長期施肥及石灰后效對不同生育期玉米根際鉀素的影響*

韓天富 王伯仁 張會民? 黃 晶 李冬初 蔡澤江柳開樓 蔡岸冬 徐明崗

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

（2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測站，湖南祁陽 426182）

（3 江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西進(jìn)賢 331717）

長期施肥及石灰后效對不同生育期玉米根際鉀素的影響*

韓天富1，2王伯仁1，2張會民1，2?黃 晶1，2李冬初1，2蔡澤江1，2柳開樓1，3蔡岸冬1徐明崗1，2

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

（2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測站，湖南祁陽 426182）

（3 江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西進(jìn)賢 331717）

依托祁陽紅壤旱地定位施肥試驗(yàn)（始于1990年），選取施氮磷（NP）、氮磷+石灰（NPCa）、氮磷鉀（NPK）、氮磷鉀+石灰（NPKCa）、氮磷鉀配施秸稈（NPKS）、氮磷鉀配施秸稈+石灰（NPKSCa）6個(gè)處理，采集玉米不同生育期根際與非根際土壤，測定其鉀、鈣、鎂、鋁含量和pH。結(jié)果表明：與NP處理相比，施鉀處理（NPK和NPKS）根際和非根際土壤速效鉀含量顯著提高。NP、NPK和NPKS處理根際速效鉀在拔節(jié)期和灌漿期均處于虧缺狀態(tài)，虧缺率分別平均為18.2%、34.2%和26.4%。與對應(yīng)不施石灰處理相比，NPKCa和NPKSCa處理根際土壤速效鉀含量在苗期分別降低46.0 mg kg-1和26.5 mg kg-1，非根際分別降低68.5 mg kg-1和56.0 mg kg-1；從拔節(jié)期至收獲期，根際速效鉀含量平均升高25.2 mg kg-1和33.7 mg kg-1，非根際略微降低。NPCa、NPKCa和NPKSCa處理根際土壤速效鉀盈虧率與不施石灰相比，整個(gè)生育期分別平均提高8.6%、33.2%和19.3%。根際和非根際土壤速效鉀含量與相對應(yīng)緩效鉀含量、鉀飽和度、K+/（Ca2++Mg2+）和K+/Al3+呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。緩效鉀和鉀飽和度相對變化率（交換性鈣鎂相對變化率）與速效鉀相對變化率呈極顯著正（負(fù)）相關(guān)關(guān)系。長期施氮磷鉀肥基礎(chǔ)上施石灰（NPKCa和NPKSCa）4年以后，根際土壤速效鉀、緩效鉀含量及鉀飽和度均提高（苗期除外），根際土壤交換性鈣鎂含量提高幅度低于非根際，最終緩解根際土壤鉀素的虧缺。

