王振宙,王改蘭,張亮,聶斌,段建南,楊艷菊,熊靜

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410128)

栗褐土是褐土向栗鈣土過(guò)度的一個(gè)土類,主要分布于晉西北黃土丘陵區(qū),發(fā)育于黃土母質(zhì),含有豐富的含鉀礦物,全鉀含量比較高,平均在20 g·kg-1左右。然而,土壤中速效鉀的含量?jī)H占全鉀的0.1%～2.0%,緩效鉀含量通常也只占全鉀的2%～8%,90%～98%的土壤鉀是以作物難以利用的礦物鉀存在[1],有效性低。而且當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期以來(lái)施肥以氮肥為主,配施少量的磷肥或有機(jī)肥,幾乎不施鉀肥,由于受經(jīng)濟(jì)和地理等條件所限,再加上我國(guó)鉀肥資源匱乏,今后施用鉀肥也很有限。因此,提高土壤鉀的有效性對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展十分重要。鉀是植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一,有“品質(zhì)元素”之稱。土壤供鉀能力直接影響著植物的鉀營(yíng)養(yǎng)狀況,進(jìn)而影響植物的產(chǎn)量與品質(zhì)。土壤向植物提供養(yǎng)分的能力并不直接決定于土壤中養(yǎng)分的貯量,而是決定于養(yǎng)分有效性的高低。土壤鉀的存在形態(tài)有礦物態(tài)鉀、非交換性鉀、交換性鉀和水溶性鉀,各種形態(tài)之間存在動(dòng)態(tài)平衡,其中,交換性鉀和水溶性鉀,容易被植物吸收利用,有效性高,非交換性鉀在水溶性鉀和交換性鉀被作物吸收或淋失濃度降低時(shí),可逐漸補(bǔ)充交換性鉀,提高鉀的有效性。

大量研究表明,長(zhǎng)期施肥不僅影響土壤養(yǎng)分含量[2,3],對(duì)土壤腐殖質(zhì)含量和組成也有顯著影響[4],張付申報(bào)道了長(zhǎng)期施肥條件下黃綿土氮、磷養(yǎng)分與土壤腐殖質(zhì)組分間的關(guān)系[5]。但有關(guān)長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤鉀有效性的影響以及土壤鉀有效性與土壤腐殖質(zhì)組分間的關(guān)系報(bào)道較少。為此,本研究利用栗褐土上20 a的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)就此問(wèn)題開(kāi)展探討,為當(dāng)?shù)睾侠硎┓?提高土壤鉀的有效性,改善植物鉀營(yíng)養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤概況

試驗(yàn)于1988年布置在山西省河曲縣磚窯溝流域的沙坪村窯家嘴梁頂平地上,供試土壤按山西省第二次土壤普查分類為輕壤黃土質(zhì)淡栗褐土(土種),以中國(guó)土壤系統(tǒng)分類為黃土正常新成土(土類),1988年播種前測(cè)得試驗(yàn)地0～20 cm土壤基本理化性質(zhì):有機(jī)質(zhì)含量 5.64 g·kg-1,全氮0.445 g·kg-1,全磷為 1.23 g·kg-1,堿解氮13.95 mg·kg-1,速效磷 2.85 mg·kg-1,速效鉀87.0 mg·kg-1,陽(yáng)離子代換量6.97 cmol·kg-1,pH 8.1,容重 1.2 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理:①對(duì)照(CK,不施肥);②單施氮肥(N);③氮磷肥混施(NP);④單施低量有機(jī)肥(M 1);⑤低量有機(jī)肥與氮肥混施(M 1N);⑥低量有機(jī)肥與氮磷肥混施(M 1NP);⑦高量有機(jī)肥與氮肥混施(M2 N);⑧高量有機(jī)肥與氮磷肥混施(M 2NP)。各處理施肥量見(jiàn)表 1。試驗(yàn)設(shè) 3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積24 m2,每年試驗(yàn)小區(qū)的處理不變。氮肥用含N 46%的尿素,磷肥用含P2O5 14%的過(guò)磷酸鈣,有機(jī)肥施用當(dāng)?shù)厝Ψ?其中有機(jī)質(zhì)含量平均為16.8%,全氮為0.6%,全磷(P2 O5%)為 0.3%,全鉀(K2 O%)為1.3%。種植作物為糜子(Panicum miliaceum)和馬鈴薯(Solanum tuberosum),兩種作物每年換茬輪作,耕作管理措施與大田相同。

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

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

試驗(yàn)于2008年作物播種前采集耕層(0～20 cm)土壤樣品,風(fēng)干過(guò)篩,測(cè)定全鉀、緩效鉀、速效鉀以及腐殖質(zhì)、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量。其中,土壤全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定,速效鉀含量采用1 mol·L-1中性NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定,緩效鉀含量采用1 mol·L-1熱HNO3浸提-火焰光度法測(cè)定,土壤腐殖質(zhì)組分以磷酸焦鈉堿性溶液浸提-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤鉀有效性的影響

