王飛，林誠，李清華，何春梅，劉玉潔

不同施肥措施提高南方黃泥田供鉀能力及鉀素平衡的作用

王飛，林誠，李清華，何春梅，劉玉潔

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州 350013）

【目的】基于連續(xù) 30 年南方低產(chǎn)黃泥田培肥定位試驗，研究土壤全鉀、速效鉀、緩效鉀含量與鉀素盈虧特性，明確鉀肥投入量與產(chǎn)量的關(guān)系，以期為黃泥田鉀素肥力定向培育及水稻鉀肥施用提供科學(xué)依據(jù)。【方法】定位監(jiān)測不施肥 (CK)、單施化肥 (NPK)、化肥 + 牛糞 (NPKM)、化肥 + 全部稻草還田 (NPKS) 四種施肥處理代表性年份耕層土壤鉀素含量動態(tài)變化，分析各形態(tài)鉀素間及與有機碳含量的關(guān)系，并于相鄰集中年份2010、2011、2013、2014 年采集植株樣品以評價土壤鉀素水平、土壤鉀素盈虧、植株養(yǎng)分對鉀肥投入量的響應(yīng)。 【結(jié)果】30 年施肥處理下，土壤全鉀含量平均較 CK 增加 2.2%～5.0%，且雙季稻年份不同處理差異較單季稻年份大，速效鉀含量歷年平均較 CK 增加 43.9%～102.4%，以 NPKS 增加最為明顯，而不同處理的土壤緩效鉀含量無明顯差異。土壤速效鉀含量與全鉀呈顯著正相關(guān)，土壤全鉀、速效鉀含量與有機碳均呈極顯著正相關(guān)。各施肥處理提高了收獲期植株鉀含量與累積量。NPKS 處理每年盈余鉀素 (K2O) 101.1 kg/hm2，其余處理每年虧缺幅度為 –89.4～–18.6 kg/hm2。鉀肥用量、速效鉀含量、土壤鉀素盈虧量相互間呈極顯著正相關(guān)，可推算出外源鉀肥 (K2O) 每年投入量達到 161.8 kg/hm2時，土壤鉀素處于持平狀態(tài)，其對應(yīng)的土壤速效鉀含量為 95.3 mg/kg。鉀肥用量、速效鉀含量、土壤鉀素盈虧量及籽粒鉀含量均與植株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。 【結(jié)論】水稻增產(chǎn)效果與土壤鉀肥投入量、速效鉀含量及鉀素盈虧量有關(guān)。黃泥田土壤速效鉀較緩效鉀、全鉀更直接反映生產(chǎn)力水平。長期施肥提高了黃泥田土壤全鉀與速效鉀含量，NPK 化肥加秸稈還田對增加土壤鉀素盈余與提升速效鉀效果要明顯優(yōu)于單施 NPK 化肥或 NPK 肥配合糞肥。

黃泥田；供鉀能力；鉀素形態(tài)；速效鉀；有機碳；鉀平衡

鉀是植物必需的營養(yǎng)元素之一，又是重要的品質(zhì)元素。我國土壤全鉀含量為 0.5～25 g/kg，而我國耕地中缺鉀土壤總面積高達 0.23 億公頃，一般缺鉀(土壤速效鉀含量 50～70 mg/kg) 和嚴重缺鉀 (土壤速效鉀含量小于 50 mg/kg) 的土壤面積占總耕地的 23%，尤其是我國南方的稻麥輪作區(qū)表現(xiàn)更為突出[1]。另一方面，我國探明的鉀礦資源匱乏，我國鉀資源的基礎(chǔ)儲量僅占世界的 2.5%，現(xiàn)有經(jīng)濟儲量可開采年限僅為 66 年左右[2]。2013 年，我國氮、磷肥供應(yīng)分別過剩 1080 萬噸和 680 萬噸，而鉀肥缺口 370 萬噸[3]。因而當前既要培肥土壤，提高供鉀能力，又迫切需要尋找化肥鉀的替代產(chǎn)品與替代技術(shù)以提升自給率。近 30 年來，在外源鉀肥對土壤鉀素的影響、作物鉀肥肥效以及土壤供鉀效應(yīng)的研究方面累積了大量的資料，尤其在長期定位試驗研究方面。位于黑龍江哈爾濱的黑土 24 年長期定位試驗表明，氮肥對作物產(chǎn)量的貢獻率最大，其次為磷肥，而鉀肥對產(chǎn)量的貢獻率最低[4]。鴥土區(qū)小麥–玉米輪作區(qū)定位試驗研究表明，長期施肥種植沒有顯著影響土壤全鉀含量，長期施用鉀肥顯著提高土壤速效鉀含量，但長期不施鉀肥處理的土壤速效鉀含量也未顯著降低，且該輪作體系施用 146 kg/hm2鉀素 (K) 或配合一季作物秸稈還田仍不能平衡作物鉀的攜出量，土壤鉀素肥力依然呈消耗狀態(tài)[5]。江蘇黃潮土 18 年肥料定位試驗分析表明，長期不施鉀肥或僅施化學(xué)鉀肥，土壤鉀素始終虧缺，而有機廄肥–無機化肥配合施用，土壤鉀素平衡有余[6]；陳防等在麻砂泥田、白散泥田、灰油沙土上開展輪作試驗表明，施鉀量多的處理土壤速效鉀和緩效鉀在全鉀中所占比例有上升的趨勢，說明多施的鉀肥仍以這兩種形態(tài)存在于土壤中，維持并提高了土壤的供鉀能力[7]。在灰漠土上的施肥定位試驗表明，NP 處理的產(chǎn)量與其他均衡施肥產(chǎn)量并無明顯差異，說明鉀不是灰漠土農(nóng)田虧缺養(yǎng)分；均衡施肥中 NPKS 表現(xiàn)出鉀的盈余，而其余均衡施肥處理表現(xiàn)出鉀的虧缺，24 年虧缺量達到268～2966 kg/hm2。所有施肥處理中，NPKM 和1.5NPKM 擁有最高的鉀表觀利用率，分別達到 81.2%和 38.9%，顯著高于其他處理，說明配施有機肥可以顯著提高灰漠土鉀肥利用率[8]。從中可看出，這些研究多集中于長期施肥對北方農(nóng)田尤其是旱地土壤鉀素含量和形態(tài)的影響，但對近年來南方稻田鉀素形態(tài)演變及盈虧特征缺乏系統(tǒng)深入地研究，而后者為全國水稻主產(chǎn)區(qū)，同時受強烈風化淋溶的影響，土壤母質(zhì)又是土壤鉀素供應(yīng)相對較低的區(qū)域。

