廖育林魯艷紅謝 堅(jiān)聶 軍?楊曾平周 興

（1 湖南省土壤肥料研究所，長(zhǎng)沙 410125）

（2 農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，長(zhǎng)沙 410125）

長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)紅壤雙季稻田土壤
供鉀能力的影響*

廖育林1，2魯艷紅1，2謝 堅(jiān)1，2聶 軍1，2?楊曾平1，2周 興1

（1 湖南省土壤肥料研究所，長(zhǎng)沙 410125）

（2 農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，長(zhǎng)沙 410125）

以紅壤雙季稻區(qū)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)（1981―2012年）為基礎(chǔ)，研究了長(zhǎng)期施用化肥和稻草對(duì)雙季稻集約化種植下水稻產(chǎn)量、作物吸鉀量和土壤供鉀能力的影響。結(jié)果表明，施鉀能增加水稻稻谷和稻草的產(chǎn)量；水稻從土壤中的吸鉀量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加，年平均吸鉀量順序?yàn)镹PK+RS（施氮磷鉀化肥+稻草）＞NPK（施氮磷鉀化肥）＞NP+RS（施氮磷化肥+稻草）＞CK（不施任何肥料）＞NP（施氮磷化肥）；長(zhǎng)期不施用或施用不足量鉀肥（CK、NP、NP+RS）會(huì)導(dǎo)致耕層土壤速效鉀、緩效鉀和全鉀數(shù)量的虧缺。長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草不僅有利于土壤伊利石含量的增加，而且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發(fā)展；施鉀能增加土壤黏粒中的游離伊利石和伊利石的含量，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草會(huì)使土壤黏粒中的蛭石向伊利石轉(zhuǎn)化。土壤鉀素的容量-強(qiáng)度（Q/I）曲線參數(shù)可以解釋長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草處理土壤供鉀能力強(qiáng)是由于這些處理的活性鉀（-ΔK°）量高、專性吸附鉀位（Kx）多、有效鉀強(qiáng)度（AReK）強(qiáng)、緊吸持K+量多，而潛在緩沖容量（PBCK）、吉布斯自由能（-ΔG）和陽離子交換系數(shù)（KG）較長(zhǎng)期不施鉀肥處理低。綜上，在施氮磷肥的基礎(chǔ)上，配施鉀肥和稻草還田不僅能提高水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的能力，而且對(duì)促進(jìn)水稻對(duì)鉀的吸收量、增強(qiáng)土壤的鉀吸持能力、保持農(nóng)田鉀素平衡以及提高土壤供鉀能力有重要作用。

長(zhǎng)期施鉀；紅壤水稻土；產(chǎn)量；含鉀黏土礦物；供鉀能力

鉀是植物生長(zhǎng)所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有不可替代的重要作用。我國是一個(gè)鉀肥資源相對(duì)匱乏的國家，土壤鉀素供應(yīng)不足已嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展［1-3］。因此，有關(guān)土壤供鉀能力評(píng)價(jià)及長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤供鉀能力影響的研究仍將是我國土壤肥料工作面臨的一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。

土壤中的鉀以不同的形態(tài)存在，土壤供鉀能力主要由土壤中有效鉀（水溶性鉀和交換態(tài)鉀）含量以及非交換態(tài)鉀和礦物鉀向有效鉀轉(zhuǎn)化速率及數(shù)量等因素共同決定。有效鉀一般情況下是當(dāng)季作物吸鉀的主要來源，因此，有效鉀含量通常作為表征土壤鉀素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。非交換性鉀（或緩效鉀）包括含鉀礦物（如黑云母）晶格內(nèi)的鉀和含鉀礦物（如蛭石等2∶1型層狀硅酸鹽礦物）所固定的鉀，主要靠庫侖引力固持在次生礦物層間，具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為交換性鉀或土壤溶液鉀。研究表明土壤中各形態(tài)鉀可以相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化的方向、程度和速率受諸多因素影響［4-6］，其中礦物組成及其數(shù)量對(duì)土壤供鉀能力或供鉀潛力有至關(guān)重要的影響［6-9］。

關(guān)于土壤供鉀能力的評(píng)價(jià)，國內(nèi)外開展了很多研究［4-7］。鉀對(duì)作物的有效性不僅與可利用的鉀數(shù)量有關(guān)，且受土壤其他伴隨離子的影響。因此，以物理化學(xué)為基礎(chǔ)，用鉀的活度比、鉀位、強(qiáng)度因素、容量因素和位勢(shì)緩沖容量等熱力學(xué)參數(shù)及以鉀的容量因子對(duì)強(qiáng)度因子作圖的Q/I曲線已被廣泛地應(yīng)用于土壤供鉀能力的評(píng)價(jià)［8］。

