干旱半干旱灌區(qū)土壤鉀的運(yùn)移及研究現(xiàn)狀

張 朋，尹飛虎，李光永

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院）

干旱半干旱灌區(qū)土壤鉀的運(yùn)移及研究現(xiàn)狀

張 朋1，尹飛虎2*，李光永1

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院）

鉀是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，在作物生長(zhǎng)發(fā)育中扮演著重要的角色，在提高作物產(chǎn)量和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面起著至關(guān)重要的作用，所以充分了解鉀在土壤中的存在狀態(tài)和運(yùn)移規(guī)律是非常必要的。文中重點(diǎn)綜述了在干旱半干旱條件下，土壤鉀素的平衡和循環(huán)、土壤鉀的固定釋放機(jī)制及影響運(yùn)移因素等方面的研究狀況，以求為進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究和指導(dǎo)科學(xué)施肥奠定基礎(chǔ)。

旱區(qū)；土壤；鉀素；運(yùn)移

鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素[1]，作為一個(gè)主要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，鉀在作物的許多生理過(guò)程中扮演著重要的角色，如在酶的活性、蛋白質(zhì)的合成和光合作用過(guò)程中[2]。盡管鉀在作物生產(chǎn)中有著至關(guān)重要的作用，但在過(guò)去傳統(tǒng)或轉(zhuǎn)基因育種中并沒(méi)有把鉀的吸收和利用率的提升作為主要焦點(diǎn)[3]。世界上缺鉀農(nóng)田的數(shù)量是非常大的。例如，在中國(guó)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(lái)越多的報(bào)道表明之所以存在鉀的缺乏是因?yàn)殁浀牧芟碵4]。

李比希提出礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)后，施用化肥就成為人們最為重視的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)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(yùn)移規(guī)律的狀態(tài)下，就盲目的大量施用化肥，不僅不會(huì)增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，反而增加了投入，造成資源浪費(fèi)，增加環(huán)境污染，同時(shí)還會(huì)引起土壤肥力退化[5]，所以，研究肥料在土壤的運(yùn)移特征就顯得尤為重要。鉀素作為植物必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，在土壤中的形態(tài)、運(yùn)移規(guī)律及利用率得到國(guó)內(nèi)外學(xué)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(xué)形態(tài)有關(guān)，也與其所處的空間位置有密切關(guān)系。對(duì)于整個(gè)土壤結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，植物根系約占土壤總?cè)莘e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(yǎng)分，則遠(yuǎn)不能滿足植物對(duì)鉀素的需求[6]。為了更進(jìn)一步的了解土壤中鉀素的供給量和作物對(duì)其的利用率，首先應(yīng)該弄明白土壤中鉀素的運(yùn)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(jìn)鉀肥施用技術(shù)和提高鉀肥利用效率[7]。本文就干旱半干旱灌區(qū)的土壤鉀素及其運(yùn)移研究現(xiàn)狀綜述如下。

1 土壤鉀的平衡與循環(huán)

目前干旱半干旱灌區(qū)的施肥現(xiàn)狀是重氮、磷肥，輕鉀肥，這就造成農(nóng)田三大營(yíng)養(yǎng)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(chǎn)增效的面積在不斷擴(kuò)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(huán)。土壤中鉀素的各種形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化，并處于一定的動(dòng)態(tài)平衡。

當(dāng)作物過(guò)度吸收土壤鉀素時(shí)，土壤速效鉀就會(huì)降低，緩效鉀也會(huì)出現(xiàn)降低趨勢(shì)；而土壤供給作物鉀素的虧缺部分是由土壤鉀庫(kù)提供的，故土壤鉀肥水平的高低受農(nóng)田土壤鉀素收支狀況的影響。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，保持土壤中有足夠的鉀素儲(chǔ)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(jìn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，土壤鉀素的平衡問(wèn)題必須得到重視。劉榮樂(lè)等[9]通過(guò)對(duì)我國(guó)東北、華北、西北地區(qū)的幾個(gè)田間定位試驗(yàn)研究表明：補(bǔ)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(xué)鉀肥，土壤鉀素收支趨于平衡；兩者配合施用時(shí)，土壤鉀素出現(xiàn)盈余。魯如坤等[10]提出了農(nóng)田養(yǎng)分平衡的評(píng)價(jià)方法和原則，為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中合理施用鉀肥、調(diào)控土壤鉀素水平提供了理論依據(jù)。朱向東等[11]提出平衡系數(shù)可以反映土壤鉀素管理對(duì)土壤鉀素平衡程度的調(diào)控效果，平衡系數(shù)大于1，說(shuō)明土壤鉀素有盈余；平衡系數(shù)小于1，說(shuō)明土壤鉀素有虧缺。謝建昌等[12]也提出在我國(guó)鉀肥供應(yīng)不足的大背景下，僅為了鉀素投入和產(chǎn)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(huì)玲等[8]通過(guò)研究也表明過(guò)量施用鉀肥會(huì)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(guò)度消耗后，土壤固鉀能力明顯增強(qiáng)。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(bǔ)給的主要方式之一。在降雨量大、滲透性高、陽(yáng)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(nóng)業(yè)成本，降低了肥料的利用率，還無(wú)法滿足作物對(duì)鉀素的需求。

