黑土鉀素形態(tài)對長期定位施肥的響應(yīng)

杜 燕，王天野，吳陽生，高 強，高云航，劉淑霞

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)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.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118)

鉀素是植物生長的三大元素之一，在植物生長中不可缺少，它可用于植物的光合作用、蛋白質(zhì)合成、物質(zhì)運輸以及抗逆等方面[1-3]。根據(jù)大多數(shù)研究表明，植物生長所吸收的鉀量與吸氮量相近，甚至一些喜鉀作物的吸鉀量超過了吸氮量[4-5]。近幾十年來，施肥對于鉀素形態(tài)影響的研究已經(jīng)有很多，范聞捷等[6]的研究表明，在短期施用氯化鉀處理中，鉀肥用量與土壤中緩效鉀、速效鉀含量變化存在著顯著的正相關(guān)；張愛君等[7]研究結(jié)果表明，鉀肥施用直接影響土壤中速效鉀的含量，無鉀肥投入，土壤中速效鉀含量降低，鉀肥連續(xù)施用超過10 a，可保持土壤速效鉀的含量不變；熊明彪等[8]研究表明，施用鉀肥可以緩解土壤中速效鉀和緩效鉀含量的減少。在國外，不同學(xué)者主要側(cè)重于土壤鉀素平衡的研究，從FAO在亞洲4個國家的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果來看，作物從土壤中帶走的鉀素通過鉀肥施用來歸還的不足10%[9-10]。植物在其正常的生長發(fā)育中需要的鉀素，主要來自土壤中含鉀礦物的風(fēng)化和施用的鉀肥[11]，土壤中不同形態(tài)鉀的含量及相互間的轉(zhuǎn)化，受鉀的輸入影響，同時鉀被植物的吸收利用也受影響[12-13]。生產(chǎn)實踐中，進(jìn)行土壤肥力及作物對養(yǎng)分利用研究的最佳手段是長期定位試驗[14]。如何補充植物從土壤中帶走的鉀素，了解土壤中不同形態(tài)鉀素的轉(zhuǎn)化及受施肥的影響具有重要的意義。因此，本研究基于黑土長期定位施肥試驗(1984-2016年)，對不同施肥處理下黑土不同形態(tài)鉀素的含量進(jìn)行研究，以揭示黑土鉀素狀況對長期定位施肥的響應(yīng)，為土壤養(yǎng)分的保持，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 供試材料

試驗地點位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)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)量可達(dá)1 390 mm，相對濕度平均可達(dá)65%，積溫(≥10 ℃)、年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫分別為2 850，4.9，28.3，-22.4 ℃，每年的無霜期平均可達(dá)145 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。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)15個處理：不施肥對照(CK)、單施鉀肥(K)、單施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、氮磷鉀配施(NPK)、單施低量玉米秸稈(S2.5)、鉀肥與低量玉米秸稈配施(K+S2.5)、氮肥與低量玉米秸稈配施(N+S2.5)、氮磷肥與低量玉米秸稈配施(NP+S2.5)、氮磷鉀肥與低量玉米秸稈配施(NPK+S2.5)、單施高量玉米秸稈(S5.0)、鉀肥與高量玉米秸稈配施(K+S5.0)、氮肥與高量玉米秸稈配施(N+S5.0)、氮磷肥與高量玉米秸稈配施(NP+S5.0)、氮磷鉀肥與高量玉米秸稈配施(NPK+S5.0)。田間試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復(fù)。施肥量N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。其中，氮肥的1/3、全部的磷肥、鉀肥和秸稈作基肥施用，氮肥的2/3作追肥施用(表1)?；A(chǔ)土壤樣品

表1 長期定位試驗的肥料用量及施用方法Tab.1 The fertilization number and method of the long-term experiment

(0～20 cm)采自1984年，土壤pH值7.12，有機(jī)質(zhì)含量為22.8 g/kg,全氮、全磷、全鉀含量分別為1.39，0.53，23.1 g/kg,堿解氮含量為125 mg/kg，速效磷、速效鉀含量分別為13.6，218 mg/kg，2016年土壤的基本理化性狀見表2。

表2 2016年土壤的基本理化指標(biāo)Tab.2 Basic properties of the tested soil in 2016

1.3 分析測試方法

1.3.1 土壤基本理化指標(biāo)測定 采用常規(guī)的測定方法，參照農(nóng)化分析方法，土壤pH值采用酸度計法(土水比1∶2.5)，含水量用烘干法(10 g鮮土，105 ℃烘干12 h),有機(jī)質(zhì)采用硫酸重鉻酸鉀消煮-硫酸亞鐵滴定法，全氮采用半微量凱氏定氮法，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬蘭比色法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬蘭比色法。

