等鉀條件下不同有機物料對紅壤團聚體鉀素分配的影響

柳開樓 李繼文 吳艷 劉佳 宋惠潔 徐小林 胡丹丹 楊延安

摘 要： 外源有機碳投入是調控紅壤團聚體鉀素含量的主要因素。本研究于2021年3月選取紅壤0～20 cm和20～40 cm深度的土壤樣品代表高肥力和低肥力進行培養(yǎng)試驗，分別設置不施鉀肥（K0）、等鉀投入量的水稻秸稈鉀（RSK）、玉米秸稈鉀（MSK）、鴨糞鉀（DMK）和豬糞鉀（PMK）5個處理，探究等鉀條件下不同有機物料對紅壤團聚體鉀素分配的影響。結果表明：外源有機物料的鉀肥投入顯著提升>2 mm團聚體組分的比例。不同外源鉀肥類型顯著影響高低肥力土壤團聚體組分交換性鉀含量，其含量由高至低為PMK>DSK>MSK>RSK處理，其中PMK處理顯著高于其他處理，高肥力土壤PMK處理>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm團聚體組分的交換性鉀含量提高了105.71%、145.00%、210.00%和440.00%，低肥力土壤的增幅則分別為106.67%、256.00%和695.00%、586.67%。相關性分析發(fā)現(xiàn)，在等鉀條件下，外源有機碳投入量與團聚體組分的交換性鉀含量存在顯著的正相關關系，但當外源有機碳投入水平較高時，各團聚體組分交換性鉀含量的增速則明顯減緩。隨著外源有機碳投入量的增加，高肥力土壤中各團聚體組分交換性鉀含量可以達到的飽和點均高于低肥力土壤。綜上，不同有機物料處理均促進>2 mm團聚體組分交換性鉀含量的增加，其中以豬糞較優(yōu)。在外源有機碳投入下，高肥力土壤團聚體組分交換性鉀的提升潛力明顯大于低肥力土壤。

關鍵詞： 紅壤；有機物料；團聚體；鉀素分配

中圖分類號：S153

文獻標識碼：A

文章編號：1008－0457（2023）02－0001－07

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2023.02.001

紅壤是我國南方丘陵區(qū)重要的土壤資源，但是受成土母質和脫硅富鋁化等成土過程的影響，肥力貧瘠是紅壤的主要特點［1］。特別是在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，由于長期對紅壤的不合理開發(fā)利用，該區(qū)域酸化、水土流失現(xiàn)象嚴重，尤其酸化過程中，增加的氫離子通過競爭交換，引發(fā)鹽基離子流失，進一步導致養(yǎng)分有效性降低［2］，養(yǎng)分循環(huán)與平衡的失調加劇了土壤養(yǎng)分貧瘠化及肥力衰減過程［3］。因此，針對性進行紅壤肥力提升行動對于該地區(qū)農業(yè)生產(chǎn)意義重大。研究發(fā)現(xiàn)，缺鉀是該地區(qū)可持續(xù)農業(yè)發(fā)展的主要限制因素，受南方高溫高濕的氣候條件影響，紅壤地區(qū)土壤鉀素大量淋失［4］，且由于紅壤中的黏土礦物主要為1∶ 1型的高嶺石，含鉀礦物（水云母）較少，作物對鉀素不斷消耗進一步加劇土壤含鉀礦物的釋放，從而降低土壤的供鉀能力［5］。