黃泥田是我國南方紅黃壤地區(qū)廣泛分布的一類低產(chǎn)水稻土，主要分布在浙江、湖北、湖南、江西、福建等地[9]。土壤熟化度低、有機質(zhì)缺乏、有效磷鉀低、酸性強以及耕性不良是南方黃泥田的主要特征[10–11]。為此，本研究基于連續(xù) 30 年的南方黃泥田施肥定位試驗，研究長期不同施肥模式下稻田土壤鉀素形態(tài)演變、鉀素吸收以及產(chǎn)量響應(yīng)特征，旨在深入探索不同施肥模式下的黃泥田土壤鉀肥化學(xué)行為及有效供給，并為南方稻田肥力定向培育與鉀肥施用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設(shè)在農(nóng)業(yè)部福建耕地保育科學(xué)觀測實驗站肥力長期監(jiān)測試驗田 (閩侯縣白沙鎮(zhèn)，東經(jīng)119°04′10″、北緯 26°13′31″)。成土母質(zhì)為坡積物，海拔高度 15.4 m。土壤類型為黃泥田，屬中低產(chǎn)田。試驗區(qū)年平均溫度 19.5℃，年均降水量 1350.9 mm，年日照時數(shù) 1812.5 h，無霜期 311 d，≥ 10℃ 的活動積溫 6422℃。試驗前 (1983 年) 耕層土壤 pH 值4.90，有機碳含量 12.5 g/kg，全鉀 16.2 g/kg，堿解氮141 mg/kg，速效磷 12 mg/kg，速效鉀 41 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè) 4 個處理：1) 不施肥 (CK)；2) 單施化肥(NPK)；3) 化肥 + 牛糞 (NPKM)；4) 化肥 + 全部秸稈還田 (NPKS)。每處理設(shè) 3 次重復(fù)，小區(qū)面積 12 m2(4 m × 3 m)。每季施用化肥為 N 103.5 kg/hm2、P2O527 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2。干牛糞每茬施用量 3750 kg/hm2，秸稈還田量為上茬稻草全部還田，其中雙季稻還田量年平均為 7000 kg/hm2，單季稻平均為 4800 kg/hm2。牛糞多年平均養(yǎng)分含量為有機碳 267.5 g/kg、N 15.0 g/kg、P2O56.5 g/kg、K2O 9.0 g/kg；稻草多年養(yǎng)分平均含量為有機碳 377.3 g/kg、N 8.3 g/kg、P2O52.5 g/kg、K2O 29.1 g/kg，氮、鉀肥的 50% 作基肥，50% 作分蘗肥，磷肥全部作基肥施用。氮肥用尿素、磷肥為過磷酸鈣、鉀肥為氯化鉀。試驗地 1983～2004 年均種植雙季稻 (早稻、晚稻)，2005～2014 年種植單季稻。定位試驗每 4～5 年更換一次水稻品種，2012～2014 年水稻品種為‘中浙優(yōu) 1 號’。各處理除施肥外，其他管理措施一致。

1.3 樣品采集與處理分析

從 1983 年始，于每年 10 月份晚稻或單季稻收獲后，按“S”形布點，取各處理每小區(qū)耕層土壤(0—20 cm) 各 5 點，混合均勻，留 1 kg 樣品，風干，研磨過 20 目篩與 100 目篩，保存于廣口瓶中，待測。根據(jù)歷史樣品保存實際，取 1983、1987、1991、1996、2000、2004、2005、2007、2009、2010、2011、2013、2014 年度土壤樣品分析土壤鉀素形態(tài)演變。土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度計法，土壤緩效鉀用 1 mol/L 硝酸煮沸—火焰光度計法，土壤速效鉀用乙酸銨提取—火焰光度計法。土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化—容量法[12]。

于相鄰集中年份 2010、2011、2013、2014 年采集植株樣品分析土壤鉀素表觀盈虧平衡。每年 10 月份水稻收獲后取各個處理重復(fù)小區(qū)的水稻籽粒與秸稈鮮樣于 105℃ 殺青 15 min，65℃ 烘干 24 h 至恒重，供作植株鉀素營養(yǎng)元素分析。植株全鉀測定采用 H2SO4–H2O2消煮法[12]。

