長期氮磷化肥和有機肥配施對褐土鉀素平衡及不同形態的影響

路慧英，周懷平，楊振興，關春林，解文艷

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030006）

鉀是作物生長所需的主要營養元素之一，土壤是植物鉀素的重要來源，鉀在土壤中的形態、含量、分布不僅與成土母質、成土過程有關，而且還易受肥料施用、耕作制度等人為因素的影響，而且土壤中鉀素的化學行為和作物有效性極易受土壤環境和外界條件的影響[1-2]。對不同土壤的鉀素狀況、土壤形態和施用的有效性和方法的研究引起了國內外學者的廣泛重視[3-9]。金繼運[10]將土壤中的鉀按其存在形態分為水溶性鉀、交換性鉀、非交換性鉀和礦物鉀，而交換性鉀又可進一步分為非特殊吸附鉀和特殊吸附鉀。

我國北方土壤全鉀含量較南方土壤豐富[11]，但隨著氮磷化肥的大量施用，作物產量的不斷提高，導致土壤鉀素不斷耗竭，使我國北方地區陸續出現一些土壤缺鉀和作物施鉀增產的報道[7]。高祥照等[12]根據全國耕地地力監測點多年的監測結果，分析了我國耕地土壤養分變化與肥料投入狀況，結果表明，常規施肥中氮、磷盈余，鉀處于虧缺狀況，土壤速效鉀呈下降趨勢。劉蝴蝶等[13]通過對山西耕作土壤肥力的統計發現，鉀的施用量小于或等于作物的吸收量，作物產量大幅度提高；氮、磷用量增加的情況下，施鉀量相對較少會造成作物對土壤鉀素吸收量的增加；在鉀素補充不足的情況下，會造成土壤鉀素虧損，使鉀素含量下降。譚德水等[14]連續13 a施用鉀肥和秸稈還田試驗表明，施鉀和秸稈還田可以提高土壤鉀素的含量。王宏庭等[15]對山西石灰性褐土進行定位試驗，結果表明，長期施用鉀肥和秸稈還田可顯著增加冬小麥的經濟產量、生物產量和吸鉀量。還有一些研究[16-19]主要集中在施鉀和秸稈還田對土壤鉀素形態及其平衡的影響方面，但對褐土區氮磷化肥與有機肥配施研究的較少。

本研究以山西省壽陽縣宗艾鎮長期定位試驗為基礎，探討了褐土區旱作農業（春播玉米）長期氮磷化肥與有機肥配合施用對土壤鉀素平衡及不同形態鉀素含量比例的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

長期定位施肥試驗設在山西省壽陽縣宗艾村的北坪旱塬上。試驗區海拔1 130 m，多年平均氣溫7.6℃，≥10℃積溫3 400℃，無霜期135～140 d，年均降雨量501.1 mm（年際間變率大），干燥度1.3，屬半濕潤偏旱區。氮磷化肥與有機肥配施定位試驗始于1992年春，到2011年歷時20 a。試驗開始時耕層土壤基本狀況為：pH值8.3，有機質23.80 g/kg，全氮1.05 g/kg，全磷0.79 g/kg，堿解氮106.4 mg/kg，有效磷4.84 mg/kg，速效鉀100 mg/kg，緩效鉀1 048 mg/kg，全鉀17.95 g/kg。試驗采用氮、磷、有機肥3因素4水平正交設計，另設對照和高量有機肥區，共18個處理，小區面積66.7 m2，隨機排列，無重復。氮肥、磷肥、有機肥以不同水平施用。本研究選用其中的9個處理，具體配施設計如表1所示。

表1 長期定位有機無機肥配施試驗設計 kg/hm2

1.2 供試材料

供試氮肥為尿素（含N 46%）；磷肥為普通過磷酸鈣（含磷14%）；有機肥為風干牛糞，有機質90.5～127.3 g/kg，全氮3.93～4.97 g/kg，全磷（P2O5）1.37～1.46 g/kg，全鉀14.1～34.3 g/kg。

供試作物為春玉米，一年一作，管理栽培措施同當地大田生產。秋季結合耕翻將肥料一次性施入，春季播種。1992—1996年供試品種為煙單14號，1997—2003年供試品種為晉單34號，2004—2011年供試品種為強盛31號，密度為4.50萬～5.25萬株/hm2。