通過外源投入化肥提升紅壤氮磷鉀等肥力指標是簡單有效的措施，但與氮磷肥相比，我國鉀肥資源相對短缺，如何尋求化學鉀肥的替代品就顯得十分迫切。大量研究表明，施用有機物料是提升紅壤鉀素肥力的重要措施［6-7］?；陂L期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，長期施用畜禽糞便和秸稈還田均可以提升紅壤的交換性鉀含量［8-9］，且各團聚體組分的交換性鉀含量也顯著提升［10］。有研究認為，外源有機碳投入是調控紅壤團聚體鉀素含量的主要因素［11］，然而，由于長期定位試驗各處理的鉀肥投入量不同，關于有機物料提升團聚體鉀素含量的結論還有待進一步商榷。此外，受不同有機物料鉀含量差異的影響，與化肥處理相比，不同有機物料施用下土壤交換性鉀含量的增幅差異較大［12-13］。因此，本研究以等鉀投入為切入點，針對高肥力和低肥力的紅壤旱地，通過選擇秸稈和畜禽糞便等有機物料進行模擬試驗，探討不同有機物料投入下紅壤團聚體鉀素分配的規(guī)律，并結合擬合方程構建外源有機碳投入水平與團聚體交換性鉀含量的相關關系，以期進一步驗證有機碳投入是促進紅壤團聚體鉀含量的關鍵因素，從而為該地區(qū)合理進行有機物料施用提供技術支撐。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗材料

試驗于2021年3月在江西省南昌市進賢縣張公鎮(zhèn)小蔣村（28.3521°N，116.1761°E）進行，選擇長期進行花生、油菜輪作的紅壤旱地，采集0～20 cm和20～40 cm的土壤樣品，分別代表高肥力和低肥力，同時，在當?shù)厥占窘斩挕⒂衩捉斩?、鴨糞和豬糞等有機物料，土壤和各有機物料的理化指標見表1。

1.2 ?試驗設計

將高肥力和低肥力土壤樣品風干后，采用干篩方法配置成200 g的土壤各18份裝入1000 mL塑料瓶中。設置不施鉀肥（K0），按照等鉀投入量分別設置水稻秸稈鉀（RSK）、玉米秸稈鉀（MSK）、鴨糞鉀（DMK）和豬糞鉀（PMK）添加等5個處理，每個處理3次重復。除了K0之外，DSK、MSK、DMK和PMK的鉀投入量均為93 mg/200g土壤 （參考大田花生種植的鉀肥用量，并根據(jù)土壤重量換算得來）。依據(jù)有機物料的鉀含量，分別計算了各處理的有機物料用量和有機碳投入量（表2）。有機物料加入后，與土壤樣品混勻，加入50 mL蒸餾水，置于黑暗環(huán)境，保持25 ℃室溫，培養(yǎng)90 d。通過預備試驗表明，水稻秸稈、玉米秸稈、鴨糞鉀和豬糞在0～30 d腐解較快，腐解量達到50%，且鉀素釋放量達45%，30～90 d腐解緩慢，90 d內腐解量達到70%，且鉀素釋放量達85%。因此，本研究選擇培養(yǎng)90 d。

1.3 ?測定指標

培養(yǎng)試驗結束后，將土壤樣品從塑料瓶中全部倒出，撿出肉眼可見的殘渣后風干，采用濕篩法［14］獲得>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm 的團聚體組分。具體方法為：土樣放置于孔徑為2 mm的不銹鋼篩上，室溫下蒸餾水浸泡10 min，然后分別通過2 mm、0.25 mm和0.053 mm 的不銹鋼篩，豎直上下振蕩50次，收集各級土篩上的土壤，獲得 >2 mm、0.25～2 mm和0.053～0.25 mm 的水穩(wěn)性土壤團聚體，<0.053 mm的團聚體通過將溶液沉降、離心獲得。將各級篩層中的土粒轉移至燒杯中，自然晾干后稱重，計算各團聚體組分的重量比例，然后采用氫氧化鈉熔融和醋酸銨浸提，并利用火焰光度計測定全鉀和交換性鉀含量［15］。在濕篩過程中，肯定會有一部分鉀被水淋溶，而在本試驗中，由于過篩時間較短，測定的水體中的鉀含量小于30 mg/L，再加上紅壤中的水溶性鉀含量較低，因此，本研究中不考慮水溶液浸出的鉀含量。

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010進行整理，統(tǒng)計分析采用SAS 13.0進行，方差分析采用SPSS 17.0軟件包進行，圖件采用Origin 8.5 制作，碳投入與團聚體組分交換性鉀含量的關系采用指數(shù)方程進行擬合。

