武俊男，劉昱辛，王天野，高 強，吳海燕，劉淑霞

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，吉林 長春 130118；2.吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室， 吉林 長春 130118； 3.吉林省農(nóng)業(yè)科學院，吉林 長春 130124)

鉀素作為植物生長過程中必需的大量元素，被譽為“健康元素”及“品質(zhì)元素”[1-4]。雖然鉀在一般作物體內(nèi)含量較低，一般為干物質(zhì)重的1%～5%，但作物在生長過程中吸鉀量通常超過吸磷量，與作物吸氮量相近[5-6]。土壤對作物鉀素營養(yǎng)供應是否充足將直接影響作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)，而鉀素在作物抗旱、抗寒、抗病蟲害等方面也具有重要的作用[7]。由于土壤中鉀素移動性大等特點使得我國農(nóng)田土壤一直處于鉀素虧缺狀態(tài)，土壤供鉀能力不足已經(jīng)成為限制作物產(chǎn)量的重要因素之一，嚴重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[8]。土壤的供鉀能力，應從土壤鉀素的供應強度(I)、鉀素的供應容量(Q)以及鉀素的釋放速率(R)3個方面進行研究。自Beckett[9]提出以Q/I關(guān)系曲線及相關(guān)參數(shù)來評價土壤供鉀能力以來，該方法便受到許多專家學者的青睞。國內(nèi)外關(guān)于土壤鉀素Q/I曲線有一些研究，李娜[10]研究認為，施肥對棕壤鉀素Q/I曲線性狀基本相同，特征參數(shù)-ΔK0、AReK、PBCK差異較大。De等[11]和Ajiboye等[12]研究表明，隨著鉀肥用量(K2O 0～936 kg/hm2)的增加，土壤鉀素的AR0值和非專性吸附鉀(-ΔK0)都能得到適當提升。Rupa等[13]研究指出，經(jīng)過長期定位施肥20年后，施用鉀肥的土壤鉀素與空白處理相比，AR0值是空白處理的3.53～4.32倍，KL值是空白處理的4.64～13.89倍，-ΔK0值是空白處理的15.38～25.81倍，KX是空白處理的3.62～11.89倍。

在已有的研究中，關(guān)于長期定位施肥對玉米田黑土供鉀能力的研究較少[14-16]。因此，本研究以長期定位施肥試驗(1984-2015年)為基礎(chǔ)，進行長期定位施肥對黑土鉀素供應能力的影響研究，以了解長期定位施肥對土壤的供鉀潛力和鉀素吸收能力，為保持土壤鉀素養(yǎng)分的最佳動態(tài)平衡、充分發(fā)揮土壤供鉀潛能以及鉀肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于吉林農(nóng)業(yè)大學長期定位試驗田(43。47′42"N， 123。20′45"E)。試驗始于1984年。試驗地地勢平坦，年平均降水量為549.6 mm，蒸發(fā)量為1 490 mm，平均相對濕度為65%，≥10 ℃積溫2 750 ℃，年平均氣溫為4.9 ℃，平均最高氣溫29.3 ℃，最低氣溫-20.4 ℃，無霜期140 d。試驗采用微區(qū)設(shè)計，每個小區(qū)用水泥槽隔開，微區(qū)面積為2 m2，槽內(nèi)土層厚度×槽高為150 cm×170 cm，土壤類型為草甸黑土，供試作物為玉米。

表1 長期定位試驗的施肥處理Tab.1 The experimental treatment of the long-term experiment kg/hm2

注：氮肥為尿素(46%)，磷肥為過磷酸鈣(14%)，鉀肥為硫酸鉀(52%)。

Note：Nitrogen is urea (46%)，phosphate is superphosphate (14%) and potassium is potassium sulfate (52%).

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置14個處理，①不施肥(CK)；②單施低量玉米秸稈(S0.25)；③單施高量玉米秸稈(S0.5)；④施用氮磷鉀肥料(NPK)；⑤氮磷鉀配施低量玉米秸稈(NPK+S0.25)；⑥氮磷鉀配施高量玉米秸稈(NPK+S0.5)；⑦單施氮肥(N)；⑧氮磷肥配施(NP)；⑨氮鉀肥配施(NK)；⑩磷鉀肥配施(PK)；單施磷肥(P)；單施鉀肥(K)；磷鉀肥配施低量玉米秸稈(PK+S0.25)；磷鉀肥配施高量玉米秸稈(PK+S0.5)。田間試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復。施肥量N-150 kg/hm2、P2O5-75 kg/hm2、K2O-75 kg/hm2。施肥方式：P、K肥和玉米秸稈作為底肥一次性施入，N肥的1/3作為底肥，其余2/3作為追肥施入(表1)。土壤樣品(0～20 cm)采自2015年，土壤的基本理化性狀如表2，3所示。

