連續(xù)秸稈還田替代鉀肥對(duì)作物產(chǎn)量及土壤鉀素平衡的影響

程文龍，韓 上，武 際*，李 敏，石祖梁，王 慧，唐 杉，胡 鵬，黃 惠

（1．安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；3．安徽省巢湖市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽 巢湖 238000；4．安徽省黃山市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽 黃山 245600）

秸稈含有豐富的氮、磷、鉀和中微量元素等養(yǎng)分［1］。尤其秸稈中鉀素含量豐富，約占秸稈干物質(zhì)量的1.5%。而秸稈還田是利用秸稈資源的有效方式。秸稈還田可促進(jìn)作物增產(chǎn)［2］，增加土壤速效養(yǎng)分含量［3］，提高土壤肥力［4］，改善土壤結(jié)構(gòu)［5］，減少秸稈資源的浪費(fèi)和焚燒帶來(lái)的空氣污染，同時(shí)秸稈還田配施化肥能減少10%～20%的化肥用量［6］。尤其禾本科作物吸收的鉀素80%以上存在于秸稈中，主要以離子形式存在，這部分鉀素可以快速釋放到土壤中［7］，短期秸稈還田可以提高當(dāng)季土壤速效鉀含量［8］，長(zhǎng)期秸稈還田能改善土壤鉀素虧缺，提高作物鉀素積累量和產(chǎn)量［9］。我國(guó)作為世界上主要的鉀肥消費(fèi)國(guó)，鉀肥卻多依賴(lài)于進(jìn)口，長(zhǎng)期受到國(guó)際上鉀肥價(jià)格持續(xù)走高的影響［10］。此外，近年來(lái)我國(guó)糧食持續(xù)增產(chǎn)的同時(shí)也不斷帶走了土壤中大量的鉀素，鉀肥的投入已無(wú)法維持土壤鉀素的平衡，農(nóng)田鉀素的逐漸虧缺已成為了當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的問(wèn)題［11］。因此，為緩解鉀肥資源短缺及維持土壤鉀素平衡，研究主要糧油作物替代鉀肥的效應(yīng)顯得尤為重要。本研究在安徽省稻油輪作區(qū)進(jìn)行了油菜-水稻輪作試驗(yàn)，研究秸稈全量還田能夠替代鉀肥的用量，以及連續(xù)秸稈還田對(duì)油菜和水稻地上部鉀素積累、土壤速效鉀和緩效鉀含量的影響，以期為秸稈還田條件下，鉀肥的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省稻油輪作區(qū)。0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)26.24 g/kg、全氮1.68 g/kg、堿解氮112.12 mg/kg、有效磷15.21 mg/kg、速效鉀121.10 mg/kg、緩效鉀521.59 mg/kg，pH值為8.05。

1.2 試驗(yàn)材料

供試油菜、水稻品種均為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。試驗(yàn)中氮肥用尿素（N 46%），磷肥用過(guò)磷酸鈣（P2O512%），鉀肥用氯化鉀（K2O 60%），硼肥用硼砂（B 12%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012年9月油菜季開(kāi)始實(shí)施，至2015年10月水稻收獲后結(jié)束，采用一年兩熟的油菜-水稻輪作模式。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，分別為：（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 鉀 肥，S表 示還田秸稈。小區(qū)面積20 m2，4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

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、鉀、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%分蘗肥，30%穗肥。全部磷、鉀肥作基肥施用。為保證試驗(yàn)的一致性，2012年第一季作物（油菜）還田秸稈為水稻秸稈9 583 kg/hm2，秸稈的鉀素（K）含量為1.44%。之后上一季作物收獲后，施用秸稈的各相應(yīng)處理秸稈全部還田給下一季，不施用秸稈的各相應(yīng)處理（1）和（2）的秸稈全部清除，2012～2015年每季各處理投入秸稈鉀和化學(xué)鉀肥量見(jiàn)表1。

表1 2012～2015年各處理秸稈鉀和化學(xué)鉀投入量 （秸稈鉀/化學(xué)鉀肥，K2O kg/hm2）

1.4 樣品采集與測(cè)定

每季作物收獲后，采集各小區(qū)耕層（0～20 cm）土壤樣品，風(fēng)干過(guò)篩后備用。土壤的基本理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定。油菜收獲時(shí)每小區(qū)隨機(jī)選取10株有代表性植株。水稻收獲時(shí)每小區(qū)隨機(jī)選取10穴地上部分植株。油菜分為莖稈和籽粒并分別稱(chēng)重，水稻分稻谷和稻草并分別稱(chēng)重，以此測(cè)定各部分養(yǎng)分含量。油菜、水稻產(chǎn)量以各小區(qū)實(shí)際收獲產(chǎn)量計(jì)產(chǎn)。植株樣品烘干后磨碎過(guò)篩，用濃H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，火焰光度法測(cè)定鉀含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