長期施肥；紅壤；石灰；鉀；根際與非根際

南方紅壤約占全國土地面積的21.8%，是我國糧食主產(chǎn)區(qū)之一［1］。但是，由于該地區(qū)土壤酸化較嚴(yán)重、土壤礦物類型以高嶺石為主、氣候高溫多雨以及人為管理措施不當(dāng)?shù)纫蛩?，?dǎo)致土壤供鉀能力低且鉀素易被流失、淋洗，限制了該地區(qū)糧食增產(chǎn)潛力的發(fā)揮。施石灰是目前改良南方酸化土壤最簡易有效的措施，石灰通過中和土壤酸度，改善土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分有效性［2］。鉀在根際微區(qū)內(nèi)富集或虧缺的程度和區(qū)域大小，可反映土壤供鉀特征［3］。施鉀肥可保持或提高土壤速效鉀和緩效鉀含量，不施鉀肥土壤速效鉀和緩效鉀含量均出現(xiàn)一定程度的降低［4］。土壤鉀素有效性與土壤pH關(guān)系密切。蔡澤江等［5］研究表明，施用化學(xué)氮肥處理（除氮磷鉀配施處理外）鉀素吸收量與土壤pH均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤pH的變化直接影響土壤對鉀素的吸附能力［6-8］，而施石灰改良酸化土壤最直接的結(jié)果是快速提高土壤pH［9］。Curtin和Smillie［10］通過室內(nèi)和大田試驗(yàn)證明，施用石灰可降低土壤溶液中鉀的含量；Jeandavid等［11］研究表明，一次性施用石灰10年以后，表層土壤交換性鉀隨著石灰用量的增加而降低。Reitemeier［12］指出，石灰可提高交換性鉀含量，降低水溶性鉀含量；也有人研究得出，施石灰土壤速效鉀增加8～17 mg kg-1［13］。而Fischer等［14］對奧地利和德國的62個(gè)定位試驗(yàn)研究得出，施用石灰對鉀素基本無影響，Anikwe等［15］也得出相似結(jié)果。鉀的有效性與Ca2+、Mg2+和Al3+密切相關(guān)，Pierre和Bower［16］研究表明，高鈣土壤嚴(yán)重抑制作物對鉀素的吸收。酸化土壤施石灰可將大量的Al3+和羥基鋁離子轉(zhuǎn)為沉淀，減少與鉀素競爭吸附位點(diǎn)，增加鉀素有效性［17］。此外，鉀素有效性的高低還受根際與非根際土壤鉀素的影響，Riley和Barber［18］研究發(fā)現(xiàn)，玉米根系周圍的土壤中出現(xiàn)鉀的虧缺區(qū)；許曼麗和劉芷宇［19］報(bào)道了有效鉀累積與虧缺的梯度變化與土壤類型、鉀素含量水平以及土壤水分狀況和作物不同生育階段密切相關(guān)。目前，針對施用石灰及其后效是如何通過影響土壤pH、交換性鈣鎂和酸度等指標(biāo)，進(jìn)而影響根際與非根際鉀素有效性的相關(guān)機(jī)理尚不明確，且結(jié)合玉米不同生育時(shí)期進(jìn)行的研究較欠缺。因此，本研究利用紅壤長期定位施肥試驗(yàn)，通過測定土壤不同形態(tài)鉀素、交換性鈣鎂、交換性鋁含量和pH，探討長期施肥基礎(chǔ)上施石灰后，玉米根際與非根際土壤鉀素在不同生育期的動態(tài)變化特征及其主要影響因素，旨在為酸化紅壤正確施用石灰及鉀素培育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽紅壤實(shí)驗(yàn)站（111.52° E，26.45° N）完成，具體溫度、降雨等氣候條件見文獻(xiàn)［5］。土壤初始（1990年）理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)11.5 g kg-1，全氮1.07 g kg-1，全磷0.52 g kg-1，全鉀13.7 g kg-1，堿解氮79.0 mg kg-1，有效磷13.9 mg kg-1，速效鉀104.0 mg kg-1，pH 5.7，陽離子交換量8.99 cmol kg-1，交換性酸和交換性鋁分別為0.27 cmol kg-1和0.17 cmol kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取旱地長期定位施肥試驗(yàn)的6個(gè)處理：1）氮磷配施（NP），2）氮磷配施+石灰（NPCa），3）氮磷鉀配施（NPK），4）氮磷鉀配施+石灰（NPKCa），5）氮磷鉀配施秸稈（N P K S），6）氮磷鉀配施秸稈+石灰（NPKSCa）。肥料用量為氮肥N 300 kg hm-2，磷、鉀肥用量為P2O5、K2O 各120 kg hm-2，其中，玉米施肥量占總施肥量的70%，小麥占總施肥量的30%。氮肥用尿素（含N46%），磷肥用過磷酸鈣（含P2O512.5%），鉀肥用氯化鉀（含K2O 60%）。肥料在小麥、玉米播種前作基肥一次性施入。NP、NPK和NPKS處理土壤酸化并導(dǎo)致作物產(chǎn)量嚴(yán)重下降，于2010年進(jìn)行裂區(qū)處理，各小區(qū)施肥量在原有基礎(chǔ)上減半，在裂區(qū)的一個(gè)小區(qū)增施生石灰（主要成分是CaO，粉狀物，粒徑以小于0.5 mm為主）2.55 t hm-2，均勻撒施至相應(yīng)小區(qū)，每隔四年施一次，裂區(qū)施石灰前NP、NPK和NPKS處理速效鉀含量分別為：70.0 mg kg-1、206.5 mg kg-1和225.5 mg kg-1。各小區(qū)面積為98 m2，各處理玉米長勢見文獻(xiàn)［20］。在2013年10月冬小麥種植前采集0 ～ 20 cm土層土壤樣品，測定土壤養(yǎng)分含量，結(jié)果見表1。此外，秸稈還田處理為該小區(qū)小麥、玉米地上部1/2還田，其余部分全部移出小區(qū)，不考慮還田秸稈帶入的氮磷鉀養(yǎng)分。

1.3 土壤樣品采集與分析

分別于2014年4月中旬玉米播種后15 d（苗期）、45 d（拔節(jié)期）、75 d（灌漿期）和收獲后4次取樣，根際土樣采集方法參考Riley和Barber［18］的抖根法，將各小區(qū)分為3個(gè)亞區(qū)（3次假重復(fù)），在每個(gè)亞區(qū)隨機(jī)選取5點(diǎn)，挖取具有完整根系的土體，先輕輕抖落大塊不含根系的土壤，然后用力將根表面附著的土壤全部抖落，記為根際土壤（Rhizosphere soil，RS）；同時(shí)，用土鉆在相應(yīng)玉米行間采集土壤（0～20 cm），按四分法保留1/2為非根際土壤（Bulk soil，BS），自然風(fēng)干，過1 mm篩備用，每個(gè)土樣重復(fù)測定2次。

土壤pH按液∶土=2.5∶1（無CO2去離子水），用pH計(jì)（FE28，梅特勒）測定。速效鉀按10∶1液土比用1.0 mol L-1中性NH4OAc 浸提，緩效鉀按10∶1液土比用1.0 mol L-1熱HNO3浸提量減去速效鉀含量，兩者均用火焰光度計(jì)（PF6410，上海精科）測定。陽離子交換量（CEC）采用1.0 mol L-1中性NH4OAc 連續(xù)浸提法測定。交換性鉀用1.0 mol L-1中性NH4OAc 連續(xù)浸提—火焰光度計(jì)測定；交換性鈣、鎂用1.0 mol L-1中性NH4OAc連續(xù)浸提—原子吸收儀（AA-6300C，島津）測定。交換性鋁采用1 mol L-1KCl交換—中和滴定法測定［21］。

