20世纪80年代初，中国政府在农村开始推行家庭联产承包责任制。当时中国农业发展水平比较低，以手工劳作为主，不适合规模化经营。家庭联产承包责任制将农业经营单位划小到家庭，同当时的生产力水平相适应。同时农民获得生产和分配的自主权并，大幅度调动了农民精耕细作的积极性^[1]。农民通过增加劳动力投入、増施化肥、更换良种等措施大幅度提高了耕地的生产效率，促进了中国粮食生产的迅速发展，并产生了一定的经济效益。在农村推行家庭联产承包责任制的同时，中国政府也进行了许多政治和经济改革，刺激了国民经济的发展。随着经济发展和劳动力价格的显著提升，越来越多的农村青壮年劳动力外出务工或经商，放弃了农业生产，农民家庭收入构成逐渐发生变化^[2-3]。2013年我国从事非农工作的农村劳动力人口已达到2.7亿^[4]。农村劳动力的大量输出以及农药、化肥和种子等成本的逐年上涨，使得农户家庭粮作为主的土地利用模式发生重大变化。

川渝地区紫色水稻土面积约305万hm²，占全区水稻土总面积的66%^[5]，是当地最重要的水稻土类型。紫色水稻土多分布在丘陵低岗地区，在家庭联产承包责任制的耕地分配制度下，地块被人为破碎化，大规模的机械化生产很难普及，其水稻生产中劳动力成本较高。另一方面，由于当地居民生活水平的不断提高，市场对蔬菜、水果和肉类的需求急剧增加，农民近年来不断通过改变土地用途增加收入。部分紫色水稻土已不再用于水稻生产，而被用作养鱼或蔬菜等作物的生产，甚至直接撂荒。土地利用变化改变了水稻土周期性淹水的管理方式，土壤的水分、养分状况和通气状况也随之发生变化。这会改变土壤组分的化学行为^[6-7]，进而影响土壤质量^[8-9]、土壤固碳速率和固碳潜力^[10-11]以及土壤碳氮循环^[12-13]等。但目前的研究还较少涉及水稻土利用方式改变对土壤不同形态钾演变特征的影响。因此，本研究运用时间序列方法，分析了紫色水稻土在撂荒、旱作和改为鱼塘后土壤不同形态钾的动态变化特征和影响因素，旨在阐明紫色水稻土利用方式改变后土壤钾素的赋存形态和动态平衡，为紫色水稻土区钾肥管理和环境保护提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

四川省内江市（29°11′—30°2′N，104°15′—105°26′E）属于亚热带季风气候，年均气温17.5 ℃，年均降雨量1 057 mm，是紫色水稻土分布的典型区。以内江市东兴区太安乡的万年村、太平村和七家嘴村为研究区，结合调查问卷和实地考察，调查了当地土地利用现状。其中稻田改旱地比例最高，约占原有稻田面积的39%，其次是稻田改鱼塘，约占原有稻田面积的13%，撂荒地较少，仅占原有稻田面积的5%。

1.2 样品采集与分析

在研究区选取紫色水稻土发育的数十年尺度不同土地利用方式时间序列，分别为撂荒序列（AP序列，AP10，0 a；AP11，8 a；AP12，13 a；AP13，20 a）、旱地序列（PD序列，PD10，0 a；PD11，10 a；PD12，16 a；PD13，20 a）和鱼塘序列（P序列，P10，0 a；P11，5 a；P12，9 a）。土地利用年限是根据实地调查得出，采样点信息见表 1。选取典型样点，按土壤发生层采样法采集土样，每一样点重复采样三次。在10月初水稻收割后采集稻田土壤样本；同一时间，采集旱地和鱼塘土壤样本。鱼塘序列土壤已放弃稻作，长期灌水（水深约50~120 cm）。因此只采集了0~20 cm土壤样品。样品挑出枯枝落叶、根系和大于2 mm的非土壤物质，室内自然风干。风干土样过10目尼龙筛，记录砾石和细土重量，然后将细土经玛瑙研钵磨细，分别过60目和100目尼龙筛，保存备用。土壤理化属性分析参照《土壤调查实验室分析方法》^[14]：土壤pH，电位法（土水比1：2.5）；土壤容重，环刀法；土壤有机质（SOM），重铬酸钾-硫酸消化法；土壤全氮（TN），凯氏定氮法；土壤化学指标均设置全程空白，并以国家标准土壤样品（GSS-3和GSS-5）作为质量控制。

