傅 偉, 劉坤平, 陳洪松, 陳香碧, 林海飛, 張 偉, 王克林**

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秸稈還田替代化學(xué)鉀肥對喀斯特峰叢洼地春玉米產(chǎn)量及土壤鉀素的影響*

傅 偉1,2, 劉坤平1,2, 陳洪松1,2, 陳香碧1,2, 林海飛1,2, 張 偉1,2, 王克林1,2**

(1. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室 長沙 410125; 2. 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站 環(huán)江 547100)

基于中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特站2006年開展的玉米/大豆套作長期定位施肥試驗, 利用2010—2014年監(jiān)測數(shù)據(jù), 研究等量氮磷鉀投入條件下, 不同處理[對照(不施肥, CK)、全量化肥(NPK)、秸稈還田替代30%化肥鉀(C7S3)、秸稈還田替代60%化肥鉀(C4S6)]間秸稈還田與化肥施用的效果差異, 以期為喀斯特峰叢洼地農(nóng)田生態(tài)利用秸稈還田替代化肥量提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明: 1)施肥處理5年春玉米平均產(chǎn)量是不施肥處理的4.12~4.17倍, C7S3和C4S6處理產(chǎn)量分別是NPK處理的98.3%和98.7%, 施肥處理玉米產(chǎn)量及秸稈量均隨時間呈增長趨勢。2)施肥使玉米秸稈中含鉀量、春玉米籽粒吸收氮磷鉀量均顯著高于不施肥處理, 但施肥處理間無顯著差異(>0.05)。3)在鉀素回收率、鉀素吸收利用率、鉀肥農(nóng)學(xué)利用率以及鉀肥偏生產(chǎn)力方面, C7S3和C4S6處理與全量化肥NPK處理間均無顯著差異(>0.05)。4)NPK處理年均鉀素盈余量為3.00 kg?hm-2, 顯著高于C7S3處理(-1.90 kg?hm-2); 而C4S6處理鉀素年均盈余量最大, 為8.22 kg?hm-2, 實際平衡盈余率為7.4%。5)與試驗初期相比, 不施肥處理土壤速效鉀含量下降15.9%, 施肥處理極顯著增加了土壤中速效鉀含量(<0.01); 5年間施肥處理間年均速效鉀含量增幅大小依次為: NPK>C7S3>C4S6, 各處理間差異不顯著(>0.05)。6)經(jīng)過8年耕作, 土壤緩效鉀含量在CK和C4S6處理中分別下降10.9%和4.9%, NPK和C7S3處理分別增加1.3%和22.4%。綜上所述, 秸稈還田替代部分化肥鉀的施肥措施運用在喀斯特峰叢洼地可在保持春玉米較高產(chǎn)量的同時, 維持土壤鉀素動態(tài)平衡; 其中60%秸稈鉀替代量更有利于維持鉀素表觀平衡, 而30%的秸稈鉀還田量則更有利于土壤緩效鉀的積累。

喀斯特峰叢洼地; 秸稈還田; 春玉米; 替代效應(yīng); 鉀素平衡; 產(chǎn)量

我國土壤全鉀含量為0.5~25 g?kg-1, 而我國耕地中缺鉀土壤總面積高達0.23億hm2[1]。近年來, 由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)復(fù)種指數(shù)提高和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種的推廣, 使得土壤鉀素隨農(nóng)作物收獲被大量帶出, 造成我國土壤鉀素虧缺面積逐年擴大, 農(nóng)田鉀素虧缺已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的限制因素之一。劉艷等[2]研究發(fā)現(xiàn), 在喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤中盡管速效鉀含量較高, 為136.28~198.10 mg?kg-1, 但全鉀含量僅為3.59~6.05 g?kg-1。張偉等[3]研究發(fā)現(xiàn)施肥是促進喀斯特地區(qū)土壤鉀素積累的有效措施。

