秸秆还田配施钾肥对稻-油轮作产量及土壤团聚体钾分布的影响

湿地生态与农业利用教育部工程研究中心(长江大学)，湖北 荆州 434025 长江大学农学院，湖北 荆州 434025 (湖北省荆州市农业技术推广中心，湖北 荆州 434025) 湿地生态与农业利用教育部工程研究中心(长江大学)，湖北 荆州 434025 长江大学农学院，湖北 荆州 434025

作物秸秆作为农业生产过程中产生的主要副产物，含有丰富的有机碳和矿质元素。秸秆直接还田在土壤微生物的作用下经过复杂的矿化和腐殖化过程，形成腐殖质并释放养分，如氮、钾和中微量元素等[1]。已有学者就秸秆还田对土壤物理、化学和生物学特性的影响进行了研究，基本明确了秸秆还田在提高土壤肥力和改善农田生态环境方面的积极作用[2～5]。尤其是我国南方，土壤以1∶1型硅酸盐矿物、过渡矿物和铁铝氧化物为主，其有效钾含量普遍较低，秸秆还田配施钾肥可显著增加土壤有效钾含量，弥补农田钾素亏缺；而作物秸秆腐解后所形成的腐殖质，不仅能够胶结土壤粘粒，形成较大的土壤颗粒，还可以形成矿物-有机复合体吸附外源钾离子，减少土壤钾损失[6～8]。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其组成及稳定性直接影响土壤通透性、微生物的生存环境和矿质养分供应[9]。刘威[10]研究发现通过免耕+秸秆覆盖和秸秆翻压还田均有利于小粒径团聚体向较大粒径团聚体转化，增加>0.25mm粒径水稳性团聚体的含量。然而，不同粒级团聚体的物理、化学特性以及养分保持、供应能力也存在一定差异，这关系着作物根系对土壤颗粒表面和溶液中养分的吸收与利用。目前，有关不同土层及其粒径团聚体对作物有效钾的供应能力和规律还不太明确，尤其缺乏长期耕作条件下的科学评估。稻-油轮作作为水旱轮作区主要的耕作制度，对土壤钾素的需求量较大，通过科学施用钾肥和积极开展秸秆还田归还秸秆钾素到土壤，能够弥补因作物收获带走的钾素亏缺，并维持农田供钾的可持续性。为此，笔者从2011年在典型稻作区江汉平原设置田间试验，研究秸秆还田(+S)和钾肥施用(+K)对水稻-油菜轮作系统产量、土壤团聚体速效钾分布的影响，以期为水旱轮作钾素优化施用和科学管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为鄂科1号，油菜品种为华油杂62。供试肥料品种为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)和硼砂(B 11%)。

1.2 试验方法

田间试验地点位于湖北省荆州区川店镇双店村(N 30°33′25″，E 112°4′53″，海拔80m)，为河流冲积物发育而成的水稻土，属粉质黏壤土，常年为中稻-冬油菜轮作制度。耕层(0～20cm)土壤基本性质为：pH 5.97、有机质含量26.9g/kg、全氮含量0.61g/kg、速效磷含量8.1mg/kg和速效钾含量164.8mg/kg。

田间定位试验始于2011年水稻季，采用中稻和冬油菜一年两熟制种植方式[7]。研究选取其中4个处理：不施钾(-K)、钾肥施用(+K)、秸杆还田(+S)、秸杆还田配施钾肥(S+K)，其中K和S分别表示钾肥施用和秸秆还田。根据测土配方和肥效试验确定该地区水稻和冬油菜的N、P2O5、K2O用量分别为180、60、90kg/hm2，冬油菜季增施硼肥(硼砂)15kg/hm2。2011～2016年度，水稻和油菜均采用移栽方式，移栽密度为20.8×104蔸/km2和11.3×104株/km2。水稻季氮肥分3次施用，按基肥∶蘖肥∶穗肥=50%∶25%∶25%施用，磷、钾肥一次性基施；冬油菜氮肥分3次施用，60%作基肥，越冬期和蕾薹期各追施20%，磷、钾和硼肥一次性基施。2017～2018年度，水稻和冬油菜改为直播方式，播种量分别为75kg/hm2和4.5kg/hm2。水稻和油菜的氮肥60%作基施，40%作分蘖肥(越冬肥)，磷钾硼施肥方式不变。2011年水稻季还田秸秆为油菜秸秆，投入量4500kg/hm2，秸秆钾素(K2O)表观还田量约98.6kg/hm2。

