图年试验点在五个区的分布 (NE NC NW SE 和 SW 分别代表东北华北西北东南和西南 ) 就已在全国范围内展开钾肥管理研究并且积累了大量的钾含量试验均在田间进行作物产量效应数据由第一季土壤测试数据 ( 图 1 ) 和相关的作物产量数据本研究的作物

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1 中国土壤速效钾的时空变化 ( ) 何萍 1,2,3,* 杨俐苹 2,* Adrian M. Johnston 3,6 徐新朋 2 赵士诚 2 陈防 4 李书田 1,2,3 涂仕华 5 金继运 ( 1. 国际植物营养研究所北京办事处, 北京 ;2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 ;3. 中国农业科学院与国际植物营养研究所植物营养创新研究联合实验室, 北京 ;4. 国际植物营养研究所武汉代表处, 武汉 ;5. 国际植物营养研究所成都代表处, 成都 ;6. International Plant Nutrition Institute ( IPNI ), Downey Road,Saskatoon,SK,S7N 4L8, Canada) 2 摘要 : 钾肥是不可再生资源, 并且不能通过其他化学物质合成因此, 了解中国土壤钾素的时空变化状态, 对于土壤钾素资源的有效利用粮食安全和资源的可持续性至关重要我们分析了全国 58,559 个土壤样本中速效钾的时空变化, 并用国际植物营养研究所 ( IPNI ) 中国项目数据库 ( 年 ) 中的 2,055 个田间试验进行验证结果表明, 土壤速效钾含量由 1990s 的 79.8 毫克 / 升增加到 2000s 的 93.4 毫克 / 升, 经济作物土壤增速高于粮食作物土壤土壤速效钾的增加主要是由于经济作物的施钾量较高 ( 粮食作物的倍 ), 在土壤中形成一定的盈余另外, 我国土壤速效钾含量具有较大的时空变异性东北华北西北东南和西南土壤速效钾平均含量分别为毫克 / 升过去 20 年东北的土壤速效钾含量未出现显著变化, 但华北东南和西南分别增加了 34.8% 17.9% 和 30.2%, 而西北则下降了 75.9% 相对产量也存在着很大的时空变化, 并与土壤速效钾变化规律一致由于粮食作物土壤速效钾含量一般低于土壤临界值, 而经济作物施钾增产效应高于粮食作物, 因此不管是粮食作物还是经济作物均需推荐合理施用钾肥然而, 由于我国土壤速效钾含量空间变异较大, 所以迫切需要根据不同土壤和试验地点的具体情况有针对性地施用钾肥关键词 : 土壤速效钾 ; 产量反应 ; 钾素管理 1 前言钾 ( K ) 是高等植物必需的三大营养元素之一, 参与植物许多重要的生理过程, 有改善农作物品质和提高抗逆性等功能 [1 3] 而且对于钾素贫瘠的土壤来说, 施钾肥是为其提供钾素最有效的方法但钾是不可再生资源, 并且不能通过其他化学物质合成所以合理的钾素养分管理对于有效利用钾素资源尤为重要了解土壤钾素状态对于合理实施养分管理措施很重要据报道, 钾素亏缺是一个世界性问题 [4], 目前全球耕地土壤钾素含量不断降低 [5 8] 上世纪 70 年代中国南部首次报道土壤缺钾问题 [9 10] 80 年代我国农业部加拿大磷钾肥研究所 ( PPIC ) 和国际钾肥研究所 ( IPI ) 等开始在我国开展施钾效应的田间试验研究结果显示, 我国南方和北方的部分表现土壤缺钾随后国内学者也陆续开展了作物施钾效应的田间试验 [11] 2005 年, 我国农业部启动了测土配方施肥计划, 推动了作物合理施肥最近研究表明我国农业生产中氮肥和磷肥普遍施用过量 [12 14], 而钾肥施用不足, 缺钾现象有进一步加剧的趋势 [15 16] 随着农业机械化的发展和我国作物秸秆还田及施用有机肥政策的实施, 更多的作物残茬将被归还到土壤中, 从而减缓了土壤缺钾的速率 [17] 然而, 关于土壤速效钾含量变化有些相悖的一些报道已经引起了科学家和化肥行业的关注有研究指出, 年华东地区 [18] 和年华北 [19] 的土壤钾含量显著降低而其他的报告表明, 除了我国西北年土壤速效钾含量出现了下降趋势, 其他均显示稳定或增加趋势 [20 21] 这些相互矛盾的结果可能是由于土壤采样点样品数量取样时间和分析方法等不同而引起的到目前为止, 钾肥还没受到像氮肥和磷肥那样的关注 [22 26], 而且我国上世纪 80 年代初进行的全国土壤普查结果已不能真实地反映目前的土壤钾素状态由于土壤钾素平衡不仅受到氮肥和磷肥过量施用的影响, 同时也受作物新品种和高产基因型的影响, 所以迫切需要关注我国土壤钾素状况和土壤钾素平衡, 该研究可为农业可持续发展中钾素合理养分管理提供科学指导自 1990 年国际植物营养研究所 ( IPNI ) 中国项目部 3