鉀在農(nóng)作物產(chǎn)量形成、保障作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等多方面起著極其重要和不可替代的作用。農(nóng)作物秸稈含有豐富的鉀素資源, 約占秸稈干物質(zhì)量的1.5%[4]。隨著人們對資源高效利用認識的深入, 秸稈還田水平正在不斷提高, 國內(nèi)外在秸稈還田對作物產(chǎn)量及土壤鉀素影響方面的研究也取得了豐碩的成果[5]。前人[6-7]通長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn), 在施用氮磷肥基礎(chǔ)上, 長期施用鉀肥或秸稈還田均能顯著增加小麥()和玉米()產(chǎn)量, 而且保持農(nóng)田土壤鉀素平衡, 改善耕層土壤鉀素狀況。謝佳貴等[8]研究結(jié)果顯示秸稈還田結(jié)合施用鉀肥不僅可以提高玉米產(chǎn)量、增加養(yǎng)分吸收總量, 還有利于土壤鉀素的收支平衡, 提高土壤速效鉀含量, 對維持土壤鉀素肥力的穩(wěn)定具有重要的作用。王宏庭等[9]連續(xù)16年的定位試驗研究表明, 增施鉀肥和秸稈還田是作物增產(chǎn)和保持鉀素肥力的重要措施, 使土壤速效鉀和緩效鉀分別比初始值提高38.6%和11.0%。Liao等[10]在水稻土中的研究也表明, 秸稈還田能夠提高土壤緩效鉀含量。Li等[11]在水稻土上研究表明秸稈還田可以提高土壤速效鉀含量, 有利于耕地質(zhì)量的提高; 并且秸稈還田在水稻土中可以不同程度地替代化學(xué)鉀肥[12]。

以往研究秸稈還田效應(yīng)多是在化肥氮磷鉀投入量一定基礎(chǔ)上再施用秸稈還田, 而在氮磷鉀元素投入量一定的前提下, 利用秸稈中所含鉀素替代化肥鉀的研究較少。本研究利用中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特試驗站的長期定位試驗, 研究秸稈還田等量替代化肥鉀的效應(yīng), 以期為在喀斯特峰從洼地探討秸稈還田替代化肥鉀的可行性及合適的秸稈替代量提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期試驗樣地位于中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站(24°43′~24°45′N, 108°18′~108°20′E), 屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 多年平均氣溫為19.9 ℃, 年均≥10 ℃積溫為6 300 ℃, 無霜期300~330 d。年均降雨量1 400 mm, 其中4—8月為雨季, 降雨量占全年的70%以上, 9月至次年3月為旱季。年平均日照1 400 h, 平均太陽總輻射量400 kJ·cm-2, 其中有效輻射量為200 kJ·cm-2。研究區(qū)為典型的峰叢洼地景觀, 發(fā)育基巖為白云巖, 地勢四周高, 中間低, 最高點海拔647.2 m, 最低點海拔262 m。發(fā)育土壤主要為棕色石灰土, 土層厚30~200 cm。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗樣地建立于2006年, 采用隨機區(qū)組, 設(shè)置6種施肥處理方式, 每個處理4次重復(fù)。小區(qū)間用厚20 cm的水泥板間隔, 水泥板埋深不低于50 cm, 每個小區(qū)大小為4 m×7.5 m。種植作物為玉米/大豆()套作, 大豆通常在玉米收獲前20天左右套種在玉米行兩側(cè), 作物品種一旦確定, 至少3年保持不變。樣地開墾前植被為草叢, 優(yōu)勢種為臭蒿()、蔓生莠竹()等。本研究選取其中4個處理, 分別為: ①CK: 不施肥處理; ②NPK: 無機肥施用處理, 施用的無機肥分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀, 玉米每季N、P2O5、K2O施用量分別為200.0 kg·hm-2、90.0 kg·hm-2和120.0 kg·hm-2; ③C7S3: 70%NPK+ 30%秸稈還田(按鉀素計算, 不足30%的NP用無機肥補充, 肥料總量與處理②相同, 下同); ④C4S6: 40%NPK+60%秸稈還田(按鉀素計算, 不足60%的NP用無機肥補充)。

本文選取2010—2014年的研究數(shù)據(jù), 期間玉米品種為‘瑞單8號’, 行距為1 m, 株距為50 cm。氮肥和鉀肥均按3︰2方式分2次施用, 基肥穴施, 追肥點施后覆蓋; 磷肥作為基肥1次施用。中耕、除草及病蟲害防治按常規(guī)進行。各處理土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 2006年各處理部分土壤理化性質(zhì)

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer.

