寒地稻秸還田與施鉀肥對土壤水溶性鉀和水稻產(chǎn)量的影響

閆 超，顏雙雙，王家睿，董守坤，龔振平

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

寒地稻秸還田與施鉀肥對土壤水溶性鉀和水稻產(chǎn)量的影響

閆 超，顏雙雙，王家睿，董守坤，龔振平*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

秸稈還田或施鉀肥可增加作物產(chǎn)量，而土壤溶液是作物自土壤吸收養(yǎng)分的主要媒介，養(yǎng)分含量直接反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況。為研究秸稈還田和施鉀肥對水稻生育期間土壤水溶性鉀濃度和產(chǎn)量的影響，小區(qū)試驗設(shè)置高量秸稈還田（S2）、低量秸稈還田（S1）和不還秸稈（S0）三個處理，盆栽試驗在高量秸稈還田（S2）和不還秸稈（S0）基礎(chǔ)上設(shè)置5個鉀肥施用水平。結(jié)果表明，隨著水稻生育時間延長土壤水溶性鉀濃度逐漸降低，對數(shù)方程對土壤溶液中速效鉀的變化動態(tài)擬合效果良好。秸稈還田顯著增加土壤水溶性鉀濃度，隨秸稈還田量增加而增加，增施鉀肥能夠顯著增加土壤水溶性鉀濃度，秸稈還田和施鉀肥并沒有改變水稻生育期間土壤水溶性鉀濃度變化趨勢。秸稈還田和增施鉀肥均能夠增加水稻產(chǎn)量，在鉀肥施用量較低水平，秸稈還田增產(chǎn)作用顯著；秸稈還田量達(dá)到6.25 t·hm-2后繼續(xù)增加秸稈量水稻產(chǎn)量無明顯增加。

水稻；稻秸還田；土壤溶液；水溶性鉀；產(chǎn)量

網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-4-30 14:43:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1443.011.html

閆超,顏雙雙,王家睿,等.寒地稻秸還田與施鉀肥對土壤水溶性鉀和水稻產(chǎn)量的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,46(5):16-21.

Yan Chao,Yan Shuangshuang,Wang Jiarui,et al.Effect of rice straw retention and potassium fertilizer application in cold region on soluble potassium content in the soil solution and rice yield[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015, 46(5):16-21.(in Chinese with English abstract)

秸稈還田可將作物吸收的部分營養(yǎng)元素歸還到土壤中，改善土壤環(huán)境[1-3]，釋放多種養(yǎng)分均可被作物吸收利用。作物吸收的鉀素80%存在于作物秸稈中[4]，而還田秸稈2 d內(nèi)95%鉀離子均可釋放到土壤中[5]，再次被作物吸收利用，是一種重要的速效鉀資源，在一定程度上緩解土壤養(yǎng)分尤其是鉀素耗竭狀況[6]。很多學(xué)者研究認(rèn)為，農(nóng)作物秸稈還田會對土壤肥力產(chǎn)生明顯影響[7-9]，土壤水溶性鉀是作物吸收無機鉀素的主要途徑[6]，秸稈還田或者施鉀肥均可不同程度增加小麥[8]、水稻[5,9]等作物產(chǎn)量。土壤溶液是作物吸收養(yǎng)分的主要途徑[7]，土壤溶液中養(yǎng)分含量直接反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況。刁小林和閆超等研究認(rèn)為，秸稈還田可以增加水田土壤水溶性鉀濃度，但針對秸稈還田和施鉀肥對水田土壤水溶性鉀的變化缺少系統(tǒng)研究[1,3]。本研究通過連續(xù)多年定位小區(qū)試驗和盆栽試驗，系統(tǒng)研究秸稈還田和施鉀肥對水稻生育期間土壤水溶性鉀和水稻產(chǎn)量的影響，為拓寬秸稈還田與合理施用鉀肥研究思路提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗2012～2014年于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地進(jìn)行。該基地位于哈爾濱市，地理坐標(biāo)為東經(jīng)126°22'～126°50'，北緯45°34'～45°46'，屬于寒溫帶大陸性氣候，年降水量500～550 mm，無霜期140 d，≥10℃積溫2 700℃，一年一熟，水稻采用連作方式，土壤為黑土。

