20年持續(xù)施鉀對烤煙/油菜輪作土壤鉀素Q/I關系的影響*

代 快 李江舟 張立猛 計思貴 龍懷玉 徐照麗 段玉琪 楊宇虹? 盧秀萍 焦永鴿 卜令鐸

(1 云南省煙草公司玉溪市公司/煙草行業(yè)病蟲害生物防治工程研究中心，云南玉溪 653100)

(2 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

(3 云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院，昆明 650031)

鉀素是植物必需的大量營養(yǎng)元素，有些情況下 其需求量甚至超過了氮素。植物所需要的鉀素在自然條件和絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下必須通過根系從土壤中吸收，準確地評價土壤供鉀能力對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常重要。自從Beckett[1]1964年提出土壤活性鉀容量和強度關系曲線（Q/I 曲線）以來，國內(nèi)外眾多研究者利用Q/I 曲線及土壤鉀素平衡活度比（ARe）、土壤活性鉀（K）、非專性吸附活性鉀（-ΔK0）、專性吸附活性鉀（K）、土壤鉀位緩沖容量（PBC）等參數(shù)評價土壤供鉀能力。Hosseinpur 和Tadayon[2]的研究表明，在伊朗干旱半干旱區(qū)的鈣質(zhì)土壤上，ARe、-ΔK、-ΔG 與大豆的相對產(chǎn)量、鉀吸收量呈顯著正相關，較1 mol·L-1NH4OAc-K 更加有效地指示了土壤供鉀能力。Panda 和Patra[3]比較了Q/I 曲線參數(shù)與土壤pH、陽離子交換量（CEC）、質(zhì)地、有機質(zhì)含量、交換性鉀含量等理化性質(zhì)的相關性，認為ARe、KL、PBC 等可作為印度東部濱海鹽土鉀素植物有效性的指標。張春等[4]的定位試驗表明，ARe、-ΔK0、PBC、-ΔG 結(jié)合土壤速效鉀和緩效鉀以及全鉀，可很好地評價土壤供鉀能力。Q/I 曲線參數(shù)隨著環(huán)境變化而變化，其中長期施肥下的Q/I 曲線備受關注，Islama 等[5]在雙季稻水稻土進行8 a 連續(xù)定位施肥試驗后，發(fā)現(xiàn)ARe、KL、-ΔK0降低了，而KX未變化。張春等[4]在中性紫色水稻土進行了22 a 不同耕作方式的定位試驗，發(fā)現(xiàn)各處理的ARe、-ΔK0下降了，PBC、-ΔG 增加了。Sparks 和Liebhardt[6]研究了長期施用鉀肥及石灰對砂壤Q/I 關系的影響，ARe、-ΔK0、K 隨著施鉀量增加而升高，PBC 隨著石灰用量提高而提高，主要原因是CEC 隨石灰用量增加而增加。在Ap 土層，以黏土礦物表層吸附非專性吸附鉀為主，在Bt 土層以專性吸附鉀為主。范欽楨和謝建昌[7]通過18 個長期定位試驗研究了施鉀肥對土壤鉀素Q/I 關系的影響，結(jié)果表明，長期不施鉀土壤的ARe、-ΔK0、K 降低，PBC 提高，土壤對鉀的吸附能力增強，PBC 與土壤黏土礦物組成、CEC 等有關。張會民等[8]研究認為，在小麥/玉米種植制度下長期施鉀土、潮土和紅壤的ARe、KL、-ΔK0、KX提高。鄭圣先等[9]、劉春生等[10]分別對湖南省水稻土、山東省主要土壤類型鉀素Q/I 關系進行了研究，認為施肥影響各種類型土壤鉀素ARe值。長期定位施鉀也影響了含鉀礦物的演變，林少雯等[11]在石灰性潮土39 a 的長期定位施肥試驗上發(fā)現(xiàn)，長期施用有機肥水云母含量增加，綠泥石、高嶺石呈現(xiàn)減少趨勢，長期單施氮肥可提高蒙脫石相對含量。廖育林等[12]發(fā)現(xiàn)稻田31 a 連續(xù)施用鉀肥和稻草促進晶格不良伊利石轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц窳己靡晾?，促進蛭石向伊利石轉(zhuǎn)化，增加了伊利石含量。Moterle 等[13]在15 a 長期定位試驗和溫室連續(xù)盆栽11 茬作物的巴西南部土壤上發(fā)現(xiàn)，不施鉀肥土壤未檢測到伊利石，非交換性鉀（緩效鉀）和有效鉀減少了，作物吸鉀量和產(chǎn)量也下降了，而施鉀土壤的蛭石含量減少、伊利石含量增加。

