20年持续施钾对烤烟/油菜轮作土壤钾素Q/I关系的影响*

代 快 李江舟 张立猛 计思贵 龙怀玉 徐照丽 段玉琪 杨宇虹† 卢秀萍 焦永鸽 卜令铎

(1 云南省烟草公司玉溪市公司/烟草行业病虫害生物防治工程研究中心，云南玉溪 653100)

(2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

(3 云南省烟草农业科学研究院，昆明 650031)

钾素是植物必需的大量营养元素，有些情况下 其需求量甚至超过了氮素。植物所需要的钾素在自然条件和绝大多数农业生产条件下必须通过根系从土壤中吸收，准确地评价土壤供钾能力对于农业生产非常重要。自从Beckett[1]1964年提出土壤活性钾容量和强度关系曲线（Q/I 曲线）以来，国内外众多研究者利用Q/I 曲线及土壤钾素平衡活度比（ARe）、土壤活性钾（K）、非专性吸附活性钾（-ΔK0）、专性吸附活性钾（K）、土壤钾位缓冲容量（PBC）等参数评价土壤供钾能力。Hosseinpur 和Tadayon[2]的研究表明，在伊朗干旱半干旱区的钙质土壤上，ARe、-ΔK、-ΔG 与大豆的相对产量、钾吸收量呈显著正相关，较1 mol·L-1NH4OAc-K 更加有效地指示了土壤供钾能力。Panda 和Patra[3]比较了Q/I 曲线参数与土壤pH、阳离子交换量（CEC）、质地、有机质含量、交换性钾含量等理化性质的相关性，认为ARe、KL、PBC 等可作为印度东部滨海盐土钾素植物有效性的指标。张春等[4]的定位试验表明，ARe、-ΔK0、PBC、-ΔG 结合土壤速效钾和缓效钾以及全钾，可很好地评价土壤供钾能力。Q/I 曲线参数随着环境变化而变化，其中长期施肥下的Q/I 曲线备受关注，Islama 等[5]在双季稻水稻土进行8 a 连续定位施肥试验后，发现ARe、KL、-ΔK0降低了，而KX未变化。张春等[4]在中性紫色水稻土进行了22 a 不同耕作方式的定位试验，发现各处理的ARe、-ΔK0下降了，PBC、-ΔG 增加了。Sparks 和Liebhardt[6]研究了长期施用钾肥及石灰对砂壤Q/I 关系的影响，ARe、-ΔK0、K 随着施钾量增加而升高，PBC 随着石灰用量提高而提高，主要原因是CEC 随石灰用量增加而增加。在Ap 土层，以黏土矿物表层吸附非专性吸附钾为主，在Bt 土层以专性吸附钾为主。范钦桢和谢建昌[7]通过18 个长期定位试验研究了施钾肥对土壤钾素Q/I 关系的影响，结果表明，长期不施钾土壤的ARe、-ΔK0、K 降低，PBC 提高，土壤对钾的吸附能力增强，PBC 与土壤黏土矿物组成、CEC 等有关。张会民等[8]研究认为，在小麦/玉米种植制度下长期施钾土、潮土和红壤的ARe、KL、-ΔK0、KX提高。郑圣先等[9]、刘春生等[10]分别对湖南省水稻土、山东省主要土壤类型钾素Q/I 关系进行了研究，认为施肥影响各种类型土壤钾素ARe值。长期定位施钾也影响了含钾矿物的演变，林少雯等[11]在石灰性潮土39 a 的长期定位施肥试验上发现，长期施用有机肥水云母含量增加，绿泥石、高岭石呈现减少趋势，长期单施氮肥可提高蒙脱石相对含量。廖育林等[12]发现稻田31 a 连续施用钾肥和稻草促进晶格不良伊利石转变为晶格良好伊利石，促进蛭石向伊利石转化，增加了伊利石含量。Moterle 等[13]在15 a 长期定位试验和温室连续盆栽11 茬作物的巴西南部土壤上发现，不施钾肥土壤未检测到伊利石，非交换性钾（缓效钾）和有效钾减少了，作物吸钾量和产量也下降了，而施钾土壤的蛭石含量减少、伊利石含量增加。