土壤速效鉀包括水溶性鉀和交換性鉀,是衡量土壤鉀有效性的主要指標(biāo),土壤緩效鉀即非交換性鉀,是土壤速效鉀的儲(chǔ)備,常用來(lái)衡量土壤的潛在供鉀能力。栗褐土經(jīng)過(guò)20 a的施肥,土壤速效鉀和緩效鉀含量如圖1所示。由圖1可以看出,無(wú)論是速效鉀還是緩效鉀含量處理間差異十分明顯,而且二者表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。與對(duì)照相比,除單施氮肥(N)和氮磷肥混施(NP)的處理無(wú)顯著差異外,5個(gè)施有機(jī)肥的處理(包括單施和配施)均有大幅度提高,其中施高量有機(jī)肥的2個(gè)處理(M2 N、M2NP)高于施低量有機(jī)肥的3個(gè)處理(M 、M 1N 、M1NP)。M 、M1N 、M1NP 、M2N 、M2NP 5個(gè)處理的速效鉀含量達(dá)161.2～246.3 mg·kg-1,依次較對(duì)照增加 123.9%、100.2%、91.8%、192.9%和199.4%,緩效鉀含量為 836.9～937.67 mg·kg-1,依次較對(duì)照增加了17.2%、17.3%、14.0%、25.7%和27.8%。速效鉀和緩效鉀之和依次較對(duì)照增加 28.18%、25.78%、22.02%、42.89%和45.40%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,上述5個(gè)處理的速效鉀和緩效鉀含量與對(duì)照間差異極顯著,M2N 、M2NP與M 、M1 N 、M 1NP之間的速效鉀差異極顯著,緩效鉀差異顯著,而M 、M1N 、M1NP之間的速效鉀和緩效鉀差異不顯著。上述結(jié)果表明,長(zhǎng)期單獨(dú)施用氮肥或氮肥與磷肥配施,對(duì)栗褐土鉀的有效性無(wú)明顯影響,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可有效提高栗褐土鉀的有效性。對(duì)施化學(xué)鉀肥條件差的黃土丘陵地區(qū)來(lái)說(shuō)堅(jiān)持施用有機(jī)肥無(wú)疑是改善土壤供鉀能力的有效途徑。

圖1 不同處理土壤速效鉀和緩效鉀含量Fig.1 Contents of readily and slowly available soil potassium in the treatments

表2 不同處理土壤有效性鉀的比例Table2 Ratios of available soil potassium in the treatments

由表2還可以看出,栗褐土在長(zhǎng)期不施肥的情況下,速效鉀占全鉀的比例只有0.44%,緩效鉀占全鉀的比例為3.83%,酸溶性鉀(速效鉀和緩效鉀之和)占全鉀的比例為4.27%。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥速效鉀占全鉀的比例明顯增加,施低量有機(jī)肥的3個(gè)處理是對(duì)照的2倍左右,施高量有機(jī)肥的2個(gè)處理接近于對(duì)照的3倍。緩效鉀占全鉀的比例增加幅度較小,5個(gè)施有機(jī)肥的處理較對(duì)照增加了13.6%～23.5%,酸溶性鉀占全鉀的比例提高到了5%～6%之間。由于速效鉀增加的幅度遠(yuǎn)高于緩效鉀增加的幅度,因而,施有機(jī)肥的5個(gè)處理土壤速效鉀占緩效鉀的比例增加得也非常明顯,由對(duì)照的11.5%增加到了19.3%～26.8%。這進(jìn)一步表明了有機(jī)肥對(duì)提高栗褐土鉀有效性的積極作用。

2.2 土壤鉀有效性與土壤腐殖質(zhì)的相關(guān)性

土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分,一般分為胡敏酸、富里酸和胡敏素3個(gè)組分,又將富里酸和胡敏酸統(tǒng)稱腐殖酸。連續(xù)施肥20 a后栗褐土腐殖質(zhì)總量和各組分的含量見(jiàn)表3,土壤速效鉀和緩效鉀含量與土壤腐殖質(zhì)總量及其組分間的相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表4。表4顯示,土壤速效鉀和緩效鉀與土壤腐殖質(zhì)總量及其組分間均存在線性正相關(guān),相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了極顯著水平。但相關(guān)系數(shù)有差異,速效鉀與緩效鉀相比,與土壤腐殖質(zhì)各組分的關(guān)系更密切,相關(guān)系數(shù)均在0.9084以上,達(dá)極顯著水平,緩效鉀的相關(guān)系數(shù)在0.8729以上,達(dá)極顯著水平;從速效鉀和緩效鉀與腐殖質(zhì)各組分的相關(guān)系數(shù)看,二者表現(xiàn)出相似的規(guī)律,總體上,與腐殖質(zhì)總量和腐殖酸的相關(guān)程度較高,其次為胡敏素,與胡敏酸和富里酸的相關(guān)程度較低。胡敏素與速效鉀和緩效鉀的相關(guān)程度高于胡敏酸和富里酸主要是存在量的優(yōu)勢(shì),栗褐土耕層腐殖質(zhì)中,胡敏素占腐殖質(zhì)總量的74.3%～78.0%[7],腐殖酸和腐殖質(zhì)總量也具此理。腐殖質(zhì)含量與土壤速效鉀和緩效鉀的同步增長(zhǎng)更有利于土壤有效鉀的保持和作物利用。