目前，國內(nèi)外關于長期定位施肥對土壤鉀素Q/I關系影響已有較多報道[1-13]，然而，在云南這種低緯度高海拔高原季風性氣候、山原紅壤、嗜鉀的烤煙與富鉀的油菜輪作條件下，長期不同用量鉀肥對土壤鉀素Q/I 關系的影響尚未見報道。研究烤煙/油菜輪作下長期施鉀是否影響了基于Q/I 曲線參數(shù)的土壤鉀素供應能力，探討其變化機制，可為農(nóng)田合理施用鉀肥和研究農(nóng)業(yè)土壤發(fā)生發(fā)育提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院布置的烤煙/油菜一年兩熟輪作下的肥料定位試驗始于1998年，地點位于玉溪研和試驗基地（24°14′N，102°30′E），海拔1 680 m，年均溫15.9℃，年均降水量918 mm，雨季（4—9月）降水量占全年的79.5%，年日照時數(shù)2 072 h，雨季（4—9月）日照時數(shù)占全年的41%。供試土壤為云南省典型的砂質(zhì)山原紅壤，質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，顆粒組成為 2.0～0.2 mm 粒徑含量270 g·kg-1、0.2～0.02 mm 粒徑含量420 g·kg-1、0.02～0.002 mm 粒徑含量80 g·kg-1、小于0.002 mm 粒徑含量230 g·kg-1。黏土礦物組成主要為高嶺石、伊利石、伊利石蒙脫石混層礦物及蛭石。供試土壤基礎理化性狀：pH 6.4，有機質(zhì)10.70 g·kg-1、全氮0.54 g·kg-1、全磷1.01 g·kg-1、全鉀6.43 g·kg-1、有效氮82.0 mg·kg-1、有效磷 9.0 mg·kg-1、速效鉀160.0 mg·kg-1。

試驗地實行烤煙/油菜一年兩熟輪作種植制度，烤煙生育期為4月至9月，油菜生育期為10月至下一年4月?？緹熂驹O置0 kg·hm-2（K0）、187.5 kg·hm-2（K188）、375 kg·hm-2（K375）3 個不同氧化鉀用量處理，各處理的氮（N）和磷（P2O5）施用量均為75 kg·hm-2，30%的氮鉀肥和全部磷肥作基肥穴施，其余肥料作追肥于移栽后20～25 d 穴施。油菜季各處理均基施復合肥（N∶P∶K=12∶6∶24）150 kg·hm-2，即每個處理均施用氧化鉀36 kg·hm-2。每個處理設3 次重復，隨機區(qū)組排列?？緹?、油菜的田間管理均采用玉溪當?shù)刈罴逊绞?。本文中的土壤樣品于?0 茬烤煙采收結(jié)束后第二天（2017年8月23日）采集。

1.2 測定指標與方法

煙葉產(chǎn)量及含鉀量測定：各小區(qū)煙葉成熟采烤，采烤結(jié)束后按照國家標準（GB2635-1992 烤煙）[14]進行分級計產(chǎn)，計算煙葉產(chǎn)量和地上部生物量。分別取煙葉等級中桔三（C3F）及莖稈進行含鉀量測定。油菜收獲期分小區(qū)采集整株樣品，計算地上部和地下部生物量，分別留樣測定含鉀量，其中，地上部含鉀量為混合樣品含鉀量。采用火焰光度法測定植株含鉀量[15]。

土壤理化性質(zhì)測定：烤煙移栽前及收獲后采集0～20 cm 土壤樣品。采用常規(guī)方法測定土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀、pH、黏粒含量、交換性鈣、交換性鎂[15]。土壤礦物組成參照SY/T 5163-2010 沉積巖中黏土礦物X 射線衍射（XRD）分析方法[16]測定。

土壤鉀素表觀平衡（Kab）：土壤鉀素表觀平衡等于鉀素輸入（投入的肥料鉀素+輪作初始土體鉀）減去鉀素輸出（作物吸收的鉀素+輪作結(jié)束土體鉀），不考慮干濕沉降、灌溉、淋溶等途徑收入或者損失的鉀素。

