長期施用鉀肥和稻草對紅壤雙季稻田土壤供鉀能力的影響*

廖育林魯艷紅謝 堅聶 軍?楊曾平周 興

（1 湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125）

（2 農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，長沙 410125）

長期施用鉀肥和稻草對紅壤雙季稻田土壤
供鉀能力的影響*

廖育林1，2魯艷紅1，2謝 堅1，2聶 軍1，2?楊曾平1，2周 興1

（1 湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125）

（2 農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，長沙 410125）

以紅壤雙季稻區長期定位施肥試驗（1981―2012年）為基礎，研究了長期施用化肥和稻草對雙季稻集約化種植下水稻產量、作物吸鉀量和土壤供鉀能力的影響。結果表明，施鉀能增加水稻稻谷和稻草的產量；水稻從土壤中的吸鉀量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加，年平均吸鉀量順序為NPK+RS（施氮磷鉀化肥+稻草）＞NPK（施氮磷鉀化肥）＞NP+RS（施氮磷化肥+稻草）＞CK（不施任何肥料）＞NP（施氮磷化肥）；長期不施用或施用不足量鉀肥（CK、NP、NP+RS）會導致耕層土壤速效鉀、緩效鉀和全鉀數量的虧缺。長期施用鉀肥和稻草不僅有利于土壤伊利石含量的增加，而且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發展；施鉀能增加土壤黏粒中的游離伊利石和伊利石的含量，長期施用鉀肥和稻草會使土壤黏粒中的蛭石向伊利石轉化。土壤鉀素的容量-強度（Q/I）曲線參數可以解釋長期施用鉀肥和稻草處理土壤供鉀能力強是由于這些處理的活性鉀（-ΔK°）量高、專性吸附鉀位（Kx）多、有效鉀強度（AReK）強、緊吸持K+量多，而潛在緩沖容量（PBCK）、吉布斯自由能（-ΔG）和陽離子交換系數（KG）較長期不施鉀肥處理低。綜上，在施氮磷肥的基礎上，配施鉀肥和稻草還田不僅能提高水稻高產、穩產的能力，而且對促進水稻對鉀的吸收量、增強土壤的鉀吸持能力、保持農田鉀素平衡以及提高土壤供鉀能力有重要作用。

長期施鉀；紅壤水稻土；產量；含鉀黏土礦物；供鉀能力

鉀是植物生長所必需的大量營養元素，在農業生產中具有不可替代的重要作用。我國是一個鉀肥資源相對匱乏的國家，土壤鉀素供應不足已嚴重制約農業生產的發展［1-3］。因此，有關土壤供鉀能力評價及長期施肥對土壤供鉀能力影響的研究仍將是我國土壤肥料工作面臨的一項長期而艱巨的任務。

土壤中的鉀以不同的形態存在，土壤供鉀能力主要由土壤中有效鉀（水溶性鉀和交換態鉀）含量以及非交換態鉀和礦物鉀向有效鉀轉化速率及數量等因素共同決定。有效鉀一般情況下是當季作物吸鉀的主要來源，因此，有效鉀含量通常作為表征土壤鉀素供應狀況的重要指標。非交換性鉀（或緩效鉀）包括含鉀礦物（如黑云母）晶格內的鉀和含鉀礦物（如蛭石等2∶1型層狀硅酸鹽礦物）所固定的鉀，主要靠庫侖引力固持在次生礦物層間，具有較為復雜的結構，在一定條件下可以轉化為交換性鉀或土壤溶液鉀。研究表明土壤中各形態鉀可以相互轉化，其轉化的方向、程度和速率受諸多因素影響［4-6］，其中礦物組成及其數量對土壤供鉀能力或供鉀潛力有至關重要的影響［6-9］。

關于土壤供鉀能力的評價，國內外開展了很多研究［4-7］。鉀對作物的有效性不僅與可利用的鉀數量有關，且受土壤其他伴隨離子的影響。因此，以物理化學為基礎，用鉀的活度比、鉀位、強度因素、容量因素和位勢緩沖容量等熱力學參數及以鉀的容量因子對強度因子作圖的Q/I曲線已被廣泛地應用于土壤供鉀能力的評價［8］。

在已有研究中，對于水稻連作條件下土壤鉀素形態變化及有效性轉化、作物根系與土壤轉化的相互作用過程以及有機和無機肥源鉀在氧化還原作用下與土壤間的相互作用等機理尚未完全清楚。因而，開展水稻長期連作條件下土壤鉀素形態變化和土壤含鉀黏土礦物變化特征的研究，對于充分利用土壤自身供鉀能力、合理配施有機和無機肥源鉀來滿足水稻對鉀的需求具有重要意義［10-12］。本文主要研究紅壤雙季稻種植制度下長期施用鉀肥和稻草還田對水稻產量、作物吸鉀量、土壤鉀素形態變化以及土壤主要黏土礦物的組成、數量和鉀素容量與強度的影響，并探討施用鉀肥和稻草條件下土壤鉀素形態變化特征、含鉀黏土礦物轉化與土壤中鉀離子（K+）的吸附與解吸特性，以期為紅壤雙季稻田土壤的合理和有效施鉀提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站雙季稻長期肥料試驗點位于湖南省望城縣黃金鄉（112°80′ E，28°37′ N，海拔高度為100 m）。試驗于1981年開始，1981—2012年的年均降雨量為1 393 mm，年平均氣溫18℃，年平均無霜期大約為300 d。供試土壤為第四紀紅土發育的水稻土（粉質輕黏土，土壤分類為普通簡育水耕人為土）。試驗開始前耕層土壤基本性狀為：pH 6.6，土壤有機質34.7 g kg-1，全氮 2.05 g kg-1，堿解氮 151.0 mg kg-1，全磷 0.66 g kg-1，有效磷 10.2 mg kg-1，全鉀 14.2 g kg-1，速效鉀 62.3 mg kg-1，緩效鉀 173.8 mg kg-1。

