成都平原农地利用方式转变下表层土壤速效钾变化特征

宋靓颖，冉敏，李呈吉，李文丹，董琴，李一丁，李启权

（四川农业大学资源学院，成都 611130）

土壤钾素是植物生长必需的三大营养元素之一，在作物生长、产量、质量和抗逆等生理过程中发挥着不可替代的作用[1-3]。植物可以直接从土壤中吸收利用的钾素形态为速效钾[4]，因此其含量通常被视为判断土壤肥力高低和植物生长状况的有效指标之一[5-6]。土壤速效钾主要来源于矿物分解和人为施肥，作物吸收和淋溶下渗作用是土壤速效钾减少的重要途径[7-8]。近几十年来，人口快速增长伴随着农业资源需求量上升[9]，农地利用强度不断加大，致使钾素供应亏缺[10]。研究表明，土壤钾素的消耗是导致现代集约化农业中作物产量停滞和养分效率低的主要原因之一[11]。因此，掌握区域速效钾含量变化特征及其影响因素对于指导农业生产、提升耕地土壤质量具有重要意义[6]。

长期以来，许多学者通过实验或统计分析研究了气候、地形、成土母质、土壤理化性质等自然特征及钾肥施用、秸秆还田等人为活动与土壤钾素循环转化的关系[12-15]。其中，农地利用类型被认为对土壤养分，尤其是表层（0～20 cm）土壤养分变化的影响较大[16-18]。不同农地利用方式下，灌溉、施肥等管理措施及种植制度均存在差异，影响土壤结构及理化性质[19-20]。近年来，从传统农田到果园或蔬菜农田的土地利用转换在我国广泛进行[21]，如由稻-麦/油轮作地转变为稻-蔬轮作地或蔬菜地以提高城镇蔬菜供给[22]。农地利用方式改变时，复杂的种植制度通过耕地利用强度及作物生长等影响土壤速效钾含量在时空上的变化[8]。此外，母岩中的含钾矿物是钾素的主要贮源[23]，其矿物分解是土壤钾素的基本来源，不同成土母质类型中的矿物成分差异较大，进而影响土壤中速效钾的初始含量[8]。同时，不同的成土母质发育形成的土壤质地存在差异，对土壤速效钾的吸附能力也有所不同[24]。揭示不同母质类型上农地利用方式转换对土壤速效钾含量变化的影响将有助于集约利用条件下农业精准施肥和作物生产管理。

成都平原土壤肥沃、水系发达，是我国西南最大的粮油生产基地，其土壤质量一直是各界关注的热点[25]。近年来快速的人口增长与经济发展导致该区域农地利用集约化程度不断增强，农地利用方式发生转变，土壤理化性质剧烈变化[26-27]。目前针对农地利用方式转变背景下该区域土壤性质变化的研究主要集中于土壤有机碳、土壤氮素和酸碱度等[22，28-30]。有研究分析了该区域土壤剖面速效钾分布特征及其主控因素[31]，但没有涉及不同母质形成的土壤其速效钾含量在时间上的变化规律。因此，目前该区域农地表层土壤速效钾含量变化特征及其与农地利用方式转变的关系尚不明确。本研究基于20世纪80年代的第二次土壤普查数据和2016—2017 年采集的土壤样点数据，对比2016—2017 年3 种典型用地方式（稻-麦/油轮作、稻-蔬轮作和园林地）与20 世纪80 年代的传统稻-麦/油轮作条件下土壤速效钾含量的差异及其在不同母质类型上的变化，旨在探明近40 年成都平原农地表层土壤速效钾含量的变化特征，揭示农地利用方式转变条件下该区域表层土壤速效钾含量的总体状况和变化规律，为高强度农业利用背景下进行合理的种植管理及提升土壤质量提供理论参考和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

