钾肥减施对稻麦轮作区作物产量和品质的影响
2022-05-11张鑫尧王箫璇惠晓丽柴如山郜红建罗来超
张鑫尧,王箫璇,陈 磊,张 敏,惠晓丽,柴如山,郜红建,罗来超*
(1 安徽农业大学资源与环境学院/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室,安徽合肥 230036;2 西北农林科技大学资源环境学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室,陕西杨凌 712100)
稻麦轮作是我国长江中下游地区主要的作物种植模式,且稻麦总产量占到全国粮食产量的20%以上[1-2]。为满足人口增长对粮食产量的需求,化肥(氮和磷)的大量施用使得集约化种植农作物产量大幅提升,但作物也从土壤中携出了大量的钾素,加剧土壤中钾的消耗,进而导致农田钾素亏缺[3-4]。施用钾肥虽是缓解土壤钾亏缺的主要有效措施,但钾肥投入区域不平衡现象仍很突出,从而导致地区钾肥施用强度高低相差8.6倍,其中,稻麦轮作区钾肥施用过量的农户占到77%~94%[5-7]。我国钾肥生产量近些年呈上升趋势,虽与氮、磷肥相比,仍处于较低水平,但进口量却分别是氮肥和磷肥的13.3和16.9倍,经济投入占比较高[8]。钾肥优化管理是权衡农田土壤钾肥施用合理性和经济性的有效途径。钾是作物不可或缺的养分元素之一,也是品质元素,在增加作物产量和品质提升方面起着重要作用[9]。通过钾肥适度减量施用不仅能较好地降低钾肥过量投入,还可减少钾资源浪费,但减量施用后对作物产量和品质影响如何,尚不明确。因此,在合理利用钾肥资源的基础上,研究钾肥减量施用对作物产量和品质的影响,以期为长江中下游地区稻麦轮作下钾肥增效、作物高产优质生产提供理论依据。
大量研究表明,在土壤供钾能力中等或较低水平时,适量施钾能够提高作物有效穗数进而提高籽粒产量[10-13]。但钾肥对作物籽粒蛋白品质影响的研究结果不一。在南方速效钾含量为72.6 mg/kg的酸性土壤上开展的田间试验,结果显示钾肥减量 30%施用对水稻籽粒蛋白质含量无显著影响[14];在东北地区速效钾含量为131.3 mg/kg的土壤进行田间试验,结果显示钾肥减量14.3%~57.1%可使水稻籽粒蛋白质含量降低达3.7%~11.1%[15]。在土壤速效钾含量为82.7 mg/kg时,施钾( K2O) 90 kg/hm2与150 kg/hm2相比,小麦籽粒蛋白质含量降低2.4%;但在土壤速效钾为120.6 mg/kg时,施钾量对小麦籽粒蛋白质含量无显著影响[16]。李玉影等[17]通过多点春小麦田间试验发现,当土壤速效钾在166.2~192.0 mg/kg时,随施钾量的增加,籽粒蛋白含量呈先增后降的趋势,施钾( K2O) 52.5 kg/hm2较82.5 kg/hm2能提高清蛋白、球蛋白和麦谷蛋白含量分别为5.3%、15.4%和3.6%。对于矿质营养元素而言,在麦-玉轮作体系下施钾( K2O) 93.4 kg/hm2与186.8 kg/hm2相比,小麦籽粒铁和锌含量分别提高42.8%和13.1%,锰含量降低11.5%,铜含量无显著降低[18]。在四川西昌,与不施钾相比,施钾能有效提高稻米中铁、锰、铜和锌含量,但随着钾肥施用量的增加,微量元素含量却逐渐降低[19]。在内蒙古武川,与施钾( K2O) 180 kg/hm2相比,施钾135 kg/hm2处理的作物籽粒铁、锰、铜和锌含量分别提高了75%、3.4%、25.9%和15.3%[20]。但目前关于钾肥对品质影响的研究多集中在苹果、葡萄、设施黄瓜等园艺作物上,且对稻麦等粮食作物以对产量的影响为主,而对品质方面的影响研究较少,关于钾肥减量施用对巢湖流域稻麦轮作体系下作物籽粒品质的影响研究还鲜见报道。
