烏蘭布和綠洲區土壤鉀素形態特征及其綜合評價

摘要 基于烏蘭布和綠洲區林地和農地，系統研究了土壤各形態鉀素特征并進行土壤鉀素綜合評價。結果顯示，地類間的速效鉀、有效性鉀和緩效鉀變異系數高于30%，含量高出對照1.1～2.9倍，而礦物鉀和全鉀差異小（<15%），含量稍高于對照。大多地類速效鉀富足，部分林地和玉米、花葵地已缺鉀，鉀素重要潛源緩效鉀平均轉化率高達22.7%。6個評價指標對土壤鉀素指數（SKI）貢獻高達92%，排序依次為有效鉀因子（有效性鉀>速效鉀>緩效鉀）、儲量鉀因子（礦物鉀=全鉀）和緩效鉀轉化率;82%的SKI>0.5，51%的SKI>0.6，綜合供鉀能力較強，但部分農地需少量補鉀。建議研究區林地種植二白楊、小美旱楊、檉柳及沙棗、檸條、沙棘等固氮植物（花棒除外），農地種植低耗經濟作物和苜蓿等固氮牧草，也適合在其他干濕交替明顯的干旱灌區推廣。

關鍵詞 烏蘭布和綠洲區;土地利用;土壤鉀素;綜合評價

中圖分類號 X825 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2021）17-0140-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.037

Abstract Based on forestland and farmland in Ulanbuh oasis areas， the characteristics of various soil kaliums were studied systematically and comprehensive evaluation of them were carried out. The results showed that the variation coefficients of available kalium （AK）， readily available kalium （RAK） and slow available kalimu （SAK） were all above 30% respectively， and their contents were 1.1-2.9 times of the control sample， the difference of mineral kalium （MK） and total kalium （TK） among soil sample were all small （<15%） respectively， and the contents of both were slightly more than the control samples. AK contents of most land was rich， and lacking in some of the forestland， corn land and sunflower land. The average conversion of SAK （important potential source of RAK） was 22.7%. The six evaluation indexes contributed up to 92% to soil kalium index （SKI）， and ranked as follows： available kalium factor （RAK>AK>SAK）， reserve kalium factor （MK=TK） and the conversion of SAK. The proportion of SKI>0.5 and SKI>0.6 was 82% and 51% respectively. The comprehensive deliverability of kalium was strong， but some farmland needed a small supplement of kalium. In study area， it was recommended to plant Populus gansuensis C.， Populus simonii×（Populus pyramidalis+Salix matsudana） cv.， Tamarix chinensis Lour and nitrogen fixation plants （except for Hedysarum scoparium Fisch.） as Elaeagnus angustifolia L.， Caragana korshinskii Kom.and Hippophae rhamnoisdes L. in forestland， to plant low-consumption cash crops and nitrogen fixation grasses such as alfalfa in farmland， these recommendations will be also suitable for other arid irrigated areas with obvious alternations of dry and wet.

Key words Ulanbuh oasis areas;Land utilization;Soil kaliums;Comprehensive evaluation

地處華北和西北結合部的烏蘭布和沙區是我國典型的生態脆弱農牧交錯帶和沙塵暴主要塵源地之一，因烏蘭布和沙區東南緣毗鄰黃河而給植被恢復重建、改善生態環境、發展沙區農業創造了便利條件，經過30多年的植被恢復建設和土地合理開發，烏蘭布和沙區東南緣現已形成了喬灌草結合、農灌配套、防護林網密集的人工綠洲6 000 hm2，綠洲體系的形成逐漸改良了土壤結構狀況，有效減少塵源物質（粒徑小于100 μm）而大大降低沙塵暴的發生頻率，也基本解決了風沙危害限制農業可持續發展的瓶頸問題。鉀作為植物吸收最多且土壤中含量最高的大量營養元素之一，鉀素形態的相互轉化在共同維持動態平衡的基礎上對植物的有效性發揮著不同的重要作用，綠洲體系的建成不但改善了土壤微生物區系和土壤質量，勢必也影響土壤各形態鉀素的動態平衡、植物有效性和土壤供鉀能力[1-3]。我國北方普遍富鉀，但近年來土壤鉀素的作物攜走量明顯增加，導致施鉀增產和土壤缺鉀報道逐年增多[4-6]，長期施氮磷肥也加速土壤鉀素耗竭[7-8]。筆者研究綠洲建成30多年來目前不同利用類型土壤（林地和農地）各鉀素形態的含量特征并進行鉀素綜合評價，以供綠洲體系后續營林和農耕參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區設在內蒙古磴口縣烏蘭布和沙漠東北緣中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心第二、三、四實驗場（106°09′～107°10′E，40°09′～40°55′N），屬溫帶荒漠氣候。年均氣溫7.8 ℃，≥10 ℃有效積溫3 290 ℃;年均降雨150 mm，蒸發量2 381 mm;盛行西南風，年均風速4.1 m/s，風沙災害是主要自然災害;地帶性土壤為灰漠土;因黃灌便利，經過近30年建設，在原固定、半固定沙地上已建成人工綠洲示范基地超過3 333.3 hm2，綠洲內開墾耕地超過533.33 hm2。

