冀東濱海平原稻區(qū)土壤鉀庫(kù)狀況與變化

張?jiān)虏?，劉建?，楊 揚(yáng)，廖文華，楊紹國(guó)，趙英杰

（1．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071001；2．唐山市曹妃甸區(qū)農(nóng)林畜牧水產(chǎn)局，河北 唐山 063200）

水稻是冀東濱海平原的主栽作物［1］，水稻種植已有70 余年［2］，已有資料表明，每生產(chǎn)1000kg的稻谷，地上部需吸收鉀19.0～27.4kg［3］，每年水稻種植中帶走土壤大量的鉀，但冀東濱海平原稻區(qū)施用鉀肥水稻增產(chǎn)效果并不顯著［4］。大量資料表明，土壤全鉀、緩效鉀、速效鉀狀況是影響鉀肥產(chǎn)量效應(yīng)的重要因素［5］，而土壤母質(zhì)是影響土壤鉀庫(kù)狀況的主要因素［6-7］。目前關(guān)于土壤母質(zhì)對(duì)土壤鉀的影響研究多集中在土壤粘土礦物類(lèi)型對(duì)鉀的固定與釋放及其特點(diǎn)［8］。已有的關(guān)于稻區(qū)土壤鉀庫(kù)狀況及鉀肥產(chǎn)量效應(yīng)的研究多集中在南方雙季稻施用鉀肥的產(chǎn)量效應(yīng)及其對(duì)土壤鉀的影響［9-10］；而關(guān)于土壤鉀庫(kù)及影響因素的研究多為旱田土壤上施用鉀肥對(duì)土壤鉀形態(tài)、供鉀能力等的影響［11-12］及秸稈還田對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響［13］。

綜上已有資料，關(guān)于從20 世紀(jì)80 年代初第二次土壤普查至今，冀東濱海平原稻區(qū)土壤鉀庫(kù)現(xiàn)狀與變化、成土母質(zhì)等因素對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響等研究尚少。而這些研究對(duì)于揭示濱海平原區(qū)土壤母質(zhì)及地貌對(duì)土壤鉀的影響機(jī)理、科學(xué)利用土壤鉀養(yǎng)分資源具有重要意義。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以冀東濱海平原曹妃甸區(qū)為代表區(qū)域，系統(tǒng)研究冀東濱海平原稻區(qū)土壤鉀庫(kù)的狀況與演變，母質(zhì)等因素對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響，旨在為水稻持續(xù)高產(chǎn)下科學(xué)管理土壤鉀養(yǎng)分資源提供理論依據(jù)，為科學(xué)施用鉀肥提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

冀東濱海平原代表縣曹妃甸區(qū)（北緯39°07′43″～39°27′23″，東經(jīng)118°12′12″～118°43′16″）。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候類(lèi)型，無(wú)霜期188d，年均降水量622mm。冀東濱海平原包括灤河水系形成的沖積平原末端和濱海（渤海）平原，土壤母質(zhì)包括海相沉積物、瀉湖沉積物、河流沖積物［4］，其中海相沉積物占78.64%、瀉湖沉積物占13.43%、河流沖積物占7.93%［2］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

第二次土壤普查部分?jǐn)?shù)據(jù)材料［2］，2008～2011 年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目中的土壤養(yǎng)分測(cè)定結(jié)果［4］；2015～2017 年與二次土壤普查樣點(diǎn)重合土壤養(yǎng)分定位監(jiān)測(cè)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比較土壤各形態(tài)鉀的變化，共計(jì)400 個(gè)樣點(diǎn)。

種稻年限基于二次土壤普查數(shù)據(jù)（土壤樣點(diǎn)圖及水稻種植狀況的記載等），結(jié)合測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的取樣點(diǎn)來(lái)確定文中土壤樣點(diǎn)［2，4］，土壤鉀的收支平衡數(shù)據(jù)基于測(cè)土配方施肥項(xiàng)目中的“3414”試驗(yàn)鉀肥在水稻上的產(chǎn)量效應(yīng)的數(shù)據(jù)［4］。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

土壤全鉀、緩效鉀、速效鉀、全鹽、有機(jī)質(zhì)、有效磷等，采用常規(guī)土壤分析方法［14］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel2007 和SPSS19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冀東濱海平原稻區(qū)土壤鉀素現(xiàn)狀