水溶性钾，称取过10目筛的风干土样5 g，加50 mL蒸馏水浸提；交换性钾，称取过10目筛的风干土样5 g，加50 mL 0.1 mol·L^–1的乳酸铵和0.4 mol·L^–1醋酸混合溶液室温下（20~25℃，pH = 3.75）浸提；非交换性钾，称取过10目筛的风干土样5 g，加50 mL 2 mol·L^–1 HCl加热至100℃浸提，火焰光度计测定，具体方法参照文献[15]。

样本用沉降法分离出黏粒（< 2 µm）和粉粒（2~50 µm）后制片，进行X-射线衍射分析（XRD），具体方法参见《土壤调查实验室分析方法》^[14]，并根据标准卡片对黏粒矿物组成进行估算^[16-17]。测试仪器：德国BRUKER公司D8 ADVANCE型仪器；测试条件：CuKa（λ = 0.154 06 nm）辐射，测试电压40 kV，测试电流40 mA，扫描方式为步进扫描，扫描速度为10˚·min^–1，步长0.02˚。

1.3 土壤钾密度（SKD）的计算

SKD计算公式为：

$ {\text{SKD}} = \sum\nolimits_{i = 1}^n {(1 - {\theta _i}/100)} {\rho _i} \times {K_i} \times {T_i}/100 $

(1)

式中，SKD为土壤钾密度（g·m^–2），表示单位面积某一深度土壤内某一形态钾的总量；θ_i为第i层 > 2 mm砾石含量（体积比，%）；ρ_i为第i层土壤容重（g·cm^–3）；K_i为第i层某一形态钾含量（mg·kg^–1）；T_i为第i层土壤厚度（cm）；n为土壤层次总数。

1.4 统计方法

采用Excel 2016软件进行数据统计，采用Origin 8.0软件进行绘图和采用SPSS 18.0软件进行Person相关性分析。

2 结果 2.1 土地利用方式改变对土壤性质的影响

紫色水稻土旱作后耕作层厚度有所增加，而犁底层弱化甚至消失（表 2）。这可能与旱作翻耕较深有关。撂荒和旱作后紫色水稻土耕作层或表层容重平均增加了71%，而改为鱼塘后其表层“糊泥化”，容重平均降低了14%。紫色水稻土撂荒、旱作或改为鱼塘后耕作层或表层SOM含量平均分别下降了33%、50%和25%，C/N平均分别下降了8%、14%和18%，但黏粒含量均有所增加，平均分别增加了22%、28%和16%。紫色水稻土利用方式改变后耕作层或表层黏粒矿物相对含量见图 1。紫色水稻土撂荒后土壤表层蛭石相对含量增加，而蒙脱石相对含量降低。紫色水稻土旱作后耕作层伊利石相对含量明显增加，而蛭石、高岭石和绿泥石相对含量降低。紫色水稻土改为鱼塘后表层伊利石相对含量略有增加，蒙脱石和绿泥石相对含量略有降低，但变化幅度较小。

紫色水稻土撂荒或旱作后，其地下水位明显下降（表 2）。紫色水稻土改为鱼塘后，其地下水位明显上升。当撂荒或旱作时，紫色水稻土失去人为滞水的水分状况，随撂荒或旱作时间的增加逐渐失去了水稻土的部分特性，耕作层或表层变得紧实，厚度增加，犁底层弱化。紫色水稻土利用方式改变后，土壤有机物质的输入量、输入方式和存储环境等发生改变，引起SOM含量和C/N下降，造成土壤碳库向大气碳库的转化。