1.2 試驗設計

該長期肥料試驗共設9個處理，3次重復，27個小區，為區組排列。每個小區面積為66.7 m2，小區之間用30 cm寬水泥埂隔開，區組之間的排水溝寬度為50 cm，區組之間用水泥埂隔開，以避免灌溉水串灌和處理之間的交叉污染。研究選擇了5個處理：（1）CK（不施任何肥料）；（2）NP（施氮磷化肥）；（3）NPK（施氮磷鉀化肥）；（4）NP+RS（施氮磷化肥+稻草）；（5）NPK+RS（施氮磷鉀化肥+稻草）。氮、磷和鉀化肥品種分別是尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。在1981—2012年期間，氮肥按早稻150 kg hm-2（以N計）和晚稻180 kg hm-2（以N計）施入；磷肥按早、晚稻每季38.7 kg hm-2（以P計）施入；鉀肥按早、晚稻每季99.6 kg hm-2（以K計）施入；稻草還田量按早、晚稻每季干稻草2.1 t hm-2施入（折合養分N 21.4 kg hm-2、P 2.8 kg hm-2和K 54.6 kg hm-2）。磷肥、鉀肥和稻草在插秧前1 d施用，并混入土壤。氮肥分兩次施入：50%的氮在插秧前1 d施入，余下50%的氮在分蘗初期施入。供試水稻品種（組合）早稻為常規稻，晚稻為雜交稻（每3～5年換一批當地主推早晚稻水稻品種）。早稻于4月底移栽，7月中旬收獲；晚稻于7月中下旬移栽，10月下旬收獲。秧苗生長期為30～35 d，早稻每穴栽插4～5株秧苗，晚稻每穴栽插1～2株秧苗，株行距20 cm×20 cm，冬季休閑，不進行灌溉和栽培作物，其他的田間管理措施與當地農民的大田管理相同。

1.3 樣品采集與測試方法

1981—2012年期間，早、晚稻每小區單打單收稱計實產，多點混合采集植株樣品；植株樣品中鉀素含量采用火焰光度計法測定［13］。

土壤樣品于2012年11月2日（晚稻收獲后1周），用具有刻度的管形取土器分別采集CK、NP、NPK、NP+RS和NPK+RS處理小區0～15 cm耕層土樣，運回室內后，置于室溫下風干，磨細過篩，貯存于密封廣口瓶內備用。土壤全鉀用NaOH熔融，火焰光度計法測定［13］；土壤緩效鉀用1 mol L-1熱HNO3浸提，火焰光度計法測定［13］；土壤速效鉀用1 mol L-1中性NH4OAc浸提，火焰光度計法測定［13］；土壤容重采用自制的環刀（高15 cm、內徑10 cm）進行測定，其他理化性狀均采用常規方法測定［13］。

黏土礦物組成采用定向黏土制備的經典X-射線衍射法（XRD）［14］和數值圖解法測定［15］。小于5 μm黏土的提取用吸管法分離，按X-射線衍射法分4項對提取的小于5 μm黏土進行載玻片樣品制備。即：（1）鎂飽和甘油處理定向樣品（EG片）制備：稱取1 g左右小于5 μm黏土樣品放入加有2～3滴5%甘油的0.5 mol L-1MgCl2溶液中，用球狀玻璃棒充分攪拌，稱取0.05 g鎂飽和甘油處理試樣加入2～3 ml純水，充分攪拌使其分散，吸出1.5 ml懸液，在潔凈的平面載玻片上均勻鋪開，靜置晾干，制備成定向薄膜試樣，做好的載玻片置于干燥器中保留24 h后待測；（2）鉀飽和處理自然風干定向樣品（K片）制備：在鉀飽和試驗處理中，稱取5 g左右小于5 μm黏土樣品放入1 mol L-1KCl溶液中，分別振蕩和離心5 min，重復操作該步驟5次，然后用蒸餾水漂洗5次除去過量KCl，稱取0.05 g鉀飽和處理試樣加入2～3 ml純水，按（1）方法制成定向薄膜試樣，自然風干約24 h待檢測；（3）鉀飽和處理后300℃處理定向樣品（K300片）制備：將（2）方法中制成的樣品放入馬弗爐中緩慢加熱至300℃恒溫2 h，然后冷卻至60℃左右取出，貯于盛有無水氯化鈣的干燥器中待檢測；（4）鉀飽和處理后550℃處理定向樣品（K550片）制備：把（2）方法中制成的樣品放入馬弗爐中緩慢加熱至550℃恒溫2 h，其余步驟同（3）方法；每項分析都要制備相應的樣品，具體的制樣方法詳見用X射線衍射分析鑒定黏土礦物制備方法［16-17］。XRD分析所使用的儀器為Bruker D8衍射儀（Bruker，Aks，Gmbh，德國），由X射線發生器（PW 3373/00）、測角儀（PW3050/60）、計數器及自動記錄裝置組成，射線管陽極為銅靶（Cu Ka輻射），從2到15°2θ步寬對樣品進行掃描。礦物的衍射峰面積用NEWMOD程序計算［18］。為便于比較，初始土壤（IS）和2012年土壤一起進行相關測定。

