长期施用钾肥对水旱轮作土壤供钾特性的影响

黄帅，陈佛文，李继福

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)

邹家龙

(湖北省荆州市荆州区农业技术推广中心，湖北 荆州 434025)

胡义涛，刘莉

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)

李强

(湖北省荆州市荆州区农业技术推广中心，湖北 荆州 434025)

水旱轮作是我国重要的作物种植制度，主要应用于长江流域和淮海流域稻作区，对全国粮食生产尤其南方稻区的粮食安全具有重大影响[1]。集约化、高产条件下，水旱轮作区因作物收获带走的钾量(K2O)每年约210～360kg/hm2，长期重氮肥、轻磷钾肥的施肥习惯，导致农田系统钾素亏缺较为严重[2～4]。自2005年测土配方施肥技术的应用与推广，农田钾素亏缺现象得到部分遏制，但科学施肥仍是该区域作物生产的重要措施。

作物吸收的钾主要来自于土壤钾库，而土壤钾素的有效利用受到诸多物理化学过程的调控，其中土壤对钾素的固定作用是最重要的过程之一，土壤固钾作用会导致钾素的有效性降低[5]。关于钾肥在土壤中的固定和释放过程，目前已有的大量研究结果表明，即土壤固钾量与土壤矿物特性及理化性质(粘粒含量、CEC、非交换性钾和速效钾含量)有关[6～9]。例如，在某些土壤上，施用少量钾肥没有增产效果，就可能与土壤的固钾能力较强有关，也可能受到土壤本身非交换性钾释放的影响[10,11]。因此，在实际生产过程中，推荐钾肥施用量不仅要考虑产量水平，还要考虑到不同类型土壤钾素的固定和释放[12,13]。短期肥效试验结果表明速效钾含量和K+饱和度降低是导致土壤固钾能力增强的主要因素，而缓效钾含量与固钾率相关性不显著[14]。为此，笔者于2011年在江汉平原开展水稻-冬油菜钾肥肥效定位试验，研究长期钾肥施用量对土壤固钾和释放的影响，以为水旱轮作区钾肥合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用水稻和油菜品种均为当地主推品种，分别为鄂科1号和华油杂15号。

1.2 试验方法

试验区位于湖北省荆州市荆州区川店镇(N 30.6°，E 112.1°，海拔75m)，为河流冲积物发育的水稻土。2011年水稻季开始进行水旱轮作钾肥适宜用量试验，采用一年两熟的中稻-冬油菜轮作制。试验前耕层(0～20cm)土壤pH 5.62，含有机质27.3g/kg、全氮0.75g/kg、有效磷8.4mg/kg、交换性钾100.9mg/kg和非交换性钾474.2mg/kg。土壤质地分级(美国制)为粉粒55.4%、黏粒37.8%和砂粒6.8%，属粉质黏壤土[15]。

试验共设4个钾肥用量水平，即0kg/hm2(K0)、45kg/hm2(K1)、90kg/hm2(K2)和180kg/hm2(K3)，其中K2为当地测土配方推荐钾肥施用量，水稻和油菜每季钾肥用量均相同[15,16]。小区面积20m2，3次重复，随机区组排列。水稻和油菜的氮肥和磷肥施用量保持一致，分别为180kg/hm2和90kg/hm2；油菜季增施硼砂15kg/hm2。肥料品种有尿素(46% N)、过磷酸钙(12% P2O5)、氯化钾(60% K2O)和硼砂(11% B)。水稻季氮肥分3次施用，基肥∶蘖肥∶穗肥=2∶1∶1；磷肥和钾肥在水稻移栽前基施。冬油菜季氮肥分3次施用，基肥∶越冬肥∶蕾薹肥=3∶1∶1；磷、钾和硼肥在油菜移栽前基施。田间生产管理均按当地农业技术推广部门的推荐措施进行，并适时防治病虫害。

1)土壤固钾试验 取各处理耕层过0.85mm筛网土样5g于50mL塑料瓶中，加5mL用KCl配制成含钾量分别为0、80、160、400、800、1600、2400、3200、4000mg/L和4800mg/L的处理液，摇动混匀，室内25℃恒温静置。风干后，加50mL的1.0mol/L NH4OAc溶液，震荡机上震荡l0min，过滤，稀释，用火焰光度法测定滤液钾含量[5,14]。