成都平原位于四川盆地西部（30°23′～31°50′ N，103°27′～104°14′ E），面积约为3 173 km2，包括温江、郫县、新津、都江堰、大邑、邛崃、彭州和崇州等区县（图1）。该区域地势平坦，海拔高度447～732 m，呈由西北向东南倾斜的态势。该地区属亚热带湿润季风气候，年平均气温约16 ℃，年平均降水量约1 000 mm。第四纪更新世的古冲积物（Q3 更新统老冲积物）、第四纪全新世的灰色冲积物和灰棕色冲积物（Q4 灰色冲积物、Q4 灰棕色冲积物）是该研究区的主要成土母质。其中Q4灰色和灰棕色冲积物发育形成的土壤通透性较好，黏粒含量和容重相对较低[32]，而Q3 老冲积物发育形成的土壤风化程度较深，黏粒含量高，质地黏重。研究区主要土壤类型为水稻土，占土地面积的95%以上[28]。近20 年来，快速的城市化导致农地利用方式和相关管理实践发生了巨大变化，研究区内大量传统稻-麦/油轮作地转变为稻-蔬轮作地和园林地（种植园林植物的耕地）以满足经济及观赏需求。2016 年，成都平原中部园林面积达到108.90 km2，用于种植桂花、银杏等观赏树木[29]。此外，据《四川统计年鉴》的农业统计数据显示，2017年成都市稻-蔬轮作土地面积增加到1 596.66 km2，用于种植大蒜和叶菜（白菜、卷心菜、莴苣等）[29]。农地利用方式的转变可能对土壤性质及养分含量的变化产生重大影响。

1.2 样品采集与处理

20世纪80年代的土壤速效钾含量数据来源于第二次土壤普查时获得的典型土壤剖面资料，共187 个表层土壤（0～20 cm）采样点。2016—2017 年在上述样点分布位置或附近结合3种成土母质及3种典型农地利用方式，在样点具有均匀性和代表性原则上，以3 km 为间隔布点，采用混合取样的方法采集表层土壤（0～20 cm）样品180 个。样品采集过程中，使用手持GPS 定位读取采样点坐标，并调查各样点成土母质、土地利用方式、土壤类型和种植制度等地表环境信息。20 世纪80 年代、2016—2017 两个时期土壤样品均经风干研磨、过1 mm 筛后，采用NH4OAc 浸提-火焰光度法[33]测定土壤速效钾含量。测定过程中进行3次重复，并用国家标准物质进行数据质量控制。

1.3 数据处理

为保证分析结果的可靠性，用“平均值±3 倍标准差法”剔除异常值，两个时期最终样点数分别为184个和176 个（2016—2017 年稻-麦/油轮作、稻-蔬轮作和园林地土壤样点数各为82、41 个和53 个）。在Excel 2019 软件中进行常规统计分析，运用IBM Statistics SPSS 25 软件进行正态检验和单因素方差分析（ANOVA），以揭示不同时期表层土壤速效钾含量的统计特征，以及不同时期不同农地利用方式和不同母质类型间表层土壤速效钾含量在0.05 水平上的差异显著性。使用Origin 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 农地表层土壤速效钾含量总体变化特征

统计结果显示，近40 年来研究区农地表层土壤速效钾含量发生显著变化（表1）。20 世纪80 年代及2016—2017 年研究区表层土壤速效钾含量均呈偏态分布，经对数变换后符合正态分布。20 世纪80 年代农地表层土壤速效钾含量的平均值为44.44 mg·kg-1，2016—2017 年农地表层土壤速效钾含量的平均值为57.24 mg·kg-1，增幅为28.80%（P<0.05）。根据全国第二次土壤普查土壤养分分级标准可知，20 世纪80 年代以及2016—2017 年研究区表层土壤平均速效钾含量均属于较缺乏水平。从变异系数来看，20 世纪80年代至2016—2017 年研究区表层土壤速效钾变异系数从45.82%上升至79.24%，提高了33.42 个百分点，均属中等变异。综上，20 世纪80 年代至2016—2017年研究区表层土壤速效钾含量显著上升，且空间异质性变大。

