鉀肥用量對水稻鉀素分配累積、鉀肥利用效率及平衡的影響

郭鑫年，蒙 靜，田旭東，周 濤*，梁錦秀，陳 剛，孫 嬌，尹志榮，紀(jì)立東

（1．寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/寧夏土壤與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2．寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室，寧夏 銀川 750000；3．青銅峽市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室，寧夏 青銅峽 751600）

寧夏引黃灌區(qū)由青銅峽灌區(qū)和衛(wèi)寧灌區(qū)組成，灌溉面積43.5 萬hm2，是寧夏農(nóng)業(yè)的精華地區(qū)，水稻是該區(qū)域的優(yōu)勢特色作物之一，近年來栽培面積穩(wěn)定在6.67 萬hm2［1］，鉀是水稻所需三大營養(yǎng)元素之一，與氮、磷不同，鉀在作物體內(nèi)以K+形態(tài)存在，不參與有機(jī)物質(zhì)的形成，具有高度移動性，水稻對鉀素的吸收量較大，鉀肥的合理施用對提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著作用［2］，湖北?。?］18 個縣的多點(diǎn)田間肥效試驗(yàn)結(jié)果表明鉀肥對早、中和晚稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)分別達(dá)到了10.8%、8.2%和10.3%。由此看出鉀已成為許多耕地繼氮、磷之后的又一高產(chǎn)限制因子［4］。通常認(rèn)為北方土壤富含鉀素，但隨著栽培技術(shù)的更替及作物品種的更新后產(chǎn)量不斷提高，導(dǎo)致土壤中的鉀素攜出量逐年增加，從而加速了土壤中鉀素的消耗，加之農(nóng)戶傳統(tǒng)的施肥習(xí)慣只重視氮磷肥而忽視了鉀肥的施用，秸稈還田對土壤鉀素的補(bǔ)充相對有限，土壤缺鉀問題日趨嚴(yán)重［5-6］。據(jù)調(diào)查［7］寧夏引黃灌區(qū)水稻田土壤速效鉀 含 量 由1978 年 的305mg/kg 下 降 到1992 年 的192mg/kg，每年平均下降7.5mg/kg。1991 年對引黃灌區(qū)226 個灌淤土樣品進(jìn)行分析，速效鉀較1985年土壤普查結(jié)果下降了27.6%，每年平均下降值高達(dá)9.4mg/kg，同時大量研究發(fā)現(xiàn)近10 年來，寧夏引黃灌區(qū)土壤鉀素在往遞減方向發(fā)展，土壤速效鉀含量每年下降3～10mg/kg。由此看出灌區(qū)土壤鉀素處于耗竭狀態(tài)，土壤鉀素有效補(bǔ)充對于水稻高產(chǎn)高效愈發(fā)重要。我國鉀礦資源和鉀肥缺乏［8］，提高作物對鉀肥的吸收利用效率是緩解資源短缺、節(jié)約資源的重要途徑［9］。目前寧夏引黃灌區(qū)水稻鉀素分配、累積及利用方面較為系統(tǒng)的研究尚顯缺乏，水稻的鉀肥利用效率和土壤表觀平衡還需深入研究。為此，通過兩年田間試驗(yàn)研究了不同鉀肥用量對水稻產(chǎn)量、鉀素分配比例、吸收累積量及鉀肥利用效率與表觀平衡的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，明確水稻鉀肥的適宜用量，為寧夏引黃灌區(qū)水稻鉀肥施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2013～2014 年在寧夏引黃灌區(qū)青銅峽市大壩鎮(zhèn)中莊村、中灘村進(jìn)行，該地區(qū)常年引黃灌溉，耕作制度為水旱輪作，屬典型大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為8.5℃，水稻生長季內(nèi)≥10℃積溫為3020℃，多年平均降水量為200mm 左右。供試土壤為灌淤土，中莊村0～20cm 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 值8.5、全鹽1.1g/kg、有機(jī)質(zhì)12.8g/kg、全氮0.92g/kg、堿解氮68.0mg/kg、有效磷15.0mg/kg、速效鉀178.0mg/kg，中灘村土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 值8.5、全鹽1.3g/kg、有機(jī)質(zhì)15.7g/kg、全氮1.2g/kg、堿解氮82.5mg/kg、有效磷26.4.0mg/kg、速效鉀212.5mg/kg。

