2020, Vol. 39
2. 安徽喜洋洋农业科技有限公司, 安徽 庐江 230088
2. Anhui Xiyangyang Agricultural Science and Technology Co., Ltd, Lujiang 230088, China
水稻是重要粮食作物之一，其种植面积和产量均居我国粮食作物首位[1-2]。钾在水稻产量形成和品质提升等方面起着不可替代的作用[3]。随着农业生产复种指数和高产优质品种的推广，土壤钾素随作物收获被大量带出而出现亏缺[4]。近年来，我国土壤缺钾状况日渐加剧，缺钾面积逐渐增大，已经成为农业可持续发展的重要限制因素。我国钾矿资源匮乏以及进口钾肥价格的高昂，提升了农业生产成本，使得钾肥投入量降低[5]。充分利用作物秸秆中的钾肥资源是弥补我国钾矿资源不足、补充土壤钾素亏缺的重要途径[6-7]。我国年均秸秆资源量约为8.76亿t，秸秆钾素储量折合纯钾（K2O）约为1.2×107 t[8]。
作物秸秆还田可以提高土壤中水溶性钾、非交换性钾和矿物钾的含量，起到养分归还的作用[9]。解文艳等[10]研究表明，长期秸秆还田可以提高土壤全钾和速效钾素含量，减少土壤钾素的耗竭。Jiang等[11]证明，作物秸秆还田能够替代化学钾肥，有效平衡土壤钾素匮乏。Zhu等[12]证实，秸秆还田可以提高土壤速效钾含量，但对于如何配施化学钾肥从而提高作物钾素吸收效率未作深入分析。刘秋霞等[13]研究表明，秸秆还田配施50%的化学钾肥时土壤钾素亏缺量最小，有利于作物吸收钾素；而傅伟等[14]则认为，秸秆还田配合30%化学钾肥有利于土壤缓效钾的积累，可以满足作物生育后期钾素的需求。
已有的研究多关注秸秆还田对土壤养分和作物产量的影响，但有关长期秸秆还田后钾肥减量影响土壤钾素含量及水稻产量研究较少，对多年秸秆还田后不同钾肥减量比例和不同生育期土壤钾素含量变化规律，以及对作物产量和钾素吸收利用效率的影响目前尚不清楚，值得进一步研究。
本文采用田间试验方法，研究多年小麦秸秆还田后钾肥减量对水稻产量和钾素利用效率的影响，分析连续秸秆还田条件下土壤全钾和速效钾等养分含量的变化规律，解析秸秆还田条件下钾肥减量与土壤养分和水稻产量变化的作用机理。
1 材料与方法 1.1 试验地点试验于2017年开始在安徽省合肥市庐江县郭河镇南圩村（117°E，31°28N）进行。
1.2 试验材料作物种植模式是稻-麦两熟制，2017—2019年水稻和小麦品种见表 1。2017年开始水稻试验，前茬小麦秸秆养分含量：全氮7.23 g·kg-1，全磷1.01 g·kg-1，全钾19.82 g·kg-1；2018年前茬作物为小麦，小麦秸秆养分含量：全氮7.04 g·kg-1，全磷1.12 g·kg-1，全钾20.47 g·kg-1。2019年小麦秸秆养分含量：全氮7.37 g·kg-1，全磷1.04 g·kg-1，全钾22.59 g·kg-1。
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表 1 不同年份水稻和小麦品种 Table 1 The variety of rice and wheat in different years |
土壤类型为下蜀第四纪堆积物母质发育的水稻土，土壤质地为黏壤土。2017年试验开始时的基础土壤养分情况为：有机质30.05 g·kg-1，全氮1.17 g· kg-1，碱解氮108.34 mg·kg-1，有效磷15.84 mg·kg-1，全钾23.76 g·kg-1，速效钾140.29 mg·kg-1，土壤pH 5.43，阳离子交换量（CEC）14.21 cmol·kg-1。
供试肥料：肥料品种分别为尿素（N 46%）、普钙（P2O5 12%）、氯化钾（K2O 60%）；腐熟剂是中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研制的有机物料腐熟菌剂（除臭型），有效活菌数5×107 cfu·g-1。