主要計(jì)算公式：

鉀肥吸收利用率（%）= 施鉀肥地上部吸鉀增量/ 鉀肥用量×100

鉀肥農(nóng)學(xué)利用率（kg/kg）= 施鉀肥增產(chǎn)量/ 鉀肥用量鉀肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）= 施鉀肥產(chǎn)量/ 鉀肥用量鉀素平衡系數(shù)= 投入土壤中的鉀/ 帶出土壤中的鉀鉀素實(shí)際平衡率（%）=（輸入鉀- 支出鉀）/支出鉀×100

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel 2010進(jìn)行處理，用SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用OriginPro 8對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)油菜-水稻產(chǎn)量的影響

3季油菜的產(chǎn)量結(jié)果顯示（表2），秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理與NPK處理相比較，NP+1/3K+S、NP+2/3K+S處理油菜產(chǎn)量差異均不顯著，而NP+S處理的產(chǎn)量則顯著低于NPK處理，說(shuō)明本試驗(yàn)條件下，秸稈還田可以替代1/3～2/3的化學(xué)鉀肥而油菜不減產(chǎn)。3季水稻的產(chǎn)量結(jié)果（表3）顯示，秸稈還田處理NPK+S與NPK相比較，產(chǎn)量略有提高，但差異不顯著。秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理與NPK處理相比較，前2季水稻產(chǎn)量無(wú)顯著的負(fù)效應(yīng)。第3季NP+S、NP+1/3K+S處理產(chǎn)量顯著低于NPK處理，NP+2/3K+S處理與NPK處理相比產(chǎn)量差異不顯著，表明隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，秸稈還田能夠替代化學(xué)鉀肥的量呈減少趨勢(shì)。從3個(gè)輪作周期秸稈還田替代化學(xué)鉀肥效應(yīng)上看（表4），秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理與NPK處理相比較，第1個(gè)輪作周期秸稈還田替代化學(xué)鉀肥對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著負(fù)效應(yīng)，第2個(gè)輪作周期和第3個(gè)輪作周期NP+S、NP+1/3K+S處理產(chǎn)量均顯著低于NPK處理，NP+2/3K+S處理與NPK處理相比對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著負(fù)效應(yīng)。綜合來(lái)看，秸稈還田可以替代1/3的化學(xué)鉀肥而不減少水稻和油菜的總產(chǎn)量。

表2 2013～2015年施鉀肥和秸稈還田對(duì)油菜產(chǎn)量的影響 （kg/hm2）

表3 2013～2015年施鉀肥和秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量的影響 （kg/hm2）

2.2 不同處理對(duì)油菜-水稻地上部養(yǎng)分積累量的影響

本試驗(yàn)結(jié)果（表5）顯示，不施鉀肥（NP）處理3季油菜地上部鉀素積累量為最低。施鉀肥和秸稈還田各處理均不同程度提高了油菜籽粒和秸稈的鉀素積累量。秸稈還田處理NPK+S與NPK相比，顯著增加了油菜地上部鉀素年均積累量，增幅為8.6%。秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理與NPK處理相比較，其中，NP+2/3K+S處理與NPK處理相比地上部鉀素年均積累量差異不顯著，而NP+S、NP+1/3K+S處理的地上部鉀素年均積累量則顯著低于NPK處理，表明在氮磷配合施用下，秸稈還田能替代1/3化學(xué)鉀肥而不減少油菜地上部鉀素累積量。

表5 施鉀肥和秸稈還田對(duì)作物地上部3年平均鉀素吸收量的影響 （kg/hm2）

同樣不施鉀肥（NP）處理3季水稻籽粒和秸稈中鉀素積累量均為最低。施鉀肥和秸稈還田各處理均不同程度提高了水稻籽粒和秸稈的鉀素積累量。從水稻地上部鉀素積累總量看，秸稈還田處理NPK+S與NPK相比，顯著增加了水稻地上部鉀素年均積累量，增幅為4.4%。秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理與NPK處理相比較，其中，NP+2/3K+S處理與NPK處理相比地上部鉀素年均積累量差異不顯著，而NP+S、NP+1/3K+S處理的地上部鉀素年均積累量均顯著低于NPK處理，表明在氮磷配合施用下，秸稈還田能替代1/3化學(xué)鉀肥而不減少水稻地上部鉀素累積量。

