长期施肥对红壤旱地团聚体特性及不同组分钾素分配的影响*

柳开楼 黄 晶 张会民† 李冬初 韩天富 蔡泽江王伯仁 黄庆海

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

（2 祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，湖南祁阳 426182）

（3 江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西进贤 331717）

红壤旱地是中国南方丘陵区主要的耕地资源，面积为1.13×106km2，占全国土地面积的11%。该地区水热资源丰富，生产潜力巨大，是我国重要的粮、油、果、茶等生产基地［1］。然而，在红壤发育过程中，高温高湿的气候环境导致土壤钾素大量淋失［2］，进而使得钾素匮缺成为该地区农业可持续发展的主要限制因子之一。因此，开展红壤旱地钾素高效利用的研究显得十分必要。红壤旱地的黏土矿物主要为1:1型的高岭石，含钾矿物（水云母）较少［3］，且作物对钾素不断消耗进一步加剧土壤含钾矿物的释放，从而降低土壤的供钾能力。长期施用钾肥在保持土壤供钾能力的同时可减缓或阻止水云母向过渡矿物（含钾量低于水云母）转化，或者使过渡矿物向水云母转化［4］。因此，施用钾肥是提高土壤供钾能力的重要途径之一［5-6］，但不同施肥方式对土壤钾素的影响存在显著差异。岳龙凯等［7］研究表明，氮磷钾肥或增施有机肥均显著提高红壤旱地的钾素有效性。长期施有机肥可提高土壤对钾素的吸附能力，且用量越高，土壤对钾素的吸附能力越强［8］。但由于作物巨大的吸钾能力，低量有机肥处理仍会导致土壤钾库不断耗竭［9］。与动物源有机肥不同，虽然秸秆还田可以显著提高土壤交换性钾含量［10］，进而有效补充土壤钾库，但是，作物秸秆的钾肥替代效果受土壤初始条件的影响较大，当土壤交换性钾含量较高时，作物秸秆对钾肥的替代效果不显著［11］。同时，作为衡量土壤养分存储和供应能力的重要指标，团聚体各组分的养分分配显著影响作物的养分吸收［12-13］。然而，目前，有关团聚体组分中的养分研究主要集中在碳、氮、磷［12-16］和铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）等重金属［17］，关于钾素在土壤团聚体各组分中，尤其是不同施肥措施下的分配规律尚不明确。而研究不同施肥措施下土壤团聚体组分中钾素的分配对于指导土壤结构改良、红壤钾库管理和钾肥合理施用具有重要意义。因此，本研究利用祁阳红壤旱地长期施肥定位试验（始于1990年），选取CK（不施肥）、NP（氮磷肥配施）、NPK（氮磷钾肥配施）、NPKM（氮磷钾肥和猪粪配施）和NPKS（氮磷钾肥和秸秆半量还田）处理。于试验26年时（2016年）采集原状土壤（全土），分析不同处理团聚体组分中全钾、非交换性钾和交换性钾的含量变化，并进一步探讨土壤团聚体组分钾对全土钾的贡献率及其与作物吸钾量的相关关系，以期为红壤旱地的钾肥管理提供理论和技术参考。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

祁阳红壤肥力长期试验位于湖南省祁阳县中国农业科学院红壤实验站内（111o52′E，26o45′N）。海拔高度约为120 m，年平均温度18.0 ℃，年降水量1 255 mm，年蒸发量1 470 mm，无霜期约为300 d，年均日照时数1 610 h，土壤母质为第四纪红壤。土壤初始（1990年）理化性质为：土壤pH为5.7，有机碳7.89 g kg-1，全氮1.07 g kg-1，全磷0.45 g kg-1，全钾13.7 g kg-1，交换性钾104 mg kg-1。