图 1 1990 2012 年试验点在五个区的分布 (NE NC NW SE 和 SW 分别代表东北华北西北东南和西南 ) 就已在全国范围内展开钾肥管理研究并且积累了大量的钾含量试验均在田间进行作物产量效应数据由第一季土壤测试数据 ( 图 1 ) 和相关的作物产量数据本研究的作物收获后通过测定氮磷钾肥小区 ( NPK 氮磷钾施肥目的是评价 1990 2012

2 图年试验点在五个区的分布 (NE NC NW SE 和 SW 分别代表东北华北西北东南和西南 ) 就已在全国范围内展开钾肥管理研究并且积累了大量的钾含量试验均在田间进行作物产量效应数据由第一季土壤测试数据 ( 图 1 ) 和相关的作物产量数据本研究的作物收获后通过测定氮磷钾肥小区 ( NPK 氮磷钾施肥目的是评价年中国土壤速效钾的时空变化和量根据土壤测试推荐 ) 和只施氮磷肥小区获得 ( NP 在作物的施钾效应 NPK 处理基础上不施钾 ) 为分析我国土壤速效钾的空间变化基于地理位置和行政区划将全国分为五个区包括东北 ( NE ) 华北 ( NC ) 2 材料和方法西北 ( NW ) 东南 ( SE ) 和西南 ( SW ) ( 表 1 ) 2.1 数据来源另外基于土地利用方式对每个区进一步划分为两土壤速效钾和作物产量数据来自年国际个类型区分别为粮食作物和经济作物类型区依据中国植物营养研究所中国项目数据库共计 58,559 个土壤速农业年鉴粮食作物类型区主要包含小麦玉米水稻效钾测试数据 ( 图 1 ) 和 2,055 个田间试验产量记录所马铃薯和大豆经济作物主要包含蔬菜果树油菜籽有土壤速效钾的数据都来源于田间试验播前采集 0 20 向日葵棉花和糖类等作物其具有较高的施肥量和经济厘米的土层用 Portch 和 Hunter [27] 推荐的 Superfloc 附加值 127 溶液提取土壤样品后采用火焰光度计测定土壤速效表 1 我国不同和不同时期的试验观测数全部作物项目 4 土壤测试相对产量 1990s 粮食作物 2000s 1990s 经济作物 2000s 1990s 2000s 东北 , 华北 2,446 17,896 2,233 17, ,394 西北 295 6, , ,136 东南 , , ,992 西南 701 6, , ,378 东北华北西北东南西南

