稻麥輪作下長期秸稈還田和鉀肥施用后效對水稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響

袁國印　宋航　郇威威　盧殿君　陳小琴　王火焰

摘要：為研究秸稈還田后效對土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響，在稻麥輪作下開展了長期鉀肥施用和秸稈還田的田間試驗，設(shè)置了秸稈不還田和不施用鉀肥（CK）、秸稈還田（SR），只施用鉀肥（K），秸稈還田和配施適量的鉀肥（SR+K）。結(jié)果表明：與CK相比，經(jīng)過秸稈還田（SR+K、SR）和施用K的處理水稻產(chǎn)量分別提高了17.83%、939%和796%;秸稈還田處理和鉀肥處理的產(chǎn)量無顯著差異;SR+K處理的水稻秸稈氮磷鉀含量分別顯著增加了789%、385%、152.8%，養(yǎng)分吸收量分別增加41.4%、49.2%和159.2%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了17.87%;秸稈還田（SR+K、SR）的土壤，有機質(zhì)、全氮、速效鉀含量均顯著增加，K處理的土壤養(yǎng)分沒有顯著變化?？芍?，對于粉沙壤水稻土，長期秸稈還田配施適量鉀肥，可以維持土壤肥力，提高作物產(chǎn)量和提高氮肥的利用效率。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;水稻產(chǎn)量;養(yǎng)分含量;土壤肥力;氮肥偏生產(chǎn)力

中圖分類號： S511.06文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2021）19-0117-06

鉀素是作物生長過程所需的大量元素之一，在作物的產(chǎn)量形成和品質(zhì)提升方面起著重要的作用。近些年來，氮磷肥的大量施用使作物產(chǎn)量大幅度提高，同時作物對土壤鉀素的消耗量也逐漸增多。由于長期少施或者不施鉀肥，致使土壤鉀素長期處于匱乏狀態(tài)，且土壤缺鉀的程度逐漸加深。近年來，施用鉀肥促進作物生長的效果日益顯著，增施鉀肥成為提高產(chǎn)量的重要措施之一^[1-2]。5年的定位試驗表明，鉀肥施用顯著提高了早晚稻產(chǎn)量，并能促進水稻植株對鉀素的吸收和積累，而連續(xù)不施鉀肥，導(dǎo)致土壤虧缺程度逐年加重^[3]。

隨著復(fù)種指數(shù)的增加，產(chǎn)量增加的同時作物秸稈量也逐年增加。稻草和小麥秸稈含有大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，是比較重要的生物質(zhì)資源^[1，4]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，秸稈還田已成為一種重要的培肥土壤方式，合理有效的秸稈還田方式對水稻和小麥的生長和養(yǎng)分資源的高效利用具有重要意義^[5]。一些研究表明，長期秸稈還田后可以改變土壤的理化性狀，增加土壤的有機質(zhì)含量^[6]。連續(xù)的秸稈還田增加了土壤有機碳^[4，6-7]和有機氮含量^[8];譚德水等在河北省潮土的長期定位試驗表明，小麥秸稈還田可以顯著增加土壤速效鉀含量，提高速效養(yǎng)分的供給，促進作物的生長和養(yǎng)分吸收，提高作物產(chǎn)量^[9]。秸稈還田配施適量的化肥可以有效減少氮磷鉀肥的用量^[10]。鄒文秀等研究表明，長期秸稈深施顯著影響了土壤的容重、有機碳含量和氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，具有顯著的后效^[8]。然而秸稈還田方式后效因土壤的性質(zhì)、秸稈種類和系統(tǒng)的差異而不同。與單施化肥相比，秸稈還田配施化肥可增加產(chǎn)量31%^[11-13];秸稈還田配施氮肥，能增加冬小麥產(chǎn)量，還有一些研究表明高量的秸稈還田對作物增產(chǎn)的作用比少量秸稈還田的效果明顯;還有研究表明秸稈還田對土壤碳庫和土壤微生物的群落豐富有影響^{[5，7，14]};然而這些研究主要集中在水稻-油菜、水稻-水稻和水稻-玉米種植模式中^[15]，在水稻-小麥輪作系統(tǒng)中鮮有研究。秸稈還田可以更好地利用秸稈資源，替代一些化學(xué)肥料，減少肥料施用量和環(huán)境污染，增加經(jīng)濟效益和達到生態(tài)環(huán)境的持續(xù)發(fā)展，因此合理地利用秸稈資源具有重要的意義。

