水旱轮作条件下根区与非根区土壤钾素变化及固定释放特性研究

水旱轮作是我国南方主要耕作制度之一,在作物持续增产、维持地力和土壤改良中发挥着重要的作用。水旱轮作区一年两熟或多熟,随作物收获带走大量钾素;同时由于轮作区高温多雨,土壤钾素淋失严重,因此该种植制度下常出现土壤钾素亏缺的现象,并已严重制约着农业生产的发展。在我国钾资源相对短缺的现实条件下,开展水旱轮作条件下的土壤供钾能力研究具有重要意义。本论文采用分室根箱试验,研究了水旱轮作条件下根区与非根区土壤钾素动态变化特征,水旱轮作方式、外源钾、土壤粘土矿物组成与作物吸钾量的相互关系,轮作后的根区与非根区土壤的固钾和释钾规律,以揭示根际土壤供钾特性及对作物生长的意义,从而为不同性质土壤下的水旱轮作制中钾肥的合理施用提供依据。主要研究结果如下: 1.土壤样品风干后测定低估了土壤对当季作物的供钾能力。不施钾(-K)条件下,不同含水量时(微湿、近饱和、淹水),红壤、黄褐土、潮土和灰潮土风干样速效钾含量与鲜样测定值相比均有所降低,平均降低幅度分别为11.5%、3.8%、12.1%和5.0%;施钾(+K)条件下,风干样速效钾含量与鲜样测定值相比降幅更大,4种土壤分别为15.1%、9.5%、21.0%和20.2%。-K条件下,红壤、黄褐土、潮土和灰潮土风干样缓效钾含量与鲜样相比也有所降低,平均降低幅度分别为8.7%、13.4%、18.4%和22.8%:+K条件下,红壤风干样缓效钾含量与鲜样相比显著增加,平均增幅为34.7%。黄褐土、潮土和灰潮土风干样缓效钾含量与鲜样相比则有所降低,平均降幅分别为8.7%、7.7%和9.9%。试验结果还显示,采用鲜样直接测定土壤速效钾和缓效钾时,同一土壤不同含水量间的钾素含量无显著差异。 2.无论种植油菜还是水稻,作物吸收利用的钾主要来自于根区。根区钾含量降低时,非根区土壤钾向根区迁移。黄红壤非根区土壤水溶性钾和交换性钾含量(v)与距根区距离(x)线性拟合达显著相关,距根区越近,含量越小;黄褐土各形态钾素含量与距离的相关性不显著。 3.水旱轮作条件下,作物首先吸收利用根区土壤水溶性钾,随着作物生长和吸钾强度的增大,根区土壤交换性钾和非交换性钾向水溶性钾转化。同时,非根区土壤水溶性钾向根区迁移;非根区交换性钾和非交换性钾向水溶性钾方向转化,也有一定程度降低,距根区越近对作物吸钾量贡献越大。一个水旱轮作期内,黄红壤主要供钾形态为交换性钾和水溶性钾,作物吸收利用的非交换性钾较少;黄褐土主要供钾形态为非交换性钾,其次是交换性钾和水溶性钾。 4.油菜—水稻轮作(先旱后水)条件下,无论黄红壤还是黄褐土,施钾对前季作物油菜干物质量没有明显影响,但能显著提高轮作后季水稻干物质量。水稻—油菜轮作(先水后旱)条件下,对于黄红壤,施钾对前、后季作物干物质量均没有明显影响;而在黄褐土上,施钾对前季作物水稻增产显著。无论是先旱后水,还是先水后旱,施钾均可明显提高作物非籽粒部位的钾含量,且黄红壤上种植作物的各部位钾含量明显比黄褐土上的高。整个轮作期,+K处理作物吸钾量与-K处理相比显著提高。两种轮作方式下,黄红壤上种植作物的吸钾量明显高于黄褐土。 5.水旱轮作条件下,外源钾的施用可以明显提高根区与非根区土壤各形态钾素含量。外源钾施入黄红壤后主要以水溶态和交换态钾存在,施入黄褐土后主要以交换态和非交换态钾存在。由于作物生长吸钾,根区土壤钾素与不种作物处理相比显著降低,施钾可以缓解根区土壤钾素的亏缺,并显著提高非根区土壤钾素含量,且当季施钾处理的效果更加明显。不同水旱轮作方式下,施钾对根区与非根区土壤钾素动态变化的影响不尽相同。 6.水旱轮作条件下,作物生长吸钾改变了土壤粘土矿物组分。与基础土壤相比,轮作后黄红壤不施钾处理根区土壤绿泥石含量增加;黄褐土不施钾处理根区土壤蛭石、绿泥石和1.4 nm过度矿物均相对增加。距根区较近的非根区土壤粘土矿物组分也有相应改变。外源钾的施用在一定程度上缓解了土壤粘土矿物组分的变化。 7.水旱轮作后,根区与非根区土壤的固钾和释钾能力不同。以1:1型高岭石为主要粘土矿物的黄红壤固钾能力较弱。以2:1型水云母和蛭石为主要粘土矿物的黄褐土固钾能力较强,且固钾量随着外源钾加入浓度的增加而增大。根区土壤固钾能力显著高于非根区土壤,释钾量则相反。土壤非交换性钾含量也是影响土壤钾素固定和释放能力的因素之一。外源钾的施用降低了土壤的固钾率,提高了轮作后土壤的供钾能力。