2021, Vol. 58
2. 江西省红壤研究所, 国家红壤改良工程技术研究中心, 南昌 330046;
3. 中国农业科学院祁阳农田生态系统国家野外试验站, 湖南祁阳 426182;
4. 农业农村部耕地质量监测保护中心, 北京 100125;
5. 湖南文理学院资源环境与旅游学院, 湖南常德 415000
2. Jiangxi Institute of Red Soil/National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330046, China;
3. National Observation Station of Qiyang Agri-ecology System, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qiyang, Hunan 426182, China;
4. Center of Cultivated Land Quality Monitoring and Protection, Ministry of Agricultural and Rural Affairs, Beijing 100125, China;
5. College of Resources and Environment and Tourism, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, Hunan, China
水稻是中国的主要粮食作物，目前，中国水稻种植面积3 300多万hm2，占全国粮食作物播种面积的27.4%，其产量约占全国粮食总产量的36.1%[1]。研究表明，由于秸秆还田、种植绿肥等农业技术的推广，1980年以来全国尺度的水稻土有机碳储量、速效氮磷钾含量等均得到明显提升[2-3]。我国地域辽阔，东北、长江三角洲（长三角）、长江中游、华南和西南等区域均有大面积的水稻种植[3-4]，但不同区域水稻的种植模式不一，主要的稻作模式有单季稻、双季稻和水稻与其他作物轮作等[5]。因此，长期的水稻种植过程中，不同区域的水稻土肥力水平差异较大[3]。
作为植物所需的三大元素之一，钾在作物产量、品质和抗逆方面的作用至关重要[6]。虽然已有研究表明，由于成土母质的差异，全国土壤钾素的含量分布趋势为西北大于东南[7]，且已有大量研究[8-11]利用长期施肥定位试验对不同土壤类型的钾素时空演变进行深入分析。在长期施肥条件下，由于主要黏土矿物类型不同，不同土壤类型的固钾能力差异较大[7]。在华北地区，与不施钾肥相比，施钾肥和秸秆还田均可显著提高土壤速效钾含量，不同点位的土壤速效钾增幅和固钾能力也存在差异[8]，且主要集中于0~30 cm土层[9]。此外，受钾肥施用量的影响，与粮食作物相比，种植经济作物条件下土壤速效钾的增幅明显较快[10]。但是，这些基于长期定位试验的单点或多点研究均由于施肥量偏低（1980和1990年代的施肥水平）[7-8]、不能涵盖全国稻区面上尺度状况[9]和不同区域[10-11]等因素特征，难以较好地揭示全国尺度下水稻土的钾素时空变化趋势。同时，自我国改革开放以来，全国稻作区的水稻品种、钾肥施用和产量水平等发生较大变化[3, 11]。因此，开展不同区域水稻土的钾素时空变化特征研究，对于指导我国未来的土壤钾素管理和钾肥合理施用意义重大。本研究基于农业农村部自1988年开始布置于全国的水稻土监测数据，深入分析东北、长三角、长江中游、华南和西南等稻作区土壤速效钾的时空变化规律，并进一步明确土壤速效钾与钾肥偏生产力及钾素表观平衡的量化关系，以期为不同区域水稻土制定具体的土壤钾素管理策略提供理论和技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验设计基于农业农村部布置于全国的水稻土监测样点（始于1988年），监测点以当地主要种植制度和种植方式为主，耕作、栽培等管理方式以及施肥水平和作物产量等均能代表当地一般水平，每个点位一个大区，设计面积不小于334 m2。各监测点的土壤类型均为水稻土。但各监测点的成土母质差异较大，东北的水稻土发育类型以黑土和棕壤为主，长三角、长江中下游和华南区以潮土和红黄壤为主，西南则以红壤和紫色土等为主。
根据全国的水稻分布特点，将全国130个水稻土监测点划分为东北（7个点位，黑龙江省、吉林省和辽宁省）、长三角（28个点位，江苏省、安徽省、浙江省和上海市）、长江中游（44个点位，湖南省、江西省和湖北省）、华南（31个点位，广东省、福建省、海南省和广西壮族自治区）和西南（14个点位，四川省、云南省、贵州省和重庆市）等区域（考虑到西北和华北不是水稻土的主要分布区域，且大部分监测点位开始时间较晚，本研究未包含分布于陕西的1个点和河南的5个点）。