2.3 不同處理對(duì)鉀肥利用率的影響

本試驗(yàn)結(jié)果（表6）顯示，秸稈還田處理NPK+S與NPK處理相比較，均顯著提高了油菜季和水稻季的鉀肥吸收利用率，而對(duì)油菜季和水稻季的鉀肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均沒(méi)有顯著差異。秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的處理（NP+1/3K+S、NP+2/3K+S）與NPK處理相比，NP+1/3K+S、NP+2/3K+S處理均顯著提高了油菜季鉀肥吸收利用率，分別提升了19.6%、24.0%。同時(shí)NP+2/3K+S處理也顯著提高了水稻季鉀肥吸收利用率，提升了11.3%。而NP+1/3K+S、NP+2/3K+S處理在油菜季和水稻季的農(nóng)學(xué)利用率上均沒(méi)有顯著差異，但均提高了鉀肥偏生產(chǎn)力。與NPK處理相比，NP+1/3K+S處理將油菜季和水稻季鉀肥偏生產(chǎn)力均提高了2.9倍，同樣NP+2/3K+S處理也將油菜季和水稻季鉀肥偏生產(chǎn)力均提高了1.5倍。

表6 施鉀肥和秸稈還田對(duì)3年平均鉀肥利用率的影響

2.4 不同處理對(duì)土壤鉀素表現(xiàn)平衡的影響

3個(gè)輪作周期的結(jié)果（表7）顯示，NPK+S處理土壤鉀素在3個(gè)輪作周期中均處于盈余狀態(tài)。秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理（NP+S、NP+1/3K+S、NP+2/3K+S）在第1個(gè)輪作周期中土壤鉀素均處于虧缺狀態(tài)，但隨著秸稈還田年限的增加，鉀素虧缺量逐漸減少，至第3個(gè)輪作周期時(shí)，秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理土壤鉀素均已處于盈余狀態(tài)，3個(gè)輪作周期中3個(gè)處理的鉀素表現(xiàn)盈虧量分別為-101～25.1、-43.2～64.4 、-2.7～96.7 kg/hm2。而NP和NPK處理3個(gè)輪作周期中土壤鉀素均始終處于虧缺狀態(tài)，鉀素表現(xiàn)盈虧量分別為-389.2～-300.8、-276.0～-219.0 kg/hm2。這表明單獨(dú)施鉀肥難以彌補(bǔ)土壤鉀素的虧缺，而秸稈還田則有利于維持土壤鉀素平衡。

2.5 不同處理對(duì)土壤速效鉀和緩效鉀含量的影響

本試驗(yàn)結(jié)果（表8）顯示，2015年10月，與NP處理相比，各處理均有增加土壤速效鉀的趨勢(shì)，其中NPK、NP+2/3K+S、NPK+S處理均顯著增加了土壤速效鉀含量，增加幅度分別為25.3%、23.8%、42.9%。秸稈還田處理NPK+S與NPK處理相比，顯著增加了土壤速效鉀含量，增幅為14.0%。秸稈還田替代化肥鉀肥的NP+1/3K+S、NP+2/3K+S處理與NPK處理相比土壤速效鉀含量差異均不顯著，而NP+S處理的土壤速效鉀含量則顯著低于NPK處理，表明秸稈還田能替代1/3～2/3化學(xué)鉀肥而不使土壤速效鉀含量下降。同樣，與NP處理相比，各處理也均有增加土壤緩效鉀含量的趨勢(shì)，其中NP+2/3K+S、NPK+S處理均顯著增加了土壤緩效鉀含量，增幅分別為7.8%和11.4%。秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理與NPK處理相比較，土壤緩效鉀含量差異均不顯著。