土壤樣品鉀的容量和強度關系采用Beckette［19］提出的方法測定。根據提取液加入前K+濃度與平衡液中K+濃度之差求出土壤K+得失量（ΔK），由平衡液中K+、Ca2+和Mg2+的濃度計算出活性鉀（-ΔK°）、專性吸附鉀（KX）、有效鉀強度（AReK）、潛在緩沖容量（PBCK）、吉布斯自由能（-ΔG）、緊吸持K+和陽離子交換系數（KG）等參數。

1.4 數據處理

數據處理及分析采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.5等數據處理系統。為反映長期試驗的整體性和連續性，表1中水稻產量和水稻吸鉀量數據為1981―2012年間32年64季水稻早、晚稻的平均數據。表2中耕層土壤不同形態鉀數量（kg hm-2）為單位面積（公頃）內15 cm土層不同形態鉀（交換性鉀、非交換性鉀和全鉀）含量（mg kg-1或g kg-1）與土層土壤容重（g cm-3）和土層深度（15 cm）的乘積。

2 結 果

2.1 長期施用鉀肥和稻草對水稻產量和吸鉀量的影響

研究期間早晚稻稻谷和稻草的平均產量及鉀素吸收量見表1。施鉀能增加稻谷和稻草的產量，早、晚稻稻谷的產量高低順序均為NPK+RS＞NPK ＞NP+RS＞NP＞CK。施化肥鉀的NPK和NPK+RS處理較相應的NP和NP+RS處理早稻稻谷分別增加15.9%和12.5%，稻草增加21.3%和6.4%；晚稻稻谷分別增加17.5%和9.5%，稻草增加33.9%和16.6%。水稻從土壤中的鉀吸收量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加。不施鉀肥的NP處理鉀素吸收量最低（103.4 kg hm-2a-1），其次是不施肥的對照處理（109.2 kg hm-2a-1）。NPK+RS和NP+RS處理中籽粒和稻草的平均鉀素吸收量較相對應的NPK和NP處理的高，年平均鉀素吸收量較NPK和NP處理分別增加了109.8 kg hm-2a-1和81.26 kg hm-2a-1。稻草能替代化學鉀肥滿足水稻對鉀素的需要，同時提高水稻產量；另外，稻草為水稻也提供了N、P和有機質等養分。

2.2 長期施用鉀肥和稻草對耕層土壤不同形態鉀數量的影響

施鉀量較高的NPK和NPK+RS處理的交換性鉀量明顯高于其他處理（表2），32年水稻作物循環后，NPK+RS處理耕層土壤的交換性鉀數量增加，而非交換性鉀處于虧缺狀態。32年NP+RS處理的非交換性鉀下降了25 kg hm-2。與交換性鉀和非交換性鉀不同，32年種植水稻作物后所有處理耕層土壤全鉀數量均下降。NP+RS處理全鉀虧缺量最高（2 147 kg hm-2）。全鉀的虧缺不能真實反映非交換性鉀的土壤檢測值，如NPK和NPK+RS處理耕層土壤交換性鉀量增加，而全鉀處于凈虧缺，分別虧缺1 047 kg hm-2和1 373 kg hm-2。

2.3 長期施用鉀肥和稻草對紅壤水稻土含鉀礦物組成的影響

從鎂飽和甘油處理的小于 5 μm黏粒衍射峰圖譜（圖1）可知，不同處理土壤具有相同的礦物組成。所有測試處理的衍射峰均出現在1.42 nm、1.00 nm和0.72 nm附近。鎂飽和甘油處理之后的衍射峰未移動，說明不同施肥土壤均不含膨脹黏土礦物。鉀飽和處理之后，CK和NP處理土壤1.42 nm的蛭石-綠泥石（V/CH）相對峰強度增加，表明V/ CH礦物間層中存在可交換性羥基離子。鉀飽和后300℃熱處理土壤中1.42 nm處向1.00 nm峰收縮移動，形成一個寬帶；鉀飽和后550℃熱處理土壤中1.42 nm峰全部收縮成不對稱的1.00 nm峰，證明土壤中存在介于綠泥石與蛭石類型的過渡礦物［20］。

表1 長期施用鉀肥和稻草對水稻產量和吸鉀量的影響Table 1 Effect of long-term application of K fertilizer and rice straw on yield and K uptake of rice

表2 長期施鉀對2012年耕層土壤不同形態鉀數量的影響Table 2 Effect of long-term K fertilization on contents of different forms of K in the topsoil layer of reddish paddy soil in 2012（kg hm-2）

根據各礦物特征峰的面積計算出各種黏土礦物峰面積的相對百分率（表3）。小于5 μm黏粒部分中的主要礦物是蛭石-綠泥石（V/CH），占總衍射峰面積的35.99%～39.61%，其次是高嶺石（KL）（25.12%～28.75%）、伊利石（IL）（14.37%～24.29%）和蛭石-綠泥石/伊利石混層礦物（ML）（14.41%～18.45%）。長期施用鉀肥和稻草處理（NPK、NP+RS和NPK+RS）的V/ CH、KL和ML衍射峰面積百分率低于不施用鉀肥的（CK和NP）處理和初始土壤（IS），而伊利石衍射峰面積百分率大于不施鉀肥處理（CK和NP）和IS。將伊利石衍射峰分離成兩部分：1.42 nm附近的寬帶峰（結晶不良伊利石，PCI）和1.00 nm處的窄帶峰（晶格良好伊利石，WCI）。不同施肥處理對WCI和PCI衍射峰面積百分率有明顯影響。長期施用鉀肥和稻草的WCI和PCI衍射峰面積百分率高于不施鉀肥處理（NP和CK）和初始土壤，與不施用鉀肥的NP處理相比，NPK、NP+RS和NPK+RS處理WCI衍射峰面積百分率分別增加135.46%、134.75%和143.97%，PCI衍射峰面積百分率分別增加42.86%、28.48%和50.74%，且長期施用鉀肥和稻草的NPK（28.69%）、NP+RS（30.85%）和NPK+RS（28.32%）處理WCI衍射峰面積占總伊利石衍射峰面積百分比明顯高于不施用鉀肥的CK（20.95%）、NP（19.62%）處理和初始土壤（26.09%）。此結果說明，長期施用鉀肥和稻草不僅有利于土壤伊利石含量的增加，而且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發展。