2011年玉米收獲后取0～20 cm土層土樣，風干后過1 mm篩，用于土壤各分級形態鉀的測定；風干土過0.25 mm篩用于土壤全鉀的測定。每年測產后取植株樣用于鉀素測定。

1.3 測定方法

土壤有機質用重鉻酸鉀容量法測定；全氮用凱氏定氮法測定；堿解氮用堿解擴散法測定；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3-鉬銻抗比色法測定；植株鉀含量用H2SO4＋H2O2消煮，火焰光度計測定。

水溶性鉀按水土比10∶1用蒸餾水提取[20]；非特殊吸附鉀用0.5 mol/L中性醋酸鎂溶液提取，為醋酸鎂浸提鉀與水溶性鉀之差；特殊吸附鉀用1 mol/L中性醋酸銨溶液提取，為醋酸銨浸提鉀與醋酸鎂浸提鉀之差；非交換性鉀用1 mol/L硝酸溶液煮沸提取，為硝酸消煮鉀與醋酸銨浸提鉀之差；全鉀用1∶8的氫氧化鈉熔融；礦物態鉀為全鉀與硝酸消煮鉀之差。以上提取出來的鉀均用火焰光度計測定[21]。

土壤鉀素表觀盈虧量（kg/hm2）＝鉀素投入總量－作物帶出土壤鉀素總量。

2 結果與分析

2.1 長期氮磷化肥配施有機肥對褐土土壤鉀素平衡和產量的影響

單施氮磷化肥和與有機肥配施處理均較對照增加了作物產量和作物地上部吸鉀量（表2）。單施氮磷化肥處理，隨著氮磷化肥施用量的增加，玉米地上部吸鉀量和作物產量都呈現先增加后降低的趨勢，N3P3M0處理達到峰值，而作物產量在N2P2M0處理達到峰值。氮磷化肥配施有機肥處理較其他處理地上部吸鉀量和作物產量都明顯提高，且隨著有機肥施用量的增加，地上部吸鉀量和作物產量都呈上升趨勢。除單施高量有機肥N0P0M6處理外，其他處理土壤鉀素均出現虧損，但隨著有機肥施用量的增加，鉀素虧損明顯減小?？梢?，氮磷化肥配施有機肥可以補充作物對土壤鉀素的吸收，減少土壤鉀素的消耗，提高作物產量。

表2 不同氮磷化肥配施有機肥對土壤鉀素平衡的影響（1992—2011年）kg/hm2

2.2 長期氮磷化肥配施有機肥對褐土耕層土壤不同形態鉀素含量的影響

依照金繼運[10]對土壤存在形態的分類，將土壤鉀素形態分為水溶性鉀、非特殊吸附鉀、特殊吸附鉀、非交換性鉀和礦物鉀。水溶性鉀、非特殊吸附鉀和特殊吸附鉀之和為速效鉀，非交換性鉀即緩效鉀，速效鉀、緩效鉀和礦物鉀之和為全鉀。

2.2.1 長期氮磷化肥配施有機肥對耕層土壤水溶性鉀含量的影響 水溶性鉀是土壤溶液中的離子態鉀，可以被植物直接吸收利用，但它占土壤全鉀的比例最低[22]。

表3 不同氮磷化肥配施有機肥對耕層土壤不同形態鉀素含量的影響

從表3可以看出，單施氮磷化肥處理，隨著氮磷化肥施用量的增加，水溶性鉀含量呈先增加后減少的趨勢；施低量氮磷化肥N1P1M0處理和農民習慣施肥N2P2M0處理較對照水溶性鉀含量均有所增加；較高氮磷施肥N3P3M0和N4P4M0處理水溶性鉀含量均低于對照處理。說明適量施用氮磷化肥可以增加土壤水溶性鉀含量，但過量施用氮磷肥則會降低其含量，其變化規律與作物產量變化規律基本一致。在氮磷化肥基礎上配施有機肥處理，水溶性鉀含量較對照明顯增加，且隨著有機肥施用量的增加而增加。說明有機肥的施用，可以補充土壤有效性鉀素的含量，進而提高水溶性鉀含量，促進作物生長對鉀素的吸收。較高量單施有機肥處理土壤水溶性鉀含量明顯提高?？偟膩砜?，合理施用氮磷化肥或與有機肥配施，可以提高土壤水溶性鉀含量，特別是較高量有機肥的施用，可以保證作物對水溶性鉀含量的吸收。