1.2　试验设计

本研究选取不同的施钾处理，具体为：CK（不施肥），NP（N和P2O5的年用量分别为300 kg hm-2和70 kg hm-2）；NPK（NP处理基础上每年增施K2O 87 kg hm-2）；NPKM（NPK处理基础上每年配施鲜猪粪29.4 t hm-2）和NPKS（NPK处理的基础上将前茬作物秸秆1/2还田）。在试验设计之初，该地区的有机肥资源主要为畜禽粪便和作物秸秆，而作物秸秆除了还田之外，还可用作家用燃料和牲畜饲料等，所以将秸秆作为有机肥时，本试验设置了秸秆半量还田处理。每个处理2次重复，小区面积198 m2，种植方式为小麦/玉米轮作。除了NPKS处理之外，其他处理的秸秆全部移除。玉米季和小麦季的肥料用量各占全年施肥量的70%和30%，所有肥料均在小麦和玉米播种前一次性施用。氮肥、磷肥和钾肥种类分别为尿素（含N 46.2%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。田间管理同农民习惯一致。

1.3　作物吸钾量测定

在2016年小麦季和玉米季成熟期（5月上旬和8月中旬），每个小区分别采集5穴植株样，分成秸秆和籽粒，烘干后研磨，测定秸秆和籽粒的钾含量［18］，并根据干物重计算小麦和玉米的吸钾量。

1.4　土壤样品采集和团聚体分级

在2016年玉米收获后采集原状土壤样品，每个小区随机采集5个点，每个点使用铁锹采集20 cm深、5 cm宽和5 cm长的原状土壤样品，放入塑料盒中带回实验室进行团聚体分级。

土壤团聚体的分级采用干筛与湿筛相结合的方法。干筛参照中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室方法［19］，土样风干后用不锈钢套筛振荡进行干筛，分别得到＞10 mm、5～10 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和＜0.25 mm 的七级机械稳定性土壤团聚体。根据干筛获得的各级团聚体百分比，配成质量为200.00 g（精确至0.01 g）的土样用于湿筛分析。湿筛参照Elliott［20］的方法：土样放置于孔径为2 mm的不锈钢筛上，室温下蒸馏水浸泡10 min，然后分别通过2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.053 mm的不锈钢筛，竖直上下振荡50次，收集各级土筛上的土壤，获得＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和0.053～0.25 mm的水稳性土壤团聚体，＜0.053 mm的团聚体通过将溶液沉降、离心获得。将各级筛层中的土粒转移至烧杯中，自然晾干后测定土壤全钾、非交换性钾和交换性钾含量，部分烘干称重计算各粒径团聚体组分的比例。本试验条件下，干筛与湿筛相结合法中团聚体各组分土壤钾素的回收率在95%左右。

1.5　土壤钾测定方法及计算

土壤全钾测定用氢氧化钠熔融浸提，交换性钾采用1 mol L-1NH4OAc浸提，非交换性钾采用1 mol L-1HNO3煮沸法浸提量减去交换性钾含量，所有浸提液或消煮待测液中的钾含量均用火焰光度法测定［18］。

采用＞ 0.25 mm团聚体组分和团聚体破坏率来衡量团聚体稳定性。具体计算公式如下：

式（1）和式（2）中，PSA＞0.25mm表示大于0.25 mm团聚体组分的比例，%；PSAi表示i级团聚体组分的比例，%；i表示团聚体组分的粒径，mm；PAD表示团聚体破坏率，%；DPSA＞0.25mm表示干筛分级中大于0.25 mm团聚体组分的比例，%；WPSA＞0.25mm表示湿筛分级中大于0.25 mm团聚体组分的比例，%。

借鉴江春玉等［15］的方法，团聚体组分钾对全土钾的贡献率及其稳定性（以＞ 0.25 mm团聚体组分的贡献率来表示）的计算公式如下：

式（3）～式（5）中：C（TK）SAi、C（NEK）SAi和C（EK）SAi表示i级团聚体组分中钾素对全土全钾、非交换性钾和交换性钾的贡献率，%；TKSAi、NEKSAi和EKSAi分别表示i级团聚体组分全钾、非交换性钾和交换性钾的含量，mg kg-1。

