《Soil and Tillage Research》：Assessing potassium availability and Q/I relationship under long-term fertilization strategies in rice based cropping systems of Upper Indo-Gangetic Plain of India
编辑推荐：
钾素管理 恒河平原 Q/I指标 土壤健康 有机农业钾有效性
德巴希斯·杜塔（Debashis Dutta）|A.L. 米娜（A.L. Meena）|P.C. 加萨尔（P.C. Ghasal）|钱德拉·巴努（Chandra Bhanu）|J. 乔杜里（J. Choudhary）|R.K. 法戈迪亚（R.K. Fagodiya）|N. 拉维桑卡尔（N. Ravisankar）|T.P. 斯瓦尔纳姆（T.P. Swarnam）|P.C. 贾特（P.C. Jat）|拉格万德拉·辛格（Raghavendra Singh）|J.S. 戈拉（J.S. Gora）|N. 苏巴什（N. Subash）|R.P. 米什拉（R.P. Mishra）|K. 库马尔（K. Kumar）|拉古维尔·辛格（Raghuveer Singh）|KJ 拉格万德拉（KJ Raghavendra）|A. 鲍米克（A. Bhowmik）|P.P. 马伊蒂（P.P. Maity）|R.D. 纳拉瓦德（R.D. Nalawade）|希曼舒·普拉贾帕蒂（Himanshu Prajapati）|马赫什·K. 加塔拉（Mahesh K. Gathala）
ICAR-印度农业系统研究所，梅鲁特 250110，印度
摘要
钾（K）的可用性及其动态对于维持印度河-恒河上游平原的土壤健康和作物生产力至关重要。本研究评估了有机、综合和无机养分管理措施对土壤钾库以及量-强度（Q/I）关系的长期（20年）影响，这些关系反映了土壤的钾供应能力和潜力。从采用随机区组设计进行的长期田间试验中收集了表层土壤样本（0–15厘米）。处理措施包括100%有机肥（T1）、综合养分管理（INM；T2）和100%无机肥料（T3）。测量了收集样本中的土壤钾库（水溶性钾、交换性钾、非交换性钾和总钾），以及关键的Q/I指标，即潜在缓冲能力（PBC）、钾饱和度、交换自由能和钾补给指数。长期养分管理措施显著影响了土壤钾状况和Q/I指标。PBC值范围为91至115（cmol kg?1）（mol L?1）1??2，其中非交换性钾库对缓冲能力的贡献大于交换性钾库。在不同养分处理下，水溶性钾含量为31.69至38.63毫克/千克，有效钾含量为125.2至138.2毫克/千克，缓效钾含量为1291.5至1590.4毫克/千克，非交换性钾含量为379.4至500.7毫克/千克，总钾含量为22,000至23,777毫克/千克。非交换性钾、阳离子交换能力和最小交换性钾与PBC呈显著正相关。有机和综合养分管理系统保持了平衡的Q/I比，增强了钾缓冲能力，从而降低了钾耗竭的风险，相比100%无机肥料处理效果更佳。研究表明，在综合养分管理系统中长期施用有机改良剂可以提升钾的可持续可用性和土壤韧性。这些发现强调了基于有机肥料的养分管理对改善土壤健康和确保水稻种植系统长期可持续性的重要性。
引言
钾（K）是通过光合作用、酶激活、渗透调节、籽粒充实和产品质量调节作物生产力的主要必需营养素之一（Johnson等人，2022年）。在印度河-恒河上游平原（UIGP）这种集约化耕作的地区，充足的钾供应和平衡的供需动态尤为重要，因为连续种植会加速土壤钾的消耗（Midya等人，2021年）。该地区以肥沃的冲积土为主，但土壤中钾的含量存在显著的空间和时间变异性，通常在56–255毫克/公顷之间，因此这些土壤的钾状况被归类为低到中等（Sharma等人，2012年）。尽管施用了推荐的肥料剂量，但集约化种植系统（如水稻-小麦、水稻-玉米和甘蔗-蔗茎-小麦）往往会出现养分负平衡（作物残余物的移除），导致主要养分，特别是氮（N）和钾（K）的大量流失，从而对土壤长期肥力和作物可持续性构成严重威胁（Sharma等人，2012年）。该地区的传统农业严重依赖合成肥料，虽然能确保短期的养分供应，但无法长期维持土壤的物理化学和生物特性。因此，通过高效和平衡的养分管理来维持土壤肥力对于UIGP地区的长期农业生产和可持续性至关重要（Ghosh等人，2022年）。不同的养分管理策略会显著影响土壤养分的可用性和循环，需要清楚地了解它们对植物可利用钾的长期影响（Bader等人，2021年）。有机改良剂可以改善土壤有机碳、团聚体稳定性、阳离子交换能力、微生物活性和整体土壤健康，从而间接增强钾的动态和对环境压力的抵抗力（Xing等人，2024年）。土壤性质还通过控制钾在矿物、水溶性、交换性和非交换性库之间的分布来调节钾的可用性（Lalitha和Dhakshinamoorthy，2015年）。