田間試驗(yàn)以節(jié)3 號為材料，鉀肥施用量設(shè)計5 個水平，0、30、60、90、120kg/hm2分別用K0、K30、K60、K90、K120表示，各處理氮、磷肥統(tǒng)一用量，其中N 為240kg/hm2，P2O5為75kg/hm2，小區(qū)面積為40m2（5m×8m），重復(fù)3 次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間用40cm 高土埂隔開，并設(shè)獨(dú)立的排灌口，埂上覆蓋薄膜以防小區(qū)間躥水、串肥。2013年水稻于4 月25 日播種，10 月5 日收獲，2014 年4 月20 日播種，9 月30 日收獲，播種方式采用播后上水，播種量為412.5kg/hm2。將鉀肥、磷肥和50%的氮肥在整地前一次性基施，30%和20%的氮肥分別在水稻的分蘗期和孕穗期撒施，其他管理與當(dāng)?shù)卮筇锕芾硪恢隆?/p>

1.2 測定項(xiàng)目與方法

水稻成熟期，在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取3 個5m2的樣方進(jìn)行測產(chǎn)，并測定籽粒含水量為12.0%，以此換算產(chǎn)量，同時隨機(jī)選取3 個1m 水稻地上部樣段，調(diào)查收獲穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等，將籽粒和秸稈分開，105℃殺青30min，65℃烘干至恒重粉碎，H2SO4-H2O2消煮后，火焰光度法測定樣品鉀含量。相關(guān)公式如下［10-11］：

鉀肥利用率REK（%）＝（施鉀區(qū)地上部總吸鉀量-不施鉀區(qū)地上部總吸鉀量）/施鉀量×100；

鉀肥偏生產(chǎn)力PFPK（kg/kg）＝施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量/鉀肥施用量；

鉀肥農(nóng)學(xué)利用率AEK（kg/kg）＝（施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量-無鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施鉀量；

鉀素平衡系數(shù)＝投入土壤鉀素/帶出土壤鉀素；

鉀素表觀平衡＝鉀素投入總量-作物帶出鉀素總量。

數(shù)據(jù)采用DPS7.05 軟件統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素

施用鉀肥對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子產(chǎn)生重要影響，表1 結(jié)果顯示，施用鉀肥提高了水稻結(jié)實(shí)率，兩年結(jié)果趨勢一致，施鉀量120kg/hm2處理最高，分別為87.1%、90.3%，與對照差異顯著（P＜0.05）。鉀肥對水稻千粒重影響不明顯。各施鉀處理收獲穗數(shù)兩年均高于對照，且隨著鉀肥用量的增加而增加，施鉀量120kg/hm2處理最高，兩年分別達(dá)到466.5 萬、480.5 萬穗/hm2，較對照分別提高6.0%、9.8%，表明適宜的鉀肥用量可以提高水稻結(jié)實(shí)率和收獲穗數(shù)，從而提高水稻產(chǎn)量。

表1 鉀肥用量對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.2 水稻產(chǎn)量及鉀肥適宜用量

從表2 可以看出，各施鉀處理的水稻實(shí)粒產(chǎn)量顯著高于K0處理，增產(chǎn)幅度分別為4.7%～13.9%、12.4%～21.3%，2013 年度K90處理的產(chǎn)量最高，其次是K120處理，二者差異不顯著。2014 年度水稻實(shí)粒產(chǎn)量隨著鉀肥用量的增加而增加，K120處理最高，其次是K90處理，二者也無顯著差異。水稻空秕粒產(chǎn)量則隨著鉀肥用量的增加呈降低趨勢，兩年分別為K120處理和K90處理最低，較對照降低23.9%、29.1%。水稻秸稈產(chǎn)量隨著鉀肥用量的增加呈先升高后降低的趨勢，兩年均為K90處理最高，較對照分別提高25.5%、14.5%。表明適宜的鉀肥用量能夠提高實(shí)粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量，有效降低空秕粒產(chǎn)量。將表2 中實(shí)粒產(chǎn)量與施鉀量采用一元二次方程進(jìn)行擬合（表3），施鉀量和水稻籽粒產(chǎn)量之間有極顯著的二次曲線關(guān)系，水稻最高產(chǎn)量施鉀量為129.6、122.5kg/hm2，最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量施鉀量為110.7、111.4kg/hm2。