1.4 計算方法與統(tǒng)計分析

土壤鉀素演變數(shù)據(jù)處理利用 SPSS13.0 統(tǒng)計軟件進行方差分析與相關(guān)分析，不同處理間差異顯著性采用 LSD 法檢驗。土壤鉀素盈虧平衡數(shù)據(jù)為各處理每重復(fù)小區(qū) 2010、2011、2013、2014 四年數(shù)據(jù)平均，統(tǒng)計同上述方法。土壤鉀素的表觀盈虧量和表觀平衡系數(shù)計算公式如下：

土壤鉀素每年表觀盈虧量 (K2O，kg/hm2) = (施化肥鉀量 + 有機肥或秸稈鉀還田量) – (籽粒鉀帶走量 +秸稈鉀帶走量)。式中，各處理籽?；蚪斩掆泿С隽?=籽粒或秸稈產(chǎn)量 × 對應(yīng)的各處理籽?；蚪斩掆涴B(yǎng)分含量。

鉀素表觀平衡系數(shù) = 鉀素投入總量/鉀素輸出總量

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥對土壤鉀素形態(tài)演變的影響

圖1 顯示，長期不同施肥處理下的土壤全鉀含量總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，即在雙季稻年份(1983～2004 年)，各處理土壤中全鉀含量隨著試驗?zāi)攴菰黾佣仙?，而單季稻年?(2005～2014) 全鉀含量隨試驗?zāi)攴菰黾映氏陆第厔荨＿@可能與不同耕作制度下外源鉀肥投入量不同有關(guān)。CK、NPK、NPKM 與 NPKS 處理的全鉀含量歷年平均為 18.0、18.9、18.9 與 18.4 g/kg，屬較豐富水平 (15.0～20.0 g/kg)，各施肥處理較 CK 增幅 2.2%～5.0%。說明施肥不同程度提高了土壤全鉀含量，且雙季稻年份不同處理差異較單季稻年份大。

圖1 1983～2014 年不同施肥處理土壤全鉀、速效鉀與緩效鉀變化Fig. 1 Variation of different soil potassium forms under different long-term fertilization treatments from 1983 to 2014

土壤速效鉀變化趨勢與全鉀相似，總體呈現(xiàn)雙季稻年份升高而單季稻年份降低的趨勢。CK、NPK、NPKM 與 NPKS 處理的速效鉀含量年際平均值分別為 66.0、99.9、95.0 與 133.6 mg/kg，除 NPKS 處理屬較豐富水平外 (100～160 mg/kg)，其余均屬中等水平 (60～100 mg/kg)，各施肥處理較 CK 增幅43.9%～102.4%。說明施肥可明顯提高土壤速效鉀含量，特別是 NPKS 處理，NPKM 與 NPK 處理在提升速效鉀方面效果相當，這與全鉀趨勢一致。對土壤緩效鉀而言，各處理含量均值變幅范圍在 246.5～259.5 mg/kg 之間，各處理緩效鉀含量無明顯差異，并表現(xiàn)出在單季稻年份緩效鉀含量呈總體降低趨勢。

2.2 長期施肥下土壤鉀素形態(tài)與有機碳演變的相關(guān)關(guān)系

土壤鉀素形態(tài)回歸分析 (表 1) 進一步表明，土壤速效鉀含量與全鉀呈顯著線性關(guān)系 (r = 0.30*，n = 52)，由回歸方程可推算，土壤全鉀每增加 1 g/kg，速效鉀含量約可增加 6 mg/kg。表 1 同時顯示，土壤緩效鉀含量與土壤全鉀及速效鉀均無顯著相關(guān)。土壤有機碳與鉀素含量回歸分析表明，土壤全鉀、速效鉀含量與土壤有機碳均呈極顯著線性關(guān)系，而緩效鉀含量與有機碳無顯著相關(guān)。由全鉀、速效鉀含量與土壤有機碳回歸方程斜率可知，土壤有機碳含量每增加 1 g/kg，土壤全鉀與速效鉀含量約可分別增加 0.2 g/kg 與 7.2 mg/kg，表明提升黃泥田土壤有機碳，可有效提升土壤鉀素庫容與供應(yīng)強度。

2.3 長期不同施肥對收獲期水稻植株鉀素含量及鉀素平衡的影響

表2 顯示，籽粒鉀 (K) 含量范圍介于 2.74～3.47 g/kg 之間，秸稈鉀含量介于 22.48～25.73 g/kg 之間。施肥不同程度提高了植株鉀的含量。與 CK 相比，各施肥處理的籽粒鉀含量增幅 12.0%～26.7%，以 NPKS 增幅最為明顯，差異均顯著。NPKM 與NPKS 處理間籽粒鉀含量無明顯差異，但均顯著高于NPK 處理；從秸稈鉀含量來看，NPKS 處理的秸稈鉀含量較 CK 與 NPK 處理分別顯著增加 14.5% 與11.3%，但 NPKM、NPK 處理與 CK 處理差異未達到顯著水平。

表1 土壤不同形態(tài)鉀及其與有機碳之間的相關(guān)性 (n = 52)Table1 Correlation between the different forms of soil potassium and organic carbon

表2 不同施肥處理植株籽粒、秸稈鉀含量及年移走量Table2 Grain and straw K contents and corresponding annual removal from soil under different treatments

