材料和方法

　　1试验设计

　　长期定位施肥试验设在山西省寿阳县宗艾村的北坪旱塬上。试验区海拔1130m，多年平均气温7.6℃，≥10℃积温3400℃，无霜期135～140d，年均降雨量501.1mm（年际间变率大），干燥度1.3，属半湿润偏旱区。氮磷化肥与有机肥配施定位试验始于1992年春，到2011年历时20a。试验开始时耕层土壤基本状况为：pH值8.3，有机质23.80g/kg，全氮1.05g/kg，全磷0.79g/kg，碱解氮106.4mg/kg，有效磷4.84mg/kg，速效钾100mg/kg，缓效钾1048mg/kg，全钾17.95g/kg。试验采用氮、磷、有机肥3因素4水平正交设计，另设对照和高量有机肥区，共18个处理，小区面积66.7m2，随机排列，无重复。氮肥、磷肥、有机肥以不同水平施用。本研究选用其中的9个处理，具体配施设计如表1所示。

　　2供试材料

　　供试氮肥为尿素（含N46%）；磷肥为普通过磷酸钙（含磷14%）；有机肥为风干牛粪，有机质90.5～127.3g/kg，全氮3.93～4.97g/kg，全磷（P2O5）1.37～1.46g/kg，全钾14.1～34.3g/kg。供试作物为春玉米，一年一作，管理栽培措施同当地大田生产。秋季结合耕翻将肥料一次性施入，春季播种。1992—1996年供试品种为烟单14号，1997—2003年供试品种为晋单34号，2004—2011年供试品种为强盛31号，密度为4.50万～5.25万株/hm2。2011年玉米收获后取0～20cm土层土样，风干后过1mm筛，用于土壤各分级形态钾的测定；风干土过0.25mm筛用于土壤全钾的测定。每年测产后取植株样用于钾素测定。1.3测定方法土壤有机质用重铬酸钾容量法测定；全氮用凯氏定氮法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；速效磷用0.5mol/LNaHCO3-钼锑抗比色法测定；植株钾含量用H2SO4＋H2O2消煮，火焰光度计测定。水溶性钾按水土比10∶1用蒸馏水提取[20]；非特殊吸附钾用0.5mol/L中性醋酸镁溶液提取，为醋酸镁浸提钾与水溶性钾之差；特殊吸附钾用1mol/L中性醋酸铵溶液提取，为醋酸铵浸提钾与醋酸镁浸提钾之差；非交换性钾用1mol/L硝酸溶液煮沸提取，为硝酸消煮钾与醋酸铵浸提钾之差；全钾用1∶8的氢氧化钠熔融；矿物态钾为全钾与硝酸消煮钾之差。以上提取出来的钾均用火焰光度计测定[21]。土壤钾素表观盈亏量（kg/hm2）＝钾素投入总量－作物带出土壤钾素总量。

　　结果与分析

　　1长期氮磷化肥配施有机肥对褐土土壤钾素平衡和产量的影响

　　单施氮磷化肥和与有机肥配施处理均较对照增加了作物产量和作物地上部吸钾量（表2）。单施氮磷化肥处理，随着氮磷化肥施用量的增加，玉米地上部吸钾量和作物产量都呈现先增加后降低的趋势，N3P3M0处理达到峰值，而作物产量在N2P2M0处理达到峰值。氮磷化肥配施有机肥处理较其他处理地上部吸钾量和作物产量都明显提高，且随着有机肥施用量的增加，地上部吸钾量和作物产量都呈上升趋势。除单施高量有机肥N0P0M6处理外，其他处理土壤钾素均出现亏损，但随着有机肥施用量的增加，钾素亏损明显减小。可见，氮磷化肥配施有机肥可以补充作物对土壤钾素的吸收，减少土壤钾素的消耗，提高作物产量。

　　2长期氮磷化肥配施有机肥对褐土耕层土壤不同形态钾素含量的影响依照金继运[10]对土壤存在形态的分类，将土壤钾素形态分为水溶性钾、非特殊吸附钾、特殊吸附钾、非交换性钾和矿物钾。水溶性钾、非特殊吸附钾和特殊吸附钾之和为速效钾，非交换性钾即缓效钾，速效钾、缓效钾和矿物钾之和为全钾。