2.2.2 長期氮磷化肥配施有機肥對耕層土壤其他鉀素形態的影響 土壤非特殊吸附鉀是指土壤膠體表面吸附的能被鈣、鎂等離子所交換的鉀[10]。對照非特殊吸附鉀含量最低（表3），單施氮磷化肥和與有機肥配施處理非特殊吸附鉀含量均比對照處理有不同程度提高，提高幅度在15.4%～710.7%之間。單施氮磷化肥處理無明顯規律，其含量大小順序為N1P1M0＞N3P3M0＞N4P4M0＞N2P2M0。氮磷化肥與有機肥配施處理，非特殊吸附鉀含量較單施氮磷化肥和對照都明顯提高，且隨著有機肥施用量的增加呈上升趨勢。

特殊吸附鉀是指2∶1型黏土礦物楔形位特殊吸附，不能被鈣、鎂等離子所交換，但卻能被銨離子交換或通過水分子之間形成的氫鍵進行的電子傳遞過程而釋放的鉀[10]。含量以N1P1M0處理最低，且隨著氮磷化肥施用量的增加，特殊性吸附鉀含量沒有顯著的變化規律，氮磷化肥與有機肥配施處理較單施氮磷化肥和對照明顯提高，且隨著有機肥施用量的增加呈上升趨勢。

非交換性鉀主要指易風化的含鉀礦物（黑云母）晶格內含有的鉀和土壤中固鉀礦物（如蛭石等2∶1型層狀硅酸鹽礦物）所固定的鉀[9]。非交換性鉀又稱緩效鉀，是土壤速效鉀的儲備形態，在一定條件下可以轉化為速效鉀[1]。表3結果表明，對照的非交換性鉀含量最低，隨著氮磷化肥施用量的增加，其含量呈先增加后減少的趨勢，N3P3M0處理達到峰值。氮磷化肥與有機肥配施處理的非交換性鉀含量隨著有機肥施用量的增加而增加，且都高于氮磷化肥處理。這主要是因為氮磷化肥與有機肥配施，減少了非交換性鉀向其他形態鉀的轉化，有機肥的施用量減緩了這種轉化?？偟膩砜矗墙粨Q性鉀含量在488～728 mg/kg之間，說明土壤鉀素的儲備較為穩定。

礦物鉀是植物難以吸收利用的鉀，對植物的有效性很緩慢，是土壤鉀的貯藏庫，通過風化作用將鉀釋放出來供作物利用。表3結果表明，礦物鉀含量在15.62～18.05 g/kg之間，不施有機肥處理含量較低，因為常年沒有向土壤施入任何鉀素，而作物每年卻源源不斷地從土壤攜出鉀，從而促使土壤礦物鉀不斷釋放。氮磷化肥與有機肥配施處理礦物鉀含量明顯高于氮磷化肥處理，且隨有機肥施用量的增加而增加。這主要是由于有機肥的施用，增加了土壤中作物易吸收的有效性鉀，從而減少作物對礦物鉀的耗竭。

2.3 長期氮磷化肥配施有機肥對耕層土壤不同形態鉀素比例的影響

由表4可知，水溶性鉀含量在全鉀中的比例處于0.05%～0.47%之間，非特殊吸附鉀比例在0.08%～0.55%之間，特殊吸附鉀比例在0.25%～0.77%之間，氮磷化肥與有機肥配施處理中，這3種形態鉀素的比例均隨有機肥施用量的增加呈上升趨勢；單施氮磷化肥處理，水溶性鉀在全鉀中的比例隨著氮磷化肥施用量的增加呈先下降后上升的趨勢，其他2種形態鉀素比例無明顯變化規律。