1.2 試驗設(shè)計

試驗分為兩部分：a：小區(qū)試驗。于2008～2014年進(jìn)行，其中2008～2011年為預(yù)備試驗，用混凝土筑成2 m×2 m×0.6 m小區(qū)，填入約50 cm深供試土壤。基礎(chǔ)肥力為：有機質(zhì)23.92 g·kg-1，全氮1.48 g·kg-1，全磷0.83 g·kg-1，全鉀21.91 g·kg-1，NH4+-N 14.62 mg·kg-1和NO3--N 30.29 mg·kg-1，速效磷41.95 mg·kg-1，速效鉀130.17 mg·kg-1。試驗設(shè)置秸稈不還田處理（S0），低量還田（S1）和高量還田（S2）三個處理，每個小區(qū)秸稈還田量分別為0 kg（0 t·hm-2）、2.5 kg（6.25 t·hm-2）和5 kg（12.50 t·hm-2），每個處理3次重復(fù)。供試水稻秸稈鉀素含量為（12.2±0.10）g·kg-1，秸稈還田方法是將水稻秸稈截成5 cm左右小段，采用翻埋方式還田。每小區(qū)施尿素（N：46%）120 g（300 kg·hm-2）、磷酸氫二銨（N：18%，P2O5：46%）60 g（150 kg·hm-2）和硫酸鉀（K2O：30%）40 g（100 kg·hm-2），其中50%尿素和全部的磷、鉀肥作基肥施入，另50%尿素在分蘗期追施。每年5月20日翻地，5月25日泡田，5月30日插秧，規(guī)格為30 cm×13 cm×3株·穴-1。插秧前（5月25日～5月30日）保持5～7 cm水層，插秧后1周維持2～3 cm水層，返青期-乳熟期保持5～7 cm水層，待水層消失后灌約5 cm水層。

b.盆栽試驗。于2014年進(jìn)行，采用直徑為35 cm塑料桶，每盆裝土15 kg，土壤基礎(chǔ)肥力為：有機質(zhì)21.42 g·kg-1，全氮1.53 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全鉀25.52 g·kg-1，NH4+-N 10.55 mg·kg-1和NO3--N 42.63 mg·kg-1，速效磷14.97 mg·kg-1，速效鉀137.57 mg·kg-1。每盆插秧3穴，每穴3株。設(shè)置5個施鉀水平，以K0、K1、K2、K3、K4表示，每盆分別施K2SO4（K2O：30%）：0 g（0 kg·hm-2）、0.35 g（50 kg·hm-2）、0.70 g（100 kg·hm-2）、1.05 g （150 kg·hm-2）、1.40 g（200 kg·hm-2），其中K2處理施鉀量與試驗a持平，各處理同時施用尿素：1.05 g （150 kg·hm-2），磷酸氫二銨：1.05 g（150 kg·hm-2），用作基肥，并于水稻分蘗期追施尿素1.05 g（150 kg·hm-2）。試驗分兩組，一組（S2）每盆施水稻秸稈80 g（12.5 t·hm-2），與試驗a高秸稈還田量持平，另一組為不施水稻秸稈（S0），每個處理5次重復(fù)，還田方式及管理措施同試驗a。

