长期施肥对黑土玉米田钾素Q/I特性的影响

武俊男，刘昱辛，王天野，高 强，吴海燕，刘淑霞

(1.吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118；2.吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室， 吉林 长春 130118； 3.吉林省农业科学院，吉林 长春 130124)

钾素作为植物生长过程中必需的大量元素，被誉为“健康元素”及“品质元素”[1-4]。虽然钾在一般作物体内含量较低，一般为干物质重的1%～5%，但作物在生长过程中吸钾量通常超过吸磷量，与作物吸氮量相近[5-6]。土壤对作物钾素营养供应是否充足将直接影响作物生长、产量和品质，而钾素在作物抗旱、抗寒、抗病虫害等方面也具有重要的作用[7]。由于土壤中钾素移动性大等特点使得我国农田土壤一直处于钾素亏缺状态，土壤供钾能力不足已经成为限制作物产量的重要因素之一，严重影响了农业生产的发展[8]。土壤的供钾能力，应从土壤钾素的供应强度(I)、钾素的供应容量(Q)以及钾素的释放速率(R)3个方面进行研究。自Beckett[9]提出以Q/I关系曲线及相关参数来评价土壤供钾能力以来，该方法便受到许多专家学者的青睐。国内外关于土壤钾素Q/I曲线有一些研究，李娜[10]研究认为，施肥对棕壤钾素Q/I曲线性状基本相同，特征参数-ΔK0、AReK、PBCK差异较大。De等[11]和Ajiboye等[12]研究表明，随着钾肥用量(K2O 0～936 kg/hm2)的增加，土壤钾素的AR0值和非专性吸附钾(-ΔK0)都能得到适当提升。Rupa等[13]研究指出，经过长期定位施肥20年后，施用钾肥的土壤钾素与空白处理相比，AR0值是空白处理的3.53～4.32倍，KL值是空白处理的4.64～13.89倍，-ΔK0值是空白处理的15.38～25.81倍，KX是空白处理的3.62～11.89倍。

在已有的研究中，关于长期定位施肥对玉米田黑土供钾能力的研究较少[14-16]。因此，本研究以长期定位施肥试验(1984-2015年)为基础，进行长期定位施肥对黑土钾素供应能力的影响研究，以了解长期定位施肥对土壤的供钾潜力和钾素吸收能力，为保持土壤钾素养分的最佳动态平衡、充分发挥土壤供钾潜能以及钾肥的合理施用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地点位于吉林农业大学长期定位试验田(43。47′42"N， 123。20′45"E)。试验始于1984年。试验地地势平坦，年平均降水量为549.6 mm，蒸发量为1 490 mm，平均相对湿度为65%，≥10 ℃积温2 750 ℃，年平均气温为4.9 ℃，平均最高气温29.3 ℃，最低气温-20.4 ℃，无霜期140 d。试验采用微区设计，每个小区用水泥槽隔开，微区面积为2 m2，槽内土层厚度×槽高为150 cm×170 cm，土壤类型为草甸黑土，供试作物为玉米。

表1 长期定位试验的施肥处理Tab.1 The experimental treatment of the long-term experiment kg/hm2

注：氮肥为尿素(46%)，磷肥为过磷酸钙(14%)，钾肥为硫酸钾(52%)。

Note：Nitrogen is urea (46%)，phosphate is superphosphate (14%) and potassium is potassium sulfate (52%).

1.2 试验设计

试验共设置14个处理，①不施肥(CK)；②单施低量玉米秸秆(S0.25)；③单施高量玉米秸秆(S0.5)；④施用氮磷钾肥料(NPK)；⑤氮磷钾配施低量玉米秸秆(NPK+S0.25)；⑥氮磷钾配施高量玉米秸秆(NPK+S0.5)；⑦单施氮肥(N)；⑧氮磷肥配施(NP)；⑨氮钾肥配施(NK)；⑩磷钾肥配施(PK)；单施磷肥(P)；单施钾肥(K)；磷钾肥配施低量玉米秸秆(PK+S0.25)；磷钾肥配施高量玉米秸秆(PK+S0.5)。田间试验采用完全随机区组设计，每个处理3次重复。施肥量N-150 kg/hm2、P2O5-75 kg/hm2、K2O-75 kg/hm2。施肥方式：P、K肥和玉米秸秆作为底肥一次性施入，N肥的1/3作为底肥，其余2/3作为追肥施入(表1)。土壤样品(0～20 cm)采自2015年，土壤的基本理化性状如表2，3所示。