本研究在2017—2019年开展稻麦轮作体系下钾肥减量施用田间试验,通过测定水稻和小麦籽粒产量及其构成要素,蛋白质及其组分含量,微量元素含量及其生物有效性,明确钾肥减量施用对作物籽粒产量和品质的影响,以期为稻麦轮作下作物减钾增效提质提供科学依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
田间试验于2017—2019年在安徽农业大学皖中综合试验站(117°22E,31°28N)进行,该站位于巢湖流域典型农业区,属亚热带季风气候,年均温16.2℃,年均降水1402.1 mm,年均日照时长1794.3 h。该地区以稻麦轮作为主,土壤类型为水稻土。2017年试验开始时0—20 cm土层土壤理化性状为:有机质30.1 g/kg、全氮1.17 g/kg、有效磷15.8 mg/kg、速效钾140 mg/kg、有效铁53.0 mg/kg、有效锰39.9 mg/kg、有效铜2.5 mg/kg、有效锌1.3 mg/kg、pH 5.43。
1.2 试验设计
田间试验采用随机区组设计,设置5个处理:对照(不施钾肥,CK)、农户模式(K2O 90 kg/hm2,K1)、农户模式基础上减钾10% (K2O 81 kg/hm2,K2)、减钾20% (K2O 72 kg/hm2,K3)、减钾30%(K2O 63 kg/hm2,K4)。各处理水稻季氮肥施用量为N 225 kg/hm2,小麦季为N 210 kg/hm2,磷肥用量均为P2O590 kg/hm2。水稻季和小麦季的氮肥用量分别按基追比6∶4和7∶3施入,磷、钾肥全部以基肥施用。供试肥料中氮肥为尿素(N 46%)、磷肥为过磷酸钙(P2O512%)、钾肥为氯化钾(K2O 60%)。水稻和小麦供试品种分别为‘华两优688’和‘宁麦13’。小区面积为50 m2(长12.5 m、宽4 m),重复3次。其他同当地农户管理措施相一致。
1.3 样品采集与测定
在水稻和小麦成熟期,在各小区随机均匀选取5个1 m2的样方,收割地上部装入编号的大网袋中,自然风干后脱粒、称重,从中随机取150 g左右籽粒,75℃烘干后称重,计算含水量和籽粒产量,籽粒产量以烘干基表示。同时,在各小区内的5个样方中,随机采集100穗的植株,剪除根系,装入网袋中,风干后人工脱粒。随机称取50 g籽粒样品,先用自来水进行多次清洗,再用去离子水润洗后装入信封,105℃下杀青0.5 h,75℃烘干至恒重,用球磨仪(MM200,Retsch,德国)粉碎待用。
烘干粉碎的籽粒样品,用H2SO4-H2O2法进行红外消解,采用全自动连续流动分析仪(San++,Skalar,荷兰)测定消解液中氮和磷的浓度,蛋白质含量则为N×6.25;采用浓HNO3-H2O2法,高通量微波消解仪(ETHOS UP,Milestone,意大利)消解,电感耦合等离子体质谱仪(ICAP Qc03030704,ThermoFisher Scientific,美国)测定消解液中的铁、锰、铜和锌浓度。不同蛋白质组分采用超纯水、混合盐溶液、乙醇溶液、碱溶液连续提取[21-22],并用双缩脲法显色后于540 nm处测定各样品溶液吸光值,根据标准曲线计算籽粒样品各蛋白组分含量。
基础土壤样品经风干过筛后,有机质采用重铬酸钾外加热法测定,全氮采用半微量凯氏定氮法测定,有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗分光光度法测定,速效钾采用1 mol/L醋酸铵浸提—火焰光度计法测定,pH采用电位法测定,有效铁、锰、铜和锌采用DTPA-TEA浸提—AAS法测定[23]。
1.4 指标计算方法与数据分析
利用Microsoft Excel 2016整理原始数据并用SigmaPlot 12.5进行绘图,采用SPSS 22.0进行单因素方差分析(ANOVA),各指标差异显著性分析采用LSD法,差异性显著水平为0.05 (P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 钾肥减施对水稻和小麦籽粒产量的影响
