潮土区小麦—玉米轮作周年秸秆还田及施钾效应研究

魏建林 崔荣宗 江丽华 李燕 李国生 李放 刘道玲 谭德水

摘要：在山东省西部潮土区研究了小麦-玉米周年轮作模式下连续两年4个种植茬口秸秆全还田和施用钾肥对耕层土壤钾素状况、作物产量及土壤-作物系统钾素平衡的影响。结果表明：定位两年后，秸秆还田及施用钾肥均可不同程度地提高土壤速效钾和缓效钾含量，其中秸秆还田配施钾肥（NPKst）处理提高幅度最大；小麦或玉米产量各个茬口均以NPKst处理最高，不施钾肥秸秆不还田（NP）处理最低。施用钾肥小麦平均增产8.03%，玉米平均增产2.92%；秸秆还田条件配合施用钾肥，小麦平均增产14.13%，玉米平均增产6.99%。施用钾肥秸秆不还田（NPK）处理和NPKst处理第一种植季的钾肥当季回收率分别为31.8%、24.4%，4个种植季钾肥累计回收率分别为39.2%、25.3%。定位两年后，单施钾肥处理（NPK）土壤钾素平衡达到-481.2 kg/hm2，秸秆还田配施钾肥处理（NPKst）土壤钾素平衡达到74.2 kg/hm2。为实现化肥使用量零增长目标，秸秆还田配施钾肥是维持潮土土壤钾素持续供应的有效措施。

关键词：施钾；秸秆还田；作物产量；土壤钾素

中图分类号：S158 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）09-0061-06

Abstract A field experiment was conducted under the wheat-maize annual rotation model in the fluvo-aquic region of western Shandong Province. The experiment continued for two years to investigate the effects of all straw returning and potassium fertilization （NPKst）on the potassium status， crop yield， and potassium balance in the soil-crop system. The results after two years of positioning showed that the straw returning and application of potassium fertilizer could increase the content of available potassium and slow-acting potassium in different degrees， of which，the NPKst treatment had the largest increase. The yield of wheat or maize was the highest under the NPKst treatment and the lowest under the NP treatment with no straw returning and no potassium application. In the case of only applying potassium fertilizer（NPK）， the average yield of wheat and maize increased by 8.03% and 2.92%， respectively；but when combined with the straw returning，that increased by 14.13% and 6.99%， respectively. The recovery rates of potash fertilizer of NPK treatment and NPKst treatment at the first planting season were 31.8% and 24.4%， respectively. The cumulative recovery rates of the NPK and NPKst treatments in the four planting seasons were 39.2% and 25.3%， respectively. After two years， the potassium balance in soil reached -481.2 kg/hm2 under the NPK treatment and 74.2 kg/hm2 under the NPKst treatment. To achieve the goal of zero growth in the amount of chemical fertilizer， returning straw into field and applying potassium fertilizer simultaneously should be an effective measure to maintain the continuous supply of potassium in fluvo aquic soil.

Keywords Potassium application； Straw returning； Crop yield； Soil potassium

钾素是农业生产中影响作物产量和质量的一个重要限制因子。我国钾矿储备有限，钾肥主要依靠进口。作物施钾与否主要取决于钾肥价格的变化，受制于外来因素较多，在钾肥资源匮乏及国际严峻形势下，寻求不同方式的钾素替代技术和产品是生产所需。目前农业生产强度及复种指数较高，在氮、磷肥供应较充足的情况下，缺钾土壤面积、作物种类在扩大[1]。

