秸稈還田條件下不同供鉀能力土壤水稻、油菜、小麥鉀肥減量研究

張磊，張維樂，魯劍巍，戴志剛，易妍睿，叢日環

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秸稈還田條件下不同供鉀能力土壤水稻、油菜、小麥鉀肥減量研究

張磊1，張維樂1，魯劍巍1，戴志剛2，易妍睿2，叢日環1

（1華中農業大學資源與環境學院/農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070；2湖北省耕地質量與肥料工作總站，武漢 430070）

【】研究不同供鉀能力土壤在秸稈還田條件下鉀肥減量施用對水稻、油菜、小麥的產量、鉀素吸收量及鉀肥利用率的影響，計算秸稈還田條件下3種作物的鉀肥適宜用量，為秸稈還田條件下鉀肥資源的合理利用及農田鉀素養分管理和調控提供理論依據?！尽?013—2015年在湖北省38個縣（市）的水稻、油菜及小麥3種作物上開展秸稈還田鉀肥減量施用田間試驗。試驗設置6個處理，分別為（1）對照，不施鉀（CK）；（2）施用全量化學鉀肥（+K）；（3）秸稈還田處理（+S）；（4）秸稈還田配施50%鉀肥（S+1/2K）；（5）秸稈還田配施75%鉀肥（S+3/4K）；（6）秸稈還田配施全量鉀肥（S+K）。參考不施鉀肥處理的作物相對產量（即CK處理產量/+K處理產量）將土壤供鉀能力分為高、中、低3個水平?！尽坎煌┾浰酵寥朗┾浐徒斩掃€田均能不同程度增加水稻、油菜和小麥的產量和地上部鉀素吸收量。其中，高供鉀能力的土壤水稻、油菜和小麥僅通過上季作物秸稈全量還田即可滿足作物高產的鉀素需求；中等供鉀能力的土壤3種作物可在秸稈還田條件下減少50%鉀肥用量；而低供鉀能力的土壤，秸稈還田條件下水稻季可減少25%鉀肥用量，油菜和小麥季可減少50%鉀肥用量。從土壤鉀素表觀平衡來看，秸稈還田可緩解土壤鉀素虧缺，其中油菜季平均盈余量為14.1—152.6kg K2O·hm-2，小麥季平均盈余量為25.5—95.9 kg K2O·hm-2，水稻季則仍表現為鉀素虧缺。在考慮秸稈鉀素投入量的情況下，通過一元二次方程和線性加平臺方程擬合秸稈還田條件下鉀肥用量與作物產量之間的關系，以+K處理產量為標準得到秸稈還田條件下的適宜鉀肥用量。結果表明，在前茬作物秸稈全量還田的條件下，供鉀能力為中、高等水平的土壤3種作物鉀肥適宜施用量為20—33 kg K2O·hm-2，油菜鉀肥施用量低于水稻和小麥；而供鉀能力低的土壤上，秸稈還田土壤鉀肥適宜施用量為45—49 kg K2O·hm-2，油菜鉀肥推薦用量高于水稻和小麥。與目前鉀肥經濟施用量60 kg K2O·hm-2相比，3種作物在供鉀能力為中、高等水平的土壤通過秸稈還田可節省鉀肥45.0%—66.7%，供鉀能力低的土壤也可節省鉀肥18.3%—25.0%?！尽拷斩掃€田條件下水稻、油菜及小麥可以在減少18.3%—66.7%鉀肥用量的同時保證作物產量，鉀肥施用量減少的比例應根據土壤供鉀水平進行調整。

