张朋1，尹飞虎2*，李光永1
（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083；2.新疆农垦科学院）
摘要：钾是植物必需的营养元素之一，在作物生长发育中扮演着重要的角色，在提高作物产量和改善农产品品质方面起着至关重要的作用，所以充分了解钾在土壤中的存在状态和运移规律是非常必要的。文中重点综述了在干旱半干旱条件下，土壤钾素的平衡和循环、土壤钾的固定释放机制及影响运移因素等方面的研究状况，以求为进一步开展相关研究和指导科学施肥奠定基础。
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关键词 ：旱区；土壤；钾素；运移
钾是植物生长发育所必需的大量营养元素[1]，作为一个主要的营养物质，钾在作物的许多生理过程中扮演着重要的角色，如在酶的活性、蛋白质的合成和光合作用过程中[2]。尽管钾在作物生产中有着至关重要的作用，但在过去传统或转基因育种中并没有把钾的吸收和利用率的提升作为主要焦点[3]。世界上缺钾农田的数量是非常大的。例如，在中国有75%的稻田是缺钾的，在澳大利亚南部有67%的麦田是缺钾的。另外，越来越多的报道表明之所以存在钾的缺乏是因为钾的淋洗[4]。
李比希提出矿质营养学说后，施用化肥就成为人们最为重视的农业增产措施之一，但如果是在不了解土壤供肥能力、作物需肥特性、肥料在土壤中运移规律的状态下，就盲目的大量施用化肥，不仅不会增加农业产出，反而增加了投入，造成资源浪费，增加环境污染，同时还会引起土壤肥力退化[5]，所以，研究肥料在土壤的运移特征就显得尤为重要。钾素作为植物必需的大量营养元素之一，在土壤中的形态、运移规律及利用率得到国内外学者的深入研究。土壤中的钾能否被植物吸收利用，不仅与钾的化学形态有关，也与其所处的空间位置有密切关系。对于整个土壤结构来说，植物根系约占土壤总容积的3%，如果仅以根系表面接触的这部分土壤钾素作为植物的有效养分，则远不能满足植物对钾素的需求[6]。为了更进一步的了解土壤中钾素的供给量和作物对其的利用率，首先应该弄明白土壤中钾素的运移特征及其影响因素，以减少钾肥施入土壤后的固定失活和随水径流损失，从而改进钾肥施用技术和提高钾肥利用效率[7]。本文就干旱半干旱灌区的土壤钾素及其运移研究现状综述如下。
1土壤钾的平衡与循环
目前干旱半干旱灌区的施肥现状是重氮、磷肥，轻钾肥，这就造成农田三大营养元素的收支平衡中，氮有盈余，磷基本平衡，但钾一般是亏缺的。由于土壤钾素的连年亏缺，从而增施钾肥增产增效的面积在不断扩大[8]。为了有效的维持土壤中钾素平衡，必须了解土壤中钾素的循环。土壤中钾素的各种形态可以相互转化，并处于一定的动态平衡。
当作物过度吸收土壤钾素时，土壤速效钾就会降低，缓效钾也会出现降低趋势；而土壤供给作物钾素的亏缺部分是由土壤钾库提供的，故土壤钾肥水平的高低受农田土壤钾素收支状况的影响。从长远来看，保持土壤中有足够的钾素储备尤为重要。为了维持和提高土壤钾素肥力水平，保持并促进作物高产稳产，土壤钾素的平衡问题必须得到重视。刘荣乐等[9]通过对我国东北、华北、西北地区的几个田间定位试验研究表明：补钾方式不同，土壤中钾素变化也不同。仅采用秸秆还田，土壤钾素仍有亏缺；单施化学钾肥，土壤钾素收支趋于平衡；两者配合施用时，土壤钾素出现盈余。鲁如坤等[10]提出了农田养分平衡的评价方法和原则，为我国农业生产过程中合理施用钾肥、调控土壤钾素水平提供了理论依据。朱向东等[11]提出平衡系数可以反映土壤钾素管理对土壤钾素平衡程度的调控效果，平衡系数大于1，说明土壤钾素有盈余；平衡系数小于1，说明土壤钾素有亏缺。谢建昌等[12]也提出在我国钾肥供应不足的大背景下，仅为了钾素投入和产出的平衡，向钾肥尚未显效的土壤上盲目施用钾肥是不可取的。刘会玲等[8]通过研究也表明过量施用钾肥会引起作物“奢侈吸收”，从合理施用肥料的角度看，这是不适宜的。