　　(1)长期氮磷化肥配施有机肥对耕层土壤水溶性钾含量的影响

　　水溶性钾是土壤溶液中的离子态钾，可以被植物直接吸收利用，但它占土壤全钾的比例最低[22]。从表3可以看出，单施氮磷化肥处理，随着氮磷化肥施用量的增加，水溶性钾含量呈先增加后减少的趋势；施低量氮磷化肥N1P1M0处理和农民习惯施肥N2P2M0处理较对照水溶性钾含量均有所增加；较高氮磷施肥N3P3M0和N4P4M0处理水溶性钾含量均低于对照处理。说明适量施用氮磷化肥可以增加土壤水溶性钾含量，但过量施用氮磷肥则会降低其含量，其变化规律与作物产量变化规律基本一致。在氮磷化肥基础上配施有机肥处理，水溶性钾含量较对照明显增加，且随着有机肥施用量的增加而增加。说明有机肥的施用，可以补充土壤有效性钾素的含量，进而提高水溶性钾含量，促进作物生长对钾素的吸收。较高量单施有机肥处理土壤水溶性钾含量明显提高。总的来看，合理施用氮磷化肥或与有机肥配施，可以提高土壤水溶性钾含量，特别是较高量有机肥的施用，可以保证作物对水溶性钾含量的吸收。

　　(2)长期氮磷化肥配施有机肥对耕层土壤其他钾素形态的影响

　　土壤非特殊吸附钾是指土壤胶体表面吸附的能被钙、镁等离子所交换的钾[10]。对照非特殊吸附钾含量最低（表3），单施氮磷化肥和与有机肥配施处理非特殊吸附钾含量均比对照处理有不同程度提高，提高幅度在15.4%～710.7%之间。单施氮磷化肥处理无明显规律，其含量大小顺序为N1P1M0＞N3P3M0＞N4P4M0＞N2P2M0。氮磷化肥与有机肥配施处理，非特殊吸附钾含量较单施氮磷化肥和对照都明显提高，且随着有机肥施用量的增加呈上升趋势。特殊吸附钾是指2∶1型黏土矿物楔形位特殊吸附，不能被钙、镁等离子所交换，但却能被铵离子交换或通过水分子之间形成的氢键进行的电子传递过程而释放的钾[10]。含量以N1P1M0处理最低，且随着氮磷化肥施用量的增加，特殊性吸附钾含量没有显著的变化规律，氮磷化肥与有机肥配施处理较单施氮磷化肥和对照明显提高，且随着有机肥施用量的增加呈上升趋势。非交换性钾主要指易风化的含钾矿物（黑云母）晶格内含有的钾和土壤中固钾矿物（如蛭石等2∶1型层状硅酸盐矿物）所固定的钾[9]。非交换性钾又称缓效钾，是土壤速效钾的储备形态，在一定条件下可以转化为速效钾[1]。表3结果表明，对照的非交换性钾含量最低，随着氮磷化肥施用量的增加，其含量呈先增加后减少的趋势，N3P3M0处理达到峰值。氮磷化肥与有机肥配施处理的非交换性钾含量随着有机肥施用量的增加而增加，且都高于氮磷化肥处理。这主要是因为氮磷化肥与有机肥配施，减少了非交换性钾向其他形态钾的转化，有机肥的施用量减缓了这种转化。总的来看，非交换性钾含量在488～728mg/kg之间，说明土壤钾素的储备较为稳定。矿物钾是植物难以吸收利用的钾，对植物的有效性很缓慢，是土壤钾的贮藏库，通过风化作用将钾释放出来供作物利用。表3结果表明，矿物钾含量在15.62～18.05g/kg之间，不施有机肥处理含量较低，因为常年没有向土壤施入任何钾素，而作物每年却源源不断地从土壤携出钾，从而促使土壤矿物钾不断释放。氮磷化肥与有机肥配施处理矿物钾含量明显高于氮磷化肥处理，且随有机肥施用量的增加而增加。这主要是由于有机肥的施用，增加了土壤中作物易吸收的有效性钾，从而减少作物对矿物钾的耗竭。