2.2 土地利用方式改变后不同形态钾的演变特征

紫色水稻土利用方式改变后土壤不同形态钾分异比较明显。撂荒和旱地序列稻作紫色水稻土水溶性钾平均含量（分别为26.2和25.2 mg·kg^–1）要高于撂荒和旱作土壤（分别为18.9和20.3 mg·kg^–1），而交换性钾平均含量（分别为91.0和82.8 mg·kg^–1）和非交换性钾平均含量（分别为354.8和300.0 mg·kg^–1）要低于撂荒和旱作土壤（交换性钾平均含量分别为101.7和103.5mg kg^–1，非交换性钾平均含量分别为462.7和444.3 mg·kg^–1）。鱼塘序列稻作紫色水稻土水溶性钾、交换性钾和非交换性钾平均含量（分别为25.0、75.0和340.0 mg·kg^–1）均低于鱼塘土壤（分别为57.0、121.0和430.0 mg·kg^–1）。就剖面分异而言，紫色水稻土撂荒后其水溶性钾在8 a内下降明显，之后趋于稳定（图 2）。耕作层或表层交换性钾在12 a内随着撂荒时间的增加逐渐增加，之后趋于稳定。耕作层或表层以下随着撂荒时间的增加几乎未发生变化。整个剖面非交换性钾在12 a内增加明显，之后趋于稳定。紫色水稻土旱作后，剖面下层水溶性钾有所降低，基本体现了随旱作时间的增加而逐渐降低的趋势，但剖面上层降低不明显，甚至有所增加（图 2）。交换性钾和非交换性钾的演变趋势比较类似，整个剖面随着旱作时间的增加而逐渐增加，但增加幅度要较撂荒土壤更高。紫色水稻土改为鱼塘后，表层水溶性钾、交换性钾和非交换性钾在5 a内增加比较明显，之后趋于稳定（图 2）。相比较而言，非交换性钾的增加幅度要明显低于撂荒和旱作土壤。从不同形态钾剖面演变特征来看，紫色水稻土改为鱼塘5 a后或撂荒12 a后土壤不同形态钾之间可以达到大致的平衡，而旱作20 a后土壤不同形态钾之间仍未达到大致平衡。

2.3 土地利用方式改变后不同形态钾密度的演变特征

紫色水稻土撂荒后交换性钾和非交换性钾密度随撂荒时间的增加而增加（图 3）。上层土壤（0~20 cm）交换性钾和非交换性钾密度在撂荒12 a内增加速率较快（平均速率分别为1.2和5.0 g·m^–2·a^–1），之后增加速率明显降低（平均速率分别为0和0.3 g·m^–2·a^–1）。下层土壤（20~80 cm）交换性钾和非交换性钾密度在撂荒20 a内增加速率相对稳定（平均速率分别为0.9和9.5 g·m^–2·a^–1）。紫色水稻土旱作后交换性钾和非交换性钾密度增加速率要高于撂荒土壤，在20 a内的增加速率相对稳定（上层土壤平均速率分别为1.2和6.2 g·m^–2·a^–1；下层土壤平均速率分别为2.0和12.5 g·m^–2·a^–1）。紫色水稻土改鱼塘后，上层土壤交换性钾和非交换性钾密度在5 a内有一定的增加（平均速率分别为0.6和0.7 g·m^–2·a^–1），但增加速率要明显低于撂荒和旱作土壤，之后保持稳定。

