化肥有机肥配施改善花生-甘薯轮作土壤钾平衡和供钾能力的机理

袁 洁，叶佳敏,3，汪吉东,3*，李 娟，张立成，章明清，徐 聪，王 磊，张永春,3*

（1 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所 / 国家农业环境六合观测实验站，江苏南京 210014；2 福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州 350013；3 南京农业大学，江苏南京 210095）

钾是植物、动物和人类健康所必需的大量营养元素，作为土壤生产力的基本因素之一起着至关重要的作用[1-2]。全球诸多农业地区土壤中普遍缺乏植物可利用的速效钾[2]，土壤中大部分钾(90%～98%)被黏土矿物吸附，作为矿物形式存在，不能被植物直接吸收[3]。由于黏土矿物中钾的低溶解度和高固定性，钾离子在许多土壤中的含量往往有限，钾素通常是作物产量和品质提升的制约因素[4]。世界人口的不断增加导致粮油生产需求逐渐扩大，同时钾肥资源的短缺威胁世界粮油生产安全。相比于仅施用化肥，合理施用有机肥能同时保证耕地土壤养分平衡和作物增产，对于减少钾肥施用和保障粮油安全生产十分关键[5-9]。

花生(ArachishypogaeaL.)和甘薯(Ipomoea batatasL.)在全世界广泛种植，是重要的油料作物和粮食作物[10-12]。花生-甘薯轮作不仅能够缓解连作障碍，有利于土地可持续利用，同时还能促进粮油双丰收。前期研究表明，长期施用化肥配施有机肥显著增加土壤速效钾含量，显著提高赤红壤旱地花生-甘薯轮作体系下花生、甘薯的钾吸收量和产量[7,13]。此外，化肥配施猪粪或秸秆在培肥地力和增产方面效果最佳[7,13]。因此，探讨长期施用化肥配施有机肥对土壤供钾能力的影响，对耕地培肥和农业可持续发展具有重要意义[9]。

土壤的供钾能力受到土壤钾素形态[14-15]、存在位置以及释放过程的影响[16]。非交换性钾(NEK)缓慢转化为交换性钾(EK)，是衡量土壤供钾潜力的主要指标[17-18]。而交换性钾容易被释放到土壤溶液中，与土壤中活性最高的水溶性钾(WSK)保持快速的动态平衡关系[15]。土壤固定的钾和土壤溶液中的钾共同决定土壤钾对植物的有效性[19]。土壤钾主要吸附在粘粒上，吸附位点包括粘粒矿物晶层表面(p 位)、含钾2∶1 层状黏土矿物层间(i 位)和特定的楔形边缘(e 位)，p 位点对钾亲和力较弱，e 位点的电荷键合钾的能力比p 位点强，i 位点对钾亲和力较强[20]。黏土矿物固定的钾能够释放到土壤溶液中，释放速率为p 位点＞e 位点＞i 位点。因此，p 位点、e 位点、i 位点钾含量可以表征土壤钾释放速率的快、中、慢[16]。土壤pH、含水量、黏土矿物类型[21]、解钾微生物(如解钾细菌)[22-23]、养分管理措施[24]等因素显著影响土壤钾释放速率。长期不施肥或施肥不平衡削弱土壤供钾能力并降低土壤钾素释放速率[25]。研究土壤钾素存在位点、钾素释放过程，有助于明晰长期施用化肥配施有机肥对土壤供钾能力的影响。

本研究基于2007年在赤红壤旱地上建立的长期定位施肥试验[7,13]，分析土壤钾素表观平衡、钾含量和库容、钾素存在位点、钾素释放过程，全面探讨花生-甘薯轮作体系下长期施用化肥和化肥配施有机肥对土壤供钾容量和强度的影响，旨在为赤红壤旱地土壤培肥和作物高产稳产的养分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

