全 文 ：收稿日期：!""#$"#$!" 接受日期：!""#$%!$"&
基金项目：国家自然科学基金项目（’"()%"*"）资助。
作者简介：李小坤（%*)*—），男，湖北襄樊人，博士研究生，研究方向为土壤肥力。+,-./0：0/1/.23456789-./0 : ;<.4: 8=4: >5
! 通讯作者 +,-./0：04?/.578/6-./0 : ;<.4: 8=4: >5
水旱轮作下根区与非根区黄褐土钾素动态研究
李小坤%，鲁剑巍%!，吴礼树%，陈 防!，丛日环%，廖志文%，姜存仓%
（%华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉 ’&"")"；!中国科学院武汉植物园，湖北武汉 ’&"")’）
摘要：采用分室根箱试验，研究了油菜—水稻轮作条件下黄褐土根区与非根区土壤钾素动态变化特征，以期为土壤
供钾机制研究及合理的根际养分调控提供依据。结果表明，轮作前季（油菜季）前期，根区土壤水溶性钾和交换性
钾首先出现相对亏缺；随着油菜生长和吸钾强度的增大，根区非交换性钾含量也显著降低，非根区内、中、外区土壤
水溶性钾向根区迁移，交换钾和非交换钾向水溶钾转化，含量均逐渐降低，且距根区越近，降低幅度越大。轮作后
季（水稻季）前期，淹水促进了水溶性钾向根区的扩散，非根区外区水溶钾和交换性钾含量明显降低；随着水稻生长
和吸钾强度增大，根区与非根区土壤水溶钾和交换性钾含量降低至一定程度时就不再减少，而非交换性钾显著降
低。说明作物吸收的钾主要来自于根区，并由非根区钾逐渐向根区迁移，距根区越近，对作物吸钾量的贡献越大。
在一个轮作期内，非交换性钾是黄褐土主要供钾形态，其次是交换性钾和水溶性钾。
关键词：油菜—水稻轮作；黄褐土；根区；钾素形态；转化
中图分类号：@%(#A& 文献标识码：B 文章编号：%""#$("(C（!""*）"’$"#("$")
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植物营养与肥料学报 !""*，%(（’）：#("$#(""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
S0.5T L4TV/T/25 .5= M8VT/0/<8V @>/85>8
钾是植物生长所必需的营养元素，也是土壤中
含量最高的大量营养元素，在地壳所有矿质营养元
素中居第 ! 位［"］。土壤中钾的形态可分为水溶性
钾、交换性钾、非交换性钾和结构钾，就对作物的有
效性而言，水溶性钾和交换性钾称为速效钾、非交换
性钾称为缓效钾、而结构钾则称为无效钾［#］。各种
形态钾之间可以相互转化，并处于一个动态的平衡
体系中。作物需钾总量中只有一小部分在根表附近
以交换态钾和水溶态钾存在。随着 $%被不断吸收
利用，产生了一个径向的垂直于根轴的钾的浓度梯
度［&］，从而形成了非根际钾向根部扩散的动力。作
物生长状况和土壤含水量都是影响钾向根系扩散的
重要因素［!］。研究钾在土壤中的迁移和形态变化有
助于了解钾的土壤化学行为和指导合理施肥。以往
关于钾扩散迁移的研究多数是集中在田间土壤剖面
上的淋溶迁移［’()］；也有一些关于钾在肥际微域中
的迁移和转化的研究，如：董元彦［*］利用室内培养
试验研究了在施用 $+#,-! 时钾的迁移及扩散系
数；杜振宇等［.］采用室内土柱培养试验，研究了不
同施用量和培养时间下钾在肥际微域中的迁移和转
化，但很少有涉及到作物生长对钾的形态转化和迁
移影响的报道。
水旱轮作是我国重要的作物种植系统，由于作
物收获每年从土壤中带走钾量高达 #//! &)/
01 2 34#，而钾肥的投入远不能维持钾素平衡［5］，农田
钾素亏缺已成为农业生产持续发展的限制因素之
一［"/］。本研究采用分室根箱试验，研究了油菜—水
稻轮作条件下黄褐土根区与非根区土壤不同形态钾
素含量变化特征，揭示水旱轮作条件下根区与非根
区土壤不同形态钾素变化规律，以期为土壤供钾机
制研究及进行合理的根际养分调控提供依据。
! 材料与方法
!"! 试验方法
根箱试验所用土壤为第四纪 6&黄土母质发育
而成的黄褐土，取自湖北省襄樊市襄北农场水稻田
犁耕层（/—#/ 74）。质地为粘土，8+值 )95，有机质
"!95 1 2 01，水溶性钾 ’9’ 41 2 01，交换性钾 .#9.