表2 不同鉀肥用量對水稻產(chǎn)量的影響

表3 水稻鉀肥適宜用量

2.3 水稻鉀素分配、積累及鉀肥利用效率

水稻成熟期各部分鉀素分配比例及累積量因施鉀量不同而表現(xiàn)出差異，從分配比例來看（表4）秸稈最高占到80%以上，其次為實(shí)粒13.2%～15.5%、14.0%～17.6%，空秕粒低于3%。秸稈鉀素分配比例隨著鉀肥用量的增加呈先升高后降低的趨勢，兩年趨勢相同，2013 年K90處理最高，2014 年度K60處理最高，差異與不同試驗(yàn)地點(diǎn)土壤供鉀能力有關(guān)。鉀素累積量兩年均為K90處理最高，比對照分別提高26.8%、18.6%且與其他處理差異顯著（P＜0.05）。實(shí)粒鉀素分配比例與后期鉀素運(yùn)轉(zhuǎn)量關(guān)系密切，與對照相比，2013 年鉀肥處理并沒有提高鉀素在實(shí)粒中的分配比例，而2014 年則提高了鉀素在實(shí)粒中的分配比例，其中K120處理最高，實(shí)粒鉀素累積量兩年趨勢相似，K120處理累積量最高，較對照提高13.9%、50%?？诊趿ｂ浰胤峙浔壤c累積量均隨著鉀肥用量的增加而降低，較對照均有顯著差異。地上部累積量兩年均以K90處理最高，較對照提高22.5%、20.2%，表明適宜的鉀肥用量能夠提高鉀素在實(shí)粒和地上部鉀素的累積量，降低空秕粒鉀素累積量，提高鉀肥的利用效率。

進(jìn)一步分析水稻鉀肥利用效率（表5）結(jié)果表明，水稻鉀肥利用效率范圍為28.6%～46.0%，16.6%～46.3%，隨著鉀肥用量的增加呈先提高后降低的趨勢，兩年均以K90處理最高。不同施鉀處理的鉀肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率呈現(xiàn)出隨施鉀量的增加而下降的趨勢，兩年結(jié)果趨勢一致，鉀肥用量從30kg/hm2增加至120kg/hm2，2013 年水稻鉀肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力分別從10.9 和242.5kg/kg下降至7.3 和65.2 kg/kg，2014 年水稻鉀肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力分別從30.0 和271.4 kg/kg 下降至12.9 和73.2 kg/kg，鉀肥當(dāng)季回收率與農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力趨勢不同，隨施鉀量的增加呈先增后降的趨勢，當(dāng)施鉀量超過90kg/hm2后，鉀肥當(dāng)季回收率顯著下降。