3 表 2 中国五个区试验点情况总结省份主栽作物主要土壤类型降水量毫米纬度经度北纬度东经度东北吉林辽宁玉米水稻黄豆黑土褐土 400 1, 黑龙江番茄白菜黄瓜草甸土样本数 ph 有机质 % 7, 胡麻华北北京天津小麦玉米棉花褐土潮土河北河南白菜黄瓜花生棕土盐碱土山东山西南瓜茄子番茄 , 花椰菜西北陕西宁夏玉米小麦马铃薯黄土灌淤土甘肃新疆棉花白菜菠菜 , 栗钙土灰钙内蒙古青海洋葱胡萝卜黄瓜土潮土荒西藏辣椒番茄油菜籽漠土东南湖北湖南小麦玉米水稻黄棕壤潮土 700 1, , 江苏安徽棉花白菜大豆红壤水稻土上海江西甘蔗柑橘香蕉浙江福建油菜籽芝麻西南重庆贵州玉米小麦水稻黄棕壤红壤 600 2, 云南四川油菜番茄甘蔗紫土水稻土广西广东油菜籽香蕉木薯海南辣椒菠萝茶试验点地理分布数据如图 1 所示不同区域的土壤采 7, 用 SPSS 13.0 对数据进行方差分析并由 SigmaPlot 12.0 作出相应的箱型图用最小显著差数法 ( LSD ) 计算样数列于表 1 五个区的试验点信息列于表水平下不同时期的平均值差 2.2 数据处理相对产量 =( 氮磷处理产量氮磷钾处理产量钾的偏因子养分平衡 ( PKB )= 3 结果 ) 100 (1) 作物地上部钾移走量施钾量年农田速效钾变化情况 (2) 数据显示年土壤速效钾含量均呈增长趋势而且根据线性模型得其增长率为 ( 图 2 ) 图 2 土壤速效钾含量随时间变化趋势 5

4 为了进一步分析影响速效钾增长趋势的主要因素, 我们根据种植作物将土样分为两种 : 粮食作物和经济作物结果显示, 年粮食作物和经济作物的土壤速效钾含量随时间均呈增加趋势基于线性模型, 粮食作物土壤速效钾含量增长率仅为 ( 图 2 ), 然而, 经济作物同期大幅增加, 其增长率为 ( 图 2 ) 粮食作物的 K 2 O 施用量平均为 7.3 公斤 / 亩 ( 变化范围为公斤 / 亩 ), 而经济作物的 K 2 O 施用量平均为 17.0 公斤 / 亩 ( 变化范围为公斤 / 亩 ) ( 图 6 ) 进一步分析发现, 经济作物较高的钾含量是由于大量的钾肥投入引起的, 这也直接导致了年土壤速效钾含量出现增加趋势 3.2 土壤速效钾的时空变化上世纪 80 年代开始中国引进了平衡施肥 ( Balance fertilization ) 概念,90 年代钾肥合理施用受到广泛关注然而, 不同土壤钾含量存在很大差异, 东北华北西北东南和西南的测试平均值为毫克 / 升为了评价年中国不同土壤速效钾的变化, 我们比较了 1990 年代 ( 年 ) 和 2000 年代 ( 年 ) 两个时期的土壤速效钾含量数据显示土壤速效钾均值从 1990 年代的 79.8 毫克 / 升增加到 2000s 的 93.4 毫克 / 升, 东北两个时期的土壤速效钾含量没有变化, 华北东南西南的土壤速效钾分别增加了 34.8% ( 毫克 / 升 ) 17.9% ( 毫克 / 升 ) 和 30.2% ( 毫克 / 升 ) 而西北的土壤钾含量却下降了 75.9% ( 毫克 / 升 ) ( 图 3A ) 进一步分析表明, 粮食作物土壤速效钾的变化趋势同全部作物土壤速效钾变化趋势相似, 但不同间存在很大差异 ( 图 3B ) 1990 年代土壤速效钾在华北东南和西南分别为和 66.4 毫克 / 升,2000s 分别 6 图 3 土壤速效钾含量的时空变化图 4 相对产量的时空变化