该长期定位试验设在福建省莆田市秀屿区笏石镇东华村(25°19′4.31″N，119°05′9.10″E)。该地区属亚热带海洋性季风气候，年均日照时数1996 h，年均气温16℃～21℃，年均降雨量900～1300 mm。供试土壤为赤红壤发育的旱地土壤，土壤类型为灰赤沙土，土层深厚，质地砂壤。种植制度为花生-甘薯轮作，花生4月上旬播种、7月下旬收获，甘薯8月上旬栽种、12月底收获。定位试验从2007年3月花生季开始延续至今。试验前表层土壤pH[m(土)∶m(水)=1∶2.5]5.73、有机质含量17.10 g/kg、全氮含量1.72 g/kg、碱解氮含量151 mg/kg、全磷含量0.670 g/kg、Olsen-P 含量15.6 mg/kg、全钾含量12.5 g/kg、非交换性钾含量192 mg/kg、交换性钾含量84.5 mg/kg。2021年花生季开始前不施肥处理表层土壤pH [m(土)∶m(水)=1∶2.5]6.29、有机质含量20.5 g/kg、碱解氮含量62.4 mg/kg、Olsen-P 含量8.73 mg/kg、非交换性钾含量212 mg/kg、交换性钾含量32.0 mg/kg。

1.2 试验处理

试验设置5 个处理：不施肥对照(CK)、只施化肥(NPK)、化肥+商品有机肥(NPK+CM)、化肥+当地猪粪堆肥(NPK+PM)、化肥+水稻秸秆(NPK+RS)。试验3 次重复，小区面积19.6 m2，随机区组排列。供试化肥为尿素(N 46% )、过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)，商品有机肥(N + P2O5+ K2O ≥5%)购自福州农普农业科技开发有限公司，猪粪堆肥N、P2O5、K2O 含量分别为0.38%、0.16% 和0.30%，水稻秸秆N、P2O5、K2O 含量分别为0.91%、0.13%和1.89%。依据当地化肥推荐量，花生季N、P2O5、K2O 施用量分别为75、60、90 kg/hm2，甘薯季分别为180、60、225 kg/hm2。3 个化肥有机肥配合试验氮磷钾总投入量与化肥处理相同，有机肥用量按氮肥量的1/3 计算，磷钾不足部分由化肥补足。小区间筑水泥田埂隔开，田埂露出地面20 cm、埋入地下30 cm，每个小区可独立排灌。定位试验开始前，采集基础土样，按照常规方法测定土壤基本理化性质。

1.3 植株样品采集和分析

2021年花生收获时，调查花生茎叶、荚果产量，并测定茎叶和荚果钾含量；甘薯收获时，调查甘薯茎叶、薯块产量，并测定茎叶和薯块钾含量。钾含量采用H2SO4-H2O2消煮—火焰光度法测定[26]。钾吸收量为茎叶或荚果、薯块干重乘以其钾含量，钾总吸收量为茎叶和经济部位钾吸收量之和。土壤钾素表观平衡为投入肥料钾量减去作物钾吸收总量。

1.4 土壤样品采集和分析

2021年甘薯收获前，按照五点法采集各小区土壤样品，取样点为2 株甘薯植株中间位置[7]，取样深度为0—20 cm。土壤样品风干过筛后，测定土壤理化性状和各钾素形态含量[26]。水溶性钾、非交换性钾、交换性钾分别采用去离子水浸提、1 mol/L 硝酸浸提、1 mol/L 乙酸铵浸提，火焰光度法测定。

土壤黏土矿物吸附点位钾含量的测定。取2.5 g土样用1 mol/L 热硝酸浸提，测得酸溶性钾。取2.0 g土样依次采用去离子水20 mL、0.5 mol/L 氯化钙20 mL、1 mol/L 乙酸铵20 mL 浸提后离心(150 r/min震荡30 min，4500 r/min 离心8 min)，记录每次离心管重量和上清液钾浓度，测定水溶性钾、p 位钾、e 位钾、i 位钾含量[16]。

