秸稈還田方式對褐土鉀素平衡與鉀庫容量的影響

解文艷， 周懷平， 楊振興， 路慧英， 關春林， 武文麗

(1山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原 030006；2山西省文水縣水利水保局，山西文水 032100)

秸稈還田方式對褐土鉀素平衡與鉀庫容量的影響

解文艷1， 周懷平1， 楊振興1， 路慧英2， 關春林1， 武文麗1

(1山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原 030006；2山西省文水縣水利水保局，山西文水 032100)

褐土； 秸稈還田； 土壤鉀素

世紀90年代以來，隨著農業生產的發展，農作物產量的大幅度提高，氮、磷化肥的大量施用和有機肥施用量的減少，我國農田土壤鉀素多年來一直處于虧缺狀態[1]。中國是世界秸稈產量大國[2]，據統計，2006 年中國玉米、水稻、小麥三大作物的秸稈產量達5. 89×108t[3]，占到秸稈總量的77.2%，而且秸稈鉀素含量較高，三大作物秸稈鉀養分數量占到總量的73.9%，充分利用現有鉀肥和秸稈，是目前平衡施肥中極其重要的課題之一。

長期定位試驗是非內外研究施肥對作物產量及養分平衡的影響的一種行之有效的方法[4]。氮磷肥基礎上施用鉀肥或氮磷鉀肥配合秸稈還田對各形態鉀素的影響及對土壤鉀庫貢獻和作物產量的影響已有許多報道[1,5-11]，對同一地區同一生態系統下不同秸稈還田方式間對各形態鉀素的影響及對土壤鉀庫貢獻的研究較少。由于土壤鉀素的存在形態、分布及其植物有效性是決定土壤供鉀能力的重要因素[10]，因此，本研究以褐土區土壤上進行的秸稈還田長期定位試驗資料，探討秸稈增鉀效應、土壤鉀素平衡和各形態鉀分布特點，為不同類型土壤的鉀肥資源優化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗地塊基本平坦，土層深厚，地下水埋深在地表50 m 以下。供試土壤為褐土，成土母質為馬蘭黃土。1993年試驗前耕層土壤(0—20 cm)基本理化性狀為： 有機質含量23.5 g/kg、全氮1.07 g/kg、硝態氮21.17 mg/kg、有效磷(P) 4.97 mg/kg、速效鉀(K) 117.2 mg/kg、土壤pH 8.4。

1.2 試驗設計

春玉米是當地的重要糧食作物，一年一熟，多實行冬季休閑，主要依賴自然降水。還田秸稈為當地春玉米秸稈。試驗于1992年秋季玉米收獲后開始，到2011年已連續進行19年。試驗設4個處理: 1) 秸稈不還田(CK)； 2) 秸稈覆蓋還田(SM)，秸稈覆蓋還田量為6 t/hm2； 3) 秸稈粉碎直接還田(SC) ，秸稈粉碎直接還田量為6 t/hm2； 4) 秸稈過腹還田(CM) ，腐熟濕牛糞還田量45 t/hm2。各還田處理保證還田物的碳含量一致。各處理均施化肥N 150 kg/hm2和P2O584 kg/hm2，試驗小區面積54 m2，無重復，所有小區采用定位試驗(各小區位置和秸稈覆蓋量保持不變)。

1.3 試驗方法

秸稈覆蓋還田是在前茬玉米收獲后，將上茬覆蓋未腐解的秸稈鍘碎，結合秋季深耕翻直接還田；第二年整地直接播種后，按照試驗設計再進行整稈均勻覆蓋，覆蓋時間每年5月下旬。秸稈粉碎直接還田是在前茬玉米收獲后，按照試驗設計將玉米秸稈鍘碎成15 cm長，結合秋季深耕翻直接還田，第二年整地后直接播種。秸稈過腹還田是前茬玉米收獲后，按照試驗設計將腐熟濕牛糞均勻撒在地面，結合秋季深耕翻直接還田，第二年整地后直接播種。各小區統一施肥，在前茬玉米收獲后結合秋季深耕翻施肥，玉米生長期間不再施肥，無補充灌溉，農田栽培管理措施相同。