表1 供試土壤化學(xué)性質(zhì)（2013年）Table 1 Basic chemicalproperties of the soil in the experiment（2013）

1.4 數(shù)據(jù)處理

盈虧率（Gain and loss rate，GLR）反映養(yǎng)分在植物根際土壤的富集和虧缺強(qiáng)弱，同時(shí)也反映了植物根際效應(yīng)的強(qiáng)弱。根際土壤速效鉀盈虧率（%）=［（根際土壤速效鉀含量-非根際土壤速效鉀含量）/非根際土壤速效鉀含量］×100，GLR＞0表示養(yǎng)分富集，GLR＜0表示養(yǎng)分虧缺［22］。

鉀飽和度（Potassium saturation，KS）（%）=（交換性鉀/CEC）×100。

石灰引起土壤養(yǎng)分（速效鉀、緩效鉀、鉀飽和度、交換性鈣鎂）含量的相對變化率（%）=［（施石灰處理土壤養(yǎng)分含量-對應(yīng)不施石灰處理土壤養(yǎng)分含量）/對應(yīng)不施石處理土壤養(yǎng)分含量］×100。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SigmaPlot10.0和SPSS 20.0系統(tǒng)軟件進(jìn)行作圖、差異性檢驗(yàn)（最小顯著差異法，LSD）和相關(guān)性分析。

2 結(jié) 果

2.1 玉米不同生育期根際與非根際土壤速效鉀含量變化

不同施肥處理根際與非根際土壤速效鉀含量存在差異，但是變化特征基本相同（圖1）。隨著玉米生育期的延長，根際與非根際速效鉀含量均呈現(xiàn)先降低后緩慢升高的趨勢，根際表現(xiàn)更顯著。各施肥處理非根際土壤速效鉀含量均在拔節(jié)期最低，根際土壤速效鉀含量在拔節(jié)期和灌漿期均較低。與NP相比，施鉀處理（NPK和NPKS）玉米不同生育期根際與非根際土壤速效鉀含量均顯著提高，根際和非根際分別平均提高120.4 mg kg-1和149.6 mg kg-1，在苗期提高最多，增幅分別為329.1%和351.4%。隨著玉米生長，根際土壤速效鉀含量顯著低于非根際，與苗期相比，NP、NPK和NPKS處理在拔節(jié)期和灌漿期根際速效鉀含量均下降，降幅分別平均為27.2%、30.2%和54.9%。玉米收獲以后，根際速效鉀均有一定程度的上升，與灌漿期相比，各處理分別提高了32.5 mg kg-1、36.0 mg kg-1和107.5 mg kg-1。

施石灰4年以后，速效鉀含量整體變化特征與相應(yīng)不施石灰處理相比略有不同。在苗期，相比不施石灰，NPKCa和NPKSCa處理根際與非根際土壤速效鉀含量均顯著降低，根際分別降低46.0 mg kg-1和26.5 mg kg-1，非根際速效鉀含量分別降低68.5 mg kg-1和56.0 mg kg-1。從拔節(jié)期至收獲期，NPKCa和NPKSCa處理根際速效鉀含量較相應(yīng)不施石灰處理平均升高25.2 mg kg-1和33.7 mg kg-1，NPKCa非根際速效鉀下降41.8 mg kg-1，NPKSCa非根際速效鉀無顯著變化。NPCa與NP處理各時(shí)期對應(yīng)速效鉀含量差異不顯著。與不施石灰相比，施石灰處理（NPKCa和NPKSCa）玉米非根際速效鉀含量在整個(gè)生育期均降低，根際出現(xiàn)先降低后升高趨勢。

圖1 不同生育期玉米根際與非根際土壤速效鉀含量Fig. 1 Contents of soil readily available potassium（RAK）in rhizosphere and bulk soil of maize at different growth stages

2.2 玉米不同生育期根際土壤速效鉀盈虧率變化

圖2 不同生育期根際土壤速效鉀盈虧率Fig. 2 Gain and loss rate（GLR）of RAK in rhizosphere soil at different growth stages

不同施肥處理根際土壤速效鉀盈虧率存在差異，總體特征表現(xiàn)為先降低后升高趨勢（圖2）。不施石灰情況下，NP、NPK和NPKS處理根際速效鉀盈虧率在苗期分別為-6.0%、1.4%和-3.6%；從拔節(jié)期至灌漿期，根際速效鉀均處于虧缺狀態(tài)，虧缺率分別平均為18.2%、34.2%和26.4%；在收獲期出現(xiàn)上升，與拔節(jié)期相比分別上升64.4%、20.1%和66.2%，且NP和NPKS處理根際速效鉀出現(xiàn)富集現(xiàn)象。