图1 2011～2018年稻-油轮作试验区月均气温和降雨量

小区面积20m2(5m×4m)，3次重复，完全随机区组排列。小区间用宽30cm、高30cm的土埂隔开，上覆塑料薄膜。田间管理按照当地实际生产，并适时进行病虫害防控。2011～2018年试验期间该区域的月均气温和降雨量如图1所示。

2018年5月冬油菜收获后，采集4个处理(0～10、10～20、20～30、30～40cm)的土层样品。各小区采集4个样点，按照“四分法”取1kg带回实验室，剔除杂物，掰成小块，原状风干，取部分样品过0.85mm筛孔，保存。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 作物产量

每年收获季各小区的水稻和冬油菜单打、单收、分别记实产。

1.3.2 土壤团聚体分级

采用湿筛法获取不同粒径的团聚体，具体方法如下：将不锈钢套筛按孔径由大到小顺序依次套牢，称取300g原状土样置于套筛顶层，放入水桶中，之后将套筛固定在团聚体分析仪上，淹水静置30min。以振幅3cm、30次/min频率震荡5min，将各级筛子内残留土壤团聚体洗入烧杯中，45℃条件下烘干、称重并保存。依次获取>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25mm 6种粒径的土壤团聚体。

1.3.3 土壤各形态钾含量测定

土壤样品分别采用去离子水和1mol/L的NH4OAc溶液浸提水溶钾和速效钾，采用火焰光度计法测定钾含量。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016处理和作图，利用SPSS 17.0软件进行方差和交互作用分析，采用LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施钾肥对轮作系统产量的影响

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，图3～6同。 图2 2011～2018年稻-油轮作系统作物产量变化

图2结果表明，各处理间存在着显著差异，以秸秆还田配施钾肥(S+K)处理的产量最高；同时，产量变化也受年份的影响。与不施钾(-K)相比，第1季钾肥施用(+K)和秸秆还田(+S)对水稻的增产效果不明显，经2轮轮作后，增产效果较为明显，但年际间各处理产量有一定变幅。产量变异系数介于13.0%～13.4%之间。对于后茬作物冬油菜，在第1季钾肥施用或者秸秆还田就有显著的增产效果，且各处理年际间产量变幅相对水稻较小，产量变异系数介于5.1%～5.8%之间。

与不施钾处理(-K)相比，施钾处理的水稻和油菜年均产量分别为1.2t和0.1t，增幅分别为12.5%和5.6%，表明长期钾肥施用(+K)能够维持较高的作物产量。秸秆还田(+S)与钾肥施用(+K)相比，冬油菜增产效果优于水稻，表明秸秆还田有利于旱地作物，而钾肥利于水田作物。4个处理中，以秸秆还田配施钾肥(S+K)处理的水稻和冬油菜产量最高，比对照年均增加1.7t和0.3t，增幅分别达到17.7%和16.6%，增产效果表现为水稻季>油菜季。

2.2 秸秆还田配施钾肥对耕层有效钾含量的影响

从图3可以看出，油菜收获后不施钾(-K)处理0～10、10～20、20～30、30～40cm土层的水溶钾含量分别为15.5、13.5、18.1、19.3mg/kg，这表明作物吸收的钾离子主要来自表层土壤溶液。施用钾肥和秸秆还田能有效补充不同土层的水溶钾含量，尤以秸秆还田配施钾肥(S+K)处理的效果最为明显。

同样，对于不同土层的速效钾含量，长期不施用钾肥时，表层0～10cm和10～20cm土层速效钾含量下降最为显著，比施用钾肥处理分别减少54.8mg/kg和28.7mg/kg，而秸杆还田(+S)和秸秆还田配施钾肥(S+K)处理各土层土壤速效钾含量均高于施钾处理。此外，随着土层的加深，各处理速效钾含量逐渐增加，处理间差额逐渐缩小。然而，与耕层初始速效钾含量(164.8mg/kg)相比，经过8a的轮作，钾肥施用(+K)不能维持土壤供钾水平，而秸秆还田配施钾肥(S+K)则可以增加各土层的速效钾含量，提高供钾能力。

