连续秸秆还田替代钾肥对作物产量及土壤钾素平衡的影响

2019-10-25程文龙石祖梁

中国土壤与肥料 2019年5期

程文龙，韩上，武际*，李敏，石祖梁，王慧，唐杉，胡鹏，黄惠

（1．安徽省农业科学院土壤肥料研究所，养分循环与资源环境安徽省重点实验室，安徽合肥 230031；2．农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；3．安徽省巢湖市农业技术推广中心，安徽巢湖 238000；4．安徽省黄山市农业技术推广中心，安徽黄山 245600）

秸秆含有丰富的氮、磷、钾和中微量元素等养分［1］。尤其秸秆中钾素含量丰富，约占秸秆干物质量的1.5%。而秸秆还田是利用秸秆资源的有效方式。秸秆还田可促进作物增产［2］，增加土壤速效养分含量［3］，提高土壤肥力［4］，改善土壤结构［5］，减少秸秆资源的浪费和焚烧带来的空气污染，同时秸秆还田配施化肥能减少10%～20%的化肥用量［6］。尤其禾本科作物吸收的钾素80%以上存在于秸秆中，主要以离子形式存在，这部分钾素可以快速释放到土壤中［7］，短期秸秆还田可以提高当季土壤速效钾含量［8］，长期秸秆还田能改善土壤钾素亏缺，提高作物钾素积累量和产量［9］。我国作为世界上主要的钾肥消费国，钾肥却多依赖于进口，长期受到国际上钾肥价格持续走高的影响［10］。此外，近年来我国粮食持续增产的同时也不断带走了土壤中大量的钾素，钾肥的投入已无法维持土壤钾素的平衡，农田钾素的逐渐亏缺已成为了当前农业发展面临的问题［11］。因此，为缓解钾肥资源短缺及维持土壤钾素平衡，研究主要粮油作物替代钾肥的效应显得尤为重要。本研究在安徽省稻油轮作区进行了油菜-水稻轮作试验，研究秸秆全量还田能够替代钾肥的用量，以及连续秸秆还田对油菜和水稻地上部钾素积累、土壤速效钾和缓效钾含量的影响，以期为秸秆还田条件下，钾肥的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验地点位于安徽省稻油轮作区。0～20 cm土壤基本理化性质为：有机质26.24 g/kg、全氮1.68 g/kg、碱解氮112.12 mg/kg、有效磷15.21 mg/kg、速效钾121.10 mg/kg、缓效钾521.59 mg/kg，pH值为8.05。

1.2 试验材料

供试油菜、水稻品种均为当地主栽品种。试验中氮肥用尿素（N 46%），磷肥用过磷酸钙（P2O512%），钾肥用氯化钾（K2O 60%），硼肥用硼砂（B 12%）。

1.3 试验设计

试验于2012年9月油菜季开始实施，至2015年10月水稻收获后结束，采用一年两熟的油菜-水稻轮作模式。试验共设6个处理，分别为：（1）NP；（2）NPK；（3）NP+S；（4）NP+1/3K+S；（5）NP+2/3K+S；（6）NPK+S。其中K表示钾肥，S表示还田秸秆。小区面积20 m2，4次重复，随机区组排列。

油菜季施肥量：N 180 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2，硼砂15 kg/hm2。氮肥分3次施用，60%基肥，20%越冬肥，20%蕾薹肥。磷、钾、硼肥一次性基肥施用。水稻季施肥量：N 180 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2。氮肥分3次施用，40%基肥，30%分蘖肥，30%穗肥。全部磷、钾肥作基肥施用。为保证试验的一致性，2012年第一季作物（油菜）还田秸秆为水稻秸秆9 583 kg/hm2，秸秆的钾素（K）含量为1.44%。之后上一季作物收获后，施用秸秆的各相应处理秸秆全部还田给下一季，不施用秸秆的各相应处理（1）和（2）的秸秆全部清除，2012～2015年每季各处理投入秸秆钾和化学钾肥量见表1。

表1 2012～2015年各处理秸秆钾和化学钾投入量（秸秆钾/化学钾肥，K2O kg/hm2）

1.4 样品采集与测定

每季作物收获后，采集各小区耕层（0～20 cm）土壤样品，风干过筛后备用。土壤的基本理化性质采用常规方法测定。油菜收获时每小区随机选取10株有代表性植株。水稻收获时每小区随机选取10穴地上部分植株。油菜分为茎秆和籽粒并分别称重，水稻分稻谷和稻草并分别称重，以此测定各部分养分含量。油菜、水稻产量以各小区实际收获产量计产。植株样品烘干后磨碎过筛，用浓H2SO4-H2O2联合消煮，火焰光度法测定钾含量。

1.5 数据处理

主要计算公式：

钾肥吸收利用率（%）= 施钾肥地上部吸钾增量/ 钾肥用量×100

钾肥农学利用率（kg/kg）= 施钾肥增产量/ 钾肥用量钾肥偏生产力（kg/kg）= 施钾肥产量/ 钾肥用量钾素平衡系数= 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