在已有研究中，對(duì)于水稻連作條件下土壤鉀素形態(tài)變化及有效性轉(zhuǎn)化、作物根系與土壤轉(zhuǎn)化的相互作用過程以及有機(jī)和無機(jī)肥源鉀在氧化還原作用下與土壤間的相互作用等機(jī)理尚未完全清楚。因而，開展水稻長(zhǎng)期連作條件下土壤鉀素形態(tài)變化和土壤含鉀黏土礦物變化特征的研究，對(duì)于充分利用土壤自身供鉀能力、合理配施有機(jī)和無機(jī)肥源鉀來滿足水稻對(duì)鉀的需求具有重要意義［10-12］。本文主要研究紅壤雙季稻種植制度下長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草還田對(duì)水稻產(chǎn)量、作物吸鉀量、土壤鉀素形態(tài)變化以及土壤主要黏土礦物的組成、數(shù)量和鉀素容量與強(qiáng)度的影響，并探討施用鉀肥和稻草條件下土壤鉀素形態(tài)變化特征、含鉀黏土礦物轉(zhuǎn)化與土壤中鉀離子（K+）的吸附與解吸特性，以期為紅壤雙季稻田土壤的合理和有效施鉀提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站雙季稻長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)點(diǎn)位于湖南省望城縣黃金鄉(xiāng)（112°80′ E，28°37′ N，海拔高度為100 m）。試驗(yàn)于1981年開始，1981—2012年的年均降雨量為1 393 mm，年平均氣溫18℃，年平均無霜期大約為300 d。供試土壤為第四紀(jì)紅土發(fā)育的水稻土（粉質(zhì)輕黏土，土壤分類為普通簡(jiǎn)育水耕人為土）。試驗(yàn)開始前耕層土壤基本性狀為：pH 6.6，土壤有機(jī)質(zhì)34.7 g kg-1，全氮 2.05 g kg-1，堿解氮 151.0 mg kg-1，全磷 0.66 g kg-1，有效磷 10.2 mg kg-1，全鉀 14.2 g kg-1，速效鉀 62.3 mg kg-1，緩效鉀 173.8 mg kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，3次重復(fù)，27個(gè)小區(qū)，為區(qū)組排列。每個(gè)小區(qū)面積為66.7 m2，小區(qū)之間用30 cm寬水泥埂隔開，區(qū)組之間的排水溝寬度為50 cm，區(qū)組之間用水泥埂隔開，以避免灌溉水串灌和處理之間的交叉污染。研究選擇了5個(gè)處理：（1）CK（不施任何肥料）；（2）NP（施氮磷化肥）；（3）NPK（施氮磷鉀化肥）；（4）NP+RS（施氮磷化肥+稻草）；（5）NPK+RS（施氮磷鉀化肥+稻草）。氮、磷和鉀化肥品種分別是尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。在1981—2012年期間，氮肥按早稻150 kg hm-2（以N計(jì)）和晚稻180 kg hm-2（以N計(jì)）施入；磷肥按早、晚稻每季38.7 kg hm-2（以P計(jì)）施入；鉀肥按早、晚稻每季99.6 kg hm-2（以K計(jì)）施入；稻草還田量按早、晚稻每季干稻草2.1 t hm-2施入（折合養(yǎng)分N 21.4 kg hm-2、P 2.8 kg hm-2和K 54.6 kg hm-2）。磷肥、鉀肥和稻草在插秧前1 d施用，并混入土壤。氮肥分兩次施入：50%的氮在插秧前1 d施入，余下50%的氮在分蘗初期施入。供試水稻品種（組合）早稻為常規(guī)稻，晚稻為雜交稻（每3～5年換一批當(dāng)?shù)刂魍圃缤淼舅酒贩N）。早稻于4月底移栽，7月中旬收獲；晚稻于7月中下旬移栽，10月下旬收獲。秧苗生長(zhǎng)期為30～35 d，早稻每穴栽插4～5株秧苗，晚稻每穴栽插1～2株秧苗，株行距20 cm×20 cm，冬季休閑，不進(jìn)行灌溉和栽培作物，其他的田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的大田管理相同。

1.3 樣品采集與測(cè)試方法

1981—2012年期間，早、晚稻每小區(qū)單打單收稱計(jì)實(shí)產(chǎn)，多點(diǎn)混合采集植株樣品；植株樣品中鉀素含量采用火焰光度計(jì)法測(cè)定［13］。

土壤樣品于2012年11月2日（晚稻收獲后1周），用具有刻度的管形取土器分別采集CK、NP、NPK、NP+RS和NPK+RS處理小區(qū)0～15 cm耕層土樣，運(yùn)回室內(nèi)后，置于室溫下風(fēng)干，磨細(xì)過篩，貯存于密封廣口瓶?jī)?nèi)備用。土壤全鉀用NaOH熔融，火焰光度計(jì)法測(cè)定［13］；土壤緩效鉀用1 mol L-1熱HNO3浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定［13］；土壤速效鉀用1 mol L-1中性NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定［13］；土壤容重采用自制的環(huán)刀（高15 cm、內(nèi)徑10 cm）進(jìn)行測(cè)定，其他理化性狀均采用常規(guī)方法測(cè)定［13］。

