不同含鉀物料對土壤鉀素含量動態變化影響①

胡 敏，任 濤，廖世鵬，李繼福，李小坤，叢日環，魯劍巍*

(1 華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070；2 農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070)

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不同含鉀物料對土壤鉀素含量動態變化影響①

胡 敏1,2，任 濤1,2，廖世鵬1,2，李繼福1,2，李小坤1,2，叢日環1,2，魯劍巍1,2*

(1 華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070；2 農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070)

摘 要：采用土培試驗方法，以稻草、稻草灰、硅鈣鉀肥、枸溶性鉀肥和氯化鉀肥5種含鉀物料為試驗材料，分別用蒸餾水、1 mol/L中性醋酸銨、2 mol/L冷硝酸、1 mol/L沸硝酸浸提測定土壤各種形態鉀素，評估不同含鉀物料施用對土壤鉀素含量的影響。結果表明，施用含鉀物料可以顯著提高土壤各形態鉀素含量，在等量鉀素投入條件下，含鉀物料的供鉀能力表現出一定的差異。各含鉀物料土壤水溶性鉀、醋酸銨鉀釋放速率高低表現為氯化鉀肥、稻草灰＞稻草、硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥；與土壤水溶性鉀和醋酸銨鉀變化不同，土壤冷硝酸鉀含量在培養前期以稻草灰、氯化鉀肥和硅鈣鉀肥的處理顯著高于枸溶性鉀肥和稻草處理，但隨著枸溶性鉀肥和稻草鉀素的釋放，培養后期各處理之間差異不顯著；相比于土壤水溶性鉀、醋酸銨鉀和冷硝酸鉀含量而言，土壤沸硝酸鉀含量最高，其中培養前期以稻草灰處理的土壤沸硝酸鉀含量較高，稻草處理的土壤沸硝酸鉀含量較低，兩者含量差值可達83.75 mg/kg，經過156 天培養后，其含量差值僅為6.91 mg/kg，處理間差異不顯著。綜合結果說明，稻草灰和氯化鉀肥具有同等釋放水溶性鉀和醋酸銨鉀的效果，其次是稻草處理，均可作為速效鉀肥施用，而枸溶性鉀肥和硅鈣鉀肥具有緩效釋放特性，可與速效鉀肥配合施用確保作物整個生育期對鉀素的需求。

關鍵詞：鉀物料；鉀素形態；浸提劑；動態變化

鉀素是植物生長發育必需的大量元素之一[1-2]。隨著我國農業復種指數的提高和高產優質品種的推廣，作物從土壤中吸收的鉀素不斷增加，加上我國農田系統鉀肥投入的不足，土壤缺鉀面積在逐漸擴大[3]，農田鉀素虧缺已成為農業生產持續發展的限制因素之一[4-5]，而施用鉀肥是緩解土壤鉀素虧缺和提高作物產量及維持農產品品質的重要途徑[6]。但我國可溶性鉀礦資源相對匱乏，50%～70% 用量依賴于進口[7]。基于當前的現實情況，我國農業生產鉀肥施用的原則是：一方面要合理施用鉀肥、提高肥料利用率；另一方面要拓寬鉀肥資源途徑，以滿足農業生產需求。

我國擁有較豐富的非水溶性鉀肥資源。其中農作物秸稈資源數量巨大，每年秸稈資源量約為8.1×108t，折合純鉀(K2O)約為1.2 × 107t[8]，充分利用這部分鉀素對補充我國鉀肥資源具有重要意義[9]。此外，鉀礦巖石資源十分豐富，如鉀長石、伊利石、霞石和黑云母等[10]，如果能進行相應的加工處理，使其能被作物吸收利用，也能替代當前鉀肥的不足。目前市場上已有部分非水溶性鉀肥，但其供鉀能力及對作物的效果還有待深入研究。為此，本文采用室內模擬培養試驗，以國內常見的含鉀物料為材料，使用不同的浸提劑評價在等鉀素用量條件下，不同含鉀物料施用對土壤各種形態鉀素含量的影響，以期為拓寬農用鉀素來源和科學替代鉀肥，緩解化學鉀肥短缺局面提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自湖北省蘄春縣，系花崗片麻巖發育的水稻土，土壤供鉀能力較低，基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理，分別為：①對照處理，不施用任何含鉀物料；②稻草處理(K2O含量 3.15%)，將水稻秸稈剪成3 cm左右小段，風干；③稻草灰處理(K2O含量 10.6%)，將收集的水稻秸稈焚燒成灰；④硅鈣鉀肥處理(K2O含量 4.0%)，鉀長石通過高溫煅燒生產；⑤枸溶性鉀肥處理(K2O含量 27.0%)，多種含鉀礦物通過加工而成，是一種微溶于水但可全部溶于2% 檸檬酸的新型鉀硅肥；⑥氯化鉀肥處理(K2O含量 60.0%)，分析純。除對照處理外，各處理鉀養分投入量相等，均為K2O 0.1 g/kg土，每個處理4次重復。