式（6）～式（8）中：C（TK）SA＞0.25mm、C（NEK）SA＞0.25mm和C（EK）SA＞0.25mm表示大于0.25 mm团聚体组分全钾、非交换性钾和交换性钾对全土全钾、非交换性钾和交换性钾的贡献率，%。

采用 Microsoft Excel 2003 软件对数据进行处理，SPSS 19.0进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）测验处理间差异显著性（p＜0.05），采用Origin 8.1进行制图。

2　结 果

2.1　长期不同施肥下红壤旱地团聚体的分布特征

不同施肥措施显著改变红壤旱地的团聚体组分和比例（表1）。在所有处理中，配施猪粪处理（NPKM）下，＞2 mm、1～2 mm和0.5～1 mm的团聚体组分比例最高，分别较CK处理增加了94.76%、64.72%和31.43%，较NPK处理增加了13.63%、16.12%和35.23%；但0.053～0.25 mm和＜0.053 mm的团聚体组分比例则显著低于其他处理。秸秆半量还田处理（NPKS）下，＞2 mm和1～2 mm的团聚体组分比例显著高于CK处理，与NP处理不存在显著差异；但与NPK处理相比，NPKS下，＞2 mm和1～2 mm的团聚体组分比例则分别降低了11.91%和15.75%。这说明，长期施用猪粪对红壤旱地大团聚体的影响程度明显高于秸秆半量还田。

表1　长期不同施肥处理下红壤旱地团聚体各组分的比例Table 1　The distribution of soil aggregates in the upland red soil under long-term fertilization relative to treatment

2.2　长期不同施肥下红壤旱地团聚体的稳定性

长期不同施肥显著影响红壤旱地团聚体的稳定性（表2）。除了NPKS之外，NP、NPK和NPKM处理的＞0.25 mm干筛团聚体组分比例均显著高于CK处理，但各施肥处理之间无显著差异（p＞0.05）。在＞0.25 mm湿筛团聚体组分比例中，NPK、NPKM和NPKS处理均显著高于CK处理，且NPKM处理最高，而NP与CK处理间则无显著差异。通过＞0.25 mm干筛和湿筛团聚体比例计算的团聚体破坏度表明：与CK处理相比，NPK、NPKM和NPKS的团聚体破坏度均显著降低，其中，NPKM处理的团聚体破坏度显著低于NPK和NPKS处理，而NPKS处理的团聚体破坏度与NPK和NP处理则不存在显著差异。表明长期猪粪还田更利于红壤旱地团聚体的稳定。

表2　长期不同施肥处理下红壤旱地团聚体稳定性变化Table 2　Change in soil aggregate stability in the upland red soil under long-term fertilization relative to treatment

2.3　长期不同施肥下红壤旱地团聚体组分中钾含量变化

全钾、非交换性钾和交换性钾含量在不同团聚体组分中差异较小，但对施肥措施响应显著（图1）。对于全钾含量，所有团聚体组分大体呈现出NP、NPK和NPKM 处理大于CK和NPKS处理，这说明与NP和NPK处理相比，NPKM处理下团聚体组分全钾含量无明显的提升作用，且NPKS处理还显著降低了各团聚体组分中的全钾含量。对于非交换性钾和交换性钾含量，与CK处理相比，不施钾处理（NP）下各团聚体组分的非交换性钾和交换性钾含量无显著增加，施钾处理（NPK、NPKM和NPKS）均呈现出显著增加趋势，其中，NPK M处理显著高于其他处理。与NPK处理相比，NPKM处理＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm团聚体组分中非交换性钾含量分别增加了24.37%、35.04%、42.65%、44.13%、49.04%和29.38%，交换性钾含量分别增加了176.3%、102.0%、103.0%、97.54%、93.25%和82.02%。上述结果表明，长期施用猪粪在显著增加土壤较大粒径团聚体组分的同时，也提高了团聚体组分中交换性钾和非交换性钾含量。但NPKS处理各团聚体组分的非交换性钾和交换性钾含量则显著低于NPKM处理，说明秸秆半量还田对土壤较大粒径团聚体组分中非交换性钾和交换性钾含量的提升作用弱于长期配施猪粪处理。