小麦玉米一年两熟轮作制度是我国粮食生产重要且典型的种植模式。小麦玉米秸秆也是丰富的钾素资源，小麦吸收的钾素大约85%存在于秸秆中。秸秆还田是缓解土壤钾素肥力下降，维持耕地质量的一項重要措施。随着农业现代化进程，作物收获后秸秆还田成为必然趋势，特别是在黄淮海地区小麦玉米轮作制度下，小麦秸秆还田已被普遍接受，玉米秸秆还田面积也逐步增大[2]。秸秆还田将增加土壤速效钾含量，有利于耕地质量的提高[3，4]。前人多从作物秸秆还田对土壤改良和有机质提高上进行研究[5]，而对于小麦玉米周年全还田条件下钾素的动态变化鲜有报道，同时秸秆还田对钾肥的替代产量效应不甚清晰[6-14]。基于这种状况，本研究在山东省西部潮土区设置了小麦玉米轮作模式下秸秆还田定位试验，以期评估当地生产条件下秸秆还田钾素动态变化特征和产量效应，为当地农业生产中钾肥的合理施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验地点位于山东省聊城市东阿县，属于鲁西黄河冲积平原，处于暖温带半湿润季风气候区，年平均气温14.4℃，年平均降水量563.3 mm，水浇条件良好。小麦玉米轮作是当地的主要种植模式。土壤类型为潮土，质地轻壤。2015年6月玉米试验前0～30 cm土层土壤基本理化性状： 有机质含量11.58 g/kg、碱解氮61.63 mg/kg、有效磷19.37 mg/kg、速效钾82.5 mg/kg、缓效钾657.5 mg/kg，pH值 8.1。

1.2 试验设计

采用大田小区试验方法。自2015年6月玉米种植季始，小麦玉米轮作模式下连续2年共4季作物。试验设 4 个处理： （1）不施钾肥秸秆不还田（NP）；（2）施用钾肥秸秆不还田（NPK）；（3）不施钾肥秸秆还田（NPst）；（4）施用钾肥秸秆还田（NPKst）。玉米种植季相应处理化肥投入： N 150 kg/hm2和 P2O5 36 kg/hm2，施钾处理施用K2O 54 kg/hm2（为测土配方施肥当地推荐施钾量）。小麦种植季相应处理化肥投入：N 180 kg/hm2和P2O5 120 kg/hm2，施钾处理施用K2O 60 kg/hm2（为测土配方施肥当地推荐施钾量）。小区面积30 m2，随机区组排列，重复3次，进行定位试验。秸秆还田处理小区上季作物收获后地上部秸秆还田：小麦收获后秸秆覆盖还田，玉米收获后秸秆粉碎后结合耕地直接还田。秸秆不还田处理小区上季作物收获后地上部秸秆全部移走。玉米、小麦品种分别为当地主推品种，2015年6—10月夏玉米品种为士海738，2015年10月—2016年6月小麦品种为鲁原502，2016年6—10月夏玉米品种为联创808，2016年10月—2017年6月小麦品种为济麦22。试验用氮磷钾肥料分别为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O5 42%）、氯化钾（K2O 60%）。

1.3 测定项目及方法

土样采集分别在当季作物收获后，每小区0～30 cm耕层土壤取 5个点混合成一个样。风干后过筛，用于测定速效钾、缓效钾含量。同时采集植物样品，用于测定植株茎叶和籽粒钾素含量。植株钾含量的测定用 H2SO4-H2O2联合消煮后，火焰光度法测定。土壤速效钾采用1 mol/L中性醋酸铵提取，缓效钾用1 mol/L硝酸消煮提取减去速效钾量，均用火焰光度法测定[15]。

钾肥回收率（%）=（施钾处理吸收钾量-不施钾处理吸收钾量）×1.206/钾肥用量×100。

其中：施钾（NPK）处理对应的不施钾肥处理为NP处理，NPKst处理对应的不施钾肥处理为NPst处理。

土壤钾素表观盈亏量=钾素投入总量-作物携出土壤的钾素总量。其中：土壤钾素的投入量主要是指施用钾肥和秸秆还田钾携入量；各处理降雨和种子的含钾量按统一标准，不计算在内；作物携出钾量主要包括作物地上部（秸秆和籽粒）钾携出量。

