鉀肥減施對稻麥輪作區(qū)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

張鑫堯，王簫璇，陳 磊，張 敏，惠曉麗，柴如山，郜紅建，羅來超*

（1 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230036；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

稻麥輪作是我國長江中下游地區(qū)主要的作物種植模式，且稻麥總產(chǎn)量占到全國糧食產(chǎn)量的20%以上[1-2]。為滿足人口增長對糧食產(chǎn)量的需求，化肥(氮和磷)的大量施用使得集約化種植農(nóng)作物產(chǎn)量大幅提升，但作物也從土壤中攜出了大量的鉀素，加劇土壤中鉀的消耗，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田鉀素虧缺[3-4]。施用鉀肥雖是緩解土壤鉀虧缺的主要有效措施，但鉀肥投入?yún)^(qū)域不平衡現(xiàn)象仍很突出，從而導(dǎo)致地區(qū)鉀肥施用強(qiáng)度高低相差8.6倍，其中，稻麥輪作區(qū)鉀肥施用過量的農(nóng)戶占到77%～94%[5-7]。我國鉀肥生產(chǎn)量近些年呈上升趨勢，雖與氮、磷肥相比，仍處于較低水平，但進(jìn)口量卻分別是氮肥和磷肥的13.3和16.9倍，經(jīng)濟(jì)投入占比較高[8]。鉀肥優(yōu)化管理是權(quán)衡農(nóng)田土壤鉀肥施用合理性和經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。鉀是作物不可或缺的養(yǎng)分元素之一，也是品質(zhì)元素，在增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)提升方面起著重要作用[9]。通過鉀肥適度減量施用不僅能較好地降低鉀肥過量投入，還可減少鉀資源浪費(fèi)，但減量施用后對作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響如何，尚不明確。因此，在合理利用鉀肥資源的基礎(chǔ)上，研究鉀肥減量施用對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為長江中下游地區(qū)稻麥輪作下鉀肥增效、作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

大量研究表明，在土壤供鉀能力中等或較低水平時，適量施鉀能夠提高作物有效穗數(shù)進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量[10-13]。但鉀肥對作物籽粒蛋白品質(zhì)影響的研究結(jié)果不一。在南方速效鉀含量為72.6 mg/kg的酸性土壤上開展的田間試驗(yàn)，結(jié)果顯示鉀肥減量 30%施用對水稻籽粒蛋白質(zhì)含量無顯著影響[14]；在東北地區(qū)速效鉀含量為131.3 mg/kg的土壤進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果顯示鉀肥減量14.3%～57.1%可使水稻籽粒蛋白質(zhì)含量降低達(dá)3.7%～11.1%[15]。在土壤速效鉀含量為82.7 mg/kg時，施鉀( K2O) 90 kg/hm2與150 kg/hm2相比，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量降低2.4%；但在土壤速效鉀為120.6 mg/kg時，施鉀量對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量無顯著影響[16]。李玉影等[17]通過多點(diǎn)春小麥田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤速效鉀在166.2～192.0 mg/kg時，隨施鉀量的增加，籽粒蛋白含量呈先增后降的趨勢，施鉀( K2O) 52.5 kg/hm2較82.5 kg/hm2能提高清蛋白、球蛋白和麥谷蛋白含量分別為5.3%、15.4%和3.6%。對于礦質(zhì)營養(yǎng)元素而言，在麥-玉輪作體系下施鉀( K2O) 93.4 kg/hm2與186.8 kg/hm2相比，小麥籽粒鐵和鋅含量分別提高42.8%和13.1%，錳含量降低11.5%，銅含量無顯著降低[18]。在四川西昌，與不施鉀相比，施鉀能有效提高稻米中鐵、錳、銅和鋅含量，但隨著鉀肥施用量的增加，微量元素含量卻逐漸降低[19]。在內(nèi)蒙古武川，與施鉀( K2O) 180 kg/hm2相比，施鉀135 kg/hm2處理的作物籽粒鐵、錳、銅和鋅含量分別提高了75%、3.4%、25.9%和15.3%[20]。但目前關(guān)于鉀肥對品質(zhì)影響的研究多集中在蘋果、葡萄、設(shè)施黃瓜等園藝作物上，且對稻麥等糧食作物以對產(chǎn)量的影響為主，而對品質(zhì)方面的影響研究較少，關(guān)于鉀肥減量施用對巢湖流域稻麥輪作體系下作物籽粒品質(zhì)的影響研究還鮮見報(bào)道。

