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秸秆还田配施钾肥对水稻产量与钾素吸收的影响

范文

李长洲袁国印王一柳王火焰陈小琴卢殿君

摘要：为了研究秸秆还田配施钾肥对水稻产量及吸钾规律的影响，在长江三角洲地区稻麦轮作系统中开展秸秆还田供钾试验，设置对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥3个处理。研究发现，秸秆供钾比对照增产9.27%，秸秆还田配施钾肥没有继续增产，但钾素利用效率比秸秆供钾提高了20%。秸秆还田配施钾肥提前并缩短了水稻钾素吸收的快速积累期。由此可见，秸秆还田配施钾肥是农田系统的高效施钾策略。

关键词：水稻;秸秆还田配施钾肥;钾素积累

中图分类号：S511.06 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2021）02-0043-05

收稿日期：2020-04-27

基金项目：国家重点研发计划（编号：2016YFD0200108）;国家自然科学基金青年科学基金（编号：41907075）。

作者简介：李长洲（1988—），男，山东济宁人，博士研究生，主要从事土壤和植物钾素研究。E-mail：changzhou_li@163.com。

通信作者：卢殿君，博士，助理研究员，主要从事养分管理研究。E-mail：djlu@issas.ac.cn。

稻麦轮作系统是世界上最大的农业生产系统，主要分布在中国和印度[1-3]。作为禾本科作物，水稻和小麦都是吸钾量较多的作物，而80%的钾素存在于水稻和小麦的秸秆中，这部分钾素经常被无视并被从农田中移除，且被移除的秸秆中钾量远远超过了投入农田系统中的化肥钾[4-7]。长此以往，必将导致土壤钾素的负平衡并影响稻麦轮作系统的产量，尤其高产品种的推广更加剧了这种趋势[8-10]。所以，稻麦轮作系统中秸秆还田在供钾方面具有重要意义。我国钾肥施用量呈现逐年增长的趋势，从2002年的434万t（K2O）增长到2013年的640万t[4]。而我国钾肥产量只能满足消费市场的50%，另外50%的钾肥需要进口，为了减少对不可再生钾矿资源的依赖，秸秆作为钾肥补充资源得到越来越多的重视[11-13]。

水稻吸钾量一般是小麦吸钾量的2～4倍，在供钾充足的条件下，水稻钾素吸收量远远高于氮素吸收量[14]。水稻钾素吸收量是由生长发育期各个阶段中不同器官如叶片、叶鞘、茎秆和籽粒逐步积累完成的，研究水稻吸钾规律对钾素营养诊断和精确施肥具有重要意义。前人对水稻钾素吸收以及转运规律做了一些报道，但这些研究均集中于矿物钾肥的吸钾规律方面，而秸秆还田条件下水稻吸钾规律尚未见报道[4-5]。本研究在长江三角洲地区稻麦轮作系统中开展秸秆还田供钾试验，分析秸秆还田供钾条件下的水稻产量、钾素利用效率、钾素吸收规律，以期为水稻生产中秸秆还田供钾提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验在安徽省广德县前路村开展，本地种植制度为稻麦轮作。该试验地位于苏浙皖3省交界处，属亚热带湿润气候区，年均气温17.5 ℃，年均降水量1 149.7 mm。供试土壤类型为棕紅壤，成土母质为第四纪红色黏土。试验地基础土壤理化性状为：pH值5.58，有机质含量25.9 g/kg，全氮含量 1.29 g/kg，有效磷含量23.5 mg/kg，速效钾含量601 mg/kg，缓效钾含量318 mg/kg。

1.2试验设计

本试验设置3个处理：（1）对照（CK）;（2）秸秆还田（straw），即秸秆全量还田;（3）秸秆还田配施钾肥（straw+KCl），钾肥（K2O）用量为 50 kg/hm2。每个处理4次重复，小区面积为30 m2。氮肥（尿素，含N 46%）用量为N 180 kg/hm2，氮肥分次施用：基肥50%，分蘖肥25%，穗肥25%;磷肥（过磷酸钙，含P2O5 12%）用量为P2O5 120 kg/hm2，作基肥施入;钾肥为氯化钾（含K2O 60%），作基肥施入。2016年6月19日水稻移栽，品种为两优6188，其他田间管理措施如除草、除虫等均采用当地习惯管理，于2016年10月10日收获。

1.3样品采集与分析

植株取样时间为水稻移栽后14 d（分蘖始期）、28 d（分蘖盛期）、42 d（拔节孕穗期）、56 d（抽穗期）、70 d（齐穗期）、84 d（灌浆期）、98 d（灌浆期）和112 d（成熟期），在各小区随机采集3蔸水稻植株，分为叶片、叶鞘、茎秆、穗和根，于105 ℃杀青 30 min，70 ℃烘干至恒质量，记录各器官干质量;磨碎，采用H2SO4-H2O2消化，用火焰光度计测定钾含量。

