肖 克唐 靜李繼福,*鄒家龍朱建強(qiáng)

1濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心 /長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北荊州 434025;2荊州市荊州區(qū)土壤肥料工作站,湖北荊州434020

長(zhǎng)期水稻-冬油菜輪作模式下鉀肥的適宜用量

肖 克1唐 靜1李繼福1,*鄒家龍2朱建強(qiáng)1

1濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心 /長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北荊州 434025;2荊州市荊州區(qū)土壤肥料工作站,湖北荊州434020

研究長(zhǎng)期施用鉀肥對(duì)水稻-冬油菜輪作系統(tǒng)作物生產(chǎn)力、鉀肥利用率和土壤供鉀能力的影響,為水旱輪作區(qū)鉀肥的統(tǒng)籌分配提供科學(xué)依據(jù)。2011—2016年在湖北省糧油主要生產(chǎn)區(qū)江漢平原布置中稻-冬油菜輪作定位田間試驗(yàn)。共設(shè)5個(gè)鉀肥用量處理,分別為0 kg hm–2(K0),45 kg hm–2(K1),90 kg hm–2(K2),135 kg hm–2(K3)和180 kg hm–2(K4),其中K2處理為當(dāng)?shù)販y(cè)土配方推薦鉀肥用量(K2O 90 kg hm–2)。在土壤供鉀能力較高情況下,水稻和油菜年均產(chǎn)量分別為6.87 t hm–2和2.25 t hm–2,經(jīng)過(guò)一個(gè)輪作周期后施用鉀肥具有明顯的增產(chǎn)效果,且冬油菜季的產(chǎn)量和地上部吸鉀量增幅最為明顯,分別為16.9%和63.8%。長(zhǎng)期施用推薦鉀肥用量后,水稻和冬油菜的鉀肥農(nóng)學(xué)利用率年均分別為5.1 kg kg–1和3.2 kg kg–1,而鉀肥吸收利用率和鉀肥貢獻(xiàn)率水稻季明顯低于冬油菜,這表明水稻吸收的鉀素主要來(lái)自土壤,而冬油菜則需要較多的外源鉀來(lái)滿(mǎn)足自身對(duì)養(yǎng)分的需求。通過(guò)線性加平臺(tái)肥效模型擬合得出,水稻季適宜鉀肥用量為70.5~100.9 kg hm–2,平均96.6 kg hm–2,比推薦用量提高了7.3%;冬油菜季適宜鉀肥用量為75.6~118.2 kg hm–2,平均107.0 kg hm–2,比推薦用量提高18.9%,且冬油菜對(duì)鉀肥需求高于水稻。因此,在本試驗(yàn)條件下,長(zhǎng)期施用年均推薦鉀肥用量(180 kg hm–2)不僅影響作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性,還導(dǎo)致輪作系統(tǒng)鉀素持續(xù)虧缺和土壤有效鉀含量降低,故鉀肥應(yīng)優(yōu)先施用于油菜季并且重視作物秸稈還田、歸還秸稈鉀素,以維持農(nóng)田鉀素平衡和生產(chǎn)力可持續(xù)性。

水旱輪作;產(chǎn)量;土壤鉀;鉀肥適宜用量;鉀肥利用率

水旱輪作是我國(guó)重要的作物種植制度,主要分布于長(zhǎng)江流域和淮海流域稻作區(qū),以水稻–小麥輪作種植面積最大,其次是水稻–油菜輪作[1-2],對(duì)全國(guó)糧食生產(chǎn)尤其南方稻區(qū)的糧食安全具有重大影響。油菜不與主糧爭(zhēng)地,可改良土壤和提供食用油,是長(zhǎng)江流域主要的冬季作物。集約化、高產(chǎn)條件下,水旱輪作區(qū)因作物收獲帶走的鉀量(K2O)每年約210~360 kg hm–2,長(zhǎng)期重氮肥、輕磷鉀肥的施肥習(xí)慣導(dǎo)致農(nóng)田系統(tǒng)鉀素虧缺較為嚴(yán)重[3-5]。自2005年測(cè)土配方施肥技術(shù)的應(yīng)用與推廣以來(lái),農(nóng)田鉀素虧缺現(xiàn)象得到部分遏制,但科學(xué)施肥仍是該區(qū)域作物生產(chǎn)中的重要措施。

