潮土區(qū)小麥—玉米輪作周年秸稈還田及施鉀效應(yīng)研究

魏建林 崔榮宗 江麗華 李燕 李國生 李放 劉道玲 譚德水

摘要：在山東省西部潮土區(qū)研究了小麥-玉米周年輪作模式下連續(xù)兩年4個種植茬口秸稈全還田和施用鉀肥對耕層土壤鉀素狀況、作物產(chǎn)量及土壤-作物系統(tǒng)鉀素平衡的影響。結(jié)果表明：定位兩年后，秸稈還田及施用鉀肥均可不同程度地提高土壤速效鉀和緩效鉀含量，其中秸稈還田配施鉀肥（NPKst）處理提高幅度最大；小麥或玉米產(chǎn)量各個茬口均以NPKst處理最高，不施鉀肥秸稈不還田（NP）處理最低。施用鉀肥小麥平均增產(chǎn)8.03%，玉米平均增產(chǎn)2.92%；秸稈還田條件配合施用鉀肥，小麥平均增產(chǎn)14.13%，玉米平均增產(chǎn)6.99%。施用鉀肥秸稈不還田（NPK）處理和NPKst處理第一種植季的鉀肥當(dāng)季回收率分別為31.8%、24.4%，4個種植季鉀肥累計回收率分別為39.2%、25.3%。定位兩年后，單施鉀肥處理（NPK）土壤鉀素平衡達(dá)到-481.2 kg/hm2，秸稈還田配施鉀肥處理（NPKst）土壤鉀素平衡達(dá)到74.2 kg/hm2。為實現(xiàn)化肥使用量零增長目標(biāo)，秸稈還田配施鉀肥是維持潮土土壤鉀素持續(xù)供應(yīng)的有效措施。

關(guān)鍵詞：施鉀；秸稈還田；作物產(chǎn)量；土壤鉀素

中圖分類號：S158 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2018）09-0061-06

Abstract A field experiment was conducted under the wheat-maize annual rotation model in the fluvo-aquic region of western Shandong Province. The experiment continued for two years to investigate the effects of all straw returning and potassium fertilization （NPKst）on the potassium status， crop yield， and potassium balance in the soil-crop system. The results after two years of positioning showed that the straw returning and application of potassium fertilizer could increase the content of available potassium and slow-acting potassium in different degrees， of which，the NPKst treatment had the largest increase. The yield of wheat or maize was the highest under the NPKst treatment and the lowest under the NP treatment with no straw returning and no potassium application. In the case of only applying potassium fertilizer（NPK）， the average yield of wheat and maize increased by 8.03% and 2.92%， respectively；but when combined with the straw returning，that increased by 14.13% and 6.99%， respectively. The recovery rates of potash fertilizer of NPK treatment and NPKst treatment at the first planting season were 31.8% and 24.4%， respectively. The cumulative recovery rates of the NPK and NPKst treatments in the four planting seasons were 39.2% and 25.3%， respectively. After two years， the potassium balance in soil reached -481.2 kg/hm2 under the NPK treatment and 74.2 kg/hm2 under the NPKst treatment. To achieve the goal of zero growth in the amount of chemical fertilizer， returning straw into field and applying potassium fertilizer simultaneously should be an effective measure to maintain the continuous supply of potassium in fluvo aquic soil.

Keywords Potassium application； Straw returning； Crop yield； Soil potassium

鉀素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量的一個重要限制因子。我國鉀礦儲備有限，鉀肥主要依靠進(jìn)口。作物施鉀與否主要取決于鉀肥價格的變化，受制于外來因素較多，在鉀肥資源匱乏及國際嚴(yán)峻形勢下，尋求不同方式的鉀素替代技術(shù)和產(chǎn)品是生產(chǎn)所需。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度及復(fù)種指數(shù)較高，在氮、磷肥供應(yīng)較充足的情況下，缺鉀土壤面積、作物種類在擴(kuò)大[1]。

