长期施肥土壤钾有效性与腐殖质组分相关性研究

王振宙,王改兰,张亮,聂斌,段建南,杨艳菊,熊静

(湖南农业大学资源环境学院,湖南长沙 410128)

栗褐土是褐土向栗钙土过度的一个土类,主要分布于晋西北黄土丘陵区,发育于黄土母质,含有丰富的含钾矿物,全钾含量比较高,平均在20 g·kg-1左右。然而,土壤中速效钾的含量仅占全钾的0.1%～2.0%,缓效钾含量通常也只占全钾的2%～8%,90%～98%的土壤钾是以作物难以利用的矿物钾存在[1],有效性低。而且当地长期以来施肥以氮肥为主,配施少量的磷肥或有机肥,几乎不施钾肥,由于受经济和地理等条件所限,再加上我国钾肥资源匮乏,今后施用钾肥也很有限。因此,提高土壤钾的有效性对当地农业的发展十分重要。钾是植物的必需营养元素之一,有“品质元素”之称。土壤供钾能力直接影响着植物的钾营养状况,进而影响植物的产量与品质。土壤向植物提供养分的能力并不直接决定于土壤中养分的贮量,而是决定于养分有效性的高低。土壤钾的存在形态有矿物态钾、非交换性钾、交换性钾和水溶性钾,各种形态之间存在动态平衡,其中,交换性钾和水溶性钾,容易被植物吸收利用,有效性高,非交换性钾在水溶性钾和交换性钾被作物吸收或淋失浓度降低时,可逐渐补充交换性钾,提高钾的有效性。

大量研究表明,长期施肥不仅影响土壤养分含量[2,3],对土壤腐殖质含量和组成也有显著影响[4],张付申报道了长期施肥条件下黄绵土氮、磷养分与土壤腐殖质组分间的关系[5]。但有关长期施肥对土壤钾有效性的影响以及土壤钾有效性与土壤腐殖质组分间的关系报道较少。为此,本研究利用栗褐土上20 a的长期定位试验就此问题开展探讨,为当地合理施肥,提高土壤钾的有效性,改善植物钾营养提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤概况

试验于1988年布置在山西省河曲县砖窑沟流域的沙坪村窑家嘴梁顶平地上,供试土壤按山西省第二次土壤普查分类为轻壤黄土质淡栗褐土(土种),以中国土壤系统分类为黄土正常新成土(土类),1988年播种前测得试验地0～20 cm土壤基本理化性质:有机质含量 5.64 g·kg-1,全氮0.445 g·kg-1,全磷为 1.23 g·kg-1,碱解氮13.95 mg·kg-1,速效磷 2.85 mg·kg-1,速效钾87.0 mg·kg-1,阳离子代换量6.97 cmol·kg-1,pH 8.1,容重 1.2 g·cm-3。

1.2 试验设计

试验设8个处理:①对照(CK,不施肥);②单施氮肥(N);③氮磷肥混施(NP);④单施低量有机肥(M 1);⑤低量有机肥与氮肥混施(M 1N);⑥低量有机肥与氮磷肥混施(M 1NP);⑦高量有机肥与氮肥混施(M2 N);⑧高量有机肥与氮磷肥混施(M 2NP)。各处理施肥量见表 1。试验设 3次重复,随机区组排列,小区面积24 m2,每年试验小区的处理不变。氮肥用含N 46%的尿素,磷肥用含P2O5 14%的过磷酸钙,有机肥施用当地圈肥,其中有机质含量平均为16.8%,全氮为0.6%,全磷(P2 O5%)为 0.3%,全钾(K2 O%)为1.3%。种植作物为糜子(Panicum miliaceum)和马铃薯(Solanum tuberosum),两种作物每年换茬轮作,耕作管理措施与大田相同。

