长期秸秆还田提升稻麦轮作系统土壤供钾容量和强度

2022-05-11夏贤格范先鹏张富林刘冬碧吴茂前张志毅

植物营养与肥料学报 2022年4期

杨雅，夏贤格，范先鹏，夏颖，张富林，刘冬碧，吴茂前，张志毅*

（1 长江大学，湖北荆州 434000；2 湖北省农业科学院植保土肥研究所/国家农业环境潜江观测实验站/湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心/农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站/农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北武汉 430064）

钾素是土壤矿物质的主要组成部分，在维持土壤健康中发挥着重要作用。然而中国钾肥资源缺乏，钾肥进口量依赖度达50%[1]。而随着复种指数的增加、高产作物品种的推广、农业集约化程度的提高以及氮磷肥的大量施用，作物带走钾素增多，土壤钾素逐渐出现亏缺[2]。我国秸秆资源相当丰富，年均总量约9亿t[3]，约占世界秸秆资源产量的20%～30%[4]。合理利用秸秆中钾素，对作物产量形成、培肥地力、提高钾素循环利用、减少化肥施用等方面发挥重要作用[3-5]。

土壤钾素形态、存在位置和释放过程影响植物对钾素吸收利用。当钾饱和时外源钾会释放到土壤溶液中，减少土壤对钾的固定吸附，反之亦然[6]。土壤固定的钾能够补充土壤溶液活性钾的量、强度和速率，两者共同决定土壤钾对植物的有效性。能够释放到土壤溶液的钾素存在于非特定的平面位置(p位)、特定的楔形边缘位置(e位)和含钾2∶1矿物的层间位置(i位)[7]。由于与土壤固相的黏结较弱，平面位置的K对溶液中K+耗散的响应要比楔形边缘位置快得多[8]。因此，在非特定的平面位点上富集钾会增加钾的释放速率，这与植物对钾的需求一致。相反，非特定的平面钾含量较低时，特定点对钾释放的参与较大，会降低土壤钾释放速率，无法满足植物吸收。粘土矿物种类[9]、养分管理方式[10]会显著影响土壤钾释放速率。一般来说，长期不平衡施肥或不施肥导致土壤的供钾能力下降，降低土壤钾的释放速率[11]。

稻麦轮作是我国农业生产中重要的种植方式之一，主要分布在长江中下游地区，面积约1300万hm2，产量占全国粮食总产量的25%以上[12]。秸秆含钾丰富，且以离子态存在，秸秆钾可以作为一种很好的钾肥资源来利用[13]。秸秆直接还田是利用秸秆中的钾资源最直接、最简便和最有效的途径[14]。长期秸秆还田提高土壤中全钾、非交换性钾和交换性钾含量，且各形态钾素与伊利石含量呈正相关关系[15]。李继福等[14]对稻田的研究表明，长期秸秆还田不仅可以起到归还养分的作用，同时秸秆腐解的过程也是一个活化矿物钾的过程，促进矿物钾的释放。

秸秆还田提高土壤钾素含量和库容已经得到大量证实，但是长期秸秆还田后土壤钾素存在位点及其释放过程还不清楚。四苯硼钠对土壤钾的提取过程类似于植物根系的耗竭吸收，可将土壤非交换态钾不断地提取出来，适合用于研究土壤钾的释放动力学或评估土壤钾的生物有效性[16-17]。缺钾胁迫环境会诱导植物根系大量分泌有机酸物质，这些物质通过酸化、配位交换和还原作用活化土壤矿物态钾，以满足作物生长对养分的需求[18]。低分子有机酸条件下钾素释放动力学特征能够表征养分亏缺时土壤供钾能力。因此，四苯硼钠和低分子有机酸分别表征不同条件下土壤钾素供应能力。本研究采用连续浸提、四苯硼钠和有机酸模拟研究了不同处理下土壤钾素形态、存在位点和钾素的释放动力学特征，明晰稻麦轮作制长期秸秆还田对土壤钾素释放特征的影响。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验地点为湖北省潜江市浩口镇柳洲村，位于江汉平原腹地。地形地貌为冲积平原，土壤类型为河流冲积物母质发育的潮土，土层深厚，质地轻壤，种植制度为水稻-小麦。定位试验从2005年6月水稻季开始。试验前土壤pH(土∶水 = 1∶2.5)7.1、有机质20.6 g/kg、全氮1.53 g/kg、碱解氮121 mg/kg、有效磷19.2 mg/kg、容重1.2 g/cm3。