小麥玉米一年兩熟輪作制度是我國糧食生產(chǎn)重要且典型的種植模式。小麥玉米秸稈也是豐富的鉀素資源，小麥吸收的鉀素大約85%存在于秸稈中。秸稈還田是緩解土壤鉀素肥力下降，維持耕地質(zhì)量的一項重要措施。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，作物收獲后秸稈還田成為必然趨勢，特別是在黃淮海地區(qū)小麥玉米輪作制度下，小麥秸稈還田已被普遍接受，玉米秸稈還田面積也逐步增大[2]。秸稈還田將增加土壤速效鉀含量，有利于耕地質(zhì)量的提高[3，4]。前人多從作物秸稈還田對土壤改良和有機(jī)質(zhì)提高上進(jìn)行研究[5]，而對于小麥玉米周年全還田條件下鉀素的動態(tài)變化鮮有報道，同時秸稈還田對鉀肥的替代產(chǎn)量效應(yīng)不甚清晰[6-14]。基于這種狀況，本研究在山東省西部潮土區(qū)設(shè)置了小麥玉米輪作模式下秸稈還田定位試驗，以期評估當(dāng)?shù)厣a(chǎn)條件下秸稈還田鉀素動態(tài)變化特征和產(chǎn)量效應(yīng)，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鉀肥的合理施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗地點位于山東省聊城市東阿縣，屬于魯西黃河沖積平原，處于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.4℃，年平均降水量563.3 mm，水澆條件良好。小麥玉米輪作是當(dāng)?shù)氐闹饕N植模式。土壤類型為潮土，質(zhì)地輕壤。2015年6月玉米試驗前0～30 cm土層土壤基本理化性狀： 有機(jī)質(zhì)含量11.58 g/kg、堿解氮61.63 mg/kg、有效磷19.37 mg/kg、速效鉀82.5 mg/kg、緩效鉀657.5 mg/kg，pH值 8.1。

1.2 試驗設(shè)計

采用大田小區(qū)試驗方法。自2015年6月玉米種植季始，小麥玉米輪作模式下連續(xù)2年共4季作物。試驗設(shè) 4 個處理： （1）不施鉀肥秸稈不還田（NP）；（2）施用鉀肥秸稈不還田（NPK）；（3）不施鉀肥秸稈還田（NPst）；（4）施用鉀肥秸稈還田（NPKst）。玉米種植季相應(yīng)處理化肥投入： N 150 kg/hm2和 P2O5 36 kg/hm2，施鉀處理施用K2O 54 kg/hm2（為測土配方施肥當(dāng)?shù)赝扑]施鉀量）。小麥種植季相應(yīng)處理化肥投入：N 180 kg/hm2和P2O5 120 kg/hm2，施鉀處理施用K2O 60 kg/hm2（為測土配方施肥當(dāng)?shù)赝扑]施鉀量）。小區(qū)面積30 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，進(jìn)行定位試驗。秸稈還田處理小區(qū)上季作物收獲后地上部秸稈還田：小麥?zhǔn)斋@后秸稈覆蓋還田，玉米收獲后秸稈粉碎后結(jié)合耕地直接還田。秸稈不還田處理小區(qū)上季作物收獲后地上部秸稈全部移走。玉米、小麥品種分別為當(dāng)?shù)刂魍破贩N，2015年6—10月夏玉米品種為士海738，2015年10月—2016年6月小麥品種為魯原502，2016年6—10月夏玉米品種為聯(lián)創(chuàng)808，2016年10月—2017年6月小麥品種為濟(jì)麥22。試驗用氮磷鉀肥料分別為尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O5 42%）、氯化鉀（K2O 60%）。

1.3 測定項目及方法

土樣采集分別在當(dāng)季作物收獲后，每小區(qū)0～30 cm耕層土壤取 5個點混合成一個樣。風(fēng)干后過篩，用于測定速效鉀、緩效鉀含量。同時采集植物樣品，用于測定植株莖葉和籽粒鉀素含量。植株鉀含量的測定用 H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮后，火焰光度法測定。土壤速效鉀采用1 mol/L中性醋酸銨提取，緩效鉀用1 mol/L硝酸消煮提取減去速效鉀量，均用火焰光度法測定[15]。

鉀肥回收率（%）=（施鉀處理吸收鉀量-不施鉀處理吸收鉀量）×1.206/鉀肥用量×100。

其中：施鉀（NPK）處理對應(yīng)的不施鉀肥處理為NP處理，NPKst處理對應(yīng)的不施鉀肥處理為NPst處理。

土壤鉀素表觀盈虧量=鉀素投入總量-作物攜出土壤的鉀素總量。其中：土壤鉀素的投入量主要是指施用鉀肥和秸稈還田鉀攜入量；各處理降雨和種子的含鉀量按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不計算在內(nèi)；作物攜出鉀量主要包括作物地上部（秸稈和籽粒）鉀攜出量。