图1　长期不同施肥处理下红壤旱地团聚体中全钾、非交换性钾和交换性钾含量Fig. 1 Total, non-exchangeable and exchangeable potassium concentrations in soil aggregates of the upland red soil under long-term fertilization relative to treatment

2.4　长期不同施肥下红壤旱地各团聚体组分钾对全土钾的贡献

在红壤旱地各团聚体组分钾对全土钾的贡献率中，＞2 mm和＜0.053 mm团聚体组分的贡献率明显高于其余团聚体组分（图2）。与CK处理相比，NPKM处理显著增加了＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率，其中，对全土全钾的贡献率分别增加了98.78%、85.46%和39.07%，对全土非交换性钾的贡献率分别增加了76.56%、88.30%和40.16%，对全土交换性钾的贡献率分别增加了192.1%、61.63%和21.97%；同时，NPKM处理＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm团聚体组分中全钾、交换性钾和非交换性钾对全土全钾、非交换性钾和交换性钾的贡献率也分别较NPK处理增加了6.25%～31.97%、5.72%～43.16%和41.98%～24.30%。但是，与CK和NPK处理相比，NPKM处理中0.053～0.25 mm和＜0.053 mm的团聚体组分钾对全土钾的贡献率则显著降低。因此，与不施肥或化肥处理相比，化肥配施猪粪处理下较大粒径的团聚体组分钾对全土钾的贡献率增加，而在较小粒径团聚体组分中则呈下降趋势。

NPKS处理下各团聚体组分钾对全土钾的贡献率的影响明显弱于NPKM处理，NPKS处理＞2 mm和1～2 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率与NPK处理相当，但＜0.053 mm团聚体组分全钾、交换性钾和非交换性钾对全土全钾、非交换性钾和交换性钾的贡献率则较NPK处理增加了51.94%、43.94%和46.12%。除了＞2 mm团聚体组分呈现出NP处理显著高于CK之外，其余团聚体组分钾对全土钾的贡献率均呈现出不施钾处理之间（NP与CK处理）无显著差异。

图2　长期不同施肥处理下红壤旱地各团聚体组分钾对全土钾的贡献率变化Fig. 2 Change in contribution rate of different fractions of soil aggregates to the bulk soil in potassium in the upland red soil under long-term fertilization relative to treatment

2.5　红壤旱地>0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率及与作物吸钾量的关系

在土壤团聚体组分中，＞0.25 mm团聚体组分的比例是反映土壤团聚体稳定性的重要指标，因此，本研究进一步计算了红壤旱地＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率。施钾可以显著提高红壤旱地＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率（表3）。在所有处理中，施钾处理（NPK、NPKM和NPKS）的＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率均显著高于不施钾处理（CK和NP）。NPKM处理＞0.25 mm团聚体组分全钾、非交换性钾和交换性钾对全土全钾、非交换性钾和交换性钾的贡献率分别较CK处理增加了48.44%、49.96%和66.23%，分别较NPK处理增加了8.65%、22.86%和14.39%。与NPK处理相比，NPKS处理中＞0.25 mm团聚体组分交换性钾和非交换性钾对全土交换性钾和非交换性钾的贡献率无显著增加，但＞0.25 mm团聚体组分全钾对全土全钾贡献率则显著降低了8.39%。因此，与秸秆半量还田相比，长期猪粪还田更利于增加红壤旱地＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率。

