秸稈還田配施鉀肥對(duì)水稻產(chǎn)量與鉀素吸收的影響

李長(zhǎng)洲 袁國印 王一柳 王火焰 陳小琴 盧殿君

摘要：為了研究秸稈還田配施鉀肥對(duì)水稻產(chǎn)量及吸鉀規(guī)律的影響，在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)中開展秸稈還田供鉀試驗(yàn)，設(shè)置對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥3個(gè)處理。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈供鉀比對(duì)照增產(chǎn)9.27%，秸稈還田配施鉀肥沒有繼續(xù)增產(chǎn)，但鉀素利用效率比秸稈供鉀提高了20%。秸稈還田配施鉀肥提前并縮短了水稻鉀素吸收的快速積累期。由此可見，秸稈還田配施鉀肥是農(nóng)田系統(tǒng)的高效施鉀策略。

關(guān)鍵詞：水稻;秸稈還田配施鉀肥;鉀素積累

中圖分類號(hào)：S511.06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2021）02-0043-05

收稿日期：2020-04-27

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2016YFD0200108）;國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（編號(hào)：41907075）。

作者簡(jiǎn)介：李長(zhǎng)洲（1988—），男，山東濟(jì)寧人，博士研究生，主要從事土壤和植物鉀素研究。E-mail：changzhou_li@163.com。

通信作者：盧殿君，博士，助理研究員，主要從事養(yǎng)分管理研究。E-mail：djlu@issas.ac.cn。

稻麥輪作系統(tǒng)是世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，主要分布在中國和印度[1-3]。作為禾本科作物，水稻和小麥都是吸鉀量較多的作物，而80%的鉀素存在于水稻和小麥的秸稈中，這部分鉀素經(jīng)常被無視并被從農(nóng)田中移除，且被移除的秸稈中鉀量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了投入農(nóng)田系統(tǒng)中的化肥鉀[4-7]。長(zhǎng)此以往，必將導(dǎo)致土壤鉀素的負(fù)平衡并影響稻麥輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量，尤其高產(chǎn)品種的推廣更加劇了這種趨勢(shì)[8-10]。所以，稻麥輪作系統(tǒng)中秸稈還田在供鉀方面具有重要意義。我國鉀肥施用量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從2002年的434萬t（K2O）增長(zhǎng)到2013年的640萬t[4]。而我國鉀肥產(chǎn)量只能滿足消費(fèi)市場(chǎng)的50%，另外50%的鉀肥需要進(jìn)口，為了減少對(duì)不可再生鉀礦資源的依賴，秸稈作為鉀肥補(bǔ)充資源得到越來越多的重視[11-13]。

水稻吸鉀量一般是小麥吸鉀量的2～4倍，在供鉀充足的條件下，水稻鉀素吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮素吸收量[14]。水稻鉀素吸收量是由生長(zhǎng)發(fā)育期各個(gè)階段中不同器官如葉片、葉鞘、莖稈和籽粒逐步積累完成的，研究水稻吸鉀規(guī)律對(duì)鉀素營養(yǎng)診斷和精確施肥具有重要意義。前人對(duì)水稻鉀素吸收以及轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律做了一些報(bào)道，但這些研究均集中于礦物鉀肥的吸鉀規(guī)律方面，而秸稈還田條件下水稻吸鉀規(guī)律尚未見報(bào)道[4-5]。本研究在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)中開展秸稈還田供鉀試驗(yàn)，分析秸稈還田供鉀條件下的水稻產(chǎn)量、鉀素利用效率、鉀素吸收規(guī)律，以期為水稻生產(chǎn)中秸稈還田供鉀提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在安徽省廣德縣前路村開展，本地種植制度為稻麥輪作。該試驗(yàn)地位于蘇浙皖3省交界處，屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫17.5 ℃，年均降水量1 149.7 mm。供試土壤類型為棕紅壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土。試驗(yàn)地基礎(chǔ)土壤理化性狀為：pH值5.58，有機(jī)質(zhì)含量25.9 g/kg，全氮含量 1.29 g/kg，有效磷含量23.5 mg/kg，速效鉀含量601 mg/kg，緩效鉀含量318 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理：（1）對(duì)照（CK）;（2）秸稈還田（straw），即秸稈全量還田;（3）秸稈還田配施鉀肥（straw+KCl），鉀肥（K2O）用量為 50 kg/hm2。每個(gè)處理4次重復(fù)，小區(qū)面積為30 m2。氮肥（尿素，含N 46%）用量為N 180 kg/hm2，氮肥分次施用：基肥50%，分蘗肥25%，穗肥25%;磷肥（過磷酸鈣，含P2O5 12%）用量為P2O5 120 kg/hm2，作基肥施入;鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%），作基肥施入。2016年6月19日水稻移栽，品種為兩優(yōu)6188，其他田間管理措施如除草、除蟲等均采用當(dāng)?shù)亓?xí)慣管理，于2016年10月10日收獲。

