水分管理方式對寒地稻田土壤鉀的影響

?

水分管理方式對寒地稻田土壤鉀的影響

孫磊1, 2，徐姍姍2, 3，韓利萍2，畢詩婷2，羅盛國2

（1.中國科學院南京土壤研究所土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京210008;

2.東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱150030；

3.孫吳縣農業(yè)局，黑龍江黑河164299）

摘要：通過室內模擬試驗，研究干濕交替和長期淹水對黑龍江省廣泛分布的四種類型水稻土鉀淋洗損失和不同形態(tài)鉀含量的影響。結果表明，不同類型水稻土鉀淋洗量隨干濕交替次數增加或淹水時間的延長而增加，除草甸土在干濕交替處理下鉀淋洗量高于淹水處理外，其他三種土壤在連續(xù)淹水條件下的鉀淋洗量均高于干濕交替處理，且白漿土>黑土>暗棕壤。與連續(xù)淹水相比，干濕交替有利于外源鉀在表土層積累，同時促進黑土、白漿土和草甸土中緩效鉀釋放，但減弱暗棕壤中緩效鉀的釋放。因此，為提高土壤中有效鉀供給量，減少鉀的淋洗損失，白漿土型水稻土和黑土型水稻土宜采取干濕交替的水分管理方式，草甸土型水稻土和暗棕壤型水稻土可適當延長淹水時間。

關鍵詞：水稻土；寒地；干濕交替；水分管理；鉀

網絡出版時間2015-3-13 15:21:00

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150313.1521.003.html

孫磊,徐姍姍,韓利萍,等.水分管理方式對寒地稻田土壤鉀的影響[J].東北農業(yè)大學學報, 2015, 46(3): 15-20.

黑龍江省是我國優(yōu)質粳稻主產區(qū)，水稻商品率達75%[1]。雖然近年來水稻產量提高很快，但是水稻倒伏和病害較重，單產波動較大。鉀素對于增強作物抗倒伏和抗病性具有重要作用[2]，在我國大多數地區(qū)，缺鉀已成為限制農業(yè)生產連續(xù)發(fā)展的重要因素之一[3]。水稻是喜鉀作物，特別是對于雜交水稻，充足的鉀素可有效提高水稻產量和品質[4-5]。干濕交替的稻田水分管理方式，可有效改善稻田土壤氧化還原狀況，提高稻田土壤中肥料利用效率[6]，且這一過程還將影響稻田土壤速效鉀含量及緩效鉀釋放[7]。對于不同土壤類型，干濕交替頻率對土壤鉀素有效性的影響是合理利用土壤鉀及確定鉀肥合理施用的參考依據。白漿土、黑土、暗棕壤和草甸土是黑龍江省主要稻田土壤類型，關于干濕交替對寒地稻田土壤鉀素有效性影響尚未見報道。黑龍江省近年來稻田土壤出現嚴重的鉀素虧缺現象[8]，一半以上稻田土壤出現土壤鉀素供應不足情況，本試驗通過室內模擬稻田土壤干濕交替和連續(xù)淹水的水分管理方式，研究干濕交替和連續(xù)淹水對不同類型稻田土壤鉀淋洗損失和緩效鉀釋放的影響。為確定合理評價寒地稻田土壤鉀素供應能力，充分發(fā)揮稻田土壤供鉀潛力、科學施用鉀肥、有效提高鉀肥利用率提供理論依據。

1　材料與方法

1.1供試土壤

暗棕壤型水稻土、黑土型水稻土、草甸土型水稻土和白漿土型水稻土分別取自黑龍江省水稻主產區(qū)寧安、慶安、五常和建三江0~20 cm耕層土壤。土壤經自然風干后，研磨過2 mm篩備用。土壤基本理化性質見表1~2。

表1　供試土壤基本理化性質Table 1　Physical and chemical properties of soils studied

表2　供試土壤中的粘粒及粘土礦物含量Table 2　Clay and minerals contents of the tested soils

1.2試驗設計

1.2.1干濕交替處理

在自制的5 cm（D）×30 cm (h)玻璃管（見圖1）底部鋪上1 cm石英砂，然后根據四種土壤容重，分別裝入不同土壤樣品400~440 g，保證土柱高20 cm，3次重復。