表7 施鉀肥和秸稈還田對(duì)土壤鉀素表現(xiàn)平衡的影響

表8 2015年10月秸稈還田配施鉀肥對(duì)土壤鉀含量的影響 （mg/kg）

3 討論

金夢(mèng)燦等［12］研究表明，秸稈還田可以替代30%化學(xué)鉀肥而不使水稻減產(chǎn)。本研究結(jié)果顯示，秸稈還田可以替代1/3的化學(xué)鉀肥而對(duì)稻油輪作制周年作物的總產(chǎn)量無(wú)明顯負(fù)效應(yīng)。這主要是由于秸稈中鉀素含量豐富，約占秸稈干物質(zhì)量的1.5%，尤其禾本科作物吸收的鉀素80%以上存在于秸稈中，主要以離子形式存在，這部分鉀素可以快速釋放到土壤中被作物吸收利用［7］。前人研究結(jié)果進(jìn)一步表明，秸稈還田可替代的化學(xué)鉀肥量與土壤供鉀水平高低密切相關(guān)［11］；本研究連續(xù)3年的作物產(chǎn)量結(jié)果則顯示針對(duì)不同作物，秸稈還田可替代化學(xué)鉀肥的效果也不盡一致。油菜季秸稈還田可以替代1/3～2/3的化學(xué)鉀肥，而水稻季隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，秸稈還田能夠替代化學(xué)鉀肥的量呈減少趨勢(shì)。相關(guān)研究表明，秸稈還田可顯著提高鉀肥吸收利用率和偏生產(chǎn)力［12-13］。這與本研究結(jié)果相一致，秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的處理均不同程度提高了油菜和水稻對(duì)鉀素的吸收量，從而也提高油菜季和水稻季的鉀肥吸收利用率。其中秸稈還田替代1/3和2/3的化學(xué)鉀肥顯著提高了油菜季的鉀肥吸收利用率，替代1/3的化學(xué)鉀肥顯著提高了水稻季的鉀肥吸收利用率。同時(shí)，秸稈還田替代1/3和2/3的化學(xué)鉀肥也顯著提高了油菜季和水稻季的鉀肥偏生產(chǎn)力。

譚德水等［14］連續(xù)13年的定位試驗(yàn)研究表明，只施用氮、磷肥會(huì)使土壤鉀素處于嚴(yán)重的虧缺狀態(tài)。謝佳貴等［15］研究表明，單施鉀肥處理和單施秸稈處理均會(huì)使土壤鉀素處于虧缺狀態(tài)，而秸稈還田配施鉀肥處理的土壤鉀素則處于盈余狀態(tài)。本試驗(yàn)研究表明秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理雖然在第1個(gè)輪作周期中土壤鉀素均處于虧缺狀態(tài)，但隨著秸稈還田年限的增加，鉀素虧缺量逐漸減少，至第3個(gè)輪作周期時(shí)，秸稈還田替代化學(xué)鉀肥的3個(gè)處理土壤鉀素均已處于盈余狀態(tài)，而單獨(dú)施鉀肥的處理在3個(gè)輪作周期中始終處于虧缺狀態(tài)，表明了單獨(dú)施鉀肥均難以彌補(bǔ)土壤鉀素的虧缺，而秸稈還田則有利于維持土壤鉀素平衡。

土壤速效鉀和緩效鉀含量是評(píng)價(jià)土壤鉀對(duì)作物有效性的重要指標(biāo)。王宏庭等［9］研究表明，與不施鉀肥處理相比，施鉀肥、單獨(dú)秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥均顯著增加土壤速效鉀和緩效鉀含量。本試驗(yàn)中，秸稈還田配施鉀肥處理均有不同程度增加土壤速效鉀和緩效鉀含量的趨勢(shì)，其中NP+2/3K+S、NPK+S處理均顯著增加了土壤速效鉀和緩效鉀含量，增加幅度分別為23.8%、42.9%和7.8%、11.4%。表明秸稈還田配施鉀肥，有利于彌補(bǔ)土壤鉀素的虧缺，這對(duì)維持土壤養(yǎng)分平衡有重要意義。

4 結(jié)論

從作物產(chǎn)量上看，不同作物上秸稈還田可替代的鉀肥量不一樣。油菜季秸稈還田可以替代1/3～2/3的化學(xué)鉀肥。水稻季隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，秸稈還田能夠替代化學(xué)鉀肥的量呈減少趨勢(shì)。從輪作周期秸稈還田替代化學(xué)鉀肥效應(yīng)上看，秸稈還田可以替代1/3的化學(xué)鉀肥而不減少水稻和油菜的總產(chǎn)量。

油菜季，秸稈還田替代1/3和2/3化學(xué)鉀肥均可顯著提高鉀肥吸收利用率和偏生產(chǎn)力；水稻季，秸稈還田替代1/3的化學(xué)鉀肥可顯著提高鉀肥吸收利用率，替代1/3和2/3的化學(xué)鉀肥均可顯著提高鉀肥偏生產(chǎn)力。

單施鉀肥難以彌補(bǔ)土壤鉀素的虧缺，而秸稈還田在一定程度上可以改善土壤鉀素虧缺，并使土壤中的各形態(tài)鉀含量重新恢復(fù)動(dòng)態(tài)平衡。