表4 鉀肥用量對水稻鉀素分配比例、累積量的影響

表5 鉀肥用量對水稻鉀肥利用效率的影響

2.4 鉀肥用量對鉀平衡的影響

鉀素平衡用以評估水稻對鉀肥的利用以及土壤鉀素盈虧狀況，本研究鉀素的輸入主要是鉀肥的投入，鉀素的表觀損失是鉀素輸入總量與作物吸收量之差。由表6 可知，在秸稈未還田條件下鉀素輸入項(xiàng)中，主要來自于鉀肥投入，而在鉀素的輸出項(xiàng)中，水稻攜出量隨著施鉀水平的提高而增加，當(dāng)施鉀量超過90kg/hm2后水稻攜出量開始下降，本試驗(yàn)各處理鉀素均表現(xiàn)為虧缺，隨著鉀肥用量的增加虧缺量降低，其中120kg/hm2施鉀處理土壤虧缺量最低，較對照分別降低42.7%、39.5%。鉀肥平衡系數(shù)隨著鉀肥用量的增加而增加，其中120kg/hm2處理最高，分別為0.53 和0.49，表明僅施入鉀肥不足以維持土壤的鉀素平衡，但在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)施秸稈還田，兩年試驗(yàn)秸稈鉀素補(bǔ)充范圍分別 為160.2～203.1、173.4～205.7kg/hm2，土 壤鉀素表觀平衡在不施鉀和低鉀（K30）條件下分別為-33.0～-24.6、-3.9～-1.9kg/hm2，土 壤 鉀 表現(xiàn)為虧缺，其他處理秸稈還田后均能維持土壤鉀素平衡。秸稈還田后鉀素平衡系數(shù)隨著鉀肥投入量和秸稈中鉀素還田量的增加而增加，試驗(yàn)?zāi)攴莸钠胶庀禂?shù)分別為6.74、6.31。綜上，在實(shí)施秸稈還田后鉀肥投入量低于60kg/hm2時，不足以維持土壤鉀素平衡。

表6 鉀肥用量對鉀素平衡的影響

3 討論

鉀是水稻生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，盡管鉀肥的增產(chǎn)作用低于氮肥，但是植物對鉀的需要量卻很高，正常情況下植物吸鉀量一般超過吸磷量，與吸氮量相近［12］，目前增施鉀肥促進(jìn)作物增產(chǎn)的報道逐年增加，施用鉀肥能夠顯著提高水稻產(chǎn)量，王強(qiáng)盛等［13］研究發(fā)現(xiàn)，在一定的鉀肥施用量范圍內(nèi)，隨鉀肥用量的增加水稻產(chǎn)量相應(yīng)增加，當(dāng)鉀肥施用量繼續(xù)增加，水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)下降的趨勢。本研究結(jié)果與之類似，兩年試驗(yàn)結(jié)果均表明，施用鉀肥顯著提高了水稻產(chǎn)量，當(dāng)施用90 和120kg/hm2時水稻產(chǎn)量最高，比對照分別增產(chǎn)13.9%、21.3%，空秕粒產(chǎn)量分別降低了23.9%、29.1%。由于鉀肥能夠提高水稻有效分蘗期，增加莖蘗數(shù)［14］，提高水稻葉片光合速率，促進(jìn)光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化并向生長器官運(yùn)輸，從而提高結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量，且鉀肥對水稻具有一定的促進(jìn)作用［15］，進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)現(xiàn)，施鉀量達(dá)120kg/hm2時水稻結(jié)實(shí)率分別為87.1%、90.3%（P＜0.05），隨著鉀肥用量的增加而增加，水稻收獲穗數(shù)較對照提高6.0%、9.8%，表明適宜的鉀肥用量可以提高水稻結(jié)實(shí)率和收獲穗數(shù)，從而提高水稻產(chǎn)量。依據(jù)水稻產(chǎn)量與施鉀量的關(guān)系建立一元二次方程分析，得出水稻適宜施鉀量為110.7～129.6kg/hm2、111.4～122.5kg/hm2。由此可見，適宜的鉀肥用量才是水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。