　　3长期氮磷化肥配施有机肥对耕层土壤不同形态钾素比例的影响

　　由表4可知，水溶性钾含量在全钾中的比例处于0.05%～0.47%之间，非特殊吸附钾比例在0.08%～0.55%之间，特殊吸附钾比例在0.25%～0.77%之间，氮磷化肥与有机肥配施处理中，这3种形态钾素的比例均随有机肥施用量的增加呈上升趋势；单施氮磷化肥处理，水溶性钾在全钾中的比例随着氮磷化肥施用量的增加呈先下降后上升的趋势，其他2种形态钾素比例无明显变化规律。高，与水溶性钾变化规律一致。矿物钾比例在94.40%～96.45%之间，对照最高，高量单施有机肥处理最低；单施氮磷化肥处理，矿物钾含量随着氮磷化肥施用量的增加呈先下降后上升，N2P2M0处理降到谷值；氮磷化肥与有机肥配施处理，随着有机肥施用量的增加，矿物钾含量呈下降趋势，高量单施有机肥处理N0P0M6矿物钾比例最低，说明施用有机肥可以显著地降低矿物钾在全钾中的比例。因为施用有机肥后，进入土壤中的钾素大部分以速效钾和缓效钾的形态存在，从而削弱了矿物钾的比例[15]。2.4长期氮磷化肥配施有机肥对耕层土壤全钾含量的影响由图1可知，全钾的基础值为17.95g/kg，历时20a，变化幅度不大，除配施有机肥处理N3P2M3，N4P2M2和单施高量有机肥处理N0P0M6外，其他处理全钾含量均下降，下降幅度为0.31～1.72g/kg，对照下降幅度最大，主要因为作物长期不断从土壤携出钾而没有任何的补充。氮磷化肥与有机肥配施处理，随着有机肥施用量的增加全钾含量增加，除N2P1M1处理外，其余处理全钾含量均高于试验基础值。说明长期氮磷化肥与有机肥配施可以增加土壤有效性钾素，维持作物的吸收，减少土壤钾素的耗竭，提高土壤全钾含量。

　　结论与讨论

　　地上部分的作物产量及吸钾量与土壤钾素的平衡存在密切的关系[9，23]。本研究表明，长期单施氮磷化肥和与有机肥配施都可以增加作物产量和作物地上部吸钾量。单施氮磷化肥处理，随着氮磷化肥施用量的增加，玉米地上部吸钾量和作物产量都呈现先增加后降低的趋势。氮磷化肥与有机肥配施处理较单施氮磷化肥处理地上部吸钾量和作物产量都明显提高，随着有机肥施用量的增加，地上部吸钾量和作物产量都呈直线上升的趋势。除单施高量有机肥N0P0M6处理外，其他处理土壤钾素均出现亏损。钾素的支出大于投入，其亏缺部分显然是土壤提供的，即依靠土壤钾素来维持一定的产量，因而农田土壤钾素的收支状况，将反映在土壤钾素肥力水平的消长上[26]。有机肥的施用可以减缓土壤钾素的耗竭。

　　本研究结果表明，褐土水溶性钾含量在全钾中的比例不超过0.47%，非特殊吸附钾不超过0.55%，特殊吸附钾不超过0.77%，非交换性钾不超过4%，且最高值均出现在单施较高量有机肥处理N0P0M6。矿物钾比例随着有机肥施用量的增加呈下降趋势，说明有机肥的施用降低了矿物钾的比例。氮磷化肥与有机肥配施处理，增加了耕层土壤各个形态钾素的含量。长期施用有机肥和有机无机配合施用可以促进土壤自然钾素的释放[24-25]，维持土壤速效钾的平衡，减缓非交换性钾的下降趋势，同时降低矿物钾在全钾中的比例。谢建昌等[26]研究认为，土壤钾素的充分与否是由土壤速效钾含量和非交换性钾含量及其释放速率共同决定的。长期有机无机配合施用可以促进土壤钾素的释放。

　　全钾是衡量土壤钾素贮量的一个重要指标。本试验表明，除配施有机肥处理N3P2M3，N4P2M2和单施高量有机肥处理N0P0M6外，其他处理全钾含量较定位时都有不同程度的下降。不施任何化学肥料的对照处理，土壤钾素耗竭最为严重，随着氮磷化肥施用量的增加，耗竭减缓。氮磷化肥与有机肥配施，全钾含量随着有机肥施用量的增加而增加，除N2P1M1处理外，均高于试验基础值。总之，氮磷化肥与有机肥配施可以减缓土壤钾素的耗竭，保持土壤钾库的潜力。