秸稈還田配施鉀肥對稻-油輪作產(chǎn)量及土壤團聚體鉀分布的影響

濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心(長江大學(xué))，湖北 荊州 434025 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025 (湖北省荊州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北 荊州 434025) 濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心(長江大學(xué))，湖北 荊州 434025 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025

作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，含有豐富的有機碳和礦質(zhì)元素。秸稈直接還田在土壤微生物的作用下經(jīng)過復(fù)雜的礦化和腐殖化過程，形成腐殖質(zhì)并釋放養(yǎng)分，如氮、鉀和中微量元素等[1]。已有學(xué)者就秸稈還田對土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的影響進行了研究，基本明確了秸稈還田在提高土壤肥力和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境方面的積極作用[2～5]。尤其是我國南方，土壤以1∶1型硅酸鹽礦物、過渡礦物和鐵鋁氧化物為主，其有效鉀含量普遍較低，秸稈還田配施鉀肥可顯著增加土壤有效鉀含量，彌補農(nóng)田鉀素虧缺；而作物秸稈腐解后所形成的腐殖質(zhì)，不僅能夠膠結(jié)土壤粘粒，形成較大的土壤顆粒，還可以形成礦物-有機復(fù)合體吸附外源鉀離子，減少土壤鉀損失[6～8]。土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其組成及穩(wěn)定性直接影響土壤通透性、微生物的生存環(huán)境和礦質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)[9]。劉威[10]研究發(fā)現(xiàn)通過免耕+秸稈覆蓋和秸稈翻壓還田均有利于小粒徑團聚體向較大粒徑團聚體轉(zhuǎn)化，增加>0.25mm粒徑水穩(wěn)性團聚體的含量。然而，不同粒級團聚體的物理、化學(xué)特性以及養(yǎng)分保持、供應(yīng)能力也存在一定差異，這關(guān)系著作物根系對土壤顆粒表面和溶液中養(yǎng)分的吸收與利用。目前，有關(guān)不同土層及其粒徑團聚體對作物有效鉀的供應(yīng)能力和規(guī)律還不太明確，尤其缺乏長期耕作條件下的科學(xué)評估。稻-油輪作作為水旱輪作區(qū)主要的耕作制度，對土壤鉀素的需求量較大，通過科學(xué)施用鉀肥和積極開展秸稈還田歸還秸稈鉀素到土壤，能夠彌補因作物收獲帶走的鉀素虧缺，并維持農(nóng)田供鉀的可持續(xù)性。為此，筆者從2011年在典型稻作區(qū)江漢平原設(shè)置田間試驗，研究秸稈還田(+S)和鉀肥施用(+K)對水稻-油菜輪作系統(tǒng)產(chǎn)量、土壤團聚體速效鉀分布的影響，以期為水旱輪作鉀素優(yōu)化施用和科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為鄂科1號，油菜品種為華油雜62。供試肥料品種為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)和硼砂(B 11%)。

1.2 試驗方法

田間試驗地點位于湖北省荊州區(qū)川店鎮(zhèn)雙店村(N 30°33′25″，E 112°4′53″，海拔80m)，為河流沖積物發(fā)育而成的水稻土，屬粉質(zhì)黏壤土，常年為中稻-冬油菜輪作制度。耕層(0～20cm)土壤基本性質(zhì)為：pH 5.97、有機質(zhì)含量26.9g/kg、全氮含量0.61g/kg、速效磷含量8.1mg/kg和速效鉀含量164.8mg/kg。

