施钾和秸秆还田对春玉米产量、养分吸收及土壤钾素平衡的影响

谢佳贵， 侯云鹏， 尹彩侠， 孔丽丽 ， 秦裕波， 李 前， 王立春

(吉林省农业科学院农业资源与环境研究所， 农业部东北植物营养与农业环境重点实验室， 吉林长春 130033)

近年来，由于随着玉米高产品种的大面积种植，氮磷化肥施用量增加，有机肥施用量减少，土壤钾素亏缺严重[2-4]。作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾元素和多种微量元素，通过秸秆还田，可有效提高土壤有机质含量，改善土壤物理性状，培肥地力，协调土壤中氮、磷、钾比例，达到蓄水保墒、控制水土流失、调节生态环境的目的[5-7]，对提高作物产量有着重要作用。中国是秸秆产量大国，且随着农业综合生产能力的提高，秸秆产量也不断增长[8]。发展秸秆还田可充分利用秸秆资源，减轻焚烧秸秆对土壤生态系统的负面影响，对保护土壤环境、增加作物产量，实现农业可持续发展具有重要意义。

谭德水等[15]通过13年的定位试验认为，在西北地区秸秆还田配施钾肥可以缓解土壤钾素含量的降低； 刘荣乐等[17]研究发现，施用钾肥和小麦秸秆还田可以明显提高作物的吸钾量； 王宏庭等[18]研究了我国山西褐土区秸秆还田16年的效果，得出秸秆还田对山西地区作物均有明显的增产效应。但以上研究仅限于秸秆还田对作物钾素吸收和土壤钾素的影响，而关于秸秆还田和施钾对玉米氮、磷吸收的报道较少。为此在吉林省玉米主产区通过3年的定位试验，研究了秸秆还田与施用钾肥对玉米的增产效应， 氮、磷、钾养分的吸收与利用以及土壤钾素平衡状况等方面的影响，旨在为东北地区秸秆和钾肥资源合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设4个处理：1)氮、磷肥(NP)；2)氮、磷肥+秸秆还田(NP+St)；3)氮、磷、钾肥(NPK)；4)氮、磷、钾+秸秆还田(NPK+St)。氮肥用尿素(含N 46%)， 磷肥用重过磷酸钙(含P2O546%)，钾肥用氯化钾(含K2O 60%)。氮、磷、钾肥施用量分别为N 180 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。1/3氮肥与全部磷、钾肥于播种前作基肥施入，2/3氮肥在拔节期追施。秸秆还田量为7000 kg/hm2，折合K2O量为90 kg/hm2，玉米收获后将秸秆粉碎，均匀撒施到地表，并立即翻埋。

1.2 测定项目与方法

在每年玉米成熟期采集玉米植株样本，每小区采取有代表性的玉米5株，分为秸秆和子粒两部分，于105℃杀青30 min后，80℃烘箱中烘干至恒重，计算其地上部干物重。样本粉碎后，H2SO4-H2O2消煮，全氮用凯氏定氮法，全磷用钼锑抗比色法，全钾用火焰光度计法进行测定。收获时取中间四垄玉米按14%水分计产。

小区收获时用土钻在各小区内按“S”型采集0—20 cm耕层土壤样品，8个点混匀、风干后过1 mm筛，采用1 mol/L醋酸铵浸提—火焰光度计法测定土壤速效钾含量。

主要计算公式[18-24]：

钾收获指数(%) = 成熟期单位面积子粒钾素吸收量/植株钾素总吸收量×100

钾回收率(%) =(施钾区地上部吸钾量-无钾区地上部吸钾量)/施钾量×100

钾农学利用率(kg/kg)= (施钾区子粒产量-无钾区子粒产量)/施钾量

养分吸收量=成熟期单位面积植株养分含量(氮、磷、钾)×植株总干物重

钾素平衡系数= 投入土壤中的钾/带出土壤中的钾

钾素实际平衡率(%)=(输入钾-支出钾)/支出钾×100

试验数据用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0统计软件处理，处理间差异显著性用LSD法即最小显著差数法进行分析。