2 ?結果與分析

2.1 ?等鉀條件下不同有機物料對紅壤團聚體組分的影響

在高肥力土壤中，各團聚體組分的比例大體呈現(xiàn)出>2 mm和0.25～2 mm團聚體組分的比例明顯高于0.053～0.25 mm和<0.053 mm，而低肥力土壤中各團聚體組分的比例則無明顯規(guī)律（圖1），與低肥力土壤相比，高肥力土壤中>2 mm團聚體組分的比例明顯高于低肥力土壤。不論高肥力還是低肥力，不同鉀肥類型均顯著影響紅壤團聚體組分的比例。與無外源鉀肥投入相比，外源鉀肥投入均顯著提升>2 mm團聚體組分的比例，但不同鉀肥類型存在明顯分異。在所有鉀肥處理中，RSK和MSK處理的>2 mm團聚體組分比例較高，高肥力土壤中，RSK、MSK、DSK和PMK處理處理的>2 mm團聚體組分比例分別比K0處理提高了151.24%、136.36%、96.70%和72.77%，低肥力土壤中的增幅分別為253.35%、271.48%、100.89%和200.16%。

2.2 ?等鉀條件下不同有機物料對紅壤團聚體組分全鉀和交換性鉀含量的影響

與低肥力相比，高肥力土壤中，各團聚體組分的全鉀含量明顯較高，但在相同的肥力條件下，各團聚體組分全鉀含量則無明顯差異（表3）。同時，與K0處理相比，雖然鉀肥投入下各團聚體組分的全鉀含量均略有增加，但增幅均不顯著，且各鉀肥類型也無顯著差異。這說明不同外源鉀肥類型對紅壤團聚體組分全鉀含量無顯著影響。

2.3 ?等鉀條件下有機碳投入與團聚體組分交換性鉀的關系

高肥力土壤中，各團聚體組分的交換性鉀含量均明顯高于低肥力，但在相同的肥力條件下，除了K0之外，各處理的團聚體組分的交換性鉀含量大體呈現(xiàn)出>2 mm團聚體明顯低于其他團聚體組分的趨勢（表3）。與K0處理相比，大部分鉀肥處理均增加了各團聚體組分的交換性鉀含量。在等鉀條件下，高肥力和低肥力土壤中不同有機物料處理各團聚體組分的交換性鉀含量均大體呈現(xiàn)出PMK處理顯著較高，與K0處理相比，高肥力土壤中，PMK處理的>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm團聚體組分的交換性鉀含量分別提高了105.71%、145.00%、210.00%和440.00%，低肥力土壤中PMK處理的增幅分別為106.67%、256.00%和695.00%、586.67%；其次為DSK和MSK處理，而RSK處理則較低。

在等鉀條件下，外源有機碳投入量與團聚體組分的交換性鉀含量存在顯著的正相關關系（圖2），且可以用指數(shù)方程進行擬合（表5）。這說明當外源有機碳投入水平較低時 （2.12～2.58 g/200g），各團聚體組分的交換性鉀含量快速增加，但是，當外源有機碳投入水平較高時（2.58～9.43 g/200g）， 各團聚體組分交換性鉀含量的增速則明顯減緩。同時，結合擬合方程進一步計算了各團聚體組分中交換性鉀含量的飽和點，在各團聚體組分中， <0.053 mm團聚體組分中交換性鉀含量的飽和點最高（高肥力和低肥力分別為216 mg/kg和213 mg/kg），其次為0.25～2 mm和0.053～0.25 mm，而>2 mm團聚體則最低（高肥力和低肥力分別為147 mg/kg和63 mg/kg）；但是，與低肥力土壤相比，高肥力土壤中各團聚體組分交換性鉀含量的飽和點均明顯較高，特別是>2 mm團聚體組分，高肥力比低肥力提高了1.33倍。