1.3 樣品采集與測定

按照國家生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)的監(jiān)測要求, 土壤樣品于2010—2014年玉米收獲期采集, 每個小區(qū)隨機采集8個耕作層土樣(0~20 cm), 組成一個混合樣品, 風(fēng)干, 過20目篩, 待測定養(yǎng)分用。作物產(chǎn)量于玉米收獲期考種而得, 玉米收獲期, 每個小區(qū)各取植株樣品10株為一個混合樣, 人工脫粒, 烘干, 計算作物產(chǎn)量, 秸稈烘干計算秸稈量。采用常規(guī)分析方法測定土壤有效鉀、緩效鉀、植物樣品氮、磷、鉀等[13]。

1.4 計算與分析方法

主要計算公式[14-16]:

鉀素收獲指數(shù)(%)=成熟期單位面積籽粒鉀素吸收量/植株鉀素總吸收量×100

鉀回收率(KRE, recovery efficiency, %)=(施鉀區(qū)地上部吸鉀量-無鉀區(qū)地上部吸鉀量)/施鉀量×100

鉀素吸收利用率(KAbE, absorption efficiency, %)=(施鉀區(qū)作物籽粒吸鉀量-無鉀區(qū)作物籽粒吸鉀量)/施鉀量×100

鉀肥農(nóng)學(xué)利用率(KAE, agronomic efficiency, kg?kg-1)=(施鉀區(qū)產(chǎn)量-無鉀區(qū)產(chǎn)量)/施鉀量

鉀肥偏生產(chǎn)力(KPFP, partial factor productivity, kg?kg-1)=施鉀肥區(qū)產(chǎn)量/施鉀量

土壤養(yǎng)分表觀平衡(kg·hm-2)=有機和化學(xué)肥料投入總量-作物養(yǎng)分吸收量

鉀素平衡系數(shù)=投入土壤中的鉀/帶出土壤中的鉀

鉀素實際平衡率(%)=(輸入鉀-支出鉀)/支出鉀×100

其中玉米植株養(yǎng)分含量以2010—2014 年各小區(qū)測定的平均值計算。植株養(yǎng)分吸收量依據(jù)作物籽粒和秸稈歷年產(chǎn)量均值計算, 本研究不考慮通過種子、作物根茬、枯枝落葉、降水等途徑進入土壤的鉀素及流失的鉀素含量。

本研究以2010—2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 采用Microsoft Excel 2010和DPS分別對數(shù)據(jù)進行作圖和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田替代化肥鉀對玉米產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是評價肥料施用效果和土地生產(chǎn)能力的重要參數(shù)。從圖1a可以看出, 施用肥料使喀斯特峰叢洼地春玉米產(chǎn)量呈逐年增長趨勢, 不施肥處理的產(chǎn)量有下降趨勢。統(tǒng)計分析顯示, 施肥處理春玉米產(chǎn)量極顯著高于不施肥處理(<0.01), 且5年平均產(chǎn)量是不施肥處理的4.12~4.17倍; 秸稈還田替代化學(xué)鉀肥處理(C7S3, C4S6)產(chǎn)量與全化肥處理(NPK)產(chǎn)量無顯著差異(>0.05), 且分別是NPK處理的98.3%, 98.7%。從5年產(chǎn)量變化來看, 在喀斯特峰叢洼地以秸稈還田替代部分化肥鉀的施肥措施是可行的。