為使土柱沉實并排除土柱中空氣，第1次用蠕動泵從土柱下方注水（以后均從土柱上方進水）。在室溫條件下保持土柱表面1 cm水層，進行72 h淹水處理。淹水培養(yǎng)結束后，通過調節(jié)玻璃管下端活塞，以30滴·min-1速度將土柱中水分從下部排水管排出，并收集于塑料瓶中，用于測定淋洗液中鉀含量，12 h后停止排水。將排水后土柱在恒溫培養(yǎng)箱中40℃培養(yǎng)72 h（表層1~2 cm深度內有裂隙），完成干處理。在第2次和第7次干濕交替后，根據土壤基礎肥力和寒地水稻推薦施肥量[9]施入氯化鉀，氯化鉀施用量草甸土和白漿土為0.15 g·柱-1，黑土和暗棕壤為0.09 g·柱-1。然后按上述方法進行12次干濕交替處理，處理結束后將各土壤按0~5、5~10、10~15和15~20 cm分段進行風干、過篩處理，并分別測定各段土壤中速效鉀和緩效鉀含量，培養(yǎng)周期3個月。1.2.2連續(xù)淹水處理

圖1　玻璃管Fig. 1　Glass column

該處理土柱同干濕交替處理土柱在同樣環(huán)境條件下進行培養(yǎng)，干濕交替處理進行烘干處理時，連續(xù)淹水處理土柱按上法將水放掉，但立即加水保持1 cm水層繼續(xù)培養(yǎng)。

干濕交替處理和連續(xù)淹水處理均為3次重復。

1.3測定方法

土壤粘粒含量測定：土壤樣品用稀鹽酸去除碳酸鹽，濃H2O2去除有機質，用0.5 mol·L-1NaOH調節(jié)懸浮液pH為7.3，以自由沉降法提取<2 μm粘粒并稱重，計算土壤中<2 μm粘粒含量。

粘土礦物組成及含量測定：用檸檬酸鈉-碳酸氫鈉-連二亞硫酸鈉祛除<2 μm粘粒中游離氧化鐵，Mg2+飽和后，用甘油水溶液將樣品制成定向薄膜，用日本理學D/max-ⅢC進行X衍射分析礦物組成；>2 μm顆粒經磨細后，直接進行X射線衍射分析礦物組成。根據試樣衍射圖譜中各種礦物特征衍射峰強度比估算其礦物含量。

土壤速效鉀用1 mol·L-1中性HN4OAc浸提-火焰光度計法；酸溶性鉀用1 mol·L-1熱HNO3浸提-火焰光度計法，緩效鉀根據土壤酸溶性鉀和速效鉀差值可得；淋洗液中鉀用火焰光度計直接測定[10]。

數據分析處理采用Excel 2003和DPS 7.05軟件完成。

2　結果與分析

2.1干濕交替和連續(xù)淹水對土壤鉀淋洗的影響

由圖1可見，不同類型水稻土鉀淋洗量均隨干濕交替次數增加或淹水時間延長而增加。施肥前連續(xù)淹水處理和干濕交替處理白漿土鉀淋洗量差異不大，但在施肥后，干濕交替處理鉀淋洗量僅略有增加，而連續(xù)淹水處理鉀淋洗量則為干濕交替處理的2~3倍。黑土在第2次施肥前，不同水分管理方式對鉀淋洗量影響不大，但第2次施肥后連續(xù)淹水處理鉀淋洗量開始顯著高于干濕交替處理，從第11個處理周期開始，兩種水分管理方式差異開始縮小。連續(xù)淹水的暗棕壤鉀淋洗量在施肥前后均略高于干濕交替處理，從第11個處理周期開始，兩種水分管理方式出現相反結果，但二者差異始終未達到顯著水平。草甸土與其他土壤表現不同，在第2次施肥前，不同水分管理方式對草甸土鉀淋洗量影響不大，第二次施肥后，干濕交替處理的鉀淋洗量則顯著高于連續(xù)淹水處理（P< 0.05）。通過計算試驗期間不同水分管理方式對不同類型水稻土鉀淋洗量表明，四種土壤中，白漿土的鉀淋洗量最高，且連續(xù)淹水白漿土鉀淋洗量約為干濕交替處理的2.5倍，差異達到極顯著水平（P<0.01），連續(xù)淹水黑土鉀淋洗量顯著高于干濕交替處理鉀淋洗量（P<0.05），連續(xù)淹水草甸土鉀淋洗量顯著低于干濕交替處理（P<0.05），只有暗棕壤在兩種水分管理條件下鉀淋洗量差異不顯著。但從土壤中速效鉀含量和鉀淋洗量可知，四種土壤中白漿土對鉀的保持能力弱于其他土壤。