表2 供试土壤的基本理化性状(1984年样品)Tab.2 Basic properties of the tested material

表3 供试土壤的基本理化性状(2015年样品)Tab.3 Basic properties of the tested material

1.3 测定方法

1.3.1 土壤基本理化性状测定 土壤理化性状参照农化分析方法[17-18]。土壤含水量测定采用105 ℃烘干恒重法；pH测定采用酸度计法(土水比1∶2.5)；土壤全氮测定采用半微量凯氏定氮法；土壤铵态氮、硝态氮的测定采用0.01 mol/L CaCl2浸提-流动分析仪测定；土壤全磷运用HClO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法；土壤有效磷的测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；土壤全钾NaOH熔融-原子吸收火焰光度法；速效钾的测定采用1 mol/L NH4Ac浸提-原子吸收火焰光度法；有机质测定采用浓H2SO4-K2Cr2O4外消煮，FeSO4滴定法。

1.3.2 土壤钾素的Q/I曲线测定 振荡法测定[17-18]：称取5.00 g过1 mm土壤筛子的风干土9份，放入100 mL离心管中，然后向离心管中加入100 mL钾平衡溶液(不同浓度KCl 0.00，0.01，0.05，0.10，0.20，0.50，1.00，1.50，2.00，2.00 mmol/L的CaCl2溶液各50 mL混合)，以200 r/min的振荡频率，在恒温25 ℃条件下水浴振荡4 h，静止放置24 h，然后以2 000 r/min的转速，离心5 min，上清液过滤，平衡溶液中K、Ca、Mg的含量(CK、CCa、CMg)用原子吸收分光光度计来进行测定[7]。

AR≈CK/(CCa+CMg)1/2

①

其中，AR为土壤钾离子的活度比；CK、CCa和CMg分别为平衡溶液K+、Ca2+、Mg2+的浓度。

ΔK=C0-CK

②

其中，ΔK为土壤钾素平衡前后溶液中钾的浓度差，即土壤的吸钾量；C0初始溶液中钾离子的浓度；AR0是Q/I曲线上直线部分在横轴上的截距；-ΔK0是Q/I曲线上直线部分的延长在横轴上的截距；PBCK是Q/I曲线上直线的斜率。

1.4 数据统计及分析

采用Office 2010、Origin 7.5、SPSS 19.0软件进行数据处理、统计及方差分析。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥对黑土玉米田钾素Q/I曲线的影响

在农业生产实践中，我们可以通过土壤供钾容量和供钾强度关系曲线(Q/I曲线)来评价土壤钾素的供应能力。长期不同施肥处理下黑土钾素的Q/I曲线变化如图1所示。由图1可知，14个长期定位施肥处理的黑土钾素的Q/I曲线与典型的Q/I曲线呈现出类似的形状，大都由上部的直线部分和下部的曲线部分组成；直线部分出现在AR值较高区域(即坐标轴第一象限)，曲线部分出现在AR值较低的区域(即坐标轴第四象限)。说明钾素在土壤中在黏土矿物中吸附的部位不同。通常情况下直线部分的钾素主要被黏土矿物的表面所吸附，这部分的土壤钾素易被植物吸收利用。通过Q/I曲线可以计算出黑土钾素Q/I关系曲线的一些参数，图1中各处理直线部分已作了线性拟合，直线斜率即为PBCk值，直线横截距即为AReK值，将趋势线延伸求得纵截距即为-ΔK0值。从图1还可以看出，各处理间Q/I曲线参数差异明显，说明长期不同施肥对土壤供钾容量和供钾强度产生了较大影响。

图1 长期定位施肥黑土中土壤钾素Q/I曲线Fig.1 The potassium Q/I curves of black soil under long time fertilizations

2.2 长期施肥对黑土-△K0值的影响

通过Q/I曲线计算出黑土土壤供钾的容量指标(-ΔK0)，由图2可知，空白对照组CK的-ΔK0值最小为0.012 2 cmol/kg；不同施肥处理间黑土-ΔK0值不同，其中NP处理下黑土-ΔK0值相对最小，添加秸秆处理的黑土-ΔK0值相对较高；并且在NPK+S0.5下最高。不同施肥处理的-ΔK0值比CK增加了0.21～12.76倍，特别是在氮磷钾配施高量秸秆的处理(NPK+S0.5)中，黑土-ΔK0值最高为0.167 9 cmol/kg，说明肥料的施用对土壤的-ΔK0提高具有一定影响。

不施用钾肥处理(N、P、NP、S0.25、S0.5)与施用钾肥处理(K、PK、NK、NPK、PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土-ΔK0值相对较小，不施用钾肥处理间黑土-ΔK0平均值为0.057 1 cmol/kg；施用钾肥处理的黑土-ΔK0值较大，平均值为0.101 4 cmol/kg，比不施用钾肥的高出了0.78～1.92倍；说明施用钾肥可以提高-ΔK0，增加土壤供钾容量。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，每个处理3次重复。 Different lowercase indicate significant Different (P<0.05)， with three replicates per treatment.The same as Fig.3-4.