圖1 不同施肥處理中黏粒部分（＜5 μm）的X―射線衍射圖譜Fig. 1 X-ray diffraction pattern of the clay fraction（＜5 μm）relative to fertilization treatment

表3 不同施肥處理中蛭石-綠泥石（V/CH）、蛭石-綠泥石/伊利石混層礦物（ML）、高嶺石（KL）、伊利石（IL）晶格良好伊利石（WCI）和晶格不良伊利石（PCI）衍射特征峰的百分比Table 3 Percentage of diffraction characteristic peak of vermiculite-chlorite（V/CH），vermiculite-chlorite/illite mixed-layer （ML），kaolinite（KL），illite（IL），well-crystallized illite（WCI），and poorly crystallized illite（PCI）relative to fertilization treatments（%）

連續32年種植64季水稻后，由于不同施鉀處理的伊利石峰面積百分率發生了變化，土壤黏粒在實驗室經鉀飽和處理后，所有鉀飽和處理的游離伊利石峰面積均較未經鉀飽和處理的面積增加（表4）。鉀飽和處理后，CK處理的游離伊利石峰面積由未經鉀飽和處理的11.92%增加至23.47%；NP處理的游離伊利石峰面積由未經鉀飽和處理的13.49%增加至26.88%；NPK、NP+RS和NPK+RS處理伊利石峰面積百分率由未經鉀飽和處理的12.36%、12.94%和12.22%分別增加至26.71%、24.27%和26.44%。不同施肥處理對混層蛭石-綠泥石/伊利石礦物中伊利石層峰面積百分率也有明顯影響（表4），長期施用鉀肥和稻草處理（NPK、NP+RS和NPK+RS）鉀飽和處理后的混層蛭石-綠泥石/伊利石礦物中伊利石衍射峰面積百分率略高于未經鉀飽和處理，而長期不施鉀肥處理（NP和CK）和初始土壤（IS）鉀飽和處理后的混層蛭石-綠泥石/伊利石礦物中伊利石層峰面積百分率略低于未經鉀飽和處理。所有處理鉀飽和處理后的總伊利石衍射峰面積百分率均高于未經鉀飽和處理，長期施用鉀肥和稻草NPK、NP+RS和NPK+RS處理經鉀飽和處理后的總伊利石衍射峰面積百分率分別較未經鉀飽和處理增加4.97%、6.36%和4.61%；而長期不施鉀肥NP、CK處理和初始土壤分別增加10.28%、11.13%和10.35%。所有處理鉀飽和處理后的總蛭石/綠泥石峰面積百分率均明顯低于未經鉀飽和處理，長期施用鉀肥和稻草NPK、NP+RS 和NPK+RS處理經鉀飽和處理后的總V/CH衍射峰面積百分率分別較未經鉀飽和處理降低16.32%、13.94%和8.74%；而長期不施鉀肥NP、CK處理和初始土壤分別降低21.04%、33.64%和20.64%。上述結果說明，長期施用鉀肥和稻草能促進土壤礦物從蛭石向伊利石方向發展。

表4 不同施肥處理經鉀飽和和未經鉀飽和處理不同礦物中蛭石-綠泥石和伊利石衍射峰面積的百分比Table 4 Percentage of diffraction peak area of vermiculite-chlorite and illite in K saturated and non K saturated minerals relative to fertilization treatment（%）

2.4 長期施肥對紅壤水稻土容量-強度（Q/I）參數的影響

連續32年種植64季水稻后，不同施肥處理之間土壤-ΔK°表現出明顯差異（表5）。CK和NP處理耕層土壤-ΔK°值較小，僅為0.1498 cmol kg-1和0.1608 cmol kg-1，說明長期不施肥和長期只施NP肥的條件下土壤溶液中的鉀很少。長期施NPK 和NPK+RS處理土壤-ΔK°值較大，分別為0.218 1 cmol kg-1和0.297 0 cmol kg-1，說明長期施鉀肥和鉀與稻草配合施用有更多的鉀素進入到土壤溶液。NPK+RS處理土壤-ΔK°值更大是因為除施入化學鉀肥外，每年施入土壤的稻草本身帶入了一定量的鉀素（109.2 kg hm-2）。NP+RS處理土壤-ΔK°值高于單施化學NP肥處理，但低于NPK和NPK+RS處理。

長期施用鉀肥和稻草處理土壤中的專性吸附鉀位（Kx）較多（表5）。ARek是衡量土壤易釋放鉀中鉀素有效性或強度（I）的指標。本研究結果表明，長期不施肥的CK處理和長期施NP處理的土壤ARek較小，分別僅為0.007 8（cmol kg-1）1/2和0.008 2（cmol kg-1）1/2，其中NP處理大于CK處理土壤；長期施NPK和NPK+RS處理土壤ARke較大，分別為0.014 5（cmol kg-1）1/2和0.0168 （cmol kg-1）1/2。NP與稻草長期配合施用處理土壤ARek高于單施NP處理，但明顯低于NPK和NPK+RS處理。Schuffelen和van Schouwenburg［21］認為，當ARek低于0.01（mol L-1）1/2時，大部分的鉀吸附在晶格層間交換位；ARek在0.01和0.1 （mol L-1）1/2之間時，大部分的鉀吸附在邊緣交換位；高于0.1（mol L-1）1/2時，大部分的鉀吸附在平面交換位。由此可以判斷，長期不施肥的CK處理和長期只施NP化肥處理小區土壤的鉀主要吸附在晶格層間交換位，長期施用NPK、NP+RS和NPK+RS處理小區土壤的鉀較多的部分被吸附在邊緣交換位。

