秸稈還田條件下不同施鉀量對玉米生長、鉀吸收與利用的影響

http：//hljnykx.haasep.cnDOI：10.11942/j.issn1002-2767.2024.06.0001

劉浩楠，張吉立，劉欣，等.秸稈還田條件下不同施鉀量對玉米生長、鉀吸收與利用的影響

［J］.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024（6）：1-6.

摘要：為促進玉米生產(chǎn)中科學(xué)施用鉀肥，在九三分公司大西江農(nóng)場大田生產(chǎn)條件下設(shè)置4個鉀肥處理，施用量分別為0 kg·hm-2（對照，K0）、60 kg·hm-2（K1）、75 kg·hm-2（K2）、90 kg·hm-2（K3），研究秸稈全量還田條件下不同施鉀量對玉米-大豆輪作中玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量、鉀肥利用率及經(jīng)濟效益的影響。結(jié)果表明，K2葉綠素含量在整個試驗期間均顯著高于K0，大喇叭口期至灌漿期K1顯著高于K0；莖粗K2在拔節(jié)期至灌漿期均顯著高于K0，K1與K0之間無顯著差異；莖、葉干物質(zhì)積累量K1、K2、K3之間無顯著差異，苞葉干物質(zhì)積累量、總干物質(zhì)積累量K2顯著高于K1，K1和K0之間總干物質(zhì)積累量無顯著差異；不同鉀肥施用量處理間的莖、葉、軸、籽粒中鉀積累量無顯著差異，K3總鉀積累量顯著高于K1和K0；不同施鉀量不會對玉米產(chǎn)量、產(chǎn)值和經(jīng)濟效益產(chǎn)生顯著影響，本研究條件下，施鉀量增加會顯著降低鉀肥的偏生產(chǎn)力。綜上所述，大西江農(nóng)場秸稈還田條件下玉米適宜的鉀肥施用量為60～75 kg·hm-2。

關(guān)鍵詞：鉀肥；玉米；產(chǎn)量；鉀吸收；鉀肥利用率

收稿日期：2024-04-12

基金項目：黑龍江半干旱區(qū)春玉米全程機械化豐產(chǎn)增效技術(shù)體系集成與示范（2018YFD0300101-2）。

第一作者：劉浩楠（1992-），男，碩士研究生，從事植物營養(yǎng)與肥料研發(fā)。E-mail：1119508772@qq.com。

通信作者：王鵬（1962-），男，博士，教授，博導(dǎo)，從事作物養(yǎng)分與施肥技術(shù)研究。E-mail： wangpbynd@ 163.com。

玉米是我國主要糧食作物之一，為國內(nèi)播種面積較高的糧食作物，同時我國玉米在世界糧食貿(mào)易中也占有重要地位［1］。在玉米生長發(fā)育過程中鉀元素是必不可少的營養(yǎng)元素之一，在一定的范圍內(nèi)隨著鉀肥用量的增加，玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)也會隨之提升，但如果鉀肥用量超過適宜范圍，產(chǎn)量便會隨之下降。缺少鉀元素會破壞土壤的營養(yǎng)平衡，也會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［2］。農(nóng)戶經(jīng)常通過在玉米播種及生長過程中大量施用化學(xué)肥料的方式維持玉米產(chǎn)量，該種方式不僅提高了玉米栽培成本，而且還會破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降，進而影響玉米產(chǎn)量［3］。作物秸稈作為可再生資源之一，具備植物生長發(fā)育過程中所需的各種營養(yǎng)元素，因此土壤內(nèi)大量所需的營養(yǎng)元素可以通過秸稈還田進行補充，長期的秸稈還田可以有效提升土壤肥力［4］，大豆玉米輪作模式能夠有效提升土壤肥力和后茬玉米產(chǎn)量，因此在秸稈長期大量還田且大豆與玉米輪作條件下，施鉀量的減少并不會使玉米產(chǎn)量下降 ［5］，所以近些年在黑龍江省中西部地區(qū)該種栽培模式推廣面積呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢［6］。北大荒農(nóng)墾集團有限公司九三分公司大西江農(nóng)場已經(jīng)實施玉米-大豆輪作制度且秸稈全部還田6年，顯著提升了土壤肥力但是當(dāng)?shù)剽浄适┯昧亢褪┯梅绞讲⑽窗l(fā)生改變，目前各農(nóng)場鉀肥施用量是否還會對秸稈全部還田下玉米-大豆輪作中玉米產(chǎn)量具有顯著提升效應(yīng)并不明確，降低鉀肥施用量是否可行也有待驗證。因此，本研究分析秸稈還田條件下鉀肥對大豆-玉米輪作體系中玉米生長、產(chǎn)量和鉀肥利用效率的影響，以期為建立該體系科學(xué)的施肥標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