1.3 土壤鉀素Q/I 曲線制作

采用震蕩法對烤煙采收結(jié)束后土樣進行鉀素Q/I 曲線測定[17]，具體方法如下：稱取過1 mm 篩土樣9 份，樣品量從0.1 g 至3.0 g（0.1、0.15、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g），將土樣置于50 mL聚丙烯離心管中，分別加入含2 mmol·L-1CaCl2的不同濃度KCl（0～2 mmol·L-1：0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 mmol·L-1）溶液25 mL，離心管加塞在25℃下恒溫振蕩（150 r·min-1）4 h，靜置24 h，然后在離心機上離心（1 500 r·min-1）5 min并過濾，用原子吸收分光光度計（PinAAcle 900H，PerkinElmer/珀金埃爾默，美國）測定平衡溶液中K、Ca 和Mg 的含量。每處理3 個重復，每個重復做2組平行。

根據(jù)Deby-Huckel 理論[6,18]計算平衡溶液中電解質(zhì)K+和Ca2+離子的活度系數(shù)（r）及鉀離子的活度比（AR），并獲得土壤鉀素Q/I 曲線。平衡溶液中鉀離子的活度比（AR），如下式：

式中，CK、CCa和CMg分別為平衡溶液K+、Ca2+和Mg2+的濃度；rK+和rCa2+分別為K+和Ca2+在平衡溶液中的活度系數(shù)。

平衡前后溶液中鉀的濃度差（ΔK）由初始溶液和平衡溶液中鉀離子的濃度差計算。然后以AR 為橫坐標，以對應的ΔK 為縱坐標作圖，就得到一條Q/I 曲線。典型的Q/I 曲線應該包含一個直線和一個曲線部分；直線部分在橫軸上的截距是土壤供鉀的強度指標，用ARe表示；直線部分的延長線在縱軸上的截距-ΔK0是土壤供鉀的容量指標，稱-ΔK0為非專性吸附鉀；直線的斜率表示土壤對鉀的緩沖能力，稱為鉀位緩沖容量，用PBC 表示。直線部分和曲線部分在縱軸上的截距之差表示在土壤礦物特殊吸附位上吸附的鉀，稱為土壤專性吸附鉀，用Kx表示。土壤活性鉀（KL）由非專性吸附鉀（-ΔK0）和專性吸附鉀（Kx）兩部分組成，由插值法估算而來[19]。

K 和Ca+Mg 交換自由能（-ΔG）計算公式如下[20]：

-ΔG 指在標準狀態(tài)下（25℃）等當量的K 交換等當量的Ca+Mg 所需要的能量，是衡量K 和Ca+Mg化學勢之差的一個指標，-ΔG 值越大，土壤對K 的選擇性吸附越強，作物對鉀的吸收困難，從而易出現(xiàn)缺鉀，反之亦然。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，使用SAS V9.4 軟件進行單因素方差分析，用鄧肯（Duncan）新復極差法分析處理間平均數(shù)在P＜0.05和P＜0.01 水平的差異顯著性，使用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 長期施用不同量鉀肥的土壤鉀素Q/I 關系曲線

如圖1所示，長期不同鉀肥用量處理的土壤鉀素Q/I 關系曲線由兩部分構(gòu)成，右側(cè)表現(xiàn)為直線，左側(cè)近似地為直線，屬于典型的土壤鉀素Q/I 曲線形狀，右側(cè)直線部分主要代表土壤中帶負電荷的、表面吸附力較弱的、非專性吸附點位吸附的鉀，非專性吸附點位主要分布在黏土礦物的表平面，左側(cè)直線部分代表吸附力較強的專性吸附點位吸附的鉀，專性吸附點位主要分布在黏土礦物晶層的邊緣和楔形位置[6,21-22]。從圖1中可以清楚地看出，長期連續(xù)施用不同量鉀肥對土壤鉀素Q/I 曲線的形狀產(chǎn)生了明顯影響，施用量最高的K375 處理的曲線處于最下方、最右邊，不施用鉀肥的K0 處理的曲線處于最上方、最左邊，施用量中等的K188 處理的曲線處于K0、K375 曲線的中間。右側(cè)直線部分的斜率表現(xiàn)為K0 大于K188 和K375，而K188 和K375 幾乎相同；左側(cè)直線部分的斜率表現(xiàn)為：K0＞K188＞K375。Q/I 曲線左右兩部分的轉(zhuǎn)折點則表現(xiàn)為：K0＜K188＜K375。

圖1 長期施用鉀肥下土壤鉀素Q/I 曲線 Fig.1 Effect of long-term potassium application on quantity/intensity（Q/I）curve of soil potassium

