2025, Vol. 62
2. 内江师范学院地理与资源科学学院, 四川内江 641112;
3. 土壤与农业可持续发展全国重点实验室(中国科学院南京土壤研究所), 南京 211135
2. College of Geography and Resources Science, Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641112, China;
3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, 211135, China
在过去的几十年里，土壤钾研究所受的关注要远低于氮和磷[1-2]。与氮肥和磷肥大量施用相比，钾肥因供应量少、成本高而在农业生产中相对较少施用，导致部分地区农田钾素逐年亏损[1-3]。在集约化农业条件下，土壤钾耗竭与养分失衡是导致养分利用效率低、作物产量停滞乃至减产的重要原因之一[4-5]。研究表明，我国南方75%的稻田正面临钾素缺乏的状况[6-7]。尽管如此，我国稻田钾肥施用量仍远低于氮肥和磷肥，从而进一步加剧土壤钾素亏缺和养分失衡。这主要是由于我国可溶性钾肥自给率低且主要依赖于进口致使钾肥施用成本高导致的。然而在当前错综复杂的国际形势下，过分依靠国际钾肥市场不但会大大增加农业成本，也关乎我国粮食安全。因此，降低我国稻田对可溶性钾肥的依赖十分必要。
水稻土的发生过程以人为淹水稻作和周期性氧化还原过程为特征。人为淹水的水分状况使土壤的物理、化学、生物学和矿物学性质均会发生显著的变化，这些变化会改变土壤组分的化学行为[8-10]，并对土壤矿物钾的转化和释放产生重要影响[11-12]。最近的长期定位实验研究表明淹水还原条件下Fe2+、Ca2+等阳离子与层状硅酸盐矿物层间钾的置换和还原氧化交替驱动了紫色水稻土矿物钾的转化和释放，并对水溶性钾（WK）、交换性钾（EK）和非交换性钾（NEK）有快速且较稳定的补给[13]。紫色水稻土在没有秸秆还田且40 a高强度稻麦轮作和不施钾肥的情况下，其释放的钾仍能在氮肥和磷肥充足的前提下满足作物高强度种植的生长需求[13]。这说明在未来农业生产中要对水稻土矿物钾给予足够的重视。尽管如此，水稻土发生过程中不同形态钾转化阈值的演变特征和影响因素当前还缺乏系统研究，这大大限制了水稻土矿物钾转化模型的建立与发展。紫色水稻土起源于紫色土，富含富钾矿物[10-12]；红壤性水稻土起源于红壤，缺乏富钾矿物[10]，这为研究水稻土不同形态钾的转化阈值提供了良好的素材。为此，选取“富钾”的紫色水稻土和“贫钾”的红壤性水稻土，通过时间序列，研究其发生过程中不同形态钾转化阈值的演变特征和影响因素，以期为降低稻田对可溶性钾肥的依赖提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区概况本研究选取我国数百年尺度水稻土时间序列（表 1），分别位于四川省广安市的紫色水稻土时间序列（P01，P02，P03，0 a；P11，20 a；P12，60~100 a；P13，100~300 a；P14，300 a）和江西省进贤县的红壤性水稻土时间序列（RC10，0 a；RC11，100 a；RC12，100~300 a；RC13，300 a）。2个时间序列最早由Han等[11，14]构建，构建过程和水稻土的发育特征等详细信息未在此处列出。时间序列中的稻田在20世纪90年代之前主要施用农家肥和草木灰，后逐渐只施用化肥。
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表 1 土壤采样点信息和耕作层基本理化性质 Table 1 General information on the soil sampling sites and basic soil properties of the cultivation horizon |
结合史料分析与实地考察，选取典型土壤剖面，按照土壤发生层采样法采集土样，稻田样本均在水稻收割排水后采集。采集的土壤样品在室内自然风干，挑出枯枝落叶、根系和大于2 mm的非土壤物质，四等分法取土，先后过10和60目尼龙筛，装好备用。颗粒组成、有机碳（SOC）、阳离子交换量（CEC）和全钾（TK）等基本理化性质测定方法参照《土壤调查实验室分析方法》[15]。