秸稈還田；水稻；油菜；小麥；供鉀水平；鉀肥替代；鉀肥利用率

0 引言

【研究意義】鉀是植物營養的重要元素，施用鉀肥對于提高作物產量和作物品質具有非常重要的意義[1]。隨著人口增長、糧食需求水平提高、經濟水平變化，中國已成為世界主要的鉀肥消費國。2014年中國鉀肥表觀消費量達到了1 045萬噸（折K2O），進口鉀肥量488萬噸，鉀肥自給率僅為50.3%[2]。當前中國是世界第一大鉀肥進口國，由于受到國際鉀肥資源壟斷和需求旺盛的雙重影響下，鉀肥的價格將一直處于高位運行[3-4]。近年來中國農業發展，大量農業新技術、新品種得到推廣，在保證中國糧食產量連年增加的同時也造成了農田土壤鉀素虧缺和大量農作物秸稈的產生?！厩叭搜芯窟M展】研究表明，秸稈中包含大量的氮、磷、鉀和中微量元素等養分[5-6]。秸稈還田既可以減少資源浪費和環境污染[7]。短期秸稈還田可以提高當季土壤速效鉀含量，長期秸稈還田能顯著提高土壤水溶性鉀、非特殊吸附鉀、非交換性鉀及緩效鉀的含量，提高作物鉀素積累量和產量[8-13]。禾本科作物吸收的鉀素80%以上存在于秸稈等非籽實部位，且這些鉀素均是以離子態存在，很容易被水浸提出來被作物吸收利用[14]。湖北省稻作區以水稻、油菜、小麥等作物秸稈為主，秸稈總量維持在3 500萬噸左右，折合純鉀約54萬噸左右[15]。因此，秸稈還田是緩解湖北省鉀礦資源短缺與農業鉀肥需求量大的問題的有效途徑之一。【本研究切入點】長江中游是中國糧食的主產區之一，頻繁的輪作體系和充沛的雨熱條件導致土壤養分尤其是土壤鉀素的虧缺嚴重。在當前國家倡導“化肥零增長”的大背景下，研究主要糧油作物的秸稈替代鉀肥技術顯得尤為重要?！緮M解決的關鍵問題】本研究于2013—2015年在湖北省38個縣（市）分別開展水稻、油菜和小麥的秸稈還田替代鉀肥效果大田試驗，研究3種作物在不同供鉀條件下秸稈全量還田能夠替代鉀肥的用量及其對作物鉀素吸收利用的影響，以期為秸稈還田條件下鉀肥資源的合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2013—2015年在湖北省漢川、鐘祥、天門等38個縣（市、區）進行，各試驗點均開展單季作物的研究，具體分布如下：

2013年水稻季包括漢川、鐘祥、天門、潛江、應城、京山、大冶、老河口、荊州、棗陽、仙桃、掇刀、監利、孝昌、赤壁、沙洋、鄂州、安陸、松滋、谷城農業科學研究所（谷城Ⅰ）、谷城廟灘（谷城Ⅱ）、谷城冷集（谷城Ⅲ）、麻城、崇陽、洪湖萬全（洪湖Ⅰ）、洪湖黃家口（洪湖Ⅱ）、南漳、隨縣、紅安、孝南30個試驗點；2014年水稻季包含江夏、云夢、襄州、石首、黃梅、英山、嘉魚、咸安8個試驗點。以上共計38個試驗點。2013/2014年油菜季包括洪湖Ⅰ、掇刀、應城、松滋、孝南、仙桃、赤壁、荊州、崇陽、谷城Ⅱ、沙洋11個試驗點；2014/2015年油菜季包含云夢、嘉魚2個試驗點；以上共計13個試驗點。2013/2014年小麥季包括洪湖Ⅱ、谷城Ⅲ、老河口、孝昌、京山、南漳、安陸、隨縣、潛江9個試驗點；2014/2015年小麥季包含襄州、棗陽2個試驗點。以上共計11個試驗點。各試驗點供試土壤均為水稻土，基本理化性狀見表1。

1.2 試驗設計

試驗共設置6個處理，分別為（1）對照，不施鉀（CK）；（2）施用全量化學鉀肥（+K）；（3）秸稈還田處理（+S）；（4）秸稈還田配施50%鉀肥（S+1/2K）；（5）秸稈還田配施75%鉀肥（S+3/4K）；（6）秸稈還田配施全量鉀肥（S+K）。所有試驗處理水稻季氮肥和磷肥用量分別為165 kg N·hm-2和60 kg P2O5·hm-2；油菜季氮肥、磷肥和硼肥180 kg N·hm-2、60 kg P2O5·hm-2和15 kg·hm-2；小麥季氮肥和磷肥用量分別為150 kg N·hm-2和45 kg P2O5·hm-2。3種作物的全量鉀肥用量均為60 kg K2O·hm-2。氮肥分2次施用，水稻季為基肥﹕蘗肥=73%﹕27%，油菜季為基肥﹕越冬肥= 75%﹕25%，小麥季為基肥﹕蘗肥= 70%﹕30%，磷肥、鉀肥和硼肥均作為基肥一次性施用。肥料品種均采用尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%），硼砂（含硼 11%）。

各試驗點每季秸稈還田均取自該試驗點上一季作物秸稈或臨近田塊秸稈，還田量均調整為6 000 kg·hm-2（近似于前茬作物秸稈全量還田），其中稻油輪作水稻季還田秸稈為油菜莖稈與角殼1﹕1混合，稻麥輪作水稻季還田秸稈為小麥秸稈，油菜和小麥季還田秸稈均為水稻秸稈，各試驗點還田秸稈均粉碎至15—20 cm，翻壓還田，其中水稻季灌水7—10 cm泡田。還田秸稈均取樣測定秸稈鉀含量，其中水稻秸稈平均帶入鉀素養分198.1 kg K2O·hm-2，油菜秸稈平均帶入鉀素養分為122.3 kg K2O·hm-2，小麥秸稈平均帶入鉀素養分84.6 kg K2O·hm-2。

