長期施用鉀肥對水旱輪作土壤供鉀特性的影響

黃帥，陳佛文，李繼福

(長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

鄒家龍

(湖北省荊州市荊州區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北 荊州 434025)

胡義濤，劉莉

(長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

李強(qiáng)

(湖北省荊州市荊州區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北 荊州 434025)

水旱輪作是我國重要的作物種植制度，主要應(yīng)用于長江流域和淮海流域稻作區(qū)，對全國糧食生產(chǎn)尤其南方稻區(qū)的糧食安全具有重大影響[1]。集約化、高產(chǎn)條件下，水旱輪作區(qū)因作物收獲帶走的鉀量(K2O)每年約210～360kg/hm2，長期重氮肥、輕磷鉀肥的施肥習(xí)慣，導(dǎo)致農(nóng)田系統(tǒng)鉀素虧缺較為嚴(yán)重[2～4]。自2005年測土配方施肥技術(shù)的應(yīng)用與推廣，農(nóng)田鉀素虧缺現(xiàn)象得到部分遏制，但科學(xué)施肥仍是該區(qū)域作物生產(chǎn)的重要措施。

作物吸收的鉀主要來自于土壤鉀庫，而土壤鉀素的有效利用受到諸多物理化學(xué)過程的調(diào)控，其中土壤對鉀素的固定作用是最重要的過程之一，土壤固鉀作用會導(dǎo)致鉀素的有效性降低[5]。關(guān)于鉀肥在土壤中的固定和釋放過程，目前已有的大量研究結(jié)果表明，即土壤固鉀量與土壤礦物特性及理化性質(zhì)(粘粒含量、CEC、非交換性鉀和速效鉀含量)有關(guān)[6～9]。例如，在某些土壤上，施用少量鉀肥沒有增產(chǎn)效果，就可能與土壤的固鉀能力較強(qiáng)有關(guān)，也可能受到土壤本身非交換性鉀釋放的影響[10,11]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，推薦鉀肥施用量不僅要考慮產(chǎn)量水平，還要考慮到不同類型土壤鉀素的固定和釋放[12,13]。短期肥效試驗(yàn)結(jié)果表明速效鉀含量和K+飽和度降低是導(dǎo)致土壤固鉀能力增強(qiáng)的主要因素，而緩效鉀含量與固鉀率相關(guān)性不顯著[14]。為此，筆者于2011年在江漢平原開展水稻-冬油菜鉀肥肥效定位試驗(yàn)，研究長期鉀肥施用量對土壤固鉀和釋放的影響，以為水旱輪作區(qū)鉀肥合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用水稻和油菜品種均為當(dāng)?shù)刂魍破贩N，分別為鄂科1號和華油雜15號。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)位于湖北省荊州市荊州區(qū)川店鎮(zhèn)(N 30.6°，E 112.1°，海拔75m)，為河流沖積物發(fā)育的水稻土。2011年水稻季開始進(jìn)行水旱輪作鉀肥適宜用量試驗(yàn)，采用一年兩熟的中稻-冬油菜輪作制。試驗(yàn)前耕層(0～20cm)土壤pH 5.62，含有機(jī)質(zhì)27.3g/kg、全氮0.75g/kg、有效磷8.4mg/kg、交換性鉀100.9mg/kg和非交換性鉀474.2mg/kg。土壤質(zhì)地分級(美國制)為粉粒55.4%、黏粒37.8%和砂粒6.8%，屬粉質(zhì)黏壤土[15]。

試驗(yàn)共設(shè)4個鉀肥用量水平，即0kg/hm2(K0)、45kg/hm2(K1)、90kg/hm2(K2)和180kg/hm2(K3)，其中K2為當(dāng)?shù)販y土配方推薦鉀肥施用量，水稻和油菜每季鉀肥用量均相同[15,16]。小區(qū)面積20m2，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。水稻和油菜的氮肥和磷肥施用量保持一致，分別為180kg/hm2和90kg/hm2；油菜季增施硼砂15kg/hm2。肥料品種有尿素(46% N)、過磷酸鈣(12% P2O5)、氯化鉀(60% K2O)和硼砂(11% B)。水稻季氮肥分3次施用，基肥∶蘗肥∶穗肥=2∶1∶1；磷肥和鉀肥在水稻移栽前基施。冬油菜季氮肥分3次施用，基肥∶越冬肥∶蕾薹肥=3∶1∶1；磷、鉀和硼肥在油菜移栽前基施。田間生產(chǎn)管理均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門的推薦措施進(jìn)行，并適時防治病蟲害。

1)土壤固鉀試驗(yàn) 取各處理耕層過0.85mm篩網(wǎng)土樣5g于50mL塑料瓶中，加5mL用KCl配制成含鉀量分別為0、80、160、400、800、1600、2400、3200、4000mg/L和4800mg/L的處理液，搖動混勻，室內(nèi)25℃恒溫靜置。風(fēng)干后，加50mL的1.0mol/L NH4OAc溶液，震蕩機(jī)上震蕩l0min，過濾，稀釋，用火焰光度法測定濾液鉀含量[5,14]。