1.3樣品采集與分析

植株取樣時(shí)間為水稻移栽后14 d（分蘗始期）、28 d（分蘗盛期）、42 d（拔節(jié)孕穗期）、56 d（抽穗期）、70 d（齊穗期）、84 d（灌漿期）、98 d（灌漿期）和112 d（成熟期），在各小區(qū)隨機(jī)采集3蔸水稻植株，分為葉片、葉鞘、莖稈、穗和根，于105 ℃殺青 30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，記錄各器官干質(zhì)量;磨碎，采用H2SO4-H2O2消化，用火焰光度計(jì)測(cè)定鉀含量。

1.4數(shù)據(jù)處理

鉀素當(dāng)季利用率（REK，%）=[供鉀區(qū)吸鉀量（K2O）-對(duì)照區(qū)吸鉀量]÷供鉀量（K2O）×100;

鉀素農(nóng)學(xué)效率（AEK，kg/kg）=（供鉀區(qū)產(chǎn)量-對(duì)照區(qū)產(chǎn)量）÷供鉀量（K2O）;

鉀素偏生產(chǎn)力（PFPK，kg/kg）=供鉀區(qū)產(chǎn)量÷供鉀量（K2O）;

鉀素生理效率（PEK，kg/kg）=（施鉀區(qū)產(chǎn)量-對(duì)照產(chǎn)量）÷[施鉀區(qū)吸鉀量（K2O）-對(duì)照區(qū)吸鉀量（K2O）];

水稻吸鉀量（y）與移栽后時(shí)間（t，d）的關(guān)系可用Logistic生長(zhǎng)模型表示：

y=k÷（1+ae-bt）。

式中：y（kg/hm2）為水稻地上部鉀素積累量，kg/hm2;k為鉀素積累量的模擬最大值，kg/hm2;a、b為模型參數(shù);t為水稻移栽后時(shí)間，d。

根據(jù)Logistic方程一階求導(dǎo)可得鉀素積累速率表達(dá)式：

y′=kabe-bt÷（1+ae-bt）2。

根據(jù)Logistic方程三階求導(dǎo)，特征值分別為：

T1=（lna-1.317）÷b;Tmax=（lna）÷b;T2=（lna+1.317）÷b;

式中：Tmax為鉀素最大積累速率出現(xiàn)的時(shí)間;T1和T2分別代表鉀素快速積累期的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間;Vmax為積累速率最大值，kg/（hm2·d）;ΔT為鉀素快速積累持續(xù)時(shí)間，ΔT=T2-T1。

本研究使用Microsoft Excel 2016 （Microsoft Corp.，Washington，USA）軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 22.0（IBM Corp.，Armonk，USA）軟件統(tǒng)計(jì)。方程使用1stOpt（7D-Soft High Technology Inc.）軟件擬合。作圖使用SigmaPlot 14.0（Systat Software Inc.，San Jose，USA）軟件繪制。

2結(jié)果與分析

2.1秸稈還田配施鉀肥對(duì)水稻產(chǎn)量和鉀素利用效率的影響

在稻麥輪作系統(tǒng)中秸稈還田供鉀能有效提高水稻的產(chǎn)量，對(duì)照（CK）、秸稈還田（straw）和秸稈還田配施鉀肥（straw+KCl）處理產(chǎn)量分別為 6 472、7 066、7 072 kg/hm2，秸稈還田處理水稻產(chǎn)量顯著增加，與對(duì)照相比，秸稈還田處理和秸稈還田配施鉀肥處理分別增產(chǎn)9.18%和9.27%，但秸稈還田處理間產(chǎn)量差異不顯著。不同處理水稻吸鉀量表現(xiàn)為秸稈還田配施鉀肥>秸稈還田>對(duì)照，吸鉀量分別為183、142、98 kg/hm2。秸稈還田配施鉀肥處理和秸稈還田處理吸鉀量分別比對(duì)照處理增加86.7%和44.9%，同時(shí)秸稈還田配施鉀肥處理吸鉀量比秸稈還田處理增加28.9%（表1）。在本試驗(yàn)秸稈還田的基礎(chǔ)上施用鉀肥，水稻產(chǎn)量增加不明顯，但吸鉀量增加顯著。