试验数据利用Excel 2010进行处理，用SPSS 18.0对数据进行统计分析，用OriginPro 8对数据进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对油菜-水稻产量的影响

3季油菜的产量结果显示（表2），秸秆还田替代化学钾肥的3个处理与NPK处理相比较，NP+1/3K+S、NP+2/3K+S处理油菜产量差异均不显著，而NP+S处理的产量则显著低于NPK处理，说明本试验条件下，秸秆还田可以替代1/3～2/3的化学钾肥而油菜不减产。3季水稻的产量结果（表3）显示，秸秆还田处理NPK+S与NPK相比较，产量略有提高，但差异不显著。秸秆还田替代化学钾肥的3个处理与NPK处理相比较，前2季水稻产量无显著的负效应。第3季NP+S、NP+1/3K+S处理产量显著低于NPK处理，NP+2/3K+S处理与NPK处理相比产量差异不显著，表明随着试验年限的增加，秸秆还田能够替代化学钾肥的量呈减少趋势。从3个轮作周期秸秆还田替代化学钾肥效应上看（表4），秸秆还田替代化学钾肥的3个处理与NPK处理相比较，第1个轮作周期秸秆还田替代化学钾肥对作物产量无显著负效应，第2个轮作周期和第3个轮作周期NP+S、NP+1/3K+S处理产量均显著低于NPK处理，NP+2/3K+S处理与NPK处理相比对作物产量无显著负效应。综合来看，秸秆还田可以替代1/3的化学钾肥而不减少水稻和油菜的总产量。

表2 2013～2015年施钾肥和秸秆还田对油菜产量的影响（kg/hm2）

表3 2013～2015年施钾肥和秸秆还田对水稻产量的影响（kg/hm2）

2.2 不同处理对油菜-水稻地上部养分积累量的影响

本试验结果（表5）显示，不施钾肥（NP）处理3季油菜地上部钾素积累量为最低。施钾肥和秸秆还田各处理均不同程度提高了油菜籽粒和秸秆的钾素积累量。秸秆还田处理NPK+S与NPK相比，显著增加了油菜地上部钾素年均积累量，增幅为8.6%。秸秆还田替代化学钾肥的3个处理与NPK处理相比较，其中，NP+2/3K+S处理与NPK处理相比地上部钾素年均积累量差异不显著，而NP+S、NP+1/3K+S处理的地上部钾素年均积累量则显著低于NPK处理，表明在氮磷配合施用下，秸秆还田能替代1/3化学钾肥而不减少油菜地上部钾素累积量。

表5 施钾肥和秸秆还田对作物地上部3年平均钾素吸收量的影响（kg/hm2）

同样不施钾肥（NP）处理3季水稻籽粒和秸秆中钾素积累量均为最低。施钾肥和秸秆还田各处理均不同程度提高了水稻籽粒和秸秆的钾素积累量。从水稻地上部钾素积累总量看，秸秆还田处理NPK+S与NPK相比，显著增加了水稻地上部钾素年均积累量，增幅为4.4%。秸秆还田替代化学钾肥的3个处理与NPK处理相比较，其中，NP+2/3K+S处理与NPK处理相比地上部钾素年均积累量差异不显著，而NP+S、NP+1/3K+S处理的地上部钾素年均积累量均显著低于NPK处理，表明在氮磷配合施用下，秸秆还田能替代1/3化学钾肥而不减少水稻地上部钾素累积量。

2.3 不同处理对钾肥利用率的影响

本试验结果（表6）显示，秸秆还田处理NPK+S与NPK处理相比较，均显著提高了油菜季和水稻季的钾肥吸收利用率，而对油菜季和水稻季的钾肥农学利用率和偏生产力均没有显著差异。秸秆还田替代化学钾肥的处理（NP+1/3K+S、NP+2/3K+S）与NPK处理相比，NP+1/3K+S、NP+2/3K+S处理均显著提高了油菜季钾肥吸收利用率，分别提升了19.6%、24.0%。同时NP+2/3K+S处理也显著提高了水稻季钾肥吸收利用率，提升了11.3%。而NP+1/3K+S、NP+2/3K+S处理在油菜季和水稻季的农学利用率上均没有显著差异，但均提高了钾肥偏生产力。与NPK处理相比，NP+1/3K+S处理将油菜季和水稻季钾肥偏生产力均提高了2.9倍，同样NP+2/3K+S处理也将油菜季和水稻季钾肥偏生产力均提高了1.5倍。