同玉米產(chǎn)量類似, 施肥處理均極顯著提高玉米秸稈生物量(<0.01), 并隨施肥年限延長呈增長趨勢(圖1b)。從5年秸稈生物量均值來看, C4S6處理和NPK處理年均量相當(dāng)(分別為602.7 g?m-2、602.9 g?m-2), C7S3處理年均量略高, 為624.5 g?m-2, 但施肥處理間無顯著差異(>0.05)。由此可見, 秸稈還田替代部分化肥鉀在提高玉米秸稈生物量作用上與單施化肥相當(dāng)。

圖1 不同施肥處理對峰叢洼地玉米產(chǎn)量(a)和秸稈生物量(b)的影響

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer.

2.2 長期秸稈還田替代化肥鉀對玉米營養(yǎng)元素吸收的影響

從表2看出, 施肥使玉米秸稈中含鉀量極顯著高于不施肥處理(<0.01), 是CK處理的2.21~2.53倍; 并且無論是施用化肥還是部分秸稈還田替代化肥均提高了玉米籽粒中鉀素含量, 其中NPK處理達到顯著水平(<0.05)。分析5年監(jiān)測數(shù)據(jù), 在棕色石灰土上施用化肥及化肥配施秸稈均可提高玉米秸稈及籽粒鉀素吸收量, 并達到極顯著水平(<0.01)。說明在喀斯特峰叢洼地秸稈還田替代部分化肥鉀對玉米吸鉀量的影響與單施化肥的水平相當(dāng)。

圖2顯示, 隨著施肥年限的延長, 玉米籽粒對氮、磷元素的吸收均呈現(xiàn)增長趨勢, 不施肥處理玉米籽粒中氮磷元素含量在這5年中呈現(xiàn)下降趨勢。對5年玉米吸收氮、磷元素均值比較發(fā)現(xiàn), 施肥處理能極顯著提高玉米籽粒中氮、磷元素含量(<0.01), 施肥處理間無顯著變化(>0.05)。由此可見, 從玉米籽粒養(yǎng)分吸收情況看, 秸稈還田可以替代部分化學(xué)鉀肥在喀斯特峰叢洼地施用。

2.3 秸稈還田替代部分化肥對春玉米鉀肥利用率的影響

表3表明, 在鉀素回收率, 鉀素吸收利用率, 鉀肥農(nóng)學(xué)利用率以及鉀肥偏生產(chǎn)力方面, 秸稈還田替代部分鉀肥處理與全量化肥處理間均無顯著差異(>0.05), 說明秸稈還田替代部分鉀肥對玉米利用鉀素的效率沒有影響。

2.4 秸稈還田替代部分化肥對土壤鉀素表觀平衡的影響

通過分析2010—2014年鉀素年均表觀盈虧量來看(表4), 施肥各處理鉀素表觀盈虧量無顯著差異(>0.05)。NPK處理年均鉀盈余量為3.00 kg?hm-2, 高于30%秸稈替代量處理(-1.90 kg?hm-2), 而60%秸稈替代化肥鉀處理鉀素年均盈余量最大(8.22 kg?hm-2), 實際平衡盈余率為7.4%。由此可見, 30%秸稈量替代化肥在短時期內(nèi)可以保持玉米相對高產(chǎn), 維持土壤鉀素相對平衡; 60%秸稈量替代化肥處理可以在保持玉米相對高產(chǎn)的同時, 使土壤中的鉀素得到補充, 使土壤鉀保持動態(tài)平衡; 全量化肥處理目前也處于鉀素盈余狀態(tài)。

表2 秸稈還田替代部分化肥對峰叢洼地玉米鉀素吸收量的影響

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。鉀素含量為2010年和2012年的平均值。同列數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示處理間差異達1%極顯著水平, 同列不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer. The data of K content is average of 2010 and 2012. Values followed by different capital and lowercase letters in a column are significantly different at 1% and 5% levels, respectively.