2 结果与分析

2.1 施钾与秸秆还田对春玉米产量的影响

表1 不同施肥处理玉米子粒产量

2.2 施钾与秸秆还田对春玉米养分积累的影响

2.3 施钾肥与秸秆还田对春玉米钾肥利用效率的影响

表2表明，秸秆还田结合施钾肥(NPK+St)的钾收获指数、 化肥钾农学效率和回收率、秸秆钾回收率均高于单施钾肥(NPK)和秸秆还田(NP+ St)处理。钾收获指数分别提高5.5%和18.8%，化肥钾农学效率和回收率分别提高8.3%和1.1%，秸秆钾农学效率和回收率分别提高4.0%和0.7%，虽然没有达到显著水平，但有一定的提高效果。由此可见，秸秆还田结合施钾肥可促进玉米对化肥钾和秸秆钾的吸收和利用，减少钾素损失，从而提高钾肥的利用率和钾收获指数。

图1 成熟期不同处理玉米养分吸收量(3年平均)Fig.1 The uptake of N, P and K fertilizer by maize at mature stage (average of the three years)

表2 秸秆还田对化学钾和秸秆钾的利用效率的影响(20102012)

2.4 施钾肥与秸秆还田对土壤钾素表观平衡的影响

表3 施用钾肥与秸秆还田对钾素表观平衡的影响

图2 施钾和秸秆还田对不同处理土壤速效钾含量的影响 (20102012)Fig.2 Effect of potassium fertilization and straw returning on soil available potassium content

2.5 施钾与秸秆还田对0—20 cm土壤速效钾含量的影响

由图2可以看出，在2010年的试验中，施钾和秸秆还田的3个处理速效钾含量与NP处理的差异不显著；2011年， NPK+St处理的速效钾含量显著高于NP、NP+St和NPK；2012年NP+St和NPK+St处理的土壤速效钾含量高于NP处理，提高幅度为1.91%和4.04%，NPK处理的速效钾含量与NP处理无显著差异。

经过3年的定位试验，各处理0—20 cm土壤速效钾含量与试验前有较大的差异，与试验前起始土壤速效钾含量相比，NP、NP+St和NPK处理的速效钾含量均有不同程度的下降，其中以NP处理下降幅度最大，为2.91%，其次为NPK处理，降幅为1.31%，降幅最小的是NP+St处理，为1.05%。说明由于玉米对土壤钾素的不断的吸收，单施钾肥或秸秆还田不能阻止土壤中速效钾的亏缺，只能在一定程度上缓解其下降，而秸秆还田结合施钾肥可以为土壤补充大量的钾素，以供应玉米正常生长发育所需和解决因作物吸收对土壤钾素的消耗，使土壤速效钾含量得到提高，从而提高土壤的供钾能力

3 讨论与结论

刘荣乐等[17]对我国北方土壤—作物系统内钾素平衡及钾肥肥效研究结果表明，单施钾肥、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥对华北地区小麦和玉米均有显著的增产效应。孙丽敏等[20]研究表明，小麦-玉米在连续秸秆还田条件下能够增加作物产量，其中秸秆与化肥配施增产效果最好。本研究结果表明，施用钾肥和秸秆还田均能显著提高玉米产量，单施钾肥对玉米的增产效果要好于单施秸秆，秸秆还田与施用钾肥的交互增产作用高于秸秆还田或单施钾肥，年际间的稳定性也最好。这与谭德水等[26]在潮土和褐土上的研究结果趋势基本一致。主要是由于秸秆中的钾需要腐解被水溶解后才能释放出来，增加土壤速效钾含量，但在东北地区秸秆在玉米生育期不能完全腐解，因此秸秆中的钾不能满足玉米正常生长发育对钾素的需求，所以秸秆钾对玉米的增产作用低于化学钾，由此可见，仅靠秸秆中的钾代替化肥钾提高春玉米产量并不可行，秸秆还田结合施钾肥是提高玉米产量的重要措施。

养分吸收量是玉米产量形成的基础，它的高低直接影响玉米产量和肥料利用效率。本研究中，施钾肥和秸秆还田可以提高玉米秸秆和子粒氮、磷、钾的吸收总量，单施钾肥玉米养分吸收量好于单纯秸秆还田，秸秆还田与施钾肥的交互作用对玉米养分吸收量的提高幅度最大。因此，秸秆还田结合施钾肥对促进玉米氮、磷、钾等养分吸收与积累的效果最好。

