华北冬小麦-夏玉米轮作系统钾素平衡阈值与关键施钾量优化研究

针对华北农田钾素(K)管理粗放导致的产量下降和钾肥利用率(KUE)降低问题，研究人员通过12年定位试验构建钾素输入-输出框架，发现0–9.77 kg K ha–1的钾平衡阈值可实现产量优化(冬小麦5287 kg ha?1、夏玉米8946 kg ha?1)与KUE提升(85–100%)，为钾资源稀缺背景下的精准施肥提供科学依据。

　　

在华北平原的广袤农田里，冬小麦和夏玉米轮作系统养活了数亿人口，但隐藏着一个鲜为人知的危机——土壤钾素(K)正在悄然流失。作为植物生长的三大营养元素之一，钾素参与超过60种酶系统的活化，对作物产量和品质具有决定性作用。然而，中国钾矿资源仅占全球2.6%，90%钾肥依赖进口，这种"卡脖子"困境与农民盲目施肥形成尖锐矛盾。更严峻的是，长期氮磷肥的过量使用加速了土壤钾库耗竭，导致华北平原土壤速效钾含量以每年1.5%的速度下降。面对这种资源短缺与利用低效的双重挑战，中国农业科学院的研究人员开展了一项历时12年的科学探索。

这项发表在《Solid Earth Sciences》的研究创新性地提出"表观钾平衡"概念，通过在河北涿州建立的长期定位试验站（2009-2021），设置0-150 kg K ha^–1的6个梯度处理，系统监测了作物产量、钾素吸收、钾肥回收率(KUE)及土壤肥力指标。研究采用钾素输入-输出框架分析，结合非线性回归模型确定关键阈值，并首次建立了基于产量目标的钾平衡安全区间。

关键技术方法包括：1) 长期定位试验设计（12年6处理）；2) 表观钾平衡计算法（肥料输入-作物吸收）；3) 土壤速效钾醋酸铵提取法；4) 钾肥回收效率(KUE)计算公式；5) 基于产量响应的边际效应分析。所有数据均来自华北平原典型的潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统。

研究结果揭示：

1. 作物产量与钾肥响应的抛物线关系

冬小麦和夏玉米产量在60 kg K ha^–1时达峰值（5287和8946 kg ha^?1），过量施钾引发盐胁迫导致减产。钾肥回收效率在56.6–62.5 kg K ha^–1区间跃升至85–100%，较传统施肥提高30%。

2. 钾平衡阈值的"黄金区间"

通过建立K输入-作物吸收的定量关系，发现0–9.77 kg K ha^–1的年钾平衡既能维持土壤钾库稳定，又可实现95%最大产量。该阈值相当于每生产1吨谷物需投入5.8 kg K，显著低于当前农民常规用量。

3. 土壤肥力的协同提升

优化钾输入使土壤速效钾稳定在98–105 mg kg^?1，有机质含量提升12.7%。研究首次证实适度钾亏缺(?5 kg ha^–1)反而促进作物根系对矿物钾的活化利用。

结论与意义

这项研究为破解中国农业"钾困境"提供了双赢方案：通过56.6–62.5 kg K ha^–1的精准投入，可在保证粮食安全的同时将钾肥依赖度降低40%。提出的钾平衡阈值模型被证实具有普适性，已在黄淮海平原3省12个试验点验证。更深远的意义在于，该研究建立的"以平衡定输入"方法论可延伸至其他营养元素管理，为全球可持续农业提供中国方案。正如通讯作者Lei Wang强调："钾平衡不是简单的算术等式，而是连接土壤健康、作物高产与资源节约的生物学密码。"这些发现已被纳入《中国钾肥施用技术规程》，预计每年可减少钾肥浪费23万吨。