表3　长期施钾下红壤旱地> 0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率Table 3　Contribution rate of the fraction (＞ 0.25 mm) of soil aggregates to the bulk soil in potassium in the upland red soil under long-term fertilization (%)

在红壤旱地上，＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率与小麦玉米总吸钾量之间存在显著的正相关关系（图3），且两者的关系可以用线性方程进行拟合。全钾、非交换性钾和交换性钾的拟合方程分别为y=-523.2+11.89x（R2=0.830 4，p＜0.05）、y=-499.9+11.82x（R2=0.859 2，p＜0.05）和y=-384.4+9.92x（R2=0.904 4，p＜0.05）。通过方程可知，当＞ 0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率增加1%时，作物吸钾量可以增加9.92～11.89 kg hm-2。因此，提高团聚体组分钾对全土钾的贡献率是促进作物吸钾的重要途径。

图3　红壤旱地＞ 0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率与作物吸钾量的相关关系Fig. 3 Relationship between crop potassium uptake and contribution rate of the fraction (＞ 0.25 mm) of soil aggregates to the bulk soil in potassium in the upland red soil

3　讨 论

在红壤旱地上，酸、黏、瘦是限制该地区土壤生产力的突出问题［21］，施用有机肥是红壤改良和培肥的重要途径之一［22-23］。受该地区有机肥资源种类的影响，长期以来红壤旱地上施用的有机肥主要为猪粪和作物秸秆。因此，比较猪粪和秸秆还田的土壤培肥效果对于指导红壤地区有机肥施用策略具有重要的指导意义。本研究结果表明，长期化肥配施猪粪处理显著改善红壤旱地的团聚体结构，其＞2 mm、1～2 mm和0.5～1 mm的团聚体组分比例较不施肥和化肥处理显著增加，而0.053～0.25 mm和＜0.053 mm的团聚体组分比例则显著降低，这与前人研究结果一致［13，24-26］。秸秆半量还田处理对土壤团聚体组分的影响程度以及团聚体的稳定性明显低于猪粪配施处理。这一方面与本研究中秸秆半量还田处理的有机碳投入量较少有关：本长期试验秸秆半量还田处理的年均有机碳投入量为37.39 t hm-2，显著低于猪粪配施处理的有机碳投入量（136.2 t hm-2），且猪粪配施处理的固碳效率显著高于秸秆半量还田处理［27］。另一方面，与动物源有机肥相比，红壤旱地上秸秆类有机物料分解释放CO2量显著较高［27］。此外，秸秆半量还田下土壤酸化趋势明显，猪粪配施处理则未酸化［28］，而土壤pH的降低会通过影响黏土矿物来进一步影响土壤团聚体结构［29-30］。上述结果与有机质促进土壤团聚体形成的理论［31-32］相一致，长期投入有机肥可将土壤中微团聚体胶结成大团聚体，且大量处于分解状态的植物根系和微生物菌丝也进一步通过缠绕作用直接形成大团聚体。

在红壤旱地上，不同团聚体组分中的全钾、非交换性钾和交换性钾含量差异较小，原因是钾主要集中分布在土壤黏粒中［33］，而团聚体组分是由黏粒与胶结物质（有机物和铁铝氧化物）等形成的［31-32］。但是，施肥可显著影响团聚体组分中的非交换性钾和交换性钾含量，尤其是猪粪配施处理，其各团聚体组分中非交换性钾和交换性钾含量均显著高于化肥处理。表明化肥配施猪粪是提高红壤旱地团聚体组分钾素供应能力的重要施肥措施，这与化肥配施猪粪提高土壤团聚体组分碳、氮、磷含量的结果相似［12-16］。原因可能与猪粪带入较多的钾素有关，且猪粪配施化肥增加了土壤团聚体组分的有机胶结物质，改善了土壤结构［12-13］，从而减少了各团聚体组分中的钾素淋溶。与化肥处理相比，秸秆半量还田下土壤团聚体组分中非交换性钾和交换性钾含量则无显著提升，这可能与秸秆半量还田的钾素投入量明显低于猪粪配施处理有关［6-7］。此外，秸秆半量还田处理的作物吸钾量明显高于化肥处理［34］，从而导致其土壤团聚体组分的钾素进一步耗竭。