試驗采用19 cm × 50 cm(直徑 × 高)的塑料桶進行，每桶裝土10 kg，將土壤與含鉀物料拌勻后裝桶。整個培養試驗期間用稱重法保持土壤含水量為20%。試驗于2013年12月10日開始，2014年5月15日結束，培養周期為156天。分別于培養試驗的第1、3、6、14、28、49、77、98、126和156天取樣，共計10次。

1.3 測定項目與方法

用土鉆采集0～25 cm的土壤樣品，每桶選取3處具有代表性的點，每次取樣質量大約60 g，混合均勻后風干、研磨、過篩，分別用蒸餾水、1 mol/L中性醋酸銨、2 mol/L冷硝酸、1 mol/L沸硝酸4種浸提劑提取土壤中的鉀，火焰光度計測定。具體測定方法見常規測定方法[11]。

將用蒸餾水、1 mol/L中性醋酸銨、2 mol/L冷硝酸、1 mol/L沸硝酸4種浸提劑測定的土壤鉀素分別定義為土壤水溶性鉀、醋酸銨鉀、冷硝酸鉀和沸硝酸鉀。通常中性醋酸銨提取的土壤鉀素被稱為土壤速效鉀，冷硝酸提取的土壤鉀素被稱為土壤有效鉀，土壤醋酸銨鉀含量減去土壤水溶性鉀含量為土壤交換性鉀，沸硝酸法浸提的鉀量減去土壤速效鉀含量為土壤緩效鉀[12]。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2003統計分析，并用Origin 8.5軟件進行繪圖。

表1　土壤基礎理化性狀Table 1 Basic properties of tested soils in experiments

2 結果與分析

2.1 水溶性鉀

各含鉀物料的施用均可顯著提高土壤水溶性鉀含量，但不同含鉀物料處理的土壤水溶性鉀含量差異顯著(圖1)。在培養前期，氯化鉀肥處理的土壤水溶性鉀含量迅速增加，于28 天時達到最大值，之后趨于穩定平衡狀態。稻草灰與氯化鉀肥處理的土壤水溶性鉀變化規律相似，但鉀素釋放量略低于氯化鉀肥處理。與氯化鉀肥和稻草灰處理的土壤水溶性鉀變化規律不同，稻草、硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥處理的土壤水溶性鉀含量前期增速較慢，但稻草處理在培養77 天后土壤水溶性鉀含量迅速提高，并于培養結束時達到最大值；硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥處理的土壤水溶性鉀釋放量低于稻草處理，但到培養試驗結束時均顯著高于對照處理或同一處理的培養初期階段。根據土壤水溶性鉀含量的變化特點，可將5種含鉀物料分為兩類：①快速釋放型鉀肥，包括氯化鉀肥、稻草灰和稻草。在整個培養期，土壤水溶性鉀含量均處于較高水平；②緩慢釋放型鉀肥，包括硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥。培養過程中，緩慢釋放型鉀肥的土壤水溶性鉀含量均顯著低于快速釋放型鉀肥。

圖1　不同含鉀物料對土壤水溶性鉀含量變化的影響Fig.1 Effects of K-bearing materials on changes of soil water-soluble potassium contents

