等钾条件下不同有机物料对红壤团聚体钾素分配的影响

柳开楼 李继文 吴艳 刘佳 宋惠洁 徐小林 胡丹丹 杨延安

摘 要： 外源有机碳投入是调控红壤团聚体钾素含量的主要因素。本研究于2021年3月选取红壤0～20 cm和20～40 cm深度的土壤样品代表高肥力和低肥力进行培养试验，分别设置不施钾肥（K0）、等钾投入量的水稻秸秆钾（RSK）、玉米秸秆钾（MSK）、鸭粪钾（DMK）和猪粪钾（PMK）5个处理，探究等钾条件下不同有机物料对红壤团聚体钾素分配的影响。结果表明：外源有机物料的钾肥投入显著提升>2 mm团聚体组分的比例。不同外源钾肥类型显著影响高低肥力土壤团聚体組分交换性钾含量，其含量由高至低为PMK>DSK>MSK>RSK处理，其中PMK处理显著高于其他处理，高肥力土壤PMK处理>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm团聚体组分的交换性钾含量提高了105.71%、145.00%、210.00%和440.00%，低肥力土壤的增幅则分别为106.67%、256.00%和695.00%、586.67%。相关性分析发现，在等钾条件下，外源有机碳投入量与团聚体组分的交换性钾含量存在显著的正相关关系，但当外源有机碳投入水平较高时，各团聚体组分交换性钾含量的增速则明显减缓。随着外源有机碳投入量的增加，高肥力土壤中各团聚体组分交换性钾含量可以达到的饱和点均高于低肥力土壤。综上，不同有机物料处理均促进>2 mm团聚体组分交换性钾含量的增加，其中以猪粪较优。在外源有机碳投入下，高肥力土壤团聚体组分交换性钾的提升潜力明显大于低肥力土壤。

关键词： 红壤；有机物料；团聚体；钾素分配

中图分类号：S153

文献标识码：A

文章编号：1008－0457（2023）02－0001－07

国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2023.02.001

红壤是我国南方丘陵区重要的土壤资源，但是受成土母质和脱硅富铝化等成土过程的影响，肥力贫瘠是红壤的主要特点［1］。特别是在农业生态系统中，由于长期对红壤的不合理开发利用，该区域酸化、水土流失现象严重，尤其酸化过程中，增加的氢离子通过竞争交换，引发盐基离子流失，进一步导致养分有效性降低［2］，养分循环与平衡的失调加剧了土壤养分贫瘠化及肥力衰减过程［3］。因此，针对性进行红壤肥力提升行动对于该地区农业生产意义重大。研究发现，缺钾是该地区可持续农业发展的主要限制因素，受南方高温高湿的气候条件影响，红壤地区土壤钾素大量淋失［4］，且由于红壤中的黏土矿物主要为1∶ 1型的高岭石，含钾矿物（水云母）较少，作物对钾素不断消耗进一步加剧土壤含钾矿物的释放，从而降低土壤的供钾能力［5］。

通过外源投入化肥提升红壤氮磷钾等肥力指标是简单有效的措施，但与氮磷肥相比，我国钾肥资源相对短缺，如何寻求化学钾肥的替代品就显得十分迫切。大量研究表明，施用有机物料是提升红壤钾素肥力的重要措施［6-7］。基于长期定位试验研究发现，长期施用畜禽粪便和秸秆还田均可以提升红壤的交换性钾含量［8-9］，且各团聚体组分的交换性钾含量也显著提升［10］。有研究认为，外源有机碳投入是调控红壤团聚体钾素含量的主要因素［11］，然而，由于长期定位试验各处理的钾肥投入量不同，关于有机物料提升团聚体钾素含量的结论还有待进一步商榷。此外，受不同有机物料钾含量差异的影响，与化肥处理相比，不同有机物料施用下土壤交换性钾含量的增幅差异较大［12-13］。因此，本研究以等钾投入为切入点，针对高肥力和低肥力的红壤旱地，通过选择秸秆和畜禽粪便等有机物料进行模拟试验，探讨不同有机物料投入下红壤团聚体钾素分配的规律，并结合拟合方程构建外源有机碳投入水平与团聚体交换性钾含量的相关关系，以期进一步验证有机碳投入是促进红壤团聚体钾含量的关键因素，从而为该地区合理进行有机物料施用提供技术支撑。