土壤钾释放动力学测定。取1.0 g 土样，加入0.2 mol/L 四苯硼钠与0.01 mol/L 乙二胺四乙酸的混合提取液3 mL，分别震荡提取0.5、1.5、4、6、12、24、48、96 h，加入0.5 mol/L 氯化铵和0.14 mol/L氯化铜的混合溶液25 mL 终止反应，充分混匀后沸水浴1 h，4500 r/min 离心10 min 获得上清液，采用火焰光度法测定上清液钾浓度[16,18]。取2.0 g 土样，加入0.005 mol/L 柠檬酸与0.005 mol/L 草酸的混合提取液20 mL，培养1～1008 h，分别在1、8、10、32、48、72、96、120、168、216、264、336、432、528、624、720、816、912、1008 h 取样，4500 r/min离心10 min 获得上清液，采用火焰光度法测定上清液钾浓度[16,18]。选择4 种常见的动力学方程，即一级方程、Elovich 方程、幂函数方程、抛物线方程[16,27]，拟合土壤钾随时间的累积释放量，方程的拟合优度采用决定系数(R2)来检验，R2越大表明拟合越好。

1)一级方程：y=a×(1-e(-bx))

2)Elovich 方程：y=a+b×ln(x)

3)幂函数方程：y=axb

4)抛物线方程：y=a+bx0.5

式中，y为钾累积释放总量(mg/kg)；x为提取时间(h)；a、b 为动力学模型参数。

1.5 统计分析

使用SPSS 22.0 进行统计分析[28]。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)对两组以上数据进行统计分析，采用Turkey’s 检验进行差异显著性分析(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 长期施用有机肥对土壤钾素表观平衡的影响

由表1 可知，长期不施肥处理(CK)钾素亏缺严重，周年亏缺达23.5 kg/hm2。施肥处理以NPK、NPK+CM 的土壤钾素盈余较高，分别为249.9 和237.2 kg/hm2，NPK+PM、NPK+RS 处理盈余量较低，分别为177.2 和172.3 kg/hm2。原因是NPK+PM、NPK+RS 处理较NPK 和NPK+CM 提高了花生和甘薯的钾素吸收总量，因而提高了输出量。

表1 不同施肥处理的土壤周年钾素表观平衡(kg/hm2)Table 1 Annual soil potassium apparent balance under various fertilization treatments

2.2 长期施用有机肥对土壤钾素形态的影响

由图1 可知，施肥处理提高了土壤水溶性钾、交换性钾、非交换性钾含量。水溶性钾是以离子形态存在于土壤溶液中的钾，可以被植物根系直接吸收，是土壤中活性最高的钾，反映了土壤的供钾强度。各处理土壤水溶性钾含量由高至低为NPK+RS(75 mg/kg)＞NPK+PM(47 mg/kg)＞NPK+CM(13 mg/kg)＞NPK(4 mg/kg)≈ CK(2 mg/kg)，表明长期化肥配施秸秆或猪粪可提高土壤的供钾强度，而只施化肥没有提高土壤钾的供应强度。其中，NPK+PM 或NPK+RS 处理的土壤水溶性钾含量较CK 分别提高45.0 和71.7 mg/kg，较单施化肥分别提高43 和70 mg/kg。

图1 不同施肥处理土壤各形态钾含量Fig.1 Potassium content in soils under various fertilization treatments

交换性钾一般指土壤胶体表面非特殊吸附的钾和位于云母类矿物风化边缘及楔形区域内可被H+、NH4+交换，但不能为Ca2+、Mg2+等交换的特殊吸附的钾。交换性钾容易被释放到土壤溶液中，与水溶性钾保持快速的动态平衡关系，反映了土壤的供钾容量[29]。各处理土壤交换性钾含量由高至低为NPK+RS≈NPK+PM＞NPK+CM≈NPK＞CK，其中NPK+RS 和NPK+PM 处理最高，分别为119 和116 mg/kg，较CK 分别提高75.0 和72.3 mg/kg，较NPK 处理分别提高31 和28 mg/kg。表明长期化肥配施秸秆或猪粪可提高土壤的供钾容量。