监测点的钾肥投入量主要是根据各个点位的生产实际，且不同年限存在明显差异。本研究根据各监测点的钾肥用量进行汇总分析（表 1）表明，1988—2017年，东北、长三角、长江中游、华南和西南等区域每季水稻的钾肥（K2O）投入平均为61.17、72.09、77.06、128.16和59.10 kg·hm-2。此外，1988—2000年，所有监测点均不进行秸秆还田，但从2000—2017年，所有监测点陆续开始了秸秆还田。
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表 1 不同区域每季水稻钾肥（K2O）用量 Table 1 Potassium fertilizer(K2O)application rate relative to region and rice season |
各监测点位中土壤样品采集的方法是按照耕地地力调查与质量评价技术规程[12]进行，为了尽可能地避免施肥对于样品的影响，统一在秋季作物收获后的11月中旬进行取样。收获期采用实打实收进行
脱粒测产。并根据产量和钾肥投入量计算钾肥偏生产力，具体计算公式如下：
| $ {\rm{PEP}} - {\rm{K = }}\frac{Y}{{{\rm{F}} - {\rm{K}}}} $ | (1) |
式中，PFP-K为钾肥偏生产力，kg·kg-1；Y为水稻籽粒产量，kg·hm-2；F-K为K2O的施肥量，kg·hm-2。
土壤样品采集深度为0~20 cm，每个监测点用不锈钢土钻随机采集5个样品，混匀后风干研磨，过2 mm筛，送相应省级土壤测试中心进行测定，其中土壤速效钾含量采用醋酸铵浸提—火焰光度计法[13]测定。
采用表观平衡法计算钾素平衡，即钾素投入量与钾素支出量的差值，正值表示盈余，负值表示亏缺。钾素投入仅包括水稻季的化肥、有机肥、秸秆还田等带入的钾素，未考虑因降水或灌溉、大气沉降以及种子等带入的钾素；钾素支出仅包括水稻籽粒和秸秆收获而带出的钾素，未包括因淋洗等过程导致的钾素损失[10]。水稻籽粒和秸秆含钾量参考何萍等[14]文献资料，分别取3.5 g·kg-1和21.7 g·kg-1。
1.3 数据处理试验数据用Excel 2016整理，运用SPSS 17.0进行相关性分析及显著性检验。为避免个别年份异常气候和个别点位差异对土壤速效钾变化规律造成影响，本研究按照监测点位的试验年限每隔5年划分成6个阶段，分别为1988—1992（5 a）、1993—1997（10 a）、1998—2002（15 a）、2003—2007（20 a）、2008—2012（25 a）和2013—2017（30 a）。本研究中所涉及的土壤速效钾时空变化趋势的数据采用箱式图表示，而由于部分年份缺失钾肥投入量数据，钾肥偏生产力和钾素表观平衡数据偏少，所以，钾肥偏生产力和钾素表观平衡采用柱状图表示；试验年限与土壤速效钾含量的量化关系采用双直线方程拟合。在土壤速效钾含量和钾肥偏生产力的量化关系中，除了全国尺度上采用双直线方程拟合之外，各区域均采用线性回归方程拟合，钾素表观平衡与土壤速效钾的相关关系也采用线性方程拟合。所有图件均采用Origin 8.1制作。
2 结果 2.1 不同区域水稻土速效钾时空变化图 1显示，在1988—2017年的30 a间，东北、长三角、长江中游、华南和西南区域水稻土的速效钾含量平均值分别为149.1、91.28、73.27、78.31和89.84 mg·kg-1，全国的平均值为96.37 mg·kg-1。不同区域间相比，东北的水稻土速效钾含量显著高于长三角、长江中游、华南和西南，而长三角、长江中游、华南和西南的土壤速效钾含量则无显著差异。
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注：图中不同的小写字母表示差异显著（P < 0.05）；中间实线代表中位数，▲代表平均值。上下两条线分别代表 75%和25%的置信区间。上下两个短线分别代表 95%和5%的置信区间，C为全国。下同。 Note: Different lowercase letter indicate significantly different(P < 0.05); The solid line in the box represents the median value, and ▲ represents the average value. The upper and lower line represent 75% and 25% confidence intervals, respectively. The upper and lower dots represent 95% and 5% confidence intervals, respectively. C stands for China. The same below. 图 1 不同区域水稻土速效钾含量 Fig. 1 The soil readily available potassium content of paddy soil in different regions |