1  材料与方法

1.1  试验材料

试验于2021年3月在江西省南昌市进贤县张公镇小蒋村（28.3521°N，116.1761°E）进行，选择长期进行花生、油菜轮作的红壤旱地，采集0～20 cm和20～40 cm的土壤样品，分别代表高肥力和低肥力，同时，在当地收集水稻秸秆、玉米秸秆、鸭粪和猪粪等有机物料，土壤和各有机物料的理化指标见表1。

1.2  试验设计

将高肥力和低肥力土壤样品风干后，采用干筛方法配置成200 g的土壤各18份装入1000 mL塑料瓶中。设置不施钾肥（K0），按照等钾投入量分别设置水稻秸秆钾（RSK）、玉米秸秆钾（MSK）、鸭粪钾（DMK）和猪粪钾（PMK）添加等5个处理，每个处理3次重复。除了K0之外，DSK、MSK、DMK和PMK的钾投入量均为93 mg/200g土壤 （参考大田花生种植的钾肥用量，并根据土壤重量换算得来）。依据有机物料的钾含量，分别计算了各处理的有机物料用量和有机碳投入量（表2）。有机物料加入后，与土壤样品混匀，加入50 mL蒸馏水，置于黑暗环境，保持25 ℃室温，培养90 d。通过预备试验表明，水稻秸秆、玉米秸秆、鸭粪钾和猪粪在0～30 d腐解较快，腐解量达到50%，且钾素释放量达45%，30～90 d腐解缓慢，90 d内腐解量达到70%，且钾素释放量达85%。因此，本研究选择培养90 d。

1.3  测定指标

培养试验结束后，将土壤样品从塑料瓶中全部倒出，捡出肉眼可见的残渣后风干，采用湿筛法［14］获得>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm 的团聚体组分。具体方法为：土样放置于孔径为2 mm的不锈钢筛上，室温下蒸馏水浸泡10 min，然后分别通过2 mm、0.25 mm和0.053 mm 的不锈钢筛，竖直上下振荡50次，收集各级土筛上的土壤，获得 >2 mm、0.25～2 mm和0.053～0.25 mm 的水稳性土壤团聚体，<0.053 mm的团聚体通过将溶液沉降、离心获得。将各级筛层中的土粒转移至烧杯中，自然晾干后称重，计算各团聚体组分的重量比例，然后采用氢氧化钠熔融和醋酸铵浸提，并利用火焰光度计测定全钾和交换性钾含量［15］。在湿筛过程中，肯定会有一部分钾被水淋溶，而在本试验中，由于过筛时间较短，测定的水体中的钾含量小于30 mg/L，再加上红壤中的水溶性钾含量较低，因此，本研究中不考虑水溶液浸出的钾含量。

所有数据均采用Excel 2010进行整理，统计分析采用SAS 13.0进行，方差分析采用SPSS 17.0软件包进行，图件采用Origin 8.5 制作，碳投入与团聚体组分交换性钾含量的关系采用指数方程进行拟合。

2  结果与分析

2.1  等钾条件下不同有机物料对红壤团聚体组分的影响

在高肥力土壤中，各团聚体组分的比例大体呈现出>2 mm和0.25～2 mm团聚体组分的比例明显高于0.053～0.25 mm和<0.053 mm，而低肥力土壤中各团聚体组分的比例则无明显规律（图1），与低肥力土壤相比，高肥力土壤中>2 mm团聚体组分的比例明显高于低肥力土壤。不论高肥力还是低肥力，不同钾肥类型均显著影响红壤团聚体组分的比例。与无外源钾肥投入相比，外源钾肥投入均显著提升>2 mm团聚体组分的比例，但不同钾肥类型存在明显分异。在所有钾肥处理中，RSK和MSK处理的>2 mm团聚体组分比例较高，高肥力土壤中，RSK、MSK、DSK和PMK处理处理的>2 mm团聚体组分比例分别比K0处理提高了151.24%、136.36%、96.70%和72.77%，低肥力土壤中的增幅分别为253.35%、271.48%、100.89%和200.16%。