非交换性钾是指被2∶1 型层状黏土矿物固定的钾离子，不能直接被其它土壤阳离子交换进入土壤溶液，必须由层间转入双电层成为交换性钾，且转化缓慢，反映了土壤的供钾潜力[17-18,20]。各处理土壤非交换性钾含量由高至低为NPK+PM＞NPK+RS＞NPK+CM＞NPK＞CK，其中NPK+PM 处理最高(481 mg/kg)，其次为NPK+RS 处理(409 mg/kg)。NPK+PM 和NPK+RS 处理的土壤非交换性钾含量较CK 分别提高260 和188 mg/kg，较NPK 处理分别提高216和144 mg/kg。因此，长期化肥配施秸秆或猪粪可提高土壤的供钾潜力。

2.3 长期施用有机肥对土壤黏土矿物吸附点位钾的影响

由图2 可知，在3 个位点钾中，各处理组p 位点钾含量均最低，占比7.86%～16.83%；其次是e 位点钾，占比10.42%～26.77%；最高的是i 位点钾，占比56.39%～80.61%。

图2 不同施肥处理土壤黏土矿物的不同位点钾素占比和含量Fig.2 Potassium proportion and content at different sites of soil clay minerals under various fertilization treatments

与CK 相比，NPK 和NPK+CM 处理对p 位点、e 位点钾含量没有显著影响，而NPK+PM 和NPK+RS 处理p 位点钾含量分别提高了25 和36 mg/kg，e 位点钾含量分别提高58 和66 mg/kg(P＜0.05)。NPK、NPK+CM、NPK+RS 处理对i 位点钾含量没有显著影响，NPK+PM 处理的i 位点钾含量较CK 显著提高了132 mg/kg(图2)。

进一步分析矿物吸附点位钾的比例(图2 和图3)。与CK 相比，NPK 和NPK+CM 对p 位点、i 位点、e 位点钾的比例没有显著影响；NPK+PM 提高e 位点钾的比例；NPK+RS 显著提高p 位点和e 位点钾的比例，显著降低i 位点钾的比例。综合矿物吸附点位钾含量及其比例结果，长期化肥配施猪粪(NPK+PM)能够提高土壤黏土矿物各位点的钾含量；长期化肥配施秸秆(NPK+RS)能够提高p 位点、e 位点钾含量及比例。

图3 不同施肥处理土壤黏土矿物各位点钾含量比例三元图Fig.3 Ternary diagram of potassium proportion at different sites of soil clay minerals under various fertilization treatments

2.4 长期施用有机肥对土壤钾释放动力学的影响

由图4 可知，以有机酸和四苯硼钠为提取剂，土壤钾的快速释放期分别为48 和12 h，土壤钾释放维持时间为1008 和96 h。

图4 不同施肥处理土壤钾素随浸提时间的累积释放量Fig.4 Cumulative K release of soil with extracting time under various fertilization treatments

在缺钾胁迫下，植物根系能够分泌有机酸(如柠檬酸、草酸等)，通过酸化、配位交换和还原作用活化土壤矿物态钾[30]。低分子有机酸可用于模拟缺钾条件下植物根系对钾的活化，可用于评估养分缺乏时土壤的供钾能力[16]。而四苯硼钠可用于提取土壤非交换性钾，其持续提取过程可模拟植物根系对钾的耗竭吸收，用于评估土壤钾的生物有效性[16,18]。由表2可知，以有机酸为浸提剂，土壤钾快速释放期(0～48 h)的各处理土壤钾释放量为NPK+PM＞NPK+RS＞NPK+CM＞NPK＞CK，缓慢释放期(48～1008 h)的各处理土壤钾释放量为NPK+PM＞NPK+RS＞NPK+CM＞NPK ≈ CK。在所有处理中，NPK+PM 快速释放期和缓慢释放期的钾释放速率最高，其次是NPK+RS。以四苯硼钠为浸提剂，各处理土壤钾快速释放期(0～12 h)的释放量为NPK+PM 与NPK+RS 相当，二者均显著高于其它处理，NPK+CM 处理又显著高于NPK 和CK 处理，而NPK 处理与CK 之间无显著差异；各处理钾的总释放量和释放速率高低顺序与快速期相同，但NPK 处理的释放量和释放速率显著高于CK。总的来看，NPK+PM 和NPK+RS 处理土壤钾的生物有效性最高，NPK+CM 处理次之，NPK 处理又次之。因此，长期化肥配施猪粪或秸秆是提高土壤供钾能力和生物有效性的有效措施。

