秸稈還田配施鉀肥對水稻產量與鉀素吸收的影響

李長洲 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水稻產量及吸鉀規律的影響，在長江三角洲地區稻麥輪作系統中開展秸稈還田供鉀試驗，設置對照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥3個處理。研究發現，秸稈供鉀比對照增產9.27%，秸稈還田配施鉀肥沒有繼續增產，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田系統的高效施鉀策略。

關鍵詞：水稻;秸稈還田配施鉀肥;鉀素積累

中圖分類號：S511.06 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0043-05

收稿日期：2020-04-27

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2016YFD0200108）;國家自然科學基金青年科學基金（編號：41907075）。

作者簡介：李長洲（1988—），男，山東濟寧人，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，主要從事養分管理研究。E-mail：djlu@issas.ac.cn。

稻麥輪作系統是世界上最大的農業生產系統，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，這部分鉀素經常被無視并被從農田中移除，且被移除的秸稈中鉀量遠遠超過了投入農田系統中的化肥鉀[4-7]。長此以往，必將導致土壤鉀素的負平衡并影響稻麥輪作系統的產量，尤其高產品種的推廣更加劇了這種趨勢[8-10]。所以，稻麥輪作系統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逐年增長的趨勢，從2002年的434萬t（K2O）增長到2013年的640萬t[4]。而我國鉀肥產量只能滿足消費市場的50%，另外50%的鉀肥需要進口，為了減少對不可再生鉀礦資源的依賴，秸稈作為鉀肥補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，水稻鉀素吸收量遠遠高于氮素吸收量[14]。水稻鉀素吸收量是由生長發育期各個階段中不同器官如葉片、葉鞘、莖稈和籽粒逐步積累完成的，研究水稻吸鉀規律對鉀素營養診斷和精確施肥具有重要意義。前人對水稻鉀素吸收以及轉運規律做了一些報道，但這些研究均集中于礦物鉀肥的吸鉀規律方面，而秸稈還田條件下水稻吸鉀規律尚未見報道[4-5]。本研究在長江三角洲地區稻麥輪作系統中開展秸稈還田供鉀試驗，分析秸稈還田供鉀條件下的水稻產量、鉀素利用效率、鉀素吸收規律，以期為水稻生產中秸稈還田供鉀提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在安徽省廣德縣前路村開展，本地種植制度為稻麥輪作。該試驗地位于蘇浙皖3省交界處，屬亞熱帶濕潤氣候區，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，成土母質為第四紀紅色黏土。試驗地基礎土壤理化性狀為：pH值5.58，有機質含量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試驗設計

本試驗設置3個處理：（1）對照（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。每個處理4次重復，小區面積為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6188，其他田間管理措施如除草、除蟲等均采用當地習慣管理，于2016年10月10日收獲。

1.3樣品采集與分析

植株取樣時間為水稻移栽后14 d（分蘗始期）、28 d（分蘗盛期）、42 d（拔節孕穗期）、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），在各小區隨機采集3蔸水稻植株，分為葉片、葉鞘、莖稈、穗和根，于105 ℃殺青 30 min，70 ℃烘干至恒質量，記錄各器官干質量;磨碎，采用H2SO4-H2O2消化，用火焰光度計測定鉀含量。

1.4數據處理

鉀素當季利用率（REK，%）=[供鉀區吸鉀量（K2O）-對照區吸鉀量]÷供鉀量（K2O）×100;

鉀素農學效率（AEK，kg/kg）=（供鉀區產量-對照區產量）÷供鉀量（K2O）;

鉀素偏生產力（PFPK，kg/kg）=供鉀區產量÷供鉀量（K2O）;

鉀素生理效率（PEK，kg/kg）=（施鉀區產量-對照產量）÷[施鉀區吸鉀量（K2O）-對照區吸鉀量（K2O）];

水稻吸鉀量（y）與移栽后時間（t，d）的關系可用Logistic生長模型表示：

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;t為水稻移栽后時間，d。

根據Logistic方程一階求導可得鉀素積累速率表達式：

y′=kabe-bt÷（1+ae-bt）2。

根據Logistic方程三階求導，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的時間;T1和T2分別代表鉀素快速積累期的開始時間和結束時間;Vmax為積累速率最大值，kg/（hm2·d）;ΔT為鉀素快速積累持續時間，ΔT=T2-T1。

本研究使用Microsoft Excel 2016 （Microsoft Corp.，Washington，USA）軟件對數據進行分析。統計分析使用SPSS 22.0（IBM Corp.，Armonk，USA）軟件統計。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結果與分析