土壤钾素固定是影响钾肥有效性的原因之一，有研究显示，土壤钾素过度消耗后，土壤固钾能力明显增强。土壤钾素的消耗主要是作物的吸收和淋失，施用钾肥是土壤钾素补给的主要方式之一。在降雨量大、渗透性高、阳离子交换量低的土壤上，钾素的淋失作用是化肥利用率低的主要原因，有研究显示，旱地土壤钾素的淋失一般只占吸收总量20%以下[13]。钾素的淋失不仅增加了农业成本，降低了肥料的利用率，还无法满足作物对钾素的需求。
2土壤钾素固定和释放机制
土壤钾素的固定和释放作用是影响钾肥有效性的两个重要过程，二者之间的转化是一个可逆过程，反应方向取决于水溶性钾和土壤交换性钾的浓度和环境条件。
土壤施入钾肥后，钾离子被束缚在2∶1型铝硅酸盐的层间位置或者土壤溶液中的钾离子及吸附在颗粒表面的交换性钾转化为非交换性钾，成为不易为中性盐溶液浸提，从而降低钾有效性的现象即为钾的固定。影响土壤固定钾的主要因素有土壤类型、土壤质地、水分、pH值等[14，15]。徐国华等[16]研究表明，土壤钾的固定主要是由于施钾肥或原生矿物风化致使土壤溶液中钾离子浓度升高而引起的。徐晓燕等[17]研究结果显示，多数土壤施钾后可被当季作物吸收利用的只有小部分，而大部分有效钾会转化为非交换性钾，进而降低钾肥有效性，导致植物体有效钾离子浓度降低。但朱永官等[18]研究则显示，土壤钾素的固定虽然降低了钾肥有效性，但减少了钾素的淋失和植物的“奢侈吸收”，从而提高钾肥的利用效率。一般认为，施入土壤的钾肥，只有在满足固钾能力较强土壤对钾素的固定以后，才能发挥增产提质的作用。
由于作物吸收利用，土壤溶液中的钾离子或交换性钾的浓度降低，层间固定的非交换性钾和矿物态钾转化为可被植物直接吸收利用的交换性钾，这种现象称为钾的释放[19]。LiRuan等[20]研究表明，钾的释放包括一个快速的释放阶段和一个随后减慢阶段，并且在钾释放方面，Mg2+扮演着比Ca2+更为重要的角色。钾离子的释放可以有效的补充土壤中水溶性钾离子，为作物生长发育提供一定量的钾。
3土壤钾素在土壤中运移的研究
土壤中的钾素必须迁移到植物根表才能被吸收利用，当迁移量超过根的吸收能力时，钾就在根区富集；反之则在根区形成亏缺区。钾在根区的富集程度和区域大小反映了土壤的供钾特征，充分了解钾素在土壤中的运移规律及影响因素，对改进钾肥施用技术和提高钾肥利用率有重要的意义。
3.1自然因素对土壤钾运移的影响
3.1.1不同成土母质及质地对土壤钾运移的影响
土壤质地会影响土壤对钾运移产生的阻滞作用，这是因为钾素会与土壤发生吸持反应，土壤容重作为反应土壤紧实程度的重要指标，会影响钾素在土壤中的扩算。占丽平等[7]研究表明，性质相似或同类型的土壤，由于土壤固体颗粒排列不同，土壤体积质量不同，从而造成养分运移的通路曲折不同，进而影响钾素的运移。杜振宇等[21]认为，钾离子迁移的主要方式是扩散，徐明岗等[22]研究结果表明，土壤体积质量不同，单位土体内的电荷密度随之改变，因而改变了养分扩散系数。GhildyalBP的研究进一步表明，当土壤体积质量由1.0g/cm3增至1.6g/cm3时，钾素的扩散系数有所增加。
3.1.2土壤pH值和陪伴离子状况对土壤钾运移的影响
沈仁芳等的研究指出，高浓度的NH4+可促进K+向下移动。徐明岗[22]提出：无论是土壤的可变电荷还是恒电荷，K+吸附量都随pH值升高增加。徐晓燕等[17]提出，当pH值在2.5以下时，土壤不固定钾；pH值处于2.5～5.5时，土壤固钾量迅速增加；pH值为5.5以上时固钾量增加缓慢。
3.1.3土壤温度对土壤钾运移的影响