施石灰4年以后，各處理不同生育期（除苗期以外）根際土壤速效鉀盈虧率變化規(guī)律與相應(yīng)不施石灰處理相似，NPCa、NPKCa和NPKSCa處理在玉米拔節(jié)期盈虧率均最小，分別為-14.3%、0.4%和-23.3%；在灌漿期分別為-3.2%、5.0%、21.3%，NPKSCa和NPKCa處理根際土壤速效鉀出現(xiàn)富集現(xiàn)象；收獲后均呈富集狀態(tài)，富集率分別為47.7%、25.7%和43.2%。與不施石灰相比，對應(yīng)施石灰處理均提高根際土壤速效鉀的盈虧率（施鉀處理除苗期以外），整個(gè)生育期分別平均提高8.6%、33.2%和19.3%，減輕了根際土壤速效鉀的虧缺。

2.3 土壤速效鉀與緩效鉀、交換性鈣鎂、酸度等指標(biāo)相關(guān)性

土壤速效鉀含量不僅受緩效鉀含量影響，而且與交換性鈣鎂、交換性鋁含量以及K+/（Ca2++Mg2+）等指標(biāo)密切相關(guān)。通過表2可知，在K（-）Ca（-）（即NP處理）情況下，土壤速效鉀含量與交換性K+/Al3+呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）。在K（-）Ca（+）（NPCa處理）情況下，土壤速效鉀含量與交換性鋁含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）。在K（+）Ca（-）（NPK和NPKS處理）情況下，土壤速效鉀含量與緩效鉀含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），與交換性K+/Al3+呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）。在K（+）Ca（+）（NPKCa和NPKSCa處理）情況下，速效鉀含量與緩效鉀含量、交換性K+/（Ca2++Mg2+）、交換性K+/Al3+及鉀的飽和度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）。全部處理進(jìn)行相關(guān)性分析可知，速效鉀含量與緩效鉀含量、交換性K+/（Ca2++Mg2+）、交換性K+/Al3+以及鉀的飽和度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）。

石灰引起的根際、非根際緩效鉀和鉀飽和度相對變化率（交換性鈣鎂相對變化率）與相應(yīng)的速效鉀相對變化率呈極顯著正（負(fù)）相關(guān)關(guān)系（圖3）。由圖4（b、c、h和i）可知，在氮磷鉀配施（NPK和NPKS）情況下，從拔節(jié)至收獲期，施石灰引起根際緩效鉀和鉀飽和度相對變化率均高于非根際對應(yīng)時(shí)期，緩效鉀相對變化率分別平均為14.6%（根際）和0.3%（非根際），鉀飽和度相對變化率分別平均為37.4%（根際）和2.6%（非根際）。結(jié)合圖3（a和c）相應(yīng)方程關(guān)系可知，兩者（緩效鉀和鉀飽和度）平均相對變化率對應(yīng)速效鉀平均相對變化率均表現(xiàn)為：根際（20.7%和33.6%）高于非根際（-2.9%和24.2%）。其次，各時(shí)期根際土壤交換性鈣鎂的相對變化率均低于非根際對應(yīng)時(shí)期（圖4（d）～圖4（f）），整個(gè)生育期分別平均為：27.5%（根際）和111.6%（非根際），結(jié)合圖3（b）相應(yīng)方程關(guān)系可知，交換性鈣鎂平均相對變化率對應(yīng)速效鉀平均相對變化率表現(xiàn)為：根際（23.5%）高于非根際（-13.2%）。與上述三者（緩效鉀、鉀飽和度和交換性鈣鎂）相對應(yīng)根際速效鉀平均相對變化率均為正值且高于對應(yīng)的非根際，表明，在長期施氮磷鉀肥基礎(chǔ)上施石灰（NPKCa和NPKSCa）4年以后，根際土壤速效鉀、緩效鉀含量和鉀飽和度均提高（除苗期以外），非根際交換性鈣鎂含量提高幅度高于根際。在缺鉀處理上（NP）施石灰，不同時(shí)期根際與非根際緩效鉀和鉀飽和度的相對變化率無明顯規(guī)律（圖4（a）、圖4（d）和圖4（g））。

表2 速效鉀含量與土壤相關(guān)影響因子的皮爾森相關(guān)性Table 2 Pearson’s correlation coefficients between soil relevant affecting factors and RAK content

圖3 土壤緩效鉀、交換性鈣鎂、鉀飽和度相對變化率與速效鉀相對變化率的關(guān)系Fig. 3 Relationships of RAK with soil slowly available potassium（SAK），exchangeable calcium and magnesium（Ca2++Mg2+），potassium saturation（KS），in relative variation rate