高產(chǎn)目標(biāo)下,作物需要吸收大量的鉀素,與氮素相當(dāng),甚至逆境時(shí)需鉀量超過(guò)氮,而土壤中大量的鉀是礦物態(tài),僅小部分鉀對(duì)作物有效。因此,化學(xué)鉀肥成為作物鉀素的主要來(lái)源[4-5]。當(dāng)前,我國(guó)鉀肥推薦施用量多針對(duì)單季作物,如水稻、小麥、玉米、油菜等[6-9],而輪作制度中也以小麥–玉米和小麥/大麥–水稻居多[10-11]。大量研究表明水稻和冬油菜的鉀肥適宜用量在34~225 kg hm–2和60~240 kg hm–2之間不等并受地力、環(huán)境和農(nóng)田水熱條件影響,尤其農(nóng)田水分和溫度是影響土壤供鉀能力的重要因素[6,9]。高溫、淹水可引起黏土礦物晶層膨脹,利于更多的有效鉀溶出;但降雨較多時(shí)會(huì)增加土壤有效鉀淋失的風(fēng)險(xiǎn),降低施入鉀肥的利用率。故在周年輪作中鉀肥分配宜冬季作物重而夏季作物輕;在水旱輪作時(shí)旱季作物鉀肥比例可多于水稻季[12]。然而,作物生育期對(duì)鉀素的吸收不單依賴(lài)于土壤的鉀含量,更大程度上取決于作物自身的吸收能力和吸收機(jī)制,加之水旱輪作經(jīng)歷有規(guī)律的干濕交替和溫度變化,導(dǎo)致冬油菜和水稻對(duì)鉀肥的需求也存在一定的差異[13-14]。目前,對(duì)水稻–油菜輪作中鉀肥統(tǒng)籌施用和分配比例的研究還比較薄弱,尤其缺乏對(duì)輪作系統(tǒng)長(zhǎng)期需肥規(guī)律的有效評(píng)估。為此,我們于2011年在江漢平原開(kāi)展水稻–冬油菜輪作田間定位試驗(yàn),研究當(dāng)前推薦鉀肥用量的作物增產(chǎn)效果;探討干濕交替對(duì)鉀肥利用率、農(nóng)田鉀素平衡和土壤鉀含量變化的影響;明確農(nóng)田鉀肥的短期和長(zhǎng)期適宜用量,以期為水稻–冬油菜輪作區(qū)的鉀肥合理分配和施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地及材料

試驗(yàn)區(qū)位于湖北省荊州市荊州區(qū)川店鎮(zhèn)(30.6°N, 112.1°E,海拔75 m),屬江漢平原河流沖積物發(fā)育的水稻土。試驗(yàn)前耕層(0~20 cm)土壤pH 5.62,含有機(jī)質(zhì)27.3 g kg–1、全氮0.75 g kg–1、有效磷8.4 mg kg–1、交換性鉀100.9 mg kg–1和非交換性鉀474.2 mg kg–1。土壤質(zhì)地分級(jí)(美國(guó)制)為粉粒55.4%、黏粒37.8%和砂粒6.8%,屬于粉質(zhì)黏壤土。

供試水稻和油菜品種分別為當(dāng)?shù)刂魍破贩N鄂科1號(hào)和華油雜15。供試肥料為尿素(N 46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)和硼砂(B 11%)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位試驗(yàn)于2011年水稻季開(kāi)始,采用一年兩熟的中稻–冬油菜輪作模式,設(shè)5個(gè)鉀肥用量水平,即(1)K0,0 kg hm–2;(2)K1,45 kg hm–2;(3)K2,90 kg hm–2;(4)K3,135 kg hm–2;(5)K4,180 kg hm–2。其中, K2為當(dāng)?shù)販y(cè)土配方推薦鉀肥施用量,每季鉀肥用量均相同[6,15]。小區(qū)面積20 m2,3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。水稻和油菜的氮肥和磷肥施用量一致,分別為180 kg hm–2和90 kg hm–2;油菜季增施硼砂15 kg hm–2。

水稻季氮肥分3次施用,基肥∶蘗肥∶穗肥 =2∶1∶1;磷肥和鉀肥在水稻移栽前一次性基施。冬油菜季氮肥分3次施用,基肥∶越冬肥∶蕾薹肥 =3∶1∶1;磷、鉀和硼肥一次性基施。為明確化學(xué)鉀肥的長(zhǎng)期施用效果,作物秸稈在收獲時(shí)全部移出農(nóng)田。按當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行田間生產(chǎn)管理,并適時(shí)防治病蟲(chóng)害和雜草。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于2011年冬油菜收獲后采集基礎(chǔ)土樣,以整個(gè)試驗(yàn)田為采樣單元,均勻布點(diǎn)30個(gè),取0~20 cm耕層土壤,揀出雜草和碎石等,按照“四分法”制成混合樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、保存。每季作物收獲后,采集各小區(qū)耕層土壤,處理同上述過(guò)程。采用鮑士旦的方法測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、交換性鉀和非交換性鉀[16],其中吸管法測(cè)定土壤機(jī)械組成;pH計(jì)測(cè)定pH(水土比2.5∶1.0); 重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì);H2SO4混合加速劑消煮,凱氏定氮儀測(cè)定全氮;1 mol L–1NaHCO3浸提-分光光度計(jì)測(cè)定有效磷;1 mol L–1NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)測(cè)定交換性鉀;2 mol L–1沸硝酸浸提-火焰光度計(jì)測(cè)定非交換性鉀。

水稻和冬油菜收獲前1 d從各小區(qū)選擇代表性植株6株,風(fēng)干。將水稻分為稻草和稻谷兩部分;冬油菜分為莖稈、角殼和籽粒3部分并稱(chēng)重,以測(cè)定鉀含量和估算秸稈生物量。按小區(qū)單打、單收,測(cè)得實(shí)產(chǎn)。將植物樣品在60℃烘箱中烘24 h,磨碎,用濃H2SO4-H2O2消解,火焰光度法測(cè)定鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