長江中下游地區(qū)是我國的主要稻作區(qū)，稻-麥輪作是該地區(qū)主要的種植制度之一。近年來，關(guān)于氮素與秸稈還田的調(diào)控研究多集中在土壤培肥、秸稈的腐解規(guī)律、土壤碳的固定和減排潛力的研究等方面。關(guān)于鉀素營養(yǎng)條件下秸稈還田研究主要在雙季稻、麥玉輪作、麥棉輪作或者單季作物模式方面^[16]，而對于稻麥輪作下的模式鮮有研究。一些研究表明，鉀肥具有一定的后效性。Zhou等通過對棉花采用連續(xù)14年的推薦施鉀量對后續(xù)玉米季的影響研究表明，殘留的鉀至少可以影響到玉米生長的第3季^[17]。稻季施用鉀肥具有一定的后效性^[18]，然而稻麥輪作下鉀肥的施用和秸稈還田的后效對于下季作物養(yǎng)分吸收和土壤肥力變化的研究相對較少。為此，本試驗在長江中下游地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)下，開展了水稻和小麥秸稈還田和化肥鉀施用后對土壤肥力、水稻產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響，以進一步明確秸稈還田和長期施用化肥鉀的后效能否使土壤肥力維持，提高作物產(chǎn)量，促進氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用。 旨在為稻麥輪作系統(tǒng)長期秸稈還田配施鉀肥的農(nóng)田養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2012年6月至2018年10月在安徽省廣德市邱村鎮(zhèn)（31°03′N，119°27′E）進行。試驗地點位于長江中下游地區(qū)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，以冬小麥-水稻和雙季稻為主要種植模式。2018年水稻試驗期間的平均溫度和降雨量見圖1。試驗開始前（2012年）農(nóng)田耕層（0～20 cm）土壤的理化性質(zhì)如下：土壤類型為粉沙黏壤土（沙粒含量241%，粉沙含量59.7%，黏粒含量16.2%），土壤pH值為56，有機質(zhì)含量為21.8 g/kg，全氮含量為081 g/kg，全磷含量為0.46 g/kg，速效磷含量為 23.6 mg/kg，速效鉀含量為55.2 mg/kg。

1.2試驗設(shè)計

定位試驗始于2012年6月（水稻季）。秸稈還田和鉀肥施用后效試驗在2018年6月開始，同年

10月底結(jié)束。試驗采用隨機區(qū)組排列，共包括4個處理：對照試驗（秸稈不還田和不施用化肥鉀，CK）、秸稈還田（水稻和小麥秸稈全量還田，SR）、鉀肥施用處理（鉀肥施用量略等于SR處理的鉀含量，K）、水稻和小麥秸稈全量還田和添加適量的鉀肥（SR+K）處理。小區(qū)面積30.15 m²（長、寬分別為6.7、45 m），每個處理4次重復(fù)。2012年6月至2018年6月，稻麥輪作系統(tǒng)下實行秸稈還田和鉀肥施用，而且每個處理的氮磷肥用量保持一致;水稻氮肥、磷肥分別為180 kg/hm²（N）和90 kg/hm2（P2O5）;小麥氮、磷肥分別為120 kg/hm²（N）和 120 kg/hm²（P₂O₅），處理K和處理SR+K的水稻季和小麥季氮、磷肥分別為100、140 kg/hm2和40、50 kg/hm2鉀肥施用量，所用氮肥品種為尿素（N含量46% ），磷肥為過磷酸鈣（P₂O₅含量12% ），鉀肥為氯化鉀（K2O含量60%）。磷鉀肥作為基肥于水稻移栽前和小麥播種前1 d施入。2018年水稻季各處理只施用氮肥，無秸稈和磷鉀肥施用。氮肥用量150 kg/hm²，氮肥按底肥 ∶追肥質(zhì)量比=2 ∶1的比例施用，水稻的底肥在移栽前撒施，追肥在抽穗期撒施。水稻于2018年6月22日移栽，10月3日收獲。各小區(qū)周圍筑有田埂并覆蓋有黑色農(nóng)用膜，防止各小區(qū)間水分的漫灌和竄肥。供試水稻品種為武育粳24。在整個水稻生長過程中，所采用的田間管理及病蟲害防治均依據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)。