图1显示,年份、钾肥处理对水稻产量有显著影响(P<0.05)。与不施钾相比,施钾可显著提高水稻籽粒产量,平均增产19.8%;钾肥减量10%、20%和30%时的水稻籽粒产量分别提高13.1%、29.5%和14.2%;与农户模式相比,减钾处理无显著差异。从不同年份来看,2017和2018年减钾10%和30%,虽降低了籽粒产量,但差异不显著。年份、钾肥处理同样对小麦籽粒产量有显著影响(P<0.05)。与不施钾相比,施钾可显著提高小麦籽粒产量,平均增产85.1%;农户模式和减钾10%、20%和30%分别提高84.5%、86.6%、100.0%和68.6%,减钾处理与农户模式差异不显著。分析不同年份结果可知,2018和2019年各减钾处理与农户模式间均无显著差异。
图1 钾肥减施对水稻和小麦籽粒产量的影响Fig. 1 Effects of potassium fertilizer reduction on grain yield of rice and wheat
2.2 钾肥减施对水稻和小麦产量构成要素的影响
由水稻产量构成要素方差分析结果(图2)可知,与农户模式相比,减钾20%处理的水稻穗数提高5.2%,但无显著性差异。不同年份结果表明,2017年减钾处理与农户模式相比,水稻穗数无显著差异,但减钾10%显著提高穗粒数14.8%,减钾30%的千粒重降低7.2%;2018年各减钾处理较农户模式均无显著差异。
图2 钾肥减量对水稻和小麦产量构成要素的影响Fig. 2 Effects of potassium fertilizer reduction on yield components of rice and wheat
从小麦上的结果(图2)可以看出,与不施钾相比,钾肥处理可显著提高穗数和千粒重,但减钾处理小麦穗粒数差异不显著。与农户模式相比,减钾20%处理虽能使小麦穗数提高7.4%,但处理间无显著性差异。从两年结果来看,2018年减钾处理较农户模式相比,产量构成三要素均无显著差异;2019年减钾20%较农户模式显著增加穗数12.2%,减钾10%和30%对穗粒数和千粒重无显著差异。
2.3 钾肥减施对水稻和小麦籽粒蛋白质及其组分含量的影响
表1表明,与不施钾相比,农户模式显著提高了水稻籽粒蛋白质含量和麦谷蛋白含量,清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白无显著差异。与农户模式相比,减钾30%处理显著降低水稻籽粒蛋白含量5.4%;钾肥减量施用较农户模式可显著降低水稻籽粒麦谷蛋白含量达19.4%~32.3%,其中减钾20%和30%时可显著提高水稻籽粒醇溶蛋白含量,分别达37.5%和43.8%,但对清蛋白、球蛋白含量多无显著影响。不同年份来看,2017年钾肥减量施用可显著降低水稻籽粒麦谷蛋白含量达25%~39.3%,清蛋白和球蛋白含量无显著差异;减钾20%时,醇溶蛋白含量显著提高84.7%,其它蛋白质组分无显著差异;2018年减钾30%时,籽粒蛋白质总含量和麦谷蛋白含量分别显著降低2.7%和33.3%,醇溶蛋白含量显著提高36.8%,清蛋白和球蛋白含量差异不显著。
表1 不同施钾量处理水稻籽粒蛋白质及其组分含量(%)Table 1 Contents of protein and its fraction of rice grain as affected by potassium application rate
由表2可知,与农户模式相比,减钾10%和30%时分别显著降低小麦籽粒蛋白质、醇溶蛋白含量18.2%和17.5%、16.3%和16.3%;而减钾20%时的蛋白质、醇溶蛋白和麦谷蛋白含量与农户模式相比无显著差异。分析两年结果来看,2018年减钾10%和30%时,籽粒蛋白质含量较农户模式分别显著降低23.4%和25.5%,醇溶蛋白含量分别降低31.8%和27.3%,清蛋白、球蛋白和麦谷蛋白无显著差异,且减钾处理间蛋白质及组分含量差异不显著。2019年减钾处理蛋白质及各组分含量大多无显著影响。