2.2 醋酸銨鉀

與對照相比，各含鉀物料的施用均能顯著提高土壤醋酸銨鉀含量(圖2)。培養前期，氯化鉀肥和稻草灰處理的土壤醋酸銨鉀含量增加較快，分別在14 天和49 天達到最大值且顯著高于其他處理，并在培養77 天后開始出現明顯的固定轉化，土壤醋酸銨鉀含量呈現下降趨勢。稻草處理土壤醋酸銨鉀含量增速相對較慢，至98 天時達到最大值，但經過156 天的培養后，稻草處理的土壤醋酸銨鉀含量與氯化鉀肥和稻草灰處理的土壤醋酸銨鉀含量沒有顯著差異。硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥處理的土壤醋酸銨鉀含量培養前期增速緩慢，在77 天時達到最大值，隨后略有下降，到100 天后土壤醋酸銨鉀含量趨于穩定。

土壤交換性鉀結果表明(圖3)，含鉀物料的施用均不同程度地提高土壤交換性鉀含量。培養前期，稻草灰和氯化鉀肥處理的土壤交換性鉀含量增加較快，且稻草灰處理的土壤交換性鉀含量最高，其在整個培養過程中均顯著高于其他處理。培養100 天后，稻草灰、氯化鉀肥和稻草處理的土壤交換性鉀含量顯著降低，表明土壤中的交換性鉀向非交換性鉀轉化；而硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥處理的土壤交換性鉀含量則是先降低，之后趨于穩定。在培養試驗結束時，稻草灰、氯化鉀肥和稻草處理的土壤交換性鉀含量明顯高于其他兩種含鉀物料處理及對照。

圖2　不同含鉀物料對土壤醋酸銨鉀含量變化影響Fig.2 Effects of K-bearing materials on changes of soil NH4OAc-K contents

圖3　不同含鉀物料對土壤交換性鉀含量影響Fig.3 Effects of K-bearing materials on changes of soil exchangeable-K contents

2.3 冷硝酸鉀

相比于對照處理而言，各含鉀物料的施用均可顯著提高土壤冷硝酸鉀含量(圖4)，且在相同的培養時間內土壤冷硝酸鉀含量顯著高于土壤醋酸銨鉀含量。培養前期，不同含鉀物料處理的土壤冷硝酸鉀含量差異較為明顯，與土壤水溶性鉀和醋酸銨鉀含量變化不同的是硅鈣鉀肥處理的土壤冷硝酸鉀增速顯著提高，僅次于稻草灰和氯化鉀肥處理，表明冷硝酸能夠從硅鈣鉀肥中浸提更多鉀素，而枸溶性鉀肥則相對較少。培養后期，各處理土壤冷硝酸鉀含量較為穩定，除枸溶性鉀肥外其他幾種含鉀物料處理略有下降趨勢。結果還表明，培養156 天時，各含鉀物料處理間的土壤冷硝酸鉀含量差異不明顯。

圖4　不同含鉀物料對土壤冷硝酸鉀含量影響Fig.4 Effects of K-bearing materials on changes of soil cold HNO3-K contents

2.4 沸硝酸鉀

圖5　不同含鉀物料對土壤沸硝酸鉀含量變化Fig.5 Effects of K-bearing materials on changes of soil boiling HNO3-K contents

沸硝酸提取土壤鉀素含量明顯高于上述3種浸提劑(圖5)，試驗結果顯示，含鉀物料的施用均可顯著增加土壤沸硝酸鉀含量。各含鉀物料處理的土壤沸硝酸鉀含量在5～10 天出現最大值，之后呈現下降的趨勢，這可能是受到培養后期土壤固定外源鉀素的影響。5種含鉀物料的土壤沸硝酸鉀含量變化以稻草處理的土壤沸硝酸鉀含量下降趨勢較為平緩，這與培養過程中稻草自身能夠不斷釋放鉀素從而彌補因固定造成的虧缺有關。此外，培養初期，各含鉀物料中以稻草和稻草灰處理的土壤沸硝酸鉀含量差異最大，二者相差83.75 mg/kg，然而經過156 天的培養后，稻草和稻草灰處理的土壤沸硝酸鉀含量差值僅為6.91 mg/kg，各含鉀物料處理間差異不顯著。