1.3測定項目與方法

1.3.1水稻產(chǎn)量及植株養(yǎng)分測定在2018年水稻成熟時，每小區(qū)選取有代表性水稻植株6株，分為秸稈部分和籽粒部分，然后放置于網(wǎng)袋中于105 ℃殺青 0.5 h，75 ℃烘至恒質(zhì)量，分別粉碎用于測定植株養(yǎng)分含量。秸稈和籽粒氮磷鉀測定采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法，氮磷含量采用Smartchem200 化學(xué)分析儀測定，全鉀含量采用火焰光度計測定;各小區(qū)產(chǎn)量采用整個小區(qū)全打全收的方式來測定，然后以含水量14%來計算產(chǎn)量。

1.3.2土壤養(yǎng)分含量測定在水稻收獲第2天在每個小區(qū)按“S”形5點取樣法采集耕層（0～20? cm）土壤樣品，把每個小區(qū)的新鮮土壤混勻，自然風(fēng)干然后分別過1 mm和0.25 mm篩。全氮、全磷（H₂SO₄-HClO4消煮，Smartchem200 化學(xué)分析儀測定）、銨態(tài)氮（靛酚藍(lán)比色法）、硝態(tài)氮（紫外分光光度法）、速效磷（碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法）、速效鉀（醋酸銨浸提-火焰光度計法） 和有機質(zhì)（重鉻酸鉀容量法）含量的測定方法均參照鮑士旦的分析方法[19]。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

養(yǎng)分吸收量（kg/hm2）= 秸稈干質(zhì)量×相應(yīng)元素含量+籽粒干質(zhì)量×相應(yīng)元素含量。

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）= 水稻產(chǎn)量/氮肥施用量。

試驗數(shù)據(jù)采用 SPSS 分析統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA），采用Duncans新復(fù)極差法（P<0.05）分析秸稈還田和鉀肥施用后效對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量、氮肥偏生產(chǎn)力和土壤養(yǎng)分含量等的影響，并用 Origin 2019 b進行作圖。

2結(jié)果與分析

2.1秸稈還田和施肥處理對后季水稻產(chǎn)量的影響

由圖2可以看出，經(jīng)過長期秸稈還田處理和化肥鉀施用的處理，在本季水稻只施用氮肥的情況下，水稻產(chǎn)量差異顯著。秸稈還田和鉀肥施用增加了水稻的產(chǎn)量，其中SR+K處理產(chǎn)量最高，為 7.40 t/hm2，與長期不施鉀肥和秸稈不還田的處理（CK）相比，增產(chǎn)幅度達17.83%;SR產(chǎn)量為6.87 t/hm²，增產(chǎn)幅度達9.39%;K產(chǎn)量為6.78 t/hm2，相比增產(chǎn)幅度為796%。表明秸稈還田和鉀肥施用顯著提高了水稻的產(chǎn)量，有一定的后效性。

2.2秸稈還田和施鉀肥處理對后季水稻植株養(yǎng)分含量及生產(chǎn)率的影響

不同的處理措施對于水稻莖稈和籽粒養(yǎng)分含量的影響是有差異的。由表1可以看出，水稻籽粒氮、磷含量較高，而秸稈中鉀含量較高。各處理的水稻秸稈中氮、磷養(yǎng)分含量的大小順序依次為SR+K>SR>K>CK;而秸稈中鉀含量則是SR+K>K>SR>CK;SR+K處理水稻秸稈中氮、磷、鉀含量分別顯著高于CK處理78.9%、38.5%和152.8%;籽粒中氮磷鉀的養(yǎng)分含量沒有顯著差異。圖3表明，在整個水稻季SR+K和SR處理氮磷鉀的吸收量高于CK和K處理;其中，SR+K處理的氮、鉀吸收量分別比CK高41.4%、158.8%;K處理鉀吸收量顯著高于CK，而氮吸收量與CK差異不顯著。與CK處理相比，其他3個處理水稻磷的吸收量顯著提高，其中SR+K處理磷吸收量最高，為28.8 kg/hm²，比CK增加49.2%;SR與K處理磷吸收量差異不顯著，SR+K處理顯著高于K、CK處理，整體表現(xiàn)為前期的秸稈還田促進了下季水稻的養(yǎng)分吸收，這表明秸稈還田通過培肥土壤，增加了土壤的養(yǎng)分含量，維持了土壤的生產(chǎn)力，進而促進作物的生長。

