五年定位試驗鉀肥用量對雙季稻產量和施鉀效應的影響

魯艷紅， 廖育林， 聶 軍*， 謝 堅， 楊曾平， 周 興

(1 湖南省土壤肥料研究所， 湖南長沙 410125； 2 農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站， 湖南長沙 410125；3 中南大學研究生院隆平分院， 湖南長沙 410125)

湖南省是中國水稻的主要產區之一，雙季稻是當地最重要的水稻種植模式，其面積占水稻總種植面積的70%[1]。鉀素是實現水稻穩產增產的重要營養元素，在水稻產量形成和稻米品質提升等方面起著極其重要的作用，且水稻對鉀素的吸收量較大，甚至高于氮素，因此，合理施用鉀肥是實現水稻持續高產的重要措施。然而，在傳統水稻生產中，農民往往重視氮肥而忽略磷、鉀肥，特別是鉀肥的施用[2]。近年來，由于高產雜交水稻和具有高產潛力常規水稻品種的大面積推廣，傳統的鉀肥施用技術無法滿足高產水稻對鉀素的需求，導致水稻從土壤中帶走的鉀逐年增加，從而加速了水稻土中鉀素的消耗[3-4]。目前有關鉀肥施用量和施用方式在湖南省雙季稻種植模式中的產量效應、鉀素利用效率等方面研究較多，其主要目標是針對鉀對當季作物的效應[5-6]，很少考慮土壤鉀素平衡的維持或提高土壤鉀素。通常推薦的最佳或最經濟鉀肥施用量，不一定會維持稻田土壤鉀素平衡。在湖南省雙季稻區，農民傳統的施鉀技術往往導致水稻吸收的鉀量大于最佳施肥量，從而導致土壤有效鉀庫的耗竭；在部分區域，存在某一年份水稻吸收的鉀量小于最佳施肥量而導致土壤鉀素肥力的上升現象，然而這種鉀肥最佳用量會因其后續水稻生產的經濟效益變化而不具有持續性。面對當前我國水稻土缺鉀問題，如何在達到水稻穩產高產的同時維持和提高稻田土壤的鉀素就顯得極為重要。本研究選擇湖南典型雙季稻地區，通過5年田間定位試驗，分析了水稻產量、水稻植株鉀素含量和吸收量、鉀肥利用率、土壤鉀素狀況、鉀素表觀平衡以及施鉀經濟效益等，以尋求一種既能保障水稻高產穩產又能維持農田土壤鉀素平衡的鉀肥推薦施用方法，同時揭示土壤鉀素肥力變化的基本規律及其影響因素，為雙季稻田合理施用鉀肥和土壤鉀素培肥提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理，分別為: K0(不施鉀肥)； K1(早稻施K2O 84 kg/hm2、晚稻施K2O 105 kg/hm2)； K2(早稻施K2O 120 kg/hm2、晚稻施K2O 150 kg/hm2)； K3(早稻施K2O 156 kg/hm2、晚稻施K2O 195 kg/hm2)和K4(早稻施K2O 192 kg/hm2、晚稻施K2O 240 kg/hm2)處理。氮、磷和鉀化肥品種分別是尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。在試驗期間，氮肥按早稻N 150 kg/hm2、晚稻N 180 kg/hm2施入；磷肥按早稻P2O575 kg/hm2、晚稻P2O545 kg/hm2施入。全部磷肥和鉀肥作基肥于插秧前一天施入，氮肥分兩次施入， 為70%做基肥在插秧前一天施入，30%在分蘗期做追肥施入。每個處理4次重復，小區面積20 m2，隨機區組排列。小區間筑田埂并覆蓋農用薄膜隔離，以避免小區間水分竄灌或漫灌。供試早稻和晚稻品種(組合)分別為湘早秈24和豐源優272。試驗田管理措施與當地農民的大田管理一致。

1.3 采樣與分析

試驗前采集0—20 cm耕層基礎土壤樣品。每季水稻成熟后多點混合采集植株樣品，每小區單打單收稱計實產。2012年晚稻收獲后從各小區采集0—20 cm耕層土壤樣品，用于土壤全鉀、緩效鉀和速效鉀測定。灌溉水樣品是在灌溉來水的上游方向取5個點的水樣混合而成。