表4 不同氮磷化肥配施有機肥對耕層土壤不同形態鉀素比例的影響 %

表4結果表明，非交換性鉀比例在3.01%～3.81%之間，對照最低，高量單施有機肥處理最高，與水溶性鉀變化規律一致。礦物鉀比例在94.40%～96.45%之間，對照最高，高量單施有機肥處理最低；單施氮磷化肥處理，礦物鉀含量隨著氮磷化肥施用量的增加呈先下降后上升，N2P2M0處理降到谷值；氮磷化肥與有機肥配施處理，隨著有機肥施用量的增加，礦物鉀含量呈下降趨勢，高量單施有機肥處理N0P0M6礦物鉀比例最低，說明施用有機肥可以顯著地降低礦物鉀在全鉀中的比例。因為施用有機肥后，進入土壤中的鉀素大部分以速效鉀和緩效鉀的形態存在，從而削弱了礦物鉀的比例[15]。

2.4 長期氮磷化肥配施有機肥對耕層土壤全鉀含量的影響

由圖1可知，全鉀的基礎值為17.95 g/kg，歷時20 a，變化幅度不大，除配施有機肥處理N3P2M3，N4P2M2和單施高量有機肥處理N0P0M6外，其他處理全鉀含量均下降，下降幅度為0.31～1.72 g/kg，對照下降幅度最大，主要因為作物長期不斷從土壤攜出鉀而沒有任何的補充。氮磷化肥與有機肥配施處理，隨著有機肥施用量的增加全鉀含量增加，除N2P1M1處理外，其余處理全鉀含量均高于試驗基礎值。說明長期氮磷化肥與有機肥配施可以增加土壤有效性鉀素，維持作物的吸收，減少土壤鉀素的耗竭，提高土壤全鉀含量。

3 結論與討論

地上部分的作物產量及吸鉀量與土壤鉀素的平衡存在密切的關系[9，23]。本研究表明，長期單施氮磷化肥和與有機肥配施都可以增加作物產量和作物地上部吸鉀量。單施氮磷化肥處理，隨著氮磷化肥施用量的增加，玉米地上部吸鉀量和作物產量都呈現先增加后降低的趨勢。氮磷化肥與有機肥配施處理較單施氮磷化肥處理地上部吸鉀量和作物產量都明顯提高，隨著有機肥施用量的增加，地上部吸鉀量和作物產量都呈直線上升的趨勢。除單施高量有機肥N0P0M6處理外，其他處理土壤鉀素均出現虧損。鉀素的支出大于投入，其虧缺部分顯然是土壤提供的，即依靠土壤鉀素來維持一定的產量，因而農田土壤鉀素的收支狀況，將反映在土壤鉀素肥力水平的消長上[26]。有機肥的施用可以減緩土壤鉀素的耗竭。

單施氮磷化肥處理，隨著氮磷化肥施用量的增加，水溶性鉀和非交換性鉀含量呈先上升后下降的趨勢，其他形態含量無明顯變化規律。水溶性鉀、非特殊吸附鉀和特殊吸附鉀是作物生長過程中從土壤吸收鉀的最有效部分。本研究結果表明，褐土水溶性鉀含量在全鉀中的比例不超過0.47%，非特殊吸附鉀不超過0.55%，特殊吸附鉀不超過0.77%，非交換性鉀不超過4%，且最高值均出現在單施較高量有機肥處理N0P0M6。礦物鉀比例隨著有機肥施用量的增加呈下降趨勢，說明有機肥的施用降低了礦物鉀的比例。氮磷化肥與有機肥配施處理，增加了耕層土壤各個形態鉀素的含量。長期施用有機肥和有機無機配合施用可以促進土壤自然鉀素的釋放[24-25]，維持土壤速效鉀的平衡，減緩非交換性鉀的下降趨勢，同時降低礦物鉀在全鉀中的比例。謝建昌等[26]研究認為，土壤鉀素的充分與否是由土壤速效鉀含量和非交換性鉀含量及其釋放速率共同決定的。長期有機無機配合施用可以促進土壤鉀素的釋放。

全鉀是衡量土壤鉀素貯量的一個重要指標。本試驗表明，除配施有機肥處理N3P2M3，N4P2M2和單施高量有機肥處理N0P0M6外，其他處理全鉀含量較定位時都有不同程度的下降。不施任何化學肥料的對照處理，土壤鉀素耗竭最為嚴重，隨著氮磷化肥施用量的增加，耗竭減緩。氮磷化肥與有機肥配施，全鉀含量隨著有機肥施用量的增加而增加，除N2P1M1處理外，均高于試驗基礎值?？傊?，氮磷化肥與有機肥配施可以減緩土壤鉀素的耗竭，保持土壤鉀庫的潛力。

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