2 结果与分析

2.1 施钾与秸秆还田条件下土壤钾素动态变化

2.1.1 土壤速效钾动态 从两年四季作物收获后耕层土壤速效钾含量（图1）看，总体上处于动态平衡状态，10月份玉米收获时速效钾含量有升高趋势，6月份小麦收获时则有下降趋势。4个处理中秸秆不还田处理土壤速效钾含量下降趋势较为明显，与对照处理（NP）相比施钾（NPK）和秸秆还田（NPst）处理均可提高土壤速效钾含量，其中秸秆还田（NPst）处理对速效钾的提高幅度较大，随着时间的推移，这个趋势愈加明显。而秸秆还田并配施钾肥（NPKst）则是维持并提高潮土土壤钾素供应的最为有效措施。

2.1.2 土壤缓效钾动态 从两年四季作物收获后耕层土壤缓效钾含量（图2）看，秸秆还田和施用钾肥对各处理缓效钾含量的影响不同。随着收获季的变化各处理缓效钾含量出现方向一致的小幅波动，相比不施钾处理，施用钾肥和秸秆还田处理均能增加耕层土壤缓效钾含量，各处理土壤缓效钾含量高低顺序为：NPKst>NPst>NPK>NP，随着时间的推移，各处理间的含量差异逐渐变大，除NPKst处理缓效钾含量有升高的趋势外，其余处理均有不同程度地下降。NP处理经过两年不施钾肥，钾素消耗较大，缓效钾含量下降幅度最大。

2.2 秸秆还田与施钾肥对小麦玉米产量影响

从连续4个种植季不同处理的粮食产量（表1）来看，各个种植季均以NPKst处理产量最高，NP处理最低，NPK处理和NPst处理产量居中。前两季NPK处理粮食产量高于NPst处理，后两季则为NPst处理高于NPK处理。随着时间的推移，各个处理产量差异变化趋势愈来愈明显。第一个种植季玉米收获时，秸秆还田配施钾肥处理与不施钾肥处理（NP、NPst）相比增产显著，而其余处理间两两比较均没有明显差异。自第二种植季小麦收获时NP处理与其他3个处理相比显著减产，NPKst处理则与其他3个处理相比增产显著，至第三、第四种植季这一趋势愈加明显，而NPK处理和NPst处理作物产量间一直未有显著性差异。从年际间作物产量变化看，与对照（NP）相比，随着时间的推进，施钾处理（NPK和NPKst）粮食增产幅度均有递增的趋势。从不同作物来看，在玉米生产上施用钾肥平均增产2.92%，秸稈还田配合施用钾肥平均增产6.99%，在小麦生产上施用钾肥平均增产8.03%，秸秆还田配合施用钾肥平均增产14.13%，小麦的施钾效果比玉米明显。

2.3 钾素养分表观利用率

由图3看出，第一种植季秸秆不还田处理钾肥的当季回收率平均为31.8%，而还田情况下钾肥当季回收率为24.4%；而4个种植季钾肥综合回收率结果显示，秸秆不还田情况下钾肥回收率为39.2%，秸秆还田情况下钾肥回收率为25.3%，差异达到极显著性水平。

2.4 土壤-作物系统钾素平衡特征

由图4看出，施用钾肥与秸秆还田对土壤-作物系统钾素平衡状况的影响较大。秸秆还田配施钾肥处理维持了土壤钾素平衡，并且随着种植季的增加土壤钾素逐渐盈余。而其他3个处理每季土壤钾素均为亏缺，其中秸秆不还田不施钾肥处理的土壤钾素每季亏缺量最大，亏缺量为144.2～171.5 kg/hm2；其次为秸秆不还田施钾肥处理，每季土壤钾素的亏缺量为111.4～134.7 kg/hm2；秸秆还田处理钾素亏缺相对最小，每季亏缺量为12.5～47.8 kg/hm2。计算各个处理两年土壤-作物系统钾素表观平衡结果：NP处理为-629.9 kg/hm2，NPK处理为-481.2 kg/hm2，NPst处理为-131.6 kg/hm2，NPKst处理为74.2 kg/hm2。从不同种植季看，玉米种植季各处理土壤钾素亏缺量大于小麦种植季。随着时间的推移，不施钾处理作物产量逐渐降低，带走的钾素变少，每季钾素的亏缺量呈现出逐渐降低的趋势。