表2 供試土壤的基本理化性狀(1984年樣品)Tab.2 Basic properties of the tested material

表3 供試土壤的基本理化性狀(2015年樣品)Tab.3 Basic properties of the tested material

1.3 測定方法

1.3.1 土壤基本理化性狀測定 土壤理化性狀參照農(nóng)化分析方法[17-18]。土壤含水量測定采用105 ℃烘干恒重法；pH測定采用酸度計法(土水比1∶2.5)；土壤全氮測定采用半微量凱氏定氮法；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測定采用0.01 mol/L CaCl2浸提-流動分析儀測定；土壤全磷運用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法；土壤有效磷的測定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤全鉀NaOH熔融-原子吸收火焰光度法；速效鉀的測定采用1 mol/L NH4Ac浸提-原子吸收火焰光度法；有機質(zhì)測定采用濃H2SO4-K2Cr2O4外消煮，F(xiàn)eSO4滴定法。

1.3.2 土壤鉀素的Q/I曲線測定 振蕩法測定[17-18]：稱取5.00 g過1 mm土壤篩子的風干土9份，放入100 mL離心管中，然后向離心管中加入100 mL鉀平衡溶液(不同濃度KCl 0.00，0.01，0.05，0.10，0.20，0.50，1.00，1.50，2.00，2.00 mmol/L的CaCl2溶液各50 mL混合)，以200 r/min的振蕩頻率，在恒溫25 ℃條件下水浴振蕩4 h，靜止放置24 h，然后以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速，離心5 min，上清液過濾，平衡溶液中K、Ca、Mg的含量(CK、CCa、CMg)用原子吸收分光光度計來進行測定[7]。

AR≈CK/(CCa+CMg)1/2

①

其中，AR為土壤鉀離子的活度比；CK、CCa和CMg分別為平衡溶液K+、Ca2+、Mg2+的濃度。

ΔK=C0-CK

②

其中，ΔK為土壤鉀素平衡前后溶液中鉀的濃度差，即土壤的吸鉀量；C0初始溶液中鉀離子的濃度；AR0是Q/I曲線上直線部分在橫軸上的截距；-ΔK0是Q/I曲線上直線部分的延長在橫軸上的截距；PBCK是Q/I曲線上直線的斜率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用Office 2010、Origin 7.5、SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥對黑土玉米田鉀素Q/I曲線的影響

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，我們可以通過土壤供鉀容量和供鉀強度關(guān)系曲線(Q/I曲線)來評價土壤鉀素的供應能力。長期不同施肥處理下黑土鉀素的Q/I曲線變化如圖1所示。由圖1可知，14個長期定位施肥處理的黑土鉀素的Q/I曲線與典型的Q/I曲線呈現(xiàn)出類似的形狀，大都由上部的直線部分和下部的曲線部分組成；直線部分出現(xiàn)在AR值較高區(qū)域(即坐標軸第一象限)，曲線部分出現(xiàn)在AR值較低的區(qū)域(即坐標軸第四象限)。說明鉀素在土壤中在黏土礦物中吸附的部位不同。通常情況下直線部分的鉀素主要被黏土礦物的表面所吸附，這部分的土壤鉀素易被植物吸收利用。通過Q/I曲線可以計算出黑土鉀素Q/I關(guān)系曲線的一些參數(shù)，圖1中各處理直線部分已作了線性擬合，直線斜率即為PBCk值，直線橫截距即為AReK值，將趨勢線延伸求得縱截距即為-ΔK0值。從圖1還可以看出，各處理間Q/I曲線參數(shù)差異明顯，說明長期不同施肥對土壤供鉀容量和供鉀強度產(chǎn)生了較大影響。

圖1 長期定位施肥黑土中土壤鉀素Q/I曲線Fig.1 The potassium Q/I curves of black soil under long time fertilizations

2.2 長期施肥對黑土-△K0值的影響

通過Q/I曲線計算出黑土土壤供鉀的容量指標(-ΔK0)，由圖2可知，空白對照組CK的-ΔK0值最小為0.012 2 cmol/kg；不同施肥處理間黑土-ΔK0值不同，其中NP處理下黑土-ΔK0值相對最小，添加秸稈處理的黑土-ΔK0值相對較高；并且在NPK+S0.5下最高。不同施肥處理的-ΔK0值比CK增加了0.21～12.76倍，特別是在氮磷鉀配施高量秸稈的處理(NPK+S0.5)中，黑土-ΔK0值最高為0.167 9 cmol/kg，說明肥料的施用對土壤的-ΔK0提高具有一定影響。

不施用鉀肥處理(N、P、NP、S0.25、S0.5)與施用鉀肥處理(K、PK、NK、NPK、PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土-ΔK0值相對較小，不施用鉀肥處理間黑土-ΔK0平均值為0.057 1 cmol/kg；施用鉀肥處理的黑土-ΔK0值較大，平均值為0.101 4 cmol/kg，比不施用鉀肥的高出了0.78～1.92倍；說明施用鉀肥可以提高-ΔK0，增加土壤供鉀容量。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，每個處理3次重復。 Different lowercase indicate significant Different (P<0.05)， with three replicates per treatment.The same as Fig.3-4.