在30 a试验时间内，除了西南之外，东北、长三角和华南的水稻土速效钾含量均呈现出先稳定然后随着试验年限的增加而逐渐提升的趋势（图 2），且可以用双直线方程进行拟合（P < 0.05），但不同区域的时间转折点不一，表 2结果显示，全国水稻土速效钾含量在试验14 a后开始随试验年限延长而增加，东北、长三角、华南区域的土壤速效钾含量则分别在试验13、11、23和13 a后开始快速提升；而长江中游则表现出试验23 a内土壤速效钾随试验年限延长而快速增加，其年均增速为1.59 mg·kg-1·a-1，23 a至30 a则基本稳定（土壤速效钾为75.18 mg·kg-1）。进一步通过线性拟合方程的斜率（表 2）发现，不同区域间，水稻土速效钾含量的年均增幅明显不同，全国水稻土速效钾含量在试验14 a至30 a内的年均增幅为0.81 mg·kg-1·a-1，东北（13 a至30 a）、长三角（11 a至30a）和华南（13 a至30a）水稻土速效钾含量的年均增幅则分别为1.39、0.85和1.79 mg·kg-1·a-1。
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图 2 不同区域水稻土速效钾含量与试验时间的关系 Fig. 2 Relationships between soil readily available potassium content in paddy soil and phase of the experimental relative to regions |
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表 2 不同区域水稻土速效钾含量（y，mg·kg-1）与试验时间（x，a）的拟合方程 Table 2 Equation fitting the relationship between soil readily available potassium content in paddy soil (y, mg·kg-1) and phase of the experiment (x, a) relative to region |
在图 3中，各区域水稻钾肥偏生产力基本呈现出长三角和西南较高，其次为东北，而长江中游和华南则较低的趋势。进一步分析发现，水稻钾肥偏生产力与试验时间的关系均可用线性方程拟合（P < 0.05）。但线性方程的斜率表明，各区域水稻钾肥偏生产力的年均增幅差异较大（表 3）。30 a间，全国的钾肥偏生产力年均增幅为0.56 kg·kg-1·a-1；在不同区域间，则呈现出长三角和华南的钾肥偏生产力年均增幅（1.00和0.82 kg·kg-1·a-1）较高，其次为东北和长江中游（0.49和0.36 kg·kg-1·a-1），而西南最低（0.15 kg·kg-1·a-1）的趋势。
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注：图中数值为平均值±标准差。下同。 Note: Values represent mean ± SD. The same below. 图 3 不同区域的钾肥偏生产力 Fig. 3 Partial factor productivity of potassium fertilizer relative to regions |
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表 3 不同区域钾肥偏生产力（y，kg·kg-1）与试验时间（x，a）的拟合方程 Table 3 Equation fitting the relationships between partial factor productivity of potassium fertilizer(y, kg·kg-1)and phase of the experiment(x, a)relative to region |
土壤速效钾含量与钾肥偏生产力存在显著的正相关关系（图 4），在全国尺度上可用双直线方程进行拟合（P < 0.05）。当土壤速效钾含量低于100.8 mg·kg-1时，土壤速效钾含量每增加10 mg·kg-1，水稻的钾肥偏生产力增加23.93 kg·kg-1；当土壤速效钾含量高于100.8 mg·kg-1时，土壤速效钾含量每增加10 mg·kg-1，水稻的钾肥偏生产力增加3.09 kg·kg-1。
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图 4 全国尺度上土壤速效钾含量与钾肥偏生产力的关系 Fig. 4 Relationship between partial factor productivity of potassium fertilizer and soil readily available potassium on a country scale |