2.3 秸秆还田配施钾肥对不同土层团聚体分布的影响

图3 2018年不同深度土壤的水溶钾和速效钾含量

长期轮作和施肥处理显著影响各土层团聚体的分布状态。由图4可知，随着土壤深度的增加，大粒径(>5mm、2～5mm和1～2mm)团聚体所占比例明显降低，而<0.25mm粒径的团聚体比例则显著提高；而0.5～1mm和0.25～0.5mm粒径的土壤团聚体比例的变化规律不明显。此外，与不施钾(-K)和钾肥施用(+K)处理相比，图4结果也反映出在相同层次下长期进行秸秆还田有助于减少<0.25mm粒径团聚体比例，促进较大粒径团聚体的形成。

具体来看，与不施钾(-K)相比，在0～10cm处，钾肥施用(+K)处理>5mm粒径团聚体的比例明显增加，秸秆还田(+S)处理和秸秆还田配施钾肥(S+K)处理亦是如此；其他粒径团聚体比例均呈小幅下降趋势，但处理间并不显著。在10～20cm处，钾肥施用(+K)处理0.5～1mm粒径团聚体比例明显增加，其他粒径比例无显著性差异。在20～30cm和30～40cm土层，各处理均以<0.25mm粒径团聚体为主，其次是中间粒径(0.25～0.5mm和0.5～1mm)，大粒径团聚体分布较少。

图4 2018年不同深度土壤的团聚体分布

2.4 秸秆还田配施钾肥对团聚体速效钾含量的影响

土壤团聚体速效钾含量因粒径和处理有所差异，尤其秸秆还田配施钾肥(S+K)对各土层团聚体速效钾含量的影响最为明显，其次是处理内各粒径间(见图5)。整体而言，各粒径速效钾含量表现为秸秆还田配施钾肥(S+K)>秸秆还田(+S)、钾肥施用(+K)>不施钾(-K)和小粒径(<0.25mm)团聚体速效钾含量>中粒径(1～2、0.5～1、0.25～0.5mm)团聚体速效钾含量>大粒径(>5、2～5mm)团聚体速效钾含量。

与不施钾处理相比，0～10cm和20～30cm土层秸秆还田配施钾肥(S+K)处理的速效钾含量最高，其>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25mm粒径团聚体速效钾含量分别为168.2、203.4、223.0、224.8、230.5、229.6mg/kg和168.5、166.9、181.8、236.3、250.9、202.6mg/kg，增幅平均达到100%。

2.5 不同土层团聚体速效钾含量平衡状态

通过秸秆还田(+S)、钾肥施用(+K)、秸秆还田配施钾肥(S+K)和对照不施钾(-K)处理团聚体及各粒径速效钾含量得出施肥处理的团聚体速效钾平衡[11]，结果如图6所示。从图6可以看出，0～10cm和10～20cm土层各粒径团聚体的速效钾平衡变幅最为明显，其次是20～30cm和30～40cm。另外，处理内各粒径团聚体的速效钾平衡存在显著性差异，尤以<0.25mm粒径的团聚体速效钾平衡值最高，表明钾肥施用(+K)或者秸秆还田(+S)主要影响耕层有效钾平衡并显著提高小粒径团聚体速效钾的平衡值。

3 讨论

3.1 长期秸秆还田配施钾肥对稻-油轮作产量的影响

作物产量是农田土壤生产力的综合反映[12]，研究结果显示，在中等供钾能力下，该试验区的水稻和油菜依然可以达到较高的年均产量水平，即9.6t/hm2和1.8t/hm2，但随着轮作年限的延长，水稻和油菜对土壤缺钾反应存在显著差异。通过相关分析可知，水稻产量、油菜产量与轮作年限的线性拟合方程分别为y=0.0996x+9.22(R2=0.025)和y= -0.006x+1.84(R2=0.013)，表明连续8a不施用钾肥水稻仍然可以持续高产；而油菜产量则呈逐渐下降的趋势，尤其经过3次轮作后降幅较为明显。通过科学的养分管理改善作物干物质量的积累和分配是提高作物产量的重要原因[13,14]。王会斌等[15]研究表明，无论是秸秆半量还是全量还田，水稻籽粒产量均显著提高。刘晓霞等[16]连续4a的秸秆还田试验表明，秸秆还田是提高土壤肥力和增加作物产量的有效途径，并且秸秆还田对作物增产和耕地质量的提升效应随着实施年限的增加而越发突出，这从研究产量的方差分析结果可以得到证实。从多年产量的变化来看，水稻季施用钾肥的增产效果优于秸秆还田处理，而冬油菜季则是秸秆还田处理的增产幅度明显高于钾肥施用处理，尤以秸秆还田配施钾肥的增产效果最佳。这可能与秸秆在水田和旱地的腐解特征及正负效应有关[7,10,17]。

