中國稻作區(qū)土壤速效鉀和鉀肥偏生產(chǎn)力時空變化*

柳開樓，韓天富，黃 晶，3，李亞貞，馬常寶，薛彥東，都江雪，王遠鵬，李文軍，5，張會民，3?

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2. 江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 330046；3. 中國農(nóng)業(yè)科學院祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站，湖南祁陽 426182；4. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，北京 100125；5. 湖南文理學院資源環(huán)境與旅游學院，湖南常德 415000）

水稻是中國的主要糧食作物，目前，中國水稻種植面積3 300 多萬hm2，占全國糧食作物播種面積的27.4%，其產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的36.1%[1]。研究表明，由于秸稈還田、種植綠肥等農(nóng)業(yè)技術的推廣，1980 年以來全國尺度的水稻土有機碳儲量、速效氮磷鉀含量等均得到明顯提升[2-3]。我國地域遼闊，東北、長江三角洲（長三角）、長江中游、華南和西南等區(qū)域均有大面積的水稻種植[3-4]，但不同區(qū)域水稻的種植模式不一，主要的稻作模式有單季稻、雙季稻和水稻與其他作物輪作等[5]。因此，長期的水稻種植過程中，不同區(qū)域的水稻土肥力水平差異較大[3]。

作為植物所需的三大元素之一，鉀在作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆方面的作用至關重要[6]。雖然已有研究表明，由于成土母質(zhì)的差異，全國土壤鉀素的含量分布趨勢為西北大于東南[7]，且已有大量研究[8-11]利用長期施肥定位試驗對不同土壤類型的鉀素時空演變進行深入分析。在長期施肥條件下，由于主要黏土礦物類型不同，不同土壤類型的固鉀能力差異較大[7]。在華北地區(qū)，與不施鉀肥相比，施鉀肥和秸稈還田均可顯著提高土壤速效鉀含量，不同點位的土壤速效鉀增幅和固鉀能力也存在差異[8]，且主要集中于0～30 cm 土層[9]。此外，受鉀肥施用量的影響，與糧食作物相比，種植經(jīng)濟作物條件下土壤速效鉀的增幅明顯較快[10]。但是，這些基于長期定位試驗的單點或多點研究均由于施肥量偏低（20 世紀80 和90 年代的施肥水平）[7-8]、不能涵蓋全國稻區(qū)面上尺度狀況[9]和不同區(qū)域[10-11]等因素特征，難以較好地揭示全國尺度下水稻土的鉀素時空變化趨勢。同時，自我國改革開放以來，全國稻作區(qū)的水稻品種、鉀肥施用和產(chǎn)量水平等發(fā)生較大變化[3，11]。因此，開展不同區(qū)域水稻土的鉀素時空變化特征研究，對于指導我國未來的土壤鉀素管理和鉀肥合理施用意義重大。本研究基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部自1988 年開始布置于全國的水稻土監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入分析東北、長三角、長江中游、華南和西南等稻作區(qū)土壤速效鉀的時空變化規(guī)律，并進一步明確土壤速效鉀與鉀肥偏生產(chǎn)力及鉀素表觀平衡的量化關系，以期為不同區(qū)域水稻土制定具體的土壤鉀素管理策略提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部布置于全國的水稻土監(jiān)測樣點（始于1988 年），監(jiān)測點以當?shù)刂饕N植制度和種植方式為主，耕作、栽培等管理方式以及施肥水平和作物產(chǎn)量等均能代表當?shù)匾话闼剑總€點位一個大區(qū)，設計面積不小于334 m2。各監(jiān)測點的土壤類型均為水稻土。但各監(jiān)測點的成土母質(zhì)差異較大，東北的水稻土發(fā)育類型以黑土和棕壤為主，長三角、長江中下游和華南區(qū)以潮土和紅黃壤為主，西南則以紅壤和紫色土等為主。