2.2 長期施用不同量鉀肥的土壤鉀素強度性能

在Beckett 方法中，平衡溶液中鉀離子的活度比（AR）是活性鉀強度的重要體現(xiàn)。AR 隨著溶液中原始鉀濃度的減小而減少，當平衡液原始鉀濃度為0時，取得了最小鉀離子活度比（ARm）。從表1中可以看出，持續(xù)20 a 不同鉀肥用量處理后，土壤ARm產(chǎn)生了顯著的分異，不施鉀K0 處理的ARm僅有 1.00×10-3（mol·L-1）0.5，極顯著地小于施鉀187.5 kg·hm-2處理的1.37×10-3（mol·L-1）0.5，后者又顯著地小于375 kg·hm-2處理的1.52×10-3（mol·L-1）0.5。

表1中，ARe、-ΔK0、PBC、KL等是采用經(jīng)典直線擬合法求算的長期連續(xù)施用不同量鉀肥的土壤鉀素Q/I 關系參數(shù)。從中可以看出，長期施用不同量鉀肥顯著地影響了土壤鉀素Q/I 關系參數(shù)，土壤供鉀能力的強度指標“土壤鉀素平衡活度比（ARe）”隨著鉀肥用量的增加而顯著增加，K375處理和K188 處理的ARe為8.91×10-3、5.22×10-3（mol·L-1）0.5，是K0 處理的23.4 倍和13.7 倍，施鉀肥處理的鉀素供應強度遠遠大于不施鉀肥處理的鉀素供應強度。就ARe數(shù)值而言，本文不同鉀肥施用量處理20 a 后的ARe，均明顯小于廖育林等[12]測定的長期施用鉀肥或稻草的紅壤水稻土的 ARe，處于Hosseinpur 和Tadayon 等[2]測試的14 種石灰性土的中間水平，與劉春生等[10]測定的山東省主要土壤的ARe、阮建云等[23]測定全國18 個地點茶園土壤的ARe、張春等[4]測定的中性紫色水稻土原始土及其長期壟作免耕22 a 后的ARe相比，本文施鉀處理的ARe要較它們大許多倍，不施鉀處理的ARe則要較它們小許多倍。以上說明烤煙/油菜輪作下的云南山原紅壤經(jīng)過20 a 持續(xù)不同施鉀肥處理后，施鉀肥處理土壤的鉀素供應強度處于中上水平，而不施鉀肥處理土壤處于低下水平。

Schouwenburg 和Schuffelen[22]對土壤鉀素Q/I關系研究表明，當ARe大于10.0×10-3（mol·L-1）0.5時，土壤吸附的鉀主要保持在黏土礦物晶體的表平面點位；當ARe介于1.0×10-3～10.0×10-3（mol·L-1）0.5之間時，土壤吸附的鉀主要保持在黏土礦物晶體邊緣的契形位點；當ARe小于1.0×10-3（mol·L-1）0.5時，土壤吸附的鉀主要保持在黏土礦物晶體的層間點位。根據(jù)各處理的ARe可知，施鉀土壤吸附的鉀主要保持在黏土礦物晶體的邊緣點位，不施鉀土壤吸附的鉀主要保持在黏土礦物晶體的層間點位。

表1 施肥20 a 后土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù) Table1 Parameters of the Q/I curve of soil potassium after 20 yrs of consecutive potassium application

2.3 長期施用不同量鉀肥的土壤鉀素容量性能

在土壤鉀素Q/I 關系中，土壤鉀素容量性能指被土壤吸附或者從土壤上解吸附的土壤活性鉀的數(shù)量大小，以-ΔK0來標識，當平衡溶液中原始鉀濃度比較小時，-ΔK0體現(xiàn)的是土壤鉀素解吸附，當平衡溶液中原始鉀濃度為0 時，取得單次平衡中最大解吸量-ΔKm，這個指標在一定程度上體現(xiàn)了能被當季作物快速利用的活性鉀容量。從表1中可以看出，持續(xù)20 a 不同鉀肥用量處理后，土壤-ΔKm產(chǎn)生了顯著的分異，不施鉀 K0 處理的-ΔKm僅有1.26 cmol·kg-1，極顯著地小于施鉀187.5 kg·hm-2、375 kg·hm-2處理的1.69 cmol·kg-1、1.72 cmol·kg-1，后兩者則無顯著差異。