黏土礦物組成采用定向黏土制備的經(jīng)典X-射線衍射法（XRD）［14］和數(shù)值圖解法測(cè)定［15］。小于5 μm黏土的提取用吸管法分離，按X-射線衍射法分4項(xiàng)對(duì)提取的小于5 μm黏土進(jìn)行載玻片樣品制備。即：（1）鎂飽和甘油處理定向樣品（EG片）制備：稱取1 g左右小于5 μm黏土樣品放入加有2～3滴5%甘油的0.5 mol L-1MgCl2溶液中，用球狀玻璃棒充分?jǐn)嚢?，稱取0.05 g鎂飽和甘油處理試樣加入2～3 ml純水，充分?jǐn)嚢枋蛊浞稚?，吸?.5 ml懸液，在潔凈的平面載玻片上均勻鋪開，靜置晾干，制備成定向薄膜試樣，做好的載玻片置于干燥器中保留24 h后待測(cè)；（2）鉀飽和處理自然風(fēng)干定向樣品（K片）制備：在鉀飽和試驗(yàn)處理中，稱取5 g左右小于5 μm黏土樣品放入1 mol L-1KCl溶液中，分別振蕩和離心5 min，重復(fù)操作該步驟5次，然后用蒸餾水漂洗5次除去過量KCl，稱取0.05 g鉀飽和處理試樣加入2～3 ml純水，按（1）方法制成定向薄膜試樣，自然風(fēng)干約24 h待檢測(cè)；（3）鉀飽和處理后300℃處理定向樣品（K300片）制備：將（2）方法中制成的樣品放入馬弗爐中緩慢加熱至300℃恒溫2 h，然后冷卻至60℃左右取出，貯于盛有無水氯化鈣的干燥器中待檢測(cè)；（4）鉀飽和處理后550℃處理定向樣品（K550片）制備：把（2）方法中制成的樣品放入馬弗爐中緩慢加熱至550℃恒溫2 h，其余步驟同（3）方法；每項(xiàng)分析都要制備相應(yīng)的樣品，具體的制樣方法詳見用X射線衍射分析鑒定黏土礦物制備方法［16-17］。XRD分析所使用的儀器為Bruker D8衍射儀（Bruker，Aks，Gmbh，德國），由X射線發(fā)生器（PW 3373/00）、測(cè)角儀（PW3050/60）、計(jì)數(shù)器及自動(dòng)記錄裝置組成，射線管陽極為銅靶（Cu Ka輻射），從2到15°2θ步寬對(duì)樣品進(jìn)行掃描。礦物的衍射峰面積用NEWMOD程序計(jì)算［18］。為便于比較，初始土壤（IS）和2012年土壤一起進(jìn)行相關(guān)測(cè)定。

土壤樣品鉀的容量和強(qiáng)度關(guān)系采用Beckette［19］提出的方法測(cè)定。根據(jù)提取液加入前K+濃度與平衡液中K+濃度之差求出土壤K+得失量（ΔK），由平衡液中K+、Ca2+和Mg2+的濃度計(jì)算出活性鉀（-ΔK°）、專性吸附鉀（KX）、有效鉀強(qiáng)度（AReK）、潛在緩沖容量（PBCK）、吉布斯自由能（-ΔG）、緊吸持K+和陽離子交換系數(shù)（KG）等參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及分析采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.5等數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。為反映長(zhǎng)期試驗(yàn)的整體性和連續(xù)性，表1中水稻產(chǎn)量和水稻吸鉀量數(shù)據(jù)為1981―2012年間32年64季水稻早、晚稻的平均數(shù)據(jù)。表2中耕層土壤不同形態(tài)鉀數(shù)量（kg hm-2）為單位面積（公頃）內(nèi)15 cm土層不同形態(tài)鉀（交換性鉀、非交換性鉀和全鉀）含量（mg kg-1或g kg-1）與土層土壤容重（g cm-3）和土層深度（15 cm）的乘積。

2 結(jié) 果

2.1 長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)水稻產(chǎn)量和吸鉀量的影響

研究期間早晚稻稻谷和稻草的平均產(chǎn)量及鉀素吸收量見表1。施鉀能增加稻谷和稻草的產(chǎn)量，早、晚稻稻谷的產(chǎn)量高低順序均為NPK+RS＞NPK ＞NP+RS＞NP＞CK。施化肥鉀的NPK和NPK+RS處理較相應(yīng)的NP和NP+RS處理早稻稻谷分別增加15.9%和12.5%，稻草增加21.3%和6.4%；晚稻稻谷分別增加17.5%和9.5%，稻草增加33.9%和16.6%。水稻從土壤中的鉀吸收量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加。不施鉀肥的NP處理鉀素吸收量最低（103.4 kg hm-2a-1），其次是不施肥的對(duì)照處理（109.2 kg hm-2a-1）。NPK+RS和NP+RS處理中籽粒和稻草的平均鉀素吸收量較相對(duì)應(yīng)的NPK和NP處理的高，年平均鉀素吸收量較NPK和NP處理分別增加了109.8 kg hm-2a-1和81.26 kg hm-2a-1。稻草能替代化學(xué)鉀肥滿足水稻對(duì)鉀素的需要，同時(shí)提高水稻產(chǎn)量；另外，稻草為水稻也提供了N、P和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分。

2.2 長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)耕層土壤不同形態(tài)鉀數(shù)量的影響