根據(jù)全國的水稻分布特點，將全國130 個水稻土監(jiān)測點劃分為東北（7 個點位，黑龍江省、吉林省和遼寧省）、長三角（28 個點位，江蘇省、安徽省、浙江省和上海市）、長江中游（44 個點位，湖南省、江西省和湖北省）、華南（31 個點位，廣東省、福建省、海南省和廣西壯族自治區(qū)）和西南（14個點位，四川省、云南省、貴州省和重慶市）等區(qū)域（考慮到西北和華北不是水稻土的主要分布區(qū)域，且大部分監(jiān)測點位開始時間較晚，本研究未包含分布于陜西的1 個點和河南的5 個點）。

監(jiān)測點的鉀肥投入量主要是根據(jù)各個點位的生產(chǎn)實際，且不同年限存在明顯差異。本研究根據(jù)各監(jiān)測點的鉀肥用量進行匯總分析（表 1）表明，1988—2017 年，東北、長三角、長江中游、華南和西南等區(qū)域每季水稻的鉀肥（K2O）投入平均為61.17、72.09、77.06、128.16 和 59.10 kg·hm-2。此外，1988—2000 年，所有監(jiān)測點均不進行秸稈還田，但從2000—2017 年，所有監(jiān)測點陸續(xù)開始了秸稈還田。

表1 不同區(qū)域每季水稻鉀肥（K2O）用量Table 1 Potassium fertilizer（K2O）application rate relative to region and rice season

1.2 數(shù)據(jù)采集與測試分析

各監(jiān)測點位中土壤樣品采集的方法是按照耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術規(guī)程[12]進行，為了盡可能地避免施肥對于樣品的影響，統(tǒng)一在秋季作物收獲后的11 月中旬進行取樣。收獲期采用實打?qū)嵤者M行脫粒測產(chǎn)。并根據(jù)產(chǎn)量和鉀肥投入量計算鉀肥偏生產(chǎn)力，具體計算公式如下：

式中，PFP-K 為鉀肥偏生產(chǎn)力，kg·kg-1；Y為水稻籽粒產(chǎn)量，kg·hm-2；F-K 為K2O 的施肥量，kg·hm-2。

土壤樣品采集深度為0～20 cm，每個監(jiān)測點用不銹鋼土鉆隨機采集5 個樣品，混勻后風干研磨，過2 mm 篩，送相應省級土壤測試中心進行測定，其中土壤速效鉀含量采用醋酸銨浸提—火焰光度計法[13]測定。

采用表觀平衡法計算鉀素平衡，即鉀素投入量與鉀素支出量的差值，正值表示盈余，負值表示虧缺。鉀素投入僅包括水稻季的化肥、有機肥、秸稈還田等帶入的鉀素，未考慮因降水或灌溉、大氣沉降以及種子等帶入的鉀素；鉀素支出僅包括水稻籽粒和秸稈收獲而帶出的鉀素，未包括因淋洗等過程導致的鉀素損失[10]。水稻籽粒和秸稈含鉀量參考何萍等[14]文獻資料，分別取3.5 g·kg-1和21.7 g·kg-1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用 Excel 2016 整理，運用 SPSS 17.0進行相關性分析及顯著性檢驗。為避免個別年份異常氣候和個別點位差異對土壤速效鉀變化規(guī)律造成影響，本研究按照監(jiān)測點位的試驗年限每隔5 年劃分成6 個階段，分別為1988—1992（5 a）、1993—1997（10 a）、1998—2002（15 a）、2003—2007（20 a）、2008—2012（25 a）和2013—2017（30 a）。本研究中所涉及的土壤速效鉀時空變化趨勢的數(shù)據(jù)采用箱式圖表示，而由于部分年份缺失鉀肥投入量數(shù)據(jù)，鉀肥偏生產(chǎn)力和鉀素表觀平衡數(shù)據(jù)偏少，所以，鉀肥偏生產(chǎn)力和鉀素表觀平衡采用柱狀圖表示；試驗年限與土壤速效鉀含量的量化關系采用雙直線方程擬合。在土壤速效鉀含量和鉀肥偏生產(chǎn)力的量化關系中，除了全國尺度上采用雙直線方程擬合之外，各區(qū)域均采用線性回歸方程擬合，鉀素表觀平衡與土壤速效鉀的相關關系也采用線性方程擬合。所有圖件均采用Origin 8.1 制作。