2 土壤鉀素固定和釋放機(jī)制

土壤鉀素的固定和釋放作用是影響鉀肥有效性的兩個(gè)重要過(guò)程，二者之間的轉(zhuǎn)化是一個(gè)可逆過(guò)程，反應(yīng)方向取決于水溶性鉀和土壤交換性鉀的濃度和環(huán)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(zhuǎn)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(xiàn)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(zhì)地、水分、pH值等[14，15]。徐國(guó)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(fēng)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(jié)果顯示，多數(shù)土壤施鉀后可被當(dāng)季作物吸收利用的只有小部分，而大部分有效鉀會(huì)轉(zhuǎn)化為非交換性鉀，進(jìn)而降低鉀肥有效性，導(dǎo)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(rèn)為，施入土壤的鉀肥，只有在滿足固鉀能力較強(qiáng)土壤對(duì)鉀素的固定以后，才能發(fā)揮增產(chǎn)提質(zhì)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(tài)鉀轉(zhuǎn)化為可被植物直接吸收利用的交換性鉀，這種現(xiàn)象稱為鉀的釋放[19]。Li Ruan等[20]研究表明，鉀的釋放包括一個(gè)快速的釋放階段和一個(gè)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(bǔ)充土壤中水溶性鉀離子，為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供一定量的鉀。

3 土壤鉀素在土壤中運(yùn)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(dāng)遷移量超過(guò)根的吸收能力時(shí)，鉀就在根區(qū)富集；反之則在根區(qū)形成虧缺區(qū)。鉀在根區(qū)的富集程度和區(qū)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(yùn)移規(guī)律及影響因素，對(duì)改進(jìn)鉀肥施用技術(shù)和提高鉀肥利用率有重要的意義。

3.1 自然因素對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

3.1.1 不同成土母質(zhì)及質(zhì)地對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

土壤質(zhì)地會(huì)影響土壤對(duì)鉀運(yùn)移產(chǎn)生的阻滯作用，這是因?yàn)殁浰貢?huì)與土壤發(fā)生吸持反應(yīng)，土壤容重作為反應(yīng)土壤緊實(shí)程度的重要指標(biāo)，會(huì)影響鉀素在土壤中的擴(kuò)算。占麗平等[7]研究表明，性質(zhì)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(zhì)量不同，從而造成養(yǎng)分運(yùn)移的通路曲折不同，進(jìn)而影響鉀素的運(yùn)移。杜振宇等[21]認(rèn)為，鉀離子遷移的主要方式是擴(kuò)散，徐明崗等[22]研究結(jié)果表明，土壤體積質(zhì)量不同，單位土體內(nèi)的電荷密度隨之改變，因而改變了養(yǎng)分?jǐn)U散系數(shù)。Ghildyal BP的研究進(jìn)一步表明，當(dāng)土壤體積質(zhì)量由1.0g/cm3增至1.6g/cm3時(shí)，鉀素的擴(kuò)散系數(shù)有所增加。

3.1.2 土壤pH值和陪伴離子狀況對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

沈仁芳等的研究指出，高濃度的NH4+可促進(jìn)K+向下移動(dòng)。徐明崗[22]提出：無(wú)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(dāng)pH值在2.5以下時(shí)，土壤不固定鉀；pH值處于2.5～5.5時(shí)，土壤固鉀量迅速增加；pH值為5.5以上時(shí)固鉀量增加緩慢。

3.1.3 土壤溫度對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

土壤溫度是影響各形態(tài)鉀離子間相互轉(zhuǎn)化和土壤供鉀能力的一個(gè)重要因素。王文忠等[23]研究顯示，作物生長(zhǎng)后期，地溫升高能夠促進(jìn)土壤中緩效鉀向速效鉀轉(zhuǎn)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(xiàn)象。Nye PH[24]等通過(guò)研究認(rèn)為，溫度變化影響了土壤中養(yǎng)分?jǐn)U散系數(shù)，進(jìn)而影響到鉀素?cái)U(kuò)散，根據(jù)Stokes-Einstein公式，養(yǎng)分離子擴(kuò)散系數(shù)（D）和溫度（T）之間的關(guān)系為：D=KBT/6πriη，由此公式可看出，鉀的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度增加而增加。溫度影響鉀素?cái)U(kuò)散表現(xiàn)在兩方面：一是溫度升高，土壤水分黏滯度降低，鉀離子運(yùn)移時(shí)所受的水分阻力就會(huì)減小；二是溫度升高，粒子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能增加，擴(kuò)散動(dòng)力增加。