目前，国内外关于长期定位施肥对土壤钾素Q/I关系影响已有较多报道[1-13]，然而，在云南这种低纬度高海拔高原季风性气候、山原红壤、嗜钾的烤烟与富钾的油菜轮作条件下，长期不同用量钾肥对土壤钾素Q/I 关系的影响尚未见报道。研究烤烟/油菜轮作下长期施钾是否影响了基于Q/I 曲线参数的土壤钾素供应能力，探讨其变化机制，可为农田合理施用钾肥和研究农业土壤发生发育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

云南省烟草农业科学研究院布置的烤烟/油菜一年两熟轮作下的肥料定位试验始于1998年，地点位于玉溪研和试验基地（24°14′N，102°30′E），海拔1 680 m，年均温15.9℃，年均降水量918 mm，雨季（4—9月）降水量占全年的79.5%，年日照时数2 072 h，雨季（4—9月）日照时数占全年的41%。供试土壤为云南省典型的砂质山原红壤，质地为砂质黏壤土，颗粒组成为 2.0～0.2 mm 粒径含量270 g·kg-1、0.2～0.02 mm 粒径含量420 g·kg-1、0.02～0.002 mm 粒径含量80 g·kg-1、小于0.002 mm 粒径含量230 g·kg-1。黏土矿物组成主要为高岭石、伊利石、伊利石蒙脱石混层矿物及蛭石。供试土壤基础理化性状：pH 6.4，有机质10.70 g·kg-1、全氮0.54 g·kg-1、全磷1.01 g·kg-1、全钾6.43 g·kg-1、有效氮82.0 mg·kg-1、有效磷 9.0 mg·kg-1、速效钾160.0 mg·kg-1。

试验地实行烤烟/油菜一年两熟轮作种植制度，烤烟生育期为4月至9月，油菜生育期为10月至下一年4月。烤烟季设置0 kg·hm-2（K0）、187.5 kg·hm-2（K188）、375 kg·hm-2（K375）3 个不同氧化钾用量处理，各处理的氮（N）和磷（P2O5）施用量均为75 kg·hm-2，30%的氮钾肥和全部磷肥作基肥穴施，其余肥料作追肥于移栽后20～25 d 穴施。油菜季各处理均基施复合肥（N∶P∶K=12∶6∶24）150 kg·hm-2，即每个处理均施用氧化钾36 kg·hm-2。每个处理设3 次重复，随机区组排列。烤烟、油菜的田间管理均采用玉溪当地最佳方式。本文中的土壤样品于第20 茬烤烟采收结束后第二天（2017年8月23日）采集。

1.2 测定指标与方法

烟叶产量及含钾量测定：各小区烟叶成熟采烤，采烤结束后按照国家标准（GB2635-1992 烤烟）[14]进行分级计产，计算烟叶产量和地上部生物量。分别取烟叶等级中桔三（C3F）及茎秆进行含钾量测定。油菜收获期分小区采集整株样品，计算地上部和地下部生物量，分别留样测定含钾量，其中，地上部含钾量为混合样品含钾量。采用火焰光度法测定植株含钾量[15]。

土壤理化性质测定：烤烟移栽前及收获后采集0～20 cm 土壤样品。采用常规方法测定土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、缓效钾、pH、黏粒含量、交换性钙、交换性镁[15]。土壤矿物组成参照SY/T 5163-2010 沉积岩中黏土矿物X 射线衍射（XRD）分析方法[16]测定。

土壤钾素表观平衡（Kab）：土壤钾素表观平衡等于钾素输入（投入的肥料钾素+轮作初始土体钾）减去钾素输出（作物吸收的钾素+轮作结束土体钾），不考虑干湿沉降、灌溉、淋溶等途径收入或者损失的钾素。

