冀东滨海平原稻区土壤钾库状况与变化

2019-12-26张月博刘建玲廖文华杨绍国赵英杰

中国土壤与肥料 2019年6期

张月博，刘建玲*，杨扬，廖文华，杨绍国，赵英杰

（1．河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定 071001；2．唐山市曹妃甸区农林畜牧水产局，河北唐山 063200）

水稻是冀东滨海平原的主栽作物［1］，水稻种植已有70 余年［2］，已有资料表明，每生产1000kg的稻谷，地上部需吸收钾19.0～27.4kg［3］，每年水稻种植中带走土壤大量的钾，但冀东滨海平原稻区施用钾肥水稻增产效果并不显著［4］。大量资料表明，土壤全钾、缓效钾、速效钾状况是影响钾肥产量效应的重要因素［5］，而土壤母质是影响土壤钾库状况的主要因素［6-7］。目前关于土壤母质对土壤钾的影响研究多集中在土壤粘土矿物类型对钾的固定与释放及其特点［8］。已有的关于稻区土壤钾库状况及钾肥产量效应的研究多集中在南方双季稻施用钾肥的产量效应及其对土壤钾的影响［9-10］；而关于土壤钾库及影响因素的研究多为旱田土壤上施用钾肥对土壤钾形态、供钾能力等的影响［11-12］及秸秆还田对土壤钾库的影响［13］。

综上已有资料，关于从20 世纪80 年代初第二次土壤普查至今，冀东滨海平原稻区土壤钾库现状与变化、成土母质等因素对土壤钾库的影响等研究尚少。而这些研究对于揭示滨海平原区土壤母质及地貌对土壤钾的影响机理、科学利用土壤钾养分资源具有重要意义。针对上述问题，本文以冀东滨海平原曹妃甸区为代表区域，系统研究冀东滨海平原稻区土壤钾库的状况与演变，母质等因素对土壤钾库的影响，旨在为水稻持续高产下科学管理土壤钾养分资源提供理论依据，为科学施用钾肥提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

冀东滨海平原代表县曹妃甸区（北纬39°07′43″～39°27′23″，东经118°12′12″～118°43′16″）。属于暖温带半湿润大陆性季风气候类型，无霜期188d，年均降水量622mm。冀东滨海平原包括滦河水系形成的冲积平原末端和滨海（渤海）平原，土壤母质包括海相沉积物、泻湖沉积物、河流冲积物［4］，其中海相沉积物占78.64%、泻湖沉积物占13.43%、河流冲积物占7.93%［2］。

1.2 数据来源

第二次土壤普查部分数据材料［2］，2008～2011 年测土配方施肥项目中的土壤养分测定结果［4］；2015～2017 年与二次土壤普查样点重合土壤养分定位监测，点对点比较土壤各形态钾的变化，共计400 个样点。

种稻年限基于二次土壤普查数据（土壤样点图及水稻种植状况的记载等），结合测土配方施肥项目的取样点来确定文中土壤样点［2，4］，土壤钾的收支平衡数据基于测土配方施肥项目中的“3414”试验钾肥在水稻上的产量效应的数据［4］。

1.3 测定项目

土壤全钾、缓效钾、速效钾、全盐、有机质、有效磷等，采用常规土壤分析方法［14］。

1.4 数据分析

用Excel2007 和SPSS19.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 冀东滨海平原稻区土壤钾素现状

冀东滨海平原土壤钾库现状及变化如表1 所示。土壤全钾、缓效钾、速效钾的平均含量分别为23.04g/kg、1615.94mg/kg、247.37mg/kg。缓效钾/全钾为7.0%；速效钾/全钾为1.1%；速效钾/缓效钾为15.3%。

与20 世纪80 年代初二次土壤普查时相比，土壤全钾、速效钾含量无显著变化。

表1 冀东滨海平原稻区土壤钾库现状及变化

2.2 不同母质对土壤钾库的影响

不同母质对土壤钾库的影响如表2 所示。土壤各形态钾的含量海相沉积物和泻湖沉积物显著高于河流冲积物，海相沉积物、泻湖沉积物二者之间差异不显著。

表2 不同土壤母质对土壤钾库的影响

海相沉积物和泻湖沉积物发育的土壤中供钾潜力显著高于河流冲积物发育的土壤。即海相沉积物和泻湖沉积物土壤钾库中速效钾、缓效钾占全钾的比值相对高，两种母质之间差异不显著。