1.3 試驗樣品的采集與測定

土壤溶液采集參照刁小林[1]和閆超[3]等所用裝置：主體為30 cm長PVC硬塑管，一端封閉，近封閉端2～3 cm處鉆取等距離細(xì)孔兩個，孔徑2 mm，作為土壤溶液采集孔，土壤溶液收集孔外用紗網(wǎng)包嚴(yán)，防止雜物堵塞進(jìn)水孔，在PVC管另一端鉆取5 mm通氣孔。土壤溶液滲入孔位于土層10 cm深處，采集10 cm土層處土壤溶液。在每個試驗小區(qū)中安置兩個取樣管，每盆插入一個取樣管，為確保試驗裝置中溶液為當(dāng)天滲入的土壤溶液，在取樣前一天將取樣管中在取樣間歇期已滲入的土壤溶液抽凈，并蓋上橡膠塞防止雨水及雜物落入管內(nèi)，第2天進(jìn)行取樣。

于水稻插秧后10 d進(jìn)行土壤溶液取樣，以后每隔5～10 d取樣1次，采集的土壤溶液存放在塑料瓶中，并迅速放置于冰柜中冷凍保存，待測。

1.4 測定與分析方法

土壤水溶性鉀測定采用火焰光度法[10]。

采用SPSS 19.0和Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對水稻生育期間土壤水溶性鉀影響

圖1為連續(xù)三年監(jiān)測水稻生育期間土壤水溶性鉀濃度的變化，經(jīng)多年連續(xù)觀測結(jié)果表明：水稻插秧后40 d內(nèi)土壤水溶性鉀濃度較高，隨著水稻生育時間延長，土壤水溶性鉀濃度逐漸降低；秸稈還田對土壤水溶性鉀濃度的影響在水稻插秧后40 d內(nèi)更明顯，水稻插秧后10～40 d內(nèi)土壤水溶性鉀濃度，高低順序表現(xiàn)為：高量秸稈還田處理（S2）＞低量秸稈還田處理（S1）＞不還秸稈處理（S0）。插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度與秸稈還田量之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.965；回歸方程為：y=2.589x+2.826?？梢?，秸稈施入量每增加1 kg·m-2則插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度增加2.589 mg·L-1。

圖1 水稻生育期間土壤水溶性鉀濃度的變化Fig.1 Change of K+concentration in the soil solution during rice growth

基于2012～2014年土壤水溶性鉀濃度的變化規(guī)律，對其進(jìn)行方程擬合，其結(jié)果見表1。對數(shù)方程均擬合效果良好，對數(shù)方程用于模擬和推算隨水稻生育時間推移土壤水溶性鉀濃度的變化，效果良好。

表1 不同秸稈還田處理土壤溶液中水溶性鉀濃度與插秧后天數(shù)的擬合Table 1 Fitted equation of days after transplanting under different straw retention and K+concentration in the soil solution

2.2 鉀肥施用量對水稻生育期間土壤水溶性鉀的影響

小區(qū)試驗結(jié)果表明，秸稈還田增加水稻生育期間土壤水溶性鉀濃度，對水稻插秧后0～40 d期間影響顯著（見圖1）。因此，在盆栽試驗中水稻插秧后10～30 d每隔5 d取樣1次，結(jié)果顯示隨施肥量增加土壤水溶性鉀濃度顯著增加，插秧后40～70 d各施肥量處理間差異不顯著。施秸稈（S2）明顯增加各施鉀肥處理土壤水溶性鉀濃度，對其動態(tài)變化的影響與小區(qū)試驗一致（見圖1、2）。

在秸稈還田（S2）和秸稈不還田（S0）條件下，插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度與鉀肥施用量間呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.996和0.981，秸稈還田（S2）處理下，回歸方程為：y=0.014x+6.32，鉀肥施用量每增加1 kg·hm-2，則插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度增加0.014 mg·L-1。秸稈不還田處理的回歸方程為：y=0.016x+2.78，鉀肥施用量每增加1 kg·hm-2，則插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度增加0.016 mg·L-1。

基于盆栽試驗中土壤水溶性鉀濃度隨水稻生育時間延長的變化而進(jìn)行方程擬合，結(jié)果見表2。由表2可知，對數(shù)方程能良好擬合土壤水溶性鉀濃度隨水稻生育時間延長的變化規(guī)律。