1.3 试验设计本研究采用田间小区试验，小区长12.5 m，宽4 m，每个小区面积50 m2。根据2017年土壤背景值计算得出配方肥用量（N:P2O5:K2O=15:6:6）。本试验共设5个处理，分别为：（1）秸秆还田+配方施肥（K100%）；（2）秸秆还田+配方施肥钾肥减量10%（K90%）；（3）秸秆还田+配方施肥钾肥减量20%（K80%）；（4）秸秆还田+配方施肥钾肥减量30%（K70%）；（5）秸秆还田+配方施肥不施钾肥（K0）。配方施肥中氮肥施用量为225 kg·hm-2，基肥、分蘖肥和穗肥的施用比例为6:3:1；磷肥施用量为90 kg·hm-2，全部做基肥施用，其中基肥撒施于地表后翻耕入土，深度为15 cm，追肥均采用撒施；钾肥施用量为90 kg·hm-2，基肥和穗肥比例为8:2，施肥量和施肥方法3年保持一致。根据本试验小麦产量和小麦谷草比，小麦秸秆2017年为4 000 kg·hm-2，2018年为4 500 kg·hm-2，2019年为4 500 kg·hm-2，3年水稻秸秆还田量分别为5 000、6 000、6 000 kg·hm-2。腐熟剂用量为30 kg·hm-2，翻耕后撒施于地表。每个试验处理设置3次重复。
试验小区周围起宽25 cm、高30 cm的田埂，后用农膜包埂，小区之间单独排灌，防止串水串肥。麦秸还田方式为联合收割机粉碎（5 cm左右），均匀抛撒于地表，在施用基肥及腐熟剂后深旋翻埋，后灌水浸泡3~4 d。每年6月上旬排水后再进行第2次翻地，晒田3 d。水稻于每年5月下旬育秧，每年6月中旬机械化移栽秧苗，每年11月上旬收获。插植规格（行距×株距）为25 cm×14 cm，栽插密度是28.6万穴·hm-2，每穴3株幼苗。成熟期取样考种，各小区病虫害管理同大田。
1.4 测定项目与方法在水稻分蘖期（每年7月上旬）、拔节期（每年8月上旬）、抽穗期（每年9月上旬）和成熟期（每年10月下旬），每个小区随机取3株水稻植株并采集土壤。植株去根后用蒸馏水冲洗干净，茎、叶、穗分离后装入样品袋中在105 ℃下杀青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒质量。植株样品粉碎后，全钾测定采用H2SO4-H2O2消解，火焰光度计法测定。在成熟期，统计水稻的有效穗数、穗粒数、千粒重等产量构成因子，产量计算：理论产量（kg·hm-2）=有效穗（× 104·hm-2）×穗粒数（粒）×千粒重（g）×0.85×10-4。
水稻植株不同生育期钾素累积量和钾素利用效率采用以下方法计算：
钾素累积量（g·株-1）=干质量×植株全钾含量；
钾素总累积量（g·株-1）=茎钾素累积量+叶钾素累积量+穗钾素累积量；
钾素净累积量（g·株-1）=后生育期钾素累积量-前生育期钾素累积量；
钾肥偏生产力（kg·kg-1）=施钾肥区产量/钾肥用量；
钾肥农学效率（kg·kg-1）=（施钾肥区产量－不施钾肥产量）/钾肥用量；
钾肥吸收利用率=（施钾肥区水稻钾素总累积量-不施钾肥区水稻钾素总累积量）/钾肥用量× 100%；
钾肥贡献率=（施钾肥区水稻产量-不施钾肥区水稻产量）/施钾肥区水稻产量×100%。
土壤风干后过2 mm筛用于pH测定，过1 mm筛用于碱解氮、有效磷、速效钾的测定，过0.15 mm筛用于全氮、全磷、全钾的测定。pH采用玻璃电极法，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用Olsen法测定，机械组成采用吸管法测定，CEC采用乙酸铵交换法测定，全磷钾采用碱熔融法测定，速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定[15]。
数据处理和作图采用Microsoft Excel 2013和Origin 8.1软件进行，数据统计分析采用SPSS 20.0，数据差异显著性分析采用Duncan′s法。
2 结果与分析 2.1 小麦秸秆还田条件下钾肥减量对土壤全钾和速效钾含量的影响小麦秸秆还田后3年水稻季土壤全钾在不同施肥处理条件下保持稳定（图 1a、图 1c、图 1e）。除K0外，土壤全钾含量从分蘖期到拔节期均以K100%或K90%最高，K70%最低（P>0.05）；在抽穗期，土壤全钾含量3年均以K100%最高，K80%或K70%最低（P>0.05）。在成熟期，钾肥处理（K100%、K90%、K80%）的土壤全钾含量比K0 3年平均提高5.47%、5.79%、3.93%。与K100%相比，K90%平均提高土壤全钾3.13%，K80%和K70%平均降低土壤全钾0.14%和1.55%。