41 2 01，非交换性钾 )/.9. 41 2 01，矿物钾 "’9# 1 2 01。
供试作物品种为甘蓝型双低油菜华双 !号，杂交水
稻两优培九。
所用根箱长 :宽 :高为 "!/ 44 : ")/ 44 : "*/
44，分为三室，中间（内室）为根区土壤，左右两室
（外室）为非根区土壤，外室按距根区的距离分为内
区（距根区 /—#/ 44）、中区（距根区 #/—!/ 44）和
外区（距根区 !/—)/ 44），形成 *个等分（#/ 44）的
区域。根箱用二级 ,;<板切割、焊接而成，各室之
间均由孔径为 &/!4的尼龙网隔开。将风干后土壤
过 # 44筛，称取 !9/ 01，与肥料拌匀后装入根箱，每
区土壤约 /9’* 01。
试验采用油菜—水稻轮作方式进行。设不种作
物（对照）和种作物 # 个处理，! 次重复。轮作前季
种植油菜，每千克土施 = /9# 1、,#-’ /9"’ 1、>1?-!·
*+#- /9#’ 1、<@素、=+!+#,-!、>1?-!·*+#-和 <@采用 "/// 倍阿农营养液配方［""］，每千克土加 "9/
4B；各处理均不施用钾肥。氮肥均以 " 2 & 基施，剩
余 # 2 &平均分成两次以营养液追施，磷、钙、镁、微肥
等一次性基施。油菜季结束后，取出各区土壤，收集
根区油菜根系，将各区土壤与水稻季基肥拌匀后还
原至各区，施肥用量同油菜季（*区平均分配单独施
用），静置 & C，然后浇水、播种。
种作物处理根区每盆播 ’粒种子，"/ C后定苗
#棵。油菜季每隔 #!& C浇一次水，浇水量根据称
重法而定，保持土壤含水量在 #’D左右，蒸馏水从
根箱四角的管子导入。水稻季蒸馏水从表面浇入，
在整个生育期基本保持表面有一浅层水。油菜季于
#//’年 "#月 &日施基肥、播种，根据油菜植株生长
进程在 #//)年 #月 #&日和 !月 !日分 #次追施氮
肥，’月 #.日油菜收获。水稻季各处理与油菜季相
应处理在同一根箱中进行，于 ) 月 &/ 日施基肥、播
种，根据生育进程在 .月 "’日和 5月 "!日分 #次追
施氮肥，""月 ""日收获。
!"# 土样采集与测试分析方法
油菜和水稻生长期内各取土样 & 次，前 # 次根
据作物的生长情况（生物量大小）来确定取样时间，
第 &次在作物收获后取样。具体取样时间为：油菜
季 &次取样分别在 #//)年 #月 ".日、’月 !日和 ’
月 #5日，然后取出根系；水稻季 &次取样分别在 .