冀東濱海平原土壤鉀庫(kù)現(xiàn)狀及變化如表1 所示。土壤全鉀、緩效鉀、速效鉀的平均含量分別為23.04g/kg、1615.94mg/kg、247.37mg/kg。緩效鉀/全鉀為7.0%；速效鉀/全鉀為1.1%；速效鉀/緩效鉀為15.3%。

與20 世紀(jì)80 年代初二次土壤普查時(shí)相比，土壤全鉀、速效鉀含量無(wú)顯著變化。

表1 冀東濱海平原稻區(qū)土壤鉀庫(kù)現(xiàn)狀及變化

2.2 不同母質(zhì)對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響

不同母質(zhì)對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響如表2 所示。土壤各形態(tài)鉀的含量海相沉積物和瀉湖沉積物顯著高于河流沖積物，海相沉積物、瀉湖沉積物二者之間差異不顯著。

表2 不同土壤母質(zhì)對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響

海相沉積物和瀉湖沉積物發(fā)育的土壤中供鉀潛力顯著高于河流沖積物發(fā)育的土壤。即海相沉積物和瀉湖沉積物土壤鉀庫(kù)中速效鉀、緩效鉀占全鉀的比值相對(duì)高，兩種母質(zhì)之間差異不顯著。

2.3 種稻年限對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響

不同種稻年限土壤鉀庫(kù)的狀況如表3 所示。隨著種稻年限的增加，土壤全鉀和速效鉀無(wú)顯著變化，緩效鉀顯著下降。隨種稻年限增加，各年限土壤全鉀、速效鉀平均（加權(quán)）分別維持在23.96g/kg、257.41mg/kg 左右。與種稻40 年相比，緩效鉀呈明顯下降趨勢(shì)，年均減少20.19mg/kg。

隨著種稻年限增加，緩效鉀/全鉀呈明顯下降趨勢(shì)，速效鉀/全鉀無(wú)顯著變化，速效鉀/緩效鉀呈顯著升高趨勢(shì)。其中，與種稻40 年相比，種稻50 年緩效鉀/全鉀無(wú)顯著變化，60、70 年緩效鉀/全鉀分別下降了1.5、2.2 個(gè)百分點(diǎn)；種稻50、60、70 年速效鉀/緩效鉀分別增加了1.0、2.2、3.4個(gè)百分點(diǎn)。種稻40～70 年間速效鉀/全鉀無(wú)顯著變化。

2.4 土壤鹽分與土壤速效鉀的關(guān)系

土壤鹽分與土壤速效鉀的關(guān)系如圖1 所示。隨著土壤鹽分的增加，土壤速效鉀逐漸增加，土壤速效鉀與土壤鹽分呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)方程為：

其中，x 為水溶性鹽（%），y 為速效鉀（mg/kg）。

表3 不同種稻年限土壤鉀庫(kù)的狀況

圖1 土壤水溶性鹽與土壤速效鉀的關(guān)系

2.5 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤速效鉀的關(guān)系

土壤有機(jī)質(zhì)與土壤速效鉀的關(guān)系如圖2 所示。隨著土壤有機(jī)質(zhì)的增加，土壤速效鉀含量呈逐漸增加的趨勢(shì)。土壤速效鉀與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)方程為：

其中，x 為有機(jī)質(zhì)（g/kg），y 為速效鉀（mg/kg）。

圖2 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤速效鉀的關(guān)系

2.6 土壤有效磷與土壤速效鉀的關(guān)系

土壤有效磷與土壤速效鉀的關(guān)系如圖3 所示。土壤速效鉀與有效磷無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

圖3 土壤有效磷與土壤速效鉀的關(guān)系

2.7 土壤鉀的收支平衡狀況

基于鉀肥在水稻上的產(chǎn)量效應(yīng)結(jié)果［4］計(jì)算土壤鉀的收支平衡狀況，結(jié)果如表4 所示。K 用量分別為0.0（K0）、31.12（K1）、62.24（K2）、93.36（K3）（K2O 用量0、37.5、75.0、112.5）kg/hm2時(shí)，土壤鉀的收支表觀(guān)平衡均虧，分別為-100%、-85.6%、-72.0%、-56.7%。K0處理相對(duì)于K2處理水稻產(chǎn)量96.7%，即土壤供鉀量167.79kg/hm2，考慮土壤供鉀量后，各鉀肥處理土壤鉀實(shí)際盈余量分別為0、30.03、56.37、92.78kg/hm2?？梢?jiàn)，理論上計(jì)算K用量31.12kg/hm2即可滿(mǎn)足目前水稻產(chǎn)量水平下其生長(zhǎng)需求，土壤鉀處于積累狀態(tài)。