2.2  等钾条件下不同有机物料对红壤团聚体组分全钾和交换性钾含量的影响

与低肥力相比，高肥力土壤中，各团聚体组分的全钾含量明显较高，但在相同的肥力条件下，各团聚体组分全钾含量则无明显差异（表3）。同时，与K0处理相比，虽然钾肥投入下各团聚体组分的全钾含量均略有增加，但增幅均不显著，且各钾肥类型也无显著差异。这说明不同外源钾肥类型对红壤团聚体组分全钾含量无显著影响。

2.3  等钾条件下有机碳投入与团聚体组分交换性钾的关系

高肥力土壤中，各团聚体组分的交换性钾含量均明显高于低肥力，但在相同的肥力条件下，除了K0之外，各处理的团聚体组分的交换性钾含量大体呈现出>2 mm团聚体明显低于其他团聚体组分的趋势（表3）。与K0处理相比，大部分钾肥处理均增加了各团聚体组分的交换性钾含量。在等钾条件下，高肥力和低肥力土壤中不同有机物料处理各团聚体组分的交换性钾含量均大体呈现出PMK处理显著较高，与K0处理相比，高肥力土壤中，PMK处理的>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm团聚体组分的交换性钾含量分别提高了105.71%、145.00%、210.00%和440.00%，低肥力土壤中PMK处理的增幅分别为106.67%、256.00%和695.00%、586.67%；其次为DSK和MSK处理，而RSK处理则较低。

在等钾条件下，外源有机碳投入量与团聚体组分的交换性钾含量存在显著的正相关关系（图2），且可以用指数方程进行拟合（表5）。这说明当外源有机碳投入水平较低时 （2.12～2.58 g/200g），各团聚体组分的交换性钾含量快速增加，但是，当外源有机碳投入水平较高时（2.58～9.43 g/200g）， 各团聚体组分交换性钾含量的增速则明显减缓。同时，结合拟合方程进一步计算了各团聚体组分中交换性钾含量的饱和点，在各团聚体组分中， <0.053 mm团聚体组分中交换性钾含量的饱和点最高（高肥力和低肥力分别为216 mg/kg和213 mg/kg），其次为0.25～2 mm和0.053～0.25 mm，而>2 mm团聚体则最低（高肥力和低肥力分别为147 mg/kg和63 mg/kg）；但是，与低肥力土壤相比，高肥力土壤中各团聚体组分交换性钾含量的饱和点均明显较高，特别是>2 mm团聚体组分，高肥力比低肥力提高了1.33倍。

3  结论与讨论

3.1  等钾条件下不同有机物料调控红壤团聚体组分交换性钾分配

在红壤的肥力培育上，有机物料作为一种主要的调控措施，可以显著改善红壤团聚体结构［16］。本研究通过室内模拟试验也发现，有机物料投入可以显著增加>2 mm团聚体组分的比例，但是，由于等钾条件下不同有机物料的有机碳投入量不同，导致各处理的团聚体组分差异较大。进一步分析表明，红壤>2 mm团聚体组分比例并不随外源有机碳投入量的增加而提高，在所有有机物料处理中，高肥力和低肥力土壤均表现出水稻秸秆和玉米秸秆处理的>2 mm团聚体组分比例，而外源有机碳投入量最高的猪粪处理，其>2 mm团聚体组分比例则显著较低。原因一方面与水稻秸秆、玉米秸秆和猪粪等有机物料的有机碳化学结构有关［17］，刘安凯等［18］研究也表明，由于不同有机物料的有机碳成分不同，尽管在等碳量投入下，不同有机物料对土壤有机碳含量提升也存在显著差异。另一方面，不同有机物料的碳激发效应也可能改变了土壤有机碳矿化量［19-20］，从而间接影响了团聚体结构，但具体原因还有待进一步研究。