不施用秸稈處理(PK、NPK)與施用秸稈處理(PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土-ΔK0值較小，平均值為0.076 0 cmol/kg；施用秸稈處理的黑土-ΔK0值較大，平均值為0.149 0 cmol/kg，比不施用秸稈的高出了0.073 0 cmol/kg，分別高出了1.19～1.79倍，0.46～0.79倍，說明添加秸稈對土壤-ΔK0的提高具有一定影響。添加高量秸稈處理(S0.5、PK+S0.5、NPK+S0.5)與添加低量秸稈(S0.25、PK+S0.25、NPK+S0.25)比較，土壤-ΔK0值分別增加了0.39，0.27，0.22倍，說明施用高量秸稈提高了土壤的-ΔK0值。這一方面是因為秸稈的添加帶入的活性鉀增加了土壤速效鉀含量，另一方面是因為秸稈的施入增大了土壤CEC。

2.3 長期施肥對黑土AReK的影響

AReK是ΔK=0時的ARK值，是衡量土壤活性鉀強度或有效性的指標。長期不同施肥對黑土AReK值有較大的影響，不同處理間的變化與黑土的-ΔK0值變化相似如圖3所示。由圖3可知，與施肥處理相比，不施肥處理CK的AReK值最小為0.065 5×10-3(cmol/kg)-1/2；不同施肥處理間黑土AReK值不同，其中，NP處理黑土AReK值最小，化肥與高量秸稈配施的處理(NPK+S0.5)黑土AReK值最高，為1.718 5×10-3(cmol /kg)-1/2；不同施肥處理的AReK對比CK增加了0.07～25.24倍，說明肥料的施用，對土壤的AReK提高具有很大的影響，即施肥對土壤的供鉀強度影響較大。

圖3 長期定位施肥黑土中AReK變化Fig.3 The changes of AReK value in black soil under the long-term fertilization

不施鉀肥處理(N、P、NP、S0.25、S0.5)與施鉀肥處理(PK、NK、NPK、PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，不施鉀肥處理黑土AReK值較小，平均為0.430 0×10-3(cmol/kg)-1/2；施鉀肥處理的黑土AReK值較大，平均值為0.862 2×10-3(cmol/kg)-1/2，是不施鉀肥處理的1.99～3.99倍；表明施用鉀肥對土壤AReK值的提高具有一定意義。

不施用秸稈處理(PK、NPK)與施用秸稈處理(PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土AReK值較小，平均為0.523 5×10-3(cmol/kg)-1/2；施用秸稈處理的黑土AReK值較大，平均值為1.288 6×10-3(cmol/kg)-1/2，分別是不施用秸稈的2.14～3.77倍，1.71～2.62倍，說明添加秸稈可以增加黑土AReK值。添加高量秸稈處理(S0.5、PK+S0.5、NPK+S0.5)與添加低量秸稈(S0.25、PK+S0.25、NPK+S0.25)比較，黑土AReK值分別增加了0.65，0.76，0.53倍，說明長期施用秸稈顯著提高了土壤鉀素的有效性，施用高量秸稈效果更明顯，這主要是因為長期添加秸稈使土壤的有機質(zhì)、速效鉀含量增加。

2.4 長期施肥對黑土鉀素緩沖容量PBCK的影響

PBCK將土壤有效鉀的容量因素和強度因素聯(lián)系起來，反映土壤提供或吸收溶液中K+的能力，即土壤對鉀緩沖能力。長期定位施肥對黑土的PBCK值影響如圖4所示，不同處理間變化與黑土-ΔK0和AReK值變化趨勢相反。由圖4可知，長期不同施肥對黑土的PBCK值之間差異較大，與不施肥處理CK比較，只有單施N肥、單施P肥和施用NP肥處理的PBCK值高于CK，其他施肥處理PBCK值與CK比較降低了0.12，0.47倍；然而，PBCK值較低的土壤，一般對K+的吸附能力較弱，PBCK值較高的土壤對K+吸附能力較強，雖施用鉀肥后不能明顯提高土壤的供K+濃度，肥效不明顯，但維持這種低濃度K+供應的能力強。說明單施化學氮、磷肥，以及不施化肥都可以提高土壤鉀位緩沖容量。

