土壤钾形态及其植物有效性研究进展黄绍文，金继运（中国农科院土肥所１０００８１）提要对５０ 年代以来土壤钾形态分级研究的发展历史作了概述；对近几年把土壤交换性钾按存在位置和植物有 效性进一步分为活性不同的非特殊吸附钾和特殊吸附钾两种形态的意义作了简要分析，对４０年代 以来土壤不同钾素形态植物有效性的研究成果作了扼要介绍。关键词土壤钾，
非特殊吸附钾，特殊 吸附钾，形态分级，植物有效性钾是植物必需的营养元素之一。在正常情况下植物吸钾量一般超过 吸磷量，与吸氮量相近，而喜钾植物需钾量高于需氮量（金继运，１９９２）。钾是土壤中含量最 高的大量营养元素（Ｒｅｉｔｅｌｍｅｉｅｒ，１９５１；Ｓｐａｒｋｓ，１９８０）。其丰度在 地壳所含的所有矿质元素和营养元素中分别居第七位和第四位（Ｓｅｈ－ｒｏｅｄｅｒ，１９７８ ）。土壤中的钾有多种形态，不同形态的钾对植物的有效性是不同的［１］。土壤中钾的植物有效 性取决于土壤钾的存在形态、分布状况及其转化规律。近三十年来，世界各国对土壤钾素的研究甚 为重视。现在，关于土壤钾素的形态和转化规律、钾的有效性及其评定方法、钾的植物营养机理、 影响钾肥效果的因素以及农业集约条件下的钾素平衡等方面的研究，均取得了较大进展，但钾在土 壤中存在形态复杂且受多种因素影响，经常处于动态变化中，仍有不少问题有待深入研究解决。我 国土壤全钾含量在０．０５％～２．５％，由于母质、气候等成土条件的影响，呈南低北高、东低 西高的大体趋向（鲁如坤，１９８９）。因此，我国南方地区是目前缺钾土壤的集中地区，有些地 区缺钾土壤已占耕地７０％以上，我国北方缺钾的问题不象南方那么突出，只是局部地区缺钾。但 是，近几年来，由于氮、磷肥的大量施用，作物产量的提高，高产品种的推广，土壤钾不断耗竭， 北方地区陆续出现了一些施钾增产的报道［２］，而且在北方某些全钾含量较高的土壤上施用钾肥 也获得显著的增产效果。本文将主要对土壤钾素形态及其植物有效性方面的进展进行综述。１土壤 钾素形态分级的研究土壤钾素形态分级的研究，可追溯到本世纪５０年代。原生矿物和次生矿物晶 格中的钾是土壤钾形态之一。Ｗｉｃｋｌａｎｄｅｒ［３］把其它形态的钾定义为：土壤溶液中的 钾，与交换性钾处于平衡且难以区分；交换性钾，土壤胶体表面吸附的钾；固定态钾，某些矿物孔 穴和层间固定的钾。除上述形态外，Ｃｈａｍ－ｉｎａｄｅ（１９５５）认为应加上有机物中的钾 。Ａｔｔｏｅ和Ｔｒｕｏｇ［１］根据土壤钾对植物的有效性，把土壤钾素分为三部分：第一部分 是不易为植物所吸收利用的，主要是长石和白云母中的钾；第二部分是缓效性钾，包括黑云母中的 钾和粘土矿物所固定的钾，有９０％以上可以被０．５ｍｏｌ／Ｌ盐酸所提出，约占土壤全钾量的 １％～２％；第三部分是速效性钾，主要的是交换性钾以及一部分有机钾。ＡｔｔｏｅａｎｄＴｒ ｕｏｇ分级法的提出，使土壤钾的研究进入了一个新的发展时期，大大地促进了土壤钾素形态分布 和有效性的研究。在以后的研究文献中，虽然有不断的补充和修改，但大体上同意这一归纳（李庆 逵，１９６１）。李庆逵［４］首次系统地研究了我国红壤地区某些主要土类钾的含量、状态以及 含钾矿物的转化规律，并提出了相应的分级法。