2.3 秸稈還田對水稻產(chǎn)量的影響

表3是小區(qū)試驗（試驗a）各處理水稻產(chǎn)量結(jié)果。隨秸稈還田量增加，水稻產(chǎn)量有增加趨勢，高量還田處理（S2）和低量還田處理（S1）的水稻產(chǎn)量均高于秸稈不還田處理（S0）（P＜0.05），產(chǎn)量增加量達(dá)到13.08%和8.68%，但是S2處理與S1處理水稻產(chǎn)量間差異不顯著。

圖2 不同施肥量土壤水溶性鉀濃度的變化Fig.2 Change of K+concentration in the soil solution under different potassium application rate

表2 不同施鉀肥處理土壤水溶性鉀濃度與插秧后天數(shù)的擬合Table 2 Fitted equation of days after transplanting under different potassium application rate and K+concentration in the soil solution

表3 不同秸稈還田處理下水稻產(chǎn)量Table 3 Yield of rice under different straw retention treatments (kg·m-2)

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤溶液中水溶性鉀濃度變化

通過小區(qū)試驗和盆栽試驗觀察發(fā)現(xiàn)，隨水稻生育時間延長土壤水溶性鉀濃度逐漸降低，而秸稈還田則增加水稻生育期間土壤水溶性鉀濃度，特別是水稻生育前期（插秧后10～40 d）增加明顯，保證水稻生長發(fā)育前期所需的速效鉀供應(yīng)；在水稻生育中后期（插秧40 d后）秸稈還田對土壤水溶性鉀濃度的影響逐漸降低。孫偉紅等研究發(fā)現(xiàn)秸稈在腐解過程中主要以速效鉀形態(tài)補充土壤溶液鉀含量，所以增施秸稈可以顯著增加土壤速效鉀濃度[11]，而戴志剛等研究發(fā)現(xiàn)還田秸稈中鉀素釋放最快，以離子態(tài)存在于土壤溶液中，易被作物吸收[12-13]。兩組試驗中，對數(shù)方程對土壤水溶性鉀濃度的擬合效果良好，對數(shù)方程能夠很好地擬合出土壤水溶性鉀隨著水稻生育時間延長變化規(guī)律。但盆栽試驗中土壤水溶性鉀濃度明顯高于小區(qū)試驗，存在上述差異的原因，可能是由于盆栽試驗與小區(qū)試驗條件差異所致，土壤溶液中速效鉀濃度更高所致。譚德水等研究發(fā)現(xiàn)施鉀肥和秸稈還田能夠不同程度增加土壤中速效鉀含量[8]。施鉀肥能夠增加土壤水溶性鉀濃度，隨著鉀肥施用量增加土壤水溶性鉀濃度逐漸增加，但未改變其隨水稻生育時間變化動態(tài)規(guī)律。秸稈還田增加土壤水溶性鉀濃度，但也未改變土壤水溶性鉀濃度隨時間變化規(guī)律。

本試驗中插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度與秸稈還田量之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.965；回歸方程為：y=2.589x+2.826。高量秸稈還田處理（S2）相當(dāng)于增加插秧后10 d土壤溶液中3.24 mg·L-1的水溶性鉀濃度，實際增加量為3.23 mg·L-1；低量秸稈還田處理（S1）相當(dāng)于增加土壤溶液中1.62 mg·L-1的水溶性鉀濃度，實際增加量為0.82 mg·L-1，此差異存在可能是由于秸稈還田量較少時與土壤水溶性鉀濃度之間存在非線性關(guān)系。在秸稈還田（S2）和秸稈不還田（S0）條件下，插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度與鉀肥施用量間呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.996和0.981，秸稈還田（S2）處理下，回歸方程為y=0.014x+6.32，鉀肥施用量每增加1 kg·hm-2，則插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度增加0.014 mg·L-1。秸稈不還田處理的回歸方程為：y=0.016x+2.78，鉀肥施用量每增加1 kg·hm-2，則插秧后10 d土壤水溶性鉀濃度增加0.016 mg·L-1。施鉀肥能夠顯著增加土壤水溶性鉀濃度，譚德水和勞秀榮等在長期不施任何鉀肥條件下研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與氮磷肥配施對提高土壤速效鉀的效果顯著[8,14]。