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图中相同年份同一时期处理中含有相同字母表示差异不显著（P>0.05）。下同 Identical letters within different treatments at same stage in different years indicate insignificant differences at 0.05 level (P<0.05). The same below 图 1 小麦秸秆还田钾肥减量对水稻不同生育期土壤全钾和土壤速效钾的影响 Figure 1 Effects of wheat straw incorporation and potassium reduction on the total and available potassium accumulation of soil at different growth stages |
土壤速效钾含量随生育期的增长呈现先升高再下降的趋势，且随钾肥减量比例增加而逐渐下降（图 1b、图 1d、图 1f）。除不施用钾肥的对照处理以及个别生育期处理外，土壤速效钾含量从分蘖期到成熟期均以K90%最高，以K70%最低。在分蘖期，K90%处理的土壤速效钾3年的含量均高于K70%处理（P>0.05）；在拔节期，土壤速效钾含量达到峰值，其中K90%的土壤速效钾含量最高，3年平均为197.61 mg·kg-1，比K0处理的土壤速效钾含量3年平均提高19.66%（P < 0.05）。在抽穗期，K100%和K90%处理的土壤速效钾含量比K0 3年平均提高22.95%和26.11%（P < 0.05）；在成熟期，K90%处理的土壤速效钾含量3年平均比K0提高22.53%（P < 0.05）。与K100%相比，K90%处理的土壤速效钾含量3年平均提高0.65%，K80%和K70%处理的土壤速效钾含量3年平均降低8.50%和12.98%。
2.2 钾肥减量对水稻植株内钾素含量的影响在不同生育期，水稻不同部位钾素含量随钾肥施用量的减少而逐渐下降，且呈茎>叶>穗的规律（表 2）。在不同施钾肥处理中，秸秆还田且施用钾肥后水稻植株钾素含量均高于无钾处理，其中每年K100%处理的水稻钾素含量最高。在分蘖期，K100%处理的水稻体内钾素3年平均含量为27.27 g·kg-1，比钾肥减量10%~ 30%的处理高，但差异不显著。在拔节期，水稻茎与叶的钾素含量呈现出K100%>K90%>K80%>K70%>K0的规律，K0处理的水稻茎中的钾素含量显著低于钾肥减量10%~30%的处理。在抽穗期，水稻叶、穗的钾素含量均以K100%的最高，以K0处理的最低，但处理间差异不显著。水稻茎的钾素含量以K80%最高，3年平均含量为31.05 g·kg-1，分别比K100%、K80%、K70%和K0平均高9.21%、2.23%、3.82%和17.76%（P < 0.05）。在成熟期，2017年和2019年水稻茎中钾素含量呈现K100%>K90%> K80%>K70%>K0的规律；K100%处理的水稻叶钾素的3年平均含量最高（13.77 g·kg-1），分别比其他钾肥处理高12.53%、14.47%、18.51%和19.43%（P < 0.05），2018年和2019年穗部钾素含量均以K90%处理最高。
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表 2 水稻植株钾素含量变化（g·kg-1） Table 2 Potassium content in different parts of rice(g·kg-1) |
水稻钾素累积量随水稻生育期的推移而逐渐增加（图 2），在成熟期达到最高值，3年平均为253.42~ 343.16 kg·hm-2。水稻钾素总累积量在分蘖期至拔节期和拔节期至抽穗期增加迅速，而在抽穗期至成熟期增加相对较缓。在抽穗期之前，钾素累积量均以K100%处理的最高，以K0处理的最低，且随钾肥减量幅度的增加而递减。在分蘖期，K100%处理的水稻钾素累积量略高于钾肥减量10%~30%的处理。在拔节期，K100%、K90%、K80%、K70%较K0处理的水稻钾素累积量3年平均提高47.72%、45.38%、33.15%和22.86%。在抽穗期，K100%较K70%处理的水稻钾素累积量3年平均提高了29.50%；K90%与K80%处理间水稻钾素累积量无显著差异。在成熟期，水稻钾素3年平均累积量以K90%处理的最高，比无钾肥处理高30.05%，达显著差异水平，比K100%、K80%、K70%处理的水稻钾素累积量有所提高，但差异不显著。与K100%相比，K90%处理提高钾素累积量1.55%，而K80%和K70%处理分别降低钾素累积量7.49%和13.62%。
