长期施肥下我国典型农田土壤钾素演变特征及机理

【摘要】： 为探索不同气候、不同轮作方式和长期施肥条件下土壤钾素的演变特征及其机理,采用室内模拟法和X射线衍射分析技术研究了长期施肥对我国7种典型农田土壤,即红壤、水稻土、灰漠土、塿土、潮土、黑土和紫色土固钾能力的影响,以0.01 mol/L CaCl2和0.01 mol/L草酸作为浸提介质研究了土壤非交换性钾释放动力学,并研究了长期施肥对土壤钾素Q/I关系的影响。结果表明: 长期不施钾肥条件下,除灰漠土速效钾外,土壤速效钾和缓效钾降低速率和降低幅度大小顺序为A类土壤(红壤)(5.72 mg/kg/a和38.7%)C类土壤(黑土和紫色土)(2.01～4.84 mg/kg/a和11.7%～18.2%)B类土壤(水稻土、塿土、灰漠土和潮土)(降低较少或不降低),其中B类土壤中潮土比其他土壤降低较多。长期NPK平衡施用条件下,A类和C类土壤速效钾和缓效钾含量或维持平衡或仍然降低,B类土壤或维持平衡或明显升高。有机肥和化肥长期配合施用(NPKM)条件下,A类土壤速效钾和缓效钾升高速率和升高幅度较小,B类土壤除灰漠土外升高较多,C类土壤基本维持平衡。 连续耕种施肥15年后,从X射线衍射图谱看,B类土壤施钾和不施钾土壤间主要含钾矿物的d001峰无差异,而A类和C类土壤表现出,与施NPK土壤相比,施NP土壤水云母矿物的d001峰略低,而绿泥石和蛭石或蒙脱石和云母-蒙脱石混层层间矿物的d001峰略高。 连续耕种施肥15年后,在外源钾加入浓度0.4～4.0 g/L的范围内,不同类型土壤固钾率大小顺序为C类土壤(19.4%～91.4%)B类土壤(9.8%～76.4%)A类土壤(0.8%～13.7%),其中C类土壤表现出黑土(27.9%～91.4%)高于紫色土(19.4%～84.0%),B类土壤表现出,水稻土和灰漠土(9.8%～51.8%)低于塿土和潮土(17.9%～76.4%)。与长期施NPK土壤相比,长期施NPKM土壤固钾能力无明显变化,长期施NP土壤表现为,C类土壤固钾能力提高幅度较大(12.4%～25.3%);B类土壤提高幅度较小(1.3%～14.7%),其中水稻土和灰漠土提高幅度低于塿土和潮土;A类土壤因其固钾能力极低而无明显变化。 用4种动力学方程即抛物线扩散、零级反应、一级反应和Elovich方程对土壤非交换性钾的释放动力学过程进行了数学模拟,其中抛物线扩散方程和一级反应方程能比较好地模拟土壤非交换性钾的释放动力学。在0.01 mol/L草酸中、用一级反应方程模拟土壤非交换性钾的释放时,不同类型土壤非交换性钾释放速率(b值)大小顺序为C类土壤(0.0170～0.0195/h)B类土壤(0.0136～0.0168/h)A类土壤(0.0124～0.0130/h),其中C类土壤中黑土(0.0185～0.0195/h)高于紫色土(0.0136～0.0149/h),B类土壤中塿土和潮土(0.0144～0.0168/h)高于水稻土和灰漠土(0.0136～0.0149/h)。就不同施肥土壤b值比较而言,其大小顺序为NPKMNPKCK、N、NP。 长期不施钾肥条件下,A类土壤(0.00041～0.00063 (mol/L)1/2)和C类土壤(0.00033～0.00099 (mol/L)1/2)K+平衡活度比(AR0)较小;B类土壤AR0值(0.00217～0.00637 (mol/L)1/2)较大,其中潮土AR0值(0.00217～0.00340 (mol/L)1/2)低于水稻土、塿土和灰漠土(0.00360～0.00637 (mol/L)1/2)。 无论施钾与否,不同类型土壤的钾位缓冲容量(PBC)大小顺序为C类土壤(48.2～143.8)B类土壤(19.6～48.8)A类土壤(12.7～20.3),其中B类土壤中潮土和水稻土(19.6～29.1)低于塿土和灰漠土(34.8～48.8)。长期不施钾与施钾土壤相比,C类土壤PBC值升高幅度(44%～50%)较大,其他土壤PBC值变化不大。 长期不施钾肥土壤全钾含量变化不大,缓效钾和速效钾含量降低,尤其是A类和C类土壤降低较多,钾素严重耗竭甚至使土壤水云母矿物层间的非交换性钾不断释放,使云母矿物出现膨胀性的层间结构(形成蛭石或云母-蒙脱石混层层间矿物),另外,引起土壤K~+饱和度、CEC和0.002 mm粘粒含量的变化,导致土壤对外源钾的固定能力提高,引起土壤1 mol/L HNO_3浸提K和CEC含量的变化而使土壤非交换性钾的释放速率降低,土壤供钾强度(AR_0)降低,-△G值升高,所以土壤钾素对作物产量的贡献率降低,钾肥的农学效率提高,而长期施用钾肥或NPK化肥和有机肥配合施用可以延缓和减少上述转化。长期不施钾肥B类土壤缓效钾和速效钾含量降低较少,上述一系列变化的幅度也较小。根据以上分析结果,针对各个试验点存在的问题作者提出了进一步改进的建议。