酸化红壤施用石灰后根际土壤钾素转化特征及机制

Red soil is one of the most important soils in tropical and subtropical areas in China. The general and rapid acidification makes the potassium (K) loss more easily from red soil with K deficiency. Therefore, with the limited storage of mineral K the amelioration of acidification and the resonable utilization of K resources in red soil are becoming more and more important. The most effective measure to ameliorate acidification is to apply lime to soil. However, with application of lime the characteristic of K transformation in red soil remains unclear. In order to reveal the mechanism of transformation and dynamic of K, the K content in rhizosphere and non-rhizosphere areas, the adsorption-desorption and leaching of K from soil, and the surface charge properties of soil will be studied. Based on the long term experiment of red soil with acidification, the field experiment, root-box experiment, simulating of soil column, and dynamic and electrochemical experiments will be employed in this study. The objectives of this study are (1) to provide scientific theoretical evidence and practical guide to the amelioration of soil acidification, the improvement of soil fertility, and the sustainable utilization of K resources; (2) to enrich the basic theory of the adsorption-desorption and migration of K in red soil, and the electrochemistry of soil surface.

红壤是我国热带亚热带地区最重要的土壤类型之一，土壤自身有效钾含量比较低，普遍而快速酸化则更加剧了红壤钾素养分的流失，因此在我国钾矿资源十分匮乏的现实情况下，酸化红壤改良及钾素资源合理利用研究刻不容缓。施用石灰是改良酸化最有效的措施，然而，施石灰后红壤钾素持续利用的基础研究较为缺乏，尤其钾素转化的特征及机理尚不清楚。针对这一关键科学问题，利用红壤（酸化及改良）长期定位试验，采用田间原位观测和根箱盆栽、原状土柱模拟及动力学和电化学研究相结合的方法，通过对不同时期根际和剖面不同层次及施石灰不同年限土壤钾素（水溶性、交换性和非交换性钾）含量、吸附解吸、淋溶迁移、表面电荷性质等的深入研究，阐明施用石灰红壤根际和非根际钾素转化的时空特征，并揭示其机理。研究结果不仅为酸化红壤的改良、肥力质量提高和钾素资源的可持续利用提供理论依据和实践指导，也将丰富红壤钾素吸附化学和表面电化学等基础理论。

红壤酸化往往伴随钾素的缺乏，因此，在进行酸化红壤施石灰改良的同时研究钾素的动态变化显得尤为重要。本研究依托祁阳红壤旱地长期施肥试验（始于1990年），采用田间原位观测、根箱（根际袋）试验、原状土柱模拟及动力学和电化学研究相结合的方法，探究根际和剖面钾素含量、吸附解吸、淋溶迁移、表面电荷等变化特征。结果表明，（1）玉米不同生育期土壤速效钾含量表现为：苗期>收获期>灌浆期≈拔节期，根际均低于非根际，尤其是在拔节期和灌浆期。与相应不施石灰处理相比，NPCa处理玉米根际与非根际土壤速效钾均无显著变化，NPKCa和NPKSCa处理玉米根际与非根际土壤速效钾均降低，但根际土壤速效钾的盈亏率升高（NPCa、NPKCa和NPKSCa分别提高8.6%、33.2% 和19.3%）。随石灰用量的增加，氮磷钾肥配施下（NPK和NPKS）根际速效钾降低到一定程度后趋于稳定（玉米和小麦分别为：46.5和70.4 mg kg−1）。（2）相比NPCa，NPKCa和NPKSCa钾素的吸附平衡常数和最大缓冲容量均降低，钾素的最大吸附量增大，促进土壤对钾素的固持，提高钾素的有效性。随石灰用量的增加，NPK处理钾素吸附平衡常数和最大缓冲容量均出现增加趋势，钾素的最大吸附量均不变。（3）施用石灰显著提高根际与非根际土壤pH和交换性钙镁含量，降低交换性铝含量。速效钾与缓效钾、交换性（K+/（Ca2++Mg2+））、交换性（K+/Al3+）和钾的饱和度呈极显著正相关。（4）土壤速效钾含量均随着土层深度的增加而显著降低。施用石灰降低各土层（0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-50cm）土壤速效钾含量。不同施肥处理土壤缓效钾含量对石灰的响应没有呈现明显规律。（5）NP处理在不同石灰用量下玉米-小麦干物重、钾含量、钾素吸收量均无显著差异；氮磷钾肥配施下增施适量的石灰（1.41 g kg-1），增加玉米-小麦干物重和吸钾量，提高钾素吸收效率和钾生理效率。根际速效钾、缓效钾和非根际0-18和18-36cm速效钾与作物吸钾量呈负相关关系。根际土壤速效钾的有效性随初始pH升高而降低，红壤施用石灰校正酸化应在pH降到5.0之前进行。