作物源庫之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，成為能否實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵［16］。對水稻而言，植株?duì)I養(yǎng)體養(yǎng)分是子粒生產(chǎn)的主要的源，水稻鉀素養(yǎng)分的吸收和積累作為產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，受施鉀水平的影響顯著。王宜倫等［17］研究表明，鉀素供應(yīng)過量或不足均不利于春玉米養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)積累，最終影響產(chǎn)量。張國發(fā)［18］研究認(rèn)為施鉀后籽粒和秸稈中鉀元素相對含量升高，不同施鉀處理間籽粒、秸稈吸鉀量和水稻總吸鉀量的變化趨勢基本一致，均隨鉀肥用量的提高而增加，特別是秸稈吸鉀量和水稻總吸鉀量受鉀肥影響較大，但籽粒吸鉀量占總吸鉀量比值隨鉀肥用量的提高而降低。本研究有相同趨勢，水稻各部分鉀素吸收順序?yàn)榻斩挘緦?shí)粒＞空秕粒，實(shí)粒吸收比例兩年平均為14.7%、16.2%，空秕粒不足3%，大部分累積于秸稈中。與王強(qiáng)盛等［13］的研究結(jié)果相似，施用鉀肥增加了秸稈吸鉀量占水稻植株總鉀吸收量的比例，增加了對土壤鉀素的消耗，其中K90處理秸稈鉀素累積量比對照提高26.8%、18.6%。K120處理實(shí)粒鉀素累積量較對照提高13.9%、50%。水稻地上部鉀素總吸收量兩年均以K90處理最高，較對照提高22.5%、20.2%，表明適宜的鉀肥用量能夠提高鉀素在實(shí)粒和地上部鉀素的累積量。可見，鉀肥供應(yīng)過量或不足，均不利于水稻群體源庫的供應(yīng)。而適宜鉀肥用量提高營養(yǎng)體養(yǎng)分向子粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，直接改善了營養(yǎng)體養(yǎng)分向子粒的轉(zhuǎn)輸，增加了收獲期子粒中養(yǎng)分所占整個植株比例，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。肥料利用效率是表征合理施肥的重要指標(biāo)，我國鉀肥利用率僅為30%～35%［19］。大量研究表明，隨著鉀肥用量的提高，作物產(chǎn)量和鉀吸收量增加，鉀肥利用效率降低。在本研究中，隨著鉀肥用量的增加呈先提高后降低的趨勢，鉀肥用量為90kg/hm2時鉀肥利用效率最高，達(dá)到46%左右。鉀素農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為隨施鉀量的增加呈顯著下降趨勢。因此，鉀肥利用效率等指標(biāo)并不是越高越好，而是在維持較高的目標(biāo)產(chǎn)量前提下，減少鉀肥的損失才具有實(shí)際意義。

鉀肥的施入導(dǎo)致土壤鉀素的固定與釋放從而對土壤體系內(nèi)各形態(tài)鉀的動態(tài)平衡產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響鉀素的形態(tài)、相互轉(zhuǎn)化及其有效性［20］。姚源喜等［21］研究分析了22 年肥料定位試驗(yàn)土壤中鉀素收支平衡狀況，發(fā)現(xiàn)長期氮、磷、鉀肥配施，土壤中鉀素呈現(xiàn)虧缺。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，在目前施肥情況下，農(nóng)田鉀素一般處于虧缺狀態(tài)，有的還嚴(yán)重虧缺［22］。寧夏引黃灌區(qū)土壤鉀素虧缺的主要原因是鉀肥投入量較少，本試驗(yàn)在秸稈未還田條件下各處理鉀素均表現(xiàn)為虧缺，隨著鉀肥用量的增加虧缺量降低，其中120kg/hm2施鉀處理土壤虧缺量最低，較對照分別降低42.7%、39.5%，鉀肥平衡系數(shù)分別為0.53 和0.49。實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)施秸稈還田后對土壤的鉀素補(bǔ)充范圍分別為160.2～203.1、173.4～205.7kg/hm2，除了在不施鉀和施鉀低（K30）的條件下不足以維持鉀素平衡而導(dǎo)致土壤鉀虧缺，秸稈還田后施鉀60kg/hm2以上可以維持鉀素平衡，在水稻生產(chǎn)中實(shí)施秸稈還田后鉀肥投入量應(yīng)高于60kg/hm2。鉀肥的合理施用是維持水稻高產(chǎn)和土壤鉀素平衡的重要技術(shù)，而過量施用鉀肥造成水稻鉀素的奢侈吸收，因此，寧夏引黃灌區(qū)水稻施鉀量要根據(jù)土壤基礎(chǔ)供鉀能力、水稻目標(biāo)產(chǎn)量需鉀量及鉀肥利用率等綜合指標(biāo)來確定。

4 結(jié)論

寧夏引黃灌區(qū)鉀肥的施用顯著提高水稻籽粒產(chǎn)量、鉀素在籽粒中的分配量及鉀肥利用效率，綜合考慮提高水稻產(chǎn)量、鉀肥當(dāng)季回收率及維持土壤磷素平衡等因素，在目前的生產(chǎn)條件下，水稻施鉀量在110.7～129.6kg/hm2范圍內(nèi)為宜。