地上部分的作物产量及携钾量与土壤钾素的平衡存在密切关系[29-30]、 李玉影等[31]研究表明，在东北黑土区，氮、磷的平衡系数分别为0.92和1.06，养分收支况较为平衡，钾素的平衡系数仅为0.42，钾素处于严重亏缺状态。谭德水等[32]在辽宁、吉林、黑龙江3个试验点的黑土上进行了13年的定位试验，其结果表明，只施氮、磷肥使土壤钾素严重亏缺，钾年均亏缺量辽宁为135.8 kg/hm2、吉林为89.7 kg/hm2，黑龙江为71.7 kg/hm2。在本试验条件下，单施钾肥处理的钾年均亏缺量为63.9 kg/hm2，处于严重亏缺。单施秸秆处理的钾年均亏缺量为25.4 kg/hm2，平衡系数为0.78，尽管较养分允许平衡盈亏率低，在短期内可以维持土壤钾的平衡，但土壤钾素长期处于亏缺状况，会加剧土壤钾的耗竭风险。而秸秆还田结合施钾肥处理的钾年均盈亏量为22.8 kg/hm2，平衡系数为1.18%，土壤钾素有盈余。由此可见，秸秆还田结合施钾肥是解决土壤钾素亏缺的有效措施。

综上所述，在本试验条件下，在吉林省黑土上秸秆还田量为7000 kg/hm2，结合施用K2O 60 kg/hm2对提高玉米产量，增加成熟期春玉米养分的吸收总量，维持土壤钾素平衡，增加土壤的供钾能力均具有十分重要的作用，可在当地农业生产中推广应用。另外，本文仅对东北黑土区施用钾肥与秸秆还田对作物产量、养分吸收及钾素平衡等方面通过三年的定位试验进行了初步探讨，关于秸秆还田对土壤的矿物钾、缓效钾、速效钾之间的动态平衡关系的影响及对土壤钾库特征的长期影响有待进一步研究。

参考文献:

[1] 崔金虎.黑土供钾能力与玉米吸钾特性的研究[D]. 长春:吉林农业大学硕士论文, 2002.

Cui J H. Research on supplying potassium ability and potassium absorption characteristics of corn [D]. Changchun:Ms thesis, Jilin Agricultural University, 2002.

[2] 姬景红, 李玉影, 刘双全, 等. 平衡施肥对大豆产量及土壤-作物系统养分收支平衡的影响[J]. 大豆科学, 2009, 28(4):678-682.

Ji J H, Li Y Y, Liu S Qetal. Effect of balanced fertilization on yield of soybean and nutrients balance of soil-crop system[J]. Soybean Science, 2009, 28(4):678-682

[3] 黄绍文, 金继运, 杨俐苹,等. 分区平衡施肥技术对氮肥利用率和土壤养分平衡的影响[J]. 土壤肥料, 2002, 12(6):3-7.

Huang S W, Jin J Y, Yang L Petal. Effect of the regionalized balanced fertilization technique on nitrogen fertilizer utilization efficiency and soil nutrient balance [J]. Soils Fertilizer, 2002, 12(6):3-7.

[4] 姬景红, 李玉影, 刘双全, 等. 平衡施肥对玉米产量、效益及土壤-作物系统养分收支的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2010, (4):37-41.

Ji J H, Li Y Y, Liu S Qetal. The effect of balanced fertilization on yield, benefit of corn and nutrient balance[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2010, (4):37-41.

[5] 申源源, 陈宏. 秸秆还田对土壤改良的研究进展[J]. 中国农学通报, 2009, 25(19):291-294.

Shen Y Y, Chen H . The progress of study on soil improvement research with straw stalk [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(19):291-294.

[6] 龚朝凤, 王建新, 陈兴位, 等. 农作物秸秆综合利用现状与还田技术[J]. 科技创新导报, 2008, (9):251-251.

Gong C F, Wang J X, Chen X Wetal. Comprehensive utilization and technology of crop straw returning to fields [J]. Science and Technology Innovation Herald, 2008, (9):251-251.

[7] 彭祖厚. 秸秆还田在培肥地力中的作用[J]. 土壤肥料, 1988, (2):113-115.

Peng Z H. The role of straw returning on fertilizes soil fertility [J]. Soil and Fertilizer, 1988, (2):113-115.

[8] 汪炎炳. 秸秆还田培肥改土试验研究[J]. 土壤通报, 1991, 2(4) :171-175.

Wang Y B. The experimental research on strawreturning and fertilizessoil fertility [J]. Chinese Journal of Soil Science, 1991, 22(4):171-175.

[9] 慕平, 张恩和, 王汉宁, 方永丰. 不同年限全量玉米秸秆还田对玉米生长发育及土壤理化性状的影响[J]. 中国生态农业学报,2012,20(3)：291-296.