PBCK反映了土壤潛在緩沖容量，即表示了一種土壤中土壤溶液保持K+強度的能力。比較不同處理小區耕層土壤的PBCK可以看出，CK和NP處理土壤的PBCK最大，分別為19.67 cmol kg-1/ （cmol kg-1）1/2和19.85 cmol kg-1/（cmol kg-1）1/2，其次是NPK和NP+RS處理，分別為15.11 cmol kg-1/ （cmol kg-1）1/2和15.48 cmol kg-1/（cmol kg-1）1/2，NPK+RS處理的PBCK最低，僅為14.29 cmol kg-1/ （cmol kg-1）1/2。以上結果說明，對于同一土壤而言，維持一個低鉀濃度溶液的能力較維持一個高鉀濃度溶液的能力強，同時表明，要提高CK和NP處理土壤溶液中鉀濃度則需要施用較大量的鉀才行。

表5 長期施用化肥和稻草對紅壤水稻土容量-強度參數的影響Table 5 Effect of long-term application of K fertilizer and incorporation of rice straw on Q/I parameters in reddish paddy soil

K和Ca+Mg交換自由能（-ΔG）指在標準狀態下（25℃）等當量的K交換等當量的Ca+Mg所需要的能量，是衡量K和Ca+Mg化學勢之差的一個指標。-ΔG越大，土壤對K的選擇性吸附越強（即KG越大），作物對鉀的吸收越困難，從而容易出現缺鉀；-ΔG越小，土壤對K的選擇性吸附越弱，鉀的植物有效性越高。一般而言，土壤易交換性鉀含量高，-ΔG低。長期不施鉀土壤（CK和NP）-ΔG較高，分別為15.34和14.87 kJ mol-1，長期施鉀土壤（NPK和NPK+RS）-ΔG較低，分別為10.50和9.79 kJ mol-1。Woodruff［22］的研究結果認為，當土壤-ΔG大于14.64 kJ mol-1時，容易出現缺鉀，而當-ΔG小于8.36 kJ mol-1時，則可能鉀素過多誘發缺鈣。由此判斷，長期不施肥的CK和NP處理土壤的-ΔG超過Woodruff研究的缺鉀閾值，處于嚴重缺鉀狀態；NP+RS處理土壤的-ΔG接近缺鉀閾值，處于缺鉀狀態；而NPK+RS處理土壤的鉀素不缺乏，但長期下去可能會誘發缺鈣［23］。

3 討 論

3.1 長期施用鉀肥和稻草對水稻產量和土壤鉀庫的影響

施鉀是增加水稻產量的重要農業措施。本研究的結果表明，長期施用鉀肥和稻草能增加水稻的產量，早晚稻稻谷產量隨鉀肥施用量的增加而增加；與NP處理相比，長期施用鉀肥和稻草的NPK、NP+RS和NPK+RS處理早稻稻谷產量平均分別增加15.9%、10.9%和24.7%，晚稻分別增加17.5%、14.4%和25.2%；早稻和晚稻稻草產量平均分別增加21.3%、9.0%、16.0%和33.9%、14.3%、33.3%。水稻從土壤中吸收鉀的量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加。不施鉀肥的NP處理鉀素吸收量最低（103.4 kg hm-2a-1），其次是不施肥的對照處理（109.2 kg hm-2a-1）。NPK+RS和NP+RS處理中籽粒和稻草的平均鉀素吸收量較相對應的NPK和NP處理的高，年平均鉀素吸收量較NPK和NP處理分別增加了109.8 kg hm-2a-1和81.26 kg hm-2a-1。比較表2中耕層土壤三種不同形態鉀數量的虧缺量，種植32年水稻作物后，所有處理耕層土壤的全鉀數量均下降，且NP+RS處理全鉀虧缺量最高，為2 147 kg hm-2；除NPK處理外，其他處理非交換性鉀量均處于虧缺狀態；交換性鉀量只有施用鉀肥量較高的NPK和NPK+RS處理處于盈余狀態，其他處理為虧缺。紅壤稻田土壤上，長期每年只施用4.2 t hm-2稻草的NP+RS處理，不能滿足水稻生長期間的鉀素平衡，長期施用會造成土壤三種不同形態鉀數量的虧缺，且由于每年較高稻谷（10.79 t hm-2）和稻草產量（8.04 t hm-2），每年平均帶走的鉀素量為213.18 kg hm-2，遠遠高于每年平均稻草鉀素的輸入量109.2 kg hm-2，施稻草能部分滿足水稻鉀素的需要，同時提高水稻的產量。此外，稻草為水稻也提供了N、P養分和有機質等養分，是造成NP+RS處理三種不同形態鉀虧缺量較大的主要原因［24］。