1.3 土壤钾素Q/I 曲线制作

采用震荡法对烤烟采收结束后土样进行钾素Q/I 曲线测定[17]，具体方法如下：称取过1 mm 筛土样9 份，样品量从0.1 g 至3.0 g（0.1、0.15、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g），将土样置于50 mL聚丙烯离心管中，分别加入含2 mmol·L-1CaCl2的不同浓度KCl（0～2 mmol·L-1：0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 mmol·L-1）溶液25 mL，离心管加塞在25℃下恒温振荡（150 r·min-1）4 h，静置24 h，然后在离心机上离心（1 500 r·min-1）5 min并过滤，用原子吸收分光光度计（PinAAcle 900H，PerkinElmer/珀金埃尔默，美国）测定平衡溶液中K、Ca 和Mg 的含量。每处理3 个重复，每个重复做2组平行。

根据Deby-Huckel 理论[6,18]计算平衡溶液中电解质K+和Ca2+离子的活度系数（r）及钾离子的活度比（AR），并获得土壤钾素Q/I 曲线。平衡溶液中钾离子的活度比（AR），如下式：

式中，CK、CCa和CMg分别为平衡溶液K+、Ca2+和Mg2+的浓度；rK+和rCa2+分别为K+和Ca2+在平衡溶液中的活度系数。

平衡前后溶液中钾的浓度差（ΔK）由初始溶液和平衡溶液中钾离子的浓度差计算。然后以AR 为横坐标，以对应的ΔK 为纵坐标作图，就得到一条Q/I 曲线。典型的Q/I 曲线应该包含一个直线和一个曲线部分；直线部分在横轴上的截距是土壤供钾的强度指标，用ARe表示；直线部分的延长线在纵轴上的截距-ΔK0是土壤供钾的容量指标，称-ΔK0为非专性吸附钾；直线的斜率表示土壤对钾的缓冲能力，称为钾位缓冲容量，用PBC 表示。直线部分和曲线部分在纵轴上的截距之差表示在土壤矿物特殊吸附位上吸附的钾，称为土壤专性吸附钾，用Kx表示。土壤活性钾（KL）由非专性吸附钾（-ΔK0）和专性吸附钾（Kx）两部分组成，由插值法估算而来[19]。

K 和Ca+Mg 交换自由能（-ΔG）计算公式如下[20]：

-ΔG 指在标准状态下（25℃）等当量的K 交换等当量的Ca+Mg 所需要的能量，是衡量K 和Ca+Mg化学势之差的一个指标，-ΔG 值越大，土壤对K 的选择性吸附越强，作物对钾的吸收困难，从而易出现缺钾，反之亦然。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2010 软件进行数据统计，使用SAS V9.4 软件进行单因素方差分析，用邓肯（Duncan）新复极差法分析处理间平均数在P＜0.05和P＜0.01 水平的差异显著性，使用SigmaPlot 10.0作图。

2 结果与讨论

2.1 长期施用不同量钾肥的土壤钾素Q/I 关系曲线

如图1所示，长期不同钾肥用量处理的土壤钾素Q/I 关系曲线由两部分构成，右侧表现为直线，左侧近似地为直线，属于典型的土壤钾素Q/I 曲线形状，右侧直线部分主要代表土壤中带负电荷的、表面吸附力较弱的、非专性吸附点位吸附的钾，非专性吸附点位主要分布在黏土矿物的表平面，左侧直线部分代表吸附力较强的专性吸附点位吸附的钾，专性吸附点位主要分布在黏土矿物晶层的边缘和楔形位置[6,21-22]。从图1中可以清楚地看出，长期连续施用不同量钾肥对土壤钾素Q/I 曲线的形状产生了明显影响，施用量最高的K375 处理的曲线处于最下方、最右边，不施用钾肥的K0 处理的曲线处于最上方、最左边，施用量中等的K188 处理的曲线处于K0、K375 曲线的中间。右侧直线部分的斜率表现为K0 大于K188 和K375，而K188 和K375 几乎相同；左侧直线部分的斜率表现为：K0＞K188＞K375。Q/I 曲线左右两部分的转折点则表现为：K0＜K188＜K375。