1.2 试验处理

试验共设4个处理，包括：1) CK，两季作物不施肥、秸秆不还田；2) RS，两季作物不施肥、每季秸秆还田量为6000 kg/hm2，其中水稻季还田麦秆，小麦季还田稻草，为保证小区间的一致性，还田的秸秆均来自附近的同一田块；3) NPK，两季作物施肥，秸秆不还田，其中水稻季N、P2O5、K2O依次为150、90、90 kg/hm2、小麦季 N、P2O5、K2O 依次为120、75、60 kg/hm2；4) NPKS，施肥配合秸秆还田，施肥量同NPK，秸秆还田量同RS 。试验小区面积20 m2，4次重复，随机区组排列。小区间用田埂隔开，区组间有固定的排灌沟，沟宽40 cm2，每个小区可独立排灌。试验开始前采集基础土样(0—20 cm)，用常规方法分析土壤基本理化性质。

试验所用氮、磷、钾肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512.1%)和氯化钾(K2O 60%)。水稻季氮肥60%作底肥、40%作分蘖肥，小麦氮肥60%作底肥、40%作拔节肥；磷、钾肥全部作底肥施用。秸秆还田方法：水稻季将试验地附近田块的小麦秸秆用粉碎机粉碎，浇水充分润湿，按秸秆量5%的比例加酵素菌及适量红糖、尿素、米糠，与秸秆混合均匀，盖上彩条布堆腐约14 天，插秧前将秸秆均匀地撒在已整好的田面后栽秧；小麦季将试验地附近田块的稻草切成6～10 cm小段，同上述方法操作，堆腐21～28 天，条播小麦后将秸秆均匀地撒在田面。还田秸秆前采集样本，测定秸秆含水量，计算试验小区所需秸秆量，分析养分含量，计算还田秸秆带入的养分量。

1.3 土壤化学分析

1.3.1 土壤钾素形态分析[19]采用对角线布点法采集2018年水稻收获后土壤样品，用于土壤钾素形态分析。水溶性K+采用去离子水浸提法测定，非交换性钾用1 mol/L HNO3浸提，交换性钾用1 mol/L醋酸铵浸提，各提取液均用火焰光度计测定钾素含量。

1.3.2 粘土矿物吸附点位钾供试土壤采自2018年水稻收获期，测定矿物不同位置钾素含量。称取2.00 g (m)土样放入25 mL离心管(记取二者质量为m0)中，加入20 mL (v1)蒸馏水，150 r/min振荡30 min，4000 r/min离心5 min，测定上清液K浓度(c1)，然后小心倒掉上清液，记取离心管质量(m1)；沉淀中再加入0.5 mol/L中性CaCl2溶液20 mL (v2)，150 r/min振荡30 min，4000 r/min离心5 min，测定上清液K浓度(c2)，小心倒掉上清液，记取离心管质量(m2)；再往离心管沉淀中加入1 mol/L中性NH4OAc溶液20 mL (v3)，150 r/min振荡30 min，4000 r/min离心5 min，测定上清液中的K浓度(c3)。另取2.50 g土样，用1 mol/L热硝酸法，测得酸溶性钾Q酸。各位点钾含量的计算公式如下:

式中，Δv1=(m1-m0)/ρ1，此处ρ1指蒸馏水密度，为1.00 g/mL；Δv2=(m2-m0)/ρ2，此处 ρ2指 CaCl2溶液密度，为1.02 g/L；Q水、Qp、Qe和Qi分别代表水溶性钾、p位钾、e位钾和i位钾含量。2018年小麦和水稻收获后分析籽粒和秸秆中钾素含量、干物质量，钾素表观平衡量(kg/hm2)=投入钾素总量(kg/hm2)-作物吸收钾素总量(kg/hm2)。其中，土壤钾素的投入量主要是指化肥和秸秆还田携入量，降雨和种子的含钾量未计入，作物携出钾量主要包括作物地上部(茎、叶、穗轴、籽粒等)的携出量，根茬的含钾量未计入[20]。

1.3.3 钾释放动力学测定2018年水稻收获后土壤四苯硼钠和有机酸条件下钾素释放过程。有机酸(如柠檬酸、草酸等)可以模拟植物根系的作用。柠檬酸、草酸等有机酸普遍存在于土壤中，在植物根系和微生物代谢过程中产生[21]，参与土壤K释放。因此，采用柠檬酸和草酸的混合物进行土壤钾提取。有机酸条件下，称2.0 g的供试土壤加入20 mL有机酸(0.005 mol/L柠檬酸+0.005 mol/L草酸)溶液，pH 为 5.8。(25±1)°C 条件下培养 1～1008 h。分别在 1、7、9、31、45、69、94、124、166、216、264、336、432、528、624、720、816、912、1008 h时取样，用火焰光度计测定各时期上清液中钾的浓度。