本研究在2017—2019年開展稻麥輪作體系下鉀肥減量施用田間試驗(yàn)，通過測定水稻和小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素，蛋白質(zhì)及其組分含量，微量元素含量及其生物有效性，明確鉀肥減量施用對作物籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為稻麥輪作下作物減鉀增效提質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2017—2019年在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖中綜合試驗(yàn)站(117°22E，31°28N)進(jìn)行，該站位于巢湖流域典型農(nóng)業(yè)區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫16.2℃，年均降水1402.1 mm，年均日照時長1794.3 h。該地區(qū)以稻麥輪作為主，土壤類型為水稻土。2017年試驗(yàn)開始時0—20 cm土層土壤理化性狀為：有機(jī)質(zhì)30.1 g/kg、全氮1.17 g/kg、有效磷15.8 mg/kg、速效鉀140 mg/kg、有效鐵53.0 mg/kg、有效錳39.9 mg/kg、有效銅2.5 mg/kg、有效鋅1.3 mg/kg、pH 5.43。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置5個處理：對照(不施鉀肥，CK)、農(nóng)戶模式(K2O 90 kg/hm2，K1)、農(nóng)戶模式基礎(chǔ)上減鉀10% (K2O 81 kg/hm2，K2)、減鉀20% (K2O 72 kg/hm2，K3)、減鉀30%(K2O 63 kg/hm2，K4)。各處理水稻季氮肥施用量為N 225 kg/hm2，小麥季為N 210 kg/hm2，磷肥用量均為P2O590 kg/hm2。水稻季和小麥季的氮肥用量分別按基追比6∶4和7∶3施入，磷、鉀肥全部以基肥施用。供試肥料中氮肥為尿素(N 46%)、磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。水稻和小麥供試品種分別為‘華兩優(yōu)688’和‘寧麥13’。小區(qū)面積為50 m2(長12.5 m、寬4 m)，重復(fù)3次。其他同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶管理措施相一致。

1.3 樣品采集與測定

在水稻和小麥成熟期，在各小區(qū)隨機(jī)均勻選取5個1 m2的樣方，收割地上部裝入編號的大網(wǎng)袋中，自然風(fēng)干后脫粒、稱重，從中隨機(jī)取150 g左右籽粒，75℃烘干后稱重，計(jì)算含水量和籽粒產(chǎn)量，籽粒產(chǎn)量以烘干基表示。同時，在各小區(qū)內(nèi)的5個樣方中，隨機(jī)采集100穗的植株，剪除根系，裝入網(wǎng)袋中，風(fēng)干后人工脫粒。隨機(jī)稱取50 g籽粒樣品，先用自來水進(jìn)行多次清洗，再用去離子水潤洗后裝入信封，105℃下殺青0.5 h，75℃烘干至恒重，用球磨儀(MM200，Retsch，德國)粉碎待用。

烘干粉碎的籽粒樣品，用H2SO4-H2O2法進(jìn)行紅外消解，采用全自動連續(xù)流動分析儀(San++，Skalar，荷蘭)測定消解液中氮和磷的濃度，蛋白質(zhì)含量則為N×6.25；采用濃HNO3-H2O2法，高通量微波消解儀(ETHOS UP，Milestone，意大利)消解，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICAP Qc03030704，ThermoFisher Scientific，美國)測定消解液中的鐵、錳、銅和鋅濃度。不同蛋白質(zhì)組分采用超純水、混合鹽溶液、乙醇溶液、堿溶液連續(xù)提取[21-22]，并用雙縮脲法顯色后于540 nm處測定各樣品溶液吸光值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算籽粒樣品各蛋白組分含量。