鉀肥利用率包括鉀肥農(nóng)學(xué)利用率(K agronomy efficiency,KAE)、鉀肥吸收利用率(K recovery efficiency,KRE)和鉀肥貢獻(xiàn)率(K contribution rate, KCR)[17]。

鉀肥農(nóng)學(xué)利用率(KAE,kg kg–1)=(施鉀區(qū)產(chǎn)量－無(wú)鉀區(qū)產(chǎn)量)/施鉀量

鉀肥吸收利用率(KRE,%)=(施鉀區(qū)地上部總吸鉀量－無(wú)鉀區(qū)地上部吸鉀總量)/施鉀量×100

鉀肥貢獻(xiàn)率(KCR,%)=(施鉀區(qū)產(chǎn)量－無(wú)鉀區(qū)產(chǎn)量)/施鉀區(qū)產(chǎn)量×100

采用 Microsoft Excel 2010、SAS V8、SPSS Statistics 17和Origin 9.0軟件計(jì)算處理試驗(yàn)數(shù)據(jù), LSD法檢驗(yàn)P<0.05水平上的差異顯著性。本研究中,將處理(T)和年份(Y)作為固定因子,其他作為因變量分析處理和年份的交互作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物產(chǎn)量和鉀素吸收對(duì)鉀肥用量的響應(yīng)

方差分析(圖1)顯示施鉀和年份對(duì)作物產(chǎn)量均有顯著影響,但兩者并沒(méi)有交互作用。不施用鉀肥(K0)時(shí),水稻和冬油菜的5年平均產(chǎn)量分別為6.87 t hm–2和2.25 t hm–2,隨著鉀肥用量增加,產(chǎn)量呈增加趨勢(shì),施鉀的平均增產(chǎn)量分別為0.39 t hm–2和0.38 t hm–2,增幅達(dá)5.7%和16.9%。第1年施用鉀肥,水稻沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)效果,經(jīng)過(guò)2個(gè)輪作周期后,表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效果,但當(dāng)鉀肥用量>90 kg hm–2時(shí),產(chǎn)量增幅不顯著。對(duì)于后茬冬油菜,施用鉀肥后,在第2個(gè)輪作周期表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效果。此外,隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?施鉀增產(chǎn)效果有逐漸提高的趨勢(shì),且等量鉀肥時(shí)增產(chǎn)效果表現(xiàn)為冬油菜>水稻。

圖1 2011-2016年水稻和冬油菜產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化

同樣,不施用鉀肥(K0)時(shí),水稻和冬油菜地上部鉀素吸收量的5年平均值分別為141.1 kg hm–2和97.8 kg hm–2(圖2)。與K0處理相比,施用鉀肥后,水稻和冬油菜地上部鉀素年均吸收量分別增加35.6 kg hm–2和62.4 kg hm–2,增幅達(dá)25.2%和63.8%。隨試驗(yàn)?zāi)攴莸脑黾?鉀肥施用對(duì)冬油菜鉀素累積的影響遠(yuǎn)高于水稻鉀素累積。

2.2 農(nóng)田鉀素表觀平衡

根據(jù)輪作周期內(nèi)鉀肥投入量和作物吸收帶走量確定農(nóng)田鉀素表觀平衡(年際均值,圖3)。同樣,農(nóng)田鉀素平衡量也受到施鉀量和年份環(huán)境的雙重影響,但年際農(nóng)田鉀素虧缺量均隨鉀肥用量增加而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。不施用鉀肥時(shí),整個(gè)輪作系統(tǒng)年均鉀素虧缺量為238.9 kg hm–2。當(dāng)每季作物施用推薦鉀肥量(90 kg hm–2)時(shí),年均虧缺總量減少到147.8 kg hm–2。隨著鉀肥用量增加到180 kg hm–2,農(nóng)田鉀素投入量和輸入量基本平衡。

圖2 2011-2016年水稻和冬油菜地上部鉀素吸收量動(dòng)態(tài)變化

圖3 鉀肥用量對(duì)農(nóng)田鉀素(K2O)表觀平衡的影響

2.3 作物的鉀肥利用效率

鉀肥農(nóng)學(xué)利用率、鉀肥吸收利用率和鉀肥貢獻(xiàn)是評(píng)價(jià)鉀肥效率的重要指標(biāo)。從統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看,施鉀量對(duì)鉀肥利用率有極顯著影響,其次是年份因素,而兩者之間并無(wú)交互作用。從圖4可知,在同等年份時(shí),水稻和冬油菜鉀肥農(nóng)學(xué)利用率隨著鉀肥用量的增加呈顯著降低的趨勢(shì);在相同施肥水平下,水稻和冬油菜鉀肥農(nóng)學(xué)利用率隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)有增加的趨勢(shì)。長(zhǎng)期施用推薦鉀肥用量(K2),水稻和冬油菜的年均農(nóng)學(xué)利用率分別為5.1 kg kg–1和3.2 kg kg–1。水稻鉀肥吸收利用率在前兩輪作周期內(nèi)相對(duì)較低,隨著種植年限的延長(zhǎng)而有所提高。油菜鉀肥吸收利用率在第2輪明顯提高,之后相對(duì)比較平穩(wěn)。從多年均值(K2)來(lái)看,水稻和冬油菜的鉀肥吸收利用率分別為45.0%和59.4%。水稻和冬油菜的鉀肥貢獻(xiàn)率隨著鉀肥用量的增加呈顯著增加的趨勢(shì),油菜季表現(xiàn)更為明顯。長(zhǎng)期施用推薦鉀肥用量后,水稻和冬油菜的年均鉀肥貢獻(xiàn)率分別為21.7%和35.1%?？梢?jiàn),水稻更多依靠土壤鉀素供應(yīng),而冬油菜則需要更多的外源鉀來(lái)滿(mǎn)足自身的養(yǎng)分需求。