3 ?結論與討論

3.1 ?等鉀條件下不同有機物料調控紅壤團聚體組分交換性鉀分配

在紅壤的肥力培育上，有機物料作為一種主要的調控措施，可以顯著改善紅壤團聚體結構［16］。本研究通過室內模擬試驗也發(fā)現(xiàn)，有機物料投入可以顯著增加>2 mm團聚體組分的比例，但是，由于等鉀條件下不同有機物料的有機碳投入量不同，導致各處理的團聚體組分差異較大。進一步分析表明，紅壤>2 mm團聚體組分比例并不隨外源有機碳投入量的增加而提高，在所有有機物料處理中，高肥力和低肥力土壤均表現(xiàn)出水稻秸稈和玉米秸稈處理的>2 mm團聚體組分比例，而外源有機碳投入量最高的豬糞處理，其>2 mm團聚體組分比例則顯著較低。原因一方面與水稻秸稈、玉米秸稈和豬糞等有機物料的有機碳化學結構有關［17］，劉安凱等［18］研究也表明，由于不同有機物料的有機碳成分不同，盡管在等碳量投入下，不同有機物料對土壤有機碳含量提升也存在顯著差異。另一方面，不同有機物料的碳激發(fā)效應也可能改變了土壤有機碳礦化量［19-20］，從而間接影響了團聚體結構，但具體原因還有待進一步研究。

針對紅壤鉀素匱缺的問題，除了全土的鉀素調控之外，通過提升團聚體組分的交換性鉀含量也是滿足作物鉀素需求的重要策略之一。模擬試驗表明，在不種植作物的條件下，不同有機物料對團聚體組分的交換性鉀含量的提升幅度存在差異，原因可能與有機物料腐解速率及其鉀素釋放有一定周期有關［12］。前人研究表明，畜禽糞便與秸稈等有機物料的腐解主要是微生物的作用，而碳氮比對微生物分解影響較大［21］，因此，由于不同有機物的碳氮比差異較大（21.71～55.89），高肥力和低肥力土壤中均大體呈現(xiàn)出豬糞處理的各團聚體組分交換性鉀含量顯著較高，但高肥力和低肥力的增幅存在明顯分異，原因主要是高、低肥力土壤初始的有機碳、全氮含量存在差異，高肥力土壤碳氮比為10.12，明顯高于低肥力土壤（4.32）。此外，有機物料投入下，不同團聚體組分交換性鉀含量的增幅也存在差異。這主要與不同團聚體組分的有機碳周轉速率有關［22］，再加上各團聚體組分的微生物群落存在差異［23］，而微生物群落對礦物鉀的釋放可能調控了團聚體組分的鉀素轉化過程［24］。

3.2 ?等鉀條件下有機碳投入量與團聚體組分交換性鉀含量的內在關系

外源有機碳投入可以通過改變土壤有機碳含量影響團聚體組分及其交換性鉀含量［7，25］。大量研究表明，與化肥處理相比，通過有機無機肥配施增加外源有機碳投入可以顯著提升團聚體組分的交換性鉀含量，但秸稈還田處理的效果則顯著弱于有機無機肥配施［26］。同時，Liu等［27］進一步通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳與團聚體交換性鉀含量可以用線性擬合方程進行擬合。然而，由于前述研究的鉀投入量不同，關于不同有機物料提升團聚體組分交換性鉀含量的效果及其差異還有待深入探討。因此，本研究通過設置等鉀條件的模擬試驗，分析了有機碳投入量與團聚體組分交換性鉀含量的相關關系，結果表明，當外源有機碳投入水平不同時，各團聚體組分的交換性鉀含量的增速不一，其中，在外源有機碳投入水平較高的條件下（2.58～9.43 g/200g），團聚體組分交換性鉀含量的增速明顯低于外源有機碳投入水平較低的條件（2.12～2.58 g/200g）。原因主要與外源有機碳投入下土壤團聚體組分中有機碳的積累速率不同有關［28］，且土壤有機碳的飽和理論也表明，當土壤有機碳達到一定含量時， 外源有機碳不會顯著提升土壤有機碳含量［29］。因此，可以推測，團聚體組分中有機碳的積累速率通過影響鉀離子的吸附解析調控團聚體交換性鉀的含量［30］，此外，有機碳含量不同導致的土壤解鉀菌等微生物群落也會通過改變礦物鉀的釋放間接影響團聚體組分中交換性鉀的分配 ［24］。