1.4数据处理

钾素当季利用率（REK，%）=[供钾区吸钾量（K2O）-对照区吸钾量]÷供钾量（K2O）×100;

钾素农学效率（AEK，kg/kg）=（供钾区产量-对照区产量）÷供钾量（K2O）;

钾素偏生产力（PFPK，kg/kg）=供钾区产量÷供钾量（K2O）;

钾素生理效率（PEK，kg/kg）=（施钾区产量-对照产量）÷[施钾区吸钾量（K2O）-对照区吸钾量（K2O）];

水稻吸钾量（y）与移栽后时间（t，d）的关系可用Logistic生长模型表示：

y=k÷（1+ae-bt）。

式中：y（kg/hm2）为水稻地上部钾素积累量，kg/hm2;k为钾素积累量的模拟最大值，kg/hm2;a、b为模型参数;t为水稻移栽后时间，d。

根据Logistic方程一阶求导可得钾素积累速率表达式：

y′=kabe-bt÷（1+ae-bt）2。

根据Logistic方程三阶求导，特征值分别为：

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

式中：Tmax为钾素最大积累速率出现的时间;T1和T2分别代表钾素快速积累期的开始时间和结束时间;Vmax为积累速率最大值，kg/（hm2·d）;ΔT为钾素快速积累持续时间，ΔT=T2-T1。

本研究使用Microsoft Excel 2016 （Microsoft Corp.，Washington，USA）软件对数据进行分析。统计分析使用SPSS 22.0（IBM Corp.，Armonk，USA）软件统计。方程使用1stOpt（7D-Soft High Technology Inc.）软件拟合。作图使用SigmaPlot 14.0（Systat Software Inc.，San Jose，USA）软件绘制。

2结果与分析

2.1秸秆还田配施钾肥对水稻产量和钾素利用效率的影响

在稻麦轮作系统中秸秆还田供钾能有效提高水稻的产量，对照（CK）、秸秆还田（straw）和秸秆还田配施钾肥（straw+KCl）处理产量分别为 6 472、7 066、7 072 kg/hm2，秸秆还田处理水稻产量显著增加，与对照相比，秸秆还田处理和秸秆还田配施钾肥处理分别增产9.18%和9.27%，但秸秆还田处理间产量差异不显著。不同处理水稻吸钾量表现为秸秆还田配施钾肥>秸秆还田>对照，吸钾量分别为183、142、98 kg/hm2。秸秆还田配施钾肥处理和秸秆还田处理吸钾量分别比对照处理增加86.7%和44.9%，同时秸秆还田配施钾肥处理吸钾量比秸秆还田处理增加28.9%（表1）。在本试验秸秆还田的基础上施用钾肥，水稻产量增加不明显，但吸钾量增加显著。

秸秆和化学钾肥不分种类，统一作为水稻的钾素来源，以此计算钾素利用效率。随着供钾量的增加，水稻钾素当季利用率增加，秸秆还田和秸秆还田配施钾肥处理钾素当季利用率分别为745%和94.3%。随着供钾量的增加，水稻的钾素农学效率、钾素偏生产力和钾素生理效率降低，秸秆还田和秸秆还田配施钾肥处理钾素农学效率分别为9.89、666 kg/kg，钾素偏生产力分别为118、79 kg/kg，钾素生理效率分别为13.3、 7.1 kg/kg。在秸稈还田的基础上施用钾肥，出现了水稻吸钾量增加但产量不增加的钾素奢侈吸收现象（表1），这样导致了随着供钾量增加其钾素当季利用率升高但钾素农学效率、钾素偏生产力和钾素生理效率下降的情况。

2.2秸秆还田配施钾肥对水稻地上部钾素积累动态变化的影响

对水稻地上部钾素积累量进行Logistic方程拟合（图1、表2），地上部钾素积累量的实测值与拟合值相关性极显著（P<0.01）。对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥的钾素积累始盛期分别出现在移栽后42.5、41.8、37.4 d，此阶段为水稻拔节孕穗期。钾素积累的盛末期出现在齐穗期阶段，各处理间差异较大，秸秆还田在移栽后70.6 d，比对照提前 4.7 d;秸秆还田配施钾肥又比秸秆还田提前7.8 d。由于始盛期和盛末期不同，对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥的钾素快速积累期也不同，分别为32.8、28.8、25.3 d，秸秆还田配施钾肥使钾素快速积累期明显缩短。在成熟黄化期，钾素积累出现了损失，对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥的钾素损失率分别为2.29%、6.35%和7.32%。

水稻的钾素积累速率呈单峰变换，先升高后降低（表2）。秸秆还田处理钾素最大积累速率为 2.88 kg/（hm2·d），出现时间在移栽后56.2 d。秸秆还田配施钾肥处理钾素最大积累速率为 4.26 kg/（hm2·d），是秸秆还田的1.48倍，是对照的2.55倍。秸秆还田配施钾肥处理钾素最大积累速率出现时间为移栽后50.1 d，比秸秆还田提前了6.1 d，比对照提前了8.8 d。水稻钾素最大积累速率阶段为抽穗期。秸秆还田配施钾肥增加了水稻钾素最大积累速率，并提前了吸收峰和快速积累期。