表2 不同施钾量处理小麦籽粒蛋白质及其组分含量(%)Table 2 Contents of protein and protein fractions of wheat grain as affected by potassium application rate
2.4 钾肥减施对水稻和小麦籽粒微量元素含量的影响
施用钾肥显著影响水稻籽粒微量元素含量,钾肥减量施用较农户模式分别提高水稻籽粒中的铁、铜和锌含量3.3%、34.5%和18.6% (表3)。分析两年均值可知,与农户模式相比,减钾处理的水稻籽粒铜和锌含量分别提高28.6%~39.3%和16.9%~19.8%,各减钾处理间无显著差异。不同年份结果来看,2017年,减钾处理籽粒锌含量显著提高了32%~35.4%,籽粒锰含量在减钾10%时提高了11.8%,但减钾处理间无显著差异;2018年,减钾处理籽粒铜含量显著提高63.7%~86.4%,但降低了籽粒锰含量,降幅达11.2%~22.9%。
表3 不同施钾量处理水稻籽粒微量元素含量(mg/kg)Table 3 Contents of micronutrients of rice grain as affected by potassium application rate
施钾同样也影响小麦籽粒微量元素含量,钾肥减量施用较农户模式分别提高小麦籽粒中的铁、铜和锌含量6.7%、7.8%和5.7% (表4)。与农户模式相比,减钾处理铁、锰、铜、锌含量虽有提升,但差异不显著。2018年,与农户模式比较,减钾20%和30%时,籽粒铜含量分别显著提高37.9%和31.0%,籽粒铁、锰和锌含量无显著差异。2019年减钾处理较农户模式籽粒微量元素含量均无显著变化。
表4 不同施钾量处理小麦籽粒微量元素含量(mg/kg)Table 4 Contents of micronutrients of wheat grain as affected by potassium application rate
2.5 钾肥减施对水稻和小麦籽粒微量元素生物有效性的影响
施钾影响水稻籽粒微量元素的生物有效性,钾肥减量施用较农户模式分别降低水稻籽粒磷铁、磷铜和磷锌摩尔比7.1%、34.1%和19.1% (表5)。与农户模式比较,减钾处理的籽粒磷铜和磷锌摩尔比分别降低29.8%~37.6%和16.9%~20.6%。2017年减钾处理的磷锌摩尔比多显著降低,磷铁、磷锰和磷铜摩尔比无显著差异。2018年减钾处理的磷铜和磷锌摩尔较农户模式均显著降低。
表5 不同施钾量处理水稻籽粒中微量元素与磷的摩尔比Table 5 The ratio in moles of P to micronutrient in rice grains as affected by potassium application rate
总的来看,施钾也影响小麦籽粒微量元素生物有效性,钾肥减量施用较农户模式分别降低小麦籽粒磷铁、磷铜和磷锌摩尔比18.3%、23.1%和17.9%(表6)。与不施钾相比,农户模式的小麦籽粒磷铁、磷锰和磷铜摩尔比得到显著提高。与农户模式相比,减钾20%时籽粒磷铁、磷锰、磷铜和磷锌摩尔比达到最低,分别显著降低23.7%、15.6%、31.3%和24.1%。从不同年份结果来看,2018年与农户模式相比,减钾处理籽粒磷铁、磷铜与磷锌摩尔比均在减钾20%时最低,分别降低32.6%、44.3%和34.1%。2019年,与农户模式比较,减钾20%时籽粒磷铁摩尔比显著降低14.1%,磷锰、磷铜、磷锌摩尔比无显著差异。