图1 长期施用钾肥下土壤钾素Q/I 曲线 Fig.1 Effect of long-term potassium application on quantity/intensity（Q/I）curve of soil potassium

2.2 长期施用不同量钾肥的土壤钾素强度性能

在Beckett 方法中，平衡溶液中钾离子的活度比（AR）是活性钾强度的重要体现。AR 随着溶液中原始钾浓度的减小而减少，当平衡液原始钾浓度为0时，取得了最小钾离子活度比（ARm）。从表1中可以看出，持续20 a 不同钾肥用量处理后，土壤ARm产生了显著的分异，不施钾K0 处理的ARm仅有 1.00×10-3（mol·L-1）0.5，极显著地小于施钾187.5 kg·hm-2处理的1.37×10-3（mol·L-1）0.5，后者又显著地小于375 kg·hm-2处理的1.52×10-3（mol·L-1）0.5。

表1中，ARe、-ΔK0、PBC、KL等是采用经典直线拟合法求算的长期连续施用不同量钾肥的土壤钾素Q/I 关系参数。从中可以看出，长期施用不同量钾肥显著地影响了土壤钾素Q/I 关系参数，土壤供钾能力的强度指标“土壤钾素平衡活度比（ARe）”随着钾肥用量的增加而显著增加，K375处理和K188 处理的ARe为8.91×10-3、5.22×10-3（mol·L-1）0.5，是K0 处理的23.4 倍和13.7 倍，施钾肥处理的钾素供应强度远远大于不施钾肥处理的钾素供应强度。就ARe数值而言，本文不同钾肥施用量处理20 a 后的ARe，均明显小于廖育林等[12]测定的长期施用钾肥或稻草的红壤水稻土的 ARe，处于Hosseinpur 和Tadayon 等[2]测试的14 种石灰性土的中间水平，与刘春生等[10]测定的山东省主要土壤的ARe、阮建云等[23]测定全国18 个地点茶园土壤的ARe、张春等[4]测定的中性紫色水稻土原始土及其长期垄作免耕22 a 后的ARe相比，本文施钾处理的ARe要较它们大许多倍，不施钾处理的ARe则要较它们小许多倍。以上说明烤烟/油菜轮作下的云南山原红壤经过20 a 持续不同施钾肥处理后，施钾肥处理土壤的钾素供应强度处于中上水平，而不施钾肥处理土壤处于低下水平。

Schouwenburg 和Schuffelen[22]对土壤钾素Q/I关系研究表明，当ARe大于10.0×10-3（mol·L-1）0.5时，土壤吸附的钾主要保持在黏土矿物晶体的表平面点位；当ARe介于1.0×10-3～10.0×10-3（mol·L-1）0.5之间时，土壤吸附的钾主要保持在黏土矿物晶体边缘的契形位点；当ARe小于1.0×10-3（mol·L-1）0.5时，土壤吸附的钾主要保持在黏土矿物晶体的层间点位。根据各处理的ARe可知，施钾土壤吸附的钾主要保持在黏土矿物晶体的边缘点位，不施钾土壤吸附的钾主要保持在黏土矿物晶体的层间点位。

表1 施肥20 a 后土壤钾素Q/I 曲线参数 Table1 Parameters of the Q/I curve of soil potassium after 20 yrs of consecutive potassium application

2.3 长期施用不同量钾肥的土壤钾素容量性能

在土壤钾素Q/I 关系中，土壤钾素容量性能指被土壤吸附或者从土壤上解吸附的土壤活性钾的数量大小，以-ΔK0来标识，当平衡溶液中原始钾浓度比较小时，-ΔK0体现的是土壤钾素解吸附，当平衡溶液中原始钾浓度为0 时，取得单次平衡中最大解吸量-ΔKm，这个指标在一定程度上体现了能被当季作物快速利用的活性钾容量。从表1中可以看出，持续20 a 不同钾肥用量处理后，土壤-ΔKm产生了显著的分异，不施钾 K0 处理的-ΔKm仅有1.26 cmol·kg-1，极显著地小于施钾187.5 kg·hm-2、375 kg·hm-2处理的1.69 cmol·kg-1、1.72 cmol·kg-1，后两者则无显著差异。