2.4 水稻和冬油菜的鉀肥適宜用量

圖4 鉀肥施用對(duì)水稻和冬油菜鉀肥利用率的影響

圖5 長(zhǎng)期輪作下水稻和冬油菜鉀肥適宜用量

采用線性加平臺(tái)肥效模型對(duì)水稻和冬油菜的鉀肥適宜用量進(jìn)行擬合,如圖5所示。第一個(gè)輪作周期水稻和冬油菜的肥效模型分別為y=6.96+0.0023x (x≤70.5);y=7.12(x>70.5)和y=2.84+0.0022x(x≤75.6);y=3.01(x>75.6)。兩模型的相關(guān)系數(shù)分別為0.9859和0.9883,均達(dá)到顯著水平。但是,隨著種植年限的延長(zhǎng),水稻和油菜的最佳鉀肥用量出現(xiàn)波動(dòng),對(duì)于水稻第2至第5季的鉀肥最佳用量分別為103.6、100.9、100.5和86.9 kg hm–2;對(duì)于冬油菜第2至第5季的鉀肥最佳用量分別為104.2、103.4、94.7和118.2 kg hm–2。采用多年產(chǎn)量均值進(jìn)行擬合得出水稻和冬油菜的肥效模型分別為y=6.87+0.0049x(x≤96.6);y=7.34(x>96.6)和 y=2.41+0.0027x(x≤107.0);y=3.01(x>107.0)。兩模型的相關(guān)系數(shù)分別為0.9996和0.9730,均達(dá)到顯著水平。根據(jù)肥效模型分別推算出水稻和冬油菜的年均適宜施鉀量為96.6 kg hm–2和107.0 kg hm–2;理論產(chǎn)量分別達(dá)7.34 t和3.01 t?？梢?jiàn),在追求作物持續(xù)高產(chǎn)過(guò)程中,當(dāng)季推薦鉀肥用量不能代表作物的長(zhǎng)期需肥規(guī)律,而且,冬油菜季的需鉀量略高于水稻季。

2.5 土壤鉀含量動(dòng)態(tài)變化

圖6可知,不施鉀肥(K0處理)時(shí),耕層交換性鉀含量和非交換性鉀含量均呈下降趨勢(shì),截至2016年冬油菜收獲時(shí),分別降至71.9 mg kg–1和439.7 mg kg–1,比土壤初始值分別降低28.7%和7.3%。施用推薦鉀肥用量(90 kg hm–2)后,土壤鉀素虧缺速率有所減緩,土壤交換性鉀含量仍表現(xiàn)出下降的趨勢(shì),比初始值降低9.0%;而土壤非交換性鉀含量基本平衡。當(dāng)每季作物鉀肥用量達(dá)到135 kg hm–2時(shí),土壤交換性鉀含量能夠維持平衡,同時(shí)非交換性鉀含量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

圖6 2011-2016年鉀肥施用對(duì)土壤交換性鉀和非交換性鉀含量的影響Fig.6 Effects of continuous K-fertilizer on soil K content in 2011-2016

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施用鉀肥對(duì)水稻–油菜輪作系統(tǒng)產(chǎn)量的影響