表 4表明，除了西南之外，各区域水稻钾肥偏生产力与土壤速效钾含量的关系均可用线性方程拟合（P < 0.05）。但不同区域中线性方程的斜率明显不同，土壤速效钾含量每增加10 mg·kg-1，30 a间长三角的水稻钾肥偏生产力提升幅度（1.51 kg·kg-1）最高，其次为华南和东北（0.49和0.31 kg·kg-1），长江中游最低（0.26 kg·kg-1）。
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表 4 不同区域钾肥偏生产力（y，kg·kg-1）与土壤速效钾含量（x，mg·kg-1）的拟合方程 Table 4 Equation fitting the relationship between partial factor productivity of potassium fertilizer(y, kg·kg-1)and soil readily available potassium(x, mg·kg-1)relative to regions |
通过估算表明，全国及各区域的水稻土钾素表观平衡均呈现出试验10 a内（1988—1998）为亏缺或平衡状况，而10 a后（1998—2017）则均表现为盈余（图 5）。但是不同区域间的钾素盈余量差异较大，其中，以华南的水稻土钾素盈余量最高，其次为长江中游，而东北、长三角和西南则较低。
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图 5 不同区域钾素表观平衡量变化 Fig. 5 Variation of apparent balance of potassium relative to regions |
稻作系统内钾素的表观平衡可以在一定程度上影响土壤速效钾含量。表 5结果显示，除了西南之外，线性方程均可较好地拟合各区域中土壤速效钾含量与钾素表观平衡的相关关系（P < 0.05）。结合拟合方程的斜率表明，在全国尺度上，稻作区钾素盈余量每增加1 kg·hm-2，土壤速效钾含量增加0.06 mg·kg-1·a-1；而在不同区域，则以东北的土壤速效钾含量增幅最高（0.32 mg·kg-1·a-1），其次为华南和长江中游（增幅分别为0.11和0.10 mg·kg-1·a-1），而长三角最低（增幅为0.03 mg·kg-1·a-1）。根据拟合方程进一步推算可知，当系统内钾素呈现平衡状态（x=0）时，全国水稻土的速效钾含量为81.94 mg·kg-1，而东北、长三角、长江中游和华南区域的水稻土速效钾含量则分别为146.9、89.86、67.14和59.06 mg·kg-1。
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表 5 不同区域土壤速效钾含量（y，mg·kg-1）与钾素表观平衡（x，kg·hm-2）的拟合方程 Table 5 Equation fitting relationship between soil readily available potassium (y, mg·kg-1) and apparent balance of potassium (x, kg·hm-2) relative to regions |
土壤速效钾是直接影响水稻钾素吸收的土壤钾素形态之一[15]。大量研究[16-17]表明，提高土壤速效钾含量能显著提高水稻的钾素吸收量和籽粒产量。但是，由于我国水稻土分布广泛，不同区域的水稻土钾素含量也不同[3]。本研究显示，在1988—2017年间，不同区域间相比，东北的水稻土速效钾含量显著高于长三角、长江中游、华南和西南，而长三角、长江中游、华南和西南的土壤速效钾含量则无显著差异（图 1）。这与前人的研究[3, 10-11]相似，其原因主要与各区域水稻土的成土母质含钾矿物不同有关，其中，东北水稻土成土母质的含钾矿物以钾和西南（除了紫色土发育的水稻土）的成土母质中含钾矿物较少[19-20]。但是，水稻的钾肥偏生产力则基本呈现为长三角和西南较高，东北次之，长江中游和华南最低（图 3）。原因一方面与表 1中不同稻作区的钾肥用量（长三角和西南区施钾量较低，分别为72.09和59.10 kg·hm-2；而长江中游和华南区相对较高，分别为77.06和128.2 kg·hm-2）有关，同时，长三角和西南的主要稻作模式分别为稻麦轮作和水稻-其他作物轮作模式，而长江中游和华南则主要为双季稻模式，这些稻作模式导致不同区域稻农的管理水平存在差异[21]；再加上不同稻作模式中前茬作物的钾肥投入量不一致，秸秆还田量差异较大[22]，可能影响水稻季的化学钾肥对水稻产量的提升作用，进而影响钾肥偏生产力。另一方面，不同区域的水稻类型（东北和长三角为粳稻，长江中游、华南、西南多为籼稻）[23]和气候条件不同，从而导致各区域的水稻产量差异较大。
