通过Q/I等温线和钾释放量研究，发现澳大利亚西南部高度风化的壤土和粘土土壤中钾的稳定性较差，且缓冲能力有限

钾有效性评估及管理策略研究：基于Q/I关系与释放动力学的高淋溶土壤分析 钾肥推荐率与土壤交换量：

　　

本研究聚焦于澳大利亚西澳大利亚州高岭质与黏质土壤中钾（K）的供应能力动态及其管理策略。通过21个农田采样点的系统分析，结合数量-强度（Q/I）关系模型与钾释放动力学实验，揭示了表层与深层土壤中K的吸附、释放及缓冲能力的显著差异，并提出了针对性的施肥建议。### 一、研究背景与意义

钾是植物生长的关键元素，尤其在光合作用和水分调控中起核心作用。然而，全球范围内长期存在钾负平衡问题，导致土壤K储备耗竭。西澳作为重要的粮食产区，其土壤多发育于古老风化母质，天然K含量较低且缓冲能力薄弱。传统土壤检测方法（如NH4OAc浸提）难以准确评估这类土壤的K动态，需开发新型诊断工具。本研究通过Q/I关系和钾释放动力学，揭示土壤K供应机制，为制定精准施肥方案提供理论依据。### 二、研究方法与数据来源

1. **采样设计**：从西澳西南农业区采集0-10cm、10-20cm、20-30cm深度的21种土壤样本，涵盖Kandosols、Sodosols等主要土壤类型，确保样本在质地（砂质至黏土）、矿物组成（石英、长石为主，蒙脱石含量低）和理化性质（pH4.1-7.9，CEC0.8-42.9 cmol/kg）上的广泛覆盖。

2. **Q/I关系测定**：采用CaCl2溶液平衡法（0.01M），通过梯度添加KCl构建Q/I曲线，计算AR_e_K（平衡活度比）、PBC_K（潜在缓冲容量）等参数。创新性采用双质量比法（2.5g与0.62g土壤分别测试），提高低K添加量下的检测精度。

3. **钾释放动力学**：通过213小时动态释放实验，结合简化Elovich模型（R2>0.95），量化K的快速释放（0-22小时）与缓慢释放（22-213小时）比例。

4. **统计分析**：运用SPSS 29.0和R语言进行相关性分析、主成分分析（PCA）及偏回归分析，明确各因子对PBC_K的贡献度。### 三、核心发现

1. **表层与深层K动态差异**：

- **表层土壤**（0-10cm）：AR_e_K显著高于深层（0.7×10?3 vs 0.2×10?3 mol/L1/2），表明K有效性高但缓冲能力弱（PBC_K中位数25 cmol/kg·mol/L1/2）。K_l（活化K）占比达33-84%，其中非专性吸附K（K?）贡献率>50%，显示K易释放且吸附可逆。

- **深层土壤**（20-30cm）：AR_e_K降低60%，PBC_K中位数降至44 cmol/kg·mol/L1/2，但高CEC土壤（>30 cmol/kg）仍具备较强缓冲能力。2. **关键参数分布与关联性**：

- **CEC与PBC_K强相关**（R2=0.945），表明阳离子交换容量主导K缓冲能力。土壤中94.5%的PBC_K变异可归因于CEC，pH和有机碳（OC）贡献度不足5%。

- **ΔG°（标准交换自由能）**负值范围-5900至-1950 cal/mol，深层土壤更负（-4000 cal/mol vs 表层-2800 cal/mol），反映K在矿物晶格中固定更紧密。

- **K_s（专性吸附K）**占比低（<10%），与高岭土主导矿物（仅4.7%蒙脱石）一致，与富含2:1矿物的土壤（如illite）研究形成对比。3. **钾释放动力学特征**：

- 90%以上土壤在0-22小时内释放总K的60-100%，符合“快速释放-缓慢持续”模式。该特征与K?（非专性吸附K）含量高（r=0.81）直接相关。

- 简化Elovich模型参数a（初始释放量）与K_l、K?显著正相关（r>0.8），而b（释放速率系数）与CEC呈负相关（r=-0.44），说明高CEC土壤K释放速率更平缓。### 四、机制解析

1. **矿物控制机制**：

- 研究土壤中石英（72%）、长石（7%）占比高，蒙脱石仅4.7%，导致K主要吸附于非专性位点（如长石表面羟基或晶格缺陷），而非强持K的2:1矿物晶层（如蒙脱石、伊利石）。

- 电镜与XRD分析显示，黏土矿物以高岭石为主（层电荷低），其K吸附位点能量弱于伊利石或蒙脱石，导致K交换自由能（ΔG°）更负，吸附更牢固。2. **环境因子影响**：

- **pH**：酸性条件（pH<5.5）抑制有机质表面电荷，降低其对K的吸附贡献（OC与PBC_K负相关，r=-0.17）。

- **质地**：黏粒含量>30%的土壤CEC均值达23 cmol/kg，PBC_K提升至34-185 cmol/kg·mol/L1/2，验证矿物主导的K缓冲效应。### 五、管理策略优化

1. **分层施肥技术**：

- 表层低CEC土壤（<6.5 cmol/kg）应采用“分次基施+追施”策略。例如，在0-10cm土层实施秋施（30%基肥+40%拔节期+30%抽穗期），减少冬雨季淋失（西澳年降雨量1200mm，70%集中于5-10月）。

- 深层高CEC土壤（>30 cmol/kg）需注重K的垂直迁移，推荐在10-30cm土层深施钾肥（如与基肥结合灌溉水滴灌），利用其PBC_K优势（>80 cmol/kg·mol/L1/2）缓慢释放K。2. **土壤改良措施**：

- **矿物改良**：掺入2:1型矿物（如云母、蛭石）可提升CEC 15-30 cmol/kg，使PBC_K提高50-100%（参考Subba Rao等，1990）。

- **有机质调控**：施用腐殖酸（每公顷300kg）可增加OC含量15%，在pH>5.5时通过有机-无机复合体增强K吸附（r=0.68）。

- **pH调节**：对pH<5.0的酸性土壤施用石灰（每公顷200-500t CaO），使CEC提升20-40%，同时促进有机酸解离释放K。3. **监测体系升级**：

- 推广Q/I参数联合检测：AR_e_K<1.0×10?3（mol/L1/2）且ΔG°<-4000 cal/mol的土壤需增加深层K测试频率（如1年1次地下20-30cm采样）。

- 建立动态模型：基于Elovich模型的a、b参数与田间K有效性建立回归方程（如a=2.2×103 mg/kg时，R2=0.87），指导精准施用。### 六、研究局限性及展望

1. **样本局限性**：未涵盖极端风化土壤（如pH<4.0或CEC>45 cmol/kg），未来需补充热带雨林发育的K极低阶土壤研究。

2. **长期效应不明**：当前实验周期仅213小时，需开展2年以上田间试验评估K固持-释放的年际波动。

3. **微生物作用缺失**：未量化微生物周转对K循环的影响，拟结合宏基因组学揭示有机质分解与K释放的耦合机制。### 七、结论

本研究证实西澳高风化土壤中K的供应机制具有显著分层特征：表层土壤虽K有效性高（AR_e_K>0.5×10?3），但低缓冲能力（PBC_K<50 cmol/kg·mol/L1/2）使其易受淋溶损失；深层土壤CEC与PBC_K正相关，具备长效供K潜力。建议采取“表浅精准调控+深层储备建设”的集成管理策略，结合矿物添加、有机质提升与动态监测，实现K肥效最大化。