2.3 种稻年限对土壤钾库的影响

不同种稻年限土壤钾库的状况如表3 所示。随着种稻年限的增加，土壤全钾和速效钾无显著变化，缓效钾显著下降。随种稻年限增加，各年限土壤全钾、速效钾平均（加权）分别维持在23.96g/kg、257.41mg/kg 左右。与种稻40 年相比，缓效钾呈明显下降趋势，年均减少20.19mg/kg。

随着种稻年限增加，缓效钾/全钾呈明显下降趋势，速效钾/全钾无显著变化，速效钾/缓效钾呈显著升高趋势。其中，与种稻40 年相比，种稻50 年缓效钾/全钾无显著变化，60、70 年缓效钾/全钾分别下降了1.5、2.2 个百分点；种稻50、60、70 年速效钾/缓效钾分别增加了1.0、2.2、3.4个百分点。种稻40～70 年间速效钾/全钾无显著变化。

2.4 土壤盐分与土壤速效钾的关系

土壤盐分与土壤速效钾的关系如图1 所示。随着土壤盐分的增加，土壤速效钾逐渐增加，土壤速效钾与土壤盐分呈显著正相关关系，其相关方程为：

其中，x 为水溶性盐（%），y 为速效钾（mg/kg）。

表3 不同种稻年限土壤钾库的状况

图1 土壤水溶性盐与土壤速效钾的关系

2.5 土壤有机质与土壤速效钾的关系

土壤有机质与土壤速效钾的关系如图2 所示。随着土壤有机质的增加，土壤速效钾含量呈逐渐增加的趋势。土壤速效钾与有机质呈显著正相关关系，其相关方程为：

其中，x 为有机质（g/kg），y 为速效钾（mg/kg）。

图2 土壤有机质与土壤速效钾的关系

2.6 土壤有效磷与土壤速效钾的关系

土壤有效磷与土壤速效钾的关系如图3 所示。土壤速效钾与有效磷无显著相关关系。

图3 土壤有效磷与土壤速效钾的关系

2.7 土壤钾的收支平衡状况

基于钾肥在水稻上的产量效应结果［4］计算土壤钾的收支平衡状况，结果如表4 所示。K 用量分别为0.0（K0）、31.12（K1）、62.24（K2）、93.36（K3）（K2O 用量0、37.5、75.0、112.5）kg/hm2时，土壤钾的收支表观平衡均亏，分别为-100%、-85.6%、-72.0%、-56.7%。K0处理相对于K2处理水稻产量96.7%，即土壤供钾量167.79kg/hm2，考虑土壤供钾量后，各钾肥处理土壤钾实际盈余量分别为0、30.03、56.37、92.78kg/hm2。可见，理论上计算K用量31.12kg/hm2即可满足目前水稻产量水平下其生长需求，土壤钾处于积累状态。

基于表4 水稻产量、秸秆及稻谷和秸秆全钾量计算，每形成1000kg稻谷，需要钾23.10kg，其中，水稻吸收钾在籽粒和秸秆的分配比例为：籽粒占12.2%，秸秆占87.8%。水稻种植中根茬（根系+地上部15cm 残茬）还田量相当于秸秆量的25%。这样计算，K 用量分别为K0、K1、K2、K3水平时土壤钾收支表观平衡分别为-100%、-81.6%、-64.2%、-44.6%。

表4 土壤钾平衡状况

3 讨论

3.1 成土母质对土壤钾库的影响

成土母质是影响植物矿质养分含量尤其是土壤养分容量、缓效养分含量的主要因素。土壤速效养分供应强度主要受其缓效养分含量的影响，而其土壤全量养分含量对速效养分的影响主要取决于成土母岩的矿物类型（山地或丘陵区域的洪冲积物）、粘土矿类型（平原区域的冲积物、湖积物、海积物等）等因素［15-17］。土壤钾库受土壤母质影响的原因是由于母质反映了土壤含钾矿物的构成，从而影响土壤钾供应的容量和强度，同时母质是影响土壤物理性质，尤其是团粒结构的主要因素。