月 #*日、5月 #*日和 "月 ""日，并取出根系。
采用长 !’/ 44、直径为 ) 44的圆柱形螺旋取
样器垂直插入各区土壤，随机取点 ’个，混合均匀后
原样测定各种形态钾。这种取样方法对作物根系的
影响很小，可保证作物正常生长。
土壤水溶性钾按 "/ E"水土比用蒸馏水浸提，速
效性钾按 "/ E"液土比用 "9/ 4FA 2 B中性 =+!-G7浸
提，酸溶性钾按 "/ E"液土比用 "9/ 4FA 2 B的热 +=-&
浸提，全钾用 =@-+熔融浸提，过滤后用火焰光度计
"’.!期 李小坤，等：水旱轮作下根区与非根区黄褐土钾素动态研究
测定。同时测定土壤含水量，换算成风干土样中各
种形态钾含量。
土壤交换性钾 !速效性钾 "水溶性钾；
土壤非交换性钾 !酸溶性钾 "速效性钾；
土壤矿物钾 !全钾 "酸溶性钾。
试验数据的差异显著性水平（! # $%$&）通过最
小显著法（’()）进行检验。
! 结果与分析
!"# 水溶性钾
油菜—水稻轮作下，不种作物处理（*+）土壤水
溶性钾含量在轮作前季（油菜季）有先升高后降低的
趋势，轮作后季（水稻季）变化不大。轮作结束时，
*+ 土壤水溶性钾含量与试验前相比增加 ,%-
./ 0 1/。
图 2看出，油菜季前期（油菜播种后 33 4），种作
物处理根区水溶性钾含量与 *+ 相比降低 2,%,
./ 0 1/，降幅为 55%67，差异达显著水平；非根区内、
中、外区降低了 ,%2、,%8、$%3 ./ 0 1/，降幅分别为
3%-7、2$%97和 ,%37，差异不明显，说明由于油菜
生长吸钾导致根区首先出现相对亏缺。油菜季中期
（油菜播种后 2&9 4），种作物处理根区和非根区内、
中区土壤水溶性钾含量与 *+ 相比降低 2,%5 和
2$%9、&%- ./ 0 1/，降幅分别为 &5%97 和 5&%,7、
,5%37，差异均达显著水平，说明随着油菜的生长，
吸钾强度增大，非根区水溶钾逐渐向根区迁移，也出
现相对亏缺。油菜季末期（油菜播种后 238 4），种作
物处理根区和非根区内区土壤水溶性钾含量与 *+
相比，降幅分别为 55%97和 98%&7，与中期相比略
有降低；但非根区中区和外区降幅分别为 ,8%,7和
2&%&7，明显比中期高，说明根区水溶钾含量降低至
一定程度时就不再减少，而非根区水溶钾继续向根
区迁移被吸收利用。
图 2还看出，轮作后季水稻季前期（油菜播种后
,-9 4，水稻播种后 &3 4），种作物处理根区和非根区
内、中、外区土壤水溶性钾含量与 *+相比降幅分别
为 3&%67和 &,%-7、,8%57、,&%$7，明显高于油菜
季末期，说明水稻季淹水促进了非根区水溶钾向根
区的扩散。水稻季中期（油菜播种后 ,6, 4，水稻播
种后 83 4），各区水溶性钾含量与 *+相比降幅分别
为 3-%&7和 56%,7、,8%87、,$%,7，与水稻季前期
相差不大，说明此阶段水稻吸收利用的主要是其他
形态的钾。水稻季末期（油菜播种后 952 4，水稻播
种后 292 4）与中期表现一致。
图 # 油菜—水稻轮作条件下根区与非根区土壤水溶性钾变化
$%&’# ()*+,%-. /0 ./%1 2+345 ./16714 8 %* 394 5//3:;/*4 +*< */* 5//3:;/*4 6*<45 5+=4.44<>5%-4 5/3+3%/*
!"! 交换性钾
油菜—水稻轮作下，不种作物处理交换性钾含
量在轮作前季（油菜季）前期变化不大，油菜季后期
有降低的趋势；轮作后季（水稻季）有降低的趋势。
轮作结束时，*+交换性钾含量与试验前土壤相比降
低 2,%9 ./ 0 1/（图 ,）。
油菜季前期，种作物处理根区交换性钾首先出
现相对亏缺。油菜季中期，随着油菜生长和吸钾强
度的增大，非根区水溶钾逐渐向根区迁移，非根区土
壤交换性钾则向水溶性钾方向转化被吸收利用，也
逐渐出现相对亏缺。油菜季末期，各区交换性钾继
续向水溶钾转化，被作物吸收利用。水稻季前期，非
根区水溶钾向根区的扩散速度增加，钾素平衡被打
破，交换性钾向水溶钾方向转化。水稻季中期随着
水稻的生长和吸钾强度增大，根区和非根区交换性
钾降低至一定程度时也不再减少，与水溶性钾一致。
,&8 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 2&卷