基礎(chǔ)土壤樣品經(jīng)風(fēng)干過篩后，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗分光光度法測定，速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測定，pH采用電位法測定，有效鐵、錳、銅和鋅采用DTPA-TEA浸提—AAS法測定[23]。

1.4 指標(biāo)計(jì)算方法與數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2016整理原始數(shù)據(jù)并用SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，各指標(biāo)差異顯著性分析采用LSD法，差異性顯著水平為0.05 (P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉀肥減施對水稻和小麥籽粒產(chǎn)量的影響

圖1顯示，年份、鉀肥處理對水稻產(chǎn)量有顯著影響(P＜0.05)。與不施鉀相比，施鉀可顯著提高水稻籽粒產(chǎn)量，平均增產(chǎn)19.8%；鉀肥減量10%、20%和30%時的水稻籽粒產(chǎn)量分別提高13.1%、29.5%和14.2%；與農(nóng)戶模式相比，減鉀處理無顯著差異。從不同年份來看，2017和2018年減鉀10%和30%，雖降低了籽粒產(chǎn)量，但差異不顯著。年份、鉀肥處理同樣對小麥籽粒產(chǎn)量有顯著影響(P＜0.05)。與不施鉀相比，施鉀可顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量，平均增產(chǎn)85.1%；農(nóng)戶模式和減鉀10%、20%和30%分別提高84.5%、86.6%、100.0%和68.6%，減鉀處理與農(nóng)戶模式差異不顯著。分析不同年份結(jié)果可知，2018和2019年各減鉀處理與農(nóng)戶模式間均無顯著差異。

圖1 鉀肥減施對水稻和小麥籽粒產(chǎn)量的影響Fig. 1 Effects of potassium fertilizer reduction on grain yield of rice and wheat

2.2 鉀肥減施對水稻和小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

由水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素方差分析結(jié)果(圖2)可知，與農(nóng)戶模式相比，減鉀20%處理的水稻穗數(shù)提高5.2%，但無顯著性差異。不同年份結(jié)果表明，2017年減鉀處理與農(nóng)戶模式相比，水稻穗數(shù)無顯著差異，但減鉀10%顯著提高穗粒數(shù)14.8%，減鉀30%的千粒重降低7.2%；2018年各減鉀處理較農(nóng)戶模式均無顯著差異。

圖2 鉀肥減量對水稻和小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響Fig. 2 Effects of potassium fertilizer reduction on yield components of rice and wheat

從小麥上的結(jié)果(圖2)可以看出，與不施鉀相比，鉀肥處理可顯著提高穗數(shù)和千粒重，但減鉀處理小麥穗粒數(shù)差異不顯著。與農(nóng)戶模式相比，減鉀20%處理雖能使小麥穗數(shù)提高7.4%，但處理間無顯著性差異。從兩年結(jié)果來看，2018年減鉀處理較農(nóng)戶模式相比，產(chǎn)量構(gòu)成三要素均無顯著差異；2019年減鉀20%較農(nóng)戶模式顯著增加穗數(shù)12.2%，減鉀10%和30%對穗粒數(shù)和千粒重?zé)o顯著差異。

2.3 鉀肥減施對水稻和小麥籽粒蛋白質(zhì)及其組分含量的影響

表1表明，與不施鉀相比，農(nóng)戶模式顯著提高了水稻籽粒蛋白質(zhì)含量和麥谷蛋白含量，清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白無顯著差異。與農(nóng)戶模式相比，減鉀30%處理顯著降低水稻籽粒蛋白含量5.4%；鉀肥減量施用較農(nóng)戶模式可顯著降低水稻籽粒麥谷蛋白含量達(dá)19.4%～32.3%，其中減鉀20%和30%時可顯著提高水稻籽粒醇溶蛋白含量，分別達(dá)37.5%和43.8%，但對清蛋白、球蛋白含量多無顯著影響。不同年份來看，2017年鉀肥減量施用可顯著降低水稻籽粒麥谷蛋白含量達(dá)25%～39.3%，清蛋白和球蛋白含量無顯著差異；減鉀20%時，醇溶蛋白含量顯著提高84.7%，其它蛋白質(zhì)組分無顯著差異；2018年減鉀30%時，籽粒蛋白質(zhì)總含量和麥谷蛋白含量分別顯著降低2.7%和33.3%，醇溶蛋白含量顯著提高36.8%，清蛋白和球蛋白含量差異不顯著。