四苯硼钠条件下，称取0.50 g土样于50 mL离心管中，加入3 mL (0.2 mol/L)四苯硼钠(NaTPB)与0.01 mol /L EDTA 的混合剂，该试剂pH为9.5。分别振荡0.5、1.5、4、6、12、24、48和96 h，加入25 mL终止剂(0.5 mol/L NH4Cl+0.14 mol/L CuCl2)，摇匀后置于沸水浴中煮沸60 min，离心后分离，上清液过滤后加入3滴6 mol/L HCl，用火焰光度计测定钾的浓度[22-23]。

采用4个动力学模型拟合土壤钾随时间的累积释放量，并通过决定系数(R2)和回归标准误(SE)的大小来比较各模型的适用性程度，R2愈大，SE愈小，则拟合愈好。以下为各模型表达式：

式中，y为土壤钾累积释放总量(mg/kg)；x 为时间(h)；a、b为动力学模型的参数。

2 结果与分析

2.1 土壤钾素表观平衡

在4种不同处理中，CK处理钾素亏缺严重，周年亏缺达133.7 kg/hm2(表1)。施用化肥后，提高了钾素输入量，但是同时也大幅提高钾素输出量，最终土壤钾素平衡依然呈亏缺状态，达到123.5 kg/hm2，略低于CK。秸秆还田后，无论施肥与否均提高土壤表观平衡，秸秆还田处理钾素盈余约58 kg/hm2。这说明供试土壤在仅施化肥或不施肥条件下土壤钾素耗竭，还田后的秸秆作为外源钾素，提高土壤钾素供给。

表1 不同处理土壤周年钾素表观平衡(kg/hm2)Table 1 Soil annual potassium apparent balance under different treatments

2.2 土壤钾素形态

在四种不同的处理中(表2)，水溶性钾含量介于8.0～9.0 mg/kg，各处理间无显著差异。各处理土壤交换性钾的含量主要表现为NPKS＞RS＞NPK＞CK，其中NPKS处理的交换性钾含量最高(76.5 mg/kg)，其次为RS处理(73.5 mg/kg)，二者显著高于NPK和CK处理(P＜0.05)，提高量约为12.3～18.5 mg/kg。这说明土壤钾素盈余状况下，土壤交换性钾含量得到提升。土壤非交换钾主要存在于土壤中含钾的矿物中，是衡量土壤供钾潜力的重要指标，其含量越高，说明土壤的供钾能力越大。长期秸秆还田土壤非交换性钾的含量均显著高于秸秆不还田处理(P＜0.05)，其中RS处理非交换性钾的含量最高(721.9 mg/kg)。相比CK处理，RS处理非交换性钾含量提高了157.6 mg/kg；相比NPK处理，NPKS处理非交换性钾含量提高了85.6 mg/kg。可以看出在施肥和不施肥两种条件下，秸秆还田均能提高土壤速效钾含量以及潜在供钾能力。

表2 不同处理土壤中各形态钾的含量(mg/kg)Table 2 Different forms of potassium in soil with different fertilization

2.3 粘土矿物吸附点位钾

土壤中能够吸持钾的点位大致分为3种，即处在粘粒表面的p位点，矿物晶片边缘的e位点和矿物层间的i位点[1]。经过长期秸秆还田和施肥处理，各处理矿物吸附位点钾含量发生显著变化。各处理p位钾占3个位点钾的比例很低，在3.9%～4.7%(表3)。与不施肥(CK)相比，RS和NPKS处理p位钾含量得到大幅增加，分别提高4.5和7.8 mg/kg。e位钾占3个位点钾比例为7.0%～8.3%，略高于p位点钾占比。与CK相比，RS处理e位钾含量极显著高于CK (P＜0.01)，提高了9.2 mg/kg。NPK、NPKS处理e位点钾含量和CK相近。i位钾占3个位点钾比例为88.3%～88.7%，表现为RS＞NPKS＞NPK≈CK。RS和NPKS处理e位点钾极显著高于CK和NPK处理(P＜0.01)，提高了约104.6～160.2 mg/kg。说明NPKS处理能够提高粘土矿物各位点钾含量。

