长期定位施肥对棕壤钾素时空变异特征及粘土矿物组成的影响

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本文以沈阳农业大学棕壤长期肥料定位试验地为基础,选用1979、1991和2004年肥料定位试验所采集的土样进行研究,研究棕壤在不同施肥用量上的肥力变化趋势,了解在东北主要作物轮作种植制度下,施用适当比例的化肥和有机肥对棕壤钾素形态及剖面分布变化的影响,粘土矿物组成、转化和不同粒级中非交换性钾含量的变化情况,进行了不同施肥处理之间、不同年份之间、不同土壤剖面层次之间的比较分析,根据不同粒级颗粒含量变化分析讨论了不同粒级中非交换性钾含量的变化趋势。研究结果表明: 长期不施肥或单施氮肥或氮磷化肥配施耕层土壤中水溶性钾、非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾、非交换性钾和矿物钾含量与原始土相比均有所下降,随着种植年限的增加(1979年~2004年)各种钾素含量的下降趋势有所增加。长期氮磷钾化肥配施土壤中速效性钾含量与原始土相比有明显上升,三钾素含量上升幅度相比特殊吸附性钾>非特殊吸附性钾>水溶性钾;土壤中非交换性钾和矿物钾含量较原始土有所下降,随着种植年限的增加两种钾素的下降趋势趋于平缓。 长期单施有机肥或有机肥与氮磷肥配施各处理土壤中速效性钾含量的绝对增减不足1mg·kg-1,相对增减小于5%在分析误差范围内。长期有机肥与氮磷钾肥配施能显著提高土壤中速效性钾含量;只有高量有机肥与氮磷钾肥配施土壤非交换性钾含量才有所提高;土壤矿物钾含量有小幅度的增加。说明有机肥的长期施用基本能维持土壤速效性钾平衡;缓解土壤非交换性钾的下降趋势,对矿物钾的活化有明显作用,并且这种作用效果随着有机肥用量的增加而增加。 受成土母质、气象因素和长期施肥作用的综合影响棕壤各形态钾素在土壤剖面中有一定的垂直移动。土壤速效性钾和非交换性钾含量随着土壤剖面层次的增加而降低,矿物钾含量则表现为20~40cm土层>0~20cm土层。长期施用有机肥能显著提高20~40cm土层土壤中水溶性钾、非特殊吸附性钾含量;维持土壤特殊吸附性钾平衡;缓解非交换性钾的下降但不能阻止其下降的趋势;增加土壤中无效态钾向有效性钾的转化。长期不施肥或单施化肥区随着种植年限的增加土壤各形态钾素在两土层均呈现明显的下降趋势,下降幅度化肥区>无肥区。两土层下降量相比水溶性钾、非特殊吸附性钾和矿物钾表现为20~40cm上层>0~20cm土层;特殊吸附性钾和非交换性钾则为0~20cm土层>20~40cm土层。 X-射线衍射分析结果表明棕壤中主要粘土矿物为水云母,其次为蛭石、高岭石和蒙脱石,还有少量绿泥石。经过26年的长期施肥土壤粘土矿物组成和相对含量发生了变化,长期施钾处理中土壤粘土矿物(<2um)的X-射线衍射图谱中几乎找不到蛭石衍射峰(d001=1.42nm和d002=0.71nm);长期不施钾处理中蒙脱石衍射峰(d001=1.8nm和d002=0.456nm)增强。长期不施肥或氮磷化肥混施处理中水云母或蛭石含量降低,蛭石与水云母混层或蒙脱石含量升高;而长期施用有机肥或化学钾肥或化学钾肥与有机肥配施的处理,土壤粘土矿物中水云母的相对含量有所增加,蛭石或蒙脱石的相对含量有所减少。 相关分析表明各形态钾素与水云母的含量都呈正相关,与蒙脱石和蛭石含量均呈负相关,这从侧面反映了蛭石、蒙脱石与水云母之间的转化关系;高岭石的同晶置换能力差、阳离子交换能力低,其固定或供给钾素能力弱导致高岭石与各种形态钾素含量的相关性不显著。其中速效性钾含量的多少主要是由水云母和蛭石含量高低决定的;影响非交换性钾含量的高低的粘土矿物主要是水云母;矿物钾含量的多少与土壤主要粘土矿物含量之间关系最密切。 随着种植年限的增加不同施肥处理土壤各粒级颗粒组成含量出现明显差异。长期有机肥或外源钾肥施入有助于提高0~2um粒级颗粒含量;各粒级非交换性钾含量的高低顺序为:(0~2um粒级)>(2~10um粒级)>(10~50um粒级)>(大于50um粒级),其中小于10um粒级土壤非交换性钾含量占四粒级非交换性钾总量的88.71%。长期施肥对0~2um、2~10um和大于50um粒级土壤非交换性钾含量的影响相同,不施肥或仅施氮磷肥随着种植年限的增加三粒级中非交换性钾含量呈明显的下降趋势;有机肥与化肥长期配施对10um以下小粒级中非交换性钾含量影响较大,随着粒径的增大有机肥的作用减小。
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