5 增加了 8.7% 21.0% 和 8.7% 相反, 西北土壤速效钾含量下降了 73.5% ( 图 3 B ) 2000 年代华北东南和西南经济作物的土壤速效钾含量与 1990 年代相比, 分别增加了 59.7% 12.4% 和 22.2%, 但东北和西北却下降了 92.5% 和 91.7% 结果显示, 华北西南土壤速效钾含量增加主要归因于经济作物钾肥的大量投入, 而东南则主要是因为粮食作物土壤速效钾含量升高西北土壤速效钾降低主要是由于粮食作物土壤速效钾含量大幅降低 ( 图 3C ) 3.3 不同作物的施钾效应相对产量, 由氮磷处理小区产量除以氮磷钾处理小区产量计算得到, 用来评价作物的施钾效应相对产量越大, 土壤基础钾养分供应量越高东北华北西北和东南作物的相对产量相差不大, 分别为 86.8% 88.6% 88.1% 和 87.6%, 西南相对产量为 80.4%, 相比其他较低, 说明西南的土壤基础钾养分供应量较低从时间上进一步分析, 相对产量由 1990 年代的 83.7%( % ) 增加到 2000 年代的 87.9% ( % ), 然而之间存在一定差异 : 东北西北的相对产量在两个时期无显著差异, 但华北东南和西南的相对产量从 1999s 到 2000s 分别增加了 6.6% 4.9% 和 6.1% ( 图 4A ), 表明这三个的土壤基础钾养分供应量有所增加不同粮食作物的相对产量 ( 东北华北西北东南和西南分别为 87.1% 88.9% 89.0% 89.7% 和 84.3% ) 与全部作物无显著差异除华北外 ( 图 4B ), 各两个时期的相对产量无显著差异, 表明这些的土壤基础钾养分供应量在 22 年中并没有增加或只是略有增加 1990 年代到 2000 年代华北粮食作物的相对产量增加了 4.9%, 可能与该秸秆还田量增加有关经济作物的相对产量存在很大差异, 东北华北东氮磷钾处理产量 ( 吨 / 公顷 ) 氮磷处理产量 ( 吨 / 公顷 ) 图 5 粮食作物与经济作物氮磷处理产量与氮磷钾处理产量相关性比较 ( A ) 粮食作物 ;( B ) 经济作物虚线为 1 : 1 界限钾的偏因子养分平衡 ( 公斤 / 公斤 ) 吸钾量 ( 千克 K/ 公顷 ) 施钾量 ( 千克 K 2 O/ 公顷 ) 图 6 不同粮食作物和经济作物的施钾量 ( A ) 吸钾量 ( B ) 和钾的偏因子养分平衡 ( C ) 7