長(zhǎng)期合理施用鉀肥能夠顯著提高作物光合效率、延緩葉片衰老,促進(jìn)碳水化合物轉(zhuǎn)化,進(jìn)而增加作物產(chǎn)量和地上部鉀素吸收量[18-19]。在當(dāng)前生產(chǎn)條件下,長(zhǎng)江流域水稻施用鉀肥后,增產(chǎn)率和增產(chǎn)量分別為8.2%和679 kg hm–2;旱作施用鉀肥后,小麥和油菜籽增產(chǎn)率分別為12.3%和18.0%,增產(chǎn)量分別為722 kg hm–2和358 kg hm–2,均高于水稻產(chǎn)量增幅[20]。本次試驗(yàn)的產(chǎn)量結(jié)果也證實(shí),施用鉀肥對(duì)冬油菜的增產(chǎn)效果優(yōu)于水稻。同時(shí),作物增產(chǎn)效果還受到溫度、降雨、土壤肥力、施肥年限等因素的影響[21-23]。本定位試驗(yàn)田塊屬于高產(chǎn)、高鉀含量土壤,由圖1可知,對(duì)第1年和第2年的水稻施用鉀肥均沒(méi)有明顯的增產(chǎn)效果,第3年水稻季才表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)效果;而地上部鉀素吸收量則在第2年就表現(xiàn)出明顯的差異。冬油菜經(jīng)過(guò)第1個(gè)輪作周期產(chǎn)量和地上部鉀素吸收量就顯著增加。多年多點(diǎn)的肥效試驗(yàn)結(jié)果表明,鉀肥施用對(duì)水稻和冬油菜產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為8.2%和11.5%,水稻和冬油菜對(duì)土壤鉀素的依存度分別為83%和75%。另外,在水稻–油菜輪作中,冬油菜具有“用地養(yǎng)地”的優(yōu)勢(shì),一是油菜根系較為龐大,占整株生物量的18.0%能保留更多的鉀素;二是油菜成熟期葉片(占生物量干基的15%~20%)基本脫落還田,這兩方面鉀素的歸還均能有效補(bǔ)充水稻季對(duì)土壤鉀素的需求[24],但油菜很難獲取水稻植株殘留鉀。因此,水稻吸收的鉀素主要來(lái)自土壤,而冬油菜增產(chǎn)更依賴(lài)外源鉀肥,故在水旱輪作過(guò)程中,鉀肥應(yīng)優(yōu)先施用并滿(mǎn)足油菜季需求,水稻季則可以充分利用油菜季殘余鉀,從而優(yōu)化鉀肥利用效率。

3.2 長(zhǎng)期施用鉀肥對(duì)農(nóng)田鉀素平衡和鉀肥利用率的影響

本研究結(jié)果也表明當(dāng)前推薦年均鉀肥用量(180 kg hm–2)并不能滿(mǎn)足作物收獲帶走的鉀量。雖然增加鉀肥施用量可以提高作物產(chǎn)量、減少土壤持續(xù)性的負(fù)表觀鉀平衡,但不能達(dá)到較合理的經(jīng)濟(jì)收入以及較高的鉀肥利用效率,甚至造成鉀肥資源的浪費(fèi)。多年多點(diǎn)肥效試驗(yàn)結(jié)果表明水旱輪作區(qū)水稻季的農(nóng)學(xué)利用率和鉀肥吸收利用率平均分別為8.2 kg kg–1和53.8%,均高于冬油菜季的2.6 kg kg–1和36.9%[6,20]。本研究結(jié)果顯示,在推薦鉀肥用量下,連續(xù)兩季水稻和一季油菜的鉀肥農(nóng)學(xué)利用率、鉀肥吸收利用率均顯著低于區(qū)域平均值。但是,隨著種植年限的延長(zhǎng),經(jīng)過(guò)4個(gè)輪作周期,水稻的鉀肥農(nóng)學(xué)利用率和吸收利用率達(dá)到最大值并呈現(xiàn)下降趨勢(shì),而冬油菜的鉀肥利用率經(jīng)過(guò)一個(gè)輪作周期后出現(xiàn)相反的趨勢(shì)。由計(jì)算公式可知鉀肥農(nóng)學(xué)利用率和吸收利用率受到鉀肥用量、作物增產(chǎn)量和吸鉀增量的影響。一方面我們所選田塊位于江漢平原腹地,屬于高產(chǎn)高鉀農(nóng)田,水稻季施鉀的產(chǎn)量增幅、吸鉀量增幅均低于油菜季[25];另一方面兩季鉀肥推薦用量相當(dāng)(90 kg hm–2),對(duì)于前三季水稻顯得過(guò)量,這些均會(huì)降低鉀肥的吸收利用率,故以當(dāng)季推薦鉀肥用量來(lái)代表多年適宜用量可能不太合適,而且,隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化普及和秸稈還田技術(shù)的推廣,進(jìn)行秸稈還田彌補(bǔ)農(nóng)田鉀素虧缺狀態(tài)并減少無(wú)機(jī)化肥施用量以提高肥料利用率成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)[5,25]。

3.3 長(zhǎng)期水稻-油菜輪作鉀肥適宜用量

在不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下,作物施肥的增產(chǎn)效應(yīng)有著不同的表現(xiàn),因而反映施肥量與作物產(chǎn)量數(shù)量關(guān)系的肥效函數(shù)類(lèi)型也不盡相同。目前,最佳經(jīng)濟(jì)施肥量多采用一元二次模型、線性加平臺(tái)模型、一元二次加平臺(tái)模型、指數(shù)模型和平方根模型等,其中線性加平臺(tái)模型較其他模型可以更好地反應(yīng)產(chǎn)量的肥料效應(yīng)[26-28]。通過(guò)線性加平臺(tái)模型擬合得出2011—2016年水稻季和冬油菜季的最優(yōu)鉀肥用量和相應(yīng)產(chǎn)量,可知水稻季和油菜季的鉀肥用量范圍分別為70.5~100.9 kg hm–2和75.6~118.2 kg hm–2,平均分別為96.6 kg hm–2和107.0 kg hm–2。從作物產(chǎn)量來(lái)看,區(qū)域推薦鉀肥用量(90 kg hm–2)基本可滿(mǎn)足水稻季對(duì)鉀素養(yǎng)分的需求,而顯著低于冬油菜對(duì)鉀素養(yǎng)分的需求?？梢?jiàn),區(qū)域最佳肥料用量(RMOF)具有一定的科學(xué)性,可以作為部分作物數(shù)年內(nèi)科學(xué)施肥的依據(jù)[6,29-30]。從農(nóng)田鉀素平衡和土壤有效鉀含量來(lái)看,無(wú)論是當(dāng)前區(qū)域推薦鉀肥用量還是優(yōu)化鉀肥適宜用量均不能扭轉(zhuǎn)農(nóng)田鉀素虧缺和耕層土壤交換性鉀含量持續(xù)下降的趨勢(shì)。雖然增施鉀肥用量可以有效補(bǔ)充土壤鉀素,但會(huì)增加農(nóng)民投入成本,并且也不會(huì)帶來(lái)顯著的增產(chǎn)效應(yīng),缺乏可持續(xù)性。