表3 不同处理土壤中粘土矿物的不同位点钾含量(mg/kg)Table 3 Potassium content at different sites of clay minerals in soil with different fertilization

2.4 土壤钾释放动力学

以土壤非交换性钾的累积释放量与对应释放时间关系得到钾释放曲线图(图1)。在四苯硼钠条件下，钾的释放可持续96 h，其中0～12 h为快速释放时期，之后进入缓慢释放期。有机酸浸提的土壤钾释放可维持1008 h，快速释放期在0～45 h。有机酸条件下的土壤钾总释放量多于四苯硼钠浸提。

图1 不同浸提剂条件下土壤钾素释放动力学Fig. 1 Dynamics of soil potassium release with different extraction agents

利用一级动力学模型、Elovich模型、双常数模型和抛物线扩散模型等4种数学模型对钾素释放动力学的数据进行拟合(表4)。在四苯硼钠0～96 h条件下双常数方程的R2多最高，标准差最小，说明所有处理中非交换性钾的释放过程以双常数方程拟合最好；在有机酸0～45 h条件下Elovich 模型和双常数方程拟合R2高于其他模型，标准差低于其他模型，说明Elovich 模型和双常数方程适用于拟合有机酸0～45 h条件下数据。有机酸46～1008 h条件下一级动力学模型的R2最高，标准差最小，说明以一级动力学模型拟合最好。因此，在四苯硼钠0～96 h和有机酸0～45 h条件下采用双常数方程，有机酸46～1008 h条件下采用一级动力学模型研究钾素释放 (表4)。

表4 不同浸提剂条件下钾释放的拟合模型Table 4 Fitted model of potassium release with different extraction agents

表5表明，在四苯硼钠条件下，快速释放阶段的释放速率约为缓慢释放阶段的20.6～32.2倍。快速释放阶段各处理钾素释放量表现为RS＞NPKS＞CK＞NPK，缓慢释放阶段各处理释放量表现为RS＞CK＞NPKS＞NPK，快速释放阶段释放量约为缓慢释放阶段释放量的2.9～4.6倍。其中，RS和NPKS处理的释放量快速释放阶段较 NPK 处理分别多 166.6、81.1 mg/kg，慢速释放阶段分别多 71.4、27.9 mg/kg。可以看出，秸秆还田处理主要增加快速释放阶段钾素释放量和释放速率，这些释放的钾素大部分存在于矿物层间[22]。在有机酸条件下，快速释放阶段和缓慢释放阶段都表现为RS和NPKS处理钾素释放量和释放速率均高于CK和NPK处理。相比CK和NPK处理，RS和NPKS处理钾素平均释放速率在快速和缓慢释放阶段分别增加了42.2和1.85 mg/(kg·d)。NPKS 和 RS 处理钾素释放量在快速释放阶段较NPK处理分别增加了16.3、14.5 mg/kg，在缓慢释放阶段分别增加了46.2和111.8 mg/kg。说明秸秆不还田时，土壤钾素呈耗竭状态，钾释放较慢，秸秆还田条件下土壤钾素呈盈余状态，盈余的钾素释放速度较快。

表5 不同处理土壤缓效钾释放量和释放速率Table 5 The amount and rate of non-exchangeable K released from soils under different treatments

3 讨论

3.1 土壤非交换性钾存在位点

秸秆还田可以缓解土壤钾素的亏缺，增强土壤的供钾能力。秸秆还田提高土壤交换性钾和非交换性钾的含量，并以非交换性钾为主(表2)。土壤中的非交换性钾主要存在于土壤的粘土矿物中，其中p位钾位于粘粒的外表面，对钾亲和力较弱；e位钾处在颗粒边缘或楔形带，其电荷键合钾的能力比p位强；i位钾是仅在2∶1型粘土矿物才有的内晶格位置，对K+显示出较强的亲和力。有研究表明，长期不施钾或施钾量较低均可导致土壤钾素出现亏缺[24]，引起粘土矿物固定的钾素大量释放；而钾素盈余条件下会提高粘土矿物钾素的固定。在RS和NPKS的处理中，p和i位钾含量均高于其他处理。i位钾是植物的潜在钾库资源，特定环境下可以转化为植物易吸收态钾。这是因为土壤中各吸附位点上的钾处于动态平衡之中，植物生长吸收钾素致使土壤中钾平衡发生变化，为维持平衡，迫使高能吸附点位(i位钾)所吸持的钾素释放[25]。秸秆不还田处理土壤钾素都表现为亏缺(表1)，各位点钾含量低于施秸秆或秸秆和钾肥配合施用的处理，导致i位钾释放；秸秆与化学钾肥配合施用土壤钾素表观平衡呈盈余状态，盈余钾素被粘土矿物固定，各吸附位点钾含量能够保持在较高水平。土壤中盈余的钾素主要固定在粘土矿物层间(i位点)，少量固定在表面位置(p位点)。