6 8 南和西南的相对产量分别为 83.1% 86.1% 87.1% 85.8% 和 77.2% 经过多年, 东北西北的相对产量分别增加了 1.8% 和 4.0%, 但是华北东南和西南却分别增加了 9.1% 5.6% 和 7.6% ( 图 4C ) 相对产量的变化与土壤测试结果相吻合 ( 图 3 ) 4 讨论数据显示, 年粮食作物土壤速效钾含量略微增加, 但是经济作物土壤速效钾含量却显著增加这与经济作物施钾量较高有关东北华北西北东南和西南经济作物的 K 2 O 施用量平均为和 26.1 公斤 / 亩, 这分别是粮食作物 K 2 O 施用量的和 2.8 倍 ( 图 6 ) 施钾量越高, 经济作物的土壤速效钾含量越高这些数据显示, 全国土壤钾平均含量有所增加主要是由于经济作物土壤钾含量的增加然而, 分析 2000 年代粮食作物的土壤钾含量, 东北华北西北东南和西南分别为和 72.2 毫克 / 升, 除西北外都低于 80 毫克 / 升 ( 缺钾临界值 ) [28] 在华北东南和西南, 尽管 2000 年代的粮食作物土壤速效钾含量与 1990 年代相比有所增加, 但两个时期的相对产量却无差异进一步分析, 虽然我国实行农业机械化以来, 大量作物还田到土壤, 但随着产量不断提高, 大量钾素被作物移走, 土壤速效钾含量仍呈持续降低趋势而且粮食作物的土壤钾含量低于临界最低值, 土壤基础钾养分供应量也并无增加, 因此, 种植粮食作物的土壤仍要增加施钾量我们可以通过相对产量和大量的田间定位试验数据来支持这些结果 [29 33] 尽管农业机械化有所发展秸秆还田量增加, 但是数据显示, 仅靠秸秆还田不能保持土壤钾平衡 [30,34], 施钾肥对于保持高产和土壤钾平衡都是必不可少的 [35 36] 尽管经济作物的土壤钾含量高于粮食作物, 但其相对产量 ( 东北华北西北东南和西南分别为 83.1% 86.1% 87.1% 85.8% 和 77.2% ) 在一定程度上却低于粮食作物 ( 东北华北西北东南和西南分别为 87.1% 88.9% 89.0% 89.7% 和 84.3% ) 这与经济作物 ( ) 氮磷处理产量与氮磷钾处理产量之间的斜率低于粮食作物 ( ) 相吻合 ( 图 5 ) 进一步分析, 粮食作物土壤基础钾养分供应量对产量的贡献高于经济作物, 即经济作物对钾肥有较大的增产效应, 所以经济作物要获得最佳产量, 就需要适量增施钾肥钾的偏因子养分平衡系数 ( PKB ) ( 由作物地上部钾移走量除以施钾量计算得 ), 经济作物和粮食作物钾均超过了 1.0 ( 图 6 ), 表明作物吸收的钾多于通过化肥施入的钾, 这已被很多研究证实 [17,33,37 38] 经济作物钾的偏因子养分平衡为 2.1 ( 变化范围为 ), 高于粮食作物的 1.3 ( 变化范围为 ) ( 图 6 ), 表明经济作物带走的养分高于粮食作物此外, 南方土壤含钾量低可能是与钾素淋洗风化还有降雨量大有关 [32] 有限的报道显示, 虽然蔬菜地土壤钾素含量为毫克 / 升, 也仅达中等水平 [39 40] 而 2000 年代东北东南和西南经济作物的土壤测试钾含量分别为和 98.9 毫克 / 升, 低于经济作物的土壤钾素临界值本研究中不同的土壤速效钾含量有很大的空间变化, 这就强调施肥量及管理措施都要因地制宜西北的土壤速效钾含量在五个区中最高, 其次是华北东南西南和东北西北的土壤钾含量之所以高, 是因为其土壤母质中含有钾矿石, 例如云母和长石, 所以土壤钾养分供应能力也高 [17,41 42] 然而, 经过 22 年的种植历史, 西北土壤钾含量却有所降低西北全部作物粮食作物经济作物中土壤钾含量在 1990 年代分别为和毫克 / 升, 在 2000 年代则分别为和毫克 / 升西北经济作物的相对产量呈下降趋势, 这也说明土壤钾养分供应能力降低 ( 图 3C ) 因此及时有效地施钾对于西北长期保持土壤钾素平衡非常必要此外, 我国北方也要重视钾肥施用, 尤其是东北和西北, 因为这些作物带走的养分过大, 而且还田率较低 [43] 尽管我国南部农业机械化有所发展, 秸秆还田量增加, 但是由于降雨造成了钾淋洗和风化, 这也影响了土壤钾素平衡因此, 钾肥管理需要考虑土壤钾素平衡, 以增加土壤钾库积累量, 从而保证高产和钾肥的高效利用 5. 结论总体而言, 年中国的耕地土壤速效钾含量呈增加趋势, 这主要是因为经济作物施钾量较大造成相对产量结果对土壤测试数据变化给予了支持, 经济作物施钾效应大于粮食作物因此, 不仅粮食作物在较低土壤钾水平下需要施钾, 而且经济作物由于施钾增产效应显著, 也需要合理施钾需要针对特定区域和特定地块的施肥策略才能应对这一挑战本文的结论有利于对未来的研究方向提供指导, 如在农业机械化条件下对经济作物土壤钾临界值钾养分循环和 4R 养分管理策略等的研究

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..._-200701002

..._-200701002 營養障礙症 Nutritional disorders ăധ ͻğnitrogen deficiencyğ 三起因 1.施用未腐熟的有機物因其中之碳氮比過作物吸收氨或硝酸態氮素後由光合作用合成之碳水化合物經氧化作用產生能量供給氮素合成氨基酸再由氨基酸合成蛋白質為維持生命的重要化合物 (4) 高易造成氮的缺乏 2.粗質地的土壤稻田保肥力差施用之氮肥易流失 3.氮肥施用量不足