1.4 測定項目及方法

蘇教版六年級上冊的《愛之鏈》是篇小說。作者為了弘揚愛的主旋律，為了告訴讀者“好人終有好報”，巧妙安排了三個人物，三處環境描寫，并巧妙講述了三個充滿愛的小故事：1.下崗的喬依無償幫助老婦人修好了汽車；2.老婦人在用餐時得到女店主（喬依妻子）的悉心照顧，并想到了喬依的話，留下一些錢，悄悄地走了；3.女店主（喬依的妻子）安慰喬依“一切都會好起來的”。三個小故事環環相扣形成了一條愛的鏈條。

土樣采集分別在當年玉米收獲后的10月，按“之”字型采集0—20 cm土壤，每區每層取5個點混合成一個樣。風干后過1 mm篩，用于土壤各分級形態鉀的測定，風干土過0.25 mm篩用于土壤全鉀的測定。2011年10月分層(0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm)取土樣測定速效鉀、緩效鉀及全鉀含量，0—20 cm土層用于各形態鉀含量的測定。

1996年、2001年、2006年和2011年0—20 cm耕層土壤測定速效鉀、緩效鉀和全鉀含量。同時采取植物樣品，用于玉米植株莖葉和籽粒鉀素含量的測定。

植株鉀含量的測定用H2SO4-H2O2聯合消煮后，火焰光度法測定。水溶性鉀(直接被作物吸收利用)按水土比10 ∶1用蒸餾水提取[12]；非特殊吸附鉀(當季作物直接吸收利用)用0.5 mol/L中性醋酸鎂溶液提取，非特殊吸附鉀=醋酸鎂浸提鉀-水溶性鉀；特殊吸附鉀(當季作物直接吸收利用)用1 mol/L中性醋酸銨溶液提取，特殊吸附鉀=醋酸銨浸提鉀-醋酸鎂浸提鉀；非交換性鉀(作物有效鉀的貯備部分)用1 mol/L硝酸溶液煮沸提取，非交換性鉀=硝酸消煮鉀-醋酸銨浸提鉀；礦物鉀(作物難以利用)=全鉀-硝酸消煮鉀；全鉀用1 ∶8的氫氧化鈉熔融，提取出來的鉀均用火焰光度計測定[13]。

土壤鉀素表觀盈虧量(kg/hm2)=鉀素投入總量(kg/hm2)-作物攜出土壤的鉀素總量(kg/hm2)；

鉀素表觀平衡系數= 投入土壤鉀量/帶出土壤鉀量

其中，土壤鉀素的投入量主要是指有機肥和秸稈還田攜入量，降雨和種子的含鉀量未計入計算，作物攜出鉀量主要包括作物地上部(莖、葉、穗軸、籽粒等)的攜出量，根茬的含鉀量未計入[5]。

2 結果與分析

2.1 長期秸稈還田對作物產量和鉀素吸收的影響

表1還顯示，不同秸稈還田方式各處理土壤表觀鉀平衡均處于虧缺狀態。秸稈不還田CK處理虧缺最為嚴重，19年累計虧缺2706.7 kg/hm2；秸稈還田處理中， SM、SC和CM處理19年虧缺量分別是2081.8、1422.7和1043.8 kg/hm2。19年鉀素表觀平衡系數均小于1， SM、SC和CM處理分別為0.45、0.56、0.74。不同秸稈還田方式各處理作物吸鉀量明顯高于施鉀量，致使土壤鉀素逐漸耗竭，土壤供鉀能力降低；但是秸稈還田有利于鉀素養分的收支平衡，減輕作物對土壤鉀素的消耗，可緩解土壤鉀素肥力下降的程度和維持土壤鉀素肥力的穩定。

表1 長期秸稈還田對玉米產量及土壤鉀素平衡的影響(19932011，kg/hm2)Table 1 Effect of straw to soil on crop yield and apparent K balances of the soil during 1993-2011

注(Note): CK—No straw return; SM—Direct straw mulching; SC—Pulverized straw mulching; CM—Straw return after livestock digestion (cattle manure). 數據后不同小寫字母表示處理間差異在5%水平顯著 Values followed different small letters are significantly different among different treatments at 5% level.