當Q/I 關系中AR 為0 時，取得土壤供鉀能力的容量指標土壤活性鉀（KL），它代表了土壤—鈣鎂鉀溶液系統(tǒng)中潛在最大土壤鉀解吸附量，由吸附在黏土礦物表平面上的非專性吸附鉀（-ΔK0）和黏土礦物層間與契形部位的專性吸附鉀（Kx）兩部分組成。表1中數(shù)據(jù)表明，長期施用不同用量鉀肥顯著地影響了土壤供鉀容量，KL、Kx隨著鉀肥用量的增加而顯著減少，K0 處理的 KL、Kx分別為2.16 cmol·kg-1、2.14 cmol·kg-1，而K375 處理的僅有1.61 cmol·kg-1、1.06 cmol·kg-1，-ΔK0隨著鉀肥用量的增加而顯著增加，K375 處理的-ΔK0為0.55 cmol·kg-1，K0 處理的僅有0.02 cmol·kg-1，前者將近是后者的28 倍。本文中施鉀肥處理的-ΔK0略高于Wani[24]測定的10 個典型水稻土及Panda 和Patra[3]所測試12 個濱海鹽土的-ΔK0，較Hosseinpur和Tadayon[2]測定的14 個石灰性土壤的-ΔK0平均值大3～5 倍，不施鉀肥處理的則要小約5 倍。以上說明，連續(xù)持續(xù)20 a 處理后，施鉀肥土壤能夠維持較高的非專性吸附性鉀，不施鉀肥土壤黏土礦物表平面吸附位上的活性鉀幾乎全部被消耗掉了。

以上結(jié)果與有些文獻不同，比如張會民等[8]的結(jié)果是長期施用鉀肥的KL、Kx、-ΔK0均較不施肥處理增加了，這主要與求算KL的方法有關，張會民等[8]以1 mol·L-1NH4OAc 提取鉀作為KL，也就是將速效鉀作為KL，表2數(shù)據(jù)表明本文速效鉀也隨著施鉀量的增加而顯著增加。但是KL與速效鉀本質(zhì)上具有不同的物理內(nèi)涵，因此與其他許多文獻相同，本文以Q/I 關系左邊曲線的擬合直線的截距作為KL，其值為速效鉀的1.9～13.8 倍，而且與速效鉀存在極顯著負相關（表3），與有些文獻研究結(jié)果非常類似，比如Hamdan 和Ahmed[25]的研究結(jié)果也表明KL與速效鉀存在極顯著負相關，KL為速效鉀的3.5～ 13.1 倍。

表4表明在K0 處理中，土壤鉀素呈現(xiàn)為虧缺，前面的分析表明土壤非專性吸附鉀已經(jīng)被消耗殆盡，而且專性吸附鉀的數(shù)量較鉀素盈余土壤的還要多，那么植物所帶走的鉀素只可能來自土壤礦物鉀的釋放，從表3中可以看出，如果以全鉀與1 mol·L-1HNO3煮沸提取鉀+速效鉀的差值作為礦物鉀，那么礦物鉀與土壤鉀素虧缺之間的相關系數(shù)很小，顯然與事實不符。如果以全鉀與KL的差值作為礦物鉀，那么礦物鉀與土壤鉀素虧缺之間的相關性明顯提高，鉀素虧缺度越大、礦物鉀含量越小。以上說明在云南山原紅壤的烤煙/油菜輪作系統(tǒng)中，當土壤鉀素出現(xiàn)虧缺時，礦物鉀將被逐漸釋放為存放于礦物層間的專性吸附鉀，而這些專性吸附鉀不能立即轉(zhuǎn)化為非專性吸附鉀，致使活性鉀總量和專性吸附鉀逐步增大。

2.4 長期施用不同量鉀肥的土壤供鉀緩沖能力

土壤鉀位緩沖容量（PBC）是指土壤溶液活度比（AR）每變動一個單位時，土壤容量因素ΔK 的變化量，是衡量土壤保持一定供鉀強度的能力指標。PBC 越大則表明土壤維持供鉀強度的能力越大。表1數(shù)據(jù)表明長期施鉀土壤PBC 較小，K188 和K375處理的PBC 相差不明顯，分別為6.48 cmol·kg-1（mol·L-1）-0.5和6.20 cmol·kg-1（mol·L-1）-0.5，K0的PBC 則顯著增加至7.76 cmol·kg-1（mol·L-1）-0.5，說明經(jīng)過20 a 持續(xù)不同用量鉀肥處理后，不施鉀肥土壤的鉀素強度緩沖性增強了，容量緩沖性變?nèi)趿?，而施鉀肥土壤則相反。其數(shù)值范圍，較張春等[4]、Rupa 等[21]、Subba 和Sekhon[26]的研究結(jié)果明顯偏小，與Hosseinpur 和Tadayon[2]測定的14 個石灰性土壤的PBC則相似，這很可能與土壤理化性質(zhì)有關。