2 結 果

2.1 不同區(qū)域水稻土速效鉀時空變化

圖1 顯示，在1988—2017 年的30 a 間，東北、長三角、長江中游、華南和西南區(qū)域水稻土的速效鉀含量平均值分別為 149.1、91.28、73.27、78.31和89.84 mg·kg-1，全國的平均值為96.37 mg·kg-1。不同區(qū)域間相比，東北的水稻土速效鉀含量顯著高于長三角、長江中游、華南和西南，而長三角、長江中游、華南和西南的土壤速效鉀含量則無顯著差異。

在30 a 試驗時間內(nèi)，除了西南之外，東北、長三角和華南的水稻土速效鉀含量均呈現(xiàn)出先穩(wěn)定然后隨著試驗年限的增加而逐漸提升的趨勢（圖2），且可以用雙直線方程進行擬合（P<0.05），但不同區(qū)域的時間轉折點不一，表2 結果顯示，全國水稻土速效鉀含量在試驗14 a 后開始隨試驗年限延長而增加，東北、長三角、華南區(qū)域的土壤速效鉀含量則分別在試驗13、11、23 和13 a 后開始快速提升；而長江中游則表現(xiàn)出試驗23 a 內(nèi)土壤速效鉀隨試驗年限延長而快速增加， 其年均增速為1.59 mg·kg-1·a-1，23 a 至30 a 則基本穩(wěn)定（土壤速效鉀為75.18 mg·kg-1）。進一步通過線性擬合方程的斜率（表2）發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域間，水稻土速效鉀含量的年均增幅明顯不同，全國水稻土速效鉀含量在試驗14 a 至30 a 內(nèi)的年均增幅為0.81 mg·kg-1·a-1，東北（13 a 至30 a）、長三角（11 a 至30a）和華南（13 a 至30a）水稻土速效鉀含量的年均增幅則分別為1.39、0.85 和1.79 mg·kg-1·a-1。

表2 不同區(qū)域水稻土速效鉀含量（y，mg·kg-1）與試驗時間（x，a）的擬合方程Table 2 Equation fitting the relationship between soil readily available potassium content in paddy soil（y，mg·kg-1）and phase of the experiment（x，a）relative to region

2.2 不同區(qū)域鉀肥偏生產(chǎn)力變化

在圖3 中，各區(qū)域水稻鉀肥偏生產(chǎn)力基本呈現(xiàn)出長三角和西南較高，其次為東北，而長江中游和華南則較低的趨勢。進一步分析發(fā)現(xiàn)，水稻鉀肥偏生產(chǎn)力與試驗時間的關系均可用線性方程擬合（P<0.05）。但線性方程的斜率表明，各區(qū)域水稻鉀肥偏生產(chǎn)力的年均增幅差異較大（表3）。30 a 間，全國的鉀肥偏生產(chǎn)力年均增幅為0.56 kg·kg-1·a-1；在不同區(qū)域間，則呈現(xiàn)出長三角和華南的鉀肥偏生產(chǎn)力年均增幅（1.00 和0.82 kg·kg-1·a-1）較高，其次為東北和長江中游（0.49 和0.36 kg·kg-1·a-1），而西南最低（0.15 kg·kg-1·a-1）的趨勢。

2.3 土壤速效鉀含量與鉀肥偏生產(chǎn)力的相互關系

土壤速效鉀含量與鉀肥偏生產(chǎn)力存在顯著的正相關關系（圖4），在全國尺度上可用雙直線方程進行擬合（P<0.05）。當土壤速效鉀含量低于100.8 mg·kg-1時，土壤速效鉀含量每增加10 mg·kg-1，水稻的鉀肥偏生產(chǎn)力增加23.93 kg·kg-1；當土壤速效鉀含量高于 100.8 mg·kg-1時，土壤速效鉀含量每增加10 mg·kg-1，水稻的鉀肥偏生產(chǎn)力增加3.09 kg·kg-1。