当Q/I 关系中AR 为0 时，取得土壤供钾能力的容量指标土壤活性钾（KL），它代表了土壤—钙镁钾溶液系统中潜在最大土壤钾解吸附量，由吸附在黏土矿物表平面上的非专性吸附钾（-ΔK0）和黏土矿物层间与契形部位的专性吸附钾（Kx）两部分组成。表1中数据表明，长期施用不同用量钾肥显著地影响了土壤供钾容量，KL、Kx随着钾肥用量的增加而显著减少，K0 处理的 KL、Kx分别为2.16 cmol·kg-1、2.14 cmol·kg-1，而K375 处理的仅有1.61 cmol·kg-1、1.06 cmol·kg-1，-ΔK0随着钾肥用量的增加而显著增加，K375 处理的-ΔK0为0.55 cmol·kg-1，K0 处理的仅有0.02 cmol·kg-1，前者将近是后者的28 倍。本文中施钾肥处理的-ΔK0略高于Wani[24]测定的10 个典型水稻土及Panda 和Patra[3]所测试12 个滨海盐土的-ΔK0，较Hosseinpur和Tadayon[2]测定的14 个石灰性土壤的-ΔK0平均值大3～5 倍，不施钾肥处理的则要小约5 倍。以上说明，连续持续20 a 处理后，施钾肥土壤能够维持较高的非专性吸附性钾，不施钾肥土壤黏土矿物表平面吸附位上的活性钾几乎全部被消耗掉了。

以上结果与有些文献不同，比如张会民等[8]的结果是长期施用钾肥的KL、Kx、-ΔK0均较不施肥处理增加了，这主要与求算KL的方法有关，张会民等[8]以1 mol·L-1NH4OAc 提取钾作为KL，也就是将速效钾作为KL，表2数据表明本文速效钾也随着施钾量的增加而显著增加。但是KL与速效钾本质上具有不同的物理内涵，因此与其他许多文献相同，本文以Q/I 关系左边曲线的拟合直线的截距作为KL，其值为速效钾的1.9～13.8 倍，而且与速效钾存在极显著负相关（表3），与有些文献研究结果非常类似，比如Hamdan 和Ahmed[25]的研究结果也表明KL与速效钾存在极显著负相关，KL为速效钾的3.5～ 13.1 倍。

表4表明在K0 处理中，土壤钾素呈现为亏缺，前面的分析表明土壤非专性吸附钾已经被消耗殆尽，而且专性吸附钾的数量较钾素盈余土壤的还要多，那么植物所带走的钾素只可能来自土壤矿物钾的释放，从表3中可以看出，如果以全钾与1 mol·L-1HNO3煮沸提取钾+速效钾的差值作为矿物钾，那么矿物钾与土壤钾素亏缺之间的相关系数很小，显然与事实不符。如果以全钾与KL的差值作为矿物钾，那么矿物钾与土壤钾素亏缺之间的相关性明显提高，钾素亏缺度越大、矿物钾含量越小。以上说明在云南山原红壤的烤烟/油菜轮作系统中，当土壤钾素出现亏缺时，矿物钾将被逐渐释放为存放于矿物层间的专性吸附钾，而这些专性吸附钾不能立即转化为非专性吸附钾，致使活性钾总量和专性吸附钾逐步增大。

2.4 长期施用不同量钾肥的土壤供钾缓冲能力

土壤钾位缓冲容量（PBC）是指土壤溶液活度比（AR）每变动一个单位时，土壤容量因素ΔK 的变化量，是衡量土壤保持一定供钾强度的能力指标。PBC 越大则表明土壤维持供钾强度的能力越大。表1数据表明长期施钾土壤PBC 较小，K188 和K375处理的PBC 相差不明显，分别为6.48 cmol·kg-1（mol·L-1）-0.5和6.20 cmol·kg-1（mol·L-1）-0.5，K0的PBC 则显著增加至7.76 cmol·kg-1（mol·L-1）-0.5，说明经过20 a 持续不同用量钾肥处理后，不施钾肥土壤的钾素强度缓冲性增强了，容量缓冲性变弱了，而施钾肥土壤则相反。其数值范围，较张春等[4]、Rupa 等[21]、Subba 和Sekhon[26]的研究结果明显偏小，与Hosseinpur 和Tadayon[2]测定的14 个石灰性土壤的PBC则相似，这很可能与土壤理化性质有关。