3.2 不同区域水稻土速效钾和钾肥偏生产力的时间变化1988—2017年间，尤其是在试验后期，随着钾肥的普遍施用和秸秆还田的大力推广[2-3, 11]，各区域的水稻土速效钾含量均随着试验年限的增加而逐渐提升（除了西南，原因可能与作物吸收的钾素大于外源钾投入和钾素淋溶损失有关[10, 24]）。双直线方程显示，全国水稻土速效钾含量在试验14 a至30 a内的年均增幅为0.81 mg·kg-1·a-1。在不同区域间，则以东北（13 a至30 a）和华南（13 a至30 a）水稻土速效钾含量的年均增幅明显高于长三角（11 a至30 a）；而长江中游则表现出试验23 a内土壤速效钾随试验年限延长而增加的趋势（图 2和表 2）。这与武红亮等[3]的研究结果相似。原因主要与各区域钾肥投入和根系分泌物活化钾素有关[25-26]。但是，不同区域间，钾肥偏生产力的年均增幅明显不同于土壤速效钾含量年均增幅的规律，长三角和华南的钾肥偏生产力年均增幅较高，其次为东北和长江中游，西南最低（图 3和表 3）。原因可能与水稻品种、气候条件和钾肥运筹等有关[27-28]，具体原因尚有待进一步研究和分析。
3.3 不同区域水稻钾肥偏生产力和钾素表观平衡与土壤速效钾的相关关系土壤速效钾含量通过影响水稻钾吸收调控钾肥的增产作用[29]。本研究表明，土壤速效钾含量与钾肥偏生产力存在显著的正相关关系，因此，提升土壤速效钾含量是提高我国水稻钾肥偏生产力的重要途径之一。对于速效钾含量低于100.8 mg·kg-1的水稻土，通过施肥等途径提高等量的土壤速效钾含量，水稻钾肥偏生产力的增幅显著高于速效钾含量大于100.8 mg·kg-1的水稻土（图 4）。这说明土壤速效钾含量越高，钾肥的偏生产力增幅越小。不同区域间，当土壤速效钾含量增加10 mg·kg-1，30 a间长三角的水稻钾肥偏生产力提升幅度最高，其次为华南和东北，长江中游最低（表 4）。原因可能与30 a内化学钾肥的施用和秸秆还田的推广显著改变了我国不同区域间钾素盈亏状态有关[30]。
本研究通过估算表明，与1988—1998年的钾素匮缺或平衡相比，1998—2017年，全国及各区域的水稻土均为钾素盈余状态；且不同区域间以华南的水稻土钾素盈余量最高，其次为长江中游，而东北、长三角和西南则较低（图 5）。Liu等[30]研究也表明，由于化学钾肥的施用和秸秆还田的推广，与1980年相比，2010年的土壤钾素表观平衡已经开始从匮缺向盈余转变；在2010年，除了东北地区为钾素匮缺之外，其余地区均表现为钾素盈余，且东南地区的钾素盈余量最高。其中，东北稻作区的钾素盈余则主要是由于本研究主要以水稻季的钾肥投入和输出为主，而不同作物的钾素投入与吸收差异较大[31]，进而可能影响了钾素平衡的估算。因此，后续有待针对东北地区进行不同作物系统下钾素的表观平衡研究，以期较为客观地揭示该区域的钾素表观平衡。此外，生态条件和土壤类型也显著影响钾素盈亏，廖育林等[32]研究认为，与洞庭湖生态区紫潮泥田相比，丘陵生态区红黄泥田的钾素匮缺量明显偏高。然而，除了土壤速效钾和钾素盈余之外，钾肥用量和水稻品种特性等[33-34]也可能显著影响钾肥偏生产力。
在本研究中，1988—2017年的长期监测表明，除了西南之外，全国及东北、长三角、长江中游和华南区域的钾素表观平衡均与土壤速效钾含量存在显著的正相关关系（P < 0.05），且可用线性方程进行拟合（表 5）。这与其他人[24]在水稻土上的研究结果相似。通过拟合方程的斜率发现，当稻作区钾素盈余量每增加1 kg·hm-2，东北的土壤速效钾含量增幅最高，其次为华南和长江中游，而长三角最低。原因可能与土壤钾素形态转化有关，前人研究[20, 35]表明，种植作物的根系特征、土壤含钾矿物类型和铵根离子及有机质含量等均显著影响土壤速效钾含量。总之，在稻作系统中，不同区域的钾肥施用和秸秆还田有利于土壤速效钾的提升。本研究根据拟合方程进一步推算可知，不同区域稻作系统中钾素维持平衡状态时，水稻土速效钾含量差异较大。因此，在后续的钾肥资源配置上，建议重点向长三角和西南等地区进一步推广秸秆还田和钾肥施用，同时，各稻作区应因地制宜，结合土壤速效钾含量综合调控钾肥运筹和推广秸秆还田。
4 结论1988—2017年间，东北区水稻土速效钾含量显著高于其他水稻种植区域。除了长江中游的水稻土速效钾随试验年限呈先增加后稳定的趋势，东北、长三角和华南的水稻土速效钾含量则呈现先稳定后增加的趋势。不同区域间，当增加相同的土壤速效钾含量，长三角的水稻钾肥偏生产力提升幅度最高，其次为华南和东北，长江中游最低。除了西南之外，其他区域的钾素表观盈余均显著促进了土壤速效钾含量的提升。
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