表2 不同施肥处理土壤缓效钾释放量和释放速率Table 2 The amount and rate of non-exchangeable K released from soils under various fertilization treatments

利用一级方程、Elovich 方程、幂函数方程、抛物线方程拟合土壤钾随时间的累积释放量。有机酸提取48 h 内，Elovich 方程、幂函数方程的R2较高，而在48～1008 h，一级方程、幂函数方程的R2较高。四苯硼钠提取条件下，0～96 h 钾的累积释放以幂函数方程的R2最大，幂函数方程适用于拟合四苯硼钠提取条件下钾的累积释放(表3)。

表3 不同施肥处理的钾释放拟合模型Table 3 Fitted model of soil potassium release under various fertilization treatments

3 讨论

3.1 长期施用有机肥对土壤不同形态钾含量的影响

长期施肥试验能够更科学地反映肥料、土壤、作物间的关系，是研究作物产量和耕地质量的基础[16,31-32]。作物生长和土壤养分有效性受到土壤钾素固定与转化的影响。水溶性钾、交换性钾和非交换性钾分别反映着土壤的供钾强度、容量和潜力。长期施用化肥或者化肥配施商品有机肥、猪粪、秸秆能够提高土壤水溶性钾、交换性钾、非交换性钾含量(图1)。与单施化肥和化肥配施商品有机肥处理相比，化肥配施猪粪或秸秆处理的水溶性钾、交换性钾、非交换性钾含量明显提高，表明长期化肥配施秸秆或猪粪处理的土壤供钾强度、容量和潜力均高于单施化肥和化肥配施商品有机肥。猪粪中含有大量的矿质养分，施猪粪后大部分钾能以速效钾的形式释放到土壤中，在短时间内达到了土壤补钾的目的[5-6]。作物秸秆含有丰富的钾素，秸秆还田提高土壤中全钾、非交换性钾和交换性钾含量[6,33-34]。秸秆腐解伴随着矿物钾的释放和活化[35]。研究表明，长期秸秆还田也增加了稻麦轮作系统下土壤交换性钾和非交换性钾含量，提升土壤钾的平衡和供钾能力[33]。此外，长期施化肥增加了小麦-玉米轮作下土壤交换性钾和非交换性钾含量，化肥配施粪肥的交换性钾和非交换性钾含量更高[36-37]。由图1 可知，相比于单施化肥，长期施用化肥配施猪粪或秸秆后土壤交换性钾分别提升28 和31 mg/kg，而非交换性钾分别提升216 和144 mg/kg，与前人研究结论一致。已有研究或关注速效钾和缓效钾，或关注交换性钾和非交换性钾，对速效钾中的水溶性钾关注较少，主要是因为土壤中水溶性钾含量较低[15]。由图1 可知，相比于单施化肥，长期施用化肥配施猪粪或秸秆后土壤水溶性钾分别提升43 和70 mg/kg，表明水溶性钾的重要性。虽然猪粪和秸秆都能在短时间内达到补钾的目的，但是秸秆在腐解时释放的有机酸依旧能够促进钾的降解、转化和释放[38]。由图1 可知，相比于化肥配施猪粪，化肥配施秸秆对水溶性钾的提升效果更好，高27 mg/kg，也证明了这一点。在不同形态的钾中，非交换性钾含量高，能够缓慢转化为交换性钾，是衡量土壤供钾潜力的主要指标。由图1可知，相比于化肥配施秸秆，化肥配施猪粪对非交换性钾的提升效果更好，高72 mg/kg，表明化肥配施猪粪最有利于提升土壤供钾潜力。