固鉀量=外源鉀加入量-(加外源鉀NH4OAc浸提鉀量-未加外源鉀NH4OAc浸提鉀量)

固鉀率=(固鉀量/外源鉀加入量)×100%

2)土壤釋鉀試驗(yàn) 1.0mol/L NH4OAC提取鉀，取過0.85mm篩網(wǎng)土樣2.5g于50mL離心管中，加25.0mL的1.0mol/L NH4OAC溶液，振蕩15min，然后3200r/min離心15min，倒出上清液，測定鉀含量。再向離心管中加入25.0mL的1.0mol/L NH4OAC溶液，繼續(xù)震蕩、提取，反復(fù)15次，直至提取的鉀含量穩(wěn)定。將連續(xù)浸提的土壤鉀相加得到土壤鉀累積釋放量。1.0mol/L HNO3浸提鉀，方法與1.0mol/L NH4OAC浸提鉀相同，浸提液為1.0mol/L HNO3溶液。

1.3 樣品采集與測定

2017年5月3日冬油菜收獲時，按照S型采集各處理耕層土樣，混勻。將土樣用手掰成<10mm的土塊，自然風(fēng)干并剔除其中石塊、根系和雜質(zhì)，過0.85mm孔徑篩網(wǎng)、保存。土壤陽離子交換量(CEC)用乙酸銨交換法測定；速效鉀含量用1mol/L醋酸銨浸提—火焰光度法測定；緩效鉀含量用lmol/L熱硝酸浸提—火焰光度法測定[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016、SPSS軟件計算和處理，LSD法檢驗(yàn)P<0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同外源鉀濃度對各處理固鉀量和固鉀率的影響

各處理下的外源鉀固定量測定結(jié)果(圖1a)顯示，當(dāng)外源鉀加入濃度為80mg/L時，K0、K1、K2和K3處理的固鉀量分別為55、52、50mg/kg和47mg/kg，隨著外源鉀加入量達(dá)到2400mg/L，各處理的固鉀量均呈線性增加趨勢，增幅分別達(dá)到835%、835%、835%和781%。之后各處理固鉀量增幅則呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)外源鉀加入濃度達(dá)到最大值4800mg/L時，各處理的固鉀量依次分別為1321、1255、1189mg/kg和1057mg/kg。各處理的土壤固鉀率結(jié)果(圖1b)顯示，在外源鉀加入濃度為400mg/L時均達(dá)到最高值，依次分別為84%、79%、75%和67%；之后隨著外源鉀加入濃度的增加(400～4800mg/L)，固鉀率呈顯著降低的趨勢，且在同等外源鉀加入量下，各處理固鉀率表現(xiàn)為K0>K1>K2>K3。

圖1 不同外源鉀濃度下土壤固鉀量和固鉀率變化

2.2 土壤固鉀量與施鉀量的關(guān)系

土壤固鉀能力與鉀肥用量的擬合結(jié)果如圖2。結(jié)果顯示，固鉀量與施鉀量、固鉀率與施鉀率均呈顯著線性相關(guān)，表明土壤鉀素長期虧缺會提高土壤對外源鉀肥的固定，而適當(dāng)增加鉀肥用量可以有效降低土壤對外源鉀的固定能力，從而降低土壤固鉀率。

注：平均固鉀量為不同外源鉀加入量下固鉀量的平均值；平均固鉀率為不同外源鉀加入量下固鉀率的平均值。圖2 平均固鉀量、平均固鉀率與鉀肥用量的相關(guān)性

2.3 土壤固鉀率與土壤速效鉀、緩效鉀和K+飽和度的相關(guān)性

土壤固鉀率與土壤速效鉀、緩效鉀和K+飽和度的相關(guān)性分析結(jié)果(圖3)表明，在外源鉀加入濃度為80～4800mg/L的范圍內(nèi)，各處理的平均土壤固鉀率與速效鉀含量、緩效鉀含量和K+飽和度的方程擬合R2依次為0.994、0.972和0.997，均達(dá)到負(fù)相關(guān)極顯著水平。說明土壤有效鉀含量和K+飽和度均明顯影響土壤的固鉀能力。