隨著土地流轉(zhuǎn)和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及,作物秸稈直接還田技術(shù)受到社會(huì)的普遍重視。在水稻–油菜輪作區(qū),作物秸稈還田帶入的鉀素總量為300~380 kg hm–2,遠(yuǎn)多于化學(xué)鉀肥施用量。我們前期的研究結(jié)果也證實(shí),在連續(xù)秸稈還田條件下,水稻季平均適宜鉀肥用量為52.0 kg hm–2,比推薦用量減少42.2%,并可以達(dá)到施鉀的產(chǎn)量水平;冬油菜季平均適宜鉀肥用量為61.9 kg hm–2,比推薦用量減少31.2%,同時(shí)比施用鉀肥獲得更高的產(chǎn)量水平[25]。因此,在區(qū)域性生產(chǎn)中,利用以區(qū)域平均適宜施肥量為基礎(chǔ),并考慮秸稈還田帶入的秸稈鉀素,不僅能夠維持農(nóng)田鉀素平衡,還可以適當(dāng)減少化學(xué)鉀肥施用量,從而提高鉀肥的利用率,增加農(nóng)田系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期水稻-冬油菜輪作表明,在高產(chǎn)高鉀農(nóng)田條件下,經(jīng)過(guò)一個(gè)輪作周期后施用鉀肥具有明顯的增產(chǎn)效果,且冬油菜季的產(chǎn)量和吸鉀量增幅最為明顯。長(zhǎng)期施用推薦鉀肥用量(90 kg hm–2),水稻鉀肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于冬油菜,而鉀肥吸收利用率和鉀肥貢獻(xiàn)率則明顯低于冬油菜,這表明水稻吸收的鉀素主要來(lái)自土壤,而冬油菜則需要較多的外源鉀肥來(lái)滿(mǎn)足自身對(duì)養(yǎng)分的需求。通過(guò)線性加平臺(tái)肥效模型擬合得出,水稻季適宜鉀肥用量為70.5~100.9 kg hm–2,平均 96.6 kg hm–2,比推薦用量提高了7.3%;冬油菜季適宜鉀肥用量為75.6~118.2 kg hm–2,平均107.0 kg hm–2,比推薦用量提高18.9%,且冬油菜對(duì)鉀肥需求高于水稻。長(zhǎng)期施用當(dāng)前年均推薦鉀肥用量(180 kg hm–2)不能維持輪作系統(tǒng)鉀素平衡并會(huì)導(dǎo)致土壤有效鉀含量的下降趨勢(shì),應(yīng)重視作物秸稈直接還田及鉀肥優(yōu)化施用,從而維持農(nóng)田生產(chǎn)力可持續(xù)性。

[1]Fan M S,Jiang R F,Liu X J,Zhang F S,Lu S H,Zeng X Z, Christie P. Interactions between non-flooded mulching cultivation and varying nitrogen inputs in rice–wheat rotations. Field Crops Res,2005,91:307–318

[2]Zhang L M,Zhuang Q L,Li X D,Zhao Q Y,Yu D S,Liu Y L, Shi X Z,Xing S H,Wang G X.Carbon sequestration in the uplands of Eastern China:an analysis with high-resolution model simulations.Soil Tillage Res,2016,158:165–176

[3]Cakmak I.Plant nutrition research:priorities to meet human needs for food in sustainable ways.Plant Soil,2002,247:3–24

[4]Subba R A,Srinivasarao C,Srivastava S.Potassium Status and Crop Response to Potassium on the Soils of Agroecological Regions of India.IPI Research Topics No.20,InternationalPotash Institute,Horgen,Switzerland,2010

[5]Li J F,Lu J W,Ren T,Cong R H,Li X K,Zhou L.Crop straw can optimize potassium fertilization strategies in rice cropping system.Better Crop,2014,98(3):13–15

[6]王偉妮.基于區(qū)域尺度的水稻氮磷鉀肥料效應(yīng)及推薦施肥量研究.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,湖北武漢,2014

Wang W N.Evaluating Fertilization Effectand Fertilizer Recommendation of Nitrogen,Phosphorus and Potassium for Rice at a Regional Scale.PhD Dissertation of Huazhong Agricultural University,Wuhan,China,2014(in Chinese with English abstract)