2.2干濕交替對不同類型水稻土中鉀含量的影響

由表3可見，由于施用鉀肥，四種土壤速效鉀含量均有增加。與連續(xù)淹水處理相比，干濕交替無一例外均增加0~5 cm土壤速效鉀含量。不同水分管理方式對白漿土速效鉀含量影響差異達到5%顯著水平，這是由于連續(xù)淹水加速溶液中鉀向下移動速率，增加淋洗損失風險，而干濕交替導致土壤頻繁進行脹縮變化，促進鉀向片層間移動。因而淋洗較弱，但由于時間較短，所以片層對鉀固定并不牢固，一旦淹水，鉀又會快速釋放出來，結果導致干濕交替處理0~5 cm土層速效鉀含量較高。而5 cm以下受干濕交替影響不大，因此兩種處理在5 cm以下土層中速效鉀含量差異也較小。但是由于連續(xù)淹水處理促進鉀向下層淋洗，所以5 cm以下土壤中速效鉀含量略高于干濕交替處理。草甸土雖然與白漿土施肥量一樣，但是不同水分管理方式對草甸土在0~5 cm土壤中速效鉀含量影響未達顯著水平。這可能是因為草甸土有機質含量和陽離子代換量高于白漿土，所以土壤對鉀吸持能力較高，因而減少鉀淋洗損失。由不同水分管理方式對草甸土鉀淋洗量影響見圖1。

由圖1可見，第1次施肥后，水分管理方式不同并沒有帶來鉀淋洗損失的差異。第2次施肥后，可能由于草甸土陽離子交換位點被鉀離子飽和，且草甸土中2?1型粘土礦物含量較低，導致土壤鉀淋洗量增加。由不同土層土壤中速效鉀含量可見，連續(xù)淹水處理土壤鉀向下層的移動性要略高于干濕交替。不同水分處理對黑土和暗棕壤不同土層速效鉀含量的影響有類似趨勢，但是由于黑土和暗棕壤原土中速效鉀含量較高，且土壤陽離子代換量較高，所以黑土和暗棕壤不同土層速效鉀含量均高于白漿土和草甸土。

圖1　不同水分管理對水稻土壤鉀淋洗量的影響Fig. 1　Effects of water management on amount of leached K in paddy soils

由不同水分管理方式對不同土層緩效鉀含量影響見表3，不同水分管理方式都降低土壤緩效鉀含量，這是由于四種土壤均含一定量的脹縮性粘土礦物，長期淹水或間歇淹水促進粘土礦物膨脹，因而促進晶層間緩效鉀釋放。對比不同水分管理方式下不同土層土壤中緩效鉀含量可見，干濕交替處理比連續(xù)淹水處理更有利于黑土中緩效鉀釋放，且水分管理方式對不同土層影響趨勢和強度較為一致，干濕交替處理條件下黑土中緩效鉀釋放量約為連續(xù)淹水處理的2倍。干濕交替處理對0~10 cm的影響大于對10~20 cm的影響，暗棕壤在干濕交替水分管理條件下0~10 cm土層緩效鉀的釋放量要低于連續(xù)淹水處理，而在干濕交替水分管理條件下10~20 cm土層緩效鉀釋放量高于連續(xù)淹水。干濕交替條件下，0~5 cm暗棕壤緩效鉀釋放量僅為其他三種土壤的60%~70%，而連續(xù)淹水條件下，0~5 cm暗棕壤緩效鉀釋放量則為其他三種土壤的4倍。由此可見，干濕交替有利于白漿土、黑土和草甸土中緩效鉀釋放，而連續(xù)淹水則有利于暗棕壤中緩效鉀釋放。

表3　不同水分管理方式下不同土層含鉀量Table 3　K amount of different layers under different water managements

