長期施肥土壤鉀有效性與腐殖質(zhì)組分相關(guān)性研究

王振宙,王改蘭,張亮,聶斌,段建南,楊艷菊,熊靜

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖南長沙 410128)

栗褐土是褐土向栗鈣土過度的一個(gè)土類,主要分布于晉西北黃土丘陵區(qū),發(fā)育于黃土母質(zhì),含有豐富的含鉀礦物,全鉀含量比較高,平均在20 g·kg-1左右。然而,土壤中速效鉀的含量僅占全鉀的0.1%～2.0%,緩效鉀含量通常也只占全鉀的2%～8%,90%～98%的土壤鉀是以作物難以利用的礦物鉀存在[1],有效性低。而且當(dāng)?shù)亻L期以來施肥以氮肥為主,配施少量的磷肥或有機(jī)肥,幾乎不施鉀肥,由于受經(jīng)濟(jì)和地理等條件所限,再加上我國鉀肥資源匱乏,今后施用鉀肥也很有限。因此,提高土壤鉀的有效性對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展十分重要。鉀是植物的必需營養(yǎng)元素之一,有“品質(zhì)元素”之稱。土壤供鉀能力直接影響著植物的鉀營養(yǎng)狀況,進(jìn)而影響植物的產(chǎn)量與品質(zhì)。土壤向植物提供養(yǎng)分的能力并不直接決定于土壤中養(yǎng)分的貯量,而是決定于養(yǎng)分有效性的高低。土壤鉀的存在形態(tài)有礦物態(tài)鉀、非交換性鉀、交換性鉀和水溶性鉀,各種形態(tài)之間存在動(dòng)態(tài)平衡,其中,交換性鉀和水溶性鉀,容易被植物吸收利用,有效性高,非交換性鉀在水溶性鉀和交換性鉀被作物吸收或淋失濃度降低時(shí),可逐漸補(bǔ)充交換性鉀,提高鉀的有效性。

大量研究表明,長期施肥不僅影響土壤養(yǎng)分含量[2,3],對土壤腐殖質(zhì)含量和組成也有顯著影響[4],張付申報(bào)道了長期施肥條件下黃綿土氮、磷養(yǎng)分與土壤腐殖質(zhì)組分間的關(guān)系[5]。但有關(guān)長期施肥對土壤鉀有效性的影響以及土壤鉀有效性與土壤腐殖質(zhì)組分間的關(guān)系報(bào)道較少。為此,本研究利用栗褐土上20 a的長期定位試驗(yàn)就此問題開展探討,為當(dāng)?shù)睾侠硎┓?提高土壤鉀的有效性,改善植物鉀營養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤概況

試驗(yàn)于1988年布置在山西省河曲縣磚窯溝流域的沙坪村窯家嘴梁頂平地上,供試土壤按山西省第二次土壤普查分類為輕壤黃土質(zhì)淡栗褐土(土種),以中國土壤系統(tǒng)分類為黃土正常新成土(土類),1988年播種前測得試驗(yàn)地0～20 cm土壤基本理化性質(zhì):有機(jī)質(zhì)含量 5.64 g·kg-1,全氮0.445 g·kg-1,全磷為 1.23 g·kg-1,堿解氮13.95 mg·kg-1,速效磷 2.85 mg·kg-1,速效鉀87.0 mg·kg-1,陽離子代換量6.97 cmol·kg-1,pH 8.1,容重 1.2 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理:①對照(CK,不施肥);②單施氮肥(N);③氮磷肥混施(NP);④單施低量有機(jī)肥(M 1);⑤低量有機(jī)肥與氮肥混施(M 1N);⑥低量有機(jī)肥與氮磷肥混施(M 1NP);⑦高量有機(jī)肥與氮肥混施(M2 N);⑧高量有機(jī)肥與氮磷肥混施(M 2NP)。各處理施肥量見表 1。試驗(yàn)設(shè) 3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積24 m2,每年試驗(yàn)小區(qū)的處理不變。氮肥用含N 46%的尿素,磷肥用含P2O5 14%的過磷酸鈣,有機(jī)肥施用當(dāng)?shù)厝Ψ?其中有機(jī)質(zhì)含量平均為16.8%,全氮為0.6%,全磷(P2 O5%)為 0.3%,全鉀(K2 O%)為1.3%。種植作物為糜子(Panicum miliaceum)和馬鈴薯(Solanum tuberosum),兩種作物每年換茬輪作,耕作管理措施與大田相同。