针对红壤钾素匮缺的问题，除了全土的钾素调控之外，通過提升团聚体组分的交换性钾含量也是满足作物钾素需求的重要策略之一。模拟试验表明，在不种植作物的条件下，不同有机物料对团聚体组分的交换性钾含量的提升幅度存在差异，原因可能与有机物料腐解速率及其钾素释放有一定周期有关［12］。前人研究表明，畜禽粪便与秸秆等有机物料的腐解主要是微生物的作用，而碳氮比对微生物分解影响较大［21］，因此，由于不同有机物的碳氮比差异较大（21.71～55.89），高肥力和低肥力土壤中均大体呈现出猪粪处理的各团聚体组分交换性钾含量显著较高，但高肥力和低肥力的增幅存在明显分异，原因主要是高、低肥力土壤初始的有机碳、全氮含量存在差异，高肥力土壤碳氮比为10.12，明显高于低肥力土壤（4.32）。此外，有机物料投入下，不同团聚体组分交换性钾含量的增幅也存在差异。这主要与不同团聚体组分的有机碳周转速率有关［22］，再加上各团聚体组分的微生物群落存在差异［23］，而微生物群落对矿物钾的释放可能调控了团聚体组分的钾素转化过程［24］。

3.2  等鉀条件下有机碳投入量与团聚体组分交换性钾含量的内在关系

外源有机碳投入可以通过改变土壤有机碳含量影响团聚体组分及其交换性钾含量［7，25］。大量研究表明，与化肥处理相比，通过有机无机肥配施增加外源有机碳投入可以显著提升团聚体组分的交换性钾含量，但秸秆还田处理的效果则显著弱于有机无机肥配施［26］。同时，Liu等［27］进一步通过模拟试验发现，土壤有机碳与团聚体交换性钾含量可以用线性拟合方程进行拟合。然而，由于前述研究的钾投入量不同，关于不同有机物料提升团聚体组分交换性钾含量的效果及其差异还有待深入探讨。因此，本研究通过设置等钾条件的模拟试验，分析了有机碳投入量与团聚体组分交换性钾含量的相关关系，结果表明，当外源有机碳投入水平不同时，各团聚体组分的交换性钾含量的增速不一，其中，在外源有机碳投入水平较高的条件下（2.58～9.43 g/200g），团聚体组分交换性钾含量的增速明显低于外源有机碳投入水平较低的条件（2.12～2.58 g/200g）。原因主要与外源有机碳投入下土壤团聚体组分中有机碳的积累速率不同有关［28］，且土壤有机碳的饱和理论也表明，当土壤有机碳达到一定含量时， 外源有机碳不会显著提升土壤有机碳含量［29］。因此，可以推测，团聚体组分中有机碳的积累速率通过影响钾离子的吸附解析调控团聚体交换性钾的含量［30］，此外，有机碳含量不同导致的土壤解钾菌等微生物群落也会通过改变矿物钾的释放间接影响团聚体组分中交换性钾的分配 ［24］。

结合指数方程进一步计算发现，与低肥力土壤相比，高肥力土壤中各团聚体交换性钾含量的饱和点明显较高，特别是>2 mm团聚体组分，高肥力比低肥力提高了1.33倍。这主要与高肥力和低肥力土壤的有机碳含量不同有关。李浩等［11］研究也表明，>2 mm团聚体中有机碳与交换性钾含量均呈现出显著的正相关关系，当>2 mm团聚体中有机碳含量增加0.1 g/kg，交换性钾含量提高5.69 mg/kg。然而，除了土壤有机碳之外，高肥力土壤和低肥力土壤的团聚体组分、交换性钾含量也存在较大差异，因此，关于不同肥力土壤中外源有机碳含量与团聚体组分中交换性钾的内在差异关系还有待结合更多初始理化指标进行深入研究。

综上所述，对于高、低肥力的红壤，与不施钾相比，等钾条件下不同有机物料投入均显著增加团聚体组分交换性钾含量，且大体呈现出猪粪处理的各团聚体组分交换性钾含量显著较高的趋势，但高肥力和低肥力土壤的增幅存在明显分异。在等钾条件下，外源有机碳投入量与团聚体组分交换性钾含量的关系可以用指数方程进行拟合，同时，在有机碳投入下，高肥力土壤中各团聚体组分交换性钾含量的提升潜力明显大于低肥力土壤。

（责任编辑：段丽丽）

参 考 文 献：

[1]   赵其国.我国红壤的退化问题［J］.土壤，1995，27（6）：281-285.