Mu P, Zhang E H, Wang H N, Fang Y F. Effects of continuous straw return to soil on maize growth and soilchemical and physical characteristics[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3):291-296

[10] 徐萌, 张玉龙, 黄毅, 等. 秸秆还田对半干旱区农田土壤养分含量及玉米光合作用的影响[J]. 半干旱区农业研究,2012, 30(4):153-156.

Xu M, Zang Y L, Huang Y. Effects of returning straw to field on soil nutrient content and corn photosynthesis in semiarid region[J]. Agricultural Research in the Arid Areas,2012, 30(4):153-156.

[11] 高利伟,马林,张卫峰,等.中国作物秸秆养分资源数量估算及其利用状况[J]. 农业工程学报, 2009, 25(7):173-179.

Gao L W, Ma L, Zhang W Fetal. Estimation of nutrient resource quantity of crop straw and its utilization situation in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(7):173-179.

[12] 王志勇, 白由路, 高进华, 等. 秸秆还田与施钾对华北低产潮土区作物产量及土壤钾素的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2013, 4(2):46-50.

Wang Z Y, Bai Y L, Gao J Hetal. Effect of straw returned to soil and application of potassium fertilizer on crops yield and soil potassium in the low fertility of efluvo-aquic soil in North China[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2013, 4(2):46-50.

[13] 贝方玲, 赵代弟, 秦慧琳, 等. 秸秆还田对土壤肥力影响试验初报[J]. 广西农学报, 2011, 26(5):8-11.

Bei F L, Zhao D D, Qin H Letal. An experiment report of straw-field-returning′s impact on soil fertility[J]. Journal of Guangxi Agriculture, 2011, 26(5):8-11.

[14] 刘天学, 纪秀娥. 焚烧秸秆对土壤有机质和微生物的影响研究[J]. 土壤, 2003, 35(4):347-348.

Liu T X, Ji X E. Effects of crop straw burning on soil organic matter and soil microbes[J]. Soils, 2003, 35(4):347-348.

[15] 谭德水, 金继运, 黄绍文, 等. 长期施钾与秸秆还田对西北地区不同种植制度下作物产量及土壤钾素的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(5):886-893.

Tan D S, Jin J Y, Huang S Wetal. Effect of long-term K fertilizer application and returning wheat straw to soil on crop yield and soil K under different planting systems in northwestern China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(5):886-893.

[16] 杨宪龙, 路永莉, 同延安. 施氮和秸秆还田对小麦-玉米轮作农田硝态氮淋溶的影响[J]. 土壤学报, 2013, 50(3):134-143.

Yang X L, Lu Y L, Tong Y A. Effects of N application and straw returning on N leaching under wheat-maize rotation system[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(3):134-143.

[17] 刘荣乐, 金继运, 吴荣贵, 等. 我国北方土壤-作物系统内钾素循环特征及秸秆还田与施钾肥的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2000, 6(2):123-132.

Liu R L, Jin J Y, Wu R Getal. Study on the characteristics of potassium cycling in different soil-crop systems in northern China[J]. Plant Nutrition Fertilizer Science, 2000, 6(2):123-132.

[18] 王宏庭, 金继运, 王斌, 等. 山西褐土长期施钾和秸秆还田对冬小麦产量和钾素平衡的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010,16(4):801-808.

Wang H T, Jin J Y, Wang Betal. Effects of long-term potassium application and wheat straw return to cinnamon soil on wheat yields and soil potassium balance in Shanxi[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(4):801-808.

[19] 沙之敏, 边秀举, 郑伟, 等. 最佳养分管理对华北冬小麦养分吸收和利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(5):1049-1055.

Sha Z M, Bian X J, Zheng Wetal. Effects of optimum nutrient management on nutrient uptake and utilization of winter wheat in North China Plain[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(5):1049-1055.

[20] 孙丽敏, 李春杰, 何萍, 等.长期施钾和秸秆还田对河北潮土区作物产量和土壤钾素状况的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(5):1096-1102.

Sun L M, Li C J, He Petal. Effects of long-term K application and straw returning on crop yield and soil K status in fluvo-aquic soil of Hebei Province[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(5):1096-1102.

[21] 郑伟, 何萍, 高强, 等. 施氮对不同土壤肥力玉米氮素吸收和利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(2):301-309.

Zheng W, He P, Gao Qetal. Effect of N application on nitrogen absorption and utilization of spring maize under different soil fertilities[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(2):301-309.

[22] 王宜伦, 杨素芬, 韩燕来, 等. 钾肥运筹对砂质潮土冬小麦产量、品质及土壤钾素平衡的影响[J]. 麦类作物学报, 2008, 28(5):861-866.