WK，称取过10目筛的风干土样5 g，加50 mL蒸馏水浸提；EK，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；NEK，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[16]；矿物钾（MK），为TK－WK－EK－NEK的差值。不同形态钾的转化阈值主要根据不同形态钾累积图进行判别。
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》[15]，并根据标准卡片对黏粒矿物组成进行估算[17]。测试仪器：德国BRUKER公司D8 ADVANCE型仪器；测试条件：CuKa（λ = 0.15406 nm）辐射，测试电压为40 kV，测试电流为40 mA，扫描方式为步进扫描，扫描速度为10°·min–1，步长为0.02°。
1.3 统计方法采用Microsoft Excel 2020软件进行数据统计，Origin 2021软件进行绘图以及IBM Statistics SPSS 25.0软件进行Person相关性分析。
2 结果 2.1 两种典型水稻土在发生过程中基本理化性质和矿物的演变特征两种典型水稻土随着种稻年限的增加其基本理化性质均呈现了明显变化（表 1）。紫色水稻土和红壤性水稻土耕作层SOC平均含量与它们的起源土壤相比有明显的增加（平均分别增加了23%和126%）。与紫色水稻土相比，红壤性水稻土种稻后SOC更容易累积。紫色水稻土黏粒平均含量较其起源土壤增加了约41%，基本体现出随着种稻时间的增加而逐渐增加的趋势。相比较而言，红壤性水稻土黏粒平均含量较其起源土壤降低了约46%，基本体现出随着种稻时间的增加而逐渐降低的趋势。紫色水稻土CEC均值远高于其起源土壤，但并没有随着种稻年限的增加而一直增加，而是先增加后又有所降低。这表明紫色水稻土发育初期（0~100 a）有利于CEC值的提高，之后则显示出相反的效果。红壤性水稻土CEC略低于其起源土壤，随着种稻年限的增加变化不大。紫色水稻土和红壤性水稻土pH分别介于6.0~6.8和5.0~6.3之间，略高于起源土壤。长期种稻会使土壤pH趋于中性，这和已有的研究结果一致[8，18]。
对紫色水稻土黏粒矿物而言，其耕作层蒙脱石的平均相对百分含量为39%，明显高于起源土壤（27%，图 1）。淹水稻作有利于蒙脱石的积累。种稻初期（0~100 a），蒙脱石随着种稻年限的增加逐渐增多。之后随着种稻年限的增加（> 100 a）蒙脱石含量不再增加，甚至有所下降。相比而言，伊利石（16%）和绿泥石（19%）的平均相对百分含量低于起源土壤（19%和22%）。对紫色水稻土粉粒矿物而言，石英（49%）和斜长石（28%）的平均相对百分含量高于起源土壤（分别为44%和21%）；而伊利石（12%）和钾长石（4%）的平均相对百分含量则低于起源土壤（分别为19%和9%）。在长期种稻过程中，紫色水稻土存在较明显的脱钾（表 1），并伴有矿物的显著变化（图 1）。在黏粒部分，蒙脱石相对积累，而伊利石和绿泥石相对减少；在粉粒部分，石英和斜长石相对积累，而伊利石和钾长石相对减少。
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图 1 两种典型水稻土矿物的演变特征 Fig. 1 Evolution characteristics of minerals in two typical paddy soils |
对红壤性水稻土黏粒矿物而言，其伊利石平均相对百分含量（31%）较起源土壤（22%）有一定的增加，而1.4 nm过渡矿物和三羟铝石平均相对含量（分别为10%和19%）较起源土壤（分别为16%和24%）有所降低。长期种稻能增加黏粒矿物中伊利石的相对含量。红壤性水稻土在种稻100 a以内，伊利石相对含量明显增加（平均约增加了37%），之后随着种稻时间的增加（100~300 a）变化很小（图 1）。考虑到红壤性水稻土黏粒含量的损失率要高于伊利石黏粒矿物的增加率，实际上黏粒中伊利石绝对含量在长期种稻过程中仍是亏损的。对粉粒矿物而言，其富钾矿物非常少，主要以抗风化的石英和长石为主，二者总量超过了90%。在长期种稻过程中，石英略有积累，而伊利石和长石相对减少。在长期种稻过程中，红壤性水稻土脱钾要明显较紫色水稻土轻（表 1），矿物变化也小。