［2］  Guo J H，Liu X J，Zhang Y，et al.Significant acidification in major Chinese croplands［J］.Science，2010，327（5968）：1008-1010.

［3］  吴道铭，傅友强，于智卫，等.我国南方红壤酸化和铝毒现状及防治［J］.土壤，2013，45（4）：577-584.

［4］  Li Z P，Velde B，Li D C.Loss of K-bearing clay minerals in flood-irrigated，rice-growing soils in Jiangxi Province，China［J］.Clays and Clay Minerals，2003，51（1）：75-82.

［5］  Zhang H，Xu M，Zhu P，et al.Effect of 15-year-long fertilization on potassium quantity/intensity relationships in black soil in Northeastern China［J］.Communications in Soil Science and Plant Analysis，2011，42（11）：1289-1297.

［6］  李昌明，王晓玥，孙波.不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中养分的释放特征及其影响因素［J］.土壤学报，2017，54（5）：1206-1217.

［7］  湛玉曼，郝小雨，肖洋.不同有机物料还田对土壤钾素影响研究进展［J］.黑龙江农业科学，2021，43（11）：106-112.

［8］  He P，Yang L P，Xu X P，et al.Temporal and spatial variation of soil available potassium in China （1990-2012）［J］.Field Crops Research，2015，173：49-56.

［9］  Zhao Y C，Wang M Y，Hu S J，et al.Economics- and policy-driven organic carbon input enhancement dominates soil organic carbon accumulation in Chinese croplands［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2018，115（16）：4045-4050.

［10］  李浩，柳开楼，万国湲，等.长期定位施肥对玉米根际土壤团聚体有机碳与钾素含量及其相互关系的影响［J］.土壤通报，2022，53（2）：438-444.

［11］ Liu K L，Han T F，Huang J，et al.Response of soil aggregate-associated potassium to long-term fertilization in red soil［J］.Geoderma，2019，352：160-170.

［12］ 夏东，王小利，冉晓追，等.不同有机物料在黄壤旱地中的腐解特性及养分释放特征［J］.山地农业生物学报，2019，38（4）：59-64.

［13］ 柳开楼，黄晶，叶会财，等.长期施钾对双季玉米钾素吸收利用和土壤钾素平衡的影响［J］.植物营养与肥料学报，2020，26（12）：2235-2245.

［14］ Cambardella C A，Elliott E T.Carbon and nitrogen distribution in aggregates from cultivated and native grassland soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1993，57（4）：1071-1076.

［15］ 鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000.

［16］ 潘艳斌，朱巧红，彭新华.有机物料对红壤团聚体稳定性的影响［J］.水土保持学报，2017，31（2）：209-214.

［17］ Wang X Y，Sun B，Mao J D，et al.Structural convergence of maize and wheat straw during two-year decomposition under different climate conditions［J］.Environmental Science & Technology，2012，46（13）：7159-7165.

［18］ 刘安凯，史登林，王小利，等.秸秆和生物炭还田对稻田土壤有机碳矿化和水稻产质量的影响［J］.山地农业生物学报，2021，40（4）：38-45.

［19］  陈领，王小利，张青伟，等.外源碳酸钙对黔中喀斯特地区土壤有机碳矿化的影响［J］.山地农业生物学报，2021，40（1）：6-13.

［20］ Wang G C，Wang M M，Guo X W，et al.Efficiency of additional organic inputs for carbon sequestration in agricultural soils modulated by the priming effect and physical accessibility［J］.Geoderma，2022，406：115498.

［21］ 夏東.不同有机物料还田的腐解特征及对黄壤养分的影响［D］.贵阳：贵州大学，2019.

［22］ Jiang Y，Qian H，Wang X，et al.Nematodes and microbial community affect the sizes and turnover rates of organic carbon pools in soil aggregates［J］.Soil Biology & Biochemistry，2018，119：22-31.