田間定位試驗始于2011年水稻季，采用中稻和冬油菜一年兩熟制種植方式[7]。研究選取其中4個處理：不施鉀(-K)、鉀肥施用(+K)、秸桿還田(+S)、秸桿還田配施鉀肥(S+K)，其中K和S分別表示鉀肥施用和秸稈還田。根據(jù)測土配方和肥效試驗確定該地區(qū)水稻和冬油菜的N、P2O5、K2O用量分別為180、60、90kg/hm2，冬油菜季增施硼肥(硼砂)15kg/hm2。2011～2016年度，水稻和油菜均采用移栽方式，移栽密度為20.8×104蔸/km2和11.3×104株/km2。水稻季氮肥分3次施用，按基肥∶蘗肥∶穗肥=50%∶25%∶25%施用，磷、鉀肥一次性基施；冬油菜氮肥分3次施用，60%作基肥，越冬期和蕾薹期各追施20%，磷、鉀和硼肥一次性基施。2017～2018年度，水稻和冬油菜改為直播方式，播種量分別為75kg/hm2和4.5kg/hm2。水稻和油菜的氮肥60%作基施，40%作分蘗肥(越冬肥)，磷鉀硼施肥方式不變。2011年水稻季還田秸稈為油菜秸稈，投入量4500kg/hm2，秸稈鉀素(K2O)表觀還田量約98.6kg/hm2。

圖1 2011～2018年稻-油輪作試驗區(qū)月均氣溫和降雨量

小區(qū)面積20m2(5m×4m)，3次重復(fù)，完全隨機區(qū)組排列。小區(qū)間用寬30cm、高30cm的土埂隔開，上覆塑料薄膜。田間管理按照當(dāng)?shù)貙嶋H生產(chǎn)，并適時進行病蟲害防控。2011～2018年試驗期間該區(qū)域的月均氣溫和降雨量如圖1所示。

2018年5月冬油菜收獲后，采集4個處理(0～10、10～20、20～30、30～40cm)的土層樣品。各小區(qū)采集4個樣點，按照“四分法”取1kg帶回實驗室，剔除雜物，掰成小塊，原狀風(fēng)干，取部分樣品過0.85mm篩孔，保存。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 作物產(chǎn)量

每年收獲季各小區(qū)的水稻和冬油菜單打、單收、分別記實產(chǎn)。

1.3.2 土壤團聚體分級

采用濕篩法獲取不同粒徑的團聚體，具體方法如下：將不銹鋼套篩按孔徑由大到小順序依次套牢，稱取300g原狀土樣置于套篩頂層，放入水桶中，之后將套篩固定在團聚體分析儀上，淹水靜置30min。以振幅3cm、30次/min頻率震蕩5min，將各級篩子內(nèi)殘留土壤團聚體洗入燒杯中，45℃條件下烘干、稱重并保存。依次獲取>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25mm 6種粒徑的土壤團聚體。

1.3.3 土壤各形態(tài)鉀含量測定

土壤樣品分別采用去離子水和1mol/L的NH4OAc溶液浸提水溶鉀和速效鉀，采用火焰光度計法測定鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016處理和作圖，利用SPSS 17.0軟件進行方差和交互作用分析，采用LSD法檢驗P<0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施鉀肥對輪作系統(tǒng)產(chǎn)量的影響

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，圖3～6同。 圖2 2011～2018年稻-油輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量變化

圖2結(jié)果表明，各處理間存在著顯著差異，以秸稈還田配施鉀肥(S+K)處理的產(chǎn)量最高；同時，產(chǎn)量變化也受年份的影響。與不施鉀(-K)相比，第1季鉀肥施用(+K)和秸稈還田(+S)對水稻的增產(chǎn)效果不明顯，經(jīng)2輪輪作后，增產(chǎn)效果較為明顯，但年際間各處理產(chǎn)量有一定變幅。產(chǎn)量變異系數(shù)介于13.0%～13.4%之間。對于后茬作物冬油菜，在第1季鉀肥施用或者秸稈還田就有顯著的增產(chǎn)效果，且各處理年際間產(chǎn)量變幅相對水稻較小，產(chǎn)量變異系數(shù)介于5.1%～5.8%之間。