綠洲區人工植被概況見表1，林地不灌溉。農地多年來輪作種植作物名稱和參考施肥量：油葵與花葵（二銨300 kg/hm2+尿素563 kg/hm2+碳銨1 125 kg/hm2），番茄（二銨375 kg/hm2+尿素563 kg/hm2+碳銨1 125 kg/hm2），籽瓜（二銨375 kg/hm2+尿素563 kg/hm2+碳銨1 500 kg/hm2），玉米（二銨375 kg/hm2+尿素750 kg/hm2+碳銨2 250 kg/hm2），苜蓿地不施肥不灌溉，農地每年按需足量灌溉4～5次。

1.2 研究方法

2018年11月，按“X”型采集新疆楊、二白楊、小美旱楊、霸王、沙棘、檸條、沙棗、花棒、檉柳、沙木蓼、沙拐棗11類林地（10 m×10 m樣方）和籽瓜、玉米、油葵、花葵、番茄、苜蓿6類農地0～20 cm土樣，每個土樣是2個采樣點的混合土樣，共采集混合土樣188個（林地104+農地80+荒漠對照4），其中農地種植3～28年;土樣經處理后按常規方法測定[9-10]：有效性鉀、速效鉀、緩效鉀（酸溶性鉀與速效鉀差值）、全鉀、礦物鉀（全鉀與酸溶性鉀差值）;使用Excel和統計軟件DPS進行數據計算、制圖和方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同地類各形態鉀素特征

土壤各形態鉀素相互轉化，基于共同維持鉀素動態平衡的基礎上對植物發揮著不同的有效性[1，11]。變異系數能較好地反映土壤各形態鉀素受外界因素影響的敏感性和差異性。表2顯示，有效鉀素（速效鉀和有效性鉀）和緩效鉀（潛在鉀素）的變異系數平均在30%以上，不同地類間多存在顯著差異且明顯高于對照1.1～2.9倍，說明綠洲區土壤供鉀能力和鉀素水平差異較大且分布不平衡，這與不同林地類型、不同林齡、水熱條件、黃灌外源性鉀素攜入、施肥、耕作、作物類型等因素影響較大且主為正向效應有關。反映鉀儲量的礦物鉀和全鉀的變異系數不足15%，不同地類間的差異性整體不顯著，分布相對均衡且整體平均稍高于對照3%～5%，這與主因受制于土壤母質而非其他外界影響因素有關。

2.1.1 速效鉀和有效性鉀。速效鉀和有效性鉀是土壤鉀庫中最活躍的組分，反映土壤鉀素的現實供鉀能力和鉀素水平[1，3，9]。由表2和全國第二次土壤普查養分分級標準判斷[12]，二白楊、檉柳、沙棗林地速效鉀含量屬“2級”（150～200 mg/kg）高水平;苜蓿、花棒、沙棘等固氮植物速效鉀屬“3級”（100～150 mg/kg）較高水平，表現出累鉀效應;6種農地中花葵和玉米地速效鉀含量屬“4級”（50～100 mg/kg）較低水平，其他4種屬“3級”較高水平，這可能與花葵和玉米的高植株（>2 m）高耗鉀量有關;其他部分林地速效鉀屬較低水平。除荒漠對照外，綠洲區速效鉀（110.7 mg/kg）整體屬較高水平，但也存在缺鉀和北方未必“富鉀”的情況。

有效性鉀包括速效鉀和緩效鉀中的有效部分。由表2可知，速效鉀平均占有效性鉀的47%（41%～55%），說明近50%的土壤有效鉀由緩效鉀轉化供給，也揭示出黃灌干濕交替（農地常灌、林地偶灌）更有利于緩效鉀高效轉換和釋放。若以有效性鉀含量衡量植物利用之鉀素，則研究區土壤富鉀。