表1 各处理的施肥量/kg·hm-2Table1 Application rates of the treatments/kg·hm-2

1.3 土壤样品的采集与测定

试验于2008年作物播种前采集耕层(0～20 cm)土壤样品,风干过筛,测定全钾、缓效钾、速效钾以及腐殖质、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量。其中,土壤全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定,速效钾含量采用1 mol·L-1中性NH4OAc浸提-火焰光度法测定,缓效钾含量采用1 mol·L-1热HNO3浸提-火焰光度法测定,土壤腐殖质组分以磷酸焦钠碱性溶液浸提-重铬酸钾氧化法测定[6]。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对土壤钾有效性的影响

土壤速效钾包括水溶性钾和交换性钾,是衡量土壤钾有效性的主要指标,土壤缓效钾即非交换性钾,是土壤速效钾的储备,常用来衡量土壤的潜在供钾能力。栗褐土经过20 a的施肥,土壤速效钾和缓效钾含量如图1所示。由图1可以看出,无论是速效钾还是缓效钾含量处理间差异十分明显,而且二者表现出相似的变化规律。与对照相比,除单施氮肥(N)和氮磷肥混施(NP)的处理无显著差异外,5个施有机肥的处理(包括单施和配施)均有大幅度提高,其中施高量有机肥的2个处理(M2 N、M2NP)高于施低量有机肥的3个处理(M 、M 1N 、M1NP)。M 、M1N 、M1NP 、M2N 、M2NP 5个处理的速效钾含量达161.2～246.3 mg·kg-1,依次较对照增加 123.9%、100.2%、91.8%、192.9%和199.4%,缓效钾含量为 836.9～937.67 mg·kg-1,依次较对照增加了17.2%、17.3%、14.0%、25.7%和27.8%。速效钾和缓效钾之和依次较对照增加 28.18%、25.78%、22.02%、42.89%和45.40%。经统计分析,上述5个处理的速效钾和缓效钾含量与对照间差异极显著,M2N 、M2NP与M 、M1 N 、M 1NP之间的速效钾差异极显著,缓效钾差异显著,而M 、M1N 、M1NP之间的速效钾和缓效钾差异不显著。上述结果表明,长期单独施用氮肥或氮肥与磷肥配施,对栗褐土钾的有效性无明显影响,长期施用有机肥可有效提高栗褐土钾的有效性。对施化学钾肥条件差的黄土丘陵地区来说坚持施用有机肥无疑是改善土壤供钾能力的有效途径。

图1 不同处理土壤速效钾和缓效钾含量Fig.1 Contents of readily and slowly available soil potassium in the treatments

表2 不同处理土壤有效性钾的比例Table2 Ratios of available soil potassium in the treatments

由表2还可以看出,栗褐土在长期不施肥的情况下,速效钾占全钾的比例只有0.44%,缓效钾占全钾的比例为3.83%,酸溶性钾(速效钾和缓效钾之和)占全钾的比例为4.27%。长期施用有机肥速效钾占全钾的比例明显增加,施低量有机肥的3个处理是对照的2倍左右,施高量有机肥的2个处理接近于对照的3倍。缓效钾占全钾的比例增加幅度较小,5个施有机肥的处理较对照增加了13.6%～23.5%,酸溶性钾占全钾的比例提高到了5%～6%之间。由于速效钾增加的幅度远高于缓效钾增加的幅度,因而,施有机肥的5个处理土壤速效钾占缓效钾的比例增加得也非常明显,由对照的11.5%增加到了19.3%～26.8%。这进一步表明了有机肥对提高栗褐土钾有效性的积极作用。