表6 施钾肥和秸秆还田对3年平均钾肥利用率的影响

2.4 不同处理对土壤钾素表现平衡的影响

3个轮作周期的结果（表7）显示，NPK+S处理土壤钾素在3个轮作周期中均处于盈余状态。秸秆还田替代化学钾肥的3个处理（NP+S、NP+1/3K+S、NP+2/3K+S）在第1个轮作周期中土壤钾素均处于亏缺状态，但随着秸秆还田年限的增加，钾素亏缺量逐渐减少，至第3个轮作周期时，秸秆还田替代化学钾肥的3个处理土壤钾素均已处于盈余状态，3个轮作周期中3个处理的钾素表现盈亏量分别为-101～25.1、-43.2～64.4 、-2.7～96.7 kg/hm2。而NP和NPK处理3个轮作周期中土壤钾素均始终处于亏缺状态，钾素表现盈亏量分别为-389.2～-300.8、-276.0～-219.0 kg/hm2。这表明单独施钾肥难以弥补土壤钾素的亏缺，而秸秆还田则有利于维持土壤钾素平衡。

2.5 不同处理对土壤速效钾和缓效钾含量的影响

本试验结果（表8）显示，2015年10月，与NP处理相比，各处理均有增加土壤速效钾的趋势，其中NPK、NP+2/3K+S、NPK+S处理均显著增加了土壤速效钾含量，增加幅度分别为25.3%、23.8%、42.9%。秸秆还田处理NPK+S与NPK处理相比，显著增加了土壤速效钾含量，增幅为14.0%。秸秆还田替代化肥钾肥的NP+1/3K+S、NP+2/3K+S处理与NPK处理相比土壤速效钾含量差异均不显著，而NP+S处理的土壤速效钾含量则显著低于NPK处理，表明秸秆还田能替代1/3～2/3化学钾肥而不使土壤速效钾含量下降。同样，与NP处理相比，各处理也均有增加土壤缓效钾含量的趋势，其中NP+2/3K+S、NPK+S处理均显著增加了土壤缓效钾含量，增幅分别为7.8%和11.4%。秸秆还田替代化学钾肥的3个处理与NPK处理相比较，土壤缓效钾含量差异均不显著。

表7 施钾肥和秸秆还田对土壤钾素表现平衡的影响

表8 2015年10月秸秆还田配施钾肥对土壤钾含量的影响（mg/kg）

3 讨论

金梦灿等［12］研究表明，秸秆还田可以替代30%化学钾肥而不使水稻减产。本研究结果显示，秸秆还田可以替代1/3的化学钾肥而对稻油轮作制周年作物的总产量无明显负效应。这主要是由于秸秆中钾素含量丰富，约占秸秆干物质量的1.5%，尤其禾本科作物吸收的钾素80%以上存在于秸秆中，主要以离子形式存在，这部分钾素可以快速释放到土壤中被作物吸收利用［7］。前人研究结果进一步表明，秸秆还田可替代的化学钾肥量与土壤供钾水平高低密切相关［11］；本研究连续3年的作物产量结果则显示针对不同作物，秸秆还田可替代化学钾肥的效果也不尽一致。油菜季秸秆还田可以替代1/3～2/3的化学钾肥，而水稻季随着试验年限的增加，秸秆还田能够替代化学钾肥的量呈减少趋势。相关研究表明，秸秆还田可显著提高钾肥吸收利用率和偏生产力［12-13］。这与本研究结果相一致，秸秆还田替代化学钾肥的处理均不同程度提高了油菜和水稻对钾素的吸收量，从而也提高油菜季和水稻季的钾肥吸收利用率。其中秸秆还田替代1/3和2/3的化学钾肥显著提高了油菜季的钾肥吸收利用率，替代1/3的化学钾肥显著提高了水稻季的钾肥吸收利用率。同时，秸秆还田替代1/3和2/3的化学钾肥也显著提高了油菜季和水稻季的钾肥偏生产力。

谭德水等［14］连续13年的定位试验研究表明，只施用氮、磷肥会使土壤钾素处于严重的亏缺状态。谢佳贵等［15］研究表明，单施钾肥处理和单施秸秆处理均会使土壤钾素处于亏缺状态，而秸秆还田配施钾肥处理的土壤钾素则处于盈余状态。本试验研究表明秸秆还田替代化学钾肥的3个处理虽然在第1个轮作周期中土壤钾素均处于亏缺状态，但随着秸秆还田年限的增加，钾素亏缺量逐渐减少，至第3个轮作周期时，秸秆还田替代化学钾肥的3个处理土壤钾素均已处于盈余状态，而单独施钾肥的处理在3个轮作周期中始终处于亏缺状态，表明了单独施钾肥均难以弥补土壤钾素的亏缺，而秸秆还田则有利于维持土壤钾素平衡。

土壤速效钾和缓效钾含量是评价土壤钾对作物有效性的重要指标。王宏庭等［9］研究表明，与不施钾肥处理相比，施钾肥、单独秸秆还田和秸秆还田配施钾肥均显著增加土壤速效钾和缓效钾含量。本试验中，秸秆还田配施钾肥处理均有不同程度增加土壤速效钾和缓效钾含量的趋势，其中NP+2/3K+S、NPK+S处理均显著增加了土壤速效钾和缓效钾含量，增加幅度分别为23.8%、42.9%和7.8%、11.4%。表明秸秆还田配施钾肥，有利于弥补土壤钾素的亏缺，这对维持土壤养分平衡有重要意义。