3　討論與結論

水稻土是一種人工水成土，除自然因素外，灌溉、耕作和施肥等農業(yè)措施對水稻土發(fā)育起很大作用，這些措施會引起土壤一系列變化，對水稻土質量產生深刻影響[11-12]。在過去幾十年里，土壤鉀可持續(xù)問題很大程度被忽視[13]，隨著施鉀增產范圍擴大，土壤鉀素狀況、土壤鉀有效性和鉀肥對農作物影響的研究已引起土壤肥料領域高度重視[14]。土壤干濕交替及土壤濕潤或淹水時間長短均是影響鉀素固定的重要因素。徐國華等試驗表明，施用鉀肥以后，干濕交替作用可促進鉀素固定[15]；無論是否施鉀，鉀耗竭的風干土壤經過恒濕和淹水處理以后，交換性鉀均有下降，且淹水處理下降幅度大于恒濕處理。因為淹水改變土壤氧化還原狀況，進而影響土壤的固鉀能力。朱詠莉等研究表明干濕交替可顯著降低速效鉀含量[7]。由于稻田土壤較長時間處于淹水條件，使2?1型粘土礦物晶層長期處于膨脹狀態(tài)，有利于土壤緩效鉀釋放[7]。水分通過影響鉀素釋放和固定間接影響鉀素遷移[16]。本試驗結果表明，與連續(xù)淹水相比，干濕交替能在一定程度上減少白漿土、黑土和暗棕壤中速效鉀淋洗損失，提高土壤中速效鉀含量；而連續(xù)淹水可促進暗棕壤緩效鉀釋放，提高暗棕壤速效鉀含量。Kolahchi等研究表明，施入到土壤表層的鉀比土壤中可交換性鉀和礦物鉀更容易淋洗，但全部淋洗量未必皆來自施入鉀，如果鉀被施入到土壤耕層而不是表面，鉀損失會更大[17]。因此如果要提高土壤鉀含量，必須考慮影響鉀淋洗損失和鉀固定的因素[18-19]。

白漿土是一種透水不良低產土壤，且主要分布在黑龍江省，種植水稻是合理利用白漿土的有效方式。黑龍江省白漿土型水稻土鉀素處于虧缺狀態(tài)[20]，但是在種植水稻過程中，通常仍采用連續(xù)淹水水分管理方式，不但不利于稻田土壤的通氣，也加劇稻田土壤鉀淋洗損失。干濕交替水分管理方式不但有利于土壤通氣狀況，改善土壤物理性狀，同時也有效減少土壤速效鉀淋洗損失，促進緩效鉀的釋放，提高土壤鉀有效性。但無論是干濕交替還是連續(xù)淹水處理，均加劇土壤緩效鉀釋放，這對于維持土壤鉀可持續(xù)性不利。干濕交替不但可改善稻田土壤氧化還原狀況，還可有效減少白漿土型水稻土中鉀淋洗損失。而暗棕壤與白漿土正好相反，與干濕交替水分管理方式相比，長期淹水并無顯著降低暗棕壤速效鉀的淋洗損失，但是卻有效減少緩效鉀釋放。因此，為提高土壤鉀有效性，減少鉀淋洗損失，不同類型水稻土應依據土壤特性選擇適宜的水分管理方式。

本研究通過室內模擬試驗探討連續(xù)淹水和干濕交替對不同類型土壤鉀淋洗損失及不同土層深度速效鉀和緩效鉀的變化，因此與自然條件下土壤中鉀的變化會存在一定差異。此外，本試驗是在無種植植物條件下進行研究，忽略植被對鉀淋洗損失及形態(tài)轉化的影響。但通過在相同條件下對不同類型土壤中鉀行為變化，可為進一步研究提供一定參考。

[參考文獻]

[1]范鐵豐.淺談黑龍江水稻生產可持續(xù)發(fā)展[J].北方水稻. 2012, 42(2): 76-79.

[2]彭克明.農業(yè)化學總論[M].北京:中國農業(yè)出版社, 1980: 144-151.

[3]謝建昌,周健民.我國土壤鉀素研究和鉀肥使用的進展[J].土壤, 1999(5): 244-248.

[4]庫文珍,彭克勤,張雪芹,等.低鉀脅迫對水稻苗期礦質營養(yǎng)吸收和植物激素含量的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報, 2009, 15 (1): 69-75.

[5]楊國濤,謝崇華,張玲,等.不同氮、鉀配比對雜交水稻灌漿期直鏈淀粉積累的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報. 2009, 15 (2): 297- 302.

[6]孫永健,孫園園,劉樹金,等.水分管理和氮肥運籌對水稻養(yǎng)分吸收、轉運及分配的影響[J].作物學報, 2011, 37(12): 2221-2232.

[7]朱詠莉,劉軍,王益權,等.干濕交替過程對黃土高原幾種主要土壤鉀有效性的影響[J].土壤通報, 2002, 33(6): 435-437.