固钾量=外源钾加入量-(加外源钾NH4OAc浸提钾量-未加外源钾NH4OAc浸提钾量)

固钾率=(固钾量/外源钾加入量)×100%

2)土壤释钾试验 1.0mol/L NH4OAC提取钾，取过0.85mm筛网土样2.5g于50mL离心管中，加25.0mL的1.0mol/L NH4OAC溶液，振荡15min，然后3200r/min离心15min，倒出上清液，测定钾含量。再向离心管中加入25.0mL的1.0mol/L NH4OAC溶液，继续震荡、提取，反复15次，直至提取的钾含量稳定。将连续浸提的土壤钾相加得到土壤钾累积释放量。1.0mol/L HNO3浸提钾，方法与1.0mol/L NH4OAC浸提钾相同，浸提液为1.0mol/L HNO3溶液。

1.3 样品采集与测定

2017年5月3日冬油菜收获时，按照S型采集各处理耕层土样，混匀。将土样用手掰成<10mm的土块，自然风干并剔除其中石块、根系和杂质，过0.85mm孔径筛网、保存。土壤阳离子交换量(CEC)用乙酸铵交换法测定；速效钾含量用1mol/L醋酸铵浸提—火焰光度法测定；缓效钾含量用lmol/L热硝酸浸提—火焰光度法测定[17]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016、SPSS软件计算和处理，LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同外源钾浓度对各处理固钾量和固钾率的影响

各处理下的外源钾固定量测定结果(图1a)显示，当外源钾加入浓度为80mg/L时，K0、K1、K2和K3处理的固钾量分别为55、52、50mg/kg和47mg/kg，随着外源钾加入量达到2400mg/L，各处理的固钾量均呈线性增加趋势，增幅分别达到835%、835%、835%和781%。之后各处理固钾量增幅则呈逐渐降低的趋势，当外源钾加入浓度达到最大值4800mg/L时，各处理的固钾量依次分别为1321、1255、1189mg/kg和1057mg/kg。各处理的土壤固钾率结果(图1b)显示，在外源钾加入浓度为400mg/L时均达到最高值，依次分别为84%、79%、75%和67%；之后随着外源钾加入浓度的增加(400～4800mg/L)，固钾率呈显著降低的趋势，且在同等外源钾加入量下，各处理固钾率表现为K0>K1>K2>K3。

图1 不同外源钾浓度下土壤固钾量和固钾率变化

2.2 土壤固钾量与施钾量的关系

土壤固钾能力与钾肥用量的拟合结果如图2。结果显示，固钾量与施钾量、固钾率与施钾率均呈显著线性相关，表明土壤钾素长期亏缺会提高土壤对外源钾肥的固定，而适当增加钾肥用量可以有效降低土壤对外源钾的固定能力，从而降低土壤固钾率。

注：平均固钾量为不同外源钾加入量下固钾量的平均值；平均固钾率为不同外源钾加入量下固钾率的平均值。图2 平均固钾量、平均固钾率与钾肥用量的相关性

2.3 土壤固钾率与土壤速效钾、缓效钾和K+饱和度的相关性

土壤固钾率与土壤速效钾、缓效钾和K+饱和度的相关性分析结果(图3)表明，在外源钾加入浓度为80～4800mg/L的范围内，各处理的平均土壤固钾率与速效钾含量、缓效钾含量和K+饱和度的方程拟合R2依次为0.994、0.972和0.997，均达到负相关极显著水平。说明土壤有效钾含量和K+饱和度均明显影响土壤的固钾能力。