2.2 長期秸稈還田耕層土壤鉀素的年際變化特征

2.2.1 長期秸稈還田耕層土壤速效鉀的年際變化特征 土壤速效鉀包括土壤水溶性鉀和交換性鉀，是當季作物容易吸收的鉀，長期以來被廣泛用于衡量當季土壤的供鉀能力。由圖1a可以看出，盡管沒施化學鉀肥，不同秸稈還田處理對土壤速效鉀含量仍產生了十分明顯的影響： 1) 不還田處理(CK)，由于沒有任何外源鉀的輸入，土壤速效鉀含量呈現下降趨勢，試驗19年后下降20.40 mg/kg，降幅為17.41%。 2) 秸稈還田各處理，較試驗開始時土壤速效鉀含量均有所增加。到2011年SM、SC和CM處理土壤速效鉀含量分別增加21.83、18.60和52.20 mg/kg，上升幅度分別為18.6%、15.9%和44.5%。 3) 秸稈還田各處理土壤速效鉀含量均顯著高于不還田處理。2011年SM、SC和CM處理土壤速效鉀含量依次較CK處理高出43.6%、40.3%和75%。 4) 所有處理土壤速效鉀含量排序由高到低依次為CM>SM>SC>CK。顯然，秸稈過腹還田對維持和提高褐土的供鉀能力具有重要的作用。這一方面是由于有機肥本身含有比較豐富的鉀，另一方面可能是由于有機膠體其表面具有保持養分的巨大能力的緣故。

圖1 不同秸稈還田耕層土壤不同形態鉀素的年際變化特征Fig.1 Changes of different fraction of soil potassium contents under different straw return ways in 0-20 cm depth

2.3 長期秸稈還田耕層土壤不同形態鉀素含量和比例

表2 長期秸稈還田各處理耕層土壤中不同形態鉀素含量Table 2 Content of different forms of potassium as affected by long-term straw return ways

注(Note): CK—No straw return; SM—Direct straw mulching; SC—Pulverized straw mulching; CM—Straw return after livestock digestion (cattle manure). 同列數據后不同小寫字母表示處理間差異在5%水平顯著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at 5% level.

各種形態鉀在土壤全鉀中的比例狀況和含量相似(表3)。不同之處在于秸稈還田各處理較CK處理可降低土層中礦物鉀比例，源于秸稈還田進入土壤的鉀素都是以速效鉀和部分緩效鉀的形態存在，從而削弱礦物鉀的比例。秸稈過腹還田CM處理可明顯提高水溶性鉀、非特殊吸附鉀、特殊吸附鉀在全鉀中的比例，但對礦物鉀比例影響不明顯。

表3 長期秸稈還田各處理耕層土壤中不同形態鉀素占全鉀的比例(%)Table 3 Proportion of different forms of potassium as affected by different treatments (0-20 cm soil depth)

注(Note): CK—No straw return; SM—Direct straw mulching; SC—Pulverized straw mulching; CM—Straw return after livestock digestion (cattle manure).