3 討論

研究表明，不同浸提劑所提取的土壤鉀素含量有所差別，4種方法測得的土壤鉀素含量大小順序為土壤沸硝酸鉀含量＞土壤冷硝酸鉀含量＞土壤醋酸銨鉀含量＞土壤水溶性鉀含量，說明不同浸提劑的提取能力差異顯著。蒸餾水法提取的是土壤溶液中鉀素，其浸提的鉀素含量低，只占作物所需的一小部分；醋酸銨法主要提取的是土壤溶液中鉀素和交換性鉀；冷硝酸法通過高濃度H3O+交換層間K+，除了能提取土壤溶液中鉀素和交換性鉀外還能提取對作物有效的部分非交換性鉀；沸硝酸法因其提取能力最強，除了能提取冷硝酸所浸提的鉀素外還可提取部分作物無法吸收利用的非交換性鉀，能指示土壤潛在的供鉀能力。

不同浸提劑提取出的鉀素代表的是不同形態的鉀，一般認為作物吸收的是土壤溶液的鉀離子，其他形態的鉀可以向水溶性鉀轉化，但轉化的速率和量相差很大。本研究表明，含鉀物料的施用可以顯著提高土壤各形態鉀素含量，但同一含鉀物料不同形態的鉀素含量變化也存在一定的差異。稻草灰中的鉀主要以碳酸鉀形態存在，易溶于水，在有水的條件下，其鉀素能夠很快釋放進入土體，因此培養前期稻草灰處理的土壤各形態鉀素含量迅速升高。但是，由于土壤中各形態鉀素之間存在相互轉化的過程，從而使得培養后期稻草灰處理的土壤各形態鉀素含量變化趨勢有所不同。具體表現為：土壤水溶性鉀含量后期略有升高，這可能是由交換性鉀轉化所致；土壤醋酸銨鉀含量在培養100 天有下降的趨勢，這可能是由于其轉化為非交換性鉀；相比于土壤水溶性鉀和醋酸銨鉀，土壤冷硝酸鉀變化較為平穩，在培養的第47～126天土壤冷硝酸鉀含量基本保持不變，后期雖有下降的趨勢，但下降幅度也很小。說明冷硝酸浸提的土壤鉀素能夠很好地反映土壤的供鉀能力，這與張素坤等[13]的研究一致；土壤沸硝酸鉀含量在培養的第6 天后基本釋放完全，后期不斷下降，可能是浸提出來的鉀素被固定或者轉化為其他形態鉀素。氯化鉀肥作為速效性鉀肥，其各形態鉀素變化趨勢與稻草灰處理相似；而稻草通常被認為是一種速效性鉀肥資源[9]，但在整個培養過程中各形態鉀素釋放卻較稻草灰、氯化鉀肥緩慢，這可能與培養試驗設置的土壤含水量有關。已有研究表明稻草鉀素的釋放受水分影響較大，淹水時稻草中的鉀素5 天內就可以釋放95% 以上[14]。因此，在相對不飽和的土壤水分條件下，稻草中鉀素釋放速率會受到抑制。另外，試驗過程中稻草與土壤混合，分布不均勻，一定程度上也會影響鉀離子的釋放[9]，這也相對延長了稻草中鉀素釋放周期，且最終稻草、氯化鉀肥和稻草灰中鉀素含量沒有顯著差異。硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥作為緩釋性長效鉀肥[12,15]，培養前期鉀素釋放較為緩慢，整個培養周期中各鉀素變化趨勢與其他含鉀物料處理相差不大。

本試驗所用的5種含鉀物料中，前期以稻草灰、氯化鉀肥處理的土壤各鉀素釋放較快且含量高，其次是稻草處理，后期以硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥處理的土壤各鉀素含量較穩定。考慮到目前我國鉀肥資源現狀：水溶性鉀資源短缺[16]、國際鉀肥價格高漲[17]以及大量秸稈原田焚燒[18]，利用稻草灰代替化學鉀肥，雖然能夠在很大程度上緩解土壤鉀素虧缺狀況，但秸稈在焚燒過程中不僅損失了大量的碳、氮、硫等養分資源且對人體健康及生態環境造成了極大的威脅[19-20]，是不可取的。而對于長效型硅鈣鉀肥不僅含有植物所需的鉀，還有其他多種有效養分，但因其K2O含量僅有4%，作為鉀肥是不具備商品性的，只能作為某些區域的土壤調理劑，附帶補充鉀素養分；枸溶性鉀肥K2O含量可達27%，是硅鈣鉀肥K2O含量的7倍，也含有Si、Ca、Mg等多種元素[21]，所以在實際的施用過程中可以用稻草代替部分氯化鉀肥再配施枸溶性鉀肥，起到緩控釋肥的效果，保證作物整個生育期對鉀素的需求。