2 結(jié)果與分析

2.1 施鉀與秸稈還田條件下土壤鉀素動態(tài)變化

2.1.1 土壤速效鉀動態(tài) 從兩年四季作物收獲后耕層土壤速效鉀含量（圖1）看，總體上處于動態(tài)平衡狀態(tài)，10月份玉米收獲時速效鉀含量有升高趨勢，6月份小麥?zhǔn)斋@時則有下降趨勢。4個處理中秸稈不還田處理土壤速效鉀含量下降趨勢較為明顯，與對照處理（NP）相比施鉀（NPK）和秸稈還田（NPst）處理均可提高土壤速效鉀含量，其中秸稈還田（NPst）處理對速效鉀的提高幅度較大，隨著時間的推移，這個趨勢愈加明顯。而秸稈還田并配施鉀肥（NPKst）則是維持并提高潮土土壤鉀素供應(yīng)的最為有效措施。

2.1.2 土壤緩效鉀動態(tài) 從兩年四季作物收獲后耕層土壤緩效鉀含量（圖2）看，秸稈還田和施用鉀肥對各處理緩效鉀含量的影響不同。隨著收獲季的變化各處理緩效鉀含量出現(xiàn)方向一致的小幅波動，相比不施鉀處理，施用鉀肥和秸稈還田處理均能增加耕層土壤緩效鉀含量，各處理土壤緩效鉀含量高低順序為：NPKst>NPst>NPK>NP，隨著時間的推移，各處理間的含量差異逐漸變大，除NPKst處理緩效鉀含量有升高的趨勢外，其余處理均有不同程度地下降。NP處理經(jīng)過兩年不施鉀肥，鉀素消耗較大，緩效鉀含量下降幅度最大。

2.2 秸稈還田與施鉀肥對小麥玉米產(chǎn)量影響

從連續(xù)4個種植季不同處理的糧食產(chǎn)量（表1）來看，各個種植季均以NPKst處理產(chǎn)量最高，NP處理最低，NPK處理和NPst處理產(chǎn)量居中。前兩季NPK處理糧食產(chǎn)量高于NPst處理，后兩季則為NPst處理高于NPK處理。隨著時間的推移，各個處理產(chǎn)量差異變化趨勢愈來愈明顯。第一個種植季玉米收獲時，秸稈還田配施鉀肥處理與不施鉀肥處理（NP、NPst）相比增產(chǎn)顯著，而其余處理間兩兩比較均沒有明顯差異。自第二種植季小麥?zhǔn)斋@時NP處理與其他3個處理相比顯著減產(chǎn)，NPKst處理則與其他3個處理相比增產(chǎn)顯著，至第三、第四種植季這一趨勢愈加明顯，而NPK處理和NPst處理作物產(chǎn)量間一直未有顯著性差異。從年際間作物產(chǎn)量變化看，與對照（NP）相比，隨著時間的推進(jìn)，施鉀處理（NPK和NPKst）糧食增產(chǎn)幅度均有遞增的趨勢。從不同作物來看，在玉米生產(chǎn)上施用鉀肥平均增產(chǎn)2.92%，秸稈還田配合施用鉀肥平均增產(chǎn)6.99%，在小麥生產(chǎn)上施用鉀肥平均增產(chǎn)8.03%，秸稈還田配合施用鉀肥平均增產(chǎn)14.13%，小麥的施鉀效果比玉米明顯。

2.3 鉀素養(yǎng)分表觀利用率

由圖3看出，第一種植季秸稈不還田處理鉀肥的當(dāng)季回收率平均為31.8%，而還田情況下鉀肥當(dāng)季回收率為24.4%；而4個種植季鉀肥綜合回收率結(jié)果顯示，秸稈不還田情況下鉀肥回收率為39.2%，秸稈還田情況下鉀肥回收率為25.3%，差異達(dá)到極顯著性水平。

2.4 土壤-作物系統(tǒng)鉀素平衡特征

由圖4看出，施用鉀肥與秸稈還田對土壤-作物系統(tǒng)鉀素平衡狀況的影響較大。秸稈還田配施鉀肥處理維持了土壤鉀素平衡，并且隨著種植季的增加土壤鉀素逐漸盈余。而其他3個處理每季土壤鉀素均為虧缺，其中秸稈不還田不施鉀肥處理的土壤鉀素每季虧缺量最大，虧缺量為144.2～171.5 kg/hm2；其次為秸稈不還田施鉀肥處理，每季土壤鉀素的虧缺量為111.4～134.7 kg/hm2；秸稈還田處理鉀素虧缺相對最小，每季虧缺量為12.5～47.8 kg/hm2。計算各個處理兩年土壤-作物系統(tǒng)鉀素表觀平衡結(jié)果：NP處理為-629.9 kg/hm2，NPK處理為-481.2 kg/hm2，NPst處理為-131.6 kg/hm2，NPKst處理為74.2 kg/hm2。從不同種植季看，玉米種植季各處理土壤鉀素虧缺量大于小麥種植季。隨著時間的推移，不施鉀處理作物產(chǎn)量逐漸降低，帶走的鉀素變少，每季鉀素的虧缺量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