3 討 論

3.1 石灰后效對根際與非根際速效鉀含量的影響

一般情況下，玉米對養(yǎng)分需求量表現(xiàn)為生長初期較少，隨著時(shí)間的推移，在生殖器官分化期達(dá)到高峰，至成熟階段又漸趨減少［3］。土壤速效鉀含量變化趨勢與玉米的生長密切相關(guān)，玉米苗期吸鉀能力弱，需鉀量少，根際與非根際土壤速效鉀含量可維持較高水平（圖1）。隨著玉米的生長（拔節(jié)期至灌漿期），吸鉀能力逐漸變強(qiáng)，需鉀量增加，根際與非根際速效鉀均呈降低趨勢。養(yǎng)分的脅迫和協(xié)同作用對作物生長產(chǎn)生一定的影響［3］，導(dǎo)致在缺鉀和施鉀情況下出現(xiàn)不同結(jié)果，NP處理嚴(yán)重缺鉀，抑制玉米正常生長，減少對鉀素的需求量；相反，施鉀（NPK和NPKS）促進(jìn)玉米的生長，增加對鉀素的需求量，導(dǎo)致根際缺鉀更嚴(yán)重。在速效鉀含量低的酸性土壤上施石灰，易引發(fā)離子競爭而誘發(fā)缺鉀［23］，在玉米苗期（圖1），施石灰4年以后根際與非根際土壤速效鉀含量均降低，這主要是因?yàn)槭┦绎@著提高玉米產(chǎn)量，且產(chǎn)量與吸鉀量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.85，n=190）［20］，進(jìn)而促進(jìn)土壤鉀素的消耗，施石灰后第3年土壤速效鉀含量變化與上述結(jié)果基本一致（表1）。與不施石灰相比，施石灰4年后根際速效鉀含量變化較小，主要是由于添加石灰以后土壤溶液中含有較多的Ca2+，Ca2+主要的運(yùn)移方式為質(zhì)流，且玉米需鈣量相比鉀較少，使根際Ca2+含量顯著高于非根際，促進(jìn)離子間的交換并競爭根系表面鉀素吸附位點(diǎn)，最終提高根際速效鉀含量［24］；其次是施石灰處理通過改良土壤酸化和改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)玉米更好地生長，加速水分循環(huán)，使鉀離子隨水分向根際轉(zhuǎn)移［22］。收獲期以后，根際與非根際土壤速效鉀含量均較高，根際速效鉀含量增加更顯著，這可能與取樣時(shí)間有關(guān)，收獲期的土樣是在玉米收獲后10 d采集的，根系已經(jīng)枯萎，有更多的鉀離子回流進(jìn)入土壤中［25］，導(dǎo)致根際土壤速效鉀含量升高更加明顯。

3.2 不同施肥及石灰后效對根際速效鉀盈虧率的影響

圖4 不同生育期土壤緩效鉀、交換性鈣鎂、鉀飽和度含量與相對變化率Fig. 4 The contents and relative variation rate of SAK，exchangeable calcium and magnesium（Ca2++Mg2+），and potassium saturation（KS）at different growth stages

長期不同施肥處理下，玉米根際土壤速效鉀基本處于虧缺狀態(tài)（圖2）。玉米在苗期需水和鉀量較少，吸鉀能力較弱，根際與非根際相差不大，根際土壤速效鉀盈虧率基本接近于零。隨著玉米的生長，在拔節(jié)期，NP、NPK、NPKS根際速效鉀均呈虧缺狀態(tài)，主要因?yàn)?，此時(shí)玉米的營養(yǎng)生長需要大量的鉀素，且酸化導(dǎo)致根系發(fā)育不完整以及根系分泌物種類不全而出現(xiàn)鉀素的營養(yǎng)臨界期［26］，導(dǎo)致根際速效鉀供不應(yīng)求，加重了鉀素的虧缺。虧缺程度表現(xiàn)為：NPK＞NPKS＞NP，主要是因?yàn)樵鍪┾浄视衩椎纳锪亢彤a(chǎn)量均提高［20］，需消耗大量的鉀素，增施秸稈提高了土壤鉀素含量，在一定程度上緩解鉀素的虧缺［27］。在施氮磷鉀基礎(chǔ)上增施石灰（NPKCa和NPKSCa）4年以后，與不施石灰處理相比，根際速效鉀的盈虧率均有一定程度的提升，尤其是在拔節(jié)期和灌漿期（圖2），主要原因是施石灰改良酸化后玉米生長較好，在這兩個(gè)時(shí)期水分循環(huán)更快，促進(jìn)鉀素隨水分向根際遷移［22］；其次，較豐富二價(jià)離子（Ca2+）的質(zhì)流可促進(jìn)溶液鉀的富集［28］，有助于補(bǔ)充K+水平，并促進(jìn)K+從較高濃度向較低濃度區(qū)域擴(kuò)散［29］。此外，施石灰減少鉀素的淋失［30］，增加鉀素的固持，而這部分鉀可以被作物吸收利用［2］。缺鉀（NP）情況下施與不施石灰，土壤因缺鉀導(dǎo)致玉米均不能正常生長，導(dǎo)致需鉀量減少，盈虧率變化不明顯；此外，在酸性土壤施石灰，層間復(fù)合羥基鋁減少，導(dǎo)致晶層塌陷的同時(shí)也可能形成楔形位，在低鉀干燥條件下，水化Ca2+可脫水進(jìn)入楔形位，減少對鉀的固定［31］。