1.3.2 土壤中不同形態(tài)鉀的測定 土壤全鉀、緩效鉀、速效鉀和水溶性鉀分別采用NaOH熔融、1 mol/L熱HNO3消煮、1 mol/L NH4OAc和蒸餾水浸提制備待測液，待測液中的鉀采用火焰光度計法測定。利用計算法獲得土壤礦物鉀、交換性鉀和非交換性鉀的含量。

計算公式：礦物鉀=全鉀-速效鉀-緩效鉀；交換性鉀=速效鉀-水溶性鉀；非交換性鉀=酸溶鉀-速效鉀。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對黑土全鉀含量的影響

全鉀是土壤中不同形態(tài)鉀含量的總和，施肥對其含量有一定的影響。圖1是不同施肥處理下土壤全鉀含量的變化情況，由圖1可知，長期施肥對草甸黑土的全鉀有一定的影響，其含量增加效果部分處理顯著。從第1組化肥單獨施用的處理中可以看出，其全鉀含量在鉀肥配合施用的情況下增加效果顯著，最高值(22.19 g/kg)出現(xiàn)在氮、磷、鉀配合施用的處理；沒有配施鉀肥的處理(N、NP)，全鉀含量低于CK處理。在第2組施加低量玉米秸稈的處理中可以看出，K+S2.5和NPK+S2.5其全鉀含量相比CK處理增加效果顯著，其含量分別為22.49，22.51 g/kg,只有低量玉米秸稈配施NP肥的處理相比CK處理全鉀含量降低，但降低幅度不大。在第3組施加高量玉米秸稈與化肥配施的處理中其全鉀含量增加效果顯著，其中以S5.0增加效果最為顯著，其全鉀含量為23.1 g/kg，其次為N+S5.0和NPK+S5.0這2個處理全鉀含量相比CK較為顯著，其含量都是23.09 g/kg?？傊砑痈吡坑衩捉斩捙涫┗侍幚肀鹊土坑衩捉斩捙涫┗实奶幚砥淙浐吭龇^大，而低量玉米秸稈配施化肥的處理比單施化肥的處理其全鉀含量增幅較大，不同用量玉米秸稈施用均使土壤中全鉀含量有所增加，這說明，施用秸稈能促進(jìn)土壤全鉀含量增加。

2.2 長期施肥對黑土緩效鉀含量的影響

由圖2可知，長期定位施肥對黑土土壤緩效鉀有一定的影響，尤其是K+S2.5、K+S5.0、NPK+S5.0這幾個處理增加效果顯著。單施化肥處理中，不施鉀肥的2種處理即單施氮肥和NP肥配施處理的緩效鉀含量顯著低于CK，而NPK肥配施處理的緩效鉀含量相比CK顯著增加，其緩效鉀含量為698.07 mg/kg。在低量玉米秸稈配施化肥的處理中，除低量玉米秸稈配施氮肥的處理緩效鉀含量相比于CK處理稍有降低外，其他幾個處理的緩效鉀含量都有增加，其中以K+S2.5的處理其緩效鉀含量增加最為顯著，其緩效鉀的含量約為CK處理的1.32倍。高量玉米秸稈配施化肥的處理與低量玉米秸稈配施化肥的結(jié)果相似，但是緩效鉀含量的增加幅度卻明顯高于低量玉米秸稈配施化肥的處理，其中K+S5.0的處理緩效鉀含量增加最為顯著，其緩效鉀含量大約為對照處理的1.63倍，其次是NPK+S5.0的處理，其緩效鉀含量高達(dá)950.88 mg/kg，也是CK處理的1.45倍。此外，單施高量玉米秸稈和低量玉米秸稈都可以增加土壤的緩效鉀，說明施加秸稈可以增加土壤的緩效鉀含量。而2組處理中效果最好的是玉米秸稈配施鉀肥，所以有機(jī)無機(jī)配施可以更好地增加土壤中緩效鉀的含量。

不同小寫字母表示差異顯著。圖2同。Different lowercase mean significant difference. The same as Fig.2.