圖2 秸稈還田替代部分化肥處理下玉米籽粒對氮(a)、磷(b)吸收量隨年限的變化

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer.

表3 秸稈還田替代部分化肥對春玉米鉀肥利用率的影響(2010—2014)

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer.

2.5 秸稈還田替代部分化肥對土壤表層速效鉀和緩效鉀含量的影響

經(jīng)過8年定位試驗, 各處理表層土壤(0~20 cm)速效鉀含量與試驗初期(2006年)有一定差異, 不施肥處理土壤速效鉀含量有所下降, 2014年下降了15.9%。施肥處理極顯著增加了土壤中速效鉀含量(<0.01), 其中NPK處理增加最多, 是2006年的3.36倍; C7S3和C4S6處理中, 2014年速效鉀含量分別是2006年的2.78和2.37倍。分析2010—2014年數(shù)據(jù)(圖3), 施肥處理土壤速效鉀含量極顯著高于不施肥處理(<0.01), 其中5年年均含量大小依次為: NPK>C7S3>C4S6, 但各處理差異不顯著(>0.05)。由此可見, 施肥是提高喀斯特峰叢洼地土壤速效鉀含量的有利措施, 施用化肥能保持土壤速效鉀含量較高, 秸稈替代化肥土壤速效鉀略低(C7S3和C4S6處理分別是NPK處理的95.6%和85.5%)。

表4 秸稈還田替代部分化肥對玉米季鉀素表觀平衡的影響(2010—2014年)

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer.

圖3 秸稈還田替代部分化肥對玉米季土壤速效鉀的影響

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer.

作物吸收的鉀主要來自土壤速效鉀, 而土壤緩效鉀是土壤速效鉀的補充。從圖4可以看出, 經(jīng)過8年耕作后, 不施肥處理緩效鉀呈下降趨勢, 降幅為10.9%, 60%秸稈還田替代鉀肥處理緩效鉀有所下降, 但降幅不超過5%(為4.9%); 化肥NPK處理緩效鉀基本持平, 增幅1.3%, 30%秸稈還田C7S3處理增幅較大, 為22.4%。因此, 平衡施用化肥及化肥配施秸稈還田能基本維持土壤緩效鉀的含量, 并且30%的秸稈還田量更有利于土壤緩效鉀的積累。

圖4 秸稈還田替代部分化肥處理下玉米土壤緩效鉀含量隨時間的變化

CK: 不施肥; NPK: 無機肥; C7S3: 秸稈還田替代30%化肥鉀; C4S6: 秸稈還田替代60%化肥鉀。CK: no fertilizer; NPK: chemical fertilizer; C7S3: 30% K of NPK treatment is from straws and 70% K from chemical fertilizer; C4S6: 60% K of NPK treatment is from straws and 40% from the chemical fertilizer.

3 討論

許多研究表明, 化肥配以秸稈還田能提高作物產(chǎn)量, 增加作物生物量。徐永剛等[17]在東北棕壤上的研究結(jié)果顯示, 秸稈還田配施NPK肥能顯著提高玉米籽實和秸稈產(chǎn)量。周懷平等[18]研究長期秸稈還田對黃土區(qū)旱地玉米產(chǎn)量的影響, 發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋或粉碎還田均具有顯著的增產(chǎn)增收效果。高洪軍等[19]在東北黑土的研究結(jié)果表明長期秸稈還田配施NPK肥使玉米產(chǎn)量顯著高于不施肥處理, 而和NPK處理差異不顯著。本研究在喀斯特棕色石灰土上得出了類似的結(jié)論, 秸稈還田配施化肥處理與單施化肥處理產(chǎn)量相當(dāng), 施肥均極顯著提高春玉米產(chǎn)量(圖1a, 約是NPK肥產(chǎn)量的98%)。張亞杰等[20]在喀斯特地區(qū)的研究也表明, 與不施肥CK相比, 施肥能有效增加玉米秸稈生物量和籽粒產(chǎn)量, 而秸稈還田配施化肥處理秸稈生物量顯著高于只施化肥處理。本研究中秸稈替代鉀肥還田處理與化肥NPK處理無顯著差異。本研究中30%秸稈替代鉀肥還田量處理(C7M3)年均產(chǎn)秸稈量最高, 同40%的化肥鉀處理(C4M6)相比, 70%的化肥鉀(C7M3)可能更能滿足玉米前期生長對鉀素的需求, 與100%化肥鉀處理(NPK)相比, 30%的秸稈還田使玉米生育后期仍保持有較多的鉀素供應(yīng)。