3.3 緩效鉀、鉀飽和度、交換性鈣鎂、交換性鋁和pH對速效鉀的影響

緩效鉀是維持土壤速效鉀含量在一定水平的最重要的因素之一。本試驗(yàn)結(jié)果表明，石灰后效提高根際土壤緩效鉀的相對變化率（苗期除外）（圖4（b）和圖4（c）），即石灰處理增加緩效鉀含量，且緩效鉀含量與速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明石灰后效作用下根際土壤緩效鉀含量提高，進(jìn)而緩解根際土壤速效鉀的虧缺。鉀飽和度的高低反映土壤鉀素的豐缺狀況，石灰后效（苗期除外）可一定程度上提高根際鉀飽和度及其相對變化率（圖4（h）～圖4（j）），進(jìn)而緩解根際土壤鉀素的虧缺；而鉀飽和度與土壤固鉀率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系［32］，根際土壤鉀飽和度的提高可抑制鉀素的固定，增加作物對鉀吸收的機(jī)率。在缺鉀的土壤上（NP），石灰后效對緩效鉀和鉀飽和度影響較弱，因?yàn)?，此時(shí)缺鉀成為限制速效鉀含量變化的主要因素。交換性鈣鎂對根際鉀素盈虧有一定的影響，首先，石灰后效下非根際交換性鈣鎂含量提高幅度高于根際，大量的Ca2+將與K+競爭土壤膠體表面吸附交換位點(diǎn)，增加土壤溶液中K+的含量［33］，由于擴(kuò)散和質(zhì)流的作用使其不斷向根際轉(zhuǎn)移，最終緩解根際土壤速效鉀的虧缺。本研究也表明，速效鉀含量與交換性K+/Al3+呈正相關(guān)關(guān)系。酸化常伴隨著鉀素的缺乏，主要是由于H+和Al3+（致酸離子）占據(jù)鉀素交換位點(diǎn)，易引起鉀素的淋失［34］。施石灰4年以后，交換性鋁顯著低于未施石灰處理（本文未列出數(shù)據(jù)），降低了Al3+與K+競爭吸附位點(diǎn)，增加土壤的固鉀能力，在一定程度上減少鉀素的淋失［30］。根際和非根際速效鉀含量與pH無顯著相關(guān)性，主要原因可能在于本研究選取的pH梯度比較窄，玉米不同生育期速效鉀含量變化范圍較寬，其具體原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

紅壤旱地連續(xù)24年不同施肥處理（NP、NPK和NPKS）下，玉米根際土壤速效鉀含量均處于虧缺狀態(tài)。相比不施石灰，在施鉀肥基礎(chǔ)上施石灰（NPKCa和NPKSCa）4年以后，玉米非根際土壤速效鉀含量在整個(gè)生育期均降低，根際出現(xiàn)先降低后升高趨勢；在缺鉀處理上施石灰（NPCa）4年以后，根際、非根際不同生育期速效鉀含量均無顯著變化。緩效鉀含量、鉀飽和度、K+/（Ca2++Mg2+）和K+/Al3+對速效鉀含量均有正向影響作用。施氮磷鉀肥基礎(chǔ)上增施石灰（NPKCa和NPKSCa）4年以后，一定程度上緩解根際土壤鉀素的虧缺。

［1］ 徐明崗，田有國. 耕地質(zhì)量演變趨勢研究. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2008：163-177 Xu M G，Tian Y G. Research of tillage land quality evolution（In Chinese）. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press，2008：163—177

［2］ 蔡東，肖文芳，李國懷. 施用石灰改良酸性土壤的研究進(jìn)展. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（9）：206—213 Cai D，Xiao W F，Li G H. Advance on study of liming on acid soils（In Chinese）. Chinese Agricultural Science Bulletin，2010，26（9）：206—213

［3］ 陸景陵. 植物營養(yǎng)學(xué)（上冊）. 第2版. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2007 Lu J L. Plant nutrition（Ⅰ）（In Chinese）. 2rd ed.Beijing：China Agricultural University Press，2007

［4］ Zhang H M，Xu M G，Zhu P，et al. Effect of 15-year-long fertilization on potassium quantity/intensity relationships in black soil in northeastern China.Communications in Soil Science and Plant Analysis，2010，42（11）：1289—1297

［5］ 蔡澤江，孫楠，王伯仁，等. 長期施肥對紅壤pH、作物產(chǎn)量及氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2011，17（1）：71—78 Cai Z J，Sun N，Wang B R，et al. Effects of long-term fertilization on pH of red soil，crop yields and uptakes of nitrogen，phosphorous and potassium（In Chinese）.Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2011，17（1）：71—78

［6］ 張效年，趙安珍. 土壤電化學(xué)性質(zhì)的研究——Ⅹ. 紅壤膠體的表面性狀和離子專性吸附對表面電荷性質(zhì)的影響. 土壤學(xué)報(bào)，1988，25（2）：164—174 Zhang X N，ZhaoA Z. Studies on electrochemical properties of soils X. Charge characteristics of red soils as affected by surface properties of the soil and specific adsorption of ions（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，1988，25（2）：164—174

［7］ 徐明崗. 恒電荷土壤與可變電荷土壤K+的吸附特性. 土壤肥料，2002（2）：13—17 Xu M G. Study on characteristics of K+adsorption by constant charge soils and variable charge soils（In Chinese）. Soil and Fertilizer，2002（2）：13—17