Wang Y L, Yang S F, Han Y Letal. Effect of potassium fertilizer application on the yield, quality of winter wheat and soil available k balance in sandy chao soil[J]. Journal of Triticeae Crops, 2008, 28(5):861-866.

[23] 谭金芳, 介晓磊, 韩燕来, 等. 潮土区超高产麦田供钾特点与小麦钾素营养研究[J]. 麦类作物学报, 2001, 21(1):45-50.

Tan J F, Jie X L, Han Y Letal. Study on potassium supplying properties in super-high yield wheat field in Chao soil region and potassium nutrition characteristics of wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2001, 21(1):45-50.

[24] 徐国伟, 谈桂露, 王志琴, 等. 秸秆还田与实地氮肥管理对直播水稻产量、品质及氮肥利用的影响[J].中国农业科学, 2009, 42(8):2736-2746.

Xu G W, Tan G L, Wang Z Qetal. Effects of wheat-residue application and site-specific nitrogen management on grain yield and quality and nitrogen use efficiency in direct-seeding rice[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(8):2736-2746.

[25] 鲁如坤,刘鸿翔,闻大中,等.我国典型地区农业生态系统养分循环和平衡研究IV.农田养分平衡的评价方法和原则[J]. 土壤通报, 1996, 27(5):197-199.

Lu R K, Liu H X, Wen D Zetal. Study on agro-ecosystem nutrient cycling and balance on the typical areas of China IV. Evaluation methods and principles of farmland nutrient balance[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1996, 27(5):197-199.

[26] 谭德水,金继运,黄绍文,等.长期施钾与秸秆还田对华北潮土和褐土区作物产量及土壤钾素的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(1):106-112.

Tan D S, Jin J Y, Huang S Wetal. Effect of long-term application of potassium fertilizer and wheat straw to soil on yield of crops and soil potassium in fluvo-aquic soil and brown soil of northcentral China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(1):106-112.

[27] 王志勇, 白由路, 杨俐苹, 等.低土壤肥力下施钾和秸秆还田对作物产量及土壤钾素平衡的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2012, 18(4):900-906.

Wang Z Y, Bai Y L, Yang L Petal. Effects of potassium fertilizer and straw returning on crop yields and soil potassium balance in low-yielding fields[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(4):900-906.

[28] 魏廷举, 程乐圃, 朱丽娜. 秸秆还田的经济效益分析及其措施[J]. 农机化研究, 1990, (2):48-52.

Wei Y J, Cheng L P, Zhu L N. Analysis and measures of the economic benefits of straw returned[J]. Agricultural Mechanization Research, 1990, (2):48-52.

[29] 李秋梅, 陈新平, 张福锁, 等. 冬小麦-夏玉米轮作体系中磷钾平衡的研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2002, 8(2):152-156.

Li Q M, Chen X P, Zhang F Setal. Study on balance of phosphorus and potassium in winter wheat and summer maize rotation system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002, 8(2):152-156.

[30] 索东让, 王托和, 李多忠, 等. 河西走廊富钾土壤钾肥效应及钾素平衡的长期定位研究[J]. 中国生态农业学报, 2002,10(3):90-92.

Suo D R, Wang T H, Li D Zetal. A long-term study on the effect and balance of potassium[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2002, 10(3):90-92.

[31] 李玉影, 刘双全, 姬景红, 等. 玉米平衡施肥对产量、养分平衡系数及肥料利用率的影响[J]. 玉米科学, 2013, 21(3):120-124.

Li Y Y, Liu S Q, Ji J Hetal. Effect of balanced fertilization on yield, nutrient balance coefficient and fertilizer use efficiency of corn [J]. Journal of Maize Sciences, 2013, 21(3):120-124.

[32] 谭德水, 金继运, 黄绍文, 等. 长期施钾对东北春玉米产量和土壤钾素状况的影响[J]. 中国农业科学, 2007, 40(10):2234-2240.

Tan D S, Jin J Y, Huang S Wetal. Effect of long-term application of k fertilizer on spring maize yield and soil k in northeast china[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(10):2234-2240.

[33] 赵兰坡, 刘淑霞, 李月芬, 等. 吉林省主要耕作土壤中钾素营养状况与钾肥的合理施用[J]. 吉林农业大学学报, 2000, 22(S1):102-105.

Zhao L P, Liu S X, Li Y Fetal. Potassium nutrition and reasonable potash fertilizer application on the main cultivated soils in Jilin province[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2000, 22(S1):102-105.