國內(nèi)外一些研究[7,27]也發(fā)現(xiàn)不施鉀處理土壤PBC 增加，Roux 和Sumner[27]報道，長期鉀素耗竭，土壤PBC 增加，尤其在以伊利石為主要黏土礦物但K+飽和度較低的土壤上增加更多。但也有研究表明，施鉀后土壤PBC 無明顯變化[21,28]，張會民等[8,29]研究表明，長期不施鉀紅壤PBC 無明顯變化，而黑土、中性紫色土、土和潮土的PBC 則顯著增加。通過比較上述文獻中土壤pH 和本文土壤pH，可發(fā)現(xiàn)當土壤酸堿性屬于中性或者堿性時（pH＞6.5），長期不施用鉀肥會導致土壤PBC 增加，土壤屬于酸性時，長期不施用鉀肥不會導致土壤PBC 明顯變化。

2.5 長期施用不同量鉀肥的土壤供鉀能量性質(zhì)

研究表明，-ΔG 越大，土壤對K 的選擇性吸附越強，作物從土壤中吸收鉀困難，從而容易出現(xiàn)缺鉀，反之亦然；一般而言，土壤非專性活性鉀含量高，-ΔG 低[20,30]。表1數(shù)據(jù)表明，長期不施鉀肥處理K0 的-ΔG 為19.72 kJ·mol-1，顯著地高于長期施鉀 處 理 K188 、 K375 的 13.05 kJ·mol-1和11.70 kJ·mol-1，而K188 和K375 處理的-ΔG 無明顯差別。根據(jù)Woodruff[20]的研究結(jié)果，當土壤-ΔG大于14.64 kJ·mol-1，容易出現(xiàn)缺鉀，而當-ΔG 小于8.36 kJ·mol-1，則可能鉀素過多誘發(fā)缺鈣。由此判斷，在烤煙/油菜輪作系統(tǒng)中持續(xù)20 a 不同施鉀量處理后，烤煙季不施鉀、油菜季36 kg·hm-2的土壤供鉀能力很低、 容易出現(xiàn)缺鉀；烤煙季施鉀187.5 kg·hm-2、油菜季36 kg·hm-2的施鉀處理（K188）的土壤供鉀能力適中，作物不容易出現(xiàn)缺鉀，也不容易出現(xiàn)缺鈣；烤煙季施鉀375 kg·hm-2、油菜季36 kg·hm-2的施鉀處理（K375）土壤供鉀能力很強，作物不會出現(xiàn)缺鉀，但可能會誘發(fā)缺鈣、缺鎂。因此，從土壤鉀-鈣/鎂的交換自由能角度看，烤煙/油菜輪作系統(tǒng)中，適宜的鉀肥施用量為187.5 kg·hm-2，這與段玉琪等[31]綜合分析產(chǎn)質(zhì)量、土壤酶活性及微生物群落等得到的結(jié)論是一致的。

2.6 長期施用不同量鉀肥的土壤礦物分異

圖2 不同施肥處理土壤黏粒礦物X-射線衍射（XRD）圖譜比較 Fig.2 X-ray diffraction（XRD）pattern of soil clay minerals relative to fertilization treatment

用X 射線衍射法獲得了不同處理黏土礦物衍射圖譜（圖2），圖中14? 和10? 的衍射峰分別為蛭石和伊利石衍射峰，可以看出，不施鉀K0 處理土壤的14? 衍射峰要高于施鉀的K188 和K375 處理，10? 衍射峰則低于K188 和K375 處理，即經(jīng)過20 a 不同施鉀量處理，不施鉀肥處理相比施鉀肥處理，土壤中的蛭石增加了，伊利石減少了。蛭石和伊利石均是2∶1 型的黏土礦物，伊利石含鉀量高，而蛭石含鉀量少。因此，不同施鉀肥處理中伊利石和蛭石的消長變化可能與土壤鉀素盈虧狀況有關，從表4中可看出，2017—2018年烤煙/油菜輪作系統(tǒng)不施鉀肥土壤鉀素年虧損44.5 kg·hm-2，假設每次輪作時的作物生長發(fā)育狀況基本相同，連續(xù)20 a 種植累計虧損約661.3 kg·hm-2，礦物鉀逐漸被釋放至土壤供作物吸收，黏土礦物伊利石呈現(xiàn)向蛭石轉(zhuǎn)化的趨勢。