從土壤鉀素表觀盈虧平衡來看 (表 3)，除 NPKS處理鉀素 (K2O) 每年盈余 101.1 kg/hm2外，其他處理的鉀素表觀平衡均表現(xiàn)為虧缺，虧缺幅度為 –89.4～–18.6 kg/hm2，其中以 CK 處理虧缺最大，其次為NPKM 處理。表觀平衡系數(shù)反映出礦質(zhì)元素輸入與輸出的相對平衡關(guān)系，從中可看出，不同處理表現(xiàn)為 NPKS > NPKM = NPK > CK，且僅 NPKS 處理平衡系數(shù)大于 1，說明秸稈還田可有效滿足作物鉀素供給，緩解農(nóng)田鉀素缺虧。

從土壤不同形態(tài)鉀素含量與鉀素盈虧平衡關(guān)系得知，土壤鉀盈虧量 (y) 與全鉀、緩效鉀含量無顯著相關(guān)，而與速效鉀 (x) 呈極顯著正相關(guān) (y = 1.2688x –124.12，R2= 0.533**，n = 48)。由該回歸方程進一步推算可知，當土壤速效鉀含量為 97.8 mg/kg 時，土壤鉀素呈現(xiàn)平衡狀態(tài) (y = 0)。

表3 不同施肥土壤鉀素年表觀盈虧平衡 (K2O，kg/hm2)Table3 Apparent annual K2O balance of soil affected by different treatments

2.4 土壤、植株鉀素含量及鉀素盈虧對鉀肥投入量的響應(yīng)

上述研究表明，相對土壤全鉀與緩效鉀而言，土壤速效鉀與土壤鉀盈虧量關(guān)系密切。為此，通過回歸方程擬合進一步分析二者與鉀肥投入量的關(guān)系。圖 2 顯示，土壤鉀盈虧量、土壤速效鉀含量均分別與鉀肥投入量呈極顯著正相關(guān)。從圖 2 回歸方程可推算，每年鉀肥投入量達到 161.8 kg/hm2時，土壤鉀處于養(yǎng)分盈虧平衡狀態(tài) (y = 0)，而在該用量條件下，其對應(yīng)的土壤速效鉀含量為 95.3 mg/kg，這與土壤盈虧量與速效鉀擬合回歸方程推算的十分接近。另外，由圖 2 可進一步推算，如果在土壤盈虧平衡基礎(chǔ)上，土壤速效鉀含量提高 10%，即達到104.8 mg/kg，土壤鉀肥投入量則需達到 195.0 kg/hm2。這為土壤鉀素定向培育提供了施肥依據(jù)。

圖3 表明，收獲期籽粒鉀、秸稈鉀含量分別與鉀肥投入量呈極顯著與顯著正相關(guān)。表明隨著鉀肥投入量的增加，在增加土壤速效鉀的同時，植株單位鉀吸收累積量也隨之增加。

2.5 長期施肥下植株鉀素、土壤鉀素形態(tài)及盈虧平衡與產(chǎn)量的相互關(guān)系

表4 顯示，籽粒全鉀含量與籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量分別呈顯著與極顯著正相關(guān)。秸稈全鉀含量與籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。土壤速效鉀與籽粒及秸稈產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)，土壤緩效鉀與秸稈產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。此外，土壤鉀素盈虧量、鉀肥用量均分別與籽粒及秸稈產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。上述說明，鉀肥用量、土壤速效鉀含量、土壤鉀盈虧量及籽粒鉀含量與植株產(chǎn)量關(guān)系密切，速效鉀含量相對緩效鉀及全鉀更能直接反映黃泥田生產(chǎn)力的水平。

圖2 土壤鉀素盈虧量與土壤速效鉀含量對鉀肥投入量的響應(yīng)Fig. 2 Response of soil potassium balance and available potassium to the potassium fertilizer application

圖3 植株鉀含量對鉀肥投入量的響應(yīng)Fig. 3 Response of plant potassium contents to the potassium fertilizer application

表4 水稻植株鉀、土壤鉀及土壤鉀平衡與產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù) (n = 48)Table4 Correlation coefficients between plant K, soil K, soil K balance and rice yield