2.2 土壤钾有效性与土壤腐殖质的相关性

土壤腐殖质是土壤有机质的主要组成部分,一般分为胡敏酸、富里酸和胡敏素3个组分,又将富里酸和胡敏酸统称腐殖酸。连续施肥20 a后栗褐土腐殖质总量和各组分的含量见表3,土壤速效钾和缓效钾含量与土壤腐殖质总量及其组分间的相关分析结果见表4。表4显示,土壤速效钾和缓效钾与土壤腐殖质总量及其组分间均存在线性正相关,相关系数均达到了极显著水平。但相关系数有差异,速效钾与缓效钾相比,与土壤腐殖质各组分的关系更密切,相关系数均在0.9084以上,达极显著水平,缓效钾的相关系数在0.8729以上,达极显著水平;从速效钾和缓效钾与腐殖质各组分的相关系数看,二者表现出相似的规律,总体上,与腐殖质总量和腐殖酸的相关程度较高,其次为胡敏素,与胡敏酸和富里酸的相关程度较低。胡敏素与速效钾和缓效钾的相关程度高于胡敏酸和富里酸主要是存在量的优势,栗褐土耕层腐殖质中,胡敏素占腐殖质总量的74.3%～78.0%[7],腐殖酸和腐殖质总量也具此理。腐殖质含量与土壤速效钾和缓效钾的同步增长更有利于土壤有效钾的保持和作物利用。

表3 土壤腐殖质总量和各组分的含量/g·kg-1Table 3 Contents of the total soil humus and the humus fractions in/g·kg-1

表4 土壤腐殖质组分与速效钾、缓效钾的相关性分析Table 4 Correlation analysis between soil humus f ractions and readily and slowly available K

3 结论与讨论

(1)栗褐土长期单施氮肥或氮磷配施与对照相比对土壤钾的有效性无明显影响。

(2)长期施用有机肥可有效提高栗褐土钾的有效性,连续 20 a每年施用 22 500 kg·hm-2的圈粪,土壤速效钾含量较对照增加123.9%,缓效钾含量增加17.2%,速效钾与缓效钾的比例由对照的11.5%提高到21.9%,速效钾和缓效钾合占全钾的比例由对照的4.27%提高到5.31%,增加有机肥施用量效果更佳,有机肥配合施用氮肥和氮磷肥对其效果无明显影响。

(3)腐殖质总量及其组分与土壤速效钾和缓效钾间均有极显著的线性正相关关系。速效钾与腐殖质总量及其组分间的相关系数均在0.9084以上,缓效钾的相关系数在0.8729以上。腐殖质含量与土壤速效钾和缓效钾的同步增长更有利于土壤有效性钾的保持和作物利用。

以往的研究表明,在本试验条件下,与不施肥相比,单独施用氮肥和氮肥与磷肥混合施用作物产量显著提高[8],因而由作物带走的钾应明显多于对照,但在本研究中这3个处理间土壤速效钾和缓效钾并无明显差异,这可能与作物对矿物钾的活化作用有关。一方面,作物对钾的吸收会导致土壤溶液中钾离子浓度的下降,打破土壤中各种形态钾之间的平衡,促进矿物钾向水溶性钾的转化,另一方面,作物根系分泌物的有机酸如草酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸等可促进矿物钾释放[9,10]。

有机肥能提高土壤钾的有效性,一方面是由于有机肥本身所含的钾为速效性的,长期施用可补充土壤速效钾;另一方面可能与长期施用有机肥提高了土壤腐殖质含量,改善了腐殖质品质有关。因为,腐殖质是土壤肥力的重要物质基础,与土壤养分的保持和释放密切相关。有大量研究表明,有机酸可通过酸溶作用和络合作用促进矿物钾的释放[11],胡敏酸和富里酸能溶解不抗分解的钾长石[12],富里酸能引起云母矿物中钾的释放[13]等等。同时胡敏酸含有大量的功能团,如羧基、酚羟基和醇羟基等,这些功能团可与土壤中的金属离子、粘土矿物、水合氧化物发生相互作用,可以增加土壤吸收性能和保持养分、水分的能力,富里酸官能团中酚羟基和甲氧基的数目比较多,对保持土壤养分也有一定作用。本研究显示,不同处理土壤腐殖质总量及其组分与土壤速效钾和缓效钾间有极显著的线性正相关关系,由此可以推断,长期施用有机肥对土壤钾有效性的提高与土壤腐殖质含量的增加有一定的关系。因此,在缺少钾肥的黄土丘陵区,应积极开发有机肥资源,坚持施用有机肥,以维持和提高栗褐土的供钾能力。

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