1" 材料與方法

1.1" 試驗地概況

試驗于2021年在北大荒農(nóng)墾集團有限公司九三分公司大西江農(nóng)場園區(qū)（48°58′33″N，124°57′8″E）內(nèi)進行。試驗區(qū)屬寒溫帶半濕潤區(qū)，作物一年一熟，無灌溉，為典型的旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。降雨主要集中在7月－8月，降雨量年均526.6 mm，10 ℃及以上有效年積溫2 312.5 ℃。日照時數(shù)全年在2 532 h左右，無霜期大概120 d。試驗土壤類型為黑土，土壤基本理化性質(zhì)為pH6.01、有機質(zhì)38.97 g·kg-1、有效磷36.11 mg·kg-1、速效鉀275.33 mg·kg-1、堿解氮135.80 mg·kg-1。

1.2" 材料

大西江農(nóng)場供試玉米品種為先達101，為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。試驗所選用肥料為尿素（N 46%），重過磷酸鈣（P2O5 46%），磷酸二銨（N 46%，P2O5 46%）和硫酸鉀（K2O 50%）。

1.3" 方法

1.3.1" 試驗設(shè)計

根據(jù)大西江農(nóng)場試驗點當(dāng)?shù)赝扑]鉀肥用量，設(shè)置4個施肥量處理，其中，K0為不施鉀肥；K1為當(dāng)?shù)厥┯免浄柿康?0%；K2為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)鉀肥施用量；K3為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量的120%。各處理施肥量詳見表1。試驗施肥分為基肥和追肥。所有處理均采用機械施肥。試驗采用小區(qū)對比試驗，小區(qū)面積為0.792 hm2，各處理12壟，雙壟雙行，壟寬1.1 m，肥上種子與肥間距5 cm以上，施肥深度為13～15 cm，種植密度為78 080 株·hm-2。播種前對試驗地進行旋耕、耙平、劃區(qū)和起壟等作業(yè)，旋耕深度30 cm。

1.3.2" 測定項目及方法

葉綠素含量和莖粗測定：在試驗區(qū)內(nèi)隨機設(shè)置3塊長×寬為50 m×50 m的地塊作為采樣區(qū)，各處理采樣區(qū)面積為750 m2，分別于玉米拔節(jié)期（出苗后41 d）、大喇叭口期（出苗后58 d）、吐絲期（出苗后76 d）、灌漿期（出苗后96 d）進行葉片取樣。使用浸提法［7］測定玉米葉片葉綠素含量的使用游標(biāo)卡尺測定玉米莖粗，每個處理選擇6株，最終結(jié)果取平均值。

干物質(zhì)積累量測定：于成熟期（出苗后131 d）取樣測定玉米干物質(zhì)積累量［8］。每個處理隨機取樣3株，105 ℃殺青30 min，于80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱量，取平均值。

產(chǎn)量測定：按農(nóng)業(yè)農(nóng)村部標(biāo)準(zhǔn)測產(chǎn)，即選定代表性樣方（10 m×10 m的正方形），統(tǒng)計樣方內(nèi)玉米植株數(shù)量，測算玉米產(chǎn)量，每個處理選擇10個樣方進行測產(chǎn)。

植株養(yǎng)分含量測定：玉米植株樣品在田間采集烘干后粉碎，與過氧化氫作催化劑和硫酸一同添加至消煮爐中進行消煮，使用火焰光度計測量植株全鉀含量［9］。

玉米鉀積累與利用計算方法如下［10］：

植株鉀素積累量（kg·hm-2）=單株干重×植株含鉀量×種植密度

鉀肥表觀利用率（%）=（施鉀肥區(qū)地上部分鉀肥積累量-不施鉀肥區(qū)地上部分鉀肥積累量）/施鉀量×100

鉀肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施鉀肥區(qū)產(chǎn)量/施鉀肥量

鉀肥農(nóng)學(xué)效率（kg·kg-1）=（施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施鉀肥量

1.3.3" 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010版軟件制作表格，使用DPS 7.05版軟件分析方差。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 秸稈還田下不同施鉀量對玉米葉片葉綠素含量的影響