3 討論

3.1 不同有機物料還田對土壤鉀素肥力的定向培育

隨著我國復(fù)種指數(shù)的增加、高產(chǎn)作物品種的推廣、農(nóng)業(yè)集約化程度的提高以及氮磷肥的大量施用，作物帶走鉀素增多，土壤鉀素虧缺將逐漸加大[13]。紅壤性水稻土由于粘土礦物以非脹縮性的高嶺石為主，土壤供鉀能力有限，鉀素缺乏已成為制約紅壤區(qū)作物產(chǎn)量的因素之一[14]。本研究表明，與化肥配施牛糞相比，黃泥田化肥配合秸稈還田提升土壤速效鉀含量與實現(xiàn)鉀素盈余具有明顯優(yōu)勢。這一方面與秸稈還田實際帶入的鉀量要高于牛糞有關(guān) (牛糞實際還田鉀量約相當于秸稈還田的 57%)；另一方面，也可能與有機物料鉀素礦化能力存在差異以及施肥對農(nóng)田土壤固鉀率影響不同有關(guān)。首先從有機物料鉀素礦化能力來看，華南地區(qū)水稻秸稈腐解一年后的有機碳殘留率為 0.29 g/g，牛糞則為 0.49 g/g[15]。稻田秸稈還田淹水 3 d，秸稈中 90% 的鉀離子可以快速釋放并進入土壤并供下茬作物利用[16]。說明秸稈腐解速率要明顯高于牛糞，牛糞的鉀離子釋放相對較慢，因而供鉀速率低，土壤速效鉀含量也相對較低。從施肥對紅壤性稻田鉀固定影響來看，長期施用化肥鉀和稻草能降低紅壤性水稻土固鉀率，長期不施用鉀肥或不施用足夠的鉀肥則會提高土壤固鉀率，且隨鉀素施用量的增加，土壤固鉀率降低的變化趨勢越明顯[17]，另據(jù)研究，水稻從土壤中吸收的養(yǎng)分中，留在秸稈中的比例大概是氮 30%、磷 20%、鉀80%、鈣 90%、鎂 50%、硅 80% 以上，即稻草中所含的養(yǎng)分較高[18]，本研究條件下秸稈鉀素所占植株的比例為 80.3%～82.6%，因而秸稈還田提升速效鉀含量優(yōu)勢較為明顯。本研究也進一步顯示，秸稈還田后，水稻籽粒與秸稈中的鉀含量與累積量較單施化肥顯著提高，因而秸稈還田不僅可定向提高土壤速效鉀供給，而且還可改進籽粒鉀素營養(yǎng)，提高籽粒營養(yǎng)品質(zhì)。值得一提的是，長期施肥下 NPKM 與NPK 處理的土壤速效鉀含量基本相當，這一方面固然與牛糞緩慢釋放鉀離子有關(guān)，另一方面，NPKM處理雖然投入量高，但每年籽粒與秸稈鉀離子帶走量均顯著高于 NPK，兩個處理的表觀平衡系數(shù)也一致，因而 NPKM 處理的土壤速效鉀含量與 NPK 處理相比無明顯優(yōu)勢。但也有文獻表明，配施畜禽有機肥提升速效鉀的能力要優(yōu)于秸稈還田[8]，這可能與有機肥種類、用量及氣候特點有關(guān)。

土壤有機質(zhì)含量的高低既反映土壤的物理狀況，又反映了土壤的養(yǎng)分狀況，被認為是土壤肥力的綜合評價指標之一。研究表明，黃泥田土壤有機碳變化量與產(chǎn)量變化量呈極顯著正相關(guān)[19]。通過施用化肥、有機肥或秸稈還田，土壤生產(chǎn)力提升，增加了根際沉析，一定程度上提升了土壤有機碳庫，同時有機物料鉀素帶入也同步增加了土壤鉀庫容 (全鉀)，另外，外源鉀主要以游離態(tài)的鉀離子形式補充土壤而被土壤膠體吸附，這些吸附的鉀離子可被氫離子和銨離子交換而成為有效鉀供應(yīng)植株生長，故全鉀、速效鉀含量均與有機碳關(guān)系密切。土壤緩效鉀主要是指易風化含鉀礦物晶格內(nèi)含有的鉀和土壤固鉀礦物所固定的鉀[1]，由于緩效鉀多存在于粘土礦物的層間，與交換性鉀的平衡速率較慢，所以不易與溶液中陽離子發(fā)生交換，難以直接被作物吸收，本研究中土壤緩效鉀含量受各施肥影響變化不明顯，故緩效鉀與有機碳變化無明顯相關(guān)。

從中也可看出，NPKM 與 NPKS 處理每年鉀素帶走量基本相當，而 NPKM 處理每年鉀素輸入量不如 NPKS，故 NPKM 處理每年仍表現(xiàn)鉀素虧缺，虧缺程度甚至高于 NPK 處理，故對黃泥田鉀素定向培肥而言，除了秸稈還田途徑外，應(yīng)補充更多的有機肥。另外，秸稈還田的意義還在于可替代部分化肥。研究表明，在土壤鉀素含量較高的情況下，稻－油輪作區(qū)開展連續(xù)秸稈還田不僅能夠降低鉀肥投入量 (水稻季與冬油菜比推薦施肥分別減量鉀肥 42.2%與 31.2%)，獲得較高的糧油經(jīng)濟產(chǎn)量，還可提高土壤有效鉀含量并維持農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分平衡[20]。鄂東丘陵區(qū)、鄂中丘陵崗地區(qū)和江漢平原區(qū)秸稈還田條件下保證水稻產(chǎn)量 (即 NPK 處理產(chǎn)量) 時平均鉀肥用量分別為 K2O 19.9、14.9 和 54.2 kg/hm2，比推薦鉀肥用量節(jié)約 66.8%、75.2% 和 9.7%[21]。本研究條件下，黃泥田外源鉀肥 (K2O) 用量達到 161.8 kg/hm2時達到平衡狀態(tài)，這與 NPKS 處理理論上每年秸稈還田量K2O 159.6 kg/hm2基本相當，但黃泥田秸稈還田具體可替代多少鉀肥有待進一步驗證。

3.2 不同形態(tài)鉀素演變對施肥及鉀素盈虧的響應(yīng)