3.2 長期施用鉀肥和稻草對紅壤水稻土供鉀能力的影響

施鉀不僅是一個植物營養問題，而且也是一個伊利石為主要含鉀黏土礦物耕作土壤中黏粒保育的問題。肥料鉀可以被植物吸收，但在每年水稻生長期間，伊利石充當了土壤―植物鉀素供應的一種長期交換器。分解X-射線衍射圖表明，黏土礦物比例隨施肥處理不同而變化：長期施NP未改變高生產力條件下因稻株吸鉀量高而導致的土壤中伊利石含量降低，但在長期種植雙季稻的條件下，長期施用NP肥的基礎上配施鉀肥或稻草能提高土壤中的伊利石含量，而長期不施鉀肥卻使得土壤中的伊利石含量下降。本研究的結果與其他研究者的結果相似，長期施用鉀肥能促進礦物蛭石向伊利石轉化。據報道［25］，在26年肥料定位試驗期間，不施鉀肥導致伊利石含量大量減少，而致蒙脫石和層間伊利石-蒙脫石礦物增加。本研究中NPK、NP+RS 和NPK+RS處理黏粒的伊利石衍射峰面積百分率高于不施肥CK處理和不施鉀肥的NP處理，說明長期施鉀增加了伊利石的形成。長期施用鉀肥和稻草處理（NPK、NP+RS和NPK+RS）的WCI和PCI衍射峰面積百分率高于不施鉀肥處理（NP和CK）和初始土壤，且長期施用鉀肥和稻草NPK、NP+RS和NPK+RS處理的WCI衍射峰面積占總伊利石衍射峰面積百分比明顯高于不施用鉀肥的CK、NP處理和初始土壤。說明，長期施用鉀肥和稻草不僅有利于土壤伊利石含量的增加，而且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發展。

連續種植32年64季水稻之后，不同處理土壤鉀Q/I曲線成分表現出明顯差異，產生這些差異的原因可以從控制O/I曲線關系性質的土壤組分變化解釋。控制溶液中K+量的有兩種類型的土壤鉀親和位。O/I圖的曲線部分（下部分）代表特殊吸附或K+與其他陽離子的交換位，即高K+親和位；O/I圖的直線部分（上部分）代表K+-（Ca2++Mg2+）交換反應，即低K+親和位。Q/I曲線線性部分鉀的相對親和力受有機質含量和pH的影響。本研究證明，隨著長期施用稻草處理土壤有機質含量的增加，耕層土壤的K（KG）親和力下降，另一方面，隨著長期施用稻草處理土壤有機質的增加，pH隨長期施稻草而下降；在一些土壤對Na+-Ca2+交換的試驗證明，土壤一價離子的相對親和力以及表面電荷密度受pH降低而下降的影響較大［26］。也有研究注意到，有機質對K的親和力低于土壤礦物［27］。Q/ I曲線的下部通常與高親和K位點有聯系。在本研究中，高親和K位點定義為中性1 mol L-1NH4OAc提取K+量減去Q/I曲線線性部分y截距測定的ΔK°量。連續種植32年64季水稻之后，不同處理之間的最大差異在耕層土壤有機質含量方面。NP+RS和NPK+RS兩個長期施用稻草處理的土壤有機質含量較高，CK和NP處理的土壤有機質含量較低［5］。數據表明，無有機質積累的CK和NP處理土壤中高親和K量較低，且兩種處理的數值接近。高有機質積累的NPK+RS處理耕層土壤，緊吸持K+的數量明顯高于其他處理土壤。

評價土壤供鉀能力的強弱時，除考慮土壤中植物吸收的有效鉀量、含鉀黏土礦物的組成、施鉀量的多少和土壤鉀吸附與解吸的數量與速率以及它們之間的交互效應等的作用外，還需要綜合考慮其他因素對土壤供鉀能力的影響，如土壤有機質含量的差異、堿性陽離子（Ca2+、Mg2+、Na+）和pH變化等因素的影響。肥料長期定位試驗具有常規試驗不可比擬的優點，通過研究長期不同施肥模式對水稻產量、作物吸鉀量、土壤鉀素形態變化以及土壤主要黏土礦物的組成、數量和鉀素容量與強度的影響，探討了長期施用鉀肥和稻草條件下土壤鉀素形態變化特征、含鉀黏土礦物轉化及土壤中K+的吸附、解吸特性與施鉀量之間的變化關系，可以深入了解長期施用鉀肥和稻草條件下，土壤供鉀能力復雜的化學行為，預測施入土壤鉀素的變化和土壤供給植物鉀素營養的本質特征。本文僅就南方紅壤水稻土雙季稻種植制度下，長期施用鉀肥和稻草對水稻產量、水稻吸鉀量、耕層土壤中的不同鉀素量、小于5 μm黏粒中含鉀黏土礦物的變化和土壤鉀素容量-強度（Q/I）參數等進行了初步探討，對于促進南方雙季稻區科學合理施用鉀肥具有一定的現實意義。但耕層土壤（0～15 cm）以下土層的供鉀情況，不同處理中土壤的供鉀能力和含鉀黏土礦物的變化與水稻作物需鉀有效性的關系等均有待做進一步研究。

4 結 論

連續32年64季水稻種植條件下，長期施用化肥和稻草對集約化種植下雙季稻產量、作物吸鉀量和土壤供鉀能力的影響較大：施鉀能增加水稻稻谷和稻草的產量，水稻從土壤中的吸鉀量隨鉀肥施用量的增加而顯著增加，長期不施用或施用不足量鉀肥會導致土壤速效鉀、緩效鉀和全鉀量的虧缺；長期施用鉀肥和稻草有利于土壤伊利石含量的增加，且有利于晶格不良伊利石向晶格良好伊利石的方向發展；長期施用鉀肥和稻草會使土壤黏粒中的蛭石向伊利石轉化；長期施用鉀肥和稻草處理活性鉀（-ΔK°）量高、專性吸附鉀位（Kx）多、有效鉀強度（ARe