[8]彭顯龍,劉元英,羅盛國.寒地稻田鉀素狀況與平衡[J].東北農業(yè)大學學報, 2008, 39(1): 46-49.

[9]張福鎖.中國主要作物施肥指南[M].北京:中國農業(yè)大學出版社, 2009.

[10]魯如坤.土壤農業(yè)化學分析方法[M].北京:中國農業(yè)科技出版社, 1999: 180-181.

[11]Bhushan L, Sharma P K. Long-term effects of lantana (Lanta?naspp. L.) residue additions on soil physical properties under rice-wheat cropping I. soil consistency, surface cracking and clod formation[J]. Soil&Tillage Research, 2002, 65(2): 157-167.

[12]Muneshwar S, Singh V P, Reddy K S, et al. Effect of integrated use of fertilizer nitrogen and farmyard manure or green manure on transformation of N, K and S and productivity of rice-wheat sys?tem on a vertisol [J]. Journal of the Indian Society of Soil Science, 2001, 49(34): 430-435.

[13]Magnus S, Stefan A, Ylva A R. Potassium release and fixation as a function of fertilizer application rate and soil parent material[J]. Geoderma, 2007, 140: 188-198.

[14]廖育林,鄭圣先,魯艷紅,等.長期施鉀對紅壤水稻土水稻產量及土壤鉀素狀況的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報, 2009, 15(6): 1372-1379.

[15]徐國華,鮑士旦,史瑞和.生物耗竭土壤的層間鉀自然釋放及固定特性[J].土壤, 1995, 27(4): 182-185.

[16]占麗平,李小坤,魯劍巍,等.土壤鉀素運移的影響因素研究進展[J].土壤, 2012, 44 (4): 548-553.

[17]Kolahchi Z, Jalali M. Effect of water quality on the leaching of po?tassium from sandy soil[J]. Journal of Arid Environments, 2007, 68: 624-639.

[18]Jouany C, Colomb B, Bosc M. Long-term effects of potassium fer?tilization on yields and fertility status of calcareous soils of south-west France[J]. Eur J Agron, 1996(5): 287-294.

[19]Heming S D. Potassium balances for arable soils in southern Eng?land1986-1999[J]. Soil Use Management, 2004, 20: 410-417.

[20]叢萬彪.三江平原白漿土型水稻土氮磷鉀養(yǎng)分平衡的研究[J].中國農學通報, 2006, 22(2): 249-253.

Sun Lei, Xu Shanshan, Han Liping, et al. Effect of water management on potassium in paddy soil in cold region[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(3): 15-20. (in Chinese with English abstract)

Effect of water management on potassium in paddy soil in cold region/

SUN Lei1,2, XU Shanshan2, 3, HAN Liping2, BI Shiting2, LUO Shengguo2(1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, 210008, China; 2. School of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 3. Agriculture Bureau of Sunwu Country, Heihe Heilongjiang 164299, China)

Abstract:The simulated experiment was conducted to study the effects of alternation of drying and wetting as well as continuous flooding on potassium(K) leaching and K content of different forms in four popular paddy soils in Heilongjiang Province. The results showed that the amount of K leaching increased under the two water management pattern. Compare to the alternation of drying and wetting, the continuous flooding would aggravate the K leaching and the amount of K leaching followed the sequence, albic soil> black soil>dark brown soil, and the amount of K leaching affected by continuous flooding also in the same sequence. But for meadow soil, the treatment with the alternation of drying and wetting had a higher K leaching than continuous flooding. The alternation of drying and wetting was benefit for the accumulation of applied K in topsoil and the release of slow release K of albic soil, black soil, and meadow soil but not dark brown soil. So, in order to increase the availability of K in paddy soil and reduce K leaching from soil, the alternation of drying and wetting was suitable for albic soil and black soil, but meadow soil and

dark brown soil can have a little longer flooding time.

Key words:paddy soil; cold region; alternation of drying and wetting; water management; potassium

作者簡介：孫磊（1974-），女，副教授，博士，研究方向為養(yǎng)分有效性，E-mail:sunleilee@163.com

基金項目：土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室基金項目（0812000034）；東北農業(yè)大學科學研究基金（2008年）

收稿日期：2014-05-09

文章編號：1005-9369（2015）03-0015-06

文獻標志碼：A

中圖分類號：S511