土壤速效鉀 (包括水溶性鉀與交換性鉀) 僅占土壤全鉀的 0.2%～2%，土壤緩效鉀 (非交換性鉀) 約占土壤全鉀的 2%～8%[22]。緩效鉀作為鉀素轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物，起到了很好的紐帶作用[23]。金繼運[24]認為在評價土壤鉀對當季作物的有效性時，往往以速效鉀作為主要指標，而在評價土壤鉀對作物的長期有效性時，則不僅要考慮速效鉀的水平，更要注意非交換性鉀的貯量及其釋放速率。土壤非交換性鉀的釋放受土壤礦物學(xué)性質(zhì)、土壤顆粒大小、干濕和凍融交替過程、植物根系及微生物活動、土壤溶液中鉀離子濃度和非交換性鉀含量、施肥等因素的影響[25]。土壤在鉀素耗竭狀態(tài)下，作物吸收的鉀素 33.3% 來自土壤非交換性鉀，非交換性鉀和速效鉀的共同作用代表了土壤對作物當季的供鉀能力[26]。一些長期定位研究表明，施鉀處理的速效鉀和緩效鉀含量均高于不施鉀的，以水云母、蒙皂石為主的土壤，緩效鉀含量年均可高 7.67 mg/kg[27]，在不施鉀條件下，輪作期內(nèi)各土壤鉀素消耗量較大，水溶性鉀和交換性鉀含量較低，并促進了非交換性鉀的釋放；施肥能提高土壤水溶性鉀和交換性鉀含量，并向非交換性鉀方向轉(zhuǎn)化[28]。趙歡等[29]在貴州長期種植玉米和馬鈴薯旱作土壤鉀素狀況和鉀肥效應(yīng)研究表明，兩種作物種植區(qū)的土壤速效鉀與緩效鉀含量均呈顯著正相關(guān)。本研究條件下，速效鉀與緩效鉀對土壤盈虧平衡響應(yīng)不同。施肥處理土壤速效鉀隨著土壤鉀素的盈余而增加，隨著土壤鉀素的虧缺而降低，但不論盈或虧，不同處理間土壤緩效鉀均無明顯變化。這可能是在盈余條件下，由于紅壤性稻田主要以非脹縮性的高嶺土礦物為主，固鉀能力較低[1]，增加的水溶性鉀或交換性鉀離子難以進入礦物層間而被固定，因而施肥并未明顯增加緩效鉀含量。而在鉀素虧損條件下，土壤速效鉀供給目前尚能滿足作物需求。以 NPK 處理為例，2010、2011、2013、2014 四個年份每年鉀素 (K2O) 虧損量為 18.6 kg/hm2，僅相當于土壤每年速效鉀庫容量的 6.9%，另外由于各處理每年均有部份根茬回田，其快速分解礦化也在一定程度上補充了速效鉀庫，因而土壤虧缺對促進緩效性鉀釋放影響不大。另從土壤鉀素含量與產(chǎn)量關(guān)系來看，速效鉀均與籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，而緩效鉀僅與秸稈產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，說明相對緩效鉀而言，速效鉀更能直接反映稻田生產(chǎn)力的水平，但長期鉀素虧缺消耗造成農(nóng)田庫容減少，有可能導(dǎo)致速效鉀持續(xù)下降進而促進了緩效鉀釋放以供應(yīng)作物養(yǎng)分需求。

4 結(jié)論

在南方低產(chǎn)黃泥田上，NPK 化肥配合秸稈還田可顯著提高土壤速效鉀含量，而對土壤緩效鉀含量影響不顯著。NPK 化肥與秸稈還田配合施用，土壤每年可盈余鉀素 (K2O) 101.1 kg/hm2，而化肥單施或配合廄肥，土壤鉀素每年虧缺 –89.4～–18.6 kg/hm2。鉀肥 (K2O) 每年用量達到 161.8 kg/hm2時，土壤鉀素處于持平狀態(tài)，其對應(yīng)的土壤速效鉀含量為 95.3 mg/kg。

黃泥田水稻產(chǎn)量與鉀肥用量、土壤速效鉀含量及鉀盈虧量有關(guān)。秸稈還田是快速補充土壤速效鉀的有效途徑，黃泥田通過秸稈還田實現(xiàn)土壤鉀素盈余與提升土壤速效鉀的速率要明顯高于單施化肥或化肥配施牛糞。

[1]張會民, 徐明崗, 等. 長期施肥土壤鉀素演變[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2008: 1–8, 84–85. Zhang HM, Xu MG, et al. Evolution of potassium in soils of China under long-term fertilization[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2008: 1–8, 84–85.

[2]孫愛文, 張衛(wèi)峰, 杜芬, 等. 中國鉀資源及鉀肥發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 現(xiàn)代化工, 2009, 29(9): 10–14, 16. Sun AW, Zhang WW, Du F, et al. China’s development strategy on potash resources and fertilizer[J]. Modern Chemical Industry, 2009, 29(9): 10–14, 16.

[3]楊帆, 孟遠奪, 姜義, 等. 2013年我國種植業(yè)化肥施用狀況分析[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(1): 217–225. Yang F, Meng YD, Jiang Y, et al. Chemical fertilizer application and supply in crop farming in China in 2013[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1): 217–225.

[4]周寶庫, 張喜林. 黑土長期施肥對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究, 2005, 31(1): 37–39. Zhou BK, Zhang XL. Effect of long-term fertilization on crop yield in black soil[J]. System Sciences and Comprehensive Studies in Agriculture, 2005, 31(1): 37–39.

[5]葛瑋健, 常艷麗, 劉俊梅, 等. 鴥土區(qū)長期施肥對小麥－玉米輪作體系鉀素平衡與鉀庫容量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2012, 18(3): 629–636. Ge WJ, Chang YL, Liu JM, et al. Potassium balance and pool as influenced by long-term fertilization under continuous winter wheatsummer maize cropping system in amanural loess soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(3): 629–636.