表3 土壤腐殖質(zhì)總量和各組分的含量/g·kg-1Table 3 Contents of the total soil humus and the humus fractions in/g·kg-1

表4 土壤腐殖質(zhì)組分與速效鉀、緩效鉀的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between soil humus f ractions and readily and slowly available K

3 結(jié)論與討論

(1)栗褐土長(zhǎng)期單施氮肥或氮磷配施與對(duì)照相比對(duì)土壤鉀的有效性無(wú)明顯影響。

(2)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可有效提高栗褐土鉀的有效性,連續(xù) 20 a每年施用 22 500 kg·hm-2的圈糞,土壤速效鉀含量較對(duì)照增加123.9%,緩效鉀含量增加17.2%,速效鉀與緩效鉀的比例由對(duì)照的11.5%提高到21.9%,速效鉀和緩效鉀合占全鉀的比例由對(duì)照的4.27%提高到5.31%,增加有機(jī)肥施用量效果更佳,有機(jī)肥配合施用氮肥和氮磷肥對(duì)其效果無(wú)明顯影響。

(3)腐殖質(zhì)總量及其組分與土壤速效鉀和緩效鉀間均有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。速效鉀與腐殖質(zhì)總量及其組分間的相關(guān)系數(shù)均在0.9084以上,緩效鉀的相關(guān)系數(shù)在0.8729以上。腐殖質(zhì)含量與土壤速效鉀和緩效鉀的同步增長(zhǎng)更有利于土壤有效性鉀的保持和作物利用。

以往的研究表明,在本試驗(yàn)條件下,與不施肥相比,單獨(dú)施用氮肥和氮肥與磷肥混合施用作物產(chǎn)量顯著提高[8],因而由作物帶走的鉀應(yīng)明顯多于對(duì)照,但在本研究中這3個(gè)處理間土壤速效鉀和緩效鉀并無(wú)明顯差異,這可能與作物對(duì)礦物鉀的活化作用有關(guān)。一方面,作物對(duì)鉀的吸收會(huì)導(dǎo)致土壤溶液中鉀離子濃度的下降,打破土壤中各種形態(tài)鉀之間的平衡,促進(jìn)礦物鉀向水溶性鉀的轉(zhuǎn)化,另一方面,作物根系分泌物的有機(jī)酸如草酸、檸檬酸、酒石酸、蘋(píng)果酸等可促進(jìn)礦物鉀釋放[9,10]。

有機(jī)肥能提高土壤鉀的有效性,一方面是由于有機(jī)肥本身所含的鉀為速效性的,長(zhǎng)期施用可補(bǔ)充土壤速效鉀;另一方面可能與長(zhǎng)期施用有機(jī)肥提高了土壤腐殖質(zhì)含量,改善了腐殖質(zhì)品質(zhì)有關(guān)。因?yàn)?腐殖質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ),與土壤養(yǎng)分的保持和釋放密切相關(guān)。有大量研究表明,有機(jī)酸可通過(guò)酸溶作用和絡(luò)合作用促進(jìn)礦物鉀的釋放[11],胡敏酸和富里酸能溶解不抗分解的鉀長(zhǎng)石[12],富里酸能引起云母礦物中鉀的釋放[13]等等。同時(shí)胡敏酸含有大量的功能團(tuán),如羧基、酚羥基和醇羥基等,這些功能團(tuán)可與土壤中的金屬離子、粘土礦物、水合氧化物發(fā)生相互作用,可以增加土壤吸收性能和保持養(yǎng)分、水分的能力,富里酸官能團(tuán)中酚羥基和甲氧基的數(shù)目比較多,對(duì)保持土壤養(yǎng)分也有一定作用。本研究顯示,不同處理土壤腐殖質(zhì)總量及其組分與土壤速效鉀和緩效鉀間有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系,由此可以推斷,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤鉀有效性的提高與土壤腐殖質(zhì)含量的增加有一定的關(guān)系。因此,在缺少鉀肥的黃土丘陵區(qū),應(yīng)積極開(kāi)發(fā)有機(jī)肥資源,堅(jiān)持施用有機(jī)肥,以維持和提高栗褐土的供鉀能力。

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