表3 不同區(qū)域鉀肥偏生產(chǎn)力（y，kg·kg-1）與試驗時間（x，a）的擬合方程Table 3 Equation fitting the relationships between partial factor productivity of potassium fertilizer（y，kg·kg-1）and phase of the experiment（x，a）relative to region

表4 表明，除了西南之外，各區(qū)域水稻鉀肥偏生產(chǎn)力與土壤速效鉀含量的關系均可用線性方程擬合（P<0.05）。但不同區(qū)域中線性方程的斜率明顯不同，土壤速效鉀含量每增加10 mg·kg-1，30 a 間長三角的水稻鉀肥偏生產(chǎn)力提升幅度（1.51 kg·kg-1）最高，其次為華南和東北（0.49 和0.31 kg·kg-1），長江中游最低（0.26 kg·kg-1）。

2.4 鉀素表觀平衡變化及其與土壤速效鉀含量的相關關系

通過估算表明，全國及各區(qū)域的水稻土鉀素表觀平衡均呈現(xiàn)出試驗10 a 內(nèi)（1988—1998）為虧缺或平衡狀況，而10 a 后（1998—2017）則均表現(xiàn)為盈余（圖5）。但是不同區(qū)域間的鉀素盈余量差異較大，其中，以華南的水稻土鉀素盈余量最高，其次為長江中游，而東北、長三角和西南則較低。

稻作系統(tǒng)內(nèi)鉀素的表觀平衡可以在一定程度上影響土壤速效鉀含量。表5 結果顯示，除了西南之外，線性方程均可較好地擬合各區(qū)域中土壤速效鉀含量與鉀素表觀平衡的相關關系（P<0.05）。結合擬合方程的斜率表明，在全國尺度上，稻作區(qū)鉀素盈余量每增加 1 kg·hm-2，土壤速效鉀含量增加0.06 mg·kg-1·a-1；而在不同區(qū)域，則以東北的土壤速效鉀含量增幅最高（0.32 mg·kg-1·a-1），其次為華南和長江中游（增幅分別為0.11 和0.10 mg·kg-1·a-1），而長三角最低（增幅為0.03 mg·kg-1·a-1）。根據(jù)擬合方程進一步推算可知，當系統(tǒng)內(nèi)鉀素呈現(xiàn)平衡狀態(tài)（x=0）時，全國水稻土的速效鉀含量為81.94 mg·kg-1，而東北、長三角、長江中游和華南區(qū)域的水稻土速效鉀含量則分別為146.9、89.86、67.14 和59.06 mg·kg-1。

表4 不同區(qū)域鉀肥偏生產(chǎn)力（y，kg·kg-1）與土壤速效鉀含量（x，mg·kg-1）的擬合方程Table 4 Equation fitting the relationship between partial factor productivity of potassium fertilizer（y，kg·kg-1）and soil readily available potassium（x，mg·kg-1）relative to regions