表1 两个时期研究区表层土壤速效钾含量数据统计特征Table 1 Statistical characteristics of available K contents in topsoil in the studied area in two periods

2.2 不同农地利用方式下表层土壤速效钾含量变化特征

方差分析结果（图2）表明，近40年不同农地利用方式下表层土壤速效钾含量具有显著差异。与20 世纪80 年代传统稻-麦/油轮作地相比，2016—2017 年稻-蔬轮作地表层土壤速效钾含量增加至90.58 mg·kg-1，增幅为103.83%（P<0.05）；稻-麦/油轮作地表层土壤速效钾含量增加至52.28 mg·kg-1，增幅为17.64%，但差异不显著（P>0.05）；而园林地表层土壤速效钾则减少至39.13 mg·kg-1，降幅为11.95%（P>0.05）。2016—2017 年稻-蔬轮作地表层土壤速效钾含量显著高于其他两种用地方式，分别是园林用地和稻-麦/油轮作地的2.3 倍和1.7 倍（P<0.05）；稻-麦/油轮作地表层土壤速效钾含量显著高于园林用地，是园林用地的1.3 倍（P<0.05）。综上，农地利用方式转变对表层土壤速效钾累积量产生了显著影响，相较于传统稻-麦/油轮作地，转变为稻-蔬轮作地显著增加了表层土壤速效钾累积量，园林用地则在一定程度上导致研究区表层土壤速效钾含量下降。

图2 两个时期不同农地利用方式表层土壤速效钾含量Figure 2 Available K contents of topsoil in different agricultural land uses in two periods

2.3 不同母质类型下表层土壤速效钾含量变化特征

母质类型对研究区表层土壤速效钾含量变化有显著影响（P<0.05），不同母质发育的土壤速效钾含量增幅差异较大。其中，灰棕冲积物发育的土壤速效钾含量显著上升（图3），与20 世纪80 年代相比，2016—2017 年速效钾含量由44.71 mg·kg-1大幅上升至81.41 mg·kg-1，增幅为82.08%（P<0.05）；其次是更新统老冲积物发育的土壤，速效钾含量由51.53 mg·kg-1上升至64.66 mg·kg-1，增幅为25.48%，但差异不显著（P>0.05）；增幅最小的是灰色冲积物发育的土壤，速效钾含量由41.66 mg·kg-1增加至45.75 mg·kg-1，增幅为9.82%（P>0.05）。综上，表层土壤速效钾累积受到了成土母质类型的影响。

图3 两个时期不同母质类型表层土壤速效钾含量Figure 3 Available K contents of topsoil in different parent material types in two periods

2.4 不同母质类型各农地利用方式表层土壤速效钾含量变化特征

各农地利用方式下，不同成土母质发育的土壤表层速效钾含量变化幅度存在差异（图4）。3 种用地方式中，表层土壤速效钾含量最高增幅均发生于灰棕冲积物发育的土壤上。灰棕冲积物发育的土壤上，20世纪80 年代传统稻-麦/油轮作地表层土壤速效钾含量为44.71 mg·kg-1，2016—2017 年稻-蔬轮作地、稻-麦/油轮作地和园林地表层土壤速效钾含量分别增加至105.50、68.04、53.87 mg·kg-1，相应增幅为135.97%（P<0.05）、52.18%（P<0.05）和20.49%（P>0.05）。更新统老冲积物发育的土壤上，2016—2017 年稻-蔬轮作地、稻-麦/油轮作地和园林地表层土壤速效钾含量由20 世纪80 年代的51.53 mg·kg-1增加至111.32、57.43 mg·kg-1和54.05 mg·kg-1，分别增加了116.03%（P<0.05）、11.45%（P>0.05）和4.89%（P>0.05）。灰色冲积物发育的土壤上，2016—2017 年稻-蔬轮作地表层土壤速效钾含量由20世纪80年代的41.66 mg·kg-1上升至74.70 mg·kg-1，增幅为79.31%（P<0.05），而2016—2017 年园林地表层土壤速效钾含量则下降至34.78 mg·kg-1，降幅为16.51%（P>0.05）。与20 世纪80 年代稻-麦/油轮作相比，2016—2017 年稻-蔬轮作下灰棕冲积物、更新统老冲积物和灰色冲积物发育土壤的速效钾含量分别增加了1.36、1.16 倍和79.31%（P<0.05）；而园林地灰色冲积物发育土壤的速效钾含量降低（降幅为16.51%，P>0.05），灰棕冲积物和更新统老冲积物发育土壤的速效钾含量略有上升（增幅分别为20.49%和4.89%，P>0.05）。综上，农地利用方式转换对表层土壤速效钾含量变化的影响受控于土壤成土母质。