圖4 長期定位施肥黑土中PBCK值變化Fig.4 The changes of PBCK value in black soil under the long-term fertilization

不施用鉀肥處理(N、P、NP)與施用鉀肥(NK、PK、NPK)處理相比，黑土PBCK值較大，平均值為209.8 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2；施用鉀肥處理的黑土PBCK值較小，平均值為151.8 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，比不施用鉀肥的降低了58 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2。說明不施用鉀肥可以提高土壤鉀位緩沖容量能力。

不施用秸稈處理(PK、NPK)與施用秸稈處理(PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土PBCK值較大，不同處理間變幅為143.1～148.7 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，平均為145.9 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2；施用秸稈處理的黑土PBCK值較小，不同處理間變幅為97.7～152.4 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，平均值為120.7 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，比不施用秸稈降低了25.2 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，降低幅度分別為-0.02～0.26倍，0.15～0.31倍。說明長期施用玉米秸稈的土壤PBCK值降低，并且降低了土壤的鉀的緩沖能力。添加高量秸稈處理(S0.5、PK+S0.5、NPK+S0.5)與添加低量秸稈(S0.25、PK+S0.25、NPK+S0.25)相比，黑土PBCK值分別降低了0.15，0.27，0.20倍，說明長期施用高量秸稈并不會提高土壤鉀的緩沖能力。

2.5 長期施肥下黑土Q/I曲線參數(shù)與理化性質(zhì)相關(guān)性分析

長期定位施肥下黑土Q/I曲線參數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)分析結(jié)果表明(表4)，黑土-ΔK0值和AReK值與有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀存在著極顯著的正相關(guān)(P<0.01)；與速效磷呈顯著相關(guān)性(P<0.05)。而PBCK值與pH和速效磷存在著顯著負相關(guān)(P<0.05)，而與有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀存在著極顯著的負相關(guān)性(P<0.01)。說明土壤供應鉀素的能力受土壤的理化性質(zhì)影響。

表4 -ΔK0、AReK和PBCK與土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析Tab.4 The relations between-ΔK0，AReK，PBCK and the soil properties

注：*.具有顯著相關(guān)性(P<0.05)；**.具有極顯著的關(guān)系(P<0.01)。-.具有負相關(guān)性。

Note：*.Significant difference (P<0.05)；**.Much significant difference (P<0.01).-. Indicates a negative correlation.

3 結(jié)論與討論

評價土壤供鉀能力的強弱時，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等的作用外，還需要綜合考慮其他因素對土壤供鉀能力的影響，如土壤有機質(zhì)含量的差異、堿性陽離子(Ca2+、Mg2+、Na+)和pH變化等因素的影響。肥料長期定位試驗具有常規(guī)試驗不可比擬的優(yōu)點，通過研究長期不同施肥對鉀素容量與強度(Q/I)曲線的影響，探討了長期不同施肥下土壤鉀素形態(tài)變化特征、可以深入了解長期不同施肥下，土壤供鉀能力復雜的化學行為，預測施入土壤鉀素的變化和土壤供給植物鉀素營養(yǎng)的本質(zhì)特征。

本試驗經(jīng)過研究長期定位不同施肥后，土壤鉀素的 Q/I 特性的變化，結(jié)果表明，各處理間的-ΔK0、AReK和 PBCK都有很大差異。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)的土壤組分變化得以解釋。控制溶液中的K+量有2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，即低K+親和位。Q/I曲線線性部分鉀的相對親和力受有機質(zhì)含量和pH的影響[19-20]。

本試驗結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀含量都與土壤的-ΔK0、AReK值呈極顯著正相關(guān)，與 PBCK值呈極顯著負相關(guān)；而土壤速效磷與-ΔK0、AReK值呈顯著正相關(guān)，與PBCK值呈顯著負相關(guān)。這表明長期定位施肥帶來的土壤理化性質(zhì)變化是土壤鉀素 Q/I 特性發(fā)生改變的根本原因。土壤鉀素的容量(-ΔK0)、強度(AReK)和鉀位緩沖能力(PBCK)反映土壤吸附鉀素的多少、解吸鉀素的難易，進而表現(xiàn)為土壤供鉀能力的強弱[21-23]。

總體而言，施用秸稈、鉀肥的各處理都具有較高的-ΔK0值和AReK值，但PBCK值較低，化肥配施秸稈效果最明顯。這說明合理施肥有利于土壤鉀供應能力的提高。