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图 2 小麦秸秆还田钾肥减量对水稻不同生育期钾素总累积量和钾素净累积量的影响 Figure 2 Effects of wheat straw incorporation and potassium reduction on the total and net potassium accumulation of rice at different growth stages |
水稻植株体内钾素3年平均净累积量以抽穗期最多，占总累积量的37.92%~47.55%；其次是拔节期，占27.23%~31.08%（图 2）。在分蘖期，不同处理的水稻植株钾素净累积量3年平均为9.48~10.02 g·hm-2，但处理间（K100%~K0）没有显著差异。在拔节期和抽穗期，水稻植株体内钾素净累积量随钾肥减量比例的增加而逐渐降低，在钾肥减量10%~30%时，均低于K100%。在成熟期，水稻植株的钾素净累积量呈现K90% >K80%>K70%>K100%>K0的规律；与K100%相比，K90%、K80%和K70%处理的水稻钾素净累积量分别提高5.13%、1.78%和0.78%。
2.4 钾肥减量对水稻产量及其构成因素的影响2017年水稻产量随钾肥减少呈现先降低后升高的趋势，2018年和2019年水稻产量随钾肥减少呈现先增加后降低的趋势（表 3）。2018年和2019年，不同施钾肥处理的水稻产量呈现K90%>K80%>K100%>K70%>K0的规律，而2017年水稻产量则以K80%处理的最高。从水稻产量构成要素来看，不同施钾肥处理间水稻的有效穗数随钾肥减量比例的增加呈先增加后降低的趋势，但差异不显著（P>0.05）；2017年和2019年，水稻每穗粒数以K90%处理的最高，与K100%和K80%相比差异不显著，与K0相比平均显著提高了17.45%。不同施钾肥处理间水稻的结实率和千粒重无明显差异。3年结果显示，与K100%处理相比，K90%和K80%处理平均提高水稻产量2.19%和2.32%（P>0.05），但是K70%处理降低了水稻产量6.43%（P < 0.05）。
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表 3 小麦秸秆还田钾肥减量对水稻产量及构成的影响 Table 3 Effects of different potassium fertilizer reduced applications on yield components of rice |
小麦秸秆还田后，钾肥减量10%~30%的处理显著影响了水稻钾肥利用率（表 4）。钾肥减量10%~ 30%的处理（K90%、K80%和K70%）使水稻农学效率、偏生产力率和钾肥利用率3年均呈上升的趋势，贡献率维持在14.72%~32.81%。钾肥减量10%处理的农学效率、偏生产力和钾肥利用率3年平均比K100%处理高17.80%、18.36%和17.17%，均达到差异显著，这说明秸秆还田后钾肥适当减量可以显著提高钾肥利用效率。
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表 4 小麦秸秆还田钾肥减量对水稻钾肥利用率及经济效益的影响 Table 4 Effects of different potassium fertilizer reduced applications on utilization rate of potassium and economy |
随着钾肥用量的减少，经济效益呈先逐渐升高后下降的趋势。2017年，减钾20%处理条件下水稻生产获得最大的经济效益；2018年和2019年，减钾10%处理条件下的经济效益最高。当减钾量大于20%时，经济效益呈下降趋势。