養(yǎng)分偏生產(chǎn)力常用來表觀土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分水平和肥料施用的綜合效率。圖4表明，在相同氮肥施用下SR+K、SR和K處理的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于CK處理，提高的幅度分別為17.87%、9.46%和798%;SR和K處理的氮肥偏生產(chǎn)力沒有顯著差異。這也表明，秸稈還田和化肥鉀的施用維持了土壤的基礎(chǔ)肥力從而促進了氮肥的利用效率。

2.3秸稈還田和長期施用鉀肥對后季水稻土壤養(yǎng)分影響

土壤肥力是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，為作物的正常生長提供所需要的養(yǎng)分，是土壤肥沃水平的重要表觀指標(biāo)。稻麥輪作系統(tǒng)中在長期的秸稈還田和化肥鉀的施用下，在本季的水稻試驗中各處理的土壤養(yǎng)分變化也產(chǎn)生了不同的差異。從表2土壤養(yǎng)分含量可以看出，與CK處理相比，K處理對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響（速效鉀含量除外），秸稈還田處理（SR+K和SR）顯著提高了土壤有機質(zhì)和總氮含量，提高的比例分別為18.7%、14.1%和14.6%、12.2%，SR+K處理還顯著增加了土壤速效磷和速效鉀含量。

2.4水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

秸稈還田不但影響了作物產(chǎn)量，還改變了土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量。由表3可知，水稻的產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)、速效鉀含量極顯著相關(guān)（P<001），與速效磷含量顯著相關(guān)（P<005），土壤有機質(zhì)含量則與土壤速效鉀、總氮和速效磷含量顯著或極顯著相關(guān)，速效鉀含量與其他元素（速效氮含量和土壤總磷含量除外）相關(guān)性較強?？梢娫诘钧溳喿飨到y(tǒng)中， 速效鉀和有機質(zhì)含量是影響作物產(chǎn)量的主要因素。在連續(xù)的稻麥耕作系統(tǒng)中，長期的秸稈還田提高了土壤有機質(zhì)和速效鉀的養(yǎng)分含量，進而提高了作物產(chǎn)量，增加了土壤的生產(chǎn)力。

3討論

連續(xù)3年的秸稈還田顯著增加了土壤有機質(zhì)和全氮含量^[20]。王志勇等研究表明，長期的秸稈還田可以改善土壤的物理性狀^[21]。譚德水等在河北省潮土的長期定位試驗表明，小麥秸稈還田可以顯著增加土壤速效鉀含量10.2%^[9]。一些研究表明，有機肥的施用能減少NO-3-N的淋溶損失風(fēng)險，有利于作物根系的生長。在本試驗中長期稻麥輪作的耕作模式下的試驗表明，在當(dāng)季水稻季僅施氮肥的情況下，長期的秸稈還田使得不同處理土壤養(yǎng)分產(chǎn)生了明顯的變化，SR+K和SR處理下耕層土壤有機質(zhì)、總氮和速效鉀含量顯著提高（表2），這主要是因為長期的秸稈還田增加了土壤有機碳、氮素和補充了鉀庫，培肥了土壤。土壤有機質(zhì)含量累積與大量秸稈施用有關(guān)，土壤氮含量的變化不但與化肥氮施用量有關(guān)，還與施用的有機氮有關(guān)。與CK相比，SR+K 增加了土壤總磷含量、速效磷含量，這可能是秸稈還田配施化肥鉀處理增加了磷的投入量;與CK處理相比，其他處理速效鉀含量均顯著增加，主要是因為化肥鉀和秸稈鉀直接補充了鉀素，使耕層土壤速效鉀含量提高。土壤養(yǎng)分相關(guān)性結(jié)果表明，秸稈還田主要是通過增加土壤有機質(zhì)、速效鉀含量來提高土壤肥力（表3），從而維持土壤生產(chǎn)力，這與Chen等的研究結(jié)果^{[4，9，11]}一致。