本研究结果表明：成土母质是影响冀东滨海平原稻区土壤钾库及供钾能力的主要因素，土壤全钾、缓效钾、速效钾含量均表现为海相沉积物和泻湖沉积物显著高于河流冲积物。这与已有相关研究结果：土壤供钾强度、容量及其缓冲能力为海相沉积物＞河流冲积物、黄土性物质［18］，土壤速效钾空间变异特征受成土母质的影响［19］等结论一致。本研究区域河流冲积物母质源于滦河冲积物，河流冲积物质地轻，以硅酸盐为主；海相沉积物源于渤海，其中低洼区域发育泻湖微地形，形成泻湖沉积物，两种母质均呈淤泥状细颗粒物理性状，土壤粘重，且粘粒矿物组成以2∶1 型的伊利石为主［20］。这是影响该区域不同成土母质发育的土壤钾库显著不同的主要因素。

3.2 种稻年限对土壤钾库的影响

耕种施肥年限是影响土壤养分的重要因素。本研究结果表明，种稻40～70 年内，随着种稻年限的增加，土壤全钾、速效钾无显著变化，缓效钾显著下降。结合水稻“3414”试验中钾肥用量和对应产量结果得到的土壤钾收支平衡数据：K2O 用量为0.0、75.0（K2水平）kg/hm2时，相当于每年分别从土壤中带走钾167.79、111.42kg/hm2，结合土壤容重1.37g/cm3［2］，理论上计算相当于每年耕层土壤钾分别减少61.24、40.66mg/kg。可见，导致该区域土壤缓效钾下降而速效钾无变化的主要原因是作物消耗的钾高于土壤输入钾，而土壤缓效钾补给了速效钾，这样土壤速效钾未显著变化而缓效钾明显降低。此结果与鲍士旦等［21］的研究结果一致。而全钾的含量未显著变化原因可能是：一是土壤全钾含量高，土壤钾库容量大，这样土壤全钾数值上无显著变化；二是该区域地下水矿化度高，其K+含量为1.9～5.5mg/L［22］，地下水位很浅，水稻灌溉期间地下水与稻田地上灌溉水连通，地下水的钾理论上会补给土壤钾，这也可能是速效钾未显著变化的原因之一。关于地下水钾与土壤各形态钾库量化关系及影响因素等有待于进一步深入研究。

3.3 土壤盐分、有机质、有效磷与速效钾相关性

冀东滨海平原土壤母质以渤海冲积物为主，土壤盐分含量为海相沉积物、湖相沉积物＞冲积物，其盐基离子K+、Na+、Mg2+有相同趋势，海相沉积物、湖相沉积物区域地下水位低，地下水的矿化度高，在一定程度上可能对土壤钾有补给作用［2，4］。因此随着土壤盐分的增加，土壤速效钾的含量逐渐增加。

周晓芬等［23］在研究河北省褐、潮土区土壤钾素形态及供钾能力时发现土壤速效钾与有机质间呈极显著正相关。本研究表明有机质与速效钾存在显著正相关关系。这是由于：该区域每年还田稻茬约15cm，相当于25%秸秆还田。水稻秸秆还田过程中养分释放量为碳（有机碳）＞钾＞氮＞磷，秸秆中氮、磷含量很低且释放量相对较少［24］，表现为土壤速效钾的补充和有机质的积累。因此土壤速效钾与有机质间出现了正相关关系，但有机质不是影响土壤钾库的主要因素。从数据分析看，由于是大样本量分析，统计上二者显著相关，但相关系数小。

该区域土壤磷库以无机磷为主，而Ca-P 占无机磷的比重显著低于石灰性土壤，Al-P、Fe-P、O-P 占无机磷比重尤其是Al-P、Fe-P 占无机磷的比重显著高于北方石灰性土壤［25］。长期土壤磷输入大于输出是导致有效磷增加的主要原因［26］，耕种施肥是影响该区域土壤有效磷增加的主要原因，表现出河流冲积物发育的土壤有效磷高于海相沉积物、泻湖沉积物发育的土壤有效磷［4，27］，而土壤母质是影响该区域土壤速效钾含量的主要因素，数据上统计，有效磷与速效钾含量间无相关关系。