施鉀量較高的NPK和NPK+RS處理的交換性鉀量明顯高于其他處理（表2），32年水稻作物循環(huán)后，NPK+RS處理耕層土壤的交換性鉀數(shù)量增加，而非交換性鉀處于虧缺狀態(tài)。32年NP+RS處理的非交換性鉀下降了25 kg hm-2。與交換性鉀和非交換性鉀不同，32年種植水稻作物后所有處理耕層土壤全鉀數(shù)量均下降。NP+RS處理全鉀虧缺量最高（2 147 kg hm-2）。全鉀的虧缺不能真實(shí)反映非交換性鉀的土壤檢測(cè)值，如NPK和NPK+RS處理耕層土壤交換性鉀量增加，而全鉀處于凈虧缺，分別虧缺1 047 kg hm-2和1 373 kg hm-2。

2.3 長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)紅壤水稻土含鉀礦物組成的影響

從鎂飽和甘油處理的小于 5 μm黏粒衍射峰圖譜（圖1）可知，不同處理土壤具有相同的礦物組成。所有測(cè)試處理的衍射峰均出現(xiàn)在1.42 nm、1.00 nm和0.72 nm附近。鎂飽和甘油處理之后的衍射峰未移動(dòng)，說明不同施肥土壤均不含膨脹黏土礦物。鉀飽和處理之后，CK和NP處理土壤1.42 nm的蛭石-綠泥石（V/CH）相對(duì)峰強(qiáng)度增加，表明V/ CH礦物間層中存在可交換性羥基離子。鉀飽和后300℃熱處理土壤中1.42 nm處向1.00 nm峰收縮移動(dòng)，形成一個(gè)寬帶；鉀飽和后550℃熱處理土壤中1.42 nm峰全部收縮成不對(duì)稱的1.00 nm峰，證明土壤中存在介于綠泥石與蛭石類型的過渡礦物［20］。

表1 長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)水稻產(chǎn)量和吸鉀量的影響Table 1 Effect of long-term application of K fertilizer and rice straw on yield and K uptake of rice

表2 長(zhǎng)期施鉀對(duì)2012年耕層土壤不同形態(tài)鉀數(shù)量的影響Table 2 Effect of long-term K fertilization on contents of different forms of K in the topsoil layer of reddish paddy soil in 2012（kg hm-2）

根據(jù)各礦物特征峰的面積計(jì)算出各種黏土礦物峰面積的相對(duì)百分率（表3）。小于5 μm黏粒部分中的主要礦物是蛭石-綠泥石（V/CH），占總衍射峰面積的35.99%～39.61%，其次是高嶺石（KL）（25.12%～28.75%）、伊利石（IL）（14.37%～24.29%）和蛭石-綠泥石/伊利石混層礦物（ML）（14.41%～18.45%）。長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草處理（NPK、NP+RS和NPK+RS）的V/ CH、KL和ML衍射峰面積百分率低于不施用鉀肥的（CK和NP）處理和初始土壤（IS），而伊利石衍射峰面積百分率大于不施鉀肥處理（CK和NP）和IS。將伊利石衍射峰分離成兩部分：1.42 nm附近的寬帶峰（結(jié)晶不良伊利石，PCI）和1.00 nm處的窄帶峰（晶格良好伊利石，WCI）。不同施肥處理對(duì)WCI和PCI衍射峰面積百分率有明顯影響。長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草的WCI和PCI衍射峰面積百分率高于不施鉀肥處理（NP和CK）和初始土壤，與不施用鉀肥的NP處理相比，NPK、NP+RS和NPK+RS處理WCI衍射峰面積百分率分別增加135.46%、134.75%和143.97%，PCI衍射峰面積百分率分別增加42.86%、28.48%和50.74%，且長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草的NPK（28.69%）、NP+RS（30.85%）和NPK+RS（28.32%）處理WCI衍射峰面積占總伊利石衍射峰面積百分比明顯高于不施用鉀肥的CK（20.95%）、NP（19.62%）處理和初始土壤（26.09%）。此結(jié)果說明，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草不僅有利于土壤伊利石含量的增加，而且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發(fā)展。

圖1 不同施肥處理中黏粒部分（＜5 μm）的X―射線衍射圖譜Fig. 1 X-ray diffraction pattern of the clay fraction（＜5 μm）relative to fertilization treatment

表3 不同施肥處理中蛭石-綠泥石（V/CH）、蛭石-綠泥石/伊利石混層礦物（ML）、高嶺石（KL）、伊利石（IL）晶格良好伊利石（WCI）和晶格不良伊利石（PCI）衍射特征峰的百分比Table 3 Percentage of diffraction characteristic peak of vermiculite-chlorite（V/CH），vermiculite-chlorite/illite mixed-layer （ML），kaolinite（KL），illite（IL），well-crystallized illite（WCI），and poorly crystallized illite（PCI）relative to fertilization treatments（%）