不施用秸秆处理(PK、NPK)与施用秸秆处理(PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土-ΔK0值较小，平均值为0.076 0 cmol/kg；施用秸秆处理的黑土-ΔK0值较大，平均值为0.149 0 cmol/kg，比不施用秸秆的高出了0.073 0 cmol/kg，分别高出了1.19～1.79倍，0.46～0.79倍，说明添加秸秆对土壤-ΔK0的提高具有一定影响。添加高量秸秆处理(S0.5、PK+S0.5、NPK+S0.5)与添加低量秸秆(S0.25、PK+S0.25、NPK+S0.25)比较，土壤-ΔK0值分别增加了0.39，0.27，0.22倍，说明施用高量秸秆提高了土壤的-ΔK0值。这一方面是因为秸秆的添加带入的活性钾增加了土壤速效钾含量，另一方面是因为秸秆的施入增大了土壤CEC。

2.3 长期施肥对黑土AReK的影响

AReK是ΔK=0时的ARK值，是衡量土壤活性钾强度或有效性的指标。长期不同施肥对黑土AReK值有较大的影响，不同处理间的变化与黑土的-ΔK0值变化相似如图3所示。由图3可知，与施肥处理相比，不施肥处理CK的AReK值最小为0.065 5×10-3(cmol/kg)-1/2；不同施肥处理间黑土AReK值不同，其中，NP处理黑土AReK值最小，化肥与高量秸秆配施的处理(NPK+S0.5)黑土AReK值最高，为1.718 5×10-3(cmol /kg)-1/2；不同施肥处理的AReK对比CK增加了0.07～25.24倍，说明肥料的施用，对土壤的AReK提高具有很大的影响，即施肥对土壤的供钾强度影响较大。

图3 长期定位施肥黑土中AReK变化Fig.3 The changes of AReK value in black soil under the long-term fertilization

不施钾肥处理(N、P、NP、S0.25、S0.5)与施钾肥处理(PK、NK、NPK、PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，不施钾肥处理黑土AReK值较小，平均为0.430 0×10-3(cmol/kg)-1/2；施钾肥处理的黑土AReK值较大，平均值为0.862 2×10-3(cmol/kg)-1/2，是不施钾肥处理的1.99～3.99倍；表明施用钾肥对土壤AReK值的提高具有一定意义。

不施用秸秆处理(PK、NPK)与施用秸秆处理(PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土AReK值较小，平均为0.523 5×10-3(cmol/kg)-1/2；施用秸秆处理的黑土AReK值较大，平均值为1.288 6×10-3(cmol/kg)-1/2，分别是不施用秸秆的2.14～3.77倍，1.71～2.62倍，说明添加秸秆可以增加黑土AReK值。添加高量秸秆处理(S0.5、PK+S0.5、NPK+S0.5)与添加低量秸秆(S0.25、PK+S0.25、NPK+S0.25)比较，黑土AReK值分别增加了0.65，0.76，0.53倍，说明长期施用秸秆显著提高了土壤钾素的有效性，施用高量秸秆效果更明显，这主要是因为长期添加秸秆使土壤的有机质、速效钾含量增加。

2.4 长期施肥对黑土钾素缓冲容量PBCK的影响

PBCK将土壤有效钾的容量因素和强度因素联系起来，反映土壤提供或吸收溶液中K+的能力，即土壤对钾缓冲能力。长期定位施肥对黑土的PBCK值影响如图4所示，不同处理间变化与黑土-ΔK0和AReK值变化趋势相反。由图4可知，长期不同施肥对黑土的PBCK值之间差异较大，与不施肥处理CK比较，只有单施N肥、单施P肥和施用NP肥处理的PBCK值高于CK，其他施肥处理PBCK值与CK比较降低了0.12，0.47倍；然而，PBCK值较低的土壤，一般对K+的吸附能力较弱，PBCK值较高的土壤对K+吸附能力较强，虽施用钾肥后不能明显提高土壤的供K+浓度，肥效不明显，但维持这种低浓度K+供应的能力强。说明单施化学氮、磷肥，以及不施化肥都可以提高土壤钾位缓冲容量。

图4 长期定位施肥黑土中PBCK值变化Fig.4 The changes of PBCK value in black soil under the long-term fertilization