在生長發(fā)育期間，玉米葉綠素含量的變化為先升高后降低（圖1），拔節(jié)期，K2葉片葉綠素含量分別較K0、K1和K3提高17.58%、13.23%和9.74%，其中K2顯著高于K0和K1處理，與K3之間無顯著差異。大喇叭口期，K2分別較K0、K1和K3顯著提高了56.25%、12.14%和16.44%，其中K1、K3之間無顯著差異；吐絲期，K2葉綠素含量分別較K0、K1顯著提高了40.38%和15.44%，3個處理間差異顯著，K3分別較K0、K1顯著提高了37.56%和13.13%；灌漿期，K2分別較K0、K1和K3顯著提高了25.73%、8.59%和16.85%，其中K0與K3之間無顯著差異。綜上分析，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀水平（K2）玉米葉綠素含量較高，繼續(xù)增加鉀肥用量會降低玉米葉片各生育期葉綠素含量。

2.2" 秸稈還田下不同施鉀量對玉米莖粗的影響

由表2可知，玉米莖粗的變化表現(xiàn)為隨鉀肥用量的增加呈先增加后降低的趨勢，其中拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期和灌漿期K2分別較K1提高了3.22%、17.23%、9.85%和15.71%，大喇叭口期至灌漿期兩個處理間存在顯著差異；K3分別較K1提高1.53%、6.62%、2.60%和0.39%，其中大喇叭口期兩個處理之間存在顯著差異，其余生育時期無顯著差異；大喇叭口期和灌漿期，K3顯著低于K2處理，拔節(jié)期和吐絲期K3低于K2但是無顯著差異。綜上分析，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加鉀肥用量并不會促進玉米莖粗生長，反而會使灌漿期莖粗顯著降低。

2.3" 秸稈還田下不同施鉀量對玉米干物質(zhì)積累的影響

由表3可知，秸稈還田條件下，隨著施鉀量的增加，各施肥處理玉米葉片干物質(zhì)積累表現(xiàn)為逐步下降的趨勢，K1最高，分別較K2、K3提高了6.32%和14.66%，三者無顯著差異，表明不同施鉀量對玉米葉片干物質(zhì)積累的影響處于同一水平；莖、苞葉干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為隨著施鉀量的增加而升高的趨勢，莖不同施鉀處理之間干物質(zhì)積累量無顯著差異，而苞葉干物質(zhì)積累量K2與K3之間無顯著差異，但二者均顯著高于K1和K0處理；軸干物質(zhì)積累量K3顯著高于其他處理，

較K0提高了15.42%，K2、K1與K0之間無顯著差異。籽粒干物質(zhì)積累量各處理間均無顯著差異，K2分別較K0和K1提高了6.80%和2.37%，K3較K2提高了0.44%；總干物質(zhì)積累量K3與K2之間無顯著差異，二者均顯著高于K1和K0，表明施鉀量從K2提高至K3不會顯著提高玉米總干物質(zhì)積累量，但施鉀量從K1提高至K2會顯著提高玉米總干物質(zhì)積累量。

2.4" 秸稈還田下不同施鉀量對玉米各器官鉀累積的影響

由表4可知，玉米葉、莖、苞葉、軸、籽粒和總鉀積累量表現(xiàn)為隨著施鉀量的增加而升高的趨勢。其中K3鉀吸收量最高，與K0相比分別提高了59.35%、18.45%、126.27%、34.54%、24.96%和30.86%，表明該施鉀量可以顯著提高玉米這幾個器官的鉀吸收量。從不同施鉀處理對玉米各器官鉀積累的影響來看，葉、莖、軸、粒鉀吸收量K1、K2、K3之間無顯著差異，表明不同施鉀量在大西江農(nóng)場不會對玉米葉、莖、軸、粒鉀積累量產(chǎn)生顯著影響；總鉀積累量K2與K1和K3之間均無顯著差異，表明與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀量處理相比提高或者降低20%施鉀量均不會對玉米總鉀積累量產(chǎn)生顯著影響。而K3顯著高于K1，且施鉀處理均顯著高于K0，表明60 kg·hm-2的施鉀量在大西江農(nóng)場也會顯著提高玉米總鉀積累量。

2.5" 秸稈還田下不同施鉀量對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)值的影響

由表5可知，玉米產(chǎn)量和產(chǎn)值表現(xiàn)為隨著施鉀量的升高而增加的趨勢，其中K2產(chǎn)量分別較K0和K1提高了6.80%和2.37%，K2較K3降低了0.44%，所有處理之間均無顯著差異。這表明不同施鉀量不會對大西江農(nóng)場玉米產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。