連續(xù)32年種植64季水稻后，由于不同施鉀處理的伊利石峰面積百分率發(fā)生了變化，土壤黏粒在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)鉀飽和處理后，所有鉀飽和處理的游離伊利石峰面積均較未經(jīng)鉀飽和處理的面積增加（表4）。鉀飽和處理后，CK處理的游離伊利石峰面積由未經(jīng)鉀飽和處理的11.92%增加至23.47%；NP處理的游離伊利石峰面積由未經(jīng)鉀飽和處理的13.49%增加至26.88%；NPK、NP+RS和NPK+RS處理伊利石峰面積百分率由未經(jīng)鉀飽和處理的12.36%、12.94%和12.22%分別增加至26.71%、24.27%和26.44%。不同施肥處理對(duì)混層蛭石-綠泥石/伊利石礦物中伊利石層峰面積百分率也有明顯影響（表4），長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草處理（NPK、NP+RS和NPK+RS）鉀飽和處理后的混層蛭石-綠泥石/伊利石礦物中伊利石衍射峰面積百分率略高于未經(jīng)鉀飽和處理，而長(zhǎng)期不施鉀肥處理（NP和CK）和初始土壤（IS）鉀飽和處理后的混層蛭石-綠泥石/伊利石礦物中伊利石層峰面積百分率略低于未經(jīng)鉀飽和處理。所有處理鉀飽和處理后的總伊利石衍射峰面積百分率均高于未經(jīng)鉀飽和處理，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草NPK、NP+RS和NPK+RS處理經(jīng)鉀飽和處理后的總伊利石衍射峰面積百分率分別較未經(jīng)鉀飽和處理增加4.97%、6.36%和4.61%；而長(zhǎng)期不施鉀肥NP、CK處理和初始土壤分別增加10.28%、11.13%和10.35%。所有處理鉀飽和處理后的總蛭石/綠泥石峰面積百分率均明顯低于未經(jīng)鉀飽和處理，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草NPK、NP+RS 和NPK+RS處理經(jīng)鉀飽和處理后的總V/CH衍射峰面積百分率分別較未經(jīng)鉀飽和處理降低16.32%、13.94%和8.74%；而長(zhǎng)期不施鉀肥NP、CK處理和初始土壤分別降低21.04%、33.64%和20.64%。上述結(jié)果說明，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草能促進(jìn)土壤礦物從蛭石向伊利石方向發(fā)展。

表4 不同施肥處理經(jīng)鉀飽和和未經(jīng)鉀飽和處理不同礦物中蛭石-綠泥石和伊利石衍射峰面積的百分比Table 4 Percentage of diffraction peak area of vermiculite-chlorite and illite in K saturated and non K saturated minerals relative to fertilization treatment（%）

2.4 長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤水稻土容量-強(qiáng)度（Q/I）參數(shù)的影響

連續(xù)32年種植64季水稻后，不同施肥處理之間土壤-ΔK°表現(xiàn)出明顯差異（表5）。CK和NP處理耕層土壤-ΔK°值較小，僅為0.1498 cmol kg-1和0.1608 cmol kg-1，說明長(zhǎng)期不施肥和長(zhǎng)期只施NP肥的條件下土壤溶液中的鉀很少。長(zhǎng)期施NPK 和NPK+RS處理土壤-ΔK°值較大，分別為0.218 1 cmol kg-1和0.297 0 cmol kg-1，說明長(zhǎng)期施鉀肥和鉀與稻草配合施用有更多的鉀素進(jìn)入到土壤溶液。NPK+RS處理土壤-ΔK°值更大是因?yàn)槌┤牖瘜W(xué)鉀肥外，每年施入土壤的稻草本身帶入了一定量的鉀素（109.2 kg hm-2）。NP+RS處理土壤-ΔK°值高于單施化學(xué)NP肥處理，但低于NPK和NPK+RS處理。

長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草處理土壤中的專性吸附鉀位（Kx）較多（表5）。ARek是衡量土壤易釋放鉀中鉀素有效性或強(qiáng)度（I）的指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期不施肥的CK處理和長(zhǎng)期施NP處理的土壤ARek較小，分別僅為0.007 8（cmol kg-1）1/2和0.008 2（cmol kg-1）1/2，其中NP處理大于CK處理土壤；長(zhǎng)期施NPK和NPK+RS處理土壤ARke較大，分別為0.014 5（cmol kg-1）1/2和0.0168 （cmol kg-1）1/2。NP與稻草長(zhǎng)期配合施用處理土壤ARek高于單施NP處理，但明顯低于NPK和NPK+RS處理。Schuffelen和van Schouwenburg［21］認(rèn)為，當(dāng)ARek低于0.01（mol L-1）1/2時(shí)，大部分的鉀吸附在晶格層間交換位；ARek在0.01和0.1 （mol L-1）1/2之間時(shí)，大部分的鉀吸附在邊緣交換位；高于0.1（mol L-1）1/2時(shí)，大部分的鉀吸附在平面交換位。由此可以判斷，長(zhǎng)期不施肥的CK處理和長(zhǎng)期只施NP化肥處理小區(qū)土壤的鉀主要吸附在晶格層間交換位，長(zhǎng)期施用NPK、NP+RS和NPK+RS處理小區(qū)土壤的鉀較多的部分被吸附在邊緣交換位。

PBCK反映了土壤潛在緩沖容量，即表示了一種土壤中土壤溶液保持K+強(qiáng)度的能力。比較不同處理小區(qū)耕層土壤的PBCK可以看出，CK和NP處理土壤的PBCK最大，分別為19.67 cmol kg-1/ （cmol kg-1）1/2和19.85 cmol kg-1/（cmol kg-1）1/2，其次是NPK和NP+RS處理，分別為15.11 cmol kg-1/ （cmol kg-1）1/2和15.48 cmol kg-1/（cmol kg-1）1/2，NPK+RS處理的PBCK最低，僅為14.29 cmol kg-1/ （cmol kg-1）1/2。以上結(jié)果說明，對(duì)于同一土壤而言，維持一個(gè)低鉀濃度溶液的能力較維持一個(gè)高鉀濃度溶液的能力強(qiáng)，同時(shí)表明，要提高CK和NP處理土壤溶液中鉀濃度則需要施用較大量的鉀才行。