图 ! 油菜—水稻轮作条件下根区与非根区土壤交换性钾变化
"#$%! &’()*#+, -. /0+1)($/)23/ 4 #( 5--678-(/ )(9 (-( 5--678-(/ ,-#3 :(9/5 5);/,//9<5#+/ 5-6)6#-(
!=> 非交换性钾
图 !表明，油菜—水稻轮作下，不种作物处理非
交换性钾含量在油菜季有先降低后升高的趋势；水
稻季变化与油菜季相同。轮作结束后，"#非交换性
钾含量与试验前土壤相比增加 !$% &’ ( )’。油菜季
前期，种作物处理各区非交换性钾与 "#相比无显
著变化；油菜季中期，随着油菜生长和吸钾强度的
增大，根区和非根区内区非交换性钾首先出现亏缺；
油菜季末期，非根区中区、外区非交换性钾含量大幅
度降低，说明其向水溶性钾转化，被作物吸收利用。
种水稻后，前期水稻生长量不大，从土壤中吸收的钾
不多，各区非交换性钾含量与油菜季末期相比变化
不大；水稻季中期随着水稻的生长和吸钾强度增
大，根区和非根区非交换性钾显著降低；水稻季末
期，各区非交换性钾含量继续降低。
图 > 油菜—水稻轮作条件下根区与非根区土壤非交换性钾变化
"#$%> &’()*#+, -. (-(7/0+1)($/)23/ 4 #( 5--678-(/ )(9 (-( 5--678-(/ ,-#3 :(9/5 5);/,//9<5#+/ 5-6)6#-(
!=? 作物吸钾来源
油菜—水稻轮作后，从根区与非根区土壤各形
态钾素含量的变化（表 *）可以看出，根区土壤水溶
性钾、交换性钾和非交换性钾含量降低程度显著高
于非根区。非根区土壤距根区越近，水溶钾、交换钾
和非交换钾含量降低的程度越大（即非根区内区 +
中区 +外区）。由于作物吸钾，各区土壤均表现出非
交换性钾降低量最大，其次是交换性钾和水溶性钾。
整个轮作期作物从土壤中带走钾量为 ,,-$. &’ (
/01，根据各形态钾素相对减少量可计算出土壤钾的
相对亏损量为 2.%$2 &’ ( /01，明显高于作物吸钾量。
> 讨论
>=@ 土壤钾素形态转化的影响因素
土壤各形态钾之间可以相互转化，并处于一个
动态的平衡体系中。土壤干湿状况和肥料施用等因
素对这一平衡产生一定影响［*,］。本试验看出，轮作
前季（油菜季）前期，不种作物处理（"#）土壤水溶性
钾含量有升高的趋势，交换性钾变化不大，非交换钾
性含量降低，可能由于肥料的施入，促进了土壤钾素
平衡向水溶钾方向移动。3405 等［*!］研究表明，
6727,892的施用可促进含钾矿物层间钾的释放；
!%:2期 李小坤，等：水旱轮作下根区与非根区黄褐土钾素动态研究
表 ! 油菜—水稻轮作后根区与非根区土壤不同形态钾素含量（"# $ %#）
&’()* ! +,-.*-./ ,0 /,1) 2,.’//13" 1- .4* 5,,.67,-* ’-8 -,- 5,,.67,-* 3-8*5 5’2*/**8951:* 5,.’.1,-
位置
!"#$%$"&
水溶性钾
’(%)* #"+,-+) .
交换性钾
/012(&3)(-+) .
非交换性钾
4"&5)012(&3)(-+) .
合计
6,7
含量
8"&%)&%
减少
9)1*)(#)
含量
8"&%)&%
减少
9)1*)(#)
含量
8"&%)&%
减少
9)1*)(#)
减少
9)1*)(#)
比例
!*":"*%$"&
对照 8. ;<= >?<@ A=B非根区 4"& *""%5D"&)
外区 E,%)* @ F ?<; ( @C?中区 J$KK+) BI
内区 L&&)* =<> F A根区 M""%5D"&) ?<> F >A注（4"%)）：同一列数据后不同字母表示差异达 @I显著水平 N(+,)# O"++"P)K -Q K$OO)*)&% +)%%)*# $& %2) #(7) 1"+,7& (*) #$3&$O$1(&% (% @I +)R)+ S
铵态氮肥可增加土壤水溶性钾含量，主要是因为铵
离子对钾的代换作用所致［=H］。油菜季后期，8. 处
理水溶性钾和交换性钾含量略有降低，非交换性钾
含量升高，说明肥料对钾释放的影响是有限的，稳定
后平衡又向固钾的方向移动。水稻季前期，由于淹
水和肥料的双重作用，各形态钾无显著变化。8.处
理各形态钾的变化也可能与本研究采用原样条件下
测定各种形态钾素含量有关。土样干湿程度对测定