表1 各處理的施肥量/kg·hm-2Table1 Application rates of the treatments/kg·hm-2

1.3 土壤樣品的采集與測定

試驗(yàn)于2008年作物播種前采集耕層(0～20 cm)土壤樣品,風(fēng)干過篩,測定全鉀、緩效鉀、速效鉀以及腐殖質(zhì)、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量。其中,土壤全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定,速效鉀含量采用1 mol·L-1中性NH4OAc浸提-火焰光度法測定,緩效鉀含量采用1 mol·L-1熱HNO3浸提-火焰光度法測定,土壤腐殖質(zhì)組分以磷酸焦鈉堿性溶液浸提-重鉻酸鉀氧化法測定[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對土壤鉀有效性的影響

土壤速效鉀包括水溶性鉀和交換性鉀,是衡量土壤鉀有效性的主要指標(biāo),土壤緩效鉀即非交換性鉀,是土壤速效鉀的儲(chǔ)備,常用來衡量土壤的潛在供鉀能力。栗褐土經(jīng)過20 a的施肥,土壤速效鉀和緩效鉀含量如圖1所示。由圖1可以看出,無論是速效鉀還是緩效鉀含量處理間差異十分明顯,而且二者表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。與對照相比,除單施氮肥(N)和氮磷肥混施(NP)的處理無顯著差異外,5個(gè)施有機(jī)肥的處理(包括單施和配施)均有大幅度提高,其中施高量有機(jī)肥的2個(gè)處理(M2 N、M2NP)高于施低量有機(jī)肥的3個(gè)處理(M 、M 1N 、M1NP)。M 、M1N 、M1NP 、M2N 、M2NP 5個(gè)處理的速效鉀含量達(dá)161.2～246.3 mg·kg-1,依次較對照增加 123.9%、100.2%、91.8%、192.9%和199.4%,緩效鉀含量為 836.9～937.67 mg·kg-1,依次較對照增加了17.2%、17.3%、14.0%、25.7%和27.8%。速效鉀和緩效鉀之和依次較對照增加 28.18%、25.78%、22.02%、42.89%和45.40%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,上述5個(gè)處理的速效鉀和緩效鉀含量與對照間差異極顯著,M2N 、M2NP與M 、M1 N 、M 1NP之間的速效鉀差異極顯著,緩效鉀差異顯著,而M 、M1N 、M1NP之間的速效鉀和緩效鉀差異不顯著。上述結(jié)果表明,長期單獨(dú)施用氮肥或氮肥與磷肥配施,對栗褐土鉀的有效性無明顯影響,長期施用有機(jī)肥可有效提高栗褐土鉀的有效性。對施化學(xué)鉀肥條件差的黃土丘陵地區(qū)來說堅(jiān)持施用有機(jī)肥無疑是改善土壤供鉀能力的有效途徑。

圖1 不同處理土壤速效鉀和緩效鉀含量Fig.1 Contents of readily and slowly available soil potassium in the treatments

表2 不同處理土壤有效性鉀的比例Table2 Ratios of available soil potassium in the treatments

由表2還可以看出,栗褐土在長期不施肥的情況下,速效鉀占全鉀的比例只有0.44%,緩效鉀占全鉀的比例為3.83%,酸溶性鉀(速效鉀和緩效鉀之和)占全鉀的比例為4.27%。長期施用有機(jī)肥速效鉀占全鉀的比例明顯增加,施低量有機(jī)肥的3個(gè)處理是對照的2倍左右,施高量有機(jī)肥的2個(gè)處理接近于對照的3倍。緩效鉀占全鉀的比例增加幅度較小,5個(gè)施有機(jī)肥的處理較對照增加了13.6%～23.5%,酸溶性鉀占全鉀的比例提高到了5%～6%之間。由于速效鉀增加的幅度遠(yuǎn)高于緩效鉀增加的幅度,因而,施有機(jī)肥的5個(gè)處理土壤速效鉀占緩效鉀的比例增加得也非常明顯,由對照的11.5%增加到了19.3%～26.8%。這進(jìn)一步表明了有機(jī)肥對提高栗褐土鉀有效性的積極作用。