2.2 紫色水稻土发生过程中不同形态钾以及转化阈值的演变特征紫色水稻土耕作层的WK和EK平均含量分别为61.5和44.4 mg·kg–1，低于起源土壤（分别为106.5和56.7 mg·kg–1），这说明淹水稻作并不会增加紫色水稻土的WK和EK含量。相反，紫色水稻土NEK平均含量为675.6 mg·kg–1，要高于起源土壤（650.6 mg·kg–1），这说明淹水稻作能促进MK向NEK的转化，提高矿物钾的有效性。紫色水稻土WK在种稻20 a内降低比较明显，之后随着种稻时间的增加相对稳定（图 2）。EK在种稻20 a内相对稳定，20~60 a内有一定的下降，之后相对稳定。NEK在种稻20 a内有较大幅度的增加，20~60 a内有一定的下降，之后也相对稳定且保持在一个较高的水平（658±10 mg·kg–1）。对“富钾”的紫色水稻土而言，传统稻作在种稻初期（0~20 a）能引起耕作层WK和EK总量明显降低（约降低28%），之后WK↔EK和EK↔NEK之间的转化阈值相对稳定，其转化阈值稳定在61±4和106± 9 mg·kg–1之间。
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图 2 两种典型水稻土不同形态钾及转化阈值的演变特征 Fig. 2 Evolution characteristics of different potassium forms and conversion thresholds in two typical paddy soils |
总体而言，传统稻作在种稻初期（0~20 a）虽然会大幅度降低WK和EK的总量，但其总量仍然保持在一个较高的水平（图 2），同时也降低了WK↔EK和EK↔NEK之间的转化阈值，且其转化阈值在之后长期保持稳定。这对稻田的保肥和促进土壤NEK的释放有利。从紫色水稻土不同形态钾以及转化阈值的演变特征来看，紫色水稻土的供钾能力和供钾潜力比较高且能长期保持不变。
2.3 红壤性水稻土发生过程中不同形态钾以及转化阈值的演变特征红壤性水稻土耕作层WK和NEK平均含量分别为27.0和184.8 mg·kg–1，要高于起源土壤（分别为15.5和169.5 mg·kg–1），而EK平均含量为37.1 mg·kg–1，要低于起源土壤（52.5 mg·kg–1）。红壤性水稻土耕作层WK在种稻100 a内有一定的增加，之后相对稳定。EK在种稻100 a内大幅度下降，之后相对稳定（图 2）。NEK在种稻100 a内大幅度增加，在100~200 a内相对稳定；但在种稻200 a之后，随着种稻时间的增加大幅度下降。对“贫钾”红壤性水稻土而言，WK和EK的总量在种稻初期（0~100 a）会大幅度降低并达到非常低的水平（约降低30%），之后WK↔EK和EK↔NEK之间的转化阈值相对稳定，其转化阈值稳定在32±4和64±4 mg·kg–1之间。
传统稻作在种稻初期（0~100 a）会提高红壤性水稻土WK含量并降低EK的含量，这会促进NEK的释放，但不利于稻田保肥。尽管如此，红壤性WK、EK和NEK的总量非常低，土壤的供钾能力和供钾潜力均比较低。而且种稻200 a之后，红壤性水稻土的NEK也开始大幅度下降，这表明土壤的供钾潜力开始大幅度下降，红壤性水稻土在发生过程中钾素的释放能力比较有限。
3 讨论为理解土壤属性对水稻土钾赋存形态和转化阈值的影响，将耕作层或表层土壤属性与各种形态钾进行相关分析（图 3）。结果显示除EK外，WK、NEK和MK之间均呈显著正相关，这说明在两种典型水稻土发生过程中不同形态钾之间存在密切联系。WK、EK、NEK和MK与SOC和黏粒含量均不呈显著相关。WK和EK与CEC不呈显著相关，而NEK和MK与CEC呈显著正相关。除EK外，WK、NEK和MK与黏粒和粉粒中的富钾矿物呈显著正相关（P < 0.05，图 3）。
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图 3 两种典型水稻土属性与各种形态钾的相关性 Fig. 3 Pearson correlation coefficients between soil properties and different K forms in the two typical paddy soils |