3 討論與結論

本研究結果表明，單施化肥CK處理土壤鉀庫長期處在被作物耗用的狀態下，與試驗開始前的初始值相比，土壤速效鉀含量逐漸下降。秸稈還田均能不同程度地減緩這種下降趨勢，可使土壤速效鉀含量明顯提高。長期秸稈過腹還田(有機肥)可以增加土壤有效性鉀素，維持作物的吸收，減少土壤鉀素的耗竭，提高土壤全鉀含量。

在評價土壤鉀對當季作物的有效性時，往往以速效鉀(水溶性鉀+非特殊吸附鉀+特殊吸附鉀)作為主要指標，而在評價土壤鉀對作物的長期有效性時，則不僅要考慮速效鉀的水平，更要注意非交換性鉀的貯量及其釋放速率[18]。本研究中， SC、SM、CM處理較CK均不同程度提高土層水溶性鉀、非特殊吸附鉀、特殊吸附鉀、非交換性鉀和礦物鉀的含量；降低礦物鉀比例，而提高其余幾種形態鉀的比例，對土壤全鉀貢獻較明顯。

魯如坤等[19]提出，在農田養分平衡中，施入養分和作物取走養分之間的比例(即養分平衡的盈虧) 決定于作物需要量和土壤供應量之差。19年鉀素表觀平衡結果表明，在山西褐土一年一作耕作制度下，秸稈還田仍然不能平衡作物鉀的攜出量，土壤鉀素肥力依然呈消耗狀態，這與前人的研究結果一致[5,20]。但是秸稈還田可以緩解土壤鉀素的耗竭，中國的鉀肥資源有限，因此玉米秸稈作為一種有機鉀肥資源，其對土壤鉀素的補充有十分重要的意義。

[1] 葛瑋健, 常艷麗, 劉俊梅, 等. 塿土區長期施肥對小麥-玉米輪作體系鉀素平衡與鉀庫容量的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2012, 18(3): 629-636. Ge W J, Chang Y L, Liu J Metal. Potassium balance and pool as influenced by long-term fertilization under continuous winter wheat-summer maize cropping system in manural loess soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(3): 629-636.

[2] 王亞靜, 畢于運, 高春雨. 中國秸稈資源可收集利用量及其適宜性評價[J]. 中國農業科學, 2010, 43(9): 1852-1859. Wang Y J, Bi Y Y, Gao C Y. Collectable amounts and suitability evaluation of straw resource in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(9): 1852-1859.

[3] 高利偉, 馬林, 張衛峰, 等. 中國作物秸稈養分資源數量估算及其利用狀況[J]. 農業工程學報, 2009, 25(7): 173-179. Gao L W, Ma L, Zhang W Fetal. Estimation of nutrient resource quantity of crop straw and its utilization situation in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(7): 173-179.

[4] 沈善敏. 長期土壤肥力試驗的科學價值[J]. 植物營養與肥料學報, 1995, 1(1): 1-9. Shen S M. The scientific value of long-term soil fertility experiment[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1995, 1(1): 1-9.

[5] 王宏庭, 金繼運, 王斌, 等. 山西褐土長期施鉀和秸稈還田對冬小麥產量和鉀素平衡的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(4): 801-808. Wang H T, Jin J Y, Wang Betal. Effects of long-term potassium application and wheat straw return to cinnamon soil on wheat yields and soil potassium balance in Shanxi[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(4): 801-808.

[6] 韓寶文, 邢竹, 郭建華, 等. 冬小麥-夏玉米輪作中的施鉀效應及鉀素平衡[J]. 河北農業科學, 2004, 8(3): 25-27. Han B W, Xing Z, Guo J Hetal. The experiment research of yield increasing and circulating of potassium in winter Wheat-Summer corn rotation[J]. Journal of Hebei Agricultural Sciences, 2004,8(3): 25-27.

[7] 譚德水, 金繼運, 黃紹文. 長期施鉀對東北春玉米產量和土壤鉀素狀況的影響[J]. 中國農業科學, 2007, 40(10): 2234-2240. Tan D S, Jin J Y, Huang S W. Effect of Long-term application of K fertilizer on spring maize yield and soil K in northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(10): 2234-2240.