［8］ 胡紅青，賀紀(jì)正，高彥征. K+濃度、pH和離子強(qiáng)度對湖北省幾種土壤吸附K+的影響. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，18（3）：229—233 Hu H Q，He J Z，Gao Y Z. Influence of K+concentration，pH and ionic strength on K+adsorption of the seven kinds of soil in Hubei Province（In Chinese）. Journal of Huazhong Agricultural University，1999，18（3）：229—233

［9］ Haling R E，Simpson R J，Delhaize E，et al. Effect of lime on root growth，morphology and the rhizosphere of cereal seedlings growing in an acid soil. Plant and Soil，2010，327（1/2）：199—212

［10］ Curtin D，Smillie G W. Effects of liming on soil chemical characteristics and grass growth in laboratory and long-term field-amended soils. Plant and Soil，1986，95（1）：15—22

［11］ Jeandavid M，Louis D，Rock O. Soil properties and maple-beech regeneration a decade after liming in a northern hardwood stand. Forest Ecology amp;Management，2008，255（8/9）：3460—3468

［12］ Reitemeier R F. Soil potassium. Advances in Agronomy，1951（3）：113—164

［13］ 于世舉. 石灰改良酸性土壤的效果. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（1）：278—278 Yu S J. Effect of lime on acid soil（In Chinese）.Modern Agricultural Science and Technology，2012（1）：278—278

［14］ Fischer S，Koch H J，Bürcky K. Effect of liming central European loess soils on soil extractable phosphorus and potassium as determined by electroultrafiltration. Archives of Agronomy amp; Soil Science，2015，61（6）：725—736

［15］ Anikwe M，Eze J C，Ibudialo A N. Influence of lime and gypsum application on soil properties and yield of cassava（Manihot esculenta Crantz. ）in a degraded Ultisol in Agbani，Enugu Southeastern Nigeria. Soil amp;Tillage Research，2016，158：32—38

［16］ Pierre W H，Bower C A. Potassium absorption by plants as affected by cationic relationships. Soil Science，1943，55（1）：23—36

［17］ 金繼運(yùn)，劉榮樂. 土壤肥力與肥料. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，1998：220—223 Jin J Y，Liu R L. Soil fertility and fertilizers（In Chinese）. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press，1998：220—223

［18］ Riley D，Barber S A. Bicarbonate accumulation and pH changes at the soybean（Glycine max（L. ）Merr.）root-soil interface. Soil Science Society of America Journal，1969，33（6）：905—908

［19］ 許曼麗，劉芷宇. 土壤—根系微區(qū)養(yǎng)分狀況的研究 Ⅱ.鉀離子的富集與虧缺. 土壤學(xué)報(bào)，1983，20（3）：295—302 Xu M L，Liu Z Y. The nutrient status of soil-root interface Ⅱ. The accumulation and depletion of potassium（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，1983，20（3）：295—302

［20］ 王伯仁，李冬初，周世偉，等. 紅壤質(zhì)量演變與培肥技術(shù). 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2014：204—207 Wang B R，Li D C，Zhou S W，et al. Red soil quality evolution and fertilization technology（In Chinese）.Beijing：China Agricultural Science and Technology Press，2014：204—207

［21］ 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000 Bao S D. Soil and agricultural chemistry analysis（In Chinese）. Beijing：China Agriculture Press，2000

［22］ 梅旭陽，高菊生，楊學(xué)云，等. 紅壤酸化及石灰改良影響冬小麥根際土壤鉀的有效性. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2016，22（6）：1568—1577 Mei X Y，Gao J S，Yang X Y，et al. The response of soil potassium availability in rhizospheric soil of winter wheat to acidified and limed red soil（In Chinese）.Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2016，22（6）：1568—1577

［23］ Tisdale S L，Nelson W L，Beaton J D. Soil fertility and fertilizers. London：Collier Macmillan Publishers，1985

［24］ Schneider A. Short-term release and fixation of K in calcareous clay soils. Consequence for K buffer power prediction. European Journal of Soil Science，1997，48（3）：499—512

［25］ 王箏，魯劍巍，張文君，等. 田間土壤鉀素有效性影響因素及其評估. 土壤，2012，44（6）：898—904 Wang Z，Lu J W，Zhang W J，et al. Influential factors on soil available potassium evaluation in agriculture（In Chinese）. Soils，2012，44（6）：898—904

［26］ 吳敏，錢曉剛，蘇躍，等. 玉米鉀素營養(yǎng)臨界期試驗(yàn)研究. 種子，2005，24（2）：65—67 Wu M，Qian X G，Su Y，et al. Research on critical period of potassium nutrition in maize（In Chinese）.Seed，2005，24（2）：65—67

［27］ 譚德水，金繼運(yùn)，黃紹文，等. 不同種植制度下長期施鉀與秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤鉀素的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，40（1）：133—139 Tan D S，Jin J Y，Huang S W，et al. Effect of longterm application of K fertilizer and wheat straw to soil on crop yield and soil K under different planting systems（In Chinese）. Scientia Agricultura Sinica，2007，40（1）：133—139

［28］ Barber S A. A diffusion and mass-flow concept of soil nutrient availability. Soil Science，1962，93（1）：39—49