植株全鉀用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度計法測定[7]；土壤全鉀用NaOH熔融，火焰光度計法測定[7]；土壤緩效鉀用1 mol/L熱HNO3浸提，火焰光度計法測定[7]；土壤速效鉀用1 mol/L中性NH4OAc浸提，火焰光度計法測定[7]；土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷的含量和土壤pH均按文獻[7]中的方法測定。

1.4 計算與統計方法

鉀肥農學效應(Agronomy efficiency, AE, kg/kg)=(施肥區子粒產量-對照區子粒產量)/施鉀量

植株吸鉀量[K uptake by plant, K kg/(hm2·a)]=稻草產量×稻草鉀含量+子粒產量×子粒鉀含量

鉀肥利用率(K use efficiency, %)=(施肥區植株吸鉀量-對照區子植株吸鉀量)/施鉀量×100

土壤鉀素表觀平衡按下式計算:

Kap=Kinp-(Kup-Krec)

式中: Kap是鉀素表觀平衡[kg/(hm2·a)]; Kinp是通過化肥、秧苗、雨水和灌溉水輸入的鉀素量[kg/(hm2·a)]; Kup是水稻植株吸收的鉀素量[kg/(hm2·a)]; Krec是通過稻樁和根茬殘留循環的鉀素量[kg/(hm2·a)]。

秧苗、雨水、灌溉水及稻樁和根茬殘留循環的輸入鉀素量為試驗期間5年的平均測定值。

試驗數據用SPSS 13.0系統軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 施鉀量對水稻產量的影響

不同施鉀量對早、晚稻水稻產量的影響表現不同。從表1可以看出，各處理水稻產量之間存在差異，施鉀處理與不施鉀處理之間的差異均達極顯著水平(P<0.01)；連續5年施用鉀肥的早稻平均產量隨鉀肥施用量的增加呈先增加后下降的變化趨勢，與不施鉀肥的對照處理相比，K1、K2、K3和K4處理分別增加4.82%、7.25%、8.01%和7.37%；5季晚稻平均產量隨鉀肥施用量的增加而增加，K1、K2、K3和K4處理較K0處理分別增加4.93%、8.61%、9.07%和10.25%。其中早稻平均產量最高的是K3處理，晚稻最高的是K4處理。早、晚稻農學效應均以K2處理最高，施鉀量高于K2處理，農學效應隨施鉀量的增加而降低。

表1 連續5年不同施鉀肥量對早、晚稻平均產量及鉀肥農學效應的影響

2.2 施鉀量對水稻植株鉀素含量的影響

從表2可以看出，施鉀量不同，鉀素在水稻植株體內的分配不同。施用鉀肥能顯著提高水稻子粒和稻草中的鉀素含量，特別是稻草中的鉀含量，早、晚稻施鉀處理與不施鉀處理之間子粒中的鉀素含量差異達顯著水平(P<0.05)；稻草中的鉀素含量差異達極顯著水平(P<0.01)。早、晚稻子粒和稻草中的鉀素含量均隨著施鉀量的增加而增加。早稻子粒鉀含量K1、K2、K3和K4處理分別比對照處理增加6.25%、9.37%、12.50%和15.63%，晚稻增加11.54%、15.38%、19.23%和23.08%；早稻稻草鉀含量K1、K2、K3和K4處理分別比對照處理增加41.77%、54.43%、66.46%和69.62%；晚稻增加77.69%、92.56%、102.48%和112.40%。

表2 連續5年不同施鉀量對子粒和稻草鉀素含量的影響 (g/kg)

2.3 施鉀量對水稻植株吸鉀量和鉀肥利用率的影響

表3 不同施鉀處理的水稻年吸鉀量和鉀肥利用率

2.4 施鉀量對鉀素養分平衡的影響

通過化肥、秧苗、灌溉水和雨水輸入的鉀量、水稻植株吸收輸出的鉀量及稻樁和根茬殘留歸還的鉀量來確定所有處理的表觀鉀平衡(表4)。從表4可以看出，鉀素的輸入項中各施鉀處理主要是通過鉀肥施入的鉀，占總輸入量的75%以上；其次水稻稻樁和根茬的鉀素(循環鉀)對鉀輸入量也有較大影響，各施鉀處理明顯高于對照處理，但不同施鉀處理間差異較小。鉀的輸出主要是水稻植株吸收的鉀，施鉀處理植株吸鉀量明顯高于對照處理，且隨鉀肥施用量的增加而增加，說明施鉀量越高，作物從土壤中帶走的鉀素越多，但同時施鉀量越高通過鉀肥投入和稻樁根茬殘留鉀素輸入量也越高。5年10季水稻年平均鉀素表觀平衡結果表明，K0、K1和K2處理處于鉀素虧缺狀態，鉀素虧缺量隨施鉀量的增加而有較大幅度降低，K0處理的虧缺量為127.1 kg/hm2，K1處理的虧缺量為58.3 kg/hm2，而K2處理的虧缺量僅為10.8 kg/hm2； K3和K4處理處于鉀素盈余狀態，鉀素盈余量隨施鉀量的增加急劇增加，K3處理鉀素盈余量為48.0 kg/hm2，K4處理盈余量為109.2 kg/hm2。