2.1秸稈還田配施鉀肥對水稻產量和鉀素利用效率的影響

在稻麥輪作系統中秸稈還田供鉀能有效提高水稻的產量，對照（CK）、秸稈還田（straw）和秸稈還田配施鉀肥（straw+KCl）處理產量分別為 6 472、7 066、7 072 kg/hm2，秸稈還田處理水稻產量顯著增加，與對照相比，秸稈還田處理和秸稈還田配施鉀肥處理分別增產9.18%和9.27%，但秸稈還田處理間產量差異不顯著。不同處理水稻吸鉀量表現為秸稈還田配施鉀肥>秸稈還田>對照，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照處理增加86.7%和44.9%，同時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）。在本試驗秸稈還田的基礎上施用鉀肥，水稻產量增加不明顯，但吸鉀量增加顯著。

秸稈和化學鉀肥不分種類，統一作為水稻的鉀素來源，以此計算鉀素利用效率。隨著供鉀量的增加，水稻鉀素當季利用率增加，秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥處理鉀素當季利用率分別為745%和94.3%。隨著供鉀量的增加，水稻的鉀素農學效率、鉀素偏生產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學效率分別為9.89、666 kg/kg，鉀素偏生產力分別為118、79 kg/kg，鉀素生理效率分別為13.3、 7.1 kg/kg。在秸稈還田的基礎上施用鉀肥，出現了水稻吸鉀量增加但產量不增加的鉀素奢侈吸收現象（表1），這樣導致了隨著供鉀量增加其鉀素當季利用率升高但鉀素農學效率、鉀素偏生產力和鉀素生理效率下降的情況。

2.2秸稈還田配施鉀肥對水稻地上部鉀素積累動態變化的影響

對水稻地上部鉀素積累量進行Logistic方程擬合（圖1、表2），地上部鉀素積累量的實測值與擬合值相關性極顯著（P<0.01）。對照、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在移栽后42.5、41.8、37.4 d，此階段為水稻拔節孕穗期。鉀素積累的盛末期出現在齊穗期階段，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，鉀素積累出現了損失，對照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥的鉀素損失率分別為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），出現時間在移栽后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時間為移栽后50.1 d，比秸稈還田提前了6.1 d， 比對照提前了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水稻各部位鉀素吸收及分配的影響

在水稻不同生長發育階段，各部位鉀素積累量均表現為秸稈還田配施鉀肥>秸稈還田>對照（圖1）。根的鉀素積累量隨生育期的推進先增加后降低，對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，在移栽后 98 d 達到最大值，對照、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，此時為抽穗期，對照、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一直增加的趨勢，在成熟期最大，對照、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，對照各部位鉀素積累量大小為莖稈>穗>葉鞘>葉片>根。在生長發育前期鉀素主要積累在葉鞘和葉片中，在生長發育后期鉀素主要積累在葉鞘和莖稈中（圖2）。

在水稻不同生長發育階段，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、小麥秸稈鉀素當季釋放率在85%～90%[15]。稻麥輪作系統中，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高于秸稈不還田推薦施鉀，秸稈還田對農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，而補充鹽基離子正是預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量，但提高了水稻吸鉀量和當季鉀素利用率，水稻繼續秸稈還田能夠為下季小麥供應充足的鉀素。長期單純秸稈還田供鉀依然會導致土壤鉀素的負平衡，只有秸稈還田配施鉀肥才能使農田鉀素達到正平衡，長期維持土壤鉀素肥力。

水稻鉀素積累量的變化可用Logistic生長曲線模擬，方程模擬值與實測值的相關性極顯著（P<001）。鉀素積累速率呈單峰變化特征，對照、秸稈還田和秸稈還田配施鉀肥處理出現鉀素最大積速率的時間依次提前，分別為移栽后58.9、56.2、50.1 d。同時，對照、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。研究結果表明，秸稈還田配施鉀肥對水稻鉀素快速積累起到了提前并縮短的作用，秸稈還田供鉀對水稻吸鉀規律的影響與化學鉀肥對吸鉀規律的影響結果[20]一致。有研究結果表明，鉀素快速積累期越早，快速積累時間越短，越有利于水稻生物量的積累和優質群體結構的形成[21]。若在水稻生長發育過程中缺鉀，最高效的補鉀時間是拔節孕穗期到齊穗期。通過葉片進行鉀素營養診斷的時間須要在拔節孕穗期之前，最好是有效分蘗臨界期或拔節期，這與薛欣欣等對水稻功能葉片營養診斷的研究結果[22]一致。

4結論

秸稈供鉀比對照增產9.27%，秸稈還田配施鉀肥沒有繼續增產，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田系統的高效施鉀策略。

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