表5 長(zhǎng)期施用化肥和稻草對(duì)紅壤水稻土容量-強(qiáng)度參數(shù)的影響Table 5 Effect of long-term application of K fertilizer and incorporation of rice straw on Q/I parameters in reddish paddy soil

K和Ca+Mg交換自由能（-ΔG）指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（25℃）等當(dāng)量的K交換等當(dāng)量的Ca+Mg所需要的能量，是衡量K和Ca+Mg化學(xué)勢(shì)之差的一個(gè)指標(biāo)。-ΔG越大，土壤對(duì)K的選擇性吸附越強(qiáng)（即KG越大），作物對(duì)鉀的吸收越困難，從而容易出現(xiàn)缺鉀；-ΔG越小，土壤對(duì)K的選擇性吸附越弱，鉀的植物有效性越高。一般而言，土壤易交換性鉀含量高，-ΔG低。長(zhǎng)期不施鉀土壤（CK和NP）-ΔG較高，分別為15.34和14.87 kJ mol-1，長(zhǎng)期施鉀土壤（NPK和NPK+RS）-ΔG較低，分別為10.50和9.79 kJ mol-1。Woodruff［22］的研究結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)土壤-ΔG大于14.64 kJ mol-1時(shí)，容易出現(xiàn)缺鉀，而當(dāng)-ΔG小于8.36 kJ mol-1時(shí)，則可能鉀素過多誘發(fā)缺鈣。由此判斷，長(zhǎng)期不施肥的CK和NP處理土壤的-ΔG超過Woodruff研究的缺鉀閾值，處于嚴(yán)重缺鉀狀態(tài)；NP+RS處理土壤的-ΔG接近缺鉀閾值，處于缺鉀狀態(tài)；而NPK+RS處理土壤的鉀素不缺乏，但長(zhǎng)期下去可能會(huì)誘發(fā)缺鈣［23］。

3 討 論

3.1 長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤鉀庫的影響

施鉀是增加水稻產(chǎn)量的重要農(nóng)業(yè)措施。本研究的結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草能增加水稻的產(chǎn)量，早晚稻稻谷產(chǎn)量隨鉀肥施用量的增加而增加；與NP處理相比，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草的NPK、NP+RS和NPK+RS處理早稻稻谷產(chǎn)量平均分別增加15.9%、10.9%和24.7%，晚稻分別增加17.5%、14.4%和25.2%；早稻和晚稻稻草產(chǎn)量平均分別增加21.3%、9.0%、16.0%和33.9%、14.3%、33.3%。水稻從土壤中吸收鉀的量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加。不施鉀肥的NP處理鉀素吸收量最低（103.4 kg hm-2a-1），其次是不施肥的對(duì)照處理（109.2 kg hm-2a-1）。NPK+RS和NP+RS處理中籽粒和稻草的平均鉀素吸收量較相對(duì)應(yīng)的NPK和NP處理的高，年平均鉀素吸收量較NPK和NP處理分別增加了109.8 kg hm-2a-1和81.26 kg hm-2a-1。比較表2中耕層土壤三種不同形態(tài)鉀數(shù)量的虧缺量，種植32年水稻作物后，所有處理耕層土壤的全鉀數(shù)量均下降，且NP+RS處理全鉀虧缺量最高，為2 147 kg hm-2；除NPK處理外，其他處理非交換性鉀量均處于虧缺狀態(tài)；交換性鉀量只有施用鉀肥量較高的NPK和NPK+RS處理處于盈余狀態(tài)，其他處理為虧缺。紅壤稻田土壤上，長(zhǎng)期每年只施用4.2 t hm-2稻草的NP+RS處理，不能滿足水稻生長(zhǎng)期間的鉀素平衡，長(zhǎng)期施用會(huì)造成土壤三種不同形態(tài)鉀數(shù)量的虧缺，且由于每年較高稻谷（10.79 t hm-2）和稻草產(chǎn)量（8.04 t hm-2），每年平均帶走的鉀素量為213.18 kg hm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于每年平均稻草鉀素的輸入量109.2 kg hm-2，施稻草能部分滿足水稻鉀素的需要，同時(shí)提高水稻的產(chǎn)量。此外，稻草為水稻也提供了N、P養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分，是造成NP+RS處理三種不同形態(tài)鉀虧缺量較大的主要原因［24］。