把土壤钾素分为：速效钾，即交换性钾，用１ｍｏ ｌ／Ｌ醋酸铵提取；有效性钾，包括黑云母、伊利石的整个水化云母系的粘土矿物，以及被蒙脱石 类型所固定的钾离子，用１ｍｏｌ／Ｌ硝酸煮沸１０分钟，土液比例１：１０；迟效性钾，白云母 类型矿物中的钾，用２５％盐酸煮沸６小时，土液比为１：１０，无效钾，长石类型矿物中的钾。 土壤中的钾素，无效性和迟效性状态占９５％～９９％，有效性钾和速效性钾只占全钾的０．３％ ～５．０％。李庆逵的钾素形态分级法的进展表现为：一是把Ａｔｔｏｅ和Ｔｒｕｏｇ钾素形态分 级法中第一部分不易为植物吸收利用的钾（主要是长石和白云母中的钾）分为迟效性钾（白云母类 型）和无效性钾（长石类型）；二是把Ａｔｔｏｅ和Ｔｒｕｏｇ钾素形态分级法中第二部分迟效性 钾定义为有效性钾，并应用了１ｍｏｌ／Ｌ硝酸煮沸１０分钟的浸提方法。有人［５］将非交换性 钾分为两大类，一类是天然层间钾（ｎａｔｉｖｅ－Ｋ），它是矿物固有的层间钾，如云母和伊利 石中的层间钾，另一类是捕集性层间钾（ｔｒａｐｐｅｄ－ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ－Ｋ），它非为 矿物固有的层间钾，而是由表面或液相转入层间的钾，如蛭石层间固定的钾。Ｂｏｙｅｒ［６］也 把对植物部分有效的非交换性钾分为两部分：难交换性钾，用冷稀酸（硫酸，盐酸，硝酸）提取； 固定性钾，用冷浓强酸（６ｍｏｌ／Ｌ硫酸或盐酸）提取。非交换性钾总量常用沸硝酸提取。Ｂｏ ｙｅｒ研究的进展在于用不同浸提剂把非交换性钾分为有效性不同的两种形态。Ｖｅｎｔｅｒ［７ ］研究指出，土壤非交换性钾由三部分组成：非膨胀性粘土矿物层间的钾，即总可提取钾（ＸＲＦ ，Ｂａ饱和粘土矿物Ｘ射线荧光法）与硝酸提取钾之差值；膨胀性粘土矿物层间的钾，即硝酸提取 钾与１ｍｏｌ／Ｌ盐酸提取钾之差值；总可解吸钾与总氯化钙提取钾的差值。以上三者之之和即为 土壤中非交换性钾的总量。近几年，金继运等对土壤中起重要作用的当季作物主要来源的交换性钾 按存在位置和有效性作了进一步分级。用１ｍｏｌ／Ｌ中性醋酸铵溶液和醋酸镁溶液分别浸提把交 换性钾分为活性不同的非特殊吸附钾（土壤胶体表面吸附的能被钙、镁等离子所交换的钾，用醋酸 镁浸提钾减去水溶性钾）和特殊吸附钾（２：１型粘土矿物楔形位上特殊吸附，不能被钙、镁等离 子所交换，但能被铵离子所交换或通过水分子之间形成的氢键进行的电子传递过程而释放的钾，用 醋酸铵浸提钾减去醋酸镁浸提钾）两种形态，并取得了一定的进展［８］。土壤中钾的形态分级， 文献中有各种各样的划分方案，现归纳于表１。无论是根据土壤中钾存在的化学形态、对植物有效 性，还是存在位置、保持力，或其它分级依据，实质上不外乎把土壤钾分为以下几种形态。１．１ 水溶性钾水溶性钾（或土壤溶液中的钾或离子态钾）是以离子形态存在于土壤溶液中（农业部科技 司，１９９１）。通常用去离子水浸提，或用负压抽取饱和水溶液进行测定（金继运，１９９２） 。１．２交换性钾交换性钾（或代换性钾或特殊吸附钾＋非特殊吸附钾）是指土壤胶体表面吸附的 钾离子和位于云母类矿物风化边缘上楔形区域内可以被氢离子和铵离子交换，但不能被钙、镁等水 化半径大的离子所交换的特殊吸附的钾，通常用１ｍｏｌ／Ｌ中性醋酸铵溶液提取测定（金继运， １９９２）。交换性钾和水溶性钾之和称为速效性钾。１．