在土壤体系内，各种形态钾之间可以相互转化。有机质和高岭石中的吸附点位对钾的选择性很弱[19]，而且有机质还能占据层状硅酸盐矿物层间的一些吸附点位[20]，限制钾离子（K+）在矿物层间的扩散和吸附[12，21]，不利于EK和NEK的提升[22]。这也解释了为什么SOC与各种形态钾均呈负相关性（尽管未达显著水平）。WK、NEK和MK与黏粒和粉粒中的富钾矿物呈显著正相关，这说明水稻土发生过程中，水稻土钾赋存形态和转化阈值与黏粒和粉粒中的富钾矿物密切相关。
总体而言，两种典型水稻土的矿物组成受起源土壤的影响非常大具有明显的继承性。淹水种稻能引起矿物的规律变化，但矿物变化趋势和强度可能与土壤自身的矿物有关。紫色水稻土在发生过程中脱钾很明显（表 1），这与其黏粒和粉粒中的富钾矿物（伊利石、绿泥石和钾长石）减少一致（图 1）。在自然土壤中的EK和NEK库仅能在数年至数十年内满足高强度种植作物对钾需求。自然土壤淹水稻作后，土壤水分状况和氧化还原状况发生改变，这会提高MK释放。淹水还原条件下Fe2+、Ca2+等阳离子与层状硅酸盐矿物层间钾的置换和还原氧化交替会驱动MK的转化和释放，并对WK、EK和NEK有快速且较稳定的补给[13]。紫色水稻土不同形态钾含量和转化阈值的演变特征也证实了其释钾机制可以在“富钾”的水稻土发生过程中长期保持稳定。
尽管如此，当土壤富钾矿物较少时，无论淹水或干湿交替的农业措施对土壤速效钾的增加均非常有限[18]。红壤性水稻土TK含量较低，富钾矿物比较匮乏。在水稻土发生过程中，脱钾现象不明显，矿物的变化也相对较小（图 1）。其土壤黏粒矿物的动态变化可能主要与耕作措施有关，长期施肥可以提高黏粒伊利石的含量[23-26]。在耕作过程中，水稻土的黏粒矿物通常发挥了重要的缓冲作用，当土壤中有足够植物生长的钾元素时，黏粒矿物会储存一部分钾元素；当土壤中的钾元素无法满足植物生长时，黏粒矿物也会释放一部分钾元素来供应植物生长。由于红壤性水稻土在20世纪90年代之前缺少稳定的钾源输入，历史时期的稻作会导致土壤长期的负钾平衡，这会引起黏粒和伊利石等富钾矿物绝对含量的亏损，导致其原本就不高的供钾能力和供钾潜力持续下降（图 2）。已有研究结果表明长期的负钾平衡会导致红壤性水稻土对钾素的吸附能力降低[27]，进而会加大其作物对钾肥的依赖[28]。对红壤性水稻土尤其是种稻超过200 a的红壤性水稻土而言，有必要以可持续和钾平衡的方式增加其钾肥的投入，避免出现农田的负钾平衡。
当前农田缺钾现象普遍存在，因此寻找更经济的钾肥势在必行。在此背景下，使用破碎的硅酸盐岩作为作物钾源并当作传统肥料的替代品，成为一种潜在的选择[29]。然而，在旱地土壤中作物对这种矿物钾的利用效率相当有限。由于水稻土中的层状硅酸盐矿物具有独特的释钾机制[13]，且能在发生过程中长期保持稳定，因此在稻田中使用富含层状硅酸盐富钾矿物的粉屑作为传统钾肥的替代品具有巨大的潜力。考虑到我国伊利石、云母等层状硅酸盐矿物资源丰富，分布广泛，本研究发现不仅为减少钾肥投入和为富含富钾矿物的水稻土设计低成本、高效的种植模式提供了科学依据，也有助于缓解稻田对水溶性钾肥需求的压力。
需要特别指出的是时间序列剖面缺少重复，可能会影响研究结果的可靠性。同时当前研究仍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实际的有效性。需要更多的工作来精确度量富钾矿物粉屑施入稻田后其矿物钾释放的动力学特征和影响机制以及综合考量粉屑施入对稻田可耕性及质量影响，以期为降低稻田对可溶性钾肥的依赖提供理论支撑。
4 结论对“富钾”紫色水稻土而言，传统稻作在0~20 a内能引起耕作层WK与EK总量明显降低，之后WK↔EK和EK↔NEK之间的转化阈值相对稳定在61±4和106±9 mg·kg–1。对“贫钾”红壤性水稻土而言，WK和EK的总量在0~100 a内也会大幅度降低并达到非常低的水平，之后WK↔EK和EK↔NEK之间的转化阈值相对稳定在32±4和64±4 mg·kg–1。在水稻土发生过程中，水稻土钾赋存形态和转化阈值与黏粒和粉粒中的富钾矿物密切相关。层状硅酸盐富钾矿物的释钾机制可以在“富钾”的水稻土发生过程中长期保持稳定。对红壤性水稻土尤其是种稻超过200 a的红壤性水稻土而言，有必要以可持续和钾平衡的方式增加其钾肥的投入，避免出现农田的负钾平衡。
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