養(yǎng)分吸收量是作物生物量形成的基礎(chǔ), 它的高低影響作物經(jīng)濟產(chǎn)量及肥料利用效率。謝佳貴等[8]在東北黑土上的研究結(jié)果表明施鉀肥和秸稈還田可以提高玉米秸稈和籽粒氮、磷、鉀的吸收總量, 并且秸稈還田結(jié)合鉀肥處理對促進玉米氮、磷、鉀等養(yǎng)分吸收與積累的效果最好。本研究在喀斯特峰叢洼地也發(fā)現(xiàn)施肥能顯著提高玉米秸稈和籽粒對土壤氮、磷、鉀元素的吸收, 并且隨種植年限延長呈增長趨勢, 但3種等量施肥處理間無顯著差異。并且分析結(jié)果顯示玉米鉀素回收率、鉀素吸收利用率、鉀肥農(nóng)學(xué)利用率和鉀肥偏生產(chǎn)力這幾個指標(biāo), 在3種施肥處理中均無顯著差異, 說明秸稈還田在喀斯特峰叢洼地可以代替部分化學(xué)鉀肥保持玉米的產(chǎn)量及肥料利用率。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分平衡的盈虧是決定土壤養(yǎng)分水平消長的根本原因, 因此, 農(nóng)田養(yǎng)分平衡是判斷土壤養(yǎng)分水平發(fā)展趨向的根本依據(jù)[21]。李玉影等[22]在東北玉米主產(chǎn)區(qū)研究表明, 在最佳施肥處理下, 氮、磷的平衡系數(shù)分別為0.92、1.06, 養(yǎng)分收支狀況較為平衡, 而鉀素的平衡系數(shù)僅為0.42, 遠小于1, 處于嚴重虧缺狀態(tài)。謝佳貴等[8]研究結(jié)果顯示, 單施化肥NPK處理鉀素年均虧缺量為25.4 kg?hm-2, 平衡系數(shù)為0.78, 低于試驗地區(qū)土壤鉀素允許平衡盈虧率, 短期內(nèi)可以維持土壤鉀素平衡; 而秸稈還田結(jié)合化肥處理鉀素年均盈余量為22.8 kg?hm-2, 平衡系數(shù)為1.18, 土壤鉀素有盈余。王志勇等[23]在低肥力土壤上試驗結(jié)果顯示, 秸稈還田配以NPK肥處理土壤鉀素年均盈余82.99 kg?hm-2, 平衡系數(shù)達1.26, NPK處理土壤鉀素平衡系數(shù)為0.42, 處于嚴重虧缺狀態(tài)。本研究中NPK化肥處理, 秸稈替代30%化肥鉀處理(C7M3)和秸稈替代60%化肥鉀處理(C4M6)5年年均鉀素平衡系數(shù)分別為1.03、0.98和1.07, 表明在喀斯特峰叢洼地以秸稈還田替代部分化肥鉀可以維持玉米季土壤養(yǎng)分平衡。