表1 不同施鉀量處理水稻籽粒蛋白質(zhì)及其組分含量(%)Table 1 Contents of protein and its fraction of rice grain as affected by potassium application rate

由表2可知，與農(nóng)戶模式相比，減鉀10%和30%時分別顯著降低小麥籽粒蛋白質(zhì)、醇溶蛋白含量18.2%和17.5%、16.3%和16.3%；而減鉀20%時的蛋白質(zhì)、醇溶蛋白和麥谷蛋白含量與農(nóng)戶模式相比無顯著差異。分析兩年結(jié)果來看，2018年減鉀10%和30%時，籽粒蛋白質(zhì)含量較農(nóng)戶模式分別顯著降低23.4%和25.5%，醇溶蛋白含量分別降低31.8%和27.3%，清蛋白、球蛋白和麥谷蛋白無顯著差異，且減鉀處理間蛋白質(zhì)及組分含量差異不顯著。2019年減鉀處理蛋白質(zhì)及各組分含量大多無顯著影響。

表2 不同施鉀量處理小麥籽粒蛋白質(zhì)及其組分含量(%)Table 2 Contents of protein and protein fractions of wheat grain as affected by potassium application rate

2.4 鉀肥減施對水稻和小麥籽粒微量元素含量的影響

施用鉀肥顯著影響水稻籽粒微量元素含量，鉀肥減量施用較農(nóng)戶模式分別提高水稻籽粒中的鐵、銅和鋅含量3.3%、34.5%和18.6% (表3)。分析兩年均值可知，與農(nóng)戶模式相比，減鉀處理的水稻籽粒銅和鋅含量分別提高28.6%～39.3%和16.9%～19.8%，各減鉀處理間無顯著差異。不同年份結(jié)果來看，2017年，減鉀處理籽粒鋅含量顯著提高了32%～35.4%，籽粒錳含量在減鉀10%時提高了11.8%，但減鉀處理間無顯著差異；2018年，減鉀處理籽粒銅含量顯著提高63.7%～86.4%，但降低了籽粒錳含量，降幅達(dá)11.2%～22.9%。

表3 不同施鉀量處理水稻籽粒微量元素含量(mg/kg)Table 3 Contents of micronutrients of rice grain as affected by potassium application rate

施鉀同樣也影響小麥籽粒微量元素含量，鉀肥減量施用較農(nóng)戶模式分別提高小麥籽粒中的鐵、銅和鋅含量6.7%、7.8%和5.7% (表4)。與農(nóng)戶模式相比，減鉀處理鐵、錳、銅、鋅含量雖有提升，但差異不顯著。2018年，與農(nóng)戶模式比較，減鉀20%和30%時，籽粒銅含量分別顯著提高37.9%和31.0%，籽粒鐵、錳和鋅含量無顯著差異。2019年減鉀處理較農(nóng)戶模式籽粒微量元素含量均無顯著變化。

表4 不同施鉀量處理小麥籽粒微量元素含量(mg/kg)Table 4 Contents of micronutrients of wheat grain as affected by potassium application rate

2.5 鉀肥減施對水稻和小麥籽粒微量元素生物有效性的影響

施鉀影響水稻籽粒微量元素的生物有效性，鉀肥減量施用較農(nóng)戶模式分別降低水稻籽粒磷鐵、磷銅和磷鋅摩爾比7.1%、34.1%和19.1% (表5)。與農(nóng)戶模式比較，減鉀處理的籽粒磷銅和磷鋅摩爾比分別降低29.8%～37.6%和16.9%～20.6%。2017年減鉀處理的磷鋅摩爾比多顯著降低，磷鐵、磷錳和磷銅摩爾比無顯著差異。2018年減鉀處理的磷銅和磷鋅摩爾較農(nóng)戶模式均顯著降低。