[8] 熊明彪, 舒芬, 宋光煜, 等. 施鉀對紫色土稻麥產量及土壤鉀素狀況的影響[J]. 土壤學報, 2003, 40(2): 274-279. Xiong M B, Shu F, Song G Yetal. Effects of long-term potassium application on yield and soil potassium in rice-wheat cropping system in purple soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40 (2): 274-279.

[9] 譚德水, 金繼運, 黃紹文. 長期施鉀與秸稈還田對西北地區不同種植制度下作物產量及土壤鉀素的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2008, 14(5): 886-893. Tan D S, Jin J Y, Huang S W. Effect of long-term K fertilizer application and returning wheat straw to soil on crop yield and soil K under different planting systems in northwestern China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(5): 886-893.

[10] 譚德水, 金繼運, 黃紹文, 等. 長期施鉀與秸稈還田對華北潮土和褐土區作物產量及土壤鉀素的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2008, 14(1): 106-112. Tan D S, Jin J Y, Huang S Wetal. Effect of long-term application of potassium fertilizer and wheat straw to soil on yield of crops and soil potassium in fluvo-aquic soil and brown soil of north central China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(5): 886-893.

[11] 王志勇, 白由路, 楊俐蘋,等. 低土壤肥力下施鉀和秸稈還田對作物產量及土壤鉀素平衡的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2012, 18(4): 900-906. Wang Z Y, Bai Y L, Yang L Petal. Effects of application of potassium fertilizer and straw returning on crop yields and soil potassium balance in low-yield fields[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(4): 900-906.

[12] 劉會玲, 陳亞恒, 段毅力, 等. 土壤鉀素研究進展[J]. 河北農業大學學報, 2002, 25(增刊): 66-68. Liu H L, Chen Y H, Duan Y Letal. The advance of soil potassium[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2002, 25(S): 66-68.

[13] 金繼運, 高廣領, 王澤良, 等. 不同土壤鉀素釋放動力學及其供鉀特征的研究[J]. 植物營養與肥料學報, 1994(1): 39-48. Jin J Y, Gao G L, Wang Z Letal. Kinetics of native potassium release and potassium supplying characteristics in selected soils[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1994(1): 39-48.

[14] 周懷平, 解文艷, 關春林, 等. 長期秸稈還田對旱地玉米產量、效益及水分利用的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2013, 19(2): 321-330. Zhou H P, Xie W Y, Guan C Letal. Effects of long-term straw-returning on corn yield, economic benefit and water use in arid farming areas[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 321-330.

[15] 黃紹文，金繼運，王澤良，等. 北方主要土壤鉀形態及其植物有效性研究[J]. 植物營養與肥料報, 1998, 4(2): 156-164. Huang S W, Jin J Y, W ang Z Letal. Native potassium form sand plant availability in selected soils from northern China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1998, 4(2): 156-164.

[16] 吳婕, 朱鐘麟, 鄭家國, 等. 秸稈覆蓋還田對土壤理化性質及作物產量的影響[J].西南農業學報, 2006, 19(2): 192-195. Wu J, Zhu Z L, Zheng J Getal. Influences of straw mulching treatment on soil physical and chemical properties and crop yields[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2006, 19(2): 192-195.

[17] 陳金海, 李金海, 王磊, 等. 兩種基于蘆葦秸稈還田的改良措施對崇明東灘圍墾土壤理化性質和微生物呼吸的影響[J]. 農業環境科學學報, 2011, 30 (2): 307-315. Chen J H, Li Y L, Wang Letal. Effect of two improving measures based on returning phragmites communis straw on soil phy-chemical properties and microbial respiration of the reclaimed lands in Chongming Dongtan, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30 (2): 307-315.

[18] 金繼運. 土壤鉀素研究進展[J]. 土壤學報, 1993, 30(1): 94-101. Jin J Y. The advance of soil potassium[J]. Acta Pedologica Sinica, 1993, 30(1): 94-101.