3 讨论

为理解土壤属性对土壤钾赋存形态的影响，将耕作层或表层土壤属性与各种形态钾进行相关分析（表 3）。结果显示水溶性钾与地下水位呈显著负相关，这说明水溶性钾和土壤水分状况密切相关。撂荒或旱作后土壤缺少周期性淹水，土壤水分减少不利于水溶性钾提升。交换性钾与SOM含量呈显著负相关。非交换性钾与黏粒含量和黏粒中伊利石含量呈显著正相关，而与SOM含量以及黏粒中高岭石和绿泥石含量呈显著负相关。在土壤体系内，各种形态钾之间可以互相转化。SOM和高岭石中的吸附点位对钾的选择性很弱^[18]，而且SOM还能占据2：1型层状硅酸盐矿物层间的一些吸附点位^[19]，限制钾离子（K⁺）在矿物层间的扩散和吸附^[20-21]。紫色水稻土利用方式改变后引起的SOM损失能提高黏粒交换点位对K⁺的吸附，利于土壤交换性钾和非交换钾的提升。这也解释了为什么SOM与交换性钾和非交换性钾呈显著负相关。相比较而言，2：1型层状硅酸盐矿物中的吸附点位对K⁺的选择性比较强^[22]。紫色水稻土撂荒后，缺少外源性钾输入，黏粒矿物新吸附的K⁺主要来自原生矿物的风化。蛭石对K⁺的吸附能力相对较强，固定的钾较多，其相对含量有所增加。紫色水稻土旱作后，有外源性钾肥的持续输入。在钾源相对充足的条件下，蛭石等吸钾能力较强的矿物能固定更多的钾，并能够进一步向伊利石矿物转化^[23-24]。Officer等^[25]的研究也证实了经常施用钾肥的草地土壤，其伊利石和蒙脱石-伊利石的混层矿物含量增加，蛭石和膨胀性矿物的含量降低。紫色水稻土改为鱼塘后，其交换性钾和非交换性钾有所增加，但增加幅度和增加速率均没有撂荒和旱作土壤高。这可能主要是因为鱼塘灌水量很大，长期稀释，改变了土壤体系中原有不同形态钾之间的平衡，使得交换性钾和非交换钾难以大幅度提升，同时也解释了其黏粒含量和黏粒矿物的变化没有撂荒和旱作土壤明显。说明紫色水稻土利用方式改变后，土壤黏粒含量和黏粒矿物的动态变化与土壤中的钾平衡有关。紫色水稻土利用方式改变导致的SOM损失可能会影响土壤钾的赋存形态和动态平衡，进而引起土壤黏粒的富集和黏粒矿物的变化，今后要加强这些方面的研究。一般而言，周期性氧化还原能促进水稻土钾的释放，提高矿物钾的有效性^[26]。紫色水稻土撂荒和旱作后，土壤水分状况发生改变，不利于其矿物钾的释放。但紫色水稻土撂荒后其交换性钾和非交换性钾的增加速率仍然很快，上层土壤（0~20 cm）平均每年可增加交换性钾和非交换性钾62 kg·hm^–2。这说明自然状态下紫色水稻土矿物钾的释放仍然相对比较快，要重视土壤自身钾素的有效利用。与撂荒土壤相比，旱作土壤非交换性钾的增加速率更快。这可能主要是由于施肥引起的。当地农民为了缩短蔬菜的生长周期和维持高产，化肥的年施用量通常为水稻生产的2倍以上。旱作土壤非交换性钾的增加速率远超撂荒土壤，这表明旱作过程中钾肥的施用量过大，要注意节肥。需要特别指出的是当前研究仍然缺少土壤钾素的收支平衡数据，因此很难确定土壤各种形态钾的有效性。需要更多的工作来精确度量紫色水稻土利用方式改变后土壤钾释放的动力学特征和影响机制，以促进土壤钾素的释放并加以合理利用。

4 结论

紫色水稻土利用方式改变后土壤水溶性钾与土壤水分状况密切相关。撂荒和旱作均会降低土壤水溶性钾含量，改为鱼塘能提升土壤水溶性钾含量。3种土地利用方式均能提升土壤交换性钾和非交换性钾含量，提升幅度和提升速率为旱作 > 撂荒 > 养鱼。紫色水稻土改为鱼塘5 a后或撂荒12 a后土壤不同形态钾之间可以达到大致平衡，而旱作20 a后土壤不同形态钾之间仍未达到大致平衡。紫色水稻土利用方式改变后土壤黏粒含量和黏粒矿物的动态变化与土壤中的钾平衡有关。土地利用方式改变导致的SOM损失可能会影响土壤钾的赋存形态和动态平衡，进而引起土壤黏粒的富集和黏粒矿物的变化，今后要加强这些方面的研究。