［29］ Barber S A. Potassium availability at the soil-root interface and factors influencing potassium uptake//Munson R D. Potassium in agriculture. Madison，Wis.，USA：American Society of Agronomy. 1985：309—335

［30］ Pearson R W. Soil acidity and liming in the humid tropics. Cornell International Agriculture Bulletin No.30. Cornell University，Ithaca，N. Y. 1975：66

［31］ 王家玉. 土壤非交換性鉀的研究. 土壤學(xué)進(jìn)展，1991（2）：9—17 Wang J Y. Research on non-exchangeable potassium in soil（In Chinese）. Advances in Soil Science，1991（2）：9—17

［32］ 張會民，徐明崗，張文菊，等. 長期施肥條件下土壤鉀素固定影響因素分析. 科學(xué)通報(bào)，2009，54（17）：2574—2580 Zhang H M，Xu M G，Zhang W J，et al. Analysis of influencing factors of soil potassium fixation under long term fertilization（In Chinese）. Chinese Science Bulletin，2009，54（17）：2574—2580

［33］ Nolan C N，Pritchett W L. Certain factors affecting the leaching of potassium from sandy soils. Proceedings Soilamp; Crop Science Society of Florida，1960：139—145

［34］ Wolde Z. A review on evaluation of soil potassium status and crop response to potassium fertilization. Journal of Environment and Earth Science，2016，8（6）：38—44

（責(zé)任編輯：陳榮府）

Effect of Long-term Fertilization and Residual Effect of Liming on Potassium in Rhizosphere of Maize Relative to Growth Stage of the Crop

HAN Tianfu1，2WANG Boren1，2ZHANG Huimin1，2?HUANG Jing1，2LI Dongchu1，2CAI Zejiang1，2LIU Kailou1，3CAI Andong1XU Minggang1，2
（1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land，Beijing 100081，China）
（2 National Observation Station of Qiyang Agri-ecology System，CAAS，Qiyang，Hunan 426182，China）
（3 National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement，Jiangxi Institute of Red Soil，Jinxian，Jiangxi 331717，China）

【Objective】In attempt to provide a theoretical basis for amelioration of acidified red soil through liming and build-up of potassium（K）pool，efforts have been made to explore residual effect of liming on K in rhizosphere and bulk soil in maize field at different maize growth stages in acidified red soil.【Method】From a long-term fertilization experiment（Started in 1990），designed to have six treatments，including chemical nitrogen and phosphorus（NP），NP plus lime（NPCa），NPK，NPK plus lime（NPKCa），NPK plus straw（NPKS），and NPKS plus lime（NPKSCa）and conducted on a tract of upland maize field of red soil in Qiyang，Hunan Province，samples of rhizosphere and bulk soils were collected in the maize field at the seedling stage，jointing stage，filling stage and harvesting stage of the crop in 2014 for analysis of contents of different forms of K，pH and contents of exchangeable calcium and magnesium（Ca2++Mg2+），and exchangeable aluminum（Al3+）.【Result】Results show that 1）compared with Treatment NP，Treatments NPK and NPKS were obviously or 120.4 mg kg-1and 149.6 mg kg-1，respectively，higher in readily available K（RAK）content in both rhizosphere and bulk soils，however，Treatments NP，NPK and NPKS，all suffered K deficiency in rhizosphere at the jointing and filling stages，with deficit being 18.2%，34.2% and 26.4%，respectively；2）comparison of Treatments NPKCa and NPKSCa with Treatments NPK and Treatment NPKS，respectively，shows that liming lowered RAK content，respectively，by 46.0 mg kg-1and 26.5 mg kg-1in rhizosphere soil and respectively，by 68.5 mg kg-1and 56.0 mg kg-1in bulk soil at the seedling stage，and increased RAK content in rhizosphere by 25.2 mg kg-1and 33.7mg kg-1，respectively，but reduced the content slightly in bulk soil during the period from jointing to harvesting；comparison of Treatments NPCa，NPKCa and NPKSCa with their corresponding non-liming treatments shows that liming increased soil RAK gain and loss rate in rhizosphere soil by 8.6%，33.2% and 19.3%，respectively，over the whole growing season；3）soil RAK content in both rhizosphere and bulk soil was significantly and positively related to the corresponding slowly AK（SAK），potassium saturation（KS），K+/（Ca2++Mg2+）and K+/Al3+，and SAK was in ultra-significantly positive relationship and KS in ultrasignificantly negative relationship with RAK in relative variation rate.【Conclusion】Four years after liming in the farmland，under long-term N，P and K fertilization，it is found that liming has increased the contents of RAK and SAK and KS in rhizosphere soil（except at the seedling stage）and the content of（Ca2++Mg2+）in rhizospheresoil，but not so significantly as in bulk soil，thus eventually alleviating RAK deficiency in rhizosphere soil.

Long-term fertilization；Red soil；Lime；Potassium；Rhizosphere and bulk soil

S156.6

A

10.11766/trxb201705090045

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371293，41671301）和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300901）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41371293 and 41671301）and the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFD0300901）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

韓天富（1989—），男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事土壤培肥與改良研究。E-mail：hantianfu123@126.com

2017-05-09；

2017-07-05；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-07-19