[19] 魯如坤, 劉鴻翔, 聞大中, 等. 我國典型地區農業生態系統養分循環和平衡研究 Ⅴ. 農田養分平衡和土壤有效磷、鉀消長規律[J]. 土壤通報, 1996, 27(6): 241-242. Lu R K, Liu H X, Wen D Zetal. Nutrient cycle and balance of agroecosystem in the typical regions of China V. Correlation between nutrients balance and ebb and flow of soil available P and K[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1996, 27(6): 241-242.

[20] 劉會玲, 陳亞恒, 許蝽, 霍習良. 河北低平原潮土氮磷鉀平衡狀況及評價研究[J]. 河北農業大學學報, 2002, 25(2): 28-31. Liu H L,Chen Y H, Xu H, Huo X L. The nutrient balance of N P K in aquent of Hebei alluvial plain and their evaluation[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2002, 25(2): 28-31.

Effect of different straw return modes on potassium balance and potassium pool in cinnamon soil

XIE Wen-yan1， ZHOU Huai-ping1， YANG Zhen-xing1， LU Hui-ying2， GUAN Chun-lin1, WU Wen-li1

(1InstituteofAgriculturalEnvironmentandResources，ShanxiAcademyofAgriculturalSciences，Taiyuan,Shanxi030006，China;2WenshuiWaterResourcesManagementBureau,Wenshui,Shanxi, 032100,China)

【Objectives】 A long-term location experiment was conducted in the main growing area of spring maize in Shanxi Province, northern China, to study the effective modes of straw returns with high yield and potassium balance.【Methods】 The long-term experiment was conducted from 1992 to 2011 in typical cinnamon soil with spring maize as tested crop. Four treatments were included, no straw return (CK)，direct straw mulching (SM), pulverized straw mulching (SC) and straw return after livestock digestion (cattle manure, CM). Straw was returned 6 t/hm2, and the wet cattle manure amount were 45 t/hm2. The 0-20 cm soil samples were collected every year after harvest and the potassium contents of different fractions were analyzed. In 2011, the soil K contents in 0-20, 20-40, 40-60, 60-80 and 80-100 cm soil samples were collected and the K contents were analyzed.【Results】 1) Compared with no straw return, all the three straw treatments significantly increased the crop yield by 11.58%-20.91%, and the yield increments follow the sequence of CM>SM>SC>CK. 2) The contents of available potassium, slowly available potassium and total potassium in straw return treatments were higher than control, and the proportion of mineral potassium in these treatments became lowered and other fractions raised. 3) Compared with the beginning of the experiment, soil available potassium content was significantly raised in long-term straw return treatments (SM, SC and CM), whereas that gradually decreased in control. 4) Straw return stimulate the apparent potassium absorption, leading to a gradual depletion of soil potassium, with apparent potassium equilibrium coefficients in the straw return treatments were 0.45，0.56 and 0.74，respectively; but for all of that, the straw return practice still helped sustain soil potassium balance and alleviate the depletion of soil potassium pool, and maintain a stable soil potassium supply, compared with control. 【Conclusions】 Straw return to land after livestock digestion (cattle manure, CM) can sustain soil potassium balance, restore soil potassium after consumption by crops, alleviate the depletion of soil potassium pool, and maintain a stable soil potassium supply.

cinnamon soil; straw return to land; soil potassium balance

2014-01-24 接受日期： 2015-04-07 網絡出版日期： 2015-05-06

國家公益性行業(農業)科研專項(201203030-08-03)； “十二五”農村領域國家科技計劃課題(2012BAD09B01-1)；山西省留學人員管理委員會辦公室項目(2013-149)；山西省軟科學研究項目(2013041055-01)資助。

解文艷(1978—)，女，山西曲沃人，助理研究員，博士研究生，主要從事旱作農田資源高效利用研究。E-mail: xwy6018060@163.com

S141.4;S158.1

A

1008-505X(2015)04-0936-07