的影响很大，其结果是上升还是下降，依土壤钾的具
体转化过程而定。这与王火焰［=@］的研究结果一致。
;<= 作物生长吸钾形成浓度梯度，引起钾的扩散
已有研究表明，扩散是钾供应的主要机理［=A］。
只有存在浓度梯度的时候，钾才会扩散。肥料施入
土壤后，特别是在集中施用时（条施、穴施、带施等），
会在肥料附近造成一个特殊的环境，称之为“肥际微
域”［=>］。肥际微域中钾的浓度是整个土体的数倍或
十几倍，形成了较大的浓度梯度。不同的施钾量、不
同的培养时间及陪伴离子等因素对水溶性钾、交换
性钾和非交换性钾含量在肥际微域中的分布有显著
影响［;，=;］。本研究中，钾的浓度梯度产生是作物生
长本身引起的，轮作前季（油菜季）前期，油菜生长量
小，从土壤中吸收的钾不多，根区水溶性钾和交换性
钾首先出现相对亏缺；随着油菜的生长及对钾的需
求量的增加，根区水溶性钾浓度越来越低，与非根区
形成一定浓度梯度，导致非根区水溶性钾向根区扩
散，同时交换性钾和非交换性钾向水溶性钾方向转
化，因而含量也显著降低。非根区土壤距根区越近，
其水溶性钾、交换性钾和非交换性钾降低程度越大。
可见，作物的特性，如生长率、对养分的需求量、根系
密度等，都是影响钾向根系扩散的重要因素。
;<; 水旱轮作对土壤钾素迁移转化与作物有效性
影响
钾在土壤中扩散的途径是充满了水的孔隙，因
而其扩散速率与土壤孔隙度和土壤含水量有关［=G］。
轮作前季种植油菜和轮作后季种植水稻时，土壤含
水量的差异较大，因而对钾的扩散有较大的影响。
旱作条件下，由于土壤速效钾的扩散能力有限，当作
物优先吸收根际附近的水溶性钾和交换性钾后，在
离根际较远处的速效钾不能及时扩散到根际附近，
根际土壤中的非交换性钾的释放对作物钾供应必然
会起重要的作用，因而油菜季末期根区土壤非交换
性钾含量显著降低。种植水稻后，根区钾浓度与非
根区有一定浓度梯度，淹水促进了非根区钾向根区
的扩散，同时交换钾向水溶钾转化，前人也有类似研
究结果［B?］；也可能随着淹水还原，稻田氧化还原电
位降低，变价元素的化学形态发生变化，T)C U、J&H U
和 6EHBF含量降低，T)B U、J&B U和 6BF含量升高，这些
转化增加了钾的有效性［B=］。可见，采用轮作方式进
行稻田种植在提高根区土壤钾素有效性上具有重要
的意义。
随着水稻吸钾强度的增强，水溶性钾和交换性
钾降低至一定程度时就不再降低；但非交换性钾降
低显著，说明水稻吸收利用的主要是非交换态钾，也
与黄褐土矿物组分主要以 B V = 型粘土矿物为主有
关，这与王波等研究结果一致［BB］。
;<> 土壤钾素植物有效性评价
本研究条件下，各区土壤水溶性钾、交换性钾和
非交换性钾的减少量明显高于作物从土壤中带走的
钾，说明可能有一部分土壤钾转化成 =Y4EC不能浸提出来的钾。姜存仓［BC］研究表明，各
区土壤减少量多出的那部分钾可能被吸附到矿物
钾。土壤钾库中各形态钾的转化关系十分复杂，也
H@; 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 =@卷
可能是由于不同形态钾素连续测定中存在的系统误
差造成的。因此，采用不同化学形态钾素变化量直
接累加来评价土壤钾素的收支平衡有待进一步研
究。
目前，有关土壤钾素肥力评价仍有一些尚未解
决的问题。杨振明等［!"］认为，把作物吸收的速效性
钾、缓效性钾以外的钾（即 #$% &’( ) *热 +,-. 不能
浸提出来的钾）看作是矿物钾的观点有待进一步商
榷；王火焰等［!/］研究表明，依靠土壤速效钾和缓效
钾值的变化来评估农田土壤钾素有效性，结果会严
重偏低。用目前的化学方法还不能将非交换性钾和
矿物钾严格区别开来。有人建议将目前普遍应用的
非交换性钾（即 #$% &’( ) *热 +,-. 浸提的钾）称为
非交换性钾!，而将非交换性钾"、# 0 0 0 0 0 0统称为
#$% &’( ) *热 +,-. 不能浸提出来的钾［!"］；也有研
究者认为，用改进的四苯硼钠法可以较准确地测定
土壤中有效钾的变化［!1］，这说明对土壤钾素植物有
效性评价的研究还需进一步加强。
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R2L 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 02卷