土壤温度是影响各形态钾离子间相互转化和土壤供钾能力的一个重要因素。王文忠等[23]研究显示，作物生长后期，地温升高能够促进土壤中缓效钾向速效钾转化，从而提高向根表迁移的钾量，缓解作物吸钾能力减弱的现象。NyePH[24]等通过研究认为，温度变化影响了土壤中养分扩散系数，进而影响到钾素扩散，根据Stokes-Einstein公式，养分离子扩散系数（D）和温度（T）之间的关系为：D=KBT/6πriη，由此公式可看出，钾的扩散系数随温度增加而增加。温度影响钾素扩散表现在两方面：一是温度升高，土壤水分黏滞度降低，钾离子运移时所受的水分阻力就会减小；二是温度升高，粒子运动平均动能增加，扩散动力增加。
3.1.4生物因素对土壤钾运移的影响
各种生物因素也对土壤中钾素运移产生作用，占丽平等[7]研究结果表明，植物特性如对养分的需求量、生长率、根系的生长、根的表面积和根系密度等，都会影响土壤中钾素向根系表面扩散。ChristianZorb等[3]认为，根系分泌物和土壤微生物能够促进土壤非交换性钾的释放，提高土壤中交换性钾的量，增加钾素在土壤中的运移。
3.2人为因素对土壤钾运移的影响
3.2.1肥料合理配施对土壤钾运移的影响
李比希提出，植物的产量受土壤中含量最少的养分所支配，故大田施肥时各种肥料应配合施用。同时，钾肥与氮、磷肥配施也是提高钾肥有效性的途径之一，选择适宜的氮、磷、钾肥配比不仅可以充分发挥钾肥有效性，还可提高氮、磷肥的利用率。另据张会民等[25]研究表明，长期施用氮、磷肥可影响土壤钾离子的吸附和解吸，长期施用氮、磷肥增加了土壤对钾的特殊吸附位点（KX），说明长期配施氮、磷肥能提高土壤对钾离子的吸附能力，从而提高了土壤的保钾、供钾能力。长期定位施肥对土壤钾离子吸附和解吸的平衡时间和平衡量也产生影响。
3.2.2地膜覆盖技术对土壤钾运移的影响
地膜覆盖栽培技术在农业种植方面应用越来越广泛，地膜覆盖可以减少钾肥施入土壤后因雨水向下或地表径流而损失。另外，覆盖地膜可以增加作物生长前期土壤温度，激活钾离子活性，促进钾离子向根表运移。
3.2.3人为控制水分因子对土壤钾运移的影响
水分是土壤中最活跃的因子，是土壤养分移动的基质，它对养分移动性的影响十分明显，土壤中养分是否有效与水分密切相关。土壤钾素的扩散速率随土壤水分的增加而增加。王虎等[26]通过对滴灌施肥条件下滴头流量的研究表明，灌水施肥量一定，滴头流量在一定范围增大，对速效钾在土壤中的径向和竖向运移距离影响不明显，但滴头流量增大到一定程度，会导致速效钾竖向运移距离减小，并通过相关试验数据分析得出水分运动对钾离子迁移的对流起主导作用。
滴灌施肥技术可充分发挥水肥耦合效应，提高水肥利用率。尹飞虎等[27]研究表明，在随水滴施条件下，滴灌专用肥和常规肥中的钾素在土壤中的垂直分布随水的移动性均较强，不同土层中分布很相似，但随着土层深度增大，钾素水平呈下降趋势，在棉花根系主要分布区域，滴灌专用肥的钾素水平均高于常规肥，这种分布特征有利于棉株的吸收利用，
不同类型的灌溉水对钾的运移也有影响，冯小明等[28]研究结果表明，在大灌水定额下，清、洪水灌溉差异明显。0～40cm土层，灌洪水后速效钾含量与灌清水相比有明显增加；40cm土层以下，土壤中速效钾受运移影响很大，影响深度在140cm左右。而在中等灌水定额下，清、洪水灌溉差异不大。LiRuan等[20]研究了用劣质水灌溉对土壤钾释放的影响，水中镁离子含量高时，会对土壤钾的释放有明显的促进作用。
4小结
钾素作为作物必须的大量营养元素，对促进作物增产提质具有重要的意义，但目前对钾素的研究多集中在钾的数量和形态的变化，对钾素运移的能量变化研究较少，今后应加强钾素运移规律及运移因素之间相互作用的研究。另外，还可以通过建立钾素运移模型，更精确地预测钾在土壤中的动态运移，为高效利用土壤钾素资源和提高钾肥利用率奠定基础。对于滴灌水肥一体化条件下，钾肥在土壤中的分布、迁移和转化规律的了解还很有限，这将是未来研究的重点。
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