表5 不同施鉀量處理水稻籽粒中微量元素與磷的摩爾比Table 5 The ratio in moles of P to micronutrient in rice grains as affected by potassium application rate

總的來看，施鉀也影響小麥籽粒微量元素生物有效性，鉀肥減量施用較農(nóng)戶模式分別降低小麥籽粒磷鐵、磷銅和磷鋅摩爾比18.3%、23.1%和17.9%(表6)。與不施鉀相比，農(nóng)戶模式的小麥籽粒磷鐵、磷錳和磷銅摩爾比得到顯著提高。與農(nóng)戶模式相比，減鉀20%時籽粒磷鐵、磷錳、磷銅和磷鋅摩爾比達(dá)到最低，分別顯著降低23.7%、15.6%、31.3%和24.1%。從不同年份結(jié)果來看，2018年與農(nóng)戶模式相比，減鉀處理籽粒磷鐵、磷銅與磷鋅摩爾比均在減鉀20%時最低，分別降低32.6%、44.3%和34.1%。2019年，與農(nóng)戶模式比較，減鉀20%時籽粒磷鐵摩爾比顯著降低14.1%，磷錳、磷銅、磷鋅摩爾比無顯著差異。

表6 稻麥輪作下不同鉀肥用量下小麥籽粒中微量元素與磷的摩爾比Table 6 The ratio in moles of P to micronutrient in wheat grains as affected by potassium application rate

3 討論

3.1 鉀肥減施對作物產(chǎn)量的影響

鉀是作物生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素，參與有機(jī)物合成、光合作用及同化物運(yùn)輸過程，對產(chǎn)量形成發(fā)揮著重要作用。有研究表明，施鉀顯著提高了水稻和小麥籽粒產(chǎn)量，分別為68.4%～40.2%和7.0%～10.2%[5,25]。本研究結(jié)果表明，施鉀可顯著提高稻麥輪作模式下水稻和小麥籽粒產(chǎn)量，分別增產(chǎn)19.8%和85.1%。但在我國稻麥輪作區(qū)農(nóng)戶平均施鉀量為 K2O 71.8 kg/hm2，有81%的農(nóng)戶施鉀過量，減鉀潛力平均高達(dá)56%[7]。在東北，施鉀K2O 0～150 kg/hm2范圍內(nèi)，水稻籽粒產(chǎn)量隨施鉀量的增加呈先增后降的趨勢，以K2O 60 kg/hm2時產(chǎn)量最高，鉀肥減量50%施用時，籽粒產(chǎn)量降低6.0%[26]。湖南的長期定位試驗(yàn)結(jié)果顯示，在施鉀K2O 192 kg/hm2的基礎(chǔ)上減量18.8%，水稻產(chǎn)量無顯著差異[27]。在河南開展的小麥田間試驗(yàn)也同樣發(fā)現(xiàn)，在施鉀K2O 210 kg/hm2的基礎(chǔ)上減量50%，小麥籽粒產(chǎn)量亦無顯著差異[28]。也有研究認(rèn)為，在施鉀量K2O 0～90 kg/hm2范圍內(nèi)，小麥籽粒產(chǎn)量隨施鉀量的增加而顯著增加[29]。本研究中，在農(nóng)戶模式施鉀量的基礎(chǔ)上減量10%～20%時，水稻和小麥產(chǎn)量均無顯著變化，但在減量30%時存在減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。可見，在巢湖流域稻麥輪作體系下鉀肥減量20%可有效保證作物籽粒產(chǎn)量維持在較高水平。