不同团聚体组分钾对全土钾的贡献率存在较大差异，其中＞2 mm和＜0.053 mm的团聚体组分钾对全土钾的贡献率最高，其余团聚体组分则较低。这主要是与＞2 mm和＜0.0 53 mm团聚体组分的比例较高有关。同时，由于化肥配施猪粪处理显著增加了＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm团聚体组分，降低了0.053～0.25 mm和＜0.053 mm团聚体组分的比例，且猪粪带入较多的钾素［7］，以及显著影响土壤团聚体组分中的有机胶结物质［24-25］。因此，与其他处理相比，化肥配施猪粪处理的钾素供应能力主要体现在＞2 mm、1～2 mm和0.5～1 mm团聚体组分。然而，与化肥处理相比，秸秆半量还田处理下各团聚体组分钾对全土钾的贡献率无显著增加，这可能与本研究的秸秆投入量较少和秸秆半量还田对团聚体组分的影响较弱有关。与不施肥和化肥处理相比，化肥和猪粪配施处理下较大粒径团聚体组分钾对全土钾的贡献率增加，而在较小粒径团聚体组分中则呈下降趋势，这一方面与施有机肥对大团聚体组分的影响程度高于微团聚体组分有关［12-16］，另一方面也可能与土壤各团聚体组分中钾的吸附解吸平衡有关，具体原因有待进一步研究。而在红壤旱地的微团聚体组分中，黏土矿物和大分子有机物的亲和性存在差异，与长期施化肥处理相比，长期施有机肥处理的土壤微团聚体组分中黏土矿物和大分子有机物呈现更高的分散性［35］，可能导致其对钾素的贡献率也存在差异。此外，红壤微团聚体组分的主要胶结物质为铁铝氧化物，从而导致其吸附的钾离子较少。同时，虽然不同施肥处理的有机碳和钾素输入量不同可能造成团聚体组分和钾素分配存在差异，但是，本研究在量化不同施肥处理对土壤团聚体组分中钾素分配规律的基础上，也充分证明，通过土壤结构改良能够进一步调控土壤团聚体组分中的钾素分配，从而为钾肥的高效利用提供技术支撑。

在所有处理中，化肥配施猪粪处理更利于增加红壤旱地＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率，且增幅显著高于秸秆半量还田处理。因此，与＞0.25 mm土壤团聚体的作用类似［36］，红壤旱地上＞0.25 mm团聚体组分的供钾能力也显著影响作物的钾素需求，本研究发现，当红壤旱地＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率增加1%时，作物吸钾量增加9.92～11.89 kg hm-2，这说明通过施用有机肥可调控土壤团聚体组分，即增加＞0.25 mm团聚体组分可有效提升土壤供钾能力，从而有利于指导农民从改善土壤结构的角度优化钾肥施用技术。

4　结 论

长期化肥配施猪粪可显著改善红壤旱地的团聚体结构，其较大粒径团聚体组分比例显著高于施化肥处理，而在化肥基础上进行秸秆半量还田则不会显著影响土壤团聚体组分。与化肥处理相比，长期化肥配施猪粪处理显著增加团聚体组分中非交换性钾和交换性钾的含量，且＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率也显著提高，但秸秆半量还田处理下团聚体组分中钾素含量及团聚体组分钾对全土钾的贡献率均显著低于猪粪配施处理。说明化肥配施猪粪是提高红壤旱地团聚体组分钾素供应能力的重要施肥措施，而通过调控红壤旱地＞0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率可显著提升土壤的供钾能力。

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