注：平均固钾率：不同外源钾加入量下固钾率的平均值。图3 土壤速效钾、缓效钾和K+饱和度与平均固钾率的相关性

图4 不同浸提剂条件下土壤累积释钾量

2.4 NH4OAC溶液浸提次数对土壤钾素累积释放量的影响

土壤对当季作物的供钾量可以通过1.0mol/L NH4OAc连续浸提的土壤钾素累积释放量来反映。由图4a可知，不同施钾量处理土壤经1.0mol/L NH4OAc溶液连续浸提后的钾素累积释放量均随着浸提次数的增加而升高的趋势，但钾素累积释放量的增幅却随着浸提次数的增加而逐渐减少。连续浸提11次时，K0、K1、K2和K3处理的钾素累积释放量分别达到121.4、135.2、169.7mg/kg和267.2mg/kg，之后维持在一个稳定状态。稳定态的钾素累积释放量结果表明，增加钾肥施用量可显著提高土壤的当季供钾能力，即表现为K3>K2>K1>K0。

2.5 HNO3溶液浸提次数对土壤钾素累积释放量的影响

釆用1.0mol/L硝酸溶液连续浸提各处理土壤的钾素累积释放量如图4b所示。可以看出，随着浸提次数的增加，各处理的释钾总量也呈增加趋势，而土壤单次释钾量则逐渐减少。浸提13次后，各处理的钾素累积释放量依次分别为313.2、320.8、360.6mg/kg和409.7mg/kg，之后浸提次数增加，钾素累积释放量基本不变。这一方面表明各处理最初的释放率较快，随着浸提次数的增加，释放率逐渐降低，另一方面也反映出钾肥用量不足(K1处理)与不施钾处理均会使土壤的供钾能力降低。

3 讨论与结论

虽然在农田实际环境中土壤钾素的固定与释放过程均非常缓慢，但通过室内模拟研究仍能反映土壤供钾效应的规律。本研究结果表明，在长期水旱轮作条件下，不施钾肥(K0处理)和低量钾肥(K1处理)施用均会引起耕层土壤速效钾含量、缓效钾含量和K+饱和度降低，从而导致钾固定能力增强。如K0处理和K1处理的平均固钾率分别为55.2%和52.4%，差异不显著，说明通过常规方法施入农田的外源钾肥首先会满足土壤的固钾需求，当钾肥满足土壤的固定作用之后再供给作物吸收利用，这往往会造成钾肥资源不能充分发挥作用，从而降低肥料利用率[9,14]。

已有研究表明，土壤对外源钾的固定与释放受到土壤自身性质如粘土矿物类型、土壤钾素含量、土壤水分和人为因素如种植制度、耕作模式、施肥方式等的综合影响[7～10,18,19]。本研究结果表明钾肥施用对土壤速效钾含量的影响最大，而速效钾含量的变化直接引起缓效钾发生转化并相应地改变土壤的K+饱和度，使得土壤钾素固定与释放的平衡临界值发生变化。长期施用推荐钾肥用量90kg/hm2，可以减缓土壤对钾素的固定，增加土壤的供钾能力。当钾肥用量达到180kg/hm2时，虽然能显著降低土壤固钾率，增加土壤的供钾能力，但会增加农民投入成本，并且不会带来显著的增产增收效果，缺乏可持续性[20]。

土壤钾的固定与释放对农业科学施肥尤为重要。随着农村劳动力成本的提高，规模种植和机械化生产是现代农业发展的必经之路。秸秆还田作为一种节本增效、培肥地力的重要措施也日益受到农民的普遍认可[20]。在南方水旱轮作区，作物秸秆还田每年带入的钾素总量约为300～380kg/hm2，远多于化学钾肥施用量[4,15]。因此，在区域性生产中，考虑秸秆还田带入的秸秆钾素，不仅能够维持农田钾素平衡、减少化肥钾固定，还可以适当减少化学钾肥施用量，从而提高钾肥的利用率，增加农田系统的经济效益[5,15,20]。

长期水旱轮作条件下，钾肥施用量直接影响到土壤的供钾能力，且不施用钾肥、低量钾肥投入均会增加土壤固钾量和固钾率，而增加钾肥用量则可显著降低土壤对外源钾的固定能力。从本研究结果可知，土壤速效钾含量、缓效钾含量和K+饱和度三者均会影响土壤的固钾特性，而合理的钾肥用量可以改变三者之间的动态平衡，提高土壤的持续供钾水平。