干旱半干旱灌區土壤鉀的運移及研究現狀

張 朋，尹飛虎，李光永

（1.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；2.新疆農墾科學院）

干旱半干旱灌區土壤鉀的運移及研究現狀

張 朋1，尹飛虎2*，李光永1

（1.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；2.新疆農墾科學院）

鉀是植物必需的營養元素之一，在作物生長發育中扮演著重要的角色，在提高作物產量和改善農產品品質方面起著至關重要的作用，所以充分了解鉀在土壤中的存在狀態和運移規律是非常必要的。文中重點綜述了在干旱半干旱條件下，土壤鉀素的平衡和循環、土壤鉀的固定釋放機制及影響運移因素等方面的研究狀況，以求為進一步開展相關研究和指導科學施肥奠定基礎。

旱區；土壤；鉀素；運移

鉀是植物生長發育所必需的大量營養元素[1]，作為一個主要的營養物質，鉀在作物的許多生理過程中扮演著重要的角色，如在酶的活性、蛋白質的合成和光合作用過程中[2]。盡管鉀在作物生產中有著至關重要的作用，但在過去傳統或轉基因育種中并沒有把鉀的吸收和利用率的提升作為主要焦點[3]。世界上缺鉀農田的數量是非常大的。例如，在中國有75%的稻田是缺鉀的，在澳大利亞南部有67%的麥田是缺鉀的。另外，越來越多的報道表明之所以存在鉀的缺乏是因為鉀的淋洗[4]。

李比希提出礦質營養學說后，施用化肥就成為人們最為重視的農業增產措施之一，但如果是在不了解土壤供肥能力、作物需肥特性、肥料在土壤中運移規律的狀態下，就盲目的大量施用化肥，不僅不會增加農業產出，反而增加了投入，造成資源浪費，增加環境污染，同時還會引起土壤肥力退化[5]，所以，研究肥料在土壤的運移特征就顯得尤為重要。鉀素作為植物必需的大量營養元素之一，在土壤中的形態、運移規律及利用率得到國內外學者的深入研究。土壤中的鉀能否被植物吸收利用，不僅與鉀的化學形態有關，也與其所處的空間位置有密切關系。對于整個土壤結構來說，植物根系約占土壤總容積的3%，如果僅以根系表面接觸的這部分土壤鉀素作為植物的有效養分，則遠不能滿足植物對鉀素的需求[6]。為了更進一步的了解土壤中鉀素的供給量和作物對其的利用率，首先應該弄明白土壤中鉀素的運移特征及其影響因素，以減少鉀肥施入土壤后的固定失活和隨水徑流損失，從而改進鉀肥施用技術和提高鉀肥利用效率[7]。本文就干旱半干旱灌區的土壤鉀素及其運移研究現狀綜述如下。

1 土壤鉀的平衡與循環

目前干旱半干旱灌區的施肥現狀是重氮、磷肥，輕鉀肥，這就造成農田三大營養元素的收支平衡中，氮有盈余，磷基本平衡，但鉀一般是虧缺的。由于土壤鉀素的連年虧缺，從而增施鉀肥增產增效的面積在不斷擴大[8]。為了有效的維持土壤中鉀素平衡，必須了解土壤中鉀素的循環。土壤中鉀素的各種形態可以相互轉化，并處于一定的動態平衡。

當作物過度吸收土壤鉀素時，土壤速效鉀就會降低，緩效鉀也會出現降低趨勢；而土壤供給作物鉀素的虧缺部分是由土壤鉀庫提供的，故土壤鉀肥水平的高低受農田土壤鉀素收支狀況的影響。從長遠來看，保持土壤中有足夠的鉀素儲備尤為重要。為了維持和提高土壤鉀素肥力水平，保持并促進作物高產穩產，土壤鉀素的平衡問題必須得到重視。劉榮樂等[9]通過對我國東北、華北、西北地區的幾個田間定位試驗研究表明：補鉀方式不同，土壤中鉀素變化也不同。僅采用秸稈還田，土壤鉀素仍有虧缺；單施化學鉀肥，土壤鉀素收支趨于平衡；兩者配合施用時，土壤鉀素出現盈余。魯如坤等[10]提出了農田養分平衡的評價方法和原則，為我國農業生產過程中合理施用鉀肥、調控土壤鉀素水平提供了理論依據。朱向東等[11]提出平衡系數可以反映土壤鉀素管理對土壤鉀素平衡程度的調控效果，平衡系數大于1，說明土壤鉀素有盈余；平衡系數小于1，說明土壤鉀素有虧缺。謝建昌等[12]也提出在我國鉀肥供應不足的大背景下，僅為了鉀素投入和產出的平衡，向鉀肥尚未顯效的土壤上盲目施用鉀肥是不可取的。劉會玲等[8]通過研究也表明過量施用鉀肥會引起作物 “奢侈吸收”，從合理施用肥料的角度看，這是不適宜的。