結合指數(shù)方程進一步計算發(fā)現(xiàn)，與低肥力土壤相比，高肥力土壤中各團聚體交換性鉀含量的飽和點明顯較高，特別是>2 mm團聚體組分，高肥力比低肥力提高了1.33倍。這主要與高肥力和低肥力土壤的有機碳含量不同有關。李浩等［11］研究也表明，>2 mm團聚體中有機碳與交換性鉀含量均呈現(xiàn)出顯著的正相關關系，當>2 mm團聚體中有機碳含量增加0.1 g/kg，交換性鉀含量提高5.69 mg/kg。然而，除了土壤有機碳之外，高肥力土壤和低肥力土壤的團聚體組分、交換性鉀含量也存在較大差異，因此，關于不同肥力土壤中外源有機碳含量與團聚體組分中交換性鉀的內在差異關系還有待結合更多初始理化指標進行深入研究。

綜上所述，對于高、低肥力的紅壤，與不施鉀相比，等鉀條件下不同有機物料投入均顯著增加團聚體組分交換性鉀含量，且大體呈現(xiàn)出豬糞處理的各團聚體組分交換性鉀含量顯著較高的趨勢，但高肥力和低肥力土壤的增幅存在明顯分異。在等鉀條件下，外源有機碳投入量與團聚體組分交換性鉀含量的關系可以用指數(shù)方程進行擬合，同時，在有機碳投入下，高肥力土壤中各團聚體組分交換性鉀含量的提升潛力明顯大于低肥力土壤。

（責任編輯：段麗麗）

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Effects of Different Organic Materials on the Distribution of Potassium in Aggregates for Red Soil under Equal Potassium Conditions

Liu Kailou1，Li Jiwen2，Wu Yan1，Liu Jia3*，Song Huijie1，Xu Xiaolin1，Hu Dandan1，Yang Yanan4

（1.Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources，Key Laboratory of Acidified Soil Amelioration and Utilization，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Nanchang，Jiangxi 331717，China；2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China; 3.Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment，Jiangxi Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Acidified Soil Improvement and Utilization，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Nanchang，Jiangxi 330200，China；4.Zhongling Township Peoples Government of Jinxian County，Jinxian，Jiangxi 331717，China）

Abstract：

Input of exogenous organic carbon is the main factor regulating the potassium content of red soil aggregates.Soil samples at different depths （0～20 cm and 20～40 cm） were selected to represent high and low fertility for cultivation tests in March，2021.Under laboratory conditions，five treatments were set：no potassium fertilizer （K0），rice straw for potassium （RSK），maize straw for potassium （MSK），duck manure for potassium （DMK） and pig manure for potassium （PMK），respectively.The effects of different organic materials on the distribution of potassium in red soil aggregates under equal potassium conditions were studied.The results showed that the input of exogenous potassium fertilizer significantly increased the proportion of >2 mm aggregate component.Different types of exogenous potassium fertilizer had significantly affected the exchangeable potassium content.The content of exchangeable potassium from high to low was PMK>DSK>MSK>RSK.Among all treatments，the exchangeable potassium content of different aggregates in PMK treatment was significantly higher that other treatments.Compared with K0 treatment，the exchangeable potassium content of >2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm and<0.053 mm aggregates in high fertility soil for PMK treatment were increased by 105.71%，145.00%，210.00% and 440.00%，while that of low fertility soil for PMK treatment were increased by 106.67%，256.00% and 695.00%，586.67%，respectively.The results of correlation analysis showed that under the equal potassium condition，there was a significant positive correlation between the amount of exogenous organic carbon input and the exchangeable potassium content of aggregates，but when the level of exogenous organic carbon input was high，the growth rate of exchangeable potassium content of aggregates was significantly slowed down.The saturation point of exchangeable potassium content of each aggregate component in high fertility soil was higher than that in low fertility soil，with the increase of exogenous organic carbon input Therefore，different organic material treatments promote the increase of exchangeable potassium content of each aggregate component.In the condition of exogenous organic carbon input，the enhancement potential of exchangeable potassium in aggregates of high fertility soil was significantly greater than that of low fertility soil.

Keywords：

red soil; organic material; aggregates; potassium distribution