與不施鉀處理(-K)相比，施鉀處理的水稻和油菜年均產(chǎn)量分別為1.2t和0.1t，增幅分別為12.5%和5.6%，表明長期鉀肥施用(+K)能夠維持較高的作物產(chǎn)量。秸稈還田(+S)與鉀肥施用(+K)相比，冬油菜增產(chǎn)效果優(yōu)于水稻，表明秸稈還田有利于旱地作物，而鉀肥利于水田作物。4個處理中，以秸稈還田配施鉀肥(S+K)處理的水稻和冬油菜產(chǎn)量最高，比對照年均增加1.7t和0.3t，增幅分別達到17.7%和16.6%，增產(chǎn)效果表現(xiàn)為水稻季>油菜季。

2.2 秸稈還田配施鉀肥對耕層有效鉀含量的影響

從圖3可以看出，油菜收獲后不施鉀(-K)處理0～10、10～20、20～30、30～40cm土層的水溶鉀含量分別為15.5、13.5、18.1、19.3mg/kg，這表明作物吸收的鉀離子主要來自表層土壤溶液。施用鉀肥和秸稈還田能有效補充不同土層的水溶鉀含量，尤以秸稈還田配施鉀肥(S+K)處理的效果最為明顯。

同樣，對于不同土層的速效鉀含量，長期不施用鉀肥時，表層0～10cm和10～20cm土層速效鉀含量下降最為顯著，比施用鉀肥處理分別減少54.8mg/kg和28.7mg/kg，而秸桿還田(+S)和秸稈還田配施鉀肥(S+K)處理各土層土壤速效鉀含量均高于施鉀處理。此外，隨著土層的加深，各處理速效鉀含量逐漸增加，處理間差額逐漸縮小。然而，與耕層初始速效鉀含量(164.8mg/kg)相比，經(jīng)過8a的輪作，鉀肥施用(+K)不能維持土壤供鉀水平，而秸稈還田配施鉀肥(S+K)則可以增加各土層的速效鉀含量，提高供鉀能力。

2.3 秸稈還田配施鉀肥對不同土層團聚體分布的影響

圖3 2018年不同深度土壤的水溶鉀和速效鉀含量

長期輪作和施肥處理顯著影響各土層團聚體的分布狀態(tài)。由圖4可知，隨著土壤深度的增加，大粒徑(>5mm、2～5mm和1～2mm)團聚體所占比例明顯降低，而<0.25mm粒徑的團聚體比例則顯著提高；而0.5～1mm和0.25～0.5mm粒徑的土壤團聚體比例的變化規(guī)律不明顯。此外，與不施鉀(-K)和鉀肥施用(+K)處理相比，圖4結(jié)果也反映出在相同層次下長期進行秸稈還田有助于減少<0.25mm粒徑團聚體比例，促進較大粒徑團聚體的形成。

具體來看，與不施鉀(-K)相比，在0～10cm處，鉀肥施用(+K)處理>5mm粒徑團聚體的比例明顯增加，秸稈還田(+S)處理和秸稈還田配施鉀肥(S+K)處理亦是如此；其他粒徑團聚體比例均呈小幅下降趨勢，但處理間并不顯著。在10～20cm處，鉀肥施用(+K)處理0.5～1mm粒徑團聚體比例明顯增加，其他粒徑比例無顯著性差異。在20～30cm和30～40cm土層，各處理均以<0.25mm粒徑團聚體為主，其次是中間粒徑(0.25～0.5mm和0.5～1mm)，大粒徑團聚體分布較少。

圖4 2018年不同深度土壤的團聚體分布

2.4 秸稈還田配施鉀肥對團聚體速效鉀含量的影響

土壤團聚體速效鉀含量因粒徑和處理有所差異，尤其秸稈還田配施鉀肥(S+K)對各土層團聚體速效鉀含量的影響最為明顯，其次是處理內(nèi)各粒徑間(見圖5)。整體而言，各粒徑速效鉀含量表現(xiàn)為秸稈還田配施鉀肥(S+K)>秸稈還田(+S)、鉀肥施用(+K)>不施鉀(-K)和小粒徑(<0.25mm)團聚體速效鉀含量>中粒徑(1～2、0.5～1、0.25～0.5mm)團聚體速效鉀含量>大粒徑(>5、2～5mm)團聚體速效鉀含量。