尽管无机肥料可以提高短期产量，但往往无法维持长期的土壤肥力和钾储备（Asadu等人，2024年）。长期实验表明，即使结合氮和磷施用推荐量的钾，也无法在许多土壤中持续维持初始的有效钾水平（Singh等人，2017年）。因此，需要采取特定于具体情况的方法来获得最佳结果。钾吸收与投入之间的不平衡会导致非交换性钾库的逐渐耗竭，改变集约化种植系统下的土壤钾动态（Xu等人，2025年）。使用中性1-N乙酸铵（NH4OAc）提取方法的传统土壤钾评估方法主要估计了溶液中的钾和交换性钾，而忽略了非交换性形式的贡献（Das等人，2018年）。因此，这种方法未能充分反映管理措施对土壤钾可用性的影响。虽然土壤可能含有大量的总钾，但其生物有效性受强度、容量和更新率因素的制约。因此，理解控制土壤溶液中钾活性的平衡关系对于预测其向作物的供应至关重要（Lindsay，1979年）。基于Schofield比率定律的量-强度（Q/I）方法通过整合强度、数量和缓冲特性，提供了更可靠的土壤钾供应能力评估（Beckett，1972年；Jimenez和Parra，1991年）。研究表明，Q/I参数比NH4OAc提取的钾更能准确预测作物的钾吸收量（Evangelou等人，1994年；Shil等人，2021年）。因此，Q/I等温线研究已被用于阐明有机、无机和综合养分管理措施下的土壤钾动态（Rupa等人，2001年）。本研究假设长期养分管理措施——100%有机肥、综合养分管理（INM）和100%无机肥——通过改变钾缓冲能力和交换性及非交换性库的分布，显著影响水稻种植系统中的土壤钾动态、可用性和Q/I参数。尽管有关土壤钾供应能力的研究较多，但在UIGP地区长期集约化种植情景下的综合评估仍然有限。本研究旨在实现以下研究目标：（i）评估长期养分管理措施对UIGP典型Ustochrept土壤中基于水稻系统的土壤钾状况的影响；（ii）从热力学角度评估其对钾吸附的影响；（iii）利用Q/I参数量化土壤的钾供应能力；（iv）检验Q/I参数作为长期钾肥力和养分管理措施可持续性指标的适用性。
实验地点
本研究在印度梅鲁特的ICAR-印度农业系统研究所的冲积土实验站进行（北纬29.84°，东经77.46°，海拔237米）。该地区的年平均降水量为823毫米（其中75%以上发生在7月至9月），平均气温为40摄氏度（最高）和7.8摄氏度（最低）。从地理上看，该地点属于印度河-恒河平原，土壤为恒河冲积形成的沙质壤土。
土壤中的钾库
在研究的各种种植系统中，水溶性钾（Kws）的水平在不同的养分管理处理下范围为31.7毫克/千克至38.6毫克/千克（表1）。有机处理的地块中Kws含量分别比无机养分管理处理CS1和CS2高出6.0%和18.6%。在各种种植系统中，巴斯马蒂稻-小麦-塞斯巴尼亚（CS1）的Kws含量比水稻-大麦-绿豆（CS2高出9.0%。
土壤中的钾库
土壤中的钾（K）分为四个动态相互关联的库——结构性钾、固定（非交换性）钾、交换性钾和水溶性钾，它们在移动性、补充速率和对植物营养的贡献方面有所不同（R?mheld和Kirkby，2010年）。结构性钾主要存在于原生矿物中，是主要的钾储备，但通过风化过程长期为植物提供养分。固定或非交换性钾与粘土矿物层相关联，
结论
本研究结果加深了人们对土壤中钾行为的理解，为管理土壤肥力和促进可持续农业实践提供了宝贵的见解。结果清楚地表明，通过有机和综合养分管理措施进行的长期养分管理显著影响了钾各组分的分布和控制钾可用性的热力学参数。100%有机肥和综合养分管理措施改善了易变钾、交换性钾和非交换性钾的库。
CRediT作者贡献声明
R.P. 米什拉（R.P. Mishra）：撰写原始草稿、监督、概念构思。K. 库马尔（K. Kumar）：撰写原始草稿、方法论、数据分析、概念构思。P.C. 加萨尔（P.C. Ghasal）：撰写原始草稿、方法论、调查、数据分析、概念构思。拉古维尔·辛格（Raghuveer Singh）：审稿与编辑、撰写原始草稿、监督、方法论。钱德拉·巴努（Chandra Bhanu）：撰写原始草稿、方法论、数据分析。希曼舒·普拉贾帕蒂（Himanshu Prajapati）：审稿与
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
生成式AI和AI辅助技术仅用于改进手稿的英语语言和语法错误。这些技术的应用是在人类监督和控制下进行的，作者们仔细审阅并编辑了手稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本研究文章所报告工作的财务和个人利益冲突。
致谢
作者感谢ICAR-印度农业系统研究所所长提供进行田间实验和实验室分析所需的所有设施。此外，作者还非常感谢国家项目全印度有机农业网络（AI-NPOF）为田间实验提供的财政支持。