[6]張愛君, 馬飛, 張明普. 黃潮土的鉀素狀況與鉀肥效應(yīng)的長期定位試驗[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2000, 16(4): 237–241. Zhang AJ, Ma F, Zhang MP. Long-term stationary experiments on the status of soil Kand the effect of Kfertilizer on yellow fluvo-aquic soil[J]. Jiangsu Journal of Agriculture Science, 2000, 16(4): 237–241.

[7]陳防, 魯劍巍, 萬運帆, 等. 長期施鉀對作物增產(chǎn)及土壤鉀素含量及形態(tài)的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2000, 37(2): 233–241. Chen F, Lu JW, Wan YF, et al. Effect of long term potassium application on soil potassium content and forms[J]. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(2): 233–241.

[8]王西和, 呂金嶺, 劉驊. 灰漠土小麥–玉米–棉花輪作體系鉀平衡與鉀肥利用率[J]. 土壤學(xué)報, 2016, 53(1): 213–223. Wang XH, Lü J L, Liu H. Potassium balance and use efficiency in grey desert soil under continuous wheat-maize-cotton crop rotation system[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(1): 213–223.

[9]周衛(wèi). 低產(chǎn)水稻土改良與管理理論?方法?技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014. Zhou W. Theories and approaches of amelioration and management of low yield paddy soils[M]. Beijing: Science Press, 2014.

[10]林誠, 王飛, 李清華, 等. 不同施肥制度對黃泥田土壤酶活性及養(yǎng)分的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2009, (6): 24–27. Lin C, Wang F, Li QH, et al. Effects of different fertilizer application strategies on nutrients and enzymatic activities in yellow clayey soil[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2009, (6): 24–27.

[11]彭嘉桂, 鄭仲登, 林增泉, 等. 黃泥田肥力特性及其改良利用研究[J]. 福建省農(nóng)科院學(xué)報, 1986, 1(2): 8–15. Peng JG, Zheng ZD, Lin ZQ, et al. Study on fertility characteristics of yellow paddy soil, and its improvement and utilization[J]. Journal of Fujian Academy of Agricultural Sciences, 1986, 1(2): 8–15.

[12]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000. 188–196. Lu RK. The analytical methods for soil and agrochemistry [M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000. 188–196.

[13]譚德水, 金繼運, 黃紹文, 高偉. 長期施鉀與秸稈還田對華北潮土和褐土區(qū)作物產(chǎn)量及土壤鉀素的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2008, 14(1): 106–112. Tan DS, Jing JY, Huang SW, Gao W. Effect of long-term application of potassium fertilizer and wheat straw to soil on yield of crops and soil potassium in fluvo-aquic soil and brown soil of northcentral China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(1): 106–112.

[14]岳龍凱, 蔡澤江, 徐明崗, 等. 長期施肥紅壤鉀有效性研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(6): 1543–1550. Yue LK, Cai ZJ, Xu MG, et al. Potassium availability in red soil under long-term fertilization[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1543–1550.

[15]王金洲, 盧昌艾, 張文菊, 等. 中國農(nóng)田土壤中有機物料腐解特征的整合分析[J]. 土壤學(xué)報, 2016, 53(1): 16–26. Wang JZ, Lu CA, Zhang WJ, et al. Decomposition of organic materials in cropland soils across China: A meta-analysis[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(1): 16–26.

[16]Li JF, Lu JW, Li XK, et al. Dynamics of potassium release and adsorption on rice straw residue[J]. PLoS One, 2014, 9(2): e90440.

[17]廖育林, 鄭圣先, 魯艷紅, 等. 長期施用化肥和稻草對紅壤性水稻土鉀素固定的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2011, 25(1): 70–73, 95. Liao YL, Zheng SX, Lu YH, et al. Effects of long-term application of fertilizer and rice straw on potassium fixation of reddish paddy soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(1): 70–73, 95.

[18]張玉屏, 曹衛(wèi)星, 朱德峰, 等. 紅壤稻田鉀肥施用量對超級稻生長及產(chǎn)量的影響[J]. 中國水稻科學(xué), 2009, 23(6): 633–638. Zhang YP, Cao WX, Zhu DF, et al. Effects of potassium fertilizer rate on growth and yield formation of super high yielding rice in red paddy soil[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2009, 23(6): 633–638.

[19]王飛, 李清華, 林誠, 等. 不同施肥模式對南方黃泥田耕層有機碳固存及生產(chǎn)力的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(6): 1447–1454. Wang F, Li QH, Lin C, et al. Effect of different fertilization modes on topsoil organic carbon sequestration and productivity in yellow paddy field of southern China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1447–1454.

[20]李繼福, 薛欣欣, 李小坤, 等. 水稻－油菜輪作模式下秸稈還田替代鉀肥的效應(yīng)[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(2): 317–325. Li JF, Xue XX, Li XX, et al. Substituting effect of crop residues for potassium fertilizer in rice-rapeseed rotation system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(2): 317–325.

[21]劉秋霞, 戴志剛, 魯劍巍, 等. 湖北省不同稻作區(qū)域秸稈還田替代鉀肥效果[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(8): 1548–1557. Liu QX, Dai ZG, Lu JW, et al. Effect of the substitution of straw incorporation for Kfertilization in different rice producing regions of Hubei Province[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(8): 1548–1557.

[22]農(nóng)業(yè)部科學(xué)技術(shù)司. 中國南方農(nóng)業(yè)中的鉀[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1991: 17–22. Department of Science and Technology of Ministry of Agriculture. Potassium in agriculture of south China[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1991: 17–22.