[7]Cui Z L,Zhang F S,Chen X P,Dou Z X,Li J L.In-season nitrogen management strategy for winter wheat:maximizing yields,minimizing environmental impact in an over-fertilization context.Field Crops Res,2010,116:140–146

[8]吳良泉,武良,崔振嶺,陳新平,張福鎖.中國(guó)玉米區(qū)域氮磷鉀肥推薦用量及肥料配方研究.土壤學(xué)報(bào),2015,52:802–817

Wu L Q,Wu L,Cui Z L,Chen X P,Zhang F S.Basic NPK fertilizer recommendation and fertilizer formula for maize production regions in China.Acta Pedol Sin,2015,52:802–817 (in Chinese with English abstract)

[9]Wang Y,Liu T,Li X K,Ren T,Cong R H,Lu J W.Nutrient deficiency limits population development,yield formation,and nutrient uptake of direct sown winter oilseed rape.J Integr Agric, 2015,14:670–680

[10]Zhao S,He P,Qiu S,Jia L,Liu M,Jin J,Johnston A M. Long-term effects of potassium fertilization and straw return on soil potassium levels and crop yields in north-central China. Field Crops Res,2014,169:116–122

[11]郭九信,馮緒猛,胡香玉,田廣麗,王偉,陳健,劉田,艾山江·賽衣丁,郭世偉.氮肥用量及鉀肥施用對(duì)稻麥周年產(chǎn)量及效益的影響.作物學(xué)報(bào),2013,39:2262–2271

Guo J X,Feng X M,Hu X Y,Tian G L,Wang W,Chen J,Liu T, Sai H,Guo S W.Effects of nitrogen and potassium fertilizers application on annual yield and economic effect in rotation of rice and wheat.Acta Agron Sin,2013,39:2262?2271(in Chinese with English abstract)

[12]王箏,魯劍巍,張文君,李小坤.田間土壤鉀素有效性影響因素及其評(píng)估.土壤,2012,44:898–904

Wang Z,Lu J W,Zhang W J,Li X K.Influential factors on soil available potassium evaluation in agriculture.Soil,2012,44: 898–904(in Chinese with English abstract)

[13]Zhang H M,Yang X Y,He X H,Xu M G,Huang S,Liu H,Wang B R.Effect of long-term potassium fertilization on crop yield and potassium efficiency and balance under wheat–maize rotation in China.Pedosphere,2011,21:154–163

[14]Liao Y L,Zheng S X,Nie J,Xie J,Lu Y H,Qin X L.Long-term effect of fertilizer and rice straw on mineral composition and potassium adsorption in a reddish paddy soil.J Integr Agric, 2013,12:694–710

[15]李銀水.湖北省油菜氮磷鉀肥施用效果及肥料推薦用量研究.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,湖北武漢,2009

Li Y S.Study on NPK Fertilization Effect and Optimum Application Rate of Fertilizer for Rapeseed in Hubei Province. MS Thesis of Huazhong Agricultural University,Wuhan,China, 2009(in Chinese with English abstract)

[16]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析(第3版).北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2007

Bao S D.Soil and Agricultural Chemistry Analysis,3rd edn. Beijing:China Agriculture Press,2007(in Chinese)

[17]Wang W N,Lu J W,Ren T,Su W,Lu M X.Evaluating regional mean optimal nitrogen rates in combination with indigenous nitrogen supply for rice production.Field Crops Res,2012,137: 37–48

[18]Pettigrew W T.Potassium influences on yield and quality production for maize,wheat,soybean and cotton.Physiol Plant, 2008,133:670–681

[19]Battie-Laclau P,Laclau J P,Beri C,Mietton L,Muniz M R A, Arenque B C.Photosynthetic and anatomical responses of eucalyptus grandisleaves to potassium and sodium supply in a field experiment.Plant Cell Environ,2014,37:70–81

[20]王偉妮,魯劍巍,李銀水,鄒娟,蘇偉,李小坤,李云春.當(dāng)前生產(chǎn)條件下不同作物施肥效果和肥料貢獻(xiàn)率研究.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43:3997–4007

Wang W N,Lu J W,Li Y S,Zou J,Su W,Li X K,Li Y C.Study on fertilization effect and fertilizer contribution rate of different crops at present production conditions.Sci Agric Sin,2010,43: 3997–4007(in Chinese with English abstract)

[21]Xiong W,Holman I P,You L Z,Yang J,Wu W B.Impacts of observed growing-season warming trends since 1980 on crop yields in China.Reg Environ Chang,2014,14:7–16

[22]Su W,Liu B,Liu X W,Li X K,Ren T,Cong R H,Lu J W. Effect of depth of fertilizer banded-placement on growth,nutrient uptake and yield of oilseed rape(Brassica napus L.).Eur J Agron,2015,62:38–45

[23]Timsina J.Nutrient uptake and apparent balances for rice-wheat sequences:III.Potassium.J Plant Nutr,2006,29:137–155

[24]張維樂(lè),戴志剛,任濤,周先竹,王忠良,李小坤,叢日環(huán).不同水旱輪作體系秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)作物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,49:1254–1266