K）強、緊吸持K+量多，而潛在緩沖容量（PBCK）、吉布斯自由能（-ΔG）和陽離子交換系數（KG）較低是導致這些長期施鉀處理供鉀能力較強的主要原因。

致 謝感謝湖南省土壤肥料研究所鄭圣先研究員在X-射線衍射峰判別和Q/I曲線參數計算中提供的方法和幫助。

［1］黃紹文，金繼運，王澤良，等. 北方主要土壤鉀形態及植物有效性研究. 植物營養與肥料學報，1998，4 （2）：156—164

Huang S W，Jin J Y，Wang Z L，et al. Native potassium forms and plant availability in selected soils from northern China（In Chinese）. Plant Nutrition and Fertilizer Science，1998，4（2）：156—164

［2］廖育林，鄭圣先，黃建余，等. 施鉀對缺鉀稻田土壤鉀肥效應及土壤鉀素狀況的影響. 中國農學通報，2008，24（2）：255—260

Liao Y L，Zheng S X，Huang J Y，et al. Effect of application of K fertilizer on potassium efficiency and soil K status in deficit K of paddy soil（In Chinese）. Chinese Agricultural Science Bulletin，2008，24 （2）：255—260

［3］Liao Y L，Zheng S X，Lu Y H，et al. Long-term effect of fertilizer and pig manure and rice straw application on rice yield，potassium uptake in plants and potassium balance in double rice cropping system. Frontiers of Agriculture in China，2010，4（4）：406—415

［4］Scherer H W，Zhang Y S. Mechanisms of fixation and release of ammonium in paddy soils after flooding：III. Effect of the oxidation state of octahedral Fe on ammonium fixation. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2002，165（2）：185—189

［5］Liao Y L，Zheng S X，Nie J，et al. Long-term effect of fertilizer and rice straw on mineral composition and potassium adsorption in a reddish paddy soil. Journal of Integrative Agriculture，2013，12（4）：694—710

［6］廖育林，魯艷紅，謝堅，等. 長期施用化肥和稻草對雙季稻田鉀素運移的影響. 水土保持學報，2013，27 （5）：199—204

Liao Y L，Lu Y H，Xie J，et al. Efeects of long-term application of chemical fertilizer and rice straw on potassium transport in double cropping rice field（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2013，27（5）：199—204

［7］金繼運. 我國北方土壤缺鉀及鉀肥應用的發展趨勢//中國農業科學院土壤肥料研究所，加拿大鉀磷研究所北京辦事處. 北方土壤鉀素和鉀肥效益. 北京：中國農業科技出版社，1994：1—5

Jin J Y. Development of potassium application and lack of soil potassium in North China// Soil and Fertilizer Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Peking Office of Canada Phosphorus and Potassium Institute. Soil K and yield responses in North China（In Chinese）. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press，1994：1—5

［8］鄭圣先，羅成秀，戴平安. 湖南省主要稻田土壤供鉀能力的研究. 中國農業科學，1989，22（1）：75—82

Zheng S X，Luo C X，Dai P A. Potassium supplying capacity of main paddy soil in Hunan Province（In Chinese）. Scientia Agricultura Sinica，1989，22 （1）：75—82

［9］范欽楨，謝建昌. 長期肥料定位試驗中土壤鉀素肥力的演變. 土壤學報，2005，42（4）：591—599

Fan Q Z，Xie J C. Variation of potassium fertility in soil in the long-term stationary experiment（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2005，42（4）：591—599

［10］謝建昌，周健民，Hardter R. 鉀與中國農業. 南京：河海大學出版社，2000

Xie J C，Zhou J M，Hardter R. Potassium in Chinese agriculture（In Chinese）. Nanjing：Hohai University Press，2000

［11］陳防，魯劍巍，萬運帆，等. 長期施鉀對作物增產及土壤鉀素含量及形態的影響. 土壤學報，2000，37 （2）：233—241

Chen F，Lu J W，Wan Y F，et al. Effect of long term potassium application on soil potassium content and forms（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2000，37（2）：233—241

［12］廖育林，鄭圣先，魯艷紅，等. 長期施鉀對雙季稻種植制度下紅壤水稻土水稻產量及土壤鉀素狀況的影響. 植物營養肥料學報，2009，15（6）：1373—1380

Liao Y L，Zheng S X，Lu Y H，et al. Effect of longterm K fertilization on rice yield and soil K status in reddish paddy soil（In Chinese）. Plant Nutrition and Fertilizer Science，2009，15（6）：1373—1380

［13］魯如坤. 土壤農業化學分析方法. 北京：中國農業科技出版社，2000

Lu R K. Analytic methods for soil and agro-chemistry （In Chinese）. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press，2000

［14］Moore D E，Reynolds R C. X-ray diffraction and the identification of clay minerals. 2nd ed. New York：Oxford University Press，1997

［15］Lanson B. Decomposition of experimental X-ray diffraction patterns（profile fitting）：A convenient way to study clay minerals. Clays & Clay Minerals，1997，45（2）：132—146

［16］蒲海波. 用X射線衍射分析鑒定黏土礦物的方法. 勘察科學技術，2011（5）：12—14

Pu H B. Method of identifying clay mineral by X-ray diffraction analysis（In Chinese）. Site Investigation Science and Technology，2011（5）：12—14

［17］張榮科，范光. 黏土礦物X射線衍射相定量分析方法與實驗. 鈾礦地質，2003，19（3）：180—185

Zhang R K，Fan G. Quantitative analytic method and experiments of X-ray diffraction phase of clay minerals （In Chinese）. Uranium Geology，2003，19（3）：180—185

［18］Reynolds R C. NEWMOD：a computer program for the calculation of one dimensional diffraction patterns of mixed layered clay minerals，1985

［19］Beckett P H T. Studies on soil potassium.Ⅱ.Theimmediate Q/I relations of labile potassium in the soil. Journal of Soil Science，1964，15（1）：9—23