與不施鉀處理相比，0～10cm和20～30cm土層秸稈還田配施鉀肥(S+K)處理的速效鉀含量最高，其>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25mm粒徑團聚體速效鉀含量分別為168.2、203.4、223.0、224.8、230.5、229.6mg/kg和168.5、166.9、181.8、236.3、250.9、202.6mg/kg，增幅平均達到100%。

2.5 不同土層團聚體速效鉀含量平衡狀態(tài)

通過秸稈還田(+S)、鉀肥施用(+K)、秸稈還田配施鉀肥(S+K)和對照不施鉀(-K)處理團聚體及各粒徑速效鉀含量得出施肥處理的團聚體速效鉀平衡[11]，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，0～10cm和10～20cm土層各粒徑團聚體的速效鉀平衡變幅最為明顯，其次是20～30cm和30～40cm。另外，處理內(nèi)各粒徑團聚體的速效鉀平衡存在顯著性差異，尤以<0.25mm粒徑的團聚體速效鉀平衡值最高，表明鉀肥施用(+K)或者秸稈還田(+S)主要影響耕層有效鉀平衡并顯著提高小粒徑團聚體速效鉀的平衡值。

3 討論

3.1 長期秸稈還田配施鉀肥對稻-油輪作產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是農(nóng)田土壤生產(chǎn)力的綜合反映[12]，研究結(jié)果顯示，在中等供鉀能力下，該試驗區(qū)的水稻和油菜依然可以達到較高的年均產(chǎn)量水平，即9.6t/hm2和1.8t/hm2，但隨著輪作年限的延長，水稻和油菜對土壤缺鉀反應(yīng)存在顯著差異。通過相關(guān)分析可知，水稻產(chǎn)量、油菜產(chǎn)量與輪作年限的線性擬合方程分別為y=0.0996x+9.22(R2=0.025)和y= -0.006x+1.84(R2=0.013)，表明連續(xù)8a不施用鉀肥水稻仍然可以持續(xù)高產(chǎn)；而油菜產(chǎn)量則呈逐漸下降的趨勢，尤其經(jīng)過3次輪作后降幅較為明顯。通過科學(xué)的養(yǎng)分管理改善作物干物質(zhì)量的積累和分配是提高作物產(chǎn)量的重要原因[13,14]。王會斌等[15]研究表明，無論是秸稈半量還是全量還田，水稻籽粒產(chǎn)量均顯著提高。劉曉霞等[16]連續(xù)4a的秸稈還田試驗表明，秸稈還田是提高土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的有效途徑，并且秸稈還田對作物增產(chǎn)和耕地質(zhì)量的提升效應(yīng)隨著實施年限的增加而越發(fā)突出，這從研究產(chǎn)量的方差分析結(jié)果可以得到證實。從多年產(chǎn)量的變化來看，水稻季施用鉀肥的增產(chǎn)效果優(yōu)于秸稈還田處理，而冬油菜季則是秸稈還田處理的增產(chǎn)幅度明顯高于鉀肥施用處理，尤以秸稈還田配施鉀肥的增產(chǎn)效果最佳。這可能與秸稈在水田和旱地的腐解特征及正負效應(yīng)有關(guān)[7,10,17]。

圖5 2018年不同深度土壤團聚體的速效鉀含量分布

此外，與秸稈不還田、單施鉀肥相比，秸稈還田往往會造成秸稈在土壤表面分布不均，尤其在水田整地或者還田秸稈量較大時，造成部分秸稈堆積，阻礙種子與土壤的有效接觸，影響幼苗生長發(fā)育，甚至造成田塊連片缺苗、死苗的現(xiàn)象。隨著高產(chǎn)作物品種的推廣，短期內(nèi)單位面積耕地還田秸稈數(shù)量過大，不能及時腐解轉(zhuǎn)化成土壤有機質(zhì)，大量木質(zhì)素、纖維素等高碳物質(zhì)殘留在土壤中不但增大了土壤碳氮比，也影響幼苗對土壤的氮素吸收。因此，為保證直播作物產(chǎn)量，應(yīng)適當(dāng)增加播種量10%～20%，以保證出苗率和種植密度[18]。