通過分析產(chǎn)量構(gòu)成要素發(fā)現(xiàn)，施用鉀肥通過影響水稻和小麥穗數(shù)進(jìn)而影響其產(chǎn)量。在江西雙季稻上，施鉀可顯著提高早稻和晚稻穗數(shù)，在施鉀K2O 100 kg/hm2的基礎(chǔ)上減量10%，增產(chǎn)7.4%[30]。也有研究指出，施鉀顯著影響寒地粳稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，其中施鉀K2O 80 kg/hm2與K2O 120 kg/hm2相比，穗粒數(shù)顯著提高5.6%，進(jìn)而增產(chǎn)6.2%[31]。在旱地小麥鉀肥試驗(yàn)中也有類似的發(fā)現(xiàn)[32]。可見，施鉀提高作物籽粒產(chǎn)量的主要原因可能是作物拔節(jié)前期供鉀充足，能夠促進(jìn)有效分蘗的形成，進(jìn)而增產(chǎn)[33]。本研究在土壤供鉀充足條件下，減鉀處理較農(nóng)戶模式水稻和小麥穗數(shù)的變化趨勢與產(chǎn)量變化相吻合，其中，減鉀20%時的水稻和小麥穗數(shù)分別提高5.2%和7.4%，從而使產(chǎn)量維持在較高水平。

3.2 鉀肥減施對作物籽粒蛋白質(zhì)品質(zhì)的影響

谷物籽粒中的蛋白質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)蛋白和貯藏蛋白。其中結(jié)構(gòu)蛋白包括清蛋白和球蛋白，富含賴氨酸、色氨酸，貯藏蛋白則包括醇溶蛋白和麥谷蛋白，與食品加工品質(zhì)密切相關(guān)[34-35]。鉀作為品質(zhì)元素，能夠活化氨基酰-tRNA合成酶和多肽合成酶，促進(jìn)作物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成[36]。整合分析發(fā)現(xiàn)，施鉀顯著增加作物籽粒蛋白質(zhì)含量，且隨著施鉀量的提高，其含量變化呈先增加后降低的趨勢[37]。在速效鉀為300 mg/kg的土壤上開展的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻籽粒蛋白質(zhì)含量隨施鉀量的增加而線性增加[38]。在土壤速效鉀為118 mg/kg的田間鉀肥用量試驗(yàn)表明，與施K2O 135 kg/hm2相比，施K2O 90 kg/hm2的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量顯著提高2.8%[10]。也有研究認(rèn)為，施K2O 150 kg/hm2時，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量最高，增施至225 kg/hm2時，籽粒蛋白質(zhì)含量降低3.6%[39]。本研究結(jié)果表明，鉀肥減量10%處理的小麥籽粒蛋白含量較農(nóng)戶模式顯著降低18.2%，水稻籽粒蛋白質(zhì)含量則無顯著差異；減鉀20%處理的小麥和水稻籽粒蛋白質(zhì)含量與農(nóng)戶模式相比均無顯著差異，但減鉀30%時降低了小麥和水稻籽粒蛋白含量，分別達(dá)17.5%和5.4%。這可能與施鉀使土壤鉀素虧缺狀況得到改善，高的土壤供鉀能力能夠有效提高作物功能性葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性，加速氮同化進(jìn)程，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成與積累，進(jìn)而提高作物籽粒蛋白質(zhì)含量，但鉀肥減量施用后在一定程度上影響了作物籽粒氮代謝，特別是降低了功能性葉片旗葉和籽粒中氮代謝相關(guān)酶的活性，不利于籽粒蛋白質(zhì)的合成[40-41]。

有研究表明，施鉀可有效提高稻麥輪作區(qū)小麥籽粒蛋白質(zhì)各組分含量，與施K2O 90 kg/hm2相比，施60 K2O kg/hm2時可顯著提高醇溶蛋白和麥谷蛋白含量分別為10%和3.6%，清蛋白和球蛋白無顯著提高(P＞0.05)[42]。李玉影等[17]和張定一等[43]分別在白漿土和潮褐土上的田間試驗(yàn)表明，施鉀可顯著提高小麥籽粒麥谷蛋白含量，但對醇溶蛋白無顯著影響。本研究結(jié)果表明，鉀肥減量施用顯著降低水稻籽粒麥谷蛋白含量19.4%～32.3%，醇溶蛋白隨鉀肥用量的降低呈現(xiàn)線性增加趨勢(y= 0.25x+1.35，P＜0.05)，醇谷比增大，不利于籽粒加工品質(zhì)的提升；小麥籽粒醇溶蛋白和麥谷蛋白含量降低，即面團(tuán)的延展性和彈性變差，影響食品加工品質(zhì)。但在鉀肥減量20%施用時，降幅不顯著，清蛋白和球蛋白無顯著差異。這與湯利等[44]和苗玉紅等[45]報(bào)道的水稻和小麥相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3.3 鉀肥減施對作物籽粒礦質(zhì)微量元素含量及其生物有效性的影響