3.1.4 生物因素對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

各種生物因素也對(duì)土壤中鉀素運(yùn)移產(chǎn)生作用，占麗平等[7]研究結(jié)果表明，植物特性如對(duì)養(yǎng)分的需求量、生長(zhǎng)率、根系的生長(zhǎng)、根的表面積和根系密度等，都會(huì)影響土壤中鉀素向根系表面擴(kuò)散。Christian Zorb等[3]認(rèn)為，根系分泌物和土壤微生物能夠促進(jìn)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(yùn)移。

3.2 人為因素對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

3.2.1 肥料合理配施對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

李比希提出，植物的產(chǎn)量受土壤中含量最少的養(yǎng)分所支配，故大田施肥時(shí)各種肥料應(yīng)配合施用。同時(shí)，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(fā)揮鉀肥有效性，還可提高氮、磷肥的利用率。另?yè)?jù)張會(huì)民等[25]研究表明，長(zhǎng)期施用氮、磷肥可影響土壤鉀離子的吸附和解吸，長(zhǎng)期施用氮、磷肥增加了土壤對(duì)鉀的特殊吸附位點(diǎn)（KX），說(shuō)明長(zhǎng)期配施氮、磷肥能提高土壤對(duì)鉀離子的吸附能力，從而提高了土壤的保鉀、供鉀能力。長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤鉀離子吸附和解吸的平衡時(shí)間和平衡量也產(chǎn)生影響。

3.2.2 地膜覆蓋技術(shù)對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

地膜覆蓋栽培技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植方面應(yīng)用越來(lái)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(zhǎng)前期土壤溫度，激活鉀離子活性，促進(jìn)鉀離子向根表運(yùn)移。

3.2.3 人為控制水分因子對(duì)土壤鉀運(yùn)移的影響

水分是土壤中最活躍的因子，是土壤養(yǎng)分移動(dòng)的基質(zhì)，它對(duì)養(yǎng)分移動(dòng)性的影響十分明顯，土壤中養(yǎng)分是否有效與水分密切相關(guān)。土壤鉀素的擴(kuò)散速率隨土壤水分的增加而增加。王虎等[26]通過(guò)對(duì)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(duì)速效鉀在土壤中的徑向和豎向運(yùn)移距離影響不明顯，但滴頭流量增大到一定程度，會(huì)導(dǎo)致速效鉀豎向運(yùn)移距離減小，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出水分運(yùn)動(dòng)對(duì)鉀離子遷移的對(duì)流起主導(dǎo)作用。

滴灌施肥技術(shù)可充分發(fā)揮水肥耦合效應(yīng)，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(guī)肥中的鉀素在土壤中的垂直分布隨水的移動(dòng)性均較強(qiáng)，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(shì)，在棉花根系主要分布區(qū)域，滴灌專用肥的鉀素水平均高于常規(guī)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(duì)鉀的運(yùn)移也有影響，馮小明等[28]研究結(jié)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(yùn)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(zhì)水灌溉對(duì)土壤鉀釋放的影響，水中鎂離子含量高時(shí)，會(huì)對(duì)土壤鉀的釋放有明顯的促進(jìn)作用。

4 小結(jié)

鉀素作為作物必須的大量營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)促進(jìn)作物增產(chǎn)提質(zhì)具有重要的意義，但目前對(duì)鉀素的研究多集中在鉀的數(shù)量和形態(tài)的變化，對(duì)鉀素運(yùn)移的能量變化研究較少，今后應(yīng)加強(qiáng)鉀素運(yùn)移規(guī)律及運(yùn)移因素之間相互作用的研究。另外，還可以通過(guò)建立鉀素運(yùn)移模型，更精確地預(yù)測(cè)鉀在土壤中的動(dòng)態(tài)運(yùn)移，為高效利用土壤鉀素資源和提高鉀肥利用率奠定基礎(chǔ)。對(duì)于滴灌水肥一體化條件下，鉀肥在土壤中的分布、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律的了解還很有限，這將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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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?yàn)橹参餇I(yíng)養(yǎng)與農(nóng)田節(jié)水 。 E-mail：nkyyfh@sohu.com。