3.2 土壤非交换性钾释放特征

钾素释放动力学研究中，不同浸提剂处理反映了不同类型钾素的释放过程。四苯硼钠浸提法中，四苯硼钠与K+形成KBPh4沉淀，促使溶液中K+浓度降低，促使土壤矿物层间钾的释放[23]，这个过程与植物根系耗竭吸收相似，主要反映层间钾素的释放过程。有机酸溶液浸提法中，有机酸一方面通过H+扩散进入并置换层间K+，使之成为游离K+；另一方面H+与矿物Si-O-Si或Al-O-Al反应，使其水解并释放出K+[26]，这个过程类似于植物处于缺钾胁迫环境下植物根系大量释放有机酸物质，能够反映矿物层间钾和结构钾的释放。

土壤钾素释放过程是先快速后缓慢，长期秸秆还田可以提高土壤钾素累积释放量和释放速率；在有机酸参与下，土壤钾素能够保持长期缓慢释放，并且秸秆还田处理钾素释放量和释放速率高于其他处理。在图1中，四苯硼钠钾快速释放阶段在0～12 h，该阶段离子态、交换性钾等活性钾素快速释放。秸秆还田处理在四苯硼钠提取0～12 h钾素累积释放量均高于CK和NPK处理。相比CK，RS和NPKS四苯硼钠快速释放阶段钾素释放速率提高274.8和104.0 mg/(kg·d) (表5)。快速释放阶段是因为在释放初期，粘土矿物中p位点的钾会优先快速释放出来。当粘土矿物p位点的钾被耗尽，e位点的钾就会开始释放，进一步导致i位点的钾释放。四苯硼钠0～12 h钾素释放量达274.1～440.7 mg/kg，这些钾素可能更多位于p位点和e位点。随着浸提时间增加，土壤钾素释放速率逐渐减缓。12～96 h内，四苯硼钠钾释放速率降低至17.0～37.4 mg/(kg·d)，四苯硼钠钾缓慢释放阶段释放量表现为RS＞CK＞NPKS＞NPK。这说明长期只施用氮磷钾化肥且施钾量不高的情况下，土壤钾素库存会降低，化肥配合施用秸秆能够减缓土壤矿物层间钾素的耗竭，证明了施用化肥配合施用秸秆是提高土壤钾素肥力的重要途径。

有机酸(柠檬酸和草酸)条件下同样存在两个钾素释放阶段，这与Jalali等[27]研究结果相似。有机酸从两个方面促进土壤钾素释放：1)由于矿物表面晶格断裂，钾直接溶解在溶液中；2)结构钾与有机酸发生质子作用和鳌合作用，溶液中的质子可以和矿物表面的羟基反应，加快矿物的溶解，另外，有机酸溶液中带羟基和羧基的小分子有机酸很容易与矿物中的金属离子发生反应，形成金属—有机复合体，破坏了矿物的结构，从而促进矿物中钾素的释放[28]。Li等[29]和Wang等[30]通过纯矿物体系培养试验证实，一般条件下的有机酸促进土壤中钾的释放主要是质子作用，即H+交换K+来促进土壤钾素释放。有机酸浸提钾累积释放量在快速释放阶段，表现为秸秆还田处理的钾累积释放量高于秸秆不还田处理，相比CK，RS和NPKS处理钾素释放速率提高约50 mg/d，快速释放阶段是以离子形式存在于土壤溶液和土壤胶体的钾，通过扩散和离子交换进入溶液的过程，该阶段钾释放速度快，单位时间释放量大，持续时间相对较短[31]。在缓慢释放阶段，有机酸浸提钾释放速率缓慢，在25.6～28.3 mg/(kg·d) (表5)。在1008 h时，RS和NPKS处理钾累积释放量分别比CK和NPK提高了约47～110 mg/kg。缓慢释放阶段，钾的释放速度相对较慢，单位时间内钾的释放量相对较小，但持续时间较长，最后达到稳定状态，是一个缓慢的过程[32-33]。因此，有机酸条件下长期秸秆还田主要提高钾快速释放阶段释放速度和释放量，对结构钾(缓慢释放阶段)释放量和释放速率的影响较小。