3.2 长期施用有机肥对土壤非交换性钾存在位点及钾释放特征的影响

土壤非交换性钾主要吸附于粘粒，粘粒固定的钾能释放到土壤溶液中，释放速率为粘粒矿物晶层表面(p 位点)＞特定的楔形边缘(e 位点)＞含钾2∶1 层状黏土矿物层间(i 位点)[16,20-21]。由图2 可知，长期化肥配施猪粪或秸秆处理显著提高p 位、e 位钾含量，表明长期化肥配施猪粪或秸秆处理盈余的钾素能固定在粘粒矿物晶层表面(p 位点)和特定的楔形边缘(e 位点)，更易于快速地向土壤中释放钾。i 位点钾是植物潜在钾库，可转化为植物易吸收态钾。研究表明，在稻麦轮作系统下，秸秆还田增加的非交换性钾素主要分布在i 位点，少量分布在p 位点，但不影响p 位点、e 位点和i 位点钾的比例[16]。与此不同的是，长期施用化肥配施秸秆对i 位点钾含量没有显著影响，降低i 位点钾的比例，同时提高p 位点和e 位点钾的含量和比例(图2)。由图2 可知，相比于化肥配施秸秆，化肥配施猪粪对i 位点钾含量及所占比例提升效果更好，表明长期化肥配施猪粪更有利于扩大土壤潜在钾库。此外，相比于单施化肥和化肥配施商品有机肥，化肥配施猪粪处理土壤增加的非交换性钾主要分布在矿物层间(i 位点)，其次是楔形边缘(e 位点)和矿物表面(p 位点)(图2)，表明长期化肥配施猪粪处理的土壤钾素释放能力和潜在钾库容量均高于单施化肥和化肥配施商品有机肥。相比于单施化肥和化肥配施商品有机肥，化肥配施秸秆处理增加的非交换性钾主要分布在楔形边缘(e位点)和矿物表面(p 位点)(图2)，表明长期化肥配施秸秆的土壤钾素释放能力高于单施化肥和化肥配施商品有机肥。低分子有机酸提取能模拟缺钾条件下植物根系对钾的活化，可用于评估养分缺乏时土壤的供钾能力[39-40]。四苯硼钠提取能模拟植物根系对钾的耗竭吸收，可用于评估土壤钾的生物有效性[16,18]。由图4 和表2 可知，在有机酸或四苯硼钠条件下，土壤钾素释放均存在一个快速释放期，且长期化肥配施猪粪或秸秆处理土壤的钾释放速率和累积释放量高于只施化肥，与化肥配施猪粪或秸秆处理粘粒矿物晶层表面(p 位点)钾含量较高的结果一致，表明化肥配施猪粪或秸秆处理土壤钾的生物有效性更高。粘粒矿物晶层表面钾耗尽后，特定的楔形边缘钾(e 位点)以及随后的含钾2∶1 层状黏土矿物层间(i 位点)的钾释放，即钾素缓慢释放阶段。由图4 和表2 可知，在缓慢释放阶段，长期化肥配施猪粪或秸秆处理土壤的钾释放速率和累积释放量高于只施化肥，与化肥配施猪粪或秸秆处理楔形边缘(e 位点)钾含量较高的结果一致。因此，长期施用化肥配施猪粪或秸秆能够提高土壤的供钾能力和钾的生物有效性，与提高的作物产量和钾吸收量一致。

4 结论

花生-甘薯轮作体系下，长期施用化肥或化肥有机肥配施均可保证土壤表观钾素平衡扭亏为盈，但是长期只施化肥不能提高土壤钾的供应强度和容量，也不能增加钾的供应潜力。与单施化肥和化肥配施商品有机肥相比，化肥配施猪粪或秸秆可有效提升土壤水溶性钾、交换性钾素、非交换性钾含量，化肥配施猪粪增加的钾位于黏土矿物层间、楔形边缘和矿物表面，化肥配施秸秆增加的钾主要位于楔形边缘和矿物表面。缺钾条件下，化肥配施猪粪土壤钾的生物有效性最高，钾充足条件下，化肥配施猪粪与配施秸秆的土壤钾的生物有效性没有明显差异，但均高于化肥单施。