3.2 長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)紅壤水稻土供鉀能力的影響

施鉀不僅是一個(gè)植物營(yíng)養(yǎng)問題，而且也是一個(gè)伊利石為主要含鉀黏土礦物耕作土壤中黏粒保育的問題。肥料鉀可以被植物吸收，但在每年水稻生長(zhǎng)期間，伊利石充當(dāng)了土壤―植物鉀素供應(yīng)的一種長(zhǎng)期交換器。分解X-射線衍射圖表明，黏土礦物比例隨施肥處理不同而變化：長(zhǎng)期施NP未改變高生產(chǎn)力條件下因稻株吸鉀量高而導(dǎo)致的土壤中伊利石含量降低，但在長(zhǎng)期種植雙季稻的條件下，長(zhǎng)期施用NP肥的基礎(chǔ)上配施鉀肥或稻草能提高土壤中的伊利石含量，而長(zhǎng)期不施鉀肥卻使得土壤中的伊利石含量下降。本研究的結(jié)果與其他研究者的結(jié)果相似，長(zhǎng)期施用鉀肥能促進(jìn)礦物蛭石向伊利石轉(zhuǎn)化。據(jù)報(bào)道［25］，在26年肥料定位試驗(yàn)期間，不施鉀肥導(dǎo)致伊利石含量大量減少，而致蒙脫石和層間伊利石-蒙脫石礦物增加。本研究中NPK、NP+RS 和NPK+RS處理黏粒的伊利石衍射峰面積百分率高于不施肥CK處理和不施鉀肥的NP處理，說明長(zhǎng)期施鉀增加了伊利石的形成。長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草處理（NPK、NP+RS和NPK+RS）的WCI和PCI衍射峰面積百分率高于不施鉀肥處理（NP和CK）和初始土壤，且長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草NPK、NP+RS和NPK+RS處理的WCI衍射峰面積占總伊利石衍射峰面積百分比明顯高于不施用鉀肥的CK、NP處理和初始土壤。說明，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草不僅有利于土壤伊利石含量的增加，而且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發(fā)展。

連續(xù)種植32年64季水稻之后，不同處理土壤鉀Q/I曲線成分表現(xiàn)出明顯差異，產(chǎn)生這些差異的原因可以從控制O/I曲線關(guān)系性質(zhì)的土壤組分變化解釋。控制溶液中K+量的有兩種類型的土壤鉀親和位。O/I圖的曲線部分（下部分）代表特殊吸附或K+與其他陽離子的交換位，即高K+親和位；O/I圖的直線部分（上部分）代表K+-（Ca2++Mg2+）交換反應(yīng)，即低K+親和位。Q/I曲線線性部分鉀的相對(duì)親和力受有機(jī)質(zhì)含量和pH的影響。本研究證明，隨著長(zhǎng)期施用稻草處理土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，耕層土壤的K（KG）親和力下降，另一方面，隨著長(zhǎng)期施用稻草處理土壤有機(jī)質(zhì)的增加，pH隨長(zhǎng)期施稻草而下降；在一些土壤對(duì)Na+-Ca2+交換的試驗(yàn)證明，土壤一價(jià)離子的相對(duì)親和力以及表面電荷密度受pH降低而下降的影響較大［26］。也有研究注意到，有機(jī)質(zhì)對(duì)K的親和力低于土壤礦物［27］。Q/ I曲線的下部通常與高親和K位點(diǎn)有聯(lián)系。在本研究中，高親和K位點(diǎn)定義為中性1 mol L-1NH4OAc提取K+量減去Q/I曲線線性部分y截距測(cè)定的ΔK°量。連續(xù)種植32年64季水稻之后，不同處理之間的最大差異在耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量方面。NP+RS和NPK+RS兩個(gè)長(zhǎng)期施用稻草處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，CK和NP處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量較低［5］。數(shù)據(jù)表明，無有機(jī)質(zhì)積累的CK和NP處理土壤中高親和K量較低，且兩種處理的數(shù)值接近。高有機(jī)質(zhì)積累的NPK+RS處理耕層土壤，緊吸持K+的數(shù)量明顯高于其他處理土壤。

評(píng)價(jià)土壤供鉀能力的強(qiáng)弱時(shí)，除考慮土壤中植物吸收的有效鉀量、含鉀黏土礦物的組成、施鉀量的多少和土壤鉀吸附與解吸的數(shù)量與速率以及它們之間的交互效應(yīng)等的作用外，還需要綜合考慮其他因素對(duì)土壤供鉀能力的影響，如土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異、堿性陽離子（Ca2+、Mg2+、Na+）和pH變化等因素的影響。肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)具有常規(guī)試驗(yàn)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，通過研究長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)水稻產(chǎn)量、作物吸鉀量、土壤鉀素形態(tài)變化以及土壤主要黏土礦物的組成、數(shù)量和鉀素容量與強(qiáng)度的影響，探討了長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草條件下土壤鉀素形態(tài)變化特征、含鉀黏土礦物轉(zhuǎn)化及土壤中K+的吸附、解吸特性與施鉀量之間的變化關(guān)系，可以深入了解長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草條件下，土壤供鉀能力復(fù)雜的化學(xué)行為，預(yù)測(cè)施入土壤鉀素的變化和土壤供給植物鉀素營(yíng)養(yǎng)的本質(zhì)特征。本文僅就南方紅壤水稻土雙季稻種植制度下，長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)水稻產(chǎn)量、水稻吸鉀量、耕層土壤中的不同鉀素量、小于5 μm黏粒中含鉀黏土礦物的變化和土壤鉀素容量-強(qiáng)度（Q/I）參數(shù)等進(jìn)行了初步探討，對(duì)于促進(jìn)南方雙季稻區(qū)科學(xué)合理施用鉀肥具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。但耕層土壤（0～15 cm）以下土層的供鉀情況，不同處理中土壤的供鉀能力和含鉀黏土礦物的變化與水稻作物需鉀有效性的關(guān)系等均有待做進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