不施用钾肥处理(N、P、NP)与施用钾肥(NK、PK、NPK)处理相比，黑土PBCK值较大，平均值为209.8 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2；施用钾肥处理的黑土PBCK值较小，平均值为151.8 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，比不施用钾肥的降低了58 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2。说明不施用钾肥可以提高土壤钾位缓冲容量能力。

不施用秸秆处理(PK、NPK)与施用秸秆处理(PK+S0.25、PK+S0.5、NPK+S0.25、NPK+S0.5)相比，黑土PBCK值较大，不同处理间变幅为143.1～148.7 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，平均为145.9 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2；施用秸秆处理的黑土PBCK值较小，不同处理间变幅为97.7～152.4 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，平均值为120.7 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，比不施用秸秆降低了25.2 (mg/kg)/(cmol/kg)1/2，降低幅度分别为-0.02～0.26倍，0.15～0.31倍。说明长期施用玉米秸秆的土壤PBCK值降低，并且降低了土壤的钾的缓冲能力。添加高量秸秆处理(S0.5、PK+S0.5、NPK+S0.5)与添加低量秸秆(S0.25、PK+S0.25、NPK+S0.25)相比，黑土PBCK值分别降低了0.15，0.27，0.20倍，说明长期施用高量秸秆并不会提高土壤钾的缓冲能力。

2.5 长期施肥下黑土Q/I曲线参数与理化性质相关性分析

长期定位施肥下黑土Q/I曲线参数与土壤理化性质相关分析结果表明(表4)，黑土-ΔK0值和AReK值与有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾存在着极显著的正相关(P<0.01)；与速效磷呈显著相关性(P<0.05)。而PBCK值与pH和速效磷存在着显著负相关(P<0.05)，而与有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾存在着极显著的负相关性(P<0.01)。说明土壤供应钾素的能力受土壤的理化性质影响。

表4 -ΔK0、AReK和PBCK与土壤性质的相关性分析Tab.4 The relations between-ΔK0，AReK，PBCK and the soil properties

注：*.具有显著相关性(P<0.05)；**.具有极显著的关系(P<0.01)。-.具有负相关性。

Note：*.Significant difference (P<0.05)；**.Much significant difference (P<0.01).-. Indicates a negative correlation.

3 结论与讨论

评价土壤供钾能力的强弱时，除考虑土壤中植物吸收的有效钾量、含钾黏土矿物的组成、施钾量的多少和土壤钾吸附与解吸的数量与速率以及它们之间的交互效应等的作用外，还需要综合考虑其他因素对土壤供钾能力的影响，如土壤有机质含量的差异、碱性阳离子(Ca2+、Mg2+、Na+)和pH变化等因素的影响。肥料长期定位试验具有常规试验不可比拟的优点，通过研究长期不同施肥对钾素容量与强度(Q/I)曲线的影响，探讨了长期不同施肥下土壤钾素形态变化特征、可以深入了解长期不同施肥下，土壤供钾能力复杂的化学行为，预测施入土壤钾素的变化和土壤供给植物钾素营养的本质特征。

本试验经过研究长期定位不同施肥后，土壤钾素的 Q/I 特性的变化，结果表明，各处理间的-ΔK0、AReK和 PBCK都有很大差异。产生这些差异的原因可以从控制O/I曲线关系性质的土壤组分变化得以解释。控制溶液中的K+量有2种类型的土壤钾亲和位。O/I图的曲线部分(下部分)代表特殊吸附或K+与其他阳离子的交换位，即高K+亲和位；O/I图的直线部分(上部分)代表K+-(Ca2++Mg2+)交换反应，即低K+亲和位。Q/I曲线线性部分钾的相对亲和力受有机质含量和pH的影响[19-20]。

本试验结果表明，土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾含量都与土壤的-ΔK0、AReK值呈极显著正相关，与 PBCK值呈极显著负相关；而土壤速效磷与-ΔK0、AReK值呈显著正相关，与PBCK值呈显著负相关。这表明长期定位施肥带来的土壤理化性质变化是土壤钾素 Q/I 特性发生改变的根本原因。土壤钾素的容量(-ΔK0)、强度(AReK)和钾位缓冲能力(PBCK)反映土壤吸附钾素的多少、解吸钾素的难易，进而表现为土壤供钾能力的强弱[21-23]。

总体而言，施用秸秆、钾肥的各处理都具有较高的-ΔK0值和AReK值，但PBCK值较低，化肥配施秸秆效果最明显。这说明合理施肥有利于土壤钾供应能力的提高。