图4 不同母质和农地利用方式表层土壤速效钾含量Figure 4 Available K contents of topsoil in different parent materials and agricultural land uses

3 讨论

3.1 研究区表层土壤速效钾含量变化的影响因素

近40 年来成都平原地区农地表层土壤速效钾含量显著增加，增幅为28.80%（P<0.05）。已有研究表明，1980 年以来全国尺度农地土壤速效钾含量明显提升[34-35]，本研究区表层土壤速效钾含量变化与全国趋势一致。研究区表层土壤速效钾含量显著增加主要与施肥量、秸秆还田和气温等因素有关。首先，高频率、过量的钾肥投入是研究区农地表层土壤速效钾含量变化的主要原因[36]，钾肥施用不仅能直接补充土壤速效钾，还能促进缓效钾向速效钾的转化[37]。成都平原地区快速的人口增长和城镇化建设导致农业产量和作物质量需求不断增大，使得农业生产活动中钾肥的投入量大幅提高。根据《四川统计年鉴》（1989—2017）的统计数据，1989—2017 年成都市耕地钾肥总投入量由0.140万t增加至1.970万t，长期较高的钾施用量致使土壤速效钾逐渐积累。其次，农作物秸秆中含有大量的水溶性钾，其施入土壤分解后会显著提高土壤速效钾的含量[38]。同时，农作物秸秆在分解过程中可以吸收大量的水溶液，通过物理或化学吸附作用直接保存钾离子[39]。因此，秸秆常被作为钾肥的重要替代资源，用以保持土壤肥力的稳定性[40-41]。根据《四川省秸秆综合利用规划（2016—2020 年）》统计，近20 年通过大力推进秸秆综合利用，四川省农地秸秆还田量逐年上升，2017 年成都平原秸秆还田量达479.09 万t，在一定程度上提高了钾素累积量。此外，有研究表明，在0～40 ℃范围内，年均气温和土壤温度的升高可促进土壤缓效钾的释放，提高土壤的供钾能力[4，42-44]。20 世纪80 年代至2017 年，成都地区年均气温呈上升趋势[45]，温度的升高除了能使土壤钾素含量上升外，还能使土壤水分黏滞度降低，粒子动能增加，钾的扩散系数增大。在上述因素的共同驱动下，成都平原地区农地表层土壤速效钾含量在近40 年内显著增加。