廖育林等[12]的研究表明，長期施用鉀肥或者富含鉀的稻草能增加土壤黏粒中伊利石，促進晶格不良伊利石向晶格良好伊利石轉(zhuǎn)化，促使蛭石向伊利石轉(zhuǎn)化。Moterle 等[13]發(fā)現(xiàn)15 a 長期定位試驗和溫室連續(xù)盆栽11 茬作物后，不施鉀肥土壤未檢測到伊利石，而施鉀土壤的蛭石含量減少、伊利石含量增加。本文試驗結(jié)果結(jié)合文獻結(jié)果，可以認為土壤中的伊利石和蛭石存在著相互轉(zhuǎn)化，在鉀素虧缺的情況下，伊利石逐漸轉(zhuǎn)化為蛭石，在鉀素盈余時蛭石逐漸轉(zhuǎn)化為伊利石。

2.7 長期施用不同量鉀肥的土壤理化性質(zhì)分異與Q/I 曲線參數(shù)的關聯(lián)性

不少研究表明Q/I 曲線參數(shù)與土壤理化性質(zhì)具有一定的相關性[3,25,32-34]，理論上本文中三種長期施用不同量鉀肥處理的初始土壤理化性質(zhì)是相同的，在Q/I 曲線參數(shù)發(fā)生了顯著分異的情況下，理論上也僅有那些發(fā)生了分異的土壤理化性質(zhì)才可能與Q/I 曲線參數(shù)具有相關性。從表3、表5中可看出，經(jīng)過20 a 長期施用不同量鉀肥后，土壤pH、有機質(zhì)、陽離子交換量、黏粒含量、交換性鈣鎂含量、全鉀含量等指標并未發(fā)生顯著分異，它們與Q/I 曲線所有參數(shù)均無顯著相關，而植物可利用的土壤鉀素容量有關的速效鉀、緩效鉀、鉀飽和度以及土壤堿解氮發(fā)生了顯著分異，其中，速效鉀、緩效鉀、鉀飽和度等三個指標與土壤鉀素平衡活度比（ARe）、非專性吸附活性鉀（-ΔK0）等兩個參數(shù)呈極顯著正相關，與活性鉀（KL）、專性吸附活性鉀（Kx）、土壤鉀位緩沖容量（PBC）、交換自由能（-ΔG）等四個參數(shù)呈極顯著負相關。以上結(jié)果有些與文獻結(jié)果相似，也有些與其他研究相反，Sailakshmiswari等[37]研究表明，ARe與土壤K+飽和度呈顯著正相關，PBC 與黏粒含量呈顯著正相關，與土壤CEC 無顯著相關性。Niranjana 等[33]研究表明，ARe與土壤交換性鉀含量呈極顯著負相關，而土壤KL、-ΔK0和Kx均與土壤交換性鉀含量呈極顯著正相關，PBC 與土壤CEC 含量呈極顯著正相關。Hamdan 等[34]研究得到ARe、-ΔG 與土壤交換性鉀含量無顯著相關關系。胡全才等[35]則認為，ARe不僅取決于該土壤交換性鉀含量，同時由黏粒礦物決定，ARe由高到低依次為磚紅壤、紅壤、土、水稻土、黑土。Hamdan和Ahmed[25]的研究表明，交換性鉀與活性鉀、非專性活性鉀呈極顯著負相關，與緩沖能力PBC 呈顯著負相關。而Hosseinpur 和Tadayon 等[2]的研究表明交換性鉀與所有Q/I 參數(shù)均無相關性。以上結(jié)果說明，土壤Q/I 參數(shù)與土壤性質(zhì)的相關性因為土壤條件、氣候條件、生產(chǎn)條件的不同而變化。

表2 第20 茬烤煙收獲后土壤理化性質(zhì) Table2 Soil physical and chemical properties after harvest of the twentieth crop of flue-cured tobacco

表3 土壤鉀素Q/I 參數(shù)和不同形態(tài)鉀素的相關系數(shù) Table3 Correlation coefficient between soil potassium Q/I parameters with forms of soil potassium

表4 第20 次輪作時的土壤鉀素表觀平衡 Table4 Apparent balance of soil potassium during the twentieth tobacco-rape rotation（kg·hm-2）

表5 土壤鉀素Q/I 參數(shù)與土壤性質(zhì)的相關系數(shù) Table5 Correlation coefficient between soil potassium Q/I parameters and soil properties