2.3秸秆还田配施钾肥对水稻各部位钾素吸收及分配的影响

在水稻不同生长发育阶段，各部位钾素积累量均表现为秸秆还田配施钾肥>秸秆还田>对照（图1）。根的钾素积累量随生育期的推进先增加后降低，对照和秸秆还田处理在移栽后84 d最大，分别为5.23、6.30 kg/hm2，秸秆还田配施钾肥处理在移栽后42 d达到最大值，为12.5 kg/hm2。叶鞘的钾素积累量基本为先增加后降低的趋势，在移栽后 98 d 达到最大值，对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥分别为23.8、46.0、62.7 kg/hm2。叶片的钾素积累变化为先增加后降低，在移栽后56 d为最大值，此时为抽穗期，对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥分别为34.4、46.6、60.2 kg/hm2。茎秆的钾素积累呈现一直增加的趋势，在成熟期最大，对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥分别为36.6、50.3、 65.5 kg/hm2。穗的钾素积累量变化为先增加，在成熟期有所降低。在成熟期，秸秆还田配施钾肥各部位钾素积累量大小为茎秆>叶鞘>穗>叶片>根，秸秆还田各部位钾素积累量大小为茎秆>叶鞘>穗>叶片>根，对照各部位钾素积累量大小为茎秆>穗>叶鞘>叶片>根。在生长发育前期钾素主要积累在叶鞘和叶片中，在生长发育后期钾素主要积累在叶鞘和茎秆中（图2）。

在水稻不同生长发育阶段，钾素在各器官的分配比例也不同。在分蘖期，钾素主要分配在叶鞘中，分配占比为47.2%～62.3%;在拔节期到抽穗期，钾素主要分配在叶片中，分配占比为50.1%～72.1%;在齐穗期，钾素主要分配在叶鞘和叶片中，分配占比分别为38.4%～40.9%和35.3%～387%;在灌浆期，钾素主要分配在叶鞘中，分配占比为26.6%～35.4%;在成熟期，钾素主要分配在茎杆中，分配占比为42.0%～44.0%。

3讨论

禾本科作物大约80%的钾素集中在秸秆中，水稻、小麦秸秆钾素当季释放率在85%～90%[15]。稻麦轮作系统中，水稻和小麦的秸秆还田供钾量一般为300～360 kg/（hm2·年）[9]，而秸秆不还田的推荐施钾量只有180～240 kg/（hm2·年）[4-5]，秸秆还田供钾能力远高于秸秆不还田推荐施钾，秸秆还田对农田土壤钾素平衡有重要作用[16]。不仅如此，秸秆还田还提供了大量的氮素、磷素和盐基离子，而补充盐基离子正是预防土壤酸化的有效措施[17-19]。与单纯秸秆还田相比，秸秆还田配施钾肥尽管没有显著提高水稻产量，但提高了水稻吸钾量和当季钾素利用率，水稻继续秸秆还田能够为下季小麦供应充足的钾素。长期单纯秸秆还田供钾依然会导致土壤钾素的负平衡，只有秸秆还田配施钾肥才能使农田钾素达到正平衡，长期维持土壤钾素肥力。

水稻钾素积累量的变化可用Logistic生长曲线模拟，方程模拟值与实测值的相关性极显著（P<001）。钾素积累速率呈单峰变化特征，对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥处理出现钾素最大积速率的时间依次提前，分别为移栽后58.9、56.2、50.1 d。同时，对照、秸秆还田和秸秆还田配施钾肥的钾素快速积累期依次缩短，分别为33、29、25 d。研究结果表明，秸秆还田配施钾肥对水稻钾素快速积累起到了提前并缩短的作用，秸秆还田供钾对水稻吸钾规律的影响与化学钾肥对吸钾规律的影响结果[20]一致。有研究结果表明，钾素快速积累期越早，快速积累时间越短，越有利于水稻生物量的积累和优质群体结构的形成[21]。若在水稻生长发育过程中缺钾，最高效的补钾时间是拔节孕穗期到齐穗期。通过叶片进行钾素营养诊断的时间须要在拔节孕穗期之前，最好是有效分蘖临界期或拔节期，这与薛欣欣等对水稻功能叶片营养诊断的研究结果[22]一致。

4结论

秸秆供钾比对照增产9.27%，秸秆还田配施钾肥没有继续增产，但钾素利用效率比秸秆还田提高了20%，且秸秆还田配施钾肥更有利于农田钾素平衡。秸秆还田配施钾肥提前并缩短了水稻钾素吸收快速积累期。秸秆还田配施钾肥是农田系统的高效施钾策略。

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