連續(xù)32年64季水稻種植條件下，長(zhǎng)期施用化肥和稻草對(duì)集約化種植下雙季稻產(chǎn)量、作物吸鉀量和土壤供鉀能力的影響較大：施鉀能增加水稻稻谷和稻草的產(chǎn)量，水稻從土壤中的吸鉀量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加，長(zhǎng)期不施用或施用不足量鉀肥會(huì)導(dǎo)致土壤速效鉀、緩效鉀和全鉀量的虧缺；長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草有利于土壤伊利石含量的增加，且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發(fā)展；長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草會(huì)使土壤黏粒中的蛭石向伊利石轉(zhuǎn)化；長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草處理活性鉀（-ΔK°）量高、專性吸附鉀位（Kx）多、有效鉀強(qiáng)度（ARe

K）強(qiáng)、緊吸持K+量多，而潛在緩沖容量（PBCK）、吉布斯自由能（-ΔG）和陽離子交換系數(shù)（KG）較低是導(dǎo)致這些長(zhǎng)期施鉀處理供鉀能力較強(qiáng)的主要原因。

致 謝感謝湖南省土壤肥料研究所鄭圣先研究員在X-射線衍射峰判別和Q/I曲線參數(shù)計(jì)算中提供的方法和幫助。

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Effects of Long-term Application of Chemical Potassium Fertilizer and Incorporation of Rice Straw on Potassium Supplying Capacity of Red Soil in Double Cropping Paddy Field

LIAO Yulin1，2LU Yanhong1，2XIE Jian1，2NIE Jun1，2?YANG Zengping1，2ZHOU Xing1
（1 Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province，Changsha 410125，China）
（2 Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation（Hunan），Ministry of Agriculture，Changsha 410125，China）

【Objective】Based on a long term fertilization experiment（1981～2012）in a doublecropping paddy field in Hunan Province，effects of long-term application of chemical potassium（K）fertilizer and incorporation of rice straw on yield and K uptake of rice and soil K supplying capacity in the double-cropping paddy field under intensive cultivation were explored. 【Method】 Rice yield，K uptake by shoot of rice，soil K pool including exchangeable K，non-exchangeable K and total K，soil K mineralogical characteristics and soil K supply capacity were determined. 【Result】 Results show that application of chemical potassium fertilizer and/or incorporation of rice straw increased the yields of rice grains and rice straw. Potassium uptake by the shoot of rice was significantly increased with rising K application rate. In terms of mean annual K uptake by the shoot of rice，the treatments displayed a decreasing order of NPK+RS ＞NPK＞NP+RS＞CK＞NP. Long-term application of nil or insufficient K fertilizer，like in Treatments CK，NP and NP+RS，caused depletion of exchangeable potassium，non-exchangeable potassium and total potassium in the topsoil. Long-term application of chemical K fertilizer and/or incorporation of rice straw not only increased the content of illite in soil clay，but also benefitted the transformation of poorly crystallized illite to well crystallized illite. The in-lab potassium saturation experiment on clay shows that K application increased the content of free illite and illite in clay of the soil，and expanded the diffraction peak area oftotal illite in K saturated soil，but reduced that of total V/CH. Moreover，in Treatments NPK，NP+RS and NPK+RS，compared with non-K saturation，K saturation reduced the diffraction peak area of total V/CH by an extent，lower than that in Treatments NP and CK，which indicates that long-term application of K fertilizer and incorporation of rice straw helps transform vermiculite into illite. The K quantity/ intensity（Q/I）curve parameters can be used to explain that the high K supplying capacity of the treatments of long-term application of chemical K fertilizer and/or incorporation of rice straw is attributed to higher labile K content（-ΔK°），more specific K+adsorption sites（Kx），higher available K intensity（AReK），and higher tightly-held K+content. However，these treatments are lower than those K absent treatments in potential buffering capacity （PBCK），Gibbs free energy（-ΔG），and gapon cation exchange selectivity（KG）. 【Conclusion】Long-term application of K fertilizers and/or incorporation of rice straw in addition to conventional fertilization in doubling rice cropping paddy field will not only significantly increase and stabilize yield of the rice，but also promote K uptake by shoot of the rice，improves soil K holding capacity，maintain soil potassium balance and build up soil K supplying capacity.

Long-term K fertilizer application；Reddish paddy soil；Yield；K-bearing clay minerals；Potassium supplying capacity

S143.3；S153.6

A

10.11766/trxb201607200258

（責(zé)任編輯：陳榮府）

* 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD07B11）、公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201203013-06）和湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016JJ6063）資助 Supported by the National Key Technology R&D Program of China（No. 2013BAD07B11），the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China（No. 201203013-06）and the Natural Science Foundation of Hunan Province of China（No. 2016JJ6063）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：junnie@foxmail.com

廖育林（1975—），男，湖南新化人，博士，副研究員，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與施肥原理方面的工作。E-mail：ylliao2006@126.com

2016-07-20；

2016-09-17；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-10