2.2 土壤鉀有效性與土壤腐殖質(zhì)的相關(guān)性

土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分,一般分為胡敏酸、富里酸和胡敏素3個(gè)組分,又將富里酸和胡敏酸統(tǒng)稱腐殖酸。連續(xù)施肥20 a后栗褐土腐殖質(zhì)總量和各組分的含量見表3,土壤速效鉀和緩效鉀含量與土壤腐殖質(zhì)總量及其組分間的相關(guān)分析結(jié)果見表4。表4顯示,土壤速效鉀和緩效鉀與土壤腐殖質(zhì)總量及其組分間均存在線性正相關(guān),相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了極顯著水平。但相關(guān)系數(shù)有差異,速效鉀與緩效鉀相比,與土壤腐殖質(zhì)各組分的關(guān)系更密切,相關(guān)系數(shù)均在0.9084以上,達(dá)極顯著水平,緩效鉀的相關(guān)系數(shù)在0.8729以上,達(dá)極顯著水平;從速效鉀和緩效鉀與腐殖質(zhì)各組分的相關(guān)系數(shù)看,二者表現(xiàn)出相似的規(guī)律,總體上,與腐殖質(zhì)總量和腐殖酸的相關(guān)程度較高,其次為胡敏素,與胡敏酸和富里酸的相關(guān)程度較低。胡敏素與速效鉀和緩效鉀的相關(guān)程度高于胡敏酸和富里酸主要是存在量的優(yōu)勢,栗褐土耕層腐殖質(zhì)中,胡敏素占腐殖質(zhì)總量的74.3%～78.0%[7],腐殖酸和腐殖質(zhì)總量也具此理。腐殖質(zhì)含量與土壤速效鉀和緩效鉀的同步增長更有利于土壤有效鉀的保持和作物利用。

表3 土壤腐殖質(zhì)總量和各組分的含量/g·kg-1Table 3 Contents of the total soil humus and the humus fractions in/g·kg-1

表4 土壤腐殖質(zhì)組分與速效鉀、緩效鉀的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between soil humus f ractions and readily and slowly available K

3 結(jié)論與討論

(1)栗褐土長期單施氮肥或氮磷配施與對照相比對土壤鉀的有效性無明顯影響。

(2)長期施用有機(jī)肥可有效提高栗褐土鉀的有效性,連續(xù) 20 a每年施用 22 500 kg·hm-2的圈糞,土壤速效鉀含量較對照增加123.9%,緩效鉀含量增加17.2%,速效鉀與緩效鉀的比例由對照的11.5%提高到21.9%,速效鉀和緩效鉀合占全鉀的比例由對照的4.27%提高到5.31%,增加有機(jī)肥施用量效果更佳,有機(jī)肥配合施用氮肥和氮磷肥對其效果無明顯影響。

(3)腐殖質(zhì)總量及其組分與土壤速效鉀和緩效鉀間均有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。速效鉀與腐殖質(zhì)總量及其組分間的相關(guān)系數(shù)均在0.9084以上,緩效鉀的相關(guān)系數(shù)在0.8729以上。腐殖質(zhì)含量與土壤速效鉀和緩效鉀的同步增長更有利于土壤有效性鉀的保持和作物利用。