基于表4 水稻產(chǎn)量、秸稈及稻谷和秸稈全鉀量計(jì)算，每形成1000kg稻谷，需要鉀23.10kg，其中，水稻吸收鉀在籽粒和秸稈的分配比例為：籽粒占12.2%，秸稈占87.8%。水稻種植中根茬（根系+地上部15cm 殘茬）還田量相當(dāng)于秸稈量的25%。這樣計(jì)算，K 用量分別為K0、K1、K2、K3水平時(shí)土壤鉀收支表觀(guān)平衡分別為-100%、-81.6%、-64.2%、-44.6%。

表4 土壤鉀平衡狀況

3 討論

3.1 成土母質(zhì)對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響

成土母質(zhì)是影響植物礦質(zhì)養(yǎng)分含量尤其是土壤養(yǎng)分容量、緩效養(yǎng)分含量的主要因素。土壤速效養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度主要受其緩效養(yǎng)分含量的影響，而其土壤全量養(yǎng)分含量對(duì)速效養(yǎng)分的影響主要取決于成土母巖的礦物類(lèi)型（山地或丘陵區(qū)域的洪沖積物）、粘土礦類(lèi)型（平原區(qū)域的沖積物、湖積物、海積物等）等因素［15-17］。土壤鉀庫(kù)受土壤母質(zhì)影響的原因是由于母質(zhì)反映了土壤含鉀礦物的構(gòu)成，從而影響土壤鉀供應(yīng)的容量和強(qiáng)度，同時(shí)母質(zhì)是影響土壤物理性質(zhì)，尤其是團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的主要因素。

本研究結(jié)果表明：成土母質(zhì)是影響冀東濱海平原稻區(qū)土壤鉀庫(kù)及供鉀能力的主要因素，土壤全鉀、緩效鉀、速效鉀含量均表現(xiàn)為海相沉積物和瀉湖沉積物顯著高于河流沖積物。這與已有相關(guān)研究結(jié)果：土壤供鉀強(qiáng)度、容量及其緩沖能力為海相沉積物＞河流沖積物、黃土性物質(zhì)［18］，土壤速效鉀空間變異特征受成土母質(zhì)的影響［19］等結(jié)論一致。本研究區(qū)域河流沖積物母質(zhì)源于灤河沖積物，河流沖積物質(zhì)地輕，以硅酸鹽為主；海相沉積物源于渤海，其中低洼區(qū)域發(fā)育瀉湖微地形，形成瀉湖沉積物，兩種母質(zhì)均呈淤泥狀細(xì)顆粒物理性狀，土壤粘重，且粘粒礦物組成以2∶1 型的伊利石為主［20］。這是影響該區(qū)域不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤鉀庫(kù)顯著不同的主要因素。

3.2 種稻年限對(duì)土壤鉀庫(kù)的影響

耕種施肥年限是影響土壤養(yǎng)分的重要因素。本研究結(jié)果表明，種稻40～70 年內(nèi)，隨著種稻年限的增加，土壤全鉀、速效鉀無(wú)顯著變化，緩效鉀顯著下降。結(jié)合水稻“3414”試驗(yàn)中鉀肥用量和對(duì)應(yīng)產(chǎn)量結(jié)果得到的土壤鉀收支平衡數(shù)據(jù)：K2O 用量為0.0、75.0（K2水平）kg/hm2時(shí)，相當(dāng)于每年分別從土壤中帶走鉀167.79、111.42kg/hm2，結(jié)合土壤容重1.37g/cm3［2］，理論上計(jì)算相當(dāng)于每年耕層土壤鉀分別減少61.24、40.66mg/kg?？梢?jiàn)，導(dǎo)致該區(qū)域土壤緩效鉀下降而速效鉀無(wú)變化的主要原因是作物消耗的鉀高于土壤輸入鉀，而土壤緩效鉀補(bǔ)給了速效鉀，這樣土壤速效鉀未顯著變化而緩效鉀明顯降低。此結(jié)果與鮑士旦等［21］的研究結(jié)果一致。而全鉀的含量未顯著變化原因可能是：一是土壤全鉀含量高，土壤鉀庫(kù)容量大，這樣土壤全鉀數(shù)值上無(wú)顯著變化；二是該區(qū)域地下水礦化度高，其K+含量為1.9～5.5mg/L［22］，地下水位很淺，水稻灌溉期間地下水與稻田地上灌溉水連通，地下水的鉀理論上會(huì)補(bǔ)給土壤鉀，這也可能是速效鉀未顯著變化的原因之一。關(guān)于地下水鉀與土壤各形態(tài)鉀庫(kù)量化關(guān)系及影響因素等有待于進(jìn)一步深入研究。