注：平均固鉀率：不同外源鉀加入量下固鉀率的平均值。圖3 土壤速效鉀、緩效鉀和K+飽和度與平均固鉀率的相關(guān)性

圖4 不同浸提劑條件下土壤累積釋鉀量

2.4 NH4OAC溶液浸提次數(shù)對土壤鉀素累積釋放量的影響

土壤對當(dāng)季作物的供鉀量可以通過1.0mol/L NH4OAc連續(xù)浸提的土壤鉀素累積釋放量來反映。由圖4a可知，不同施鉀量處理土壤經(jīng)1.0mol/L NH4OAc溶液連續(xù)浸提后的鉀素累積釋放量均隨著浸提次數(shù)的增加而升高的趨勢，但鉀素累積釋放量的增幅卻隨著浸提次數(shù)的增加而逐漸減少。連續(xù)浸提11次時，K0、K1、K2和K3處理的鉀素累積釋放量分別達(dá)到121.4、135.2、169.7mg/kg和267.2mg/kg，之后維持在一個穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定態(tài)的鉀素累積釋放量結(jié)果表明，增加鉀肥施用量可顯著提高土壤的當(dāng)季供鉀能力，即表現(xiàn)為K3>K2>K1>K0。

2.5 HNO3溶液浸提次數(shù)對土壤鉀素累積釋放量的影響

釆用1.0mol/L硝酸溶液連續(xù)浸提各處理土壤的鉀素累積釋放量如圖4b所示。可以看出，隨著浸提次數(shù)的增加，各處理的釋鉀總量也呈增加趨勢，而土壤單次釋鉀量則逐漸減少。浸提13次后，各處理的鉀素累積釋放量依次分別為313.2、320.8、360.6mg/kg和409.7mg/kg，之后浸提次數(shù)增加，鉀素累積釋放量基本不變。這一方面表明各處理最初的釋放率較快，隨著浸提次數(shù)的增加，釋放率逐漸降低，另一方面也反映出鉀肥用量不足(K1處理)與不施鉀處理均會使土壤的供鉀能力降低。

3 討論與結(jié)論

雖然在農(nóng)田實(shí)際環(huán)境中土壤鉀素的固定與釋放過程均非常緩慢，但通過室內(nèi)模擬研究仍能反映土壤供鉀效應(yīng)的規(guī)律。本研究結(jié)果表明，在長期水旱輪作條件下，不施鉀肥(K0處理)和低量鉀肥(K1處理)施用均會引起耕層土壤速效鉀含量、緩效鉀含量和K+飽和度降低，從而導(dǎo)致鉀固定能力增強(qiáng)。如K0處理和K1處理的平均固鉀率分別為55.2%和52.4%，差異不顯著，說明通過常規(guī)方法施入農(nóng)田的外源鉀肥首先會滿足土壤的固鉀需求，當(dāng)鉀肥滿足土壤的固定作用之后再供給作物吸收利用，這往往會造成鉀肥資源不能充分發(fā)揮作用，從而降低肥料利用率[9,14]。

已有研究表明，土壤對外源鉀的固定與釋放受到土壤自身性質(zhì)如粘土礦物類型、土壤鉀素含量、土壤水分和人為因素如種植制度、耕作模式、施肥方式等的綜合影響[7～10,18,19]。本研究結(jié)果表明鉀肥施用對土壤速效鉀含量的影響最大，而速效鉀含量的變化直接引起緩效鉀發(fā)生轉(zhuǎn)化并相應(yīng)地改變土壤的K+飽和度，使得土壤鉀素固定與釋放的平衡臨界值發(fā)生變化。長期施用推薦鉀肥用量90kg/hm2，可以減緩?fù)寥缹︹浰氐墓潭ǎ黾油寥赖墓┾浤芰?。?dāng)鉀肥用量達(dá)到180kg/hm2時，雖然能顯著降低土壤固鉀率，增加土壤的供鉀能力，但會增加農(nóng)民投入成本，并且不會帶來顯著的增產(chǎn)增收效果，缺乏可持續(xù)性[20]。

土壤鉀的固定與釋放對農(nóng)業(yè)科學(xué)施肥尤為重要。隨著農(nóng)村勞動力成本的提高，規(guī)模種植和機(jī)械化生產(chǎn)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。秸稈還田作為一種節(jié)本增效、培肥地力的重要措施也日益受到農(nóng)民的普遍認(rèn)可[20]。在南方水旱輪作區(qū)，作物秸稈還田每年帶入的鉀素總量約為300～380kg/hm2，遠(yuǎn)多于化學(xué)鉀肥施用量[4,15]。因此，在區(qū)域性生產(chǎn)中，考慮秸稈還田帶入的秸稈鉀素，不僅能夠維持農(nóng)田鉀素平衡、減少化肥鉀固定，還可以適當(dāng)減少化學(xué)鉀肥施用量，從而提高鉀肥的利用率，增加農(nóng)田系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益[5,15,20]。

長期水旱輪作條件下，鉀肥施用量直接影響到土壤的供鉀能力，且不施用鉀肥、低量鉀肥投入均會增加土壤固鉀量和固鉀率，而增加鉀肥用量則可顯著降低土壤對外源鉀的固定能力。從本研究結(jié)果可知，土壤速效鉀含量、緩效鉀含量和K+飽和度三者均會影響土壤的固鉀特性，而合理的鉀肥用量可以改變?nèi)咧g的動態(tài)平衡，提高土壤的持續(xù)供鉀水平。