3.2 农地利用方式转变对表层土壤速效钾累积的影响

农地利用方式转变改变了研究区表层土壤速效钾的累积规律。传统稻-麦/油轮作地转变为稻-蔬轮作地使得研究区表层土壤速效钾含量显著升高，园林用地则在一定程度上导致了土壤速效钾的消耗，这与此前多数研究结果一致[31，34]。造成这一结果的主要原因是蔬菜收益高且一年多熟，而钾是品质元素，在经济效益的驱动下，农户对稻-蔬轮作地的利用强度和钾肥投入量远高于其他用地类型[46]。有研究表明，成都平原稻-蔬轮作地种植蔬菜时，氮、磷、钾肥的施用量均为300 kg·hm-2，是稻-麦/油轮作地施用氮、磷、钾肥的2、4倍和3倍[29]，这使得研究区稻-蔬轮作地土壤表层的钾素持续累积。而研究区园林地大多在2005 年以后由传统稻-麦/油轮作地转变而来，相较于传统稻-麦/油轮作，转变后的园林几乎无外源肥料投入[29]，表层土壤中的速效钾主要来源于用地类型转变前投入的钾肥。值得注意的是，钾素移动性高、易流失，造成钾养分亏缺或耗竭[47]，而园林树木根系生长在一定程度上提高了土体通透性[30]，由此加剧了研究区园林地表层土壤速效钾的消耗。由于传统稻-麦/油轮作地种植历史长，施肥补充土壤钾素与作物吸收消耗钾素相互作用导致表层土壤速效钾含量并无较大变化，这与浙江省耕地土壤速效钾的变化情况相同[48]。

农地利用方式转变对研究区表层土壤速效钾累积规律的影响随母质类型的不同而存在明显差异。成土母质的矿物分解是速效钾的基本来源[10，49-50]，此外，不同的成土母质发育形成的土壤质地存在差异，对钾素的吸附能力也有所不同[24]。研究区灰棕冲积物包括紫色冲积物，含数量较多的云母和水云母，全土含钾矿物云母和钾长石的含量为40.80 g·kg-1[23，51]，由此发育的土壤钾素初始值较高，且灰棕冲积物主要分布在彭州、大邑等区县，该地区是成都平原主要的现代农业蔬菜生产基地，近40 年来土壤耕作强度大，农业投入水平高[52]，因此由灰棕冲积物发育形成的土壤表层速效钾含量经农地利用方式转变后增幅最高。更新统老冲积物发育的土壤颗粒组成较细，质地黏重[28]，对钾素的吸附能力较强，能够更好地固定施入土壤的钾素，减少下渗损失。因此，经农地利用方式转变后表层土壤速效钾含量均上升。灰色冲积物发育形成的土壤颗粒组成相对较粗，养分易随水分向下层土壤迁移[53]。此外有研究表明，成都平原由灰色冲积物形成的土壤在20 世纪80 年代至21 世纪10 年代经农地利用方式转变后，表层土壤明显酸化[22]，在酸性条件下土壤钾的选择结合位点易被铝或氢氧化铝及其聚合物占据，土壤固持钾的能力降低，钾素易淋溶流失[54]。因此，灰色冲积物发育形成的土壤由传统稻-麦/油轮作转变为稻-蔬轮作后，表层土壤速效钾含量增幅最低，且稻-麦/油轮作地和园林地的表层土壤速效钾含量下降。综上，农地利用方式转变导致不同母质发育形成的土壤表层速效钾含量发生明显改变，这种变化也体现了不同农地利用方式下土壤环境的演化特点，有助于为高强度农业利用背景下合理的植被种植和人为施肥活动提供科学依据。

4 结论

（1）20世纪80年代以来，成都平原地区农地表层土壤速效钾累积明显，至2017 年速效钾含量增加了28.80%（P<0.05）。农地利用方式转变对表层土壤速效钾累积产生了明显的影响。与传统稻-麦/油轮作相比，稻-蔬轮作使得表层土壤速效钾累积量显著升高，园林地则在一定程度上导致表层土壤速效钾的消耗，传统稻-麦/油轮作地由于种植历史长，钾素补充与消耗相互作用导致表层土壤速效钾含量上升不显著。

（2）不同农地利用方式转变下表层土壤速效钾累积量同时还受成土母质类型的影响。与20世纪80年代传统稻-麦/油轮作相比，2016—2017年灰棕冲积物发育的土壤在不同农地利用方式下，速效钾含量增幅均远高于更新统老冲积物和灰色冲积物发育土壤；由更新统老冲积物发育的土壤在不同农地利用方下表层土壤速效钾含量均上升，但仅稻-蔬轮作地增幅显著；而由灰色冲积物发育形成的土壤在园林地利用方式下表层土壤速效钾含量下降。