圖2 施肥對土壤緩效鉀含量變化的影響Fig.2 The effect of fertilization on in soil slow-acting potassium content change

2.3 長期施肥對黑土礦物鉀及速效鉀等含量變化的影響

礦物鉀也是土壤中相對穩(wěn)定的一種鉀，礦物鉀占全鉀含量的90%～98%。由表3可知，長期定位施肥對土壤礦物鉀的效果不顯著，單施化肥的處理中，添加鉀肥的處理土壤中的礦物鉀相比對照處理稍有增加，但增幅不大，不施加鉀肥的處理土壤中的礦物鉀含量降低。添加低量和高量玉米秸稈配施化肥的處理中除NP+S2.5和K+S5.0礦物鉀含量比CK處理有所降低外，其余處理相比CK都有所增加，但增加效果不顯著。

如表3所示，長期定位施肥對黑土速效鉀有顯著的影響。單施化肥的處理中單施鉀肥的土壤速效鉀顯著增加，其速效鉀含量為199.45 mg/kg，其中不施鉀肥的處理其速效鉀含量顯著降低，這可能是作物生長需要鉀素，但沒有外源鉀素的補充，所以速效鉀含量顯著降低。在施加低量玉米秸稈配施化肥的處理中，NPK+S2.5的處理速效鉀含量增加最為顯著，其含量為249.48 mg/kg，約為CK處理的1.57倍，其他幾個低量有機(jī)肥的處理其速效鉀含量也都明顯增加。不同秸稈用量對土壤速效鉀含量有著相似的影響，在高量玉米秸稈配施化肥的處理中，其K+S5.0處理速效鉀含量增加效果最為顯著，其含量約為279.65 mg/kg,約為CK處理的1.75倍，但是高量處理比低量處理相對于對照速效鉀含量增幅明顯。單施低量和高量有機(jī)肥的2個處理其速效鉀含量都明顯增加，說明施加有機(jī)肥可以增加土壤速效鉀含量。

表3 施肥對黑土礦物鉀、速效鉀、水溶性鉀、交換性鉀含量的影響Tab.3 Effect of fertilization on mineral potassium，available potassium，water soluble potassium and exchangeable potassium in black soil

注：不同字母表示其在0.05水平上差異顯著。表4同。

Note：Different letters indicate significantly at the 0.05 level. The same as Tab.4.

土壤水溶性鉀含量也受不同施肥的影響(表3)。不同施肥處理土壤水溶性鉀平均值為18.48 mg/kg。在單施化肥的處理中，添加鉀肥的處理水溶性鉀都有所增加，其中單施鉀肥處理的水溶性鉀含量增加最為顯著，其含量最高為18.85 mg/kg。添加低量有機(jī)肥的處理其水溶性鉀含量都有所增加，其中NPK+S2.5的處理相比CK增加最為顯著，其數(shù)值大約是對照處理的1.53倍。施加高量有機(jī)肥的處理中K+S5.0處理增加最為顯著，其含量是對照處理的1.88倍。所以施加高量有機(jī)肥比施加低量有機(jī)肥能更好地增加土壤中的水溶性鉀。

長期定位施肥對交換性鉀含量也有影響。在單施化肥的處理中，添加鉀肥的處理其交換性鉀含量都增大，單施鉀肥的處理其交換性鉀含量增加顯著，其含量為180.60 mg/kg，而不施鉀肥的處理則其交換性鉀含量都有降低，這是因為外源鉀沒有補充被植物所消耗的鉀。低量有機(jī)肥處理中，NPK+S2.5交換性鉀含量增加顯著，其含量約為對照處理的1.57 倍，其次為S2.5處理其交換性鉀的含量為對照處理的1.38倍。在高量秸稈處理中，其K+S5.0的處理交換性鉀含量增加顯著，其交換性鉀含量為對照處理的1.74倍。其次為NPK+S5.0的處理，其交換性鉀的含量為對照處理的1.62倍。

2.4 長期施肥對黑土中不同形態(tài)鉀的占全鉀比例的影響

表4是不同形態(tài)鉀占全鉀含量的百分?jǐn)?shù)。由表4可知，長期定位施肥條件下，不同形態(tài)鉀占全鉀的比例不同，黑土中礦物鉀占全鉀比例最高，水溶性鉀所占比例最小。