［23］ Xue Z，Zhou Z，An S.Changes in the soil microbial communities of different soil aggregations after vegetation restoration in a semiarid grassland，China［J］.Soil Ecology Letters，2021，3（1）：6-21.

［24］ 韩苗，朱晓艳，陈国炜，等.解钾菌及其释钾微观机制的研究进展［J］.土壤学报，2022，59（2）：334-348.

［25］ 孙雪，张玉铭，张丽娟，等.长期添加外源有机物料对华北农田土壤团聚体有机碳组分的影响［J］.中国生态农业学报（中英文），2021，29（8）：1384-1396.

［26］ 崔全红，不同有机物料投入对塿土有机碳和养分含量的影响［D］.西安：西北农林科技大学，2016.

［27］ Liu K L，Huang J，Han T F，et al.The relationship between soil aggregate-associated potassium and soil organic carbon with glucose addition in an Acrisol following long-term fertilization［J］.Soil & Tillage Research，2022，222：105438.

［28］ Mendoza O，De Neve S，Deroo H，et al.Do interactions between application rate and native soil organic matter content determine the degradation of exogenous organic carbon［J］.Soil Biology & Biochemistry，2022，164：108473

［29］ Kan Z R，Liu W X，Liu W S，et al.Mechanisms of soil organic carbon stability and its response to no-till：a global synthesis and perspective［J］.Global Change Biology，2022，28（3）：693-710.

［30］ 熊明彪，雷孝章，田應兵，等.钾离子在土壤中吸附和解吸动力学研究进展［J］.生态环境，2003，12（1）：115-118.

Effects of Different Organic Materials on the Distribution of Potassium in Aggregates for Red Soil under Equal Potassium Conditions

Liu Kailou1，Li Jiwen2，Wu Yan1，Liu Jia3*，Song Huijie1，Xu Xiaolin1，Hu Dandan1，Yang Yanan4

（1.Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources，Key Laboratory of Acidified Soil Amelioration and Utilization，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Nanchang，Jiangxi 331717，China；2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China; 3.Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment，Jiangxi Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Acidified Soil Improvement and Utilization，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Nanchang，Jiangxi 330200，China；4.Zhongling Township Peoples Government of Jinxian County，Jinxian，Jiangxi 331717，China）

Abstract：

Input of exogenous organic carbon is the main factor regulating the potassium content of red soil aggregates.Soil samples at different depths （0～20 cm and 20～40 cm） were selected to represent high and low fertility for cultivation tests in March，2021.Under laboratory conditions，five treatments were set：no potassium fertilizer （K0），rice straw for potassium （RSK），maize straw for potassium （MSK），duck manure for potassium （DMK） and pig manure for potassium （PMK），respectively.The effects of different organic materials on the distribution of potassium in red soil aggregates under equal potassium conditions were studied.The results showed that the input of exogenous potassium fertilizer significantly increased the proportion of >2 mm aggregate component.Different types of exogenous potassium fertilizer had significantly affected the exchangeable potassium content.The content of exchangeable potassium from high to low was PMK>DSK>MSK>RSK.Among all treatments，the exchangeable potassium content of different aggregates in PMK treatment was significantly higher that other treatments.Compared with K0 treatment，the exchangeable potassium content of >2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm and<0.053 mm aggregates in high fertility soil for PMK treatment were increased by 105.71%，145.00%，210.00% and 440.00%，while that of low fertility soil for PMK treatment were increased by 106.67%，256.00% and 695.00%，586.67%，respectively.The results of correlation analysis showed that under the equal potassium condition，there was a significant positive correlation between the amount of exogenous organic carbon input and the exchangeable potassium content of aggregates，but when the level of exogenous organic carbon input was high，the growth rate of exchangeable potassium content of aggregates was significantly slowed down.The saturation point of exchangeable potassium content of each aggregate component in high fertility soil was higher than that in low fertility soil，with the increase of exogenous organic carbon input Therefore，different organic material treatments promote the increase of exchangeable potassium content of each aggregate component.In the condition of exogenous organic carbon input，the enhancement potential of exchangeable potassium in aggregates of high fertility soil was significantly greater than that of low fertility soil.

Keywords：

red soil; organic material; aggregates; potassium distribution