從產(chǎn)值變化上來看，所有處理的產(chǎn)值均無顯著差異，這說明不同施鉀量也不會對當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)值產(chǎn)生顯著影響；從肥料投入上來看，K2、K3分別較K1提高了217和416元·hm-2，因此K3經(jīng)濟效益較K2降低了98.73元·hm-2；因K2產(chǎn)量高于K1，K2經(jīng)濟效益較K1提高了307.38元·hm-2；各處理經(jīng)濟效益方差分析結(jié)果表明，所有處理之間無顯著差異，說明在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀量基礎(chǔ)上增加或降低20%施鉀量在大西江農(nóng)場不會顯著提高玉米經(jīng)濟效益，反而較常規(guī)施鉀處理效益降低。

2.6" 秸稈還田下不同施鉀量對玉米鉀肥利用的影響

由表6可知，在當(dāng)?shù)亻L期秸稈還田條件下，玉米鉀肥表觀利用率表現(xiàn)出一直升高的變化，其中K2、K3間無顯著差異，均顯著高于K1，這說明鉀肥施用量在75～90 kg·hm-2范圍內(nèi)與施鉀量為60 kg·hm-2相比會顯著提高玉米鉀肥表觀利用率。鉀肥農(nóng)學(xué)效率K2處理最高，與K1和K3相比分別提高了25.55%和12.18%，其中K2顯著高于K1，K3與K1之間無顯著差異；鉀肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為隨著施鉀量的增加而顯著降低的變化，其中K2、K3分別較K1降低了18.10%和31.45%，表明在大西江農(nóng)場秸稈還田條件下增加鉀肥施用量會顯著降低玉米的鉀肥偏生產(chǎn)力。

3" 討論

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，光合速率和光合產(chǎn)物高低受葉綠素含量高低的直接影響［9］，同時會影響作物干物質(zhì)積累，最終影響產(chǎn)量形成，因此影響作物葉綠素的因素均會對干物質(zhì)積累和產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響［10］。本研究中，施用鉀肥提高了玉米葉片中的葉綠素含量，其中K2在整個試驗期間均顯著高于K1，從而使得K2處理光合能力顯著高于K1，這也是K2處理莖粗、總干物質(zhì)積累量顯著高于K1的重要原因。另外，在大喇叭口期和灌漿期K3葉綠素含量顯著低于K2，拔節(jié)期和吐絲期K3與K2之間無顯著差異，這說明鉀肥施用量在K2基礎(chǔ)上提高至K3并不能顯著提高玉米葉綠素含量，個別生育時期還會降低葉綠素含量，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與當(dāng)?shù)剡B續(xù)秸稈還田改善了土壤肥力、提高了鉀元素的供應(yīng)能力有關(guān)［11-12］。

從玉米莖粗變化上來看，K2與K0相比整個生育期莖粗均顯著升高，這與李明等［13］的研究結(jié)果一致，說明施用鉀肥可以明顯促進玉米莖粗生長；

本研究中，K3莖粗在大喇叭口期和灌漿期均顯著低于K2，且與K0之間無顯著差異，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因為K2較接近促進玉米莖粗生長的適宜施鉀量，但本研究中，由于當(dāng)?shù)亻L期采取秸稈全量還田，土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力較強，從而導(dǎo)致過高施鉀量并不利于玉米莖粗的增加。另外，除拔節(jié)期莖粗K2與K1之間無顯著差異外，大喇叭口期至灌漿期K2均顯著高于K1，這也說明在當(dāng)?shù)亻L期秸稈還田條件下，按照常規(guī)施鉀量的80%施用鉀肥仍然會顯著影響玉米生長，進而使玉米莖粗降低。

判斷植物生長發(fā)育狀況的另一個指標(biāo)是其干物質(zhì)積累量的高低［14］，因此，研究不同施鉀量對玉米各器官干物質(zhì)積累量的影響可以作為判斷鉀肥肥效的重要指標(biāo)［15］。從本研究結(jié)果來看，玉米葉片和莖干物質(zhì)積累量各施鉀處理之間無顯著差異，說明在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀量條件下降低或者提高鉀肥施用量20%不會對玉米莖和葉片干物質(zhì)積累產(chǎn)生顯著影響。玉米苞葉、粒和總干物質(zhì)積累量K2顯著高于K1，這說明在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀量基礎(chǔ)上降低20%施鉀量會對玉米籽粒、苞葉和總干物質(zhì)積累量產(chǎn)生顯著影響，但是施鉀量提高20%并未顯著提高籽粒和總干物質(zhì)積累量，這說明K2處理已經(jīng)接近于當(dāng)?shù)刈罴咽┾浟浚谠摶A(chǔ)上繼續(xù)提高施鉀量不能顯著促進玉米生長，因此不宜繼續(xù)提高施鉀量。