土壤速效鉀含量常被用來評價土壤鉀對當(dāng)季作物的有效性。本研究中, 2010—2014年土壤速效鉀含量年際間基本持平或略有降幅。而與試驗初期相比, 不施肥處理速效鉀含量有下降趨勢, 3種施肥處理中均有顯著的提高。謝佳貴等[8]在黑土上通過3年試驗研究結(jié)果顯示, 與試驗初期相比, NPK處理速效鉀含量下降了1.31%, NPK+秸稈還田處理有所提高。王志勇等[24]在潮土上的研究結(jié)果顯示, 與試驗初期相比, NPK和NPK+秸稈還田處理短期內(nèi)均能提高表層土壤速效鉀含量。本研究8年試驗后, NPK和秸稈還田部分替代化肥鉀處理表層速效鉀含量均有顯著提高, 說明在喀斯特峰叢洼地石灰土上, 平衡施用化肥及秸稈替代部分化肥均能提高土壤速效鉀含量, 從而在短期內(nèi)能保證植物對鉀素的吸收。

而在評價土壤鉀對作物的長期有效性時, 則不僅要考慮速效鉀的水平, 更要注意非交換性鉀(即緩效鉀)的貯量及其釋放速率[25]。孫麗敏等[6]在潮土上的研究結(jié)果表明, 施用NPK肥及NPK+秸稈還田處理17年平均土壤緩效鉀含量較基礎(chǔ)值分別提升10.13%和7.15%, 說明在無外源鉀投入情況下, 土壤緩效鉀補充土壤速效鉀而供作物吸收利用; 化肥處理中土壤緩效鉀保持相對平穩(wěn), 可能是外源化肥鉀投入基本能滿足作物對鉀素的需求, 使土壤緩效鉀與速效鉀保持動態(tài)平衡; 60%秸稈還田替代化肥處理中土壤緩效鉀基本保持相對平衡, 而30%秸稈還田替代化肥處理使緩效鉀提升了22.4%, 這說明并非秸稈還田量越多對土壤緩效鉀積累越有利, 但造成此結(jié)果的原因有待進一步研究。

4 結(jié)論

本試驗在氮磷鉀元素投入量一定的前提下, 研究部分秸稈還田替代化學(xué)鉀肥對玉米產(chǎn)量、鉀素利用效率、鉀素表觀平衡以及土壤鉀素養(yǎng)分的變化情況。目前得出結(jié)論如下:

1)通過分析2010—2014年玉米產(chǎn)量及秸稈生物量來看, 在喀斯特峰叢洼地, 施肥極顯著提高玉米產(chǎn)量及秸稈生物量, 并在短期內(nèi)均呈現(xiàn)逐年增長趨勢; 而秸稈還田替代部分化肥鉀處理與NPK化肥處理間無顯著差異。

2)隨著施肥年限的延長, 施肥處理中玉米籽粒對氮、磷元素的吸收均呈現(xiàn)增長趨勢, 施肥處理能極顯著提高玉米籽粒中氮、磷和鉀元素含量(< 0.01), 施肥處理間無顯著變化(>0.05)。

3)5年年均數(shù)據(jù)顯示, 在玉米鉀素回收率, 鉀素吸收利用率、鉀肥農(nóng)學(xué)利用率以及鉀肥偏生產(chǎn)力方面、秸稈還田替代部分鉀肥處理與NPK處理間均無顯著差異(>0.05)。

4)從鉀素表觀平衡分析, C7S3在短時期內(nèi)可以維持土壤鉀素相對平衡; C4S6使土壤中的鉀素得到補充, 使土壤鉀保持動態(tài)平衡; 純化肥NPK處理目前也處于鉀素盈余狀態(tài)。

5)從土壤鉀素養(yǎng)分含量來看, 施用化肥NPK能保持土壤速效鉀含量較高, 秸稈替代部分化肥使土壤速效鉀略低, 均極顯著高于不施肥處理; 平衡施用化肥及化肥配施秸稈還田能基本維持土壤緩效鉀的含量, 并且30%的秸稈還田量更有利于土壤緩效鉀的積累。

綜上所述, 在喀斯特峰叢洼地以秸稈還田替代部分化肥鉀的施肥措施是可行的, 能維持鉀素動態(tài)平衡, 并且30%的秸稈鉀還田量更有利于土壤緩效鉀的積累。

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Spring maize yield and soil potassium balance under replacement of potassium with straw in karst peak-cluster depression*