3.2 水稻產(chǎn)量變化

作物產(chǎn)量、土壤肥力水平及其變化趨勢是衡量系統(tǒng)可持續(xù)性的重要指標(biāo)[15]，本研究結(jié)果顯示秸稈還田和增施鉀肥均能夠顯著增加土壤水溶性鉀濃度和水稻產(chǎn)量，連續(xù)多年秸稈還田處理水稻產(chǎn)量始終高于不還秸稈處理。高量秸稈還田處理（S2）水稻產(chǎn)量平均增產(chǎn)13.08%，低量秸稈還田處理(S1)水稻產(chǎn)量平均增產(chǎn)8.68%，但S2與S1之間水稻產(chǎn)量無顯著性差異，說明秸稈還田可明顯增加水稻產(chǎn)量，施加秸稈量達(dá)到6.25 t·hm-2后，持續(xù)增加還田秸稈量，水稻產(chǎn)量無明顯增加。施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上增加作物產(chǎn)量最直接的手段[11-13]，本研究中秸稈還田處理改變土壤水溶性鉀素的供應(yīng)情況，間接對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生影響。說明，秸稈還田對水稻產(chǎn)量影響在土壤水溶性鉀濃度供應(yīng)相對不足情況下影響更明顯，速效鉀濃度充足情況下則無明顯差別。

本研究通過連續(xù)三年的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈還田處理對土壤水溶性鉀的影響較為明顯，秸稈還田可代替部分鉀肥，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。但秸稈還田對土壤溶液養(yǎng)分影響過程復(fù)雜，不能簡單地將水稻產(chǎn)量增加歸于土壤溶液中鉀素濃度增加。關(guān)于秸稈還田對土壤及土壤溶液養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量的影響，將在后續(xù)試驗中繼續(xù)監(jiān)測并進(jìn)行多方向分析。

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Effect of rice straw retention and potassium fertilizer application in cold region on soluble potassium content in the soil solution and rice yield

YAN Chao,YAN Shuangshuang,WANG Jiarui,DONG Shoukun,GONG Zhenping(School of Agriculture,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

Straw retention or potassium fertilizer application can increase crop yield,and soil solution is the main way to absorb nutrients from soil for crop,the level of nutrient content in the soil solution can directly reflect soil nutrient supply situation.To study the effects of straw retention and potassium fertilizer application on soluble potassium content in the soil solution and yield during rice growth,the plot experiment set three treatments:high amount of straw retention(S2),low amount of straw retention(S1)and straw removal(S0).The pot experiment set five potassium fertilizer application levels,and the experiment was divided into two subgroups:high amount of straw retention(S2),straw removal(S0).The results showed that the soluble potassium content in the soil solution decreased with the rice growth,logarithmic equation could well fit the soluble potassium changes in the soil solution.The soluble potassium content in the soil solution significantly increased with straw retention,and increased with the increasing amount of straw retention.With the increasing of potassium fertilizer application,the soluble potassium in the soil solution significantlyincreased,straw retention and potassium fertilizer application did not affect the trend of soluble potassium changes during rice growth.Straw retention and increasing potassium fertilizer could increase rice yield, straw retention could significantly increase rice yield in the low level of potassium application.There was no significant increase in rice yield when the amount of straw retention reached 6.25 t·hm-2.

rice;rice straw retention;soil solution;soluble potassium;yield

S155.2＋6；S511

A

1005-9369（2015）05-0016-06

2015-01-18

國家科技支撐計劃（2012BAD14B06）

閆超（1987-），男，博士研究生，研究方向為秸稈還田和保護(hù)性耕作。E-mail：yanchao504@126.com

龔振平，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為保護(hù)性耕作和大豆生理。E-mail：gzpyx2004@163.com