注：速效鉀平衡=鉀肥施用(+K)、秸稈還田(+S)、秸稈還田配施鉀肥(S+K)處理各粒徑團聚體含量×速效鉀含量-不施鉀(-K)處理各粒徑團聚體含量×速效鉀含量。圖6 2018年土壤各粒級團聚體速效鉀平衡

3.2 長期秸稈還田配施鉀肥對土壤團聚體速效鉀的影響

不同的耕作方式和秸稈還田均會對農(nóng)田土壤團聚體的含量和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。長期免耕處理可明顯提升表層和亞表層土層的大團聚體和中粒團聚體含量[1,6]。這是因為相比翻耕，免耕有利于保護團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而通過秸稈翻壓還田可將土壤中微團聚體膠結(jié)成大團聚體，且處于分解狀態(tài)的作物根系和微生物菌絲也可通過纏繞作用直接形成大團聚體[9]。鉀肥施用雖然對土壤團聚體結(jié)構(gòu)沒有直接影響，但通過增加根系物質(zhì)量和改善土壤孔徑，依然能間接影響團聚體分布，尤其顯著影響團聚體組分中的非交換性鉀和交換性鉀含量[10,11]。從圖4和圖5的結(jié)果可以看出施鉀處理的0.5～1mm粒徑的團聚體比例明顯增加，秸稈還田和鉀肥施用均可有效增加各粒徑團聚體中的速效鉀含量，但差異不顯著。劉開樓等[2]在紅壤上的研究也表明化肥配施豬糞處理的鉀素供應(yīng)能力主要體現(xiàn)在>2、1～2、0.5～1mm粒徑團聚體組分。通過施用有機肥可調(diào)控土壤團聚體組分，即增加>0.25mm粒徑團聚體組分可有效提升土壤供鉀能力。

該研究結(jié)果是基于油菜收獲后采集的土壤樣品。然而，朱丹丹等[19]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在稻-油輪作茬口期，作物秸稈和根茬對土壤鉀素系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生影響，不僅增加速效鉀含量，也會增加緩效鉀含量。土壤速效鉀含量在茬口空閑期存在普遍反彈的現(xiàn)象，即作物收獲后的土壤速效鉀含量處于最低水平，之后呈恢復(fù)態(tài)勢。收獲期的土壤養(yǎng)分含量并不能真實反映土壤的持續(xù)供鉀能力[20]。因此，有必要就輪作茬口期進一步探究秸稈還田配施鉀肥對各土層團聚體速效鉀含量的動態(tài)變化影響，從而更科學(xué)地評估稻田供鉀能力。

4 結(jié)論

長期秸稈還田配施鉀肥可顯著增加中鉀供應(yīng)能力稻田的水稻和冬油菜產(chǎn)量，且增產(chǎn)效果表現(xiàn)為水稻季秸稈還田配施鉀肥(S+K)>鉀肥施用(+K)>秸稈還田(+S)>不施鉀(-K)，油菜季則為秸稈還田配施鉀肥(S+K)>秸稈還田(+S)>鉀肥施用(+K)>不施鉀(-K)。與不施鉀相比，連續(xù)秸稈還田(+S)或者鉀肥施用(+K)可不同程度地改善各土層團聚體分布、提高團聚體速效鉀含量，尤以<0.25 mm粒徑團聚體最為明顯。然而，隨著輪作年限的延長和作物籽粒鉀素收獲，與土壤速效鉀含量初始值相比，表層土壤速效鉀含量持續(xù)下降，通過秸稈還田配施鉀肥可彌補農(nóng)田鉀素虧缺并提高各粒徑土壤團聚體速效鉀含量，維持土壤供鉀能力的可持續(xù)性。