籽粒微量元素含量的多少直接影響著作物微量元素營養(yǎng)品質(zhì)，從而進(jìn)一步影響人體微量元素營養(yǎng)健康。有研究表明，在土壤速效鉀水平較高的田塊更易獲得較高的作物籽粒鐵、錳、銅和鋅含量[46-47]。在石灰性土壤速效鉀123 mg/kg的土壤上鉀肥減量50%施用可顯著提高小麥籽粒錳含量，但對鐵、銅和鋅含量無顯著影響[48]。在稻麥輪作區(qū)施0～33.2 K2O kg/hm2范圍內(nèi)，水稻籽粒鋅含量隨施鉀量的增加而增加(y= 0.0836x+13.963，P＜0.05)，小麥籽粒鋅含量則無顯著差異[49]。本研究表明，鉀肥減量施用較農(nóng)戶模式提高了水稻和小麥籽粒中鐵、銅、鋅含量，這可能與鉀肥的適量施用提高了土壤有效態(tài)及弱酸溶解態(tài)微量元素的含量有關(guān)[50]。

人體缺乏微量元素除膳食結(jié)構(gòu)中谷物類食品的微量元素含量較低外，微量元素生物有效性不高也是其主要原因[24,51]。植酸作為主要的磷的貯藏化合物和抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)存在于籽粒中，占籽粒總磷的80%，直接影響鐵、錳、銅、鋅的生物有效性[52-53]。同時，籽粒中的磷與微量元素的摩爾比值可有效表征籽粒微量元素的生物有效性[24,54]。始于1993年的定位試驗(yàn)結(jié)果表明，施鉀可顯著提高小麥籽粒鐵、錳和鋅含量分別為14.8%、10.0%和11.1%，且籽粒磷鐵、磷錳、磷銅和磷鋅摩爾比分別降低14.2%、10.5%、1.5%和11.4%，生物有效性得到提高[55]。本研究中，鉀肥減量10%和20%時較農(nóng)戶模式提高了水稻和小麥籽粒鋅含量及其生物有效性。究其原因可能是農(nóng)戶高量施用鉀肥后，為土壤提供了大量無機(jī)鉀離子，進(jìn)而通過競爭機(jī)制影響微量元素在土壤中的吸附-解吸行為及其有效性；也可能是大量的鉀在根土界面形成大量的鐵/鋅-鉀配位化合物，抑制微量元素的吸收與運(yùn)輸，從而降低作物體內(nèi)微量元素含量及其生物有效性[50,56]；亦或是鉀離子作為大多數(shù)植物活細(xì)胞中含量較高的無機(jī)離子，也是調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透勢的主要組分，高鉀處理可能引起鉀的奢侈吸收，鉀奢侈消耗對鈣、鎂和微量元素的吸收及其生理有效性均存在潛在性影響[57]。但具體原因仍需要通過結(jié)合土壤化學(xué)和植物營養(yǎng)生理分子生物技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

巢湖流域稻麥輪作區(qū)農(nóng)戶模式鉀肥施用量(K2O 90 kg/hm2)減量至K2O 72 kg/hm2是可以保證水稻和小麥不減產(chǎn)，且蛋白質(zhì)含量無顯著變化。水稻籽粒醇溶蛋白含量提高，但麥谷蛋白含量降低；小麥籽粒醇溶蛋白及麥谷蛋白含量無顯著變化；水稻和小麥籽粒清蛋白和球蛋白含量均無顯著變化。鉀肥減量施用提高了水稻和小麥籽粒中鐵、銅、鋅含量，同時降低了磷鐵、磷銅和磷鋅摩爾比，生物有效性得到提高。從鉀肥資源高效利用和作物優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)角度，巢湖流域稻麥輪作區(qū)推薦鉀肥減量20%施用是可行的。