差异不大，但在施肥后，干湿交替处理钾淋洗量仅略有增加，而连续淹水处理钾淋洗量则为干湿交替处理的2~3倍。黑土在第2次施肥前，不同水分管理方式对钾淋洗量影响不大，但第2次施肥后连续淹水处理钾淋洗量开始显著高于干湿交替处理，从第11个处理周期开始，两种水分管理方式差异开始缩小。连续淹水的暗棕壤钾淋洗量在施肥前后均略高于干湿交替处理，从第11个处理周期开始，两种水分管理方式出现相反结果，但二者差异始终未达到显著水平。草甸土与其他土壤表现不同，在第2次施肥前，不同水分管理方式对草甸土钾淋洗量影响不大，第二次施肥后，干湿交替处理的钾淋洗量则显著高于连续淹水处理（P< 0.05）。通过计算试验期间不同水分管理方式对不同类型水稻土钾淋洗量表明，四种土壤中，白浆土的钾淋洗量最高，且连续淹水白浆土钾淋洗量约为干湿交替处理的2.5倍，差异达到极显著水平（P<0.01），连续淹水黑土钾淋洗量显著高于干湿交替处理钾淋洗量（P<0.05），连续淹水草甸土钾淋洗量显著低于干湿交替处理（P<0.05），只有暗棕壤在两种水分管理条件下钾淋洗量差异不显著。但从土壤中速效钾含量和钾淋洗量可知，四种土壤中白浆土对钾的保持能力弱于其他土壤。

2.2干湿交替对不同类型水稻土中钾含量的影响

由表3可见，由于施用钾肥，四种土壤速效钾含量均有增加。与连续淹水处理相比，干湿交替无一例外均增加0~5 cm土壤速效钾含量。不同水分管理方式对白浆土速效钾含量影响差异达到5%显著水平，这是由于连续淹水加速溶液中钾向下移动速率，增加淋洗损失风险，而干湿交替导致土壤频繁进行胀缩变化，促进钾向片层间移动。因而淋洗较弱，但由于时间较短，所以片层对钾固定并不牢固，一旦淹水，钾又会快速释放出来，结果导致干湿交替处理0~5 cm土层速效钾含量较高。而5 cm以下受干湿交替影响不大，因此两种处理在5 cm以下土层中速效钾含量差异也较小。但是由于连续淹水处理促进钾向下层淋洗，所以5 cm以下土壤中速效钾含量略高于干湿交替处理。草甸土虽然与白浆土施肥量一样，但是不同水分管理方式对草甸土在0~5 cm土壤中速效钾含量影响未达显著水平。这可能是因为草甸土有机质含量和阳离子代换量高于白浆土，所以土壤对钾吸持能力较高，因而减少钾淋洗损失。由不同水分管理方式对草甸土钾淋洗量影响见图1。

由图1可见，第1次施肥后，水分管理方式不同并没有带来钾淋洗损失的差异。第2次施肥后，可能由于草甸土阳离子交换位点被钾离子饱和，且草甸土中2ϑ1型粘土矿物含量较低，导致土壤钾淋洗量增加。由不同土层土壤中速效钾含量可见，连续淹水处理土壤钾向下层的移动性要略高于干湿交替。不同水分处理对黑土和暗棕壤不同土层速效钾含量的影响有类似趋势，但是由于黑土和暗棕壤原土中速效钾含量较高，且土壤阳离子代换量较高，所以黑土和暗棕壤不同土层速效钾含量均高于白浆土和草甸土。

图1　不同水分管理对水稻土壤钾淋洗量的影响Fig. 1　Effects of water management on amount of leached K in paddy soils

由不同水分管理方式对不同土层缓效钾含量影响见表3，不同水分管理方式都降低土壤缓效钾含量，这是由于四种土壤均含一定量的胀缩性粘土矿物，长期淹水或间歇淹水促进粘土矿物膨胀，因而促进晶层间缓效钾释放。对比不同水分管理方式下不同土层土壤中缓效钾含量可见，干湿交替处理比连续淹水处理更有利于黑土中缓效钾释放，且水分管理方式对不同土层影响趋势和强度较为一致，干湿交替处理条件下黑土中缓效钾释放量约为连续淹水处理的2倍。干湿交替处理对0~10 cm的影响大于对10~20 cm的影响，暗棕壤在干湿交替水分管理条件下0~10 cm土层缓效钾的释放量要低于连续淹水处理，而在干湿交替水分管理条件下10~20 cm土层缓效钾释放量高于连续淹水。干湿交替条件下，0~5 cm暗棕壤缓效钾释放量仅为其他三种土壤的60%~70%，而连续淹水条件下，0~5 cm暗棕壤缓效钾释放量则为其他三种土壤的4倍。由此可见，干湿交替有利于白浆土、黑土和草甸土中缓效钾释放，而连续淹水则有利于暗棕壤中缓效钾释放。

表3　不同水分管理方式下不同土层含钾量Table 3　K amount of different layers under different water managements