以往的研究表明,在本試驗(yàn)條件下,與不施肥相比,單獨(dú)施用氮肥和氮肥與磷肥混合施用作物產(chǎn)量顯著提高[8],因而由作物帶走的鉀應(yīng)明顯多于對照,但在本研究中這3個(gè)處理間土壤速效鉀和緩效鉀并無明顯差異,這可能與作物對礦物鉀的活化作用有關(guān)。一方面,作物對鉀的吸收會(huì)導(dǎo)致土壤溶液中鉀離子濃度的下降,打破土壤中各種形態(tài)鉀之間的平衡,促進(jìn)礦物鉀向水溶性鉀的轉(zhuǎn)化,另一方面,作物根系分泌物的有機(jī)酸如草酸、檸檬酸、酒石酸、蘋果酸等可促進(jìn)礦物鉀釋放[9,10]。

有機(jī)肥能提高土壤鉀的有效性,一方面是由于有機(jī)肥本身所含的鉀為速效性的,長期施用可補(bǔ)充土壤速效鉀;另一方面可能與長期施用有機(jī)肥提高了土壤腐殖質(zhì)含量,改善了腐殖質(zhì)品質(zhì)有關(guān)。因?yàn)?腐殖質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ),與土壤養(yǎng)分的保持和釋放密切相關(guān)。有大量研究表明,有機(jī)酸可通過酸溶作用和絡(luò)合作用促進(jìn)礦物鉀的釋放[11],胡敏酸和富里酸能溶解不抗分解的鉀長石[12],富里酸能引起云母礦物中鉀的釋放[13]等等。同時(shí)胡敏酸含有大量的功能團(tuán),如羧基、酚羥基和醇羥基等,這些功能團(tuán)可與土壤中的金屬離子、粘土礦物、水合氧化物發(fā)生相互作用,可以增加土壤吸收性能和保持養(yǎng)分、水分的能力,富里酸官能團(tuán)中酚羥基和甲氧基的數(shù)目比較多,對保持土壤養(yǎng)分也有一定作用。本研究顯示,不同處理土壤腐殖質(zhì)總量及其組分與土壤速效鉀和緩效鉀間有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系,由此可以推斷,長期施用有機(jī)肥對土壤鉀有效性的提高與土壤腐殖質(zhì)含量的增加有一定的關(guān)系。因此,在缺少鉀肥的黃土丘陵區(qū),應(yīng)積極開發(fā)有機(jī)肥資源,堅(jiān)持施用有機(jī)肥,以維持和提高栗褐土的供鉀能力。

[1]王改蘭,段建南,賈寧鳳,等.長期施肥對栗褐土鉀素含量的影響[J].中國土壤與肥料,2008(4):26-29.

[2]林治安,趙秉強(qiáng),袁亮,等.長期定位施肥對土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(8):2809-2819.

[3]林葆,林繼雄,李家康.長期施肥的作物產(chǎn)量和土壤肥力的變化[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),1994,試刊(1):6-18.

[4]史吉平,張夫道,林葆.長期定位施肥對土壤腐殖質(zhì)理化性質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35(2):174-180.

[5]張付申.婁土和黃綿土長期施肥的腐殖質(zhì)組分及其與肥力的關(guān)系[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),1997,6(3):33-36.

[6]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M]:北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000:25-38,99-109.

[7]張亮,王改蘭,段建南,等.長期施肥對栗褐土腐殖質(zhì)組分的影響[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,30(1):5-8.

[8]段建南,趙麗斌,王改蘭,等.長期施肥條件下土地生產(chǎn)力和土壤肥力的變化[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002(6):479-482.

[9]崔建宇,王敬國,張福鎖.肥田蘿卜、油菜對金云母中礦物鉀的活化與利用[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),1999,5(4):328-334.

[10]李廷軒,馬國瑞,王易.籽粒莧根際土壤及根系分泌物對礦物鉀的活化作用[J].土壤通報(bào),2003,34(1):48-51.

[11]江長勝,楊劍虹.低分子量有機(jī)酸對紫色母巖中鉀釋放的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2002,8(4):411-446.

[12]Tan K H.The release of silicon,aluminum,and potassium during decomposition of soil minerals by humic acid[J].Soil Science,1980,129(1):5-10.

[13]Schnitzer M,and H Kodan.The dissolution of micas by fulvic acid[J].Geodermla,1976,15:381-391.