国内外一些研究[7,27]也发现不施钾处理土壤PBC 增加，Roux 和Sumner[27]报道，长期钾素耗竭，土壤PBC 增加，尤其在以伊利石为主要黏土矿物但K+饱和度较低的土壤上增加更多。但也有研究表明，施钾后土壤PBC 无明显变化[21,28]，张会民等[8,29]研究表明，长期不施钾红壤PBC 无明显变化，而黑土、中性紫色土、土和潮土的PBC 则显著增加。通过比较上述文献中土壤pH 和本文土壤pH，可发现当土壤酸碱性属于中性或者碱性时（pH＞6.5），长期不施用钾肥会导致土壤PBC 增加，土壤属于酸性时，长期不施用钾肥不会导致土壤PBC 明显变化。

2.5 长期施用不同量钾肥的土壤供钾能量性质

研究表明，-ΔG 越大，土壤对K 的选择性吸附越强，作物从土壤中吸收钾困难，从而容易出现缺钾，反之亦然；一般而言，土壤非专性活性钾含量高，-ΔG 低[20,30]。表1数据表明，长期不施钾肥处理K0 的-ΔG 为19.72 kJ·mol-1，显著地高于长期施钾 处 理 K188 、 K375 的 13.05 kJ·mol-1和11.70 kJ·mol-1，而K188 和K375 处理的-ΔG 无明显差别。根据Woodruff[20]的研究结果，当土壤-ΔG大于14.64 kJ·mol-1，容易出现缺钾，而当-ΔG 小于8.36 kJ·mol-1，则可能钾素过多诱发缺钙。由此判断，在烤烟/油菜轮作系统中持续20 a 不同施钾量处理后，烤烟季不施钾、油菜季36 kg·hm-2的土壤供钾能力很低、 容易出现缺钾；烤烟季施钾187.5 kg·hm-2、油菜季36 kg·hm-2的施钾处理（K188）的土壤供钾能力适中，作物不容易出现缺钾，也不容易出现缺钙；烤烟季施钾375 kg·hm-2、油菜季36 kg·hm-2的施钾处理（K375）土壤供钾能力很强，作物不会出现缺钾，但可能会诱发缺钙、缺镁。因此，从土壤钾-钙/镁的交换自由能角度看，烤烟/油菜轮作系统中，适宜的钾肥施用量为187.5 kg·hm-2，这与段玉琪等[31]综合分析产质量、土壤酶活性及微生物群落等得到的结论是一致的。

2.6 长期施用不同量钾肥的土壤矿物分异

图2 不同施肥处理土壤黏粒矿物X-射线衍射（XRD）图谱比较 Fig.2 X-ray diffraction（XRD）pattern of soil clay minerals relative to fertilization treatment

用X 射线衍射法获得了不同处理黏土矿物衍射图谱（图2），图中14Å 和10Å 的衍射峰分别为蛭石和伊利石衍射峰，可以看出，不施钾K0 处理土壤的14Å 衍射峰要高于施钾的K188 和K375 处理，10Å 衍射峰则低于K188 和K375 处理，即经过20 a 不同施钾量处理，不施钾肥处理相比施钾肥处理，土壤中的蛭石增加了，伊利石减少了。蛭石和伊利石均是2∶1 型的黏土矿物，伊利石含钾量高，而蛭石含钾量少。因此，不同施钾肥处理中伊利石和蛭石的消长变化可能与土壤钾素盈亏状况有关，从表4中可看出，2017—2018年烤烟/油菜轮作系统不施钾肥土壤钾素年亏损44.5 kg·hm-2，假设每次轮作时的作物生长发育状况基本相同，连续20 a 种植累计亏损约661.3 kg·hm-2，矿物钾逐渐被释放至土壤供作物吸收，黏土矿物伊利石呈现向蛭石转化的趋势。