３非交换性钾非交换性钾（或非代换性 钾，或难交换性固定钾，或缓效钾，或迟效钾，或有效性钾，或难交换性钾＋固定性钾，或蒙脱石 、蛭石晶层内与黑云母和部分水云母结构内的钾，或层间钾Ｉ，或天然层间钾＋捕集性层间钾，或 非膨胀性粘土矿物层间钾＋膨胀性粘土矿物层间钾＋总可解吸钾与氯化钙提取钾之差，或自然非交 换性钾＋非交换性固定的肥料钾）主要是指易风化含钾矿物（黑云母）晶格内含有的钾和土壤内固 钾矿物（如蛭石等２：１型层状硅酸盐矿物）所固定的钾（金继运，１９９２），通常用１ｍｏｌ ／Ｌ硝酸煮沸１０分钟浸提钾减去速效钾。非交换性钾含钾矿物主要是风化的云母、蛭石（Ｒｉｃ ｈ，１９６８）、水铝英石、沸石（Ｓｔｉｔｃｈｅｒ，１９７２）、（钾与氢氧化铝和磷酸钙溶 液的反应产物）磷钾铝石（Ｔａｙｌｏｒｅｔａ１，１９６３）及（酸性土壤中钾与铝和硫酸盐反 应形成的产物）明矾石（ＡｄａｍｓａｎｄＲａｗａｊｆｉｈ，１９７７）。１．４矿物钾矿物钾 （或结构钾，或不易为植物所吸收利用的钾，或长石、白云母结构内的钾）指土壤中原生矿物和次 生矿物晶格中或深受晶格束缚的钾，如长石、白云母以及最难风化的钾微斜长石等硅酸盐矿物结构 中的钾（农业部科技司，１９９１）。水溶性钾和交换性钾，即速效钾在土壤中的比例常常是相对 小的。土壤钾的大部分存在于含钾的云母和长石中（ＦａｎｎｉｎｇａｎｄＫｅｒａｍｉｄａｅ， １９７７）。水溶态和交换态以及交换态与非交换态、非交换态与矿物态之间，并无固定的数量界 限，难以明确区分，只是从它们的有效性而言，它们之间确实有差异的。交换性钾和非交换性钾的 主要区别是，非交换性钾必须陷入２：１型层状硅酸盐四面体晶片相邻氧层中的双三角形孔穴内， 即形成所谓内圈表面复合体（ｉｎｎｅｒ－ｓｐｈｅｒｅ－ｓｕｒｆａｃｅｃｏｍｐｌｅｘ）（黄 盘铭，１９８８）。非交换性钾和矿物钾的主要区别是，矿物钾为共价键结合在矿物晶格中的钾， 而非交换性钾则是依靠库仑引力固持在矿物层间的钾。２土壤交换性钾分级研究的意义土壤钾素形 态分级，过去一直把土壤钾分为水溶性钾、交换性钾（或速效性钾，即水溶性钾＋交换性钾）、非 交换性钾（
缓效钾）、矿物钾（结构钾），但没有对当季作物主要钾素来源的交换性钾从有效性上 进一步分级。近几年金继运等把交换性钾区分为活性不同的特殊吸附钾和非特殊吸附钾两种形态， 客观地反映了交换性钾的特征，把土壤钾素形态分级研究向前推进了一步。金继运等交换性钾分级 研究的意义在于明确了交换性钾的定义，并把交换性钾按其存在位置及可交换性的不同分为有效性 不同的两种形态。虽然各种形态钾是难以区分的，但是比较客观地给交换性钾下一个比较准确的定 义是能做到的。实际上，交换性钾应包括活性不同的非特殊吸附钾和特殊吸附钾两种形态。钾在释 放过程中，首先在含钾矿物颗粒边缘膨胀，导致颗粒边缘层间逐步打开，紧接着边缘产生破损形成 楔形带［９，１０］。楔形带随层间逐步打开而增加，随层间全部打开而减少（Ｊａｅｋｓｏｎ，１９６３；ＲｏｕｘａｎｄＲｉｃｈ，１９６９）。楔形带如贯穿矿物则固钾多，仅限于颗粒边缘则固钾少［１１］。楔形带不仅存在，而且处于楔形区域的钾的有效性是不同于表面吸附钾的。楔形带对钾有很高的选择性，处于这种位置的钾便不能被钙、镁离子等所置换［１０，１２］。当与
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