4 結論

含鉀物料的施用可以顯著增加土壤水溶性鉀、醋酸銨鉀、冷硝酸鉀、沸硝酸鉀含量。在等量鉀素養分投入下，不同含鉀物料對土壤各形態鉀素含量動態變化響應不同。稻草灰和氯化鉀肥處理土壤鉀素含量高、釋放快，其次是稻草處理；而硅鈣鉀肥和枸溶性鉀肥處理土壤鉀素釋放速率低、周期長。因此，基于我國鉀肥資源現狀，實際農業生產中可以通過秸稈還田來替代部分化學鉀肥，在酸性土壤區域還可以配施枸溶性鉀肥，以達到充分利用鉀素資源、保障作物豐產對鉀素的需求。

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Effects of K-bearing Materials on Dynamic Changes of Soil K Contents

HU Min1,2,REN Tao1,2,LIAO Shipeng1,2,LI Jifu1,2,LI Xiaokun1,2,CONG Rihuan1,2,LU Jianwei1,2*
(1 College of Resources and Environment,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China; 2 Key Laboratory of Arable Land Conservation(Middle and Lower Reaches of Yangtse River),Ministry of Agriculture,Wuhan 430070,China)

Abstract:In order to investigate the effects of different K-bearing materials on soil potassium contents,a pot experiment was carried out with five types of K-bearing materials,including straw,straw ash,Si-Ca-K fertilizer,citrate acid-soluble potassium fertilizer and KCl.Four chemical extractants(distilled water,1 mol/L neutral NH4OAc,2 mol/L cold HNO3and 1 mol/L boiling HNO3)were used to extract different forms of soil potassium.The results showed that the application of K-bearing material fertilizers could significantly increase soil potassium contents,and the contents of soil potassium forms had variant responses to K-bearing materials under the same potassium input level.The potassium release rates of water-soluble potassium and NH4OAc-K were faster for KCl and straw ash than those of straw,Si-Ca-K fertilizer and citrate acid-soluble potassium fertilizers.The cold HNO3-K contents of straw ash,KCl and Si-Ca-K fertilizer treatments were significantly higher than those of citrate acid-soluble potassium fertilizer and straw treatment in the early stage.Nevertheless,there were no significant differences among K-bearing material treatments in the later stage which were associated with potassium releasing.Besides,compared with the content of water-soluble potassium,NH4OAc-K and cold HNO3-K,soil boiling HNO3content was the highest.The treatment of KCl had the highest potassium content and that straw treatment had the lowest K content with soil boiling HNO3,The former was 83.75 mg/kg higher than the latter,but the difference value reduced to 6.91 mg/kg after 156 days(no significant difference existed).In short,straw ash and KCl which had the same release rate of water-soluble potassium and NH4OAc-K potassium and straw treatment could all serve as fast available potassium resources,while citrate acid-soluble potassium fertilizer and Si-Ca-K fertilizer had slow-release property and could be accompanied with fast available potassium fertilizers to ensure the demand of potassium for crop growth.

Key words:K-bearing materials; Potassium forms; Extractant; Dynamic changes

作者簡介：胡敏(1990—)，女，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事作物養分管理與土壤肥力方面研究。E-mail:huxiaomin@webmail.hzau.edu.cn

* 通訊作者(lunm@mail.hzau.edu.cn)

基金項目：①“十二五”國家科技支撐計劃課題項目(2014BAD11B03)，公益性行業(農業)科研專項(201203013)和中央高校基本科研業務費專項(2011PY156)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.007

中圖分類號：S151.9