[23]包耀賢, 吳發(fā)啟, 劉莉. 渭北旱塬梯田土壤鉀素狀況及影響因素分析[J]. 水土保持學(xué)報, 2008, 22(1): 78–82. Bao YX, Wu FQ, Liu L. Analysis on status of soil potassium and its influencing factors for terrace in Weibei Dryland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(1): 78–82.

[24]金繼運. 土壤鉀素研究進展[J]. 土壤學(xué)報, 1993, 30(1): 94–101. Jin JY. The advance of soil potassium[J]. Acta Pedologica Sinica, 1993, 30(1): 94–101.

[25]張會民, 呂家瓏, 李菊梅, 等. 長期定位施肥條件下土壤鉀素化學(xué)研究進展[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 35(1): 155–160. Zhang HM, Lü J L, Li JM, et al. Research progress in soil potassium chemistry under long-term fertilization condition[J]. Journal of Northwest A&F University (Natural Science Edition), 2007, 35(1): 155–160.

[26]黃紹文, 金繼運, 王澤良, 等. 北方主要土壤鉀形態(tài)及其植物有效性研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 1998, 4(2): 156–164. Huang SW, Jin JY, Wang ZL, et al. Native potassium forms and plant availability in selected soils from northern China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1998, 4(2): 156–164.

[27]范欽楨,謝建昌. 長期肥料定位試驗中土壤鉀素肥力的演變[J]. 土壤學(xué)報, 2005, 42(4): 591–599. Fan QZ, Xie JC. Variation of potassium fertility in soil in the longterm stationary experiment[J]. Acta Pedologica Sinica, 2005, 42(4): 591–599.

[28]占麗平, 李小坤, 魯劍巍, 等. 水旱輪作條件下不同類型土壤供鉀能力及鉀素動態(tài)變化研究[J]. 土壤學(xué)報, 2013, 50(3): 169–177. Zhan LP, Li XK, Lu JW, et al. Potassium supply capacity of and potassium dynamics in different types of soil under paddy riceryegrass rotation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(3): 169–177.

[29]趙歡, 芶久蘭, 趙倫學(xué), 等. 貴州旱作耕地土壤鉀素狀況與鉀肥效應(yīng)[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(1): 277–285. Zhao H, Gou JL, Zhao LX, et al. Analysis on status of soil potassium and the effects of potassium fertilizer in dryland soil in Guizhou[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(1): 277–285.

Increase effect of potassium supply and balance of yellow paddy soils through long-term different fertilization modes

WANG Fei, LIN Cheng, LI Qing-hua, HE Chun-mei, LIU Yu-jie
( Institute of Soil and Fertilizer, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China )

【Objectives】The study is aimed to reveal the evolution of different soil potassium fractions and the balance of potassium in yellow paddy soils after long-term fertilization, in order to provide scientific basis for improving soil potassium fertility and fertilizer application. 【Methods】Four fertilization treatments were designed as control (CK), pure chemical fertilizer (NPK), NPK plus cattle manure (NPKM) and NPK plus straw (NPKS). The potassium contents of different potassium fractions in the topsoil, the organic carbon content were determined in selected years. Plant samples were collected to analyze relationship between soil potassium level, soil Kbalance, plant nutrient and input of potassium in 4 consecutive years. 【Results】Compared with CK, the average soil total potassium contents in the fertilization treatments were increased by 2.2%–5.0%, the differences among the treatments were higher under double cropping rice system than under single cropping system. The soil readily available potassium contents were affected more than other potassium forms in all thefertilization treatments, the increases were in range of 43.9%–102.4%, and the largest increment was in the NPKS treatment. The slowly available potassium was not significantly different in all treatments. The soil readily available potassium content is significantly and positively correlated with the total potassium. There were most significantly positive correlations among soil total potassium, readily available potassium and organic carbon contents. The potassium contents and potassium uptakes in the plants were increased in the fertilization treatments at the harvest time, with the significant difference found in the NPKS treatment. In the NPK, NPKM treatments, the annual soil potassium was deficit of 89.4 and 18.6 kg/hm2, while in NPKS treatment, that (K2O) was surplus of 101.1 kg/hm2. The potassium application rate, readily available potassium content and potassium balance were significantly and positively correlated to each other. The calculated soil potassium exhibited an equilibrium state when the annual application rate of exogenous potassium reached 161.8 kg/hm2, and corresponding soil available potassium content was 95.3 mg/kg. The readily available potassium contents, potassium balance and potassium contents in the plants were significantly and positively correlated to plant yields. 【Conclusions】The soil total potassium and readily available potassium contents were improved by long-term fertilization, with the largest increment of readily available potassium in the NPKS treatment. The yield increment is positively correlated with the readily soil available potassium content and potassium balance. The soil readily available potassium is more sensitive in directly reflecting the productivity than slowly available potassium and total potassium. Chemical NPK fertilizer combined with straw treatment produces obviously more soil potassium surplus than the NPK and NPKM, and thus leads to significant increase in soil readily available potassium content.

yellow paddy field; capability of potassium supply; potassium form; readily available potassium; soil organic carbon; potassium balance

2016–09–06 接受日期：2016–11–02

省屬公益類科研院所科研專項（2016R1021-2，2015R1022-5）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201203030）；福建省農(nóng)科院 PI 創(chuàng)新團隊項目（2016PI-31）資助。

王飛（1976—），男，福建福州人，副研究員，主要從事土壤資源評價與持續(xù)利用研究。E-mail：fjwangfei@163.com