表4 連續5年鉀素平衡狀況 (K kg/hm2)

2.5 施鉀量對土壤鉀素狀況的影響

表5 連續5年不同施鉀量對紅壤性水稻土鉀含量的影響

2.6 施鉀量對水稻經濟效益的影響

表6 連續5年施鉀對水稻經濟效益的影響 (yuan)

3 討論與結論

鉀是作物正常生長必不可少的肥料三要素之一，其吸收、 積累、 轉移和分配對水稻生產和產量形成至關重要[12]。本試驗結果表明，施鉀顯著增加早、 晚稻植株吸鉀量，尤其是增加稻草中的鉀素含量，這與前人的研究結果一致[13-15]。已有對氮、磷、鉀在水稻地上部分分布的研究結果表明， 水稻吸收的鉀主要集中在稻草中[15]，本試驗結果表現出同樣的趨勢。同時，從本試驗結果還可發現，施用鉀肥增加了稻草吸鉀量占水稻植株總鉀吸收量的比例。K0處理5年平均早、 晚稻稻草中鉀吸收量占早稻總鉀吸收量的83.2%和82.3%，而施鉀處理的稻草鉀吸收量占總鉀吸收量的86%以上。這一結果說明水稻吸收的鉀主要集中在營養器官(稻草)中，增施鉀肥導致稻草中鉀的分配率提高。鉀肥施用后稻草中鉀含量和積累量的提高對于稻草還田中鉀的循環利用具有十分重要的意義，如何發揮稻草中的鉀在水稻生產中的作用值得進一步深入研究。

長期不施鉀肥土壤中的鉀素含量呈明顯下降趨勢，施鉀肥或鉀肥與有機肥配施對土壤鉀素下降有一定的延緩作用[16-17]；國內外研究表明，長期施用鉀肥有利于土壤全鉀和速效鉀的積累[18-19]，范欽楨和謝建昌通過對我國18個長期定位試驗中土壤速效鉀和緩效鉀含量的演變規律研究發現，長期施用鉀肥有利于提高土壤中的速效鉀和緩效鉀含量[20]。本研究結果表明，連續定位5年10季水稻不施鉀肥處理的土壤全鉀、 速效鉀和緩效鉀含量均較試驗開始前有所降低；施鉀處理的土壤緩效鉀和速效鉀含量均高于試驗前的含量，土壤全鉀含量除K4處理外其他處理均低于試驗前含量。這一結果說明施鉀能提高土壤速效鉀和緩效鉀的含量，并對土壤全鉀含量的下降有延緩作用。

在目前水稻種植條件下，只有堅持合理施用鉀肥，才能提高水稻產量，或維持水稻穩產，促進鉀素養分循環，保持農田鉀素平衡，提高土壤鉀素肥力。本文僅就紅壤雙季稻種植制度下，研究水稻產量、 吸鉀量和土壤鉀素含量狀況與施鉀量之間的關系，探討施鉀量對水稻經濟效益的影響，揭示不同鉀肥投入情況下土壤鉀素肥力變化的基本規律及其受各種因素的影響規律，并對土壤鉀素狀況及鉀素平衡進行初步探討，對于促進南方雙季稻區科學合理施用鉀肥具有一定的現實意義。但徑流量和淋失量對鉀素損失量的影響，冬閑期間處理間土壤鉀素的不同損失量，耕層土壤(0—20 cm)以下土層的供鉀情況，不同處理中土壤的固鉀能力和含鉀粘土礦物的變化等均有待今后做進一步研究。同時，由于鉀肥施用后稻草中的鉀含量和積累量大幅度提升，因此，其稻草的循環利用對于土壤鉀素和鉀肥效應的影響亟待更深入研究。

參考文獻:

[1] 湖南省統計局. 湖南統計年鑒[M]. 北京: 中國統計出版社, 2012.

