氮钾耦合对喀斯特地区甘蔗产量与土壤质量的协同调控机制研究

本研究通过氮钾配施实验，揭示了氮钾耦合对甘蔗产量、土壤酶活性及生态化学计量的协同调控效应，建立了基于酶活性、养分循环与计量平衡的酸性土壤三元调控框架，为喀斯特地区甘蔗精准施肥与土壤可持续管理提供了理论依据（SEM、IFI、RCP等关键指标）。

　　

Introduction

全球农业正面临土壤退化与粮食安全的双重挑战。中国南方喀斯特地区作为重要甘蔗产区，因生态脆弱和高强度农业开发导致土壤酸化和养分流失问题突出。甘蔗作为高生物量作物，其产量形成高度依赖氮、钾养分供应。然而，传统过量施氮导致利用率低下（20%-35%），不当施钾加剧土壤退化风险。在农业绿色转型背景下，阐明氮钾耦合机制对优化甘蔗生产力和土壤质量具有重要意义。

2 Materials and methods

试验位于广西百色市田阳区甘蔗种植区，属亚热带季风气候，年均气温21.9°C，年降水量1156mm。土壤为黄棕色，表层（0-20cm）性质：总氮0.47 g kg^-1，总磷0.25 g kg^-1，总钾6.67 g kg^-1，有机质16.74 g kg^-1，pH 5.74。供试品种为桂糖46，采用随机区组设计，设置8个氮钾配比处理（N₀K₀至N₃K₂），三次重复。土壤和植物样品分别测定养分性质、酶活性及产量指标。氮肥利用率计算公式为：（施氮区作物吸氮量-无氮区作物吸氮量）/施氮量×100%。土壤肥力采用综合模糊指数（IFI）评价，统计分析使用SPSS 26.0和结构方程模型（SEM）。

3 Results and analysis

土壤全氮含量与施氮量呈显著正相关，高氮高钾处理（N₃K₂）全氮积累最高（1.07 g kg^-1），较对照增加130%，但导致土壤酸化（pH 4.57）。铵态氮含量在中氮中钾处理（N₂K₁）最高（49.81 mg kg^-1），硝态氮在低氮高钾处理（N₁K₂）最高（29.65 mg kg^-1）。磷组分变化较小，但高钾处理（N₂K₂）全磷显著升高至1.38 g kg^-1。全钾和速效钾含量呈剂量效应，N₃K₂处理全钾积累最高（16.44 g kg^-1）。有机质在高氮中钾处理最高（49.99 g kg^-1）。氮活化分析显示，施氮量与铵态氮、硝态氮活化系数呈显著负相关，高氮处理（N₃K₂）铵态氮活化最低（4.54%）。氮肥利用率在低氮高钾处理最优（38.47%），较常规施肥提高21.41%。

施肥显著影响土壤酶活性。高氮中钾处理（N₃K₁）过氧化氢酶活性最高（0.490 mL g^-1）。纤维素酶活性在中氮中钾处理（N₂K₁）最高（0.055 mg g^-1）。高氮高钾处理（N₃K₂）同时提升蔗糖酶（3.06 mg g^-1）和脲酶活性（0.98 mg g^-1）。酸性磷酸酶活性在中氮中钾和高氮高钾处理均较高（2.20 mg g^-1）。相关性分析显示脲酶与全氮（r=0.89）和硝态氮（r=0.78）显著正相关。

甘蔗叶片全氮、全磷、全钾含量分别在中氮高钾（N₂K₂）、高氮高钾（N₃K₂）和低氮高钾（N₁K₂）处理最高。茎秆全氮（0.92%）和全钾（0.81%）在低氮高钾处理中等，全磷（0.16%）在高氮中钾处理最优。氮磷积累在高氮高钾处理最高（288.65 kg ha^-1和75.03 kg ha^-1），钾积累在低氮高钾处理最大（276.66 kg ha^-1）。高氮高钾处理产量最高（91.05 t ha^-1），较对照提高55.25%。产量与全氮（r=0.85）和全钾（r=0.89）显著正相关。

碱基离子总量在低氮高钾处理最高（0.49 Cmol kg^-1），与全钾（r=0.79）和速效钾（r=0.75）显著正相关。碳氮比（RCN）在高氮高钾处理最低（20.91），但仍高于全国平均（11.9）。碳磷比（RCP）变异较大，对照最高（39.28），中氮高钾处理最低（17.00），低于全国平均（61），反映磷利用效率提升。氮磷比（RNP）在对照最高（1.89），显著低于全国阈值（10），表明研究区存在氮限制。

土壤肥力评价显示，主成分分析提取一个显著成分（方差贡献率72.997%），KMO检验（0.821）证实采样 adequacy。中氮高钾处理（N₂K₂）IFI最高（0.57），达中等肥力水平。IFI与全氮（r=0.78）和碱基离子（r=0.81）显著正相关。

多维统计分析显示，产量与脲酶活性（r=0.83）和全钾（r=0.89）强相关。通径分析表明脲酶对产量直接效应最强（1.977），全钾通过脲酶发挥间接效应（0.702）。结构方程模型揭示土壤养分通过酶活性影响产量（总效应=0.702）。灰色关联分析确认全钾与产量关联度最高（0.911），其次为蔗糖酶、有机质和交换性镁。

4 Discussion

高氮处理显著提升脲酶活性和硝态氮含量，但导致土壤酸化。低氮高钾处理通过刺激脲酶和蔗糖酶活性提高氮利用率。磷动态响应差异可能与酸性条件下铁铝氧化物固定有关。高氮高钾处理通过增加氮积累实现最高产量，但氮利用率低，符合奢侈吸收理论。低氮高钾处理通过优化碳氮比提升氮利用率。通径和灰色关联分析突显脲酶和全钾的主导作用。中氮高钾处理优化土壤质量，提升全氮、全钾和碱基离子。生态化学计量特征表明土壤氮限制但磷充足。结构方程模型证实养分通过酶活性介导产量形成。碳氮比失衡反映有机质分解抑制。

5 Conclusion

本研究阐明喀斯特生态系统氮钾耦合调控甘蔗生产力和土壤质量的机制。高氮高钾处理产量最高但引致酸化，低氮高钾处理氮利用率最优但产量较低。中氮高钾处理实现土壤质量最佳提升，稳定养分循环。推荐南方甘蔗种植采用N:K₂O≈1:1.5配施，以铵态氮活化系数（>1.5%）和RCP（<25）作为核心肥力监测参数，为喀斯特地区甘蔗精准施肥和土壤可持续管理提供科学框架。未来需开展多区域、多基因型长期试验以验证结论普适性。