3 討論與結(jié)論

隨著作物高產(chǎn)品種的普及，施肥、灌溉條件的改善以及農(nóng)業(yè)綜合管理水平的提升，我國糧食單產(chǎn)穩(wěn)步提高，從而對鉀素的需求量愈來愈大，即使含鉀量豐富的土壤如果不及時增施鉀肥也會成為作物產(chǎn)量提高的限制因子。本試驗地點位于魯西黃河沖積平原臨近黃河大堤，質(zhì)地為輕壤，土壤速效鉀測定含量不高[16，17]（采集耕層土樣深度可能也有一定影響，本試驗采集土樣深度為0～30 cm），研究結(jié)果顯示，連續(xù)兩季秸稈不還田不施鉀肥作物即表現(xiàn)出了明顯減產(chǎn)。土壤鉀素是植物鉀素養(yǎng)分的重要來源，在持續(xù)沒有外源鉀補充的情況下，土壤鉀庫一直被作物耗用，土壤速效鉀及緩效鉀含量逐漸下降，從而影響到作物產(chǎn)量。而增施鉀肥、秸稈還田以及秸稈還田配施鉀肥相對不施鉀肥處理糧食均表現(xiàn)出增產(chǎn)的趨勢，同時不同程度地減緩了土壤中速效鉀、緩效鉀含量下降趨勢，這與前人的研究結(jié)論基本一致[18，19]，其中秸稈還田配施鉀肥使土壤速效鉀含量提高最為明顯。小麥季和玉米季收獲后土壤中鉀素含量表現(xiàn)出了方向一致的小幅波動，這與土壤鉀存在土壤礦物鉀-緩效鉀-速效鉀之間的動態(tài)平衡有關(guān)，其中受溫度、水分以及收獲期作物溢鉀淋洗等因素影響[20，21]，具體原因有待進(jìn)一步研究。

前人研究結(jié)果多為施鉀效果優(yōu)于秸稈還田[6，8-10，12]，本試驗結(jié)果顯示秸稈還田與施鉀效果基本相當(dāng)，可能是因試驗條件不同，目標(biāo)產(chǎn)量不同，設(shè)置的施鉀量不同所致。本試驗方案中施鉀量一個種植季為54 kg/hm2和60 kg/hm2，施鉀量相對不高，所以計算土壤-作物系統(tǒng)鉀素平衡結(jié)果顯示施鉀處理鉀素一直為虧缺狀態(tài)，虧缺量大于秸稈還田處理，這一點從土壤緩效鉀含量的變化也得到了印證。除NPKst以外其余3個處理緩效鉀含量呈下降趨勢，其中NP處理下降幅度最大，其次為NPK處理，而NPst處理下降幅度最小。土壤緩效鉀含量下降是土壤鉀素庫儲量下降的表現(xiàn)，從土壤-作物系統(tǒng)鉀素表觀平衡計算結(jié)果看，在小麥-玉米輪作制度下，施用鉀肥和秸稈還田能夠補充土壤鉀庫，但單純秸稈還田或施用鉀肥尚不能抵消作物的鉀素吸收消耗，而秸稈還田同時配施適量鉀肥則是維持土壤鉀素平衡的有效措施。

本試驗鉀肥的第一季當(dāng)季回收率僅為 30%左右，與王志勇等[10]的研究結(jié)果相比偏低，這可能與地力水平及種植技術(shù)有一定關(guān)系，但這一結(jié)果與張福鎖對于全國糧食主產(chǎn)區(qū)多個試驗的匯總結(jié)果相符[22]。而4個種植季秸稈不還田條件下鉀肥累計回收率則為 39.2%，有了顯著提高，說明鉀肥具有后效性，同時秸稈還田情況下4個種植季鉀肥累計回收率僅為 25.3%，與前者差異達(dá)到極顯著性水平，這顯然與秸稈還田補充了土壤鉀庫、增強(qiáng)了土壤供鉀能力有關(guān)。

秸稈還田不僅能補充土壤鉀庫，同時能增加土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量，改善土壤理化性狀，使土地綜合生產(chǎn)能力得以提升[23-25]，但另一方面如果秸稈還田處理不當(dāng)，也會有影響作物的出苗、病蟲害加劇等情況[26，27]，所以對于作物產(chǎn)量的影響是土壤類型、氣候、耕作管理等因素共同作用的結(jié)果，應(yīng)注意采取綜合措施確保還田效果。

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