3 讨论 3.1 小麦秸秆还田条件下钾肥减量对土壤全钾和速效钾含量的影响本文的研究结果表明，小麦秸秆还田配施钾肥可以显著提高土壤全钾和速效钾含量，进而影响水稻对钾素的吸收利用及产量[16-20]，这与前人的研究结果一致[21-24]。这可能是因为：秸秆腐解过程中钾素以离子态释放，增加了土壤水溶钾和速效钾含量，从而促进了水稻对钾素的吸收和产量的形成[25]。同时，秸秆腐解过程产生的有机酸和氨基酸等物质，可以加速土壤矿物钾的释放，降低缓效钾的固定，从而增加土壤速效钾含量[10, 26]。廖育林等[27]研究表明，化学钾肥和秸秆释放钾素以速效钾或缓效钾形式存在，提高了土壤供钾能力和土壤速效钾在全钾中的比例，有利于水稻吸收。梁成华等[28]研究表明，秸秆还田后产生的腐解液、根系分泌物以及微生物代谢物均可以促进含钾矿物的缓慢溶解，显著提高土壤供钾能力。这与本文秸秆还田配施钾肥能够提高土壤速效钾含量（图 1）的结果一致。
3.2 小麦秸秆还田条件下钾肥减量对水稻植株钾素吸收利用的影响本文结果表明，钾肥减量20%以内，水稻生育前期的钾素含量和累积量差异不显著，在抽穗期以后差异显著（表 2、图 2），这可能是因为，在生育前期，钾肥施用加大了土壤环境中钾离子浓度，促进钾素向水稻根际的迁移[29]，提高水稻对钾素的吸收。同时秸秆腐解可以释放大量速效钾，满足水稻生长前期的钾素需求，维持水稻的钾素吸收。袁嫚嫚等[30]研究表明，在水稻轮作体系下，秸秆还田配施化肥可以提高作物的养分累积量，增加肥料的利用率。张磊等[31]研究表明，在秸秆还田条件下水稻季减少25%钾肥用量，土壤可以保持钾素平衡。本文的结果还表明，随着钾肥施用量的减少，水稻在不同生育时期钾素累积量呈现下降的趋势，尤其是生育后期更为明显，这可能是因为钾肥进入土壤中容易被土壤胶体和有机质吸附，或者被黏粒矿物所固定，降低了水稻对钾素的利用；另一方面秸秆钾素在水稻生育前期大量释放，而在水稻生育后期，籽粒钾向茎叶转移，水稻需钾量下降，且土壤溶液中的秸秆钾和化学钾肥比例下降，导致水稻的钾素吸收下降。谢佳贵等[32]研究表明，秸秆还田条件下钾素不足，对提高作物生育前期的钾素收获指数及回收率有显著影响。Zhao等[33]研究表明，秸秆还田下钾肥亏缺不利于钾肥的利用率以及作物籽粒的吸钾量，这与本文研究结果一致。
3.3 小麦秸秆还田条件下钾肥减量对水稻产量的影响本文结果表明，小麦秸秆还田条件下钾肥减量30%后水稻产量在前两年显著降低。可能的原因是：小麦秸秆还田后钾肥减量30%条件下土壤全钾和速效钾含量在水稻拔节期到抽穗期下降，造成水稻钾素吸收减弱，从而导致产量的下降。Singh等[34]研究表明，水稻在生殖生长阶段需要大量的钾素，水稻抽穗期充足的钾肥供应可以提高水稻籽粒的质量。Huang等[35]研究表明，秸秆还田在氮磷钾肥减量30%的条件下会导致供钾水平不足，作物抗性下降，从而影响产量。此外，充足的钾素可改善水稻土的还原环境，促进水稻根系对Fe3+等养分的吸收，从而实现增产[36-37]。本文研究结果发现，钾肥减量10%~20%条件下水稻产量提升，可能是因为钾肥减量提高了水稻秸秆氮钾比（表 5）。3年内，K90%和K80%的水稻氮钾比平均为0.45和0.43，均高于K100%（0.35）和K（0 0.37），这说明钾肥减量10%~20%更有利于钾在水稻体内的转移，从而提高产量。Zhang等[38]研究认为，水稻高产需要合适的氮钾比，钾肥减量导致氮钾比升高，钾肥过量导致氮钾比过低，均不利于水稻产量形成，而通过合理施用氮磷钾肥能够调节氮钾比例，提高水稻养分吸收，进而促进水稻增产。
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表 5 小麦秸秆还田不同减钾处理下水稻成熟期秸秆（茎叶）氮钾比 Table 5 Effects of potassium reduction on N/K ratio of straw(stem and leaf)in mature stage of rice under wheat straw returning to soil condition |
（1）连续3年小麦秸秆还田条件下，与配方施肥相比（K100%），钾肥减量10%对土壤速效钾素含量影响不显著，但可以提高水稻钾素累积量；钾肥减量20%~ 30%条件下降低了土壤速效钾素含量和水稻钾素累积量；钾肥减量10%~30%均可以提高水稻钾素净累积量。
（2）小麦秸秆还田条件下钾肥减量10%~20%，对水稻产量影响不显著，但可以提高水稻钾素利用率和经济效益，是减肥增效的种植模式。
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