3 討 論

3.1 不同區(qū)域水稻土速效鉀和鉀肥偏生產(chǎn)力的空間變化

土壤速效鉀是直接影響水稻鉀素吸收的土壤鉀素形態(tài)之一[15]。大量研究[16-17]表明，提高土壤速效鉀含量能顯著提高水稻的鉀素吸收量和籽粒產(chǎn)量。但是，由于我國水稻土分布廣泛，不同區(qū)域的水稻土鉀素含量也不同[3]。本研究顯示，在1988—2017年間，不同區(qū)域間相比，東北的水稻土速效鉀含量顯著高于長三角、長江中游、華南和西南，而長三角、長江中游、華南和西南的土壤速效鉀含量則無顯著差異（圖1）。這與前人的研究[3，10-11]相似，其原因主要與各區(qū)域水稻土成土母質(zhì)的含鉀礦物不同有關，其中，東北水稻土成土母質(zhì)的含鉀礦物以鉀長石和伊利石為主[18]，而長三角、長江中游、華南和西南（除了紫色土發(fā)育的水稻土）的成土母質(zhì)中含鉀礦物較少[19-20]。但是，水稻的鉀肥偏生產(chǎn)力則基本呈現(xiàn)為長三角和西南較高，東北次之，長江中游和華南最低（圖3）。原因一方面與表1 中不同稻作區(qū)的鉀肥用量（長三角和西南區(qū)施鉀量較低，分別為72.09 和59.10 kg·hm-2；而長江中游和華南區(qū)相對較高，分別為77.06 和128.2 kg·hm-2）有關，同時，長三角和西南的主要稻作模式分別為稻麥輪作和水稻-其他作物輪作模式，而長江中游和華南則主要為雙季稻模式，這些稻作模式導致不同區(qū)域稻農(nóng)的管理水平存在差異[21]；再加上不同稻作模式中前茬作物的鉀肥投入量不一致，秸稈還田量差異較大[22]，可能影響水稻季的化學鉀肥對水稻產(chǎn)量的提升作用，進而影響鉀肥偏生產(chǎn)力。另一方面，不同區(qū)域的水稻類型（東北和長三角為粳稻，長江中游、華南、西南多為秈稻）[23]和氣候條件不同，從而導致各區(qū)域的水稻產(chǎn)量差異較大。

表5 不同區(qū)域土壤速效鉀含量（y，mg·kg-1）與鉀素表觀平衡（x，kg·hm-2）的擬合方程Table 5 Equation fitting relationship between soil readily available potassium（y，mg·kg-1）and apparent balance of potassium（x，kg·hm-2）relative to regions

3.2 不同區(qū)域水稻土速效鉀和鉀肥偏生產(chǎn)力的時間變化

1988—2017 年間，尤其是在試驗后期，隨著鉀肥的普遍施用和秸稈還田的大力推廣[2-3，11]，各區(qū)域的水稻土速效鉀含量均隨著試驗年限的增加而逐漸提升（除了西南，原因可能與作物吸收的鉀素大于外源鉀投入和鉀素淋溶損失有關[10，24]）。雙直線方程顯示，全國水稻土速效鉀含量在試驗14 a 至30 a內(nèi)的年均增幅為0.81 mg·kg-1·a-1。在不同區(qū)域間，則以東北（13 a 至30 a）和華南（13 a 至30 a）水稻土速效鉀含量的年均增幅明顯高于長三角（11 a至30 a）；而長江中游則表現(xiàn)出試驗23 a 內(nèi)土壤速效鉀隨試驗年限延長而增加的趨勢（圖2 和表2）。這與武紅亮等[3]的研究結果相似。原因主要與各區(qū)域鉀肥投入和根系分泌物活化鉀素有關[25-26]。但是，不同區(qū)域間，鉀肥偏生產(chǎn)力的年均增幅明顯不同于土壤速效鉀含量年均增幅的規(guī)律，長三角和華南的鉀肥偏生產(chǎn)力年均增幅較高，其次為東北和長江中游，西南最低（圖3 和表3）。原因可能與水稻品種、氣候條件和鉀肥運籌等有關[27-28]，具體原因尚有待進一步研究和分析。

3.3 不同區(qū)域水稻鉀肥偏生產(chǎn)力和鉀素表觀平衡與土壤速效鉀的相關關系

土壤速效鉀含量通過影響水稻鉀吸收調(diào)控鉀肥的增產(chǎn)作用[29]。本研究表明，土壤速效鉀含量與鉀肥偏生產(chǎn)力存在顯著的正相關關系，因此，提升土壤速效鉀含量是提高我國水稻鉀肥偏生產(chǎn)力的重要途徑之一。對于速效鉀含量低于100.8 mg·kg-1的水稻土，通過施肥等途徑提高等量的土壤速效鉀含量，水稻鉀肥偏生產(chǎn)力的增幅顯著高于速效鉀含量大于100.8 mg·kg-1的水稻土（圖4）。這說明土壤速效鉀含量越高，鉀肥的偏生產(chǎn)力增幅越小。不同區(qū)域間，當土壤速效鉀含量增加10 mg·kg-1，30 a 間長三角的水稻鉀肥偏生產(chǎn)力提升幅度最高，其次為華南和東北，長江中游最低（表4）。原因可能與30 a 內(nèi)化學鉀肥的施用和秸稈還田的推廣顯著改變了我國不同區(qū)域間鉀素盈虧狀態(tài)有關[30]。