秸稈和化學(xué)鉀肥不分種類，統(tǒng)一作為水稻的鉀素來源，以此計(jì)算鉀素利用效率。隨著供鉀量的增加，水稻鉀素當(dāng)季利用率增加，秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥處理鉀素當(dāng)季利用率分別為745%和94.3%。隨著供鉀量的增加，水稻的鉀素農(nóng)學(xué)效率、鉀素偏生產(chǎn)力和鉀素生理效率降低，秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥處理鉀素農(nóng)學(xué)效率分別為9.89、666 kg/kg，鉀素偏生產(chǎn)力分別為118、79 kg/kg，鉀素生理效率分別為13.3、 7.1 kg/kg。在秸稈還田的基礎(chǔ)上施用鉀肥，出現(xiàn)了水稻吸鉀量增加但產(chǎn)量不增加的鉀素奢侈吸收現(xiàn)象（表1），這樣導(dǎo)致了隨著供鉀量增加其鉀素當(dāng)季利用率升高但鉀素農(nóng)學(xué)效率、鉀素偏生產(chǎn)力和鉀素生理效率下降的情況。

2.2秸稈還田配施鉀肥對(duì)水稻地上部鉀素積累動(dòng)態(tài)變化的影響

對(duì)水稻地上部鉀素積累量進(jìn)行Logistic方程擬合（圖1、表2），地上部鉀素積累量的實(shí)測(cè)值與擬合值相關(guān)性極顯著（P<0.01）。對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥的鉀素積累始盛期分別出現(xiàn)在移栽后42.5、41.8、37.4 d，此階段為水稻拔節(jié)孕穗期。鉀素積累的盛末期出現(xiàn)在齊穗期階段，各處理間差異較大，秸稈還田在移栽后70.6 d，比對(duì)照提前 4.7 d;秸稈還田配施鉀肥又比秸稈還田提前7.8 d。由于始盛期和盛末期不同，對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥的鉀素快速積累期也不同，分別為32.8、28.8、25.3 d，秸稈還田配施鉀肥使鉀素快速積累期明顯縮短。在成熟黃化期，鉀素積累出現(xiàn)了損失，對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥的鉀素?fù)p失率分別為2.29%、6.35%和7.32%。

水稻的鉀素積累速率呈單峰變換，先升高后降低（表2）。秸稈還田處理鉀素最大積累速率為 2.88 kg/（hm2·d），出現(xiàn)時(shí)間在移栽后56.2 d。秸稈還田配施鉀肥處理鉀素最大積累速率為 4.26 kg/（hm2·d），是秸稈還田的1.48倍，是對(duì)照的2.55倍。秸稈還田配施鉀肥處理鉀素最大積累速率出現(xiàn)時(shí)間為移栽后50.1 d，比秸稈還田提前了6.1 d， 比對(duì)照提前了8.8 d。水稻鉀素最大積累速率階段為抽穗期。秸稈還田配施鉀肥增加了水稻鉀素最大積累速率，并提前了吸收峰和快速積累期。

2.3秸稈還田配施鉀肥對(duì)水稻各部位鉀素吸收及分配的影響

在水稻不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，各部位鉀素積累量均表現(xiàn)為秸稈還田配施鉀肥>秸稈還田>對(duì)照（圖1）。根的鉀素積累量隨生育期的推進(jìn)先增加后降低，對(duì)照和秸稈還田處理在移栽后84 d最大，分別為5.23、6.30 kg/hm2，秸稈還田配施鉀肥處理在移栽后42 d達(dá)到最大值，為12.5 kg/hm2。葉鞘的鉀素積累量基本為先增加后降低的趨勢(shì)，在移栽后 98 d 達(dá)到最大值，對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥分別為23.8、46.0、62.7 kg/hm2。葉片的鉀素積累變化為先增加后降低，在移栽后56 d為最大值，此時(shí)為抽穗期，對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥分別為34.4、46.6、60.2 kg/hm2。莖稈的鉀素積累呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì)，在成熟期最大，對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥分別為36.6、50.3、 65.5 kg/hm2。穗的鉀素積累量變化為先增加，在成熟期有所降低。在成熟期，秸稈還田配施鉀肥各部位鉀素積累量大小為莖稈>葉鞘>穗>葉片>根，秸稈還田各部位鉀素積累量大小為莖稈>葉鞘>穗>葉片>根，對(duì)照各部位鉀素積累量大小為莖稈>穗>葉鞘>葉片>根。在生長(zhǎng)發(fā)育前期鉀素主要積累在葉鞘和葉片中，在生長(zhǎng)發(fā)育后期鉀素主要積累在葉鞘和莖稈中（圖2）。