3　讨论与结论

水稻土是一种人工水成土，除自然因素外，灌溉、耕作和施肥等农业措施对水稻土发育起很大作用，这些措施会引起土壤一系列变化，对水稻土质量产生深刻影响[11-12]。在过去几十年里，土壤钾可持续问题很大程度被忽视[13]，随着施钾增产范围扩大，土壤钾素状况、土壤钾有效性和钾肥对农作物影响的研究已引起土壤肥料领域高度重视[14]。土壤干湿交替及土壤湿润或淹水时间长短均是影响钾素固定的重要因素。徐国华等试验表明，施用钾肥以后，干湿交替作用可促进钾素固定[15]；无论是否施钾，钾耗竭的风干土壤经过恒湿和淹水处理以后，交换性钾均有下降，且淹水处理下降幅度大于恒湿处理。因为淹水改变土壤氧化还原状况，进而影响土壤的固钾能力。朱咏莉等研究表明干湿交替可显著降低速效钾含量[7]。由于稻田土壤较长时间处于淹水条件，使2ϑ1型粘土矿物晶层长期处于膨胀状态，有利于土壤缓效钾释放[7]。水分通过影响钾素释放和固定间接影响钾素迁移[16]。本试验结果表明，与连续淹水相比，干湿交替能在一定程度上减少白浆土、黑土和暗棕壤中速效钾淋洗损失，提高土壤中速效钾含量；而连续淹水可促进暗棕壤缓效钾释放，提高暗棕壤速效钾含量。Kolahchi等研究表明，施入到土壤表层的钾比土壤中可交换性钾和矿物钾更容易淋洗，但全部淋洗量未必皆来自施入钾，如果钾被施入到土壤耕层而不是表面，钾损失会更大[17]。因此如果要提高土壤钾含量，必须考虑影响钾淋洗损失和钾固定的因素[18-19]。

白浆土是一种透水不良低产土壤，且主要分布在黑龙江省，种植水稻是合理利用白浆土的有效方式。黑龙江省白浆土型水稻土钾素处于亏缺状态[20]，但是在种植水稻过程中，通常仍采用连续淹水水分管理方式，不但不利于稻田土壤的通气，也加剧稻田土壤钾淋洗损失。干湿交替水分管理方式不但有利于土壤通气状况，改善土壤物理性状，同时也有效减少土壤速效钾淋洗损失，促进缓效钾的释放，提高土壤钾有效性。但无论是干湿交替还是连续淹水处理，均加剧土壤缓效钾释放，这对于维持土壤钾可持续性不利。干湿交替不但可改善稻田土壤氧化还原状况，还可有效减少白浆土型水稻土中钾淋洗损失。而暗棕壤与白浆土正好相反，与干湿交替水分管理方式相比，长期淹水并无显著降低暗棕壤速效钾的淋洗损失，但是却有效减少缓效钾释放。因此，为提高土壤钾有效性，减少钾淋洗损失，不同类型水稻土应依据土壤特性选择适宜的水分管理方式。

本研究通过室内模拟试验探讨连续淹水和干湿交替对不同类型土壤钾淋洗损失及不同土层深度速效钾和缓效钾的变化，因此与自然条件下土壤中钾的变化会存在一定差异。此外，本试验是在无种植植物条件下进行研究，忽略植被对钾淋洗损失及形态转化的影响。但通过在相同条件下对不同类型土壤中钾行为变化，可为进一步研究提供一定参考。

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Sun Lei, Xu Shanshan, Han Liping, et al. Effect of water management on potassium in paddy soil in cold region[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(3): 15-20. (in Chinese with English abstract)

Effect of water management on potassium in paddy soil in cold region/

SUN Lei1,2, XU Shanshan2, 3, HAN Liping2, BI Shiting2, LUO Shengguo2(1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, 210008, China; 2. School of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 3. Agriculture Bureau of Sunwu Country, Heihe Heilongjiang 164299, China)

Abstract:The simulated experiment was conducted to study the effects of alternation of drying and wetting as well as continuous flooding on potassium(K) leaching and K content of different forms in four popular paddy soils in Heilongjiang Province. The results showed that the amount of K leaching increased under the two water management pattern. Compare to the alternation of drying and wetting, the continuous flooding would aggravate the K leaching and the amount of K leaching followed the sequence, albic soil> black soil>dark brown soil, and the amount of K leaching affected by continuous flooding also in the same sequence. But for meadow soil, the treatment with the alternation of drying and wetting had a higher K leaching than continuous flooding. The alternation of drying and wetting was benefit for the accumulation of applied K in topsoil and the release of slow release K of albic soil, black soil, and meadow soil but not dark brown soil. So, in order to increase the availability of K in paddy soil and reduce K leaching from soil, the alternation of drying and wetting was suitable for albic soil and black soil, but meadow soil and

dark brown soil can have a little longer flooding time.

Key words:paddy soil; cold region; alternation of drying and wetting; water management; potassium

作者简介：孙磊（1974-），女，副教授，博士，研究方向为养分有效性，E-mail:sunleilee@163.com

基金项目：土壤与农业可持续发展国家重点实验室基金项目（0812000034）；东北农业大学科学研究基金（2008年）

收稿日期：2014-05-09

文章编号：1005-9369（2015）03-0015-06

文献标志码：A

中图分类号：S511