本研究通過估算表明，與1988—1998 年的鉀素匱缺或平衡相比，1998—2017 年，全國及各區(qū)域的水稻土均為鉀素盈余狀態(tài)；且不同區(qū)域間以華南的水稻土鉀素盈余量最高，其次為長江中游，而東北、長三角和西南則較低（圖5）。Liu 等[30]研究也表明，由于化學鉀肥的施用和秸稈還田的推廣，與1980 年相比，2010 年的土壤鉀素表觀平衡已經(jīng)開始從匱缺向盈余轉變；在2010 年，除了東北地區(qū)為鉀素匱缺之外，其余地區(qū)均表現(xiàn)為鉀素盈余，且東南地區(qū)的鉀素盈余量最高。其中，東北稻作區(qū)的鉀素盈余則主要是由于本研究主要以水稻季的鉀肥投入和輸出為主，而不同作物的鉀素投入與吸收差異較大[31]，進而可能影響了鉀素平衡的估算。因此，后續(xù)有待針對東北地區(qū)進行不同作物系統(tǒng)下鉀素的表觀平衡研究，以期較為客觀地揭示該區(qū)域的鉀素表觀平衡。此外，生態(tài)條件和土壤類型也顯著影響鉀素盈虧，廖育林等[32]研究認為，與洞庭湖生態(tài)區(qū)紫潮泥田相比，丘陵生態(tài)區(qū)紅黃泥田的鉀素匱缺量明顯偏高。然而，除了土壤速效鉀和鉀素盈余之外，鉀肥用量和水稻品種特性等[33-34]也可能顯著影響鉀肥偏生產(chǎn)力。

在本研究中，1988—2017 年的長期監(jiān)測表明，除了西南之外，全國及東北、長三角、長江中游和華南區(qū)域的鉀素表觀平衡均與土壤速效鉀含量存在顯著的正相關關系（P<0.05），且可用線性方程進行擬合（表5）。這與其他人[24]在水稻土上的研究結果相似。通過擬合方程的斜率發(fā)現(xiàn)，當?shù)咀鲄^(qū)鉀素盈余量每增加1 kg·hm-2，東北的土壤速效鉀含量增幅最高，其次為華南和長江中游，而長三角最低。原因可能與土壤鉀素形態(tài)轉化有關，前人研究[20，35]表明，種植作物的根系特征、土壤含鉀礦物類型和銨根離子及有機質(zhì)含量等均顯著影響土壤速效鉀含量?？傊?，在稻作系統(tǒng)中，不同區(qū)域的鉀肥施用和秸稈還田有利于土壤速效鉀的提升。本研究根據(jù)擬合方程進一步推算可知，不同區(qū)域稻作系統(tǒng)中鉀素維持平衡狀態(tài)時，水稻土速效鉀含量差異較大。因此，在后續(xù)的鉀肥資源配置上，建議重點向長三角和西南等地區(qū)進一步推廣秸稈還田和鉀肥施用，同時，各稻作區(qū)應因地制宜，結合土壤速效鉀含量綜合調(diào)控鉀肥運籌和推廣秸稈還田。

4 結 論

1988—2017 年間，東北區(qū)水稻土速效鉀含量顯著高于其他水稻種植區(qū)域。除了長江中游的水稻土速效鉀隨試驗年限呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，東北、長三角和華南的水稻土速效鉀含量則呈現(xiàn)先穩(wěn)定后增加的趨勢。不同區(qū)域間，當增加相同的土壤速效鉀含量，長三角的水稻鉀肥偏生產(chǎn)力提升幅度最高，其次為華南和東北，長江中游最低。除了西南之外，其他區(qū)域的鉀素表觀盈余均顯著促進了土壤速效鉀含量的提升。