在水稻不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，鉀素在各器官的分配比例也不同。在分蘗期，鉀素主要分配在葉鞘中，分配占比為47.2%～62.3%;在拔節(jié)期到抽穗期，鉀素主要分配在葉片中，分配占比為50.1%～72.1%;在齊穗期，鉀素主要分配在葉鞘和葉片中，分配占比分別為38.4%～40.9%和35.3%～387%;在灌漿期，鉀素主要分配在葉鞘中，分配占比為26.6%～35.4%;在成熟期，鉀素主要分配在莖桿中，分配占比為42.0%～44.0%。

3討論

禾本科作物大約80%的鉀素集中在秸稈中，水稻、小麥秸稈鉀素當(dāng)季釋放率在85%～90%[15]。稻麥輪作系統(tǒng)中，水稻和小麥的秸稈還田供鉀量一般為300～360 kg/（hm2·年）[9]，而秸稈不還田的推薦施鉀量只有180～240 kg/（hm2·年）[4-5]，秸稈還田供鉀能力遠(yuǎn)高于秸稈不還田推薦施鉀，秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤鉀素平衡有重要作用[16]。不僅如此，秸稈還田還提供了大量的氮素、磷素和鹽基離子，而補(bǔ)充鹽基離子正是預(yù)防土壤酸化的有效措施[17-19]。與單純秸稈還田相比，秸稈還田配施鉀肥盡管沒有顯著提高水稻產(chǎn)量，但提高了水稻吸鉀量和當(dāng)季鉀素利用率，水稻繼續(xù)秸稈還田能夠?yàn)橄录拘←湽?yīng)充足的鉀素。長(zhǎng)期單純秸稈還田供鉀依然會(huì)導(dǎo)致土壤鉀素的負(fù)平衡，只有秸稈還田配施鉀肥才能使農(nóng)田鉀素達(dá)到正平衡，長(zhǎng)期維持土壤鉀素肥力。

水稻鉀素積累量的變化可用Logistic生長(zhǎng)曲線模擬，方程模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性極顯著（P<001）。鉀素積累速率呈單峰變化特征，對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥處理出現(xiàn)鉀素最大積速率的時(shí)間依次提前，分別為移栽后58.9、56.2、50.1 d。同時(shí)，對(duì)照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥的鉀素快速積累期依次縮短，分別為33、29、25 d。研究結(jié)果表明，秸稈還田配施鉀肥對(duì)水稻鉀素快速積累起到了提前并縮短的作用，秸稈還田供鉀對(duì)水稻吸鉀規(guī)律的影響與化學(xué)鉀肥對(duì)吸鉀規(guī)律的影響結(jié)果[20]一致。有研究結(jié)果表明，鉀素快速積累期越早，快速積累時(shí)間越短，越有利于水稻生物量的積累和優(yōu)質(zhì)群體結(jié)構(gòu)的形成[21]。若在水稻生長(zhǎng)發(fā)育過程中缺鉀，最高效的補(bǔ)鉀時(shí)間是拔節(jié)孕穗期到齊穗期。通過葉片進(jìn)行鉀素營養(yǎng)診斷的時(shí)間須要在拔節(jié)孕穗期之前，最好是有效分蘗臨界期或拔節(jié)期，這與薛欣欣等對(duì)水稻功能葉片營養(yǎng)診斷的研究結(jié)果[22]一致。

4結(jié)論

秸稈供鉀比對(duì)照增產(chǎn)9.27%，秸稈還田配施鉀肥沒有繼續(xù)增產(chǎn)，但鉀素利用效率比秸稈還田提高了20%，且秸稈還田配施鉀肥更有利于農(nóng)田鉀素平衡。秸稈還田配施鉀肥提前并縮短了水稻鉀素吸收快速積累期。秸稈還田配施鉀肥是農(nóng)田系統(tǒng)的高效施鉀策略。

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