3 讨论与结论

随着作物高产品种的普及，施肥、灌溉条件的改善以及农业综合管理水平的提升，我国粮食单产稳步提高，从而对钾素的需求量愈来愈大，即使含钾量丰富的土壤如果不及时增施钾肥也会成为作物产量提高的限制因子。本试验地点位于鲁西黄河冲积平原临近黄河大堤，质地为轻壤，土壤速效钾测定含量不高[16，17]（采集耕层土样深度可能也有一定影响，本试验采集土样深度为0～30 cm），研究结果显示，连续两季秸秆不还田不施钾肥作物即表现出了明显减产。土壤钾素是植物钾素养分的重要来源，在持续没有外源钾补充的情况下，土壤钾库一直被作物耗用，土壤速效钾及缓效钾含量逐渐下降，从而影响到作物产量。而增施钾肥、秸秆还田以及秸秆还田配施钾肥相对不施钾肥处理粮食均表现出增产的趋势，同时不同程度地减缓了土壤中速效钾、缓效钾含量下降趋势，这与前人的研究结论基本一致[18，19]，其中秸秆还田配施钾肥使土壤速效钾含量提高最为明显。小麦季和玉米季收获后土壤中钾素含量表现出了方向一致的小幅波动，这与土壤钾存在土壤矿物钾-缓效钾-速效钾之间的动态平衡有关，其中受温度、水分以及收获期作物溢钾淋洗等因素影响[20，21]，具体原因有待进一步研究。

前人研究结果多为施钾效果优于秸秆还田[6，8-10，12]，本试验结果显示秸秆还田与施钾效果基本相当，可能是因试验条件不同，目标产量不同，设置的施钾量不同所致。本试验方案中施钾量一个种植季为54 kg/hm2和60 kg/hm2，施钾量相对不高，所以计算土壤-作物系统钾素平衡结果显示施钾处理钾素一直为亏缺状态，亏缺量大于秸秆还田处理，这一点从土壤缓效钾含量的变化也得到了印证。除NPKst以外其余3个处理缓效钾含量呈下降趋势，其中NP处理下降幅度最大，其次为NPK处理，而NPst处理下降幅度最小。土壤缓效钾含量下降是土壤钾素库储量下降的表现，从土壤-作物系统钾素表观平衡计算结果看，在小麦-玉米轮作制度下，施用钾肥和秸秆还田能够补充土壤钾库，但单纯秸秆还田或施用钾肥尚不能抵消作物的钾素吸收消耗，而秸秆还田同时配施适量钾肥则是维持土壤钾素平衡的有效措施。

本试验钾肥的第一季当季回收率仅为 30%左右，与王志勇等[10]的研究结果相比偏低，这可能与地力水平及种植技术有一定关系，但这一结果与张福锁对于全国粮食主产区多个试验的汇总结果相符[22]。而4个种植季秸秆不还田条件下钾肥累计回收率则为 39.2%，有了显著提高，说明钾肥具有后效性，同时秸秆还田情况下4个种植季钾肥累计回收率仅为 25.3%，与前者差异达到极显著性水平，这显然与秸秆还田补充了土壤钾库、增强了土壤供钾能力有关。

秸秆还田不仅能补充土壤钾库，同时能增加土壤有机质及养分含量，改善土壤理化性状，使土地综合生产能力得以提升[23-25]，但另一方面如果秸秆还田处理不当，也会有影响作物的出苗、病虫害加剧等情况[26，27]，所以对于作物产量的影响是土壤类型、气候、耕作管理等因素共同作用的结果，应注意采取综合措施确保还田效果。

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