2.1.2 緩效鉀及其轉化率。表2顯示，二白楊和沙棗林地屬高水平（>750 mg/kg），大部分地類屬較高水平（500～750 mg/kg），部分地類低且近500 mg/kg，屬較低水平[9]，但均顯著高于對照。經計算，緩效鉀含量平均占礦物鉀的3.0%（2.0%～4.2%），緩效鉀平均轉化率達22.7%（18.3%～32.2%），且隨著植物消耗促使礦物鉀向緩效鉀再向有效鉀的正向轉化而平衡鉀素動態[9-11]，也體現出緩效鉀是研究區有效鉀素極其重要的潛在給源。

2.1.3 礦物鉀和全鉀。表2顯示，研究區全鉀含量為16.6～20.4 g/kg，屬“3級”（15～20 g/kg）較高水平[12]，鉀儲量較富足。礦物結構中難以釋放的礦物鉀含量占全鉀的95.4%～97.8%，即95%以上土壤鉀素在短期內對植物無效，因為礦物鉀轉化為緩效鉀再轉化為有效鉀的動態有效化進程緩慢，有時也會造成研究區土壤缺鉀（速效鉀<100 mg/kg）現狀[12]。因此，礦物鉀和全鉀含量僅反映土壤鉀儲量而非供鉀能力。

2.2 不同地類土壤鉀素綜合評價

土壤鉀素是一個動態轉化平衡體系，有效鉀素反映土壤現實供鉀能力，緩效鉀及其轉化率體現潛在供鉀水平，礦物鉀和全鉀表達整體鉀儲量高低，而衡量區域整體鉀素狀況并非單一形態鉀素所能體現，而應通過多項評價指標綜合呈現。為此，通過6個鉀素指標嘗試引入土壤鉀指數（Soil Kalium Index，SKI）進行研究區土壤供鉀能力綜合評價。

2.2.1 評價模型選擇。采用加權綜合法指數評價模型，該模型同時考慮了評價指標值、權重、評價指標間的交互作用和最小因子限制率對綜合評價的共同影響，較符合實際[13-18]。土壤鉀指數（SKI）模型：

式中，Ci和Ki為評價指標的隸屬度和權重;CiKi反映各評價指標對SKI的貢獻;n為評價指標個數;連乘運算符∏體現各評價指標間的交互作用和最小因子限制率。

2.2.2 臨界值確定和隸屬度計算。土壤鉀素符合常規“S”型土壤功能效應，即在一定范圍內鉀素評價指標值與土壤功能呈正相關，而低于或高于此范圍，評價指標值的變化對土壤功能的影響很小。在實際評價中常將S型隸屬函數簡化：

式中，x為評價指標實測值或計算實際值，x0為各評價指標上臨界值。

參照以往研究成果并結合研究區實際[12-18]，確定土壤鉀素指標上臨界值：速效鉀200 mg/kg、有效性鉀400 mg/kg、緩效鉀900 mg/kg、緩效鉀轉化率40%、礦物鉀25 g/kg、全鉀25 g/kg。根據上述隸屬函數和6個鉀素評價指標實際值計算出所有指標的隸屬度值，將其轉化為0～1的數值。

2.2.3 因子分析和權重確定。利用DPS軟件對6個鉀素指標實際值進行因子分析，根據分析結果中的共同度（公因子方差）計算權重，即對應指標的共同度（0.808）與共同度總值（5.519）之比為對應指標權重，以此類推（表3）。

因子分析通過方差極大正交旋轉讓載荷矩陣相對集中提取主成分，便于找出可合理解釋其物理意義的每個主因子。表3主因子和下劃線因子載荷順序：對鉀素整體狀況貢獻排序為第一有效鉀主因子（有效性鉀>速效鉀>緩效鉀）、第二儲量鉀主因子（礦物鉀=全鉀）、第三轉化鉀主因子（緩效鉀轉化率）。3個主因子累計貢獻高達92%，能很好地解釋研究區鉀素整體變異量和影響程度，也說明其他影響因素很小。

2.2.4 SKI計算和鉀素綜合評價。根據評價模型、隸屬度、權重計算188個樣點的SKI值。參照以往研究成果[13-18]將研究區SKI更直觀分等定級：（0，0.2]（Ⅴ，低）、（0.2，0.4]（Ⅳ，較低）、（0.4，0.6]（Ⅲ，中）、（0.6，0.8]（Ⅱ，較高）和（0.8，1.0]（Ⅰ，高）。從圖1頻率累計曲線和計算可知，SKI均在Ⅲ級以上，其中，SKI>0.5（中間值）占82%，51%屬Ⅱ級以上較高水平，部分（3.7%）屬Ⅰ級高水平（0.81～0.92）。表明研究區綜合鉀素質量（SKI）整體較高，供鉀能力整體較強，但不富足。