土壤鉀素固定是影響鉀肥有效性的原因之一，有研究顯示，土壤鉀素過度消耗后，土壤固鉀能力明顯增強。土壤鉀素的消耗主要是作物的吸收和淋失，施用鉀肥是土壤鉀素補給的主要方式之一。在降雨量大、滲透性高、陽離子交換量低的土壤上，鉀素的淋失作用是化肥利用率低的主要原因，有研究顯示，旱地土壤鉀素的淋失一般只占吸收總量20%以下[13]。鉀素的淋失不僅增加了農業成本，降低了肥料的利用率，還無法滿足作物對鉀素的需求。

2 土壤鉀素固定和釋放機制

土壤鉀素的固定和釋放作用是影響鉀肥有效性的兩個重要過程，二者之間的轉化是一個可逆過程，反應方向取決于水溶性鉀和土壤交換性鉀的濃度和環境條件。

土壤施入鉀肥后，鉀離子被束縛在2∶1型鋁硅酸鹽的層間位置或者土壤溶液中的鉀離子及吸附在顆粒表面的交換性鉀轉化為非交換性鉀，成為不易為中性鹽溶液浸提，從而降低鉀有效性的現象即為鉀的固定。影響土壤固定鉀的主要因素有土壤類型、土壤質地、水分、pH值等[14，15]。徐國華等[16]研究表明，土壤鉀的固定主要是由于施鉀肥或原生礦物風化致使土壤溶液中鉀離子濃度升高而引起的。徐曉燕等[17]研究結果顯示，多數土壤施鉀后可被當季作物吸收利用的只有小部分，而大部分有效鉀會轉化為非交換性鉀，進而降低鉀肥有效性，導致植物體有效鉀離子濃度降低。但朱永官等[18]研究則顯示，土壤鉀素的固定雖然降低了鉀肥有效性，但減少了鉀素的淋失和植物的“奢侈吸收”，從而提高鉀肥的利用效率。一般認為，施入土壤的鉀肥，只有在滿足固鉀能力較強土壤對鉀素的固定以后，才能發揮增產提質的作用。

由于作物吸收利用，土壤溶液中的鉀離子或交換性鉀的濃度降低，層間固定的非交換性鉀和礦物態鉀轉化為可被植物直接吸收利用的交換性鉀，這種現象稱為鉀的釋放[19]。Li Ruan等[20]研究表明，鉀的釋放包括一個快速的釋放階段和一個隨后減慢階段，并且在鉀釋放方面，Mg2+扮演著比Ca2+更為重要的角色。鉀離子的釋放可以有效的補充土壤中水溶性鉀離子，為作物生長發育提供一定量的鉀。

3 土壤鉀素在土壤中運移的研究

土壤中的鉀素必須遷移到植物根表才能被吸收利用，當遷移量超過根的吸收能力時，鉀就在根區富集；反之則在根區形成虧缺區。鉀在根區的富集程度和區域大小反映了土壤的供鉀特征，充分了解鉀素在土壤中的運移規律及影響因素，對改進鉀肥施用技術和提高鉀肥利用率有重要的意義。

3.1 自然因素對土壤鉀運移的影響

3.1.1 不同成土母質及質地對土壤鉀運移的影響

土壤質地會影響土壤對鉀運移產生的阻滯作用，這是因為鉀素會與土壤發生吸持反應，土壤容重作為反應土壤緊實程度的重要指標，會影響鉀素在土壤中的擴算。占麗平等[7]研究表明，性質相似或同類型的土壤，由于土壤固體顆粒排列不同，土壤體積質量不同，從而造成養分運移的通路曲折不同，進而影響鉀素的運移。杜振宇等[21]認為，鉀離子遷移的主要方式是擴散，徐明崗等[22]研究結果表明，土壤體積質量不同，單位土體內的電荷密度隨之改變，因而改變了養分擴散系數。Ghildyal BP的研究進一步表明，當土壤體積質量由1.0g/cm3增至1.6g/cm3時，鉀素的擴散系數有所增加。

3.1.2 土壤pH值和陪伴離子狀況對土壤鉀運移的影響

沈仁芳等的研究指出，高濃度的NH4+可促進K+向下移動。徐明崗[22]提出：無論是土壤的可變電荷還是恒電荷，K+吸附量都隨pH值升高增加。徐曉燕等[17]提出，當pH值在2.5以下時，土壤不固定鉀；pH值處于2.5～5.5時，土壤固鉀量迅速增加；pH值為5.5以上時固鉀量增加緩慢。