［20］Liu Y L，Zhang B，Li C L，et al. Long-term fertilization influences on clay mineral composition and ammonium adsorption in a rice paddy soil. Soil Science Society of America Journal，2008，72（6）：1580—1590

［21］Schouwenburg J C，van Schuffelen A C. Potassiumexchange behavior of an illite. Netherlands Journal of Agricultural Science，1963，11：13—22

［22］Woodruff C M. Cation activities in the soil solution and energies of cationic exchange. Soil Science Society of America Proceedings，1955，19：98—99

［23］魯艷紅，廖育林，聶軍，等. 長期施用氮磷鉀肥和石灰對紅壤性水稻土酸性特征的影響. 土壤學報，2016，53（1）：202—212

Lu Y H，Liao Y L，Nie J，et al. Effect of long-term fertilization and lime application on soil acidity of reddish paddy soil（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2016，53（1）：202—212

［24］廖育林，鄭圣先，聶軍，等. 長期施用化肥和稻草對紅壤性水稻土非交換性鉀釋放動力學的影響. 土壤，2011，43（6）：941—947

Liao Y L，Zheng S X，Nie J，et al. Effects of longterm application of fertilization and rice straw on release kinetics of non-exchangeable potassium in reddish paddy soil（In Chinese）. Soils，2011，43（6）：941—947

［25］Tributh H，von Boguslawski E，van Lieres A，et al. Effect of potassium removal by crops on transformation of illitic clay minerals. Soil Science，1987，143 （6）：404—409

［26］Pratt P F，Whittig L D，Grover B L. Effect of pH on the sodium-calcium exchange equuilibria in soils. Soil Science Society of America Proceedings，1962，26：227—230

［27］Salmon R C. Cation exchange reactions. Journal of Soil Science，1964，15（2）：273—283

Effects of Long-term Application of Chemical Potassium Fertilizer and Incorporation of Rice Straw on Potassium Supplying Capacity of Red Soil in Double Cropping Paddy Field

LIAO Yulin1，2LU Yanhong1，2XIE Jian1，2NIE Jun1，2?YANG Zengping1，2ZHOU Xing1
（1 Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province，Changsha 410125，China）
（2 Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation（Hunan），Ministry of Agriculture，Changsha 410125，China）

【Objective】Based on a long term fertilization experiment（1981～2012）in a doublecropping paddy field in Hunan Province，effects of long-term application of chemical potassium（K）fertilizer and incorporation of rice straw on yield and K uptake of rice and soil K supplying capacity in the double-cropping paddy field under intensive cultivation were explored. 【Method】 Rice yield，K uptake by shoot of rice，soil K pool including exchangeable K，non-exchangeable K and total K，soil K mineralogical characteristics and soil K supply capacity were determined. 【Result】 Results show that application of chemical potassium fertilizer and/or incorporation of rice straw increased the yields of rice grains and rice straw. Potassium uptake by the shoot of rice was significantly increased with rising K application rate. In terms of mean annual K uptake by the shoot of rice，the treatments displayed a decreasing order of NPK+RS ＞NPK＞NP+RS＞CK＞NP. Long-term application of nil or insufficient K fertilizer，like in Treatments CK，NP and NP+RS，caused depletion of exchangeable potassium，non-exchangeable potassium and total potassium in the topsoil. Long-term application of chemical K fertilizer and/or incorporation of rice straw not only increased the content of illite in soil clay，but also benefitted the transformation of poorly crystallized illite to well crystallized illite. The in-lab potassium saturation experiment on clay shows that K application increased the content of free illite and illite in clay of the soil，and expanded the diffraction peak area oftotal illite in K saturated soil，but reduced that of total V/CH. Moreover，in Treatments NPK，NP+RS and NPK+RS，compared with non-K saturation，K saturation reduced the diffraction peak area of total V/CH by an extent，lower than that in Treatments NP and CK，which indicates that long-term application of K fertilizer and incorporation of rice straw helps transform vermiculite into illite. The K quantity/ intensity（Q/I）curve parameters can be used to explain that the high K supplying capacity of the treatments of long-term application of chemical K fertilizer and/or incorporation of rice straw is attributed to higher labile K content（-ΔK°），more specific K+adsorption sites（Kx），higher available K intensity（AReK），and higher tightly-held K+content. However，these treatments are lower than those K absent treatments in potential buffering capacity （PBCK），Gibbs free energy（-ΔG），and gapon cation exchange selectivity（KG）. 【Conclusion】Long-term application of K fertilizers and/or incorporation of rice straw in addition to conventional fertilization in doubling rice cropping paddy field will not only significantly increase and stabilize yield of the rice，but also promote K uptake by shoot of the rice，improves soil K holding capacity，maintain soil potassium balance and build up soil K supplying capacity.

Long-term K fertilizer application；Reddish paddy soil；Yield；K-bearing clay minerals；Potassium supplying capacity

S143.3；S153.6

A

10.11766/trxb201607200258

（責任編輯：陳榮府）

* 國家科技支撐計劃項目（2013BAD07B11）、公益性行業（農業）科研專項經費項目（201203013-06）和湖南省自然科學基金項目（2016JJ6063）資助 Supported by the National Key Technology R&D Program of China（No. 2013BAD07B11），the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China（No. 201203013-06）and the Natural Science Foundation of Hunan Province of China（No. 2016JJ6063）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：junnie@foxmail.com

廖育林（1975—），男，湖南新化人，博士，副研究員，主要從事植物營養與施肥原理方面的工作。E-mail：ylliao2006@126.com

2016-07-20；

2016-09-17；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-10