图5 2018年不同深度土壤团聚体的速效钾含量分布

此外，与秸秆不还田、单施钾肥相比，秸秆还田往往会造成秸秆在土壤表面分布不均，尤其在水田整地或者还田秸秆量较大时，造成部分秸秆堆积，阻碍种子与土壤的有效接触，影响幼苗生长发育，甚至造成田块连片缺苗、死苗的现象。随着高产作物品种的推广，短期内单位面积耕地还田秸秆数量过大，不能及时腐解转化成土壤有机质，大量木质素、纤维素等高碳物质残留在土壤中不但增大了土壤碳氮比，也影响幼苗对土壤的氮素吸收。因此，为保证直播作物产量，应适当增加播种量10%～20%，以保证出苗率和种植密度[18]。

注：速效钾平衡=钾肥施用(+K)、秸秆还田(+S)、秸秆还田配施钾肥(S+K)处理各粒径团聚体含量×速效钾含量-不施钾(-K)处理各粒径团聚体含量×速效钾含量。图6 2018年土壤各粒级团聚体速效钾平衡

3.2 长期秸秆还田配施钾肥对土壤团聚体速效钾的影响

不同的耕作方式和秸秆还田均会对农田土壤团聚体的含量和稳定性产生影响。长期免耕处理可明显提升表层和亚表层土层的大团聚体和中粒团聚体含量[1,6]。这是因为相比翻耕，免耕有利于保护团聚体结构稳定，而通过秸秆翻压还田可将土壤中微团聚体胶结成大团聚体，且处于分解状态的作物根系和微生物菌丝也可通过缠绕作用直接形成大团聚体[9]。钾肥施用虽然对土壤团聚体结构没有直接影响，但通过增加根系物质量和改善土壤孔径，依然能间接影响团聚体分布，尤其显著影响团聚体组分中的非交换性钾和交换性钾含量[10,11]。从图4和图5的结果可以看出施钾处理的0.5～1mm粒径的团聚体比例明显增加，秸秆还田和钾肥施用均可有效增加各粒径团聚体中的速效钾含量，但差异不显著。刘开楼等[2]在红壤上的研究也表明化肥配施猪粪处理的钾素供应能力主要体现在>2、1～2、0.5～1mm粒径团聚体组分。通过施用有机肥可调控土壤团聚体组分，即增加>0.25mm粒径团聚体组分可有效提升土壤供钾能力。

该研究结果是基于油菜收获后采集的土壤样品。然而，朱丹丹等[19]的研究结果发现，在稻-油轮作茬口期，作物秸秆和根茬对土壤钾素系统的平衡产生影响，不仅增加速效钾含量，也会增加缓效钾含量。土壤速效钾含量在茬口空闲期存在普遍反弹的现象，即作物收获后的土壤速效钾含量处于最低水平，之后呈恢复态势。收获期的土壤养分含量并不能真实反映土壤的持续供钾能力[20]。因此，有必要就轮作茬口期进一步探究秸秆还田配施钾肥对各土层团聚体速效钾含量的动态变化影响，从而更科学地评估稻田供钾能力。

4 结论

长期秸秆还田配施钾肥可显著增加中钾供应能力稻田的水稻和冬油菜产量，且增产效果表现为水稻季秸秆还田配施钾肥(S+K)>钾肥施用(+K)>秸秆还田(+S)>不施钾(-K)，油菜季则为秸秆还田配施钾肥(S+K)>秸秆还田(+S)>钾肥施用(+K)>不施钾(-K)。与不施钾相比，连续秸秆还田(+S)或者钾肥施用(+K)可不同程度地改善各土层团聚体分布、提高团聚体速效钾含量，尤以<0.25 mm粒径团聚体最为明显。然而，随着轮作年限的延长和作物籽粒钾素收获，与土壤速效钾含量初始值相比，表层土壤速效钾含量持续下降，通过秸秆还田配施钾肥可弥补农田钾素亏缺并提高各粒径土壤团聚体速效钾含量，维持土壤供钾能力的可持续性。