廖育林等[12]的研究表明，长期施用钾肥或者富含钾的稻草能增加土壤黏粒中伊利石，促进晶格不良伊利石向晶格良好伊利石转化，促使蛭石向伊利石转化。Moterle 等[13]发现15 a 长期定位试验和温室连续盆栽11 茬作物后，不施钾肥土壤未检测到伊利石，而施钾土壤的蛭石含量减少、伊利石含量增加。本文试验结果结合文献结果，可以认为土壤中的伊利石和蛭石存在着相互转化，在钾素亏缺的情况下，伊利石逐渐转化为蛭石，在钾素盈余时蛭石逐渐转化为伊利石。

2.7 长期施用不同量钾肥的土壤理化性质分异与Q/I 曲线参数的关联性

不少研究表明Q/I 曲线参数与土壤理化性质具有一定的相关性[3,25,32-34]，理论上本文中三种长期施用不同量钾肥处理的初始土壤理化性质是相同的，在Q/I 曲线参数发生了显著分异的情况下，理论上也仅有那些发生了分异的土壤理化性质才可能与Q/I 曲线参数具有相关性。从表3、表5中可看出，经过20 a 长期施用不同量钾肥后，土壤pH、有机质、阳离子交换量、黏粒含量、交换性钙镁含量、全钾含量等指标并未发生显著分异，它们与Q/I 曲线所有参数均无显著相关，而植物可利用的土壤钾素容量有关的速效钾、缓效钾、钾饱和度以及土壤碱解氮发生了显著分异，其中，速效钾、缓效钾、钾饱和度等三个指标与土壤钾素平衡活度比（ARe）、非专性吸附活性钾（-ΔK0）等两个参数呈极显著正相关，与活性钾（KL）、专性吸附活性钾（Kx）、土壤钾位缓冲容量（PBC）、交换自由能（-ΔG）等四个参数呈极显著负相关。以上结果有些与文献结果相似，也有些与其他研究相反，Sailakshmiswari等[37]研究表明，ARe与土壤K+饱和度呈显著正相关，PBC 与黏粒含量呈显著正相关，与土壤CEC 无显著相关性。Niranjana 等[33]研究表明，ARe与土壤交换性钾含量呈极显著负相关，而土壤KL、-ΔK0和Kx均与土壤交换性钾含量呈极显著正相关，PBC 与土壤CEC 含量呈极显著正相关。Hamdan 等[34]研究得到ARe、-ΔG 与土壤交换性钾含量无显著相关关系。胡全才等[35]则认为，ARe不仅取决于该土壤交换性钾含量，同时由黏粒矿物决定，ARe由高到低依次为砖红壤、红壤、土、水稻土、黑土。Hamdan和Ahmed[25]的研究表明，交换性钾与活性钾、非专性活性钾呈极显著负相关，与缓冲能力PBC 呈显著负相关。而Hosseinpur 和Tadayon 等[2]的研究表明交换性钾与所有Q/I 参数均无相关性。以上结果说明，土壤Q/I 参数与土壤性质的相关性因为土壤条件、气候条件、生产条件的不同而变化。

表2 第20 茬烤烟收获后土壤理化性质 Table2 Soil physical and chemical properties after harvest of the twentieth crop of flue-cured tobacco

表3 土壤钾素Q/I 参数和不同形态钾素的相关系数 Table3 Correlation coefficient between soil potassium Q/I parameters with forms of soil potassium

表4 第20 次轮作时的土壤钾素表观平衡 Table4 Apparent balance of soil potassium during the twentieth tobacco-rape rotation（kg·hm-2）

表5 土壤钾素Q/I 参数与土壤性质的相关系数 Table5 Correlation coefficient between soil potassium Q/I parameters and soil properties