表6 稻麦轮作下不同钾肥用量下小麦籽粒中微量元素与磷的摩尔比Table 6 The ratio in moles of P to micronutrient in wheat grains as affected by potassium application rate
3 讨论
3.1 钾肥减施对作物产量的影响
钾是作物生长发育不可或缺的营养元素,参与有机物合成、光合作用及同化物运输过程,对产量形成发挥着重要作用。有研究表明,施钾显著提高了水稻和小麦籽粒产量,分别为68.4%~40.2%和7.0%~10.2%[5,25]。本研究结果表明,施钾可显著提高稻麦轮作模式下水稻和小麦籽粒产量,分别增产19.8%和85.1%。但在我国稻麦轮作区农户平均施钾量为 K2O 71.8 kg/hm2,有81%的农户施钾过量,减钾潜力平均高达56%[7]。在东北,施钾K2O 0~150 kg/hm2范围内,水稻籽粒产量随施钾量的增加呈先增后降的趋势,以K2O 60 kg/hm2时产量最高,钾肥减量50%施用时,籽粒产量降低6.0%[26]。湖南的长期定位试验结果显示,在施钾K2O 192 kg/hm2的基础上减量18.8%,水稻产量无显著差异[27]。在河南开展的小麦田间试验也同样发现,在施钾K2O 210 kg/hm2的基础上减量50%,小麦籽粒产量亦无显著差异[28]。也有研究认为,在施钾量K2O 0~90 kg/hm2范围内,小麦籽粒产量随施钾量的增加而显著增加[29]。本研究中,在农户模式施钾量的基础上减量10%~20%时,水稻和小麦产量均无显著变化,但在减量30%时存在减产的风险。可见,在巢湖流域稻麦轮作体系下钾肥减量20%可有效保证作物籽粒产量维持在较高水平。
通过分析产量构成要素发现,施用钾肥通过影响水稻和小麦穗数进而影响其产量。在江西双季稻上,施钾可显著提高早稻和晚稻穗数,在施钾K2O 100 kg/hm2的基础上减量10%,增产7.4%[30]。也有研究指出,施钾显著影响寒地粳稻有效穗数和穗粒数,其中施钾K2O 80 kg/hm2与K2O 120 kg/hm2相比,穗粒数显著提高5.6%,进而增产6.2%[31]。在旱地小麦钾肥试验中也有类似的发现[32]。可见,施钾提高作物籽粒产量的主要原因可能是作物拔节前期供钾充足,能够促进有效分蘖的形成,进而增产[33]。本研究在土壤供钾充足条件下,减钾处理较农户模式水稻和小麦穗数的变化趋势与产量变化相吻合,其中,减钾20%时的水稻和小麦穗数分别提高5.2%和7.4%,从而使产量维持在较高水平。
3.2 钾肥减施对作物籽粒蛋白质品质的影响
谷物籽粒中的蛋白质可分为结构蛋白和贮藏蛋白。其中结构蛋白包括清蛋白和球蛋白,富含赖氨酸、色氨酸,贮藏蛋白则包括醇溶蛋白和麦谷蛋白,与食品加工品质密切相关[34-35]。钾作为品质元素,能够活化氨基酰-tRNA合成酶和多肽合成酶,促进作物体内蛋白质合成[36]。整合分析发现,施钾显著增加作物籽粒蛋白质含量,且随着施钾量的提高,其含量变化呈先增加后降低的趋势[37]。在速效钾为300 mg/kg的土壤上开展的田间试验结果表明,水稻籽粒蛋白质含量随施钾量的增加而线性增加[38]。在土壤速效钾为118 mg/kg的田间钾肥用量试验表明,与施K2O 135 kg/hm2相比,施K2O 90 kg/hm2的小麦籽粒蛋白质含量显著提高2.8%[10]。也有研究认为,施K2O 150 kg/hm2时,小麦籽粒蛋白质含量最高,增施至225 kg/hm2时,籽粒蛋白质含量降低3.6%[39]。本研究结果表明,钾肥减量10%处理的小麦籽粒蛋白含量较农户模式显著降低18.2%,水稻籽粒蛋白质含量则无显著差异;减钾20%处理的小麦和水稻籽粒蛋白质含量与农户模式相比均无显著差异,但减钾30%时降低了小麦和水稻籽粒蛋白含量,分别达17.5%和5.4%。这可能与施钾使土壤钾素亏缺状况得到改善,高的土壤供钾能力能够有效提高作物功能性叶片氮代谢关键酶活性,加速氮同化进程,促进蛋白质合成与积累,进而提高作物籽粒蛋白质含量,但钾肥减量施用后在一定程度上影响了作物籽粒氮代谢,特别是降低了功能性叶片旗叶和籽粒中氮代谢相关酶的活性,不利于籽粒蛋白质的合成[40-41]。