提高土壤肥力是提高作物可持續(xù)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素。許多研究表明，秸稈還田和化肥均可以提高作物產(chǎn)量。秸稈還田配施適量的氮肥可以顯著增加冬小麥的產(chǎn)量^[12];適宜的鉀素供應(yīng)水平有利于水稻結(jié)實率和收獲穗數(shù)的增加，提高水稻的產(chǎn)量^[22-23]。本試驗表明，化肥鉀和秸稈還田的處理均顯著增加了水稻的產(chǎn)量，其中秸稈還田配施化肥鉀的處理增產(chǎn)幅度最大，達到了17.83%，其次是秸稈還田和化肥鉀處理。這與在氮磷施肥的基礎(chǔ)上，秸稈還田配施鉀肥對作物產(chǎn)量的提高效果與鮑士旦等研究結(jié)果^[18，24]一致。秸稈富含氮磷鉀等元素，秸稈還田不但可以提供作物生長所需要的養(yǎng)分，還可以改善土壤的一些理化性狀，長期化肥鉀的施用為作物提供了鉀素^[12]。產(chǎn)量相關(guān)性表明，土壤的速效鉀、速效磷和有機質(zhì)含量對產(chǎn)量影響顯著或極顯著（表3）。Li 等研究表明，秸稈還田增加了土壤有機質(zhì)、氮和速效鉀等養(yǎng)分含量，提高了作物產(chǎn)量^{[1，12，19]}，這與本試驗的研究結(jié)果一致。

源庫是作物產(chǎn)量的決定因素^[25]，在作物的生長過程中，植株營養(yǎng)體的生長是作物產(chǎn)量的保障，而養(yǎng)分則是作物生長所需要的。養(yǎng)分的吸收量影響著作物產(chǎn)量和肥料利用率。土壤鉀素的供應(yīng)影響作物的籽粒和秸稈中鉀素的相對含量^[26]，作物干物質(zhì)積累，進而影響產(chǎn)量^[27]。鉀肥的施用增加了作物秸稈鉀素的吸收量，秸稈移除帶走了大量的鉀素^[16，22]。不同的土壤肥力不但影響水稻的產(chǎn)量，還影響水稻的養(yǎng)分含量、吸收量和養(yǎng)分利用效率。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田配施化肥鉀處理的秸稈和籽粒部位的氮磷鉀含量均是最高的，氮磷鉀的吸收量也顯著高于其他處理;化肥鉀處理提高了水稻秸稈的鉀含量和吸收量，同時增加了氮磷的吸收量。這與秸稈還田配施氮肥和秸稈還田配施鉀肥對養(yǎng)分吸收量的研究結(jié)果^{[24，28]}一致。肥料養(yǎng)分的偏生產(chǎn)力可以反映肥料施用的一個指標(biāo)效應(yīng)。本試驗表明，在同樣的氮肥條件下，氮肥偏生產(chǎn)力的大小為SR+K>SR>K>CK，秸稈還田處理（SR+K和SR）和化肥鉀處理顯著提高了水稻的產(chǎn)量，其相應(yīng)的氮肥偏生產(chǎn)力分別比CK提高了17.87%和946%。這主要是因為長期的秸稈還田提高了土壤的養(yǎng)分水平，促進了水稻養(yǎng)分的吸收。黃婷苗等研究結(jié)果^[12，28]與之相似。

4結(jié)論

秸稈還田配施適量鉀肥后效能夠影響水稻生長及對氮、磷、鉀的吸收與利用。經(jīng)過6年秸稈還田配施鉀肥培肥的土壤，在當(dāng)季單施氮肥的情況下，水稻的產(chǎn)量高達7.40 t/hm2，較對照提高了1783%，同時氮肥的偏生產(chǎn)力提高了17.87%，達到了49.3 kg/kg;通過提高土壤有機質(zhì)、總氮、速效鉀的含量培肥了土壤。在當(dāng)前的稻麥輪作系統(tǒng)下，秸稈還田配施適量的鉀肥可以有效地培肥土壤，利于作物的增產(chǎn)，提高氮肥偏生產(chǎn)力，有效維持了土壤的可持續(xù)生產(chǎn)力。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2018YFD02009、2018YFD0200901）;國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（編號：41907075）。

作者簡介：袁國?。?985—），男，河南開封人，博士研究生，主要從事水稻和小麥高效施肥相關(guān)研究。E-mail：guoyin0310@163.com。

通信作者：王火焰，博士，研究員，主要從事作物養(yǎng)分管理相關(guān)研究。E-mail：hywang@issas.ac.cn。