土壤pH、有机质、阳离子交换量、黏粒含量等指标与Q/I 曲线参数在本试验中无相关性，而在一些文献中具有相关性，两者并不矛盾，文献中的研究采用的是不同土壤，土壤pH、有机质、阳离子交换量、黏粒含量等有着明显不同，它们对Q/I 曲线参数的影响可以在相关性分析中体现出来，而本文的土壤原本是同种土壤，即使经过20 a 的不同钾肥处理，以上土壤性质也未产生明显的分异，使得其对Q/I 曲线参数的影响无法在相关性分析中体现出来。同时，以上结果也说明在烤烟/油菜轮作系统中，土壤钾素Q/I 曲线参数分异的原因并不是土壤pH、有机质、阳离子交换量、黏粒含量等理化性质的变化，而是土壤钾素盈亏状况，结合表3和表4可以看出，土壤钾素亏缺导致KL、KX、PBC、-ΔG 变大，而 ARe、-ΔK0变小，土壤钾素盈余则相反。

2.8 土壤钾素Q/I 曲线参数之间的关联性

从表3可以看出，土壤钾素Q/I 曲线参数彼此之间存在显著的相关性，而所有指标均与速效钾、缓效钾、钾素平衡存在极显著相关，速效钾、缓效钾是被广泛认可的土壤供钾指标，即所有的土壤钾素Q/I 曲线参数均可作为评价土壤供钾能力的指标。因子分析表明，以上6 个土壤钾素Q/I 曲线参数可以用一个主成分（KPC）来表达（特征值为5.37，累积方差占比为89.4%），表达式为：

将根据式（3）计算出的不同施钾量处理的KPC与速效钾（Kav）、缓效钾（Knex）、钾素表观平衡（Kab）进行关联分析发现，KPC与Kav、Knex、Kab之间存在极显著的直线回归方程，如下：

式（4）、式（5）表明，土壤钾素Q/I 曲线参数的主成分KPC的确可作为土壤供钾综合指标，而且KPC的值越大，土壤供钾能力越小。式（6）表明土壤综合供钾能力指标KPC与土壤钾素表观平衡（Kab）呈显著负相关，说明土壤钾素表观平衡驱动了土壤综合供钾能力变化，土壤钾素盈余时土壤综合供钾能力变强，土壤钾素亏缺时土壤综合供钾能力变弱。

将不同施钾量处理的KPC进行统计分析，可以发现K375 处理的KPC（4.21±1.28）极显著地小于K188 处理的（10.39±1.36），后者又极显著地小于K0 处理（22.35±1.35）。以上说明，长期连续施用不同量钾肥，造成了土壤综合供钾能力分异，施钾量越大，综合供钾能力越大。

3 结 论

长期连续施用不同量钾肥对土壤钾素Q/I 曲线的形状产生了明显影响，钾肥施用量越高，Q/I 曲线越往右下方移动。土壤钾素Q/I 曲线参数发生了显著分异，钾肥施用量越高，ARe和-ΔK0越大，KL、Kx、PBC 和-ΔG 越小。本试验条件下，土壤钾素表观平衡驱动了土壤钾素Q/I 曲线参数分异。长期土壤钾素亏缺状况下，矿物表面吸附钾几乎被消耗殆尽，导致矿物钾素转化为专性吸附活性钾，其转化速率要大于专性吸附活性钾转化为非专性活性钾的速率，且伊利石产生了向蛭石转化的趋势。在长期钾素盈余下，蛭石产生了向伊利石转化的趋势。Q/I曲线参数ARe、-ΔK0、PBC、KL、KX、-ΔG 等均可作为砂质山原红壤供钾能力评价指标，这些指标可被整合成一个综合指标。土壤钾素盈亏驱动了土壤综合供钾能力的分异，土壤钾素盈余时土壤综合供钾能力增强，反之亦然。在云南山原红壤烤烟/油菜轮作的条件下，长期不施用钾肥，植物将缺钾，长期施用187.5 kg·hm-2·a-1钾肥较为适宜。