FU Wei1,2, LIU Kunping1,2, CHEN Hongsong1,2, CHEN Xiangbi1,2, LIN Haifei1,2, ZHANG Wei1,2, WANG Kelin1,2**

(1. Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China; 2. Huanjiang Observation and Research Station for Karst Ecosystems, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang 547100, China)

Based on a long-term experiment on maize-soybean relay intercropping system in Huanjiang Observation and Research Station for Karst Ecosystem, Chinese Academy of Sciences, the effects of straw in place of chemical potassium on spring maize yield and soil potassium (K) balance were investigated, aiming to provide scientific basis for the rational use of straw and fertilizer in karst peak-cluster depression. The experiment was started in 2006, and the data were collected during 2010-2014. Four treatments with four repetitions were set in this study, including CK (no fertilizer), NPK (chemical fertilizer), C7S3 (30% K from straws and 70% K from chemical fertilizer), C4S6 (60% K from straws and 40% from the chemical fertilizer). The results showed that: 1) the annual yields of spring maize in fertilization treatments from 2010 to 2014 were 4.12-4.17 times that in CK treatment. The spring maize yields in C7S3 and C4S6 were 98.3% and 98.7% of that in NPK, respectively. The yields of grain and straw increased with time under fertilization treatments. 2) Compared with CK, fertilization treatments significantly increased K amount in maize straw, with 2.21-2.53 times that in CK. N, P and K absorption amounts in maize grain under fertilization treatments significantly increased (< 0.01), but there was no significant difference among fertilizer treatments (> 0.05). 3) There were no significant differences in recovery efficiency, absorption efficiency, agronomic efficiency and partial factor productivity of K among treatments of NPK, C7S3 and C4S6. 4) The annual surplus amount of K in NPK treatment was 3.00 kg?hm-2, which was significantly higher than that in C7S3 (-1.90 kg?hm-2). The most annual surplus amount of K was in C4S6, 8.22 kg?hm-2, with the surplus rate of 7.4%. 5) Compared to the beginning of the experiment in 2006, soil rapidly available K declined by 15.9% in 2014. The fertilization treatments significantly increased amount of soil rapidly available K (< 0.01). The order of annual increase of soil rapidly available K from 2010 to 2014 in fertilization treatments were NPK > C7S3 > C4S6, but no significant difference among treatments was observed (> 0.05). 6) After 8 years of cultivation, soil slowly available K declined by 10.9% and 4.9% in CK and C4S6, while increased by 1.3% and 22.4% in NPK and C7S3, respectively. Overall, the straw returning to replace some K fertilizer was suitable for the soil in karst peak-cluster depression, which not only maintained the yield of spring maize, but also sustained soil K dynamic balance. And 60% of the straw K substitution was more suitable for sustaining K balance, while 30% of the straw K substitution was more beneficial to improve soil slowly available potassium.

Karst peak-cluster depression; Straw returning; Spring maize; Substitution effect; Potassium balance; Yield

, E-mail: kelin@isa.ac.cn

Sep. 4, 2017;

Sep. 26, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170800

S318

A

1671-3990(2017)12-1823-09

王克林, 主要從事景觀生態(tài)與區(qū)域生態(tài)研究。E-mail: kelin@isa.ac.cn

傅偉, 主要從事喀斯特生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究與數(shù)據(jù)信息管理。E-mail: weif@isa.ac.cn

2017-09-04

2017-09-26

* This study was funded by the National Key Research and Development Project of China (2016YFC0502406, 2016YFD0200106-5), the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-EW-STS-092) and the Service Sharing of Chinese National Ecosystem Research Network “Observation, Research and Construction of Data Information System in HuanjiangⅡ”.

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0502406, 2016YFD0200106-5)、中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃(STS)項目(KFJ-EW-STS-092)和國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)運行服務(wù)項目——環(huán)江站觀測研究及數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)建設(shè)Ⅱ資助