有研究表明,施钾可有效提高稻麦轮作区小麦籽粒蛋白质各组分含量,与施K2O 90 kg/hm2相比,施60 K2O kg/hm2时可显著提高醇溶蛋白和麦谷蛋白含量分别为10%和3.6%,清蛋白和球蛋白无显著提高(P>0.05)[42]。李玉影等[17]和张定一等[43]分别在白浆土和潮褐土上的田间试验表明,施钾可显著提高小麦籽粒麦谷蛋白含量,但对醇溶蛋白无显著影响。本研究结果表明,钾肥减量施用显著降低水稻籽粒麦谷蛋白含量19.4%~32.3%,醇溶蛋白随钾肥用量的降低呈现线性增加趋势(y= 0.25x+1.35,P<0.05),醇谷比增大,不利于籽粒加工品质的提升;小麦籽粒醇溶蛋白和麦谷蛋白含量降低,即面团的延展性和弹性变差,影响食品加工品质。但在钾肥减量20%施用时,降幅不显著,清蛋白和球蛋白无显著差异。这与汤利等[44]和苗玉红等[45]报道的水稻和小麦相关试验结果基本一致。
3.3 钾肥减施对作物籽粒矿质微量元素含量及其生物有效性的影响
籽粒微量元素含量的多少直接影响着作物微量元素营养品质,从而进一步影响人体微量元素营养健康。有研究表明,在土壤速效钾水平较高的田块更易获得较高的作物籽粒铁、锰、铜和锌含量[46-47]。在石灰性土壤速效钾123 mg/kg的土壤上钾肥减量50%施用可显著提高小麦籽粒锰含量,但对铁、铜和锌含量无显著影响[48]。在稻麦轮作区施0~33.2 K2O kg/hm2范围内,水稻籽粒锌含量随施钾量的增加而增加(y= 0.0836x+13.963,P<0.05),小麦籽粒锌含量则无显著差异[49]。本研究表明,钾肥减量施用较农户模式提高了水稻和小麦籽粒中铁、铜、锌含量,这可能与钾肥的适量施用提高了土壤有效态及弱酸溶解态微量元素的含量有关[50]。
人体缺乏微量元素除膳食结构中谷物类食品的微量元素含量较低外,微量元素生物有效性不高也是其主要原因[24,51]。植酸作为主要的磷的贮藏化合物和抗营养物质存在于籽粒中,占籽粒总磷的80%,直接影响铁、锰、铜、锌的生物有效性[52-53]。同时,籽粒中的磷与微量元素的摩尔比值可有效表征籽粒微量元素的生物有效性[24,54]。始于1993年的定位试验结果表明,施钾可显著提高小麦籽粒铁、锰和锌含量分别为14.8%、10.0%和11.1%,且籽粒磷铁、磷锰、磷铜和磷锌摩尔比分别降低14.2%、10.5%、1.5%和11.4%,生物有效性得到提高[55]。本研究中,钾肥减量10%和20%时较农户模式提高了水稻和小麦籽粒锌含量及其生物有效性。究其原因可能是农户高量施用钾肥后,为土壤提供了大量无机钾离子,进而通过竞争机制影响微量元素在土壤中的吸附-解吸行为及其有效性;也可能是大量的钾在根土界面形成大量的铁/锌-钾配位化合物,抑制微量元素的吸收与运输,从而降低作物体内微量元素含量及其生物有效性[50,56];亦或是钾离子作为大多数植物活细胞中含量较高的无机离子,也是调节植物细胞渗透势的主要组分,高钾处理可能引起钾的奢侈吸收,钾奢侈消耗对钙、镁和微量元素的吸收及其生理有效性均存在潜在性影响[57]。但具体原因仍需要通过结合土壤化学和植物营养生理分子生物技术进一步验证。
4 结论
巢湖流域稻麦轮作区农户模式钾肥施用量(K2O 90 kg/hm2)减量至K2O 72 kg/hm2是可以保证水稻和小麦不减产,且蛋白质含量无显著变化。水稻籽粒醇溶蛋白含量提高,但麦谷蛋白含量降低;小麦籽粒醇溶蛋白及麦谷蛋白含量无显著变化;水稻和小麦籽粒清蛋白和球蛋白含量均无显著变化。钾肥减量施用提高了水稻和小麦籽粒中铁、铜、锌含量,同时降低了磷铁、磷铜和磷锌摩尔比,生物有效性得到提高。从钾肥资源高效利用和作物优质生产角度,巢湖流域稻麦轮作区推荐钾肥减量20%施用是可行的。