3.1.3 土壤溫度對土壤鉀運移的影響

土壤溫度是影響各形態鉀離子間相互轉化和土壤供鉀能力的一個重要因素。王文忠等[23]研究顯示，作物生長后期，地溫升高能夠促進土壤中緩效鉀向速效鉀轉化，從而提高向根表遷移的鉀量，緩解作物吸鉀能力減弱的現象。Nye PH[24]等通過研究認為，溫度變化影響了土壤中養分擴散系數，進而影響到鉀素擴散，根據Stokes-Einstein公式，養分離子擴散系數（D）和溫度（T）之間的關系為：D=KBT/6πriη，由此公式可看出，鉀的擴散系數隨溫度增加而增加。溫度影響鉀素擴散表現在兩方面：一是溫度升高，土壤水分黏滯度降低，鉀離子運移時所受的水分阻力就會減小；二是溫度升高，粒子運動平均動能增加，擴散動力增加。

3.1.4 生物因素對土壤鉀運移的影響

各種生物因素也對土壤中鉀素運移產生作用，占麗平等[7]研究結果表明，植物特性如對養分的需求量、生長率、根系的生長、根的表面積和根系密度等，都會影響土壤中鉀素向根系表面擴散。Christian Zorb等[3]認為，根系分泌物和土壤微生物能夠促進土壤非交換性鉀的釋放，提高土壤中交換性鉀的量，增加鉀素在土壤中的運移。

3.2 人為因素對土壤鉀運移的影響

3.2.1 肥料合理配施對土壤鉀運移的影響

李比希提出，植物的產量受土壤中含量最少的養分所支配，故大田施肥時各種肥料應配合施用。同時，鉀肥與氮、磷肥配施也是提高鉀肥有效性的途徑之一，選擇適宜的氮、磷、鉀肥配比不僅可以充分發揮鉀肥有效性，還可提高氮、磷肥的利用率。另據張會民等[25]研究表明，長期施用氮、磷肥可影響土壤鉀離子的吸附和解吸，長期施用氮、磷肥增加了土壤對鉀的特殊吸附位點（KX），說明長期配施氮、磷肥能提高土壤對鉀離子的吸附能力，從而提高了土壤的保鉀、供鉀能力。長期定位施肥對土壤鉀離子吸附和解吸的平衡時間和平衡量也產生影響。

3.2.2 地膜覆蓋技術對土壤鉀運移的影響

地膜覆蓋栽培技術在農業種植方面應用越來越廣泛，地膜覆蓋可以減少鉀肥施入土壤后因雨水向下或地表徑流而損失。另外，覆蓋地膜可以增加作物生長前期土壤溫度，激活鉀離子活性，促進鉀離子向根表運移。

3.2.3 人為控制水分因子對土壤鉀運移的影響

水分是土壤中最活躍的因子，是土壤養分移動的基質，它對養分移動性的影響十分明顯，土壤中養分是否有效與水分密切相關。土壤鉀素的擴散速率隨土壤水分的增加而增加。王虎等[26]通過對滴灌施肥條件下滴頭流量的研究表明，灌水施肥量一定，滴頭流量在一定范圍增大，對速效鉀在土壤中的徑向和豎向運移距離影響不明顯，但滴頭流量增大到一定程度，會導致速效鉀豎向運移距離減小，并通過相關試驗數據分析得出水分運動對鉀離子遷移的對流起主導作用。

滴灌施肥技術可充分發揮水肥耦合效應，提高水肥利用率。尹飛虎等[27]研究表明，在隨水滴施條件下，滴灌專用肥和常規肥中的鉀素在土壤中的垂直分布隨水的移動性均較強，不同土層中分布很相似，但隨著土層深度增大，鉀素水平呈下降趨勢，在棉花根系主要分布區域，滴灌專用肥的鉀素水平均高于常規肥，這種分布特征有利于棉株的吸收利用。

不同類型的灌溉水對鉀的運移也有影響，馮小明等[28]研究結果表明，在大灌水定額下，清、洪水灌溉差異明顯。0～40cm土層，灌洪水后速效鉀含量與灌清水相比有明顯增加；40cm土層以下，土壤中速效鉀受運移影響很大，影響深度在140cm左右。而在中等灌水定額下，清、洪水灌溉差異不大。Li Ruan等[20]研究了用劣質水灌溉對土壤鉀釋放的影響，水中鎂離子含量高時，會對土壤鉀的釋放有明顯的促進作用。

4 小結

鉀素作為作物必須的大量營養元素，對促進作物增產提質具有重要的意義，但目前對鉀素的研究多集中在鉀的數量和形態的變化，對鉀素運移的能量變化研究較少，今后應加強鉀素運移規律及運移因素之間相互作用的研究。另外，還可以通過建立鉀素運移模型，更精確地預測鉀在土壤中的動態運移，為高效利用土壤鉀素資源和提高鉀肥利用率奠定基礎。對于滴灌水肥一體化條件下，鉀肥在土壤中的分布、遷移和轉化規律的了解還很有限，這將是未來研究的重點。

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2015—07—02

*通訊作者：尹飛虎(1954-），男，湖南平江人，研究員，研究方向為植物營養與農田節水 。 E-mail：nkyyfh@sohu.com。