土壤pH、有機質(zhì)、陽離子交換量、黏粒含量等指標與Q/I 曲線參數(shù)在本試驗中無相關性，而在一些文獻中具有相關性，兩者并不矛盾，文獻中的研究采用的是不同土壤，土壤pH、有機質(zhì)、陽離子交換量、黏粒含量等有著明顯不同，它們對Q/I 曲線參數(shù)的影響可以在相關性分析中體現(xiàn)出來，而本文的土壤原本是同種土壤，即使經(jīng)過20 a 的不同鉀肥處理，以上土壤性質(zhì)也未產(chǎn)生明顯的分異，使得其對Q/I 曲線參數(shù)的影響無法在相關性分析中體現(xiàn)出來。同時，以上結(jié)果也說明在烤煙/油菜輪作系統(tǒng)中，土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)分異的原因并不是土壤pH、有機質(zhì)、陽離子交換量、黏粒含量等理化性質(zhì)的變化，而是土壤鉀素盈虧狀況，結(jié)合表3和表4可以看出，土壤鉀素虧缺導致KL、KX、PBC、-ΔG 變大，而 ARe、-ΔK0變小，土壤鉀素盈余則相反。

2.8 土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)之間的關聯(lián)性

從表3可以看出，土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)彼此之間存在顯著的相關性，而所有指標均與速效鉀、緩效鉀、鉀素平衡存在極顯著相關，速效鉀、緩效鉀是被廣泛認可的土壤供鉀指標，即所有的土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)均可作為評價土壤供鉀能力的指標。因子分析表明，以上6 個土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)可以用一個主成分（KPC）來表達（特征值為5.37，累積方差占比為89.4%），表達式為：

將根據(jù)式（3）計算出的不同施鉀量處理的KPC與速效鉀（Kav）、緩效鉀（Knex）、鉀素表觀平衡（Kab）進行關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，KPC與Kav、Knex、Kab之間存在極顯著的直線回歸方程，如下：

式（4）、式（5）表明，土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)的主成分KPC的確可作為土壤供鉀綜合指標，而且KPC的值越大，土壤供鉀能力越小。式（6）表明土壤綜合供鉀能力指標KPC與土壤鉀素表觀平衡（Kab）呈顯著負相關，說明土壤鉀素表觀平衡驅(qū)動了土壤綜合供鉀能力變化，土壤鉀素盈余時土壤綜合供鉀能力變強，土壤鉀素虧缺時土壤綜合供鉀能力變?nèi)酢?/p>

將不同施鉀量處理的KPC進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)K375 處理的KPC（4.21±1.28）極顯著地小于K188 處理的（10.39±1.36），后者又極顯著地小于K0 處理（22.35±1.35）。以上說明，長期連續(xù)施用不同量鉀肥，造成了土壤綜合供鉀能力分異，施鉀量越大，綜合供鉀能力越大。

3 結(jié) 論

長期連續(xù)施用不同量鉀肥對土壤鉀素Q/I 曲線的形狀產(chǎn)生了明顯影響，鉀肥施用量越高，Q/I 曲線越往右下方移動。土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)發(fā)生了顯著分異，鉀肥施用量越高，ARe和-ΔK0越大，KL、Kx、PBC 和-ΔG 越小。本試驗條件下，土壤鉀素表觀平衡驅(qū)動了土壤鉀素Q/I 曲線參數(shù)分異。長期土壤鉀素虧缺狀況下，礦物表面吸附鉀幾乎被消耗殆盡，導致礦物鉀素轉(zhuǎn)化為專性吸附活性鉀，其轉(zhuǎn)化速率要大于專性吸附活性鉀轉(zhuǎn)化為非專性活性鉀的速率，且伊利石產(chǎn)生了向蛭石轉(zhuǎn)化的趨勢。在長期鉀素盈余下，蛭石產(chǎn)生了向伊利石轉(zhuǎn)化的趨勢。Q/I曲線參數(shù)ARe、-ΔK0、PBC、KL、KX、-ΔG 等均可作為砂質(zhì)山原紅壤供鉀能力評價指標，這些指標可被整合成一個綜合指標。土壤鉀素盈虧驅(qū)動了土壤綜合供鉀能力的分異，土壤鉀素盈余時土壤綜合供鉀能力增強，反之亦然。在云南山原紅壤烤煙/油菜輪作的條件下，長期不施用鉀肥，植物將缺鉀，長期施用187.5 kg·hm-2·a-1鉀肥較為適宜。