從圖2按地類進行LSD多重比較和5%差異顯著性分析看出，各地類SKI有a、b、c 3級顯著差異，如沙棗SKI最大與對照差異顯著且高51%，新疆楊SKI最小與對照無差異且僅高4%。體現出對研究區綜合鉀素影響因子的差異性和復雜性，但各地類SKI整體處于中上水平。

林地SKI：沙棗、二白楊、檉柳明顯好于其他，可能與三者片林密度大、造林時間長和土壤水分明顯高于2～3行新疆楊等有關，說明干旱區無鉀肥和較高土壤水分基礎上的干濕交替更有利于微生物滋長和鉀素轉換，特別是緩效鉀和礦物鉀釋放[19-20];小美旱楊、檸條、沙棘、沙拐棗等SKI值也相對較高，而沙木蓼、霸王、花棒、新疆楊SKI值明顯較低。

農地SKI：番茄>苜蓿>籽瓜>油葵>玉米>花葵。研究區長期僅施氮磷肥不施鉀肥情況下因植物消耗鉀素而促使土壤自然鉀素轉化和釋放[4，8，19]，建議少種或不種植株高（>2 m）耗鉀大的花葵和玉米。

從防護、經濟和改良土壤角度看，林地建議種植二白楊、檉柳、小美旱楊以及沙棗、檸條、沙棘等固氮植物（花棒除外）;農地種植番茄、籽瓜、油葵等低矮經濟作物和苜蓿等豆科固氮牧草。

3 討論

林類、林齡、植物耗鉀量、農地開墾年限和熟化程度、干濕交替、輪作、氮磷肥施入量、有機質、黏粒、CEC、CaCO3、pH等因素使研究區鉀素整體存在不同程度的差異性[3-6，10-11]。研究區平均近47%的土壤有效鉀（速效鉀+緩效鉀中的有效部分）由緩效鉀轉化供給，這一比例明顯高于陜西渭北高原和延安地區的梯田與壩地（11.5%～23.4%）。整體看，梯田常年干旱缺水和壩地常年水豐表明干濕交替不明顯，而該研究綠洲區黃灌干濕交替、水熱條件等更明顯，為土壤礦物鉀轉化為緩效鉀再轉化為有效鉀素提供了不可或缺的外部條件和轉化速率累積[9-10，19-20]，也說明緩效鉀是有效鉀素極為重要的潛源，只是在黃灌干濕交替條件下表現更充分。鮑士旦[9]研究發現緩效鉀轉換為有效鉀的貢獻比例在部分區域高達80%。

土壤各形態鉀素相互牽連、相互協調、相互轉化，共同表達鉀素的有效性、潛源和儲量，通過因子分析和SKI明確各形態鉀素交叉影響整體鉀素狀況的主次之分、貢獻大小和綜合鉀素供給狀況，符合實際。應根據SKI值和研究區實際選擇造林樹種和作物類型，苜蓿、沙棗、檸條、沙棘等固氮植物SKI整體較高，增鉀效應明顯，王月福等[21]研究認為固氮植物在富鉀情況下根瘤菌固氮能力提高42.5%～48.3%，即缺鉀情況下，固氮植物的改土增肥效應較差，研究區花棒SKI較低可能與虧鉀多有關。研究區整體鉀素富足，但速效鉀缺乏現象仍然存在，農地要針對性采取施有機肥、鉀肥、秸稈還田等增鉀措施。

4 結論

（1）綠洲區地類間，有效鉀（速效鉀和有效性鉀）和潛在鉀（緩效鉀）普遍差異顯著且高出對照1.1～2.9倍，而儲量鉀（礦物鉀和全鉀）差異小且整體稍高于對照;大多地類速效鉀含量屬“2～3級”富鉀情況，部分林地和農地（玉米、花葵）已顯缺鉀;有效性鉀中近50%由緩效鉀轉化供給，鉀素潛源緩效鉀平均轉化率高達22.7%;礦物儲量鉀較富足但95%以上對植物短期無效。

（2）6個鉀素評價指標對鉀素整體貢獻和影響高達92%，評價科學可靠，排序為有效鉀因子（有效性鉀>速效鉀>緩效鉀）、儲量鉀因子（礦物鉀和全鉀）和轉化鉀因子（緩效鉀轉化率）;SKI>0.5的達82%，;SKI>0.6的達51%，供鉀能力整體較強，但不富足。

（3）建議林地種植二白楊、小美旱楊、檉柳和沙棗、檸條、沙棘等固氮植物（花棒除外）;農地種植番茄、籽瓜、油葵經濟作物和苜蓿等豆科固氮牧草;在干旱黃灌區干濕交替促進鉀素高效轉化和持續供應，雖然整體鉀素較高但部分農地需少量補鉀。

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