Hunan Province Statistical Bureau. Hunan statistical yearbook. [M]. Beijing: China Statistics Press, 2012.

[2] 謝建昌, 周健民, Hardter R. 鉀與中國農業[M]. 南京: 河海大學出版社, 2000.

Xie J C, Zhou J M, Hardter R. Potassium in Chinese agriculture[M]. Nanjing: Hehai University Press, 2000.

[3] 金繼運. 土壤鉀素研究進展[J]. 土壤學報, 1993, 30(1): 94-101.

Jin J Y. Advances in soil potassium research [J]. Acta Pedologica Sinica, 1993, 30(1): 94-101.

[4] 金繼運. 我國北方土壤缺鉀及鉀肥應用的發展趨勢[A]. 中國農業科學院土壤肥料研究所，加拿大鉀磷研究所北京辦事處.北方土壤鉀素和鉀肥效益[C]. 北京: 中國農業科技出版社, 1994.1-5.

Jin J Y. Development of potassium application and lack of soil potassium in north China[A]. Soil and Fertilizer Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Peking Office of Canada Phosphorus and Potassium Institute. Soil K and yield responses in North China[C]. Beijing: China Agricultural Scientech Press, 1994. 1-5.

[5] 廖育林, 鄭圣先, 黃建余, 等.施鉀對缺鉀稻田土壤鉀肥效應及土壤鉀素狀況的影響[J].中國農學通報, 2008, 24(2): 255-260.

Liao Y L, Zheng S X, Huang J Yetal. Effect of application of K fertilizer on potassium efficiency and soil K status in deficit K of paddy soil [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2008, 24(2): 255-260.

[6] 曾德武, 劉強, 彭建偉, 等.不同稻田土壤鉀素豐缺水平下施用鉀肥的效應及對土壤肥力的影響[J].湖南農業科學, 2012, (3): 37-40.

Zeng D W, Liu Q, Peng J Wetal. Effects of applying potassium fertilizer to paddy soil with different levels of potassium and impact of applying potassium fertilizer on soil fertility[J]. Hunan Agricultural Science, 2012, (3): 37-40.

[7] 鮑士旦. 土壤農化分析(第三版)[M]. 北京: 中國農業出版社, 2000.

Bao S D. Analysis methods of soil agricultural chemistry (3rd) [M]. Beijing: China Agriculture Press, 2000.

[8] 章秀福, 王丹英, 符冠富, 李華. 南方稻田保護性耕作的研究進展與研究對策[J]. 土壤通報, 2006, 37(2): 346-351.

Zhang X F, Wang D Y, Fu G F, Li H. Research progress and developing strategy in paddy field conservation tillage in the south of China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(2): 346-351.

[9] 黃小洋, 漆映雪, 黃國勤, 等. 稻田保護性耕作研究—Ⅰ免耕對水稻產量、生長動態及病蟲數量的影響[J]. 江西農業大學學報, 2005, 27(4): 530-534.

Huang X Y, Qi Y X, Huang G Qetal. Studies on paddy field Conservation tillage Ⅰ. Effects of paddy field conversation tillage on rice yield, growth dynamics and pest quantity [J]. Acta Agricultural Universitatis Jiangxiensis (Nat.Sci. Edn), 2005, 27(4): 530-534.

[10] 陳防, 魯劍巍, 萬運帆, 等. 長期施鉀對作物增產及土壤鉀素含量及形態的影響[J]. 土壤學報, 2000, 37(2): 233-241.

Chen F, Lu J W, Wan Y Fetal. Effect of long term potassium application on soil potassium content and forms [J]. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(2): 233-241.

[11] 王強盛, 甄若宏, 丁艷鋒, 等. 鉀對不同類型水稻氮素吸收利用的影響[J]. 作物學報, 2009, 35(4): 704-710.

Wang Q S, Zhen R H, Ding Y Fetal. Effect of potassium application rates on nitrogen absorption and utilization of different types of rice [J]. Acta Agronomica Sinica, 2009, 35(4): 704-710.

[12] 黃紹文, 金繼運, 王澤良, 程明芳. 北方主要土壤鉀形態及植物有效性研究[J]. 植物營養與肥料學報, 1998, 4(2): 156-164.

Huang S W, Jin J Y, Wang Z L, Cheng M F. Native potassium forms and plant availability in selected soils from northern China [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1998, 4(2): 156-164.