不同施肥對不同形態(tài)鉀占全鉀的比例影響不同。土壤礦物鉀占全鉀的比例受施肥的影響較小。單施化肥處理中，NP處理礦物鉀占全鉀的比例最大為96.96%，而施用秸稈后土壤礦物鉀占全鉀的比例有一定的變化，且隨著秸稈用量的增加，礦物鉀占全鉀的比例有所降低。與CK相比所占比例下降了2.3百分點。土壤緩效鉀占土壤全鉀的比例受施肥的影響較大，沒有鉀肥的處理中，緩效鉀占全鉀的比例有所下降，最小值出現(xiàn)在氮磷肥配施的處理中。在施用秸稈的處理中，對緩效鉀占全鉀的比例影響較大，不同處理均有利于提高緩效鉀占全鉀的比例，增加的幅度為1.56百分點，最高比例出現(xiàn)在鉀肥與高量秸稈處理中，緩效鉀占全鉀的比例為4.80%。

施肥對土壤速效鉀占全鉀比例影響不同，其中不施鉀和秸稈的處理使土壤中速效鉀占全鉀的比例明顯降低，最小值出現(xiàn)在氮磷肥配施處理為0.53%；施用鉀肥和秸稈有利于提高土壤速效鉀占全鉀的比例，其中鉀肥與高量秸稈配施值最高，為1.25%。

土壤水溶性鉀含量占全鉀的比例受施肥的影響較小?；蕟问┨幚碇校cCK相比，氮肥單獨施用值沒有變化，而其他處理變化也不大，也可能與水溶性鉀在土壤中含量較低有關(guān)。施用秸稈有促進(jìn)水溶性鉀占全鉀的比例提高的趨勢。不同施肥處理中，土壤交換性鉀占全鉀比例變化趨勢與土壤水溶性鉀占全鉀比例的變化趨勢類似。

表4 施肥對不同形態(tài)鉀占全鉀的比例的影響Tab.4 The effect of fertilization on the rate of different kinds of potassium to total potassium in different fertilizations methods in black soil %

3 結(jié)論與討論

本研究基于長期定位試驗，研究了長期定位施肥下黑土不同形態(tài)鉀素的變化。研究結(jié)果表明:有機(jī)肥配施化肥土壤中的鉀素含量增加。張會民等[15]研究了長期定位施肥水稻土和紫色土鉀素含量，結(jié)果表明，長期有機(jī)無機(jī)配施與單施化肥相比，土壤活性鉀、非專性吸附鉀和專性吸附鉀的含量較高，而且使土壤中不同形態(tài)的鉀素(全鉀、緩效鉀和速效鉀)含量提高[16-17]。本研究結(jié)果與其結(jié)果相同，有機(jī)無機(jī)配施黑土中的土壤鉀素增加幅度最大，其次為單施有機(jī)肥，化肥單施土壤中單施鉀肥或添加鉀肥配施的處理不同形態(tài)鉀素含量略有增加?？赡苁怯捎谟袡C(jī)肥料中含有一定量鉀素，另一方面有機(jī)肥中含有的有機(jī)酸可以促進(jìn)土壤中鉀素的釋放，土壤的供鉀能力與有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系[18]，所以有機(jī)肥與氮磷鉀肥料配施能有效地促進(jìn)土壤中鉀素含量的增加。單施化肥不同形態(tài)的鉀含量有所增加，但有機(jī)肥配施化肥的處理比單施化肥的效果好，而單施有機(jī)肥的處理比單施化肥的效果要好。

長期不施用鉀肥土壤中鉀素含量降低，通過施用鉀肥可以增加土壤中鉀素的含量。有研究表明，在我國河北、山西等地，鉀素每年被作物從土壤中帶走的量為165～189 kg/hm2，而通過鉀肥的施用進(jìn)入土壤中的量僅有97～119 kg/hm2,土壤鉀素一直處于虧損狀態(tài)[19]。朱向東[20]針對冬小麥-夏玉米輪作體系土壤鉀素的研究結(jié)果表明，土壤中的鉀素在該體系中平均每年有31～217 kg/hm2虧缺。本研究結(jié)果也表明，鉀肥的添加對植物的生長至關(guān)重要。在單施化肥的處理中，不施鉀肥的處理中全鉀、礦物鉀、緩效鉀、速效鉀、水溶性鉀和交換性鉀含量都有所降低，在添加有機(jī)肥料的處理中，其不施鉀肥的處理鉀素含量雖有增加，但增幅不大。這可能是在作物生長過程中需要鉀素，但是卻沒有外源鉀素的及時補充，所以導(dǎo)致土壤中各種鉀素含量都有所降低。我國作為農(nóng)業(yè)大國，在提升產(chǎn)量的同時也需要關(guān)注作物的質(zhì)量，鉀素作為植物必需的三大元素之一，對作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提升都有幫助，所以，在作物生長階段，需要及時適量的補充鉀肥。