玉米各器官養(yǎng)分吸收量高低可以作為判斷其對營養(yǎng)元素利用能力的重要指標(biāo)［16］，研究各器官鉀吸收量變化可以判斷各器官在不同施鉀量條件下對鉀營養(yǎng)的利用能力。從本研究結(jié)果來看，在當(dāng)?shù)亻L期秸稈還田條件下，施鉀量在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀量基礎(chǔ)上提高或者降低20%均不會對玉米葉、莖、軸、粒以及總鉀吸收量產(chǎn)生顯著影響，這說明在大西江農(nóng)場玉米鉀吸收量受施鉀量影響較小。從產(chǎn)量和產(chǎn)值上來看，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施鉀量基礎(chǔ)上降低20%后產(chǎn)量雖然有所降低，但是并未達到顯著水平，并且肥料成本降低了217元·hm-2，經(jīng)濟效益僅降低了307.39元·hm-2，兩個處理處于同一水平；施鉀量提高20%后，經(jīng)濟效益卻明顯降低，因此從施肥經(jīng)濟效益的角度考慮，在當(dāng)?shù)剡B續(xù)秸稈還田基礎(chǔ)上鉀肥施用量在60～75 kg·hm-2范圍內(nèi)經(jīng)濟效益最優(yōu)。

從前人相關(guān)研究來看，作物栽培中秸稈還田比例達到65%以上時，化肥施用量可以降低10%～20%［17］，肥料利用率顯著升高［18-19］，但是本研究結(jié)果中，鉀肥表觀利用率和鉀肥偏生產(chǎn)力K1處于最高值，而提高鉀肥施用量會顯著降低鉀肥利用效率，這與霍娜等［20］的研究結(jié)果相似，分析原因認為這與當(dāng)?shù)亻L期秸稈還田充分培肥土壤有關(guān)。

4" 結(jié)論

在大西江農(nóng)場大豆-玉米輪作且秸稈全量還田6年的土壤上，鉀肥施用量為75 kg·hm-2時對提高玉米葉綠素含量、莖粗、總干物質(zhì)積累量、經(jīng)濟效益效果最好；鉀肥施用量降低至60 kg·hm-2時，玉米總鉀吸收量、產(chǎn)量、產(chǎn)值、經(jīng)濟效益與75 kg·hm-2時處于同一水平，同時顯著提高了玉米鉀肥表觀利用率和鉀肥偏生產(chǎn)力。結(jié)合田間試驗與產(chǎn)量產(chǎn)值的結(jié)果分析，大西江農(nóng)場試驗點適宜的鉀肥施用量為60～75 kg·hm-2。

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Effects of Different Potassium Application Rates on Maize Growth， Potassium Uptake and Utilization Under Straw Returning Conditions

LIU Haonan1， ZHANG Jili2， LIU Xin1， YANG Liheng1， SHANG Lei1， JIANG Yuzhou1， WANG Peng1

（1.College of Agriculture，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， China; 2. Department of Economics and Management，Daqing Vocational College， Daqing 163255， China）

Abstract：In order to promote the scientific application of potassium fertilizer in maize production， four potassium fertilizer treatments were set up under the field production conditions of Daxijiang Farm under the Jiusan Management Bureau， with application rates of 0 kg·ha-1 （control， K0）， 60 kg·ha-1 （K1）， 75 kg·ha-1 （K2）， and 90 kg·ha-1（K3）， respectively. The effects of different potassium fertilizer rates on the growth and development， yield， potassium fertilizer utilization efficiency， and economic benefits of corn soybean rotation under full straw return were studied. The results showed that the chlorophyll content of K2 was significantly higher than that of K0 through out the entire experimental period， and K1 was significantly higher than K0 from the large bell mouth stage to the filling stage; The stem thickness K2 was significantly higher than K0 from the jointing stage to the filling stage， and there is no significant difference between K1 and K0; There was no significant difference in the accumulation of dry matter between stem and leaf K1， K2， and K3， while the accumulation of dry matter in bracts and leaves K2 was significantly higher than K1. There was no significant difference in the accumulation of dry matter between K1 and K0; There was no significant difference in potassium accumulation in stems， leaves， axes， and grains among different potassium fertilizer application rates. The total potassium accumulation in K3 was significantly higher than that in K1 and K0; Different potassium application rates do not have a significant impact on maize yield， output value， and economic benefits. Increasing potassium application rates will significantly reduce the partial productivity of potassium fertilizer. In summary， the suitable amount of potassium fertilizer application under the condition of returning straw to the field in Daxijiang Farm is 60-75 kg·ha-1.

Keywords：potash fertilizer;maize; yield; potassium absorption; potash utilization