3.3 土壤鹽分、有機(jī)質(zhì)、有效磷與速效鉀相關(guān)性

冀東濱海平原土壤母質(zhì)以渤海沖積物為主，土壤鹽分含量為海相沉積物、湖相沉積物＞沖積物，其鹽基離子K+、Na+、Mg2+有相同趨勢(shì)，海相沉積物、湖相沉積物區(qū)域地下水位低，地下水的礦化度高，在一定程度上可能對(duì)土壤鉀有補(bǔ)給作用［2，4］。因此隨著土壤鹽分的增加，土壤速效鉀的含量逐漸增加。

周曉芬等［23］在研究河北省褐、潮土區(qū)土壤鉀素形態(tài)及供鉀能力時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤速效鉀與有機(jī)質(zhì)間呈極顯著正相關(guān)。本研究表明有機(jī)質(zhì)與速效鉀存在顯著正相關(guān)關(guān)系。這是由于：該區(qū)域每年還田稻茬約15cm，相當(dāng)于25%秸稈還田。水稻秸稈還田過(guò)程中養(yǎng)分釋放量為碳（有機(jī)碳）＞鉀＞氮＞磷，秸稈中氮、磷含量很低且釋放量相對(duì)較少［24］，表現(xiàn)為土壤速效鉀的補(bǔ)充和有機(jī)質(zhì)的積累。因此土壤速效鉀與有機(jī)質(zhì)間出現(xiàn)了正相關(guān)關(guān)系，但有機(jī)質(zhì)不是影響土壤鉀庫(kù)的主要因素。從數(shù)據(jù)分析看，由于是大樣本量分析，統(tǒng)計(jì)上二者顯著相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)小。

該區(qū)域土壤磷庫(kù)以無(wú)機(jī)磷為主，而Ca-P 占無(wú)機(jī)磷的比重顯著低于石灰性土壤，Al-P、Fe-P、O-P 占無(wú)機(jī)磷比重尤其是Al-P、Fe-P 占無(wú)機(jī)磷的比重顯著高于北方石灰性土壤［25］。長(zhǎng)期土壤磷輸入大于輸出是導(dǎo)致有效磷增加的主要原因［26］，耕種施肥是影響該區(qū)域土壤有效磷增加的主要原因，表現(xiàn)出河流沖積物發(fā)育的土壤有效磷高于海相沉積物、瀉湖沉積物發(fā)育的土壤有效磷［4，27］，而土壤母質(zhì)是影響該區(qū)域土壤速效鉀含量的主要因素，數(shù)據(jù)上統(tǒng)計(jì)，有效磷與速效鉀含量間無(wú)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

土壤全鉀、緩效鉀、速效鉀的平均含量分別為23.04g/kg、1615.94mg/kg、247.37mg/kg。種稻40～70 年間，隨著種稻年限的增加，土壤全鉀、速效鉀無(wú)顯著變化，緩效鉀呈顯著下降趨勢(shì)。

不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤全鉀、緩效鉀、速效鉀含量均為海相沉積物和瀉湖沉積物顯著高于河流沖積物；土壤緩效鉀/全鉀、速效鉀/全鉀有相同規(guī)律，3 種母質(zhì)間速效鉀/緩效鉀值無(wú)顯著差異。海相沉積物、瀉湖沉積物二者之間的土壤各形態(tài)鉀含量及比值均無(wú)顯著差異。

土壤速效鉀與土壤鹽分、有機(jī)質(zhì)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤速效鉀與有效磷無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。