[13] 陳際型. 鉀素營養對水稻根系生長和養分吸收的影響[J]. 土壤學報, 1997, 34(2): 182-188.

Chen J X. Effect of K nutrition on rice root growth and nutrient uptake [J]. Acta Pedologica Sinica, 1997, 34(2): 182-188.

[14] 黃科延, 張愛武, 曹芯, 等. 稻草還田條件下施鉀量對晚稻產量和鉀素吸收的影響[J]. 湖南農業科學, 2011, (7): 57-60.

Huang K Y, Zhang A W, Cao Xetal. Influences of different potassium fertilizer rates on yield and potassium absorption of late-rice under rice-straw returning mode[J]. Hunan Agricultural Science, 2011, (7): 57-60.

[15] 曾德武, 劉強, 彭建偉, 等. 不同鉀肥用量對雙季稻鉀肥利用率的影響[J]. 中國稻米, 2012, 18(2): 30-32.

Zeng D W, Liu Q, Peng J Wetal. Effect of different potassium fertilizer rates on K recovery efficiency in double-rice system [J]. China Rice, 2012, 18(2): 30-32.

[16] 劉樹堂, 姚源喜, 隋方功, 等. 長期定位施肥對土壤磷、 鉀素動態變化的影響[J]. 生態環境, 2003, 12(4): 452-455.

Liu S T, Yao Y X, Sui F Getal. Effects of long-term fertilization on dynamics of phosphorus and potassium in soil [J]. Ecology and Environment, 2003, 12(4): 452-455.

[17] 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.

[18] Dhanorkar B A, Borkar D K, Puranik R B,etal. Forms of soil potassium as influenced by long-term application of FYM and NPK in Vertisol[J]. Journal of Potassium Research, 1994, 10(1): 42-48.

[19] Gigliotti G, Giusquiani P L, Businelli D. A long-term chemical and infrared spectroscopy study on a soil amended with municipal sewage sludge [J]. Agronomie, 2001, 21(2): 169-178.

[20] 范欽楨, 謝建昌. 長期肥料定位試驗中土壤鉀素肥力的演變[J]. 土壤學報, 2005, 42(4): 591-599.

Fan Q Z, Xie J C. Variation of potassium fertility in soil in the long-term stationary experiment [J]. Acta Pedologica Sinica, 2005, 42(4): 591-599.

[21] 謝建昌, 周健民. 我國土壤鉀素研究和鉀肥使用的進展[J]. 土壤, 1999, 31(5): 244-254.

Xie J C, Zhou J M. Progress on study of soil potassium and potassium fertilizer application in China [J]. Soils, 1999, 31(5): 244-254.

[22] 鄭圣先, 羅成秀, 戴平安. 湖南省主要稻田土壤供鉀能力的研究[J]. 中國農業科學. 1989, 22 (1): 75-82.

Zheng S X, Luo C X , Dai P A. Potassium supplying capacity of main paddy soil in Hunan province [J]. Scientia Agricultura Sinica, 1989,22(1): 75-82.

[23] 徐衛紅, 王正銀, 李傳林. 施氮和不同品種水稻對紫色水稻土鉀素形態的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2000, 6(4): 389-396.

Xu W H, Wang Z Y, Li C L. Effect of nitrogen application and rice cultivars on forms of potassium in different purple paddy soils [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2000, 6 (4): 389-396.

[24] 廖育林, 鄭圣先, 聶軍, 戴平安. 不同類型生態區稻-稻種植制度中鉀肥效應及鉀素平衡研究[J]. 土壤通報, 2008, 39(3): 612-618.

Liao Y L, Zheng S X, Nie J, Dai P A. Potassium efficiency and balance of the rice-rice cropping system in differen type of ecosytems [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(3): 612-618.

[25] 姚源喜, 劉樹堂, 郇恒福. 長期定位施肥對非石灰性潮土鉀素狀況的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2004, 10(3): 241-244.

Yao Y X, Liu X T, Huan H F. Effect of long-term fertilization on the status of potassium in noncalcareous fluvo-aguic soil [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(3): 241-244.

[26] 高菊生, 徐明崗, 董春華, 等. 長期稻-稻-綠肥輪作對水稻產量及土壤肥力的影響[J]. 作物學報, 2013, 39(2): 343-349.

Gao J S, Xu M G, Dong C Hetal. Effects of long-term rice-rice-green manure cropping rotation on rice yield and soil fertility [J]. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(2): 343-349.