Zhang W L,Dai Z G,Ren T,Zhou X Z,Wang Z L,Li X K,Cong R H.Effects of nitrogen fertilization managements with residues incorporation on crops yield and nutrients uptake under different paddy-upland rotation systems.SciAgric Sin,2016,49: 1254–1266(in Chinese with English abstract)

[25]李繼福,薛欣欣,李小坤,任濤,鄒家龍,陳華東,叢日環(huán),周鸝,魯劍巍.水稻-油菜輪作模式下秸稈還田替代鉀肥的效應(yīng).植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2016,22:317–325

Li J F,Xue X X,Li X K,Ren T,Zou J L,Chen H D,Cong R H, Zhou L,Lu J W.Substituting effect of crop residues for K fertilizer in rice-rapeseed rotation system.J Plant Nutr Fert, 2016,22:317–325(in Chinese with English abstract)

[26]Petersen J,Thomsen I K,Mattsson L,Hansen E M,Christensen B T.Estimating the crop response to fertilizer nitrogen residues in long-continued field experiments.Nutr Cycl Agroecos,2012, 93:1–12

[27]Parker M B.Nitrogen,phosphorus,and potassium fertilization of a coastal plain cotton–peanut rotation.Commun Soil Sci Plan, 2006,37:1485–1499

[28]Th?le H,Richter C,Ehlert D.Strategy of statistical model selection for precision farming on-farm experiments.Precis Agric,2013,14:434–449

[29]Zhang Y,Zhang C C,Yan P,Chen X P,Yang J C,Zhang F S,Cui Z L.Potassium requirement in relation to grain yield and genotypic improvement of irrigated lowland rice in China.J Plant Nutr Soil Sci,2013,176:400–406

[30]Wu L Q,Cui Z L,Chen X P,Zhao R F,Si D X,Sun Y X,Yue S C. High-yield maize production in relation to potassium uptake requirements in China.Agron J,2014,106:1153–1158

Optimum Amount of Potassium Fertilizer Applied under Continuous Ricerapeseed Rotation

XIAO Ke1,TANG Jing1,LI Ji-Fu1,*,ZOU Jia-Long2,and ZHU Jian-Qiang1

1Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland,Ministry of Education/College of Agriculture,Yangtze University, Jingzhou 434025,China;2Soil and Fertilizer Station of Jingzhou City,Jingzhou 434020,China

In order to provide a scientific basis for K fertilization in paddy-upland rotation,effects of K fertilizer rate on crop production,K efficiency,and soil K status were studied.A long-term(2011–2016)field experiment was conducted in the Jianghan Plain,Hubei province,China.Five treatments were applied with three replications each:0 kg ha–1(K0),45 kg ha–1(K1),90 kg ha–1(K2),135 kg ha–1(K3)and 180 kg ha–1(K4),where K2 treatment was the recommended amount of K fertilizer(90 kg ha–1). The yields of rice and rapeseed were 6.87 t ha–1and 2.25 t ha–1respectively,in the condition without K fertilizer and with higher soil available K content.Application of K fertilizer could significantly increase the yield after one crop rotation;the increase in rapeseed season was higher than that in the rice season,accounting for 16.9%and 63.8%,respectively.With the application of the recommended amount of K fertilizer,the agronomic K efficiency(KAE)of rice and rapeseed was 5.1 kg kg–1and 3.2 kg kg–1, respectively;however,the K recovery efficiency(KRE)and K contribution rate(KCR)of rice were lower than those of rapeseed, which indicated that K absorbed by rice was mainly from the soil,and more external supply of K fertilizer was needed to meet thenutrient demand of rapeseed.According to the fertilizer efficiency model,the optimum annual amounts of K fertilizer(K2O)were 70.5–100.9 kg ha–1for rice,with an average of 96.6 kg ha–1,and 75.6–118.2 kg ha–1for rapeseed,with an average of 107.0 kg ha–1, which were 7.3%and 18.9%higher,respectively,than the recommended amount in this region.Under the soil K condition in this study,long-term application of recommended K fertilizer rate(180 kg ha–1per year)could not only affect yield stability,but also decrease crop system K balance and soil available K content.Therefore,K fertilizer should be preferentially applied in the rapeseed season rather than the rice season and straw returning to field should also be taken into consideration to maintain the soil K balance and sustainable high-yield production in the crop rotation system.

Paddy-upland rotation;Yield;Soil K;Optimum recommendation of K fertilizer;K fertilizer efficiency

(

):2016-12-24;Accepted(接受日期):2017-04-20;Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期):2017-04-27.

10.3724/SP.J.1006.2017.01226

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)“糧食豐產(chǎn)增效科技創(chuàng)新”(2016YFD0300907),濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心開(kāi)放基金(KF201613)和國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(CARS-13)資助。

This research was supported by the Special National Key Research and Development(2016YFD0300907),the Open-end Fund of Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland,Ministry of Education(KF201613),and the Earmarked Fund for China Agriculture Research System(CARS-13).

*通訊作者(Corresponding author):李繼福,E-mail:jifuli@yangtzeu.edu.cn,Tel:0716-8066314

聯(lián)系方式:E-mail:497378374@qq.com,Tel:0716-8066314

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170427.0948.018.html