試驗小區面積為50 m2。每個處理設置3次重復，隨機區組排列。各小區之間用寬30 cm、高30 cm的土埂隔開，并在田埂上覆蓋薄膜，防止小區之間串水串肥。同時整個試驗區外圍用土埂圍起，與保護行隔離，有獨立的灌/排水溝，防止保護區肥水串進試驗各小區。其他田間管理措施與當地農民習慣一致。

各試驗點種植水稻均為中稻，供試水稻、油菜和小麥品種均為當地主推品種，水稻品種主要為豐兩優1號、揚兩優6號和廣兩優1128等；油菜的主要品種為華油雜9號、中油雜7819和中雙4號等；小麥的主要品種為鄭麥9023和鄂麥18等。水稻于5月上旬育秧，下旬移栽，9月中旬收獲，移栽密度為17.5 萬蔸/hm2；油菜于10月上中旬播種，次年5月中下旬收獲；小麥于10月中下旬播種，次年6月初收獲。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤基礎樣品測定 土壤基礎樣品均在水稻種植前采用“S”形10點采樣法采集，取0—20 cm耕層土壤，揀出雜草和碎石，按照“四分法”取1 kg帶回實驗室于陰涼、通風處風干，并磨細過0.85 mm篩后，置于干燥處保存。土壤基礎理化性質按常規方法測定[16]。具體為：pH按照水土比2.5﹕1，電位法測定；有機質用外加熱—重鉻酸鉀容量法測定；全氮用半微量開氏定氮法測定，標準酸滴定；速效磷用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀用1 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度法測定。

1.3.2 測產 水稻、油菜和小麥的籽實產量以各小區實際收獲產量實打實收。水稻收獲時每小區隨機選取10蔸有代表性的水稻植株，油菜和小麥在每個小區按照0.5 m×0.5 m的樣方取植株，風干。水稻和小麥分籽粒和莖稈、油菜分籽粒、角殼和莖稈并分別稱重，測定各部分養分含量。水稻和小麥通過計算谷草比，再根據實收籽實產量推算水稻和小麥的單位面積干物質生產量。油菜通過計算籽粒﹕角殼和籽粒﹕莖稈的比值，再根據實收籽實產量推算油菜單位面積干物質生產量。

1.3.3 植物養分測定 水稻、油菜和小麥植株風干后，在60℃烘箱中烘24 h，經過磨碎、過篩后，用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度法測定植株鉀含量[16]。

表1 湖北省38個縣（市）試驗點土壤基本性狀

1.4 數據分析方法

1.4.1 基于相對產量的水稻、油菜、小麥土壤供鉀能力劃分 土壤速效鉀含量常用來評估土壤供鉀能力水平，但是研究表明這種方法僅適用于基礎肥力相對較高、固鉀能力較弱的土壤[17-18]。本研究是在湖北省主要的水旱輪作區進行，頻繁的輪作和較強的土壤固鉀能力下NH4OAc浸提的速效鉀含量會出現較大的波動[18]，此外該浸提方法的測定值會受到土壤取樣時間、浸提溫度和土壤類型的影響[19]。研究也表明土壤中粉砂土層和亞土層的鉀也顯著影響作物對鉀素的吸收[20]。Cong等[21]研究長江流域1 437個田間試驗發現，相對產量與土壤速效鉀含量并未建立相關關系，而與不施鉀肥處理的鉀素吸收量與顯著相關關系。此外，目前土壤速效鉀的化學提取及測定方法是模擬植物根系對土壤鉀素的吸收，土樣的風干及浸提過程等反復干濕變化導致土壤速效鉀和緩效鉀測試結果失真[22]。以上研究均表明用速效鉀含量定義本研究供試的土壤供鉀能力是不合適的，因為它不能反映土壤實際的供鉀能力。而用不施鉀肥作物相對于施鉀作物的相對產量水平則可以表征氣候、土壤、區域尺度輪作制度等多種復雜影響因子作用下土壤的供鉀能力，水稻、油菜和小麥的不施鉀處理產量與土壤速效鉀含量呈一定的正相關關系，水稻相對產量與土壤速效鉀間存在極顯著相關的對數關系[23-25]。因此本研究選擇不施鉀處理作物相對產量描述土壤基礎供鉀水平。

根據王偉妮[23]、吳良泉[24]、鄒娟[25]的研究結果，同時綜合考慮土壤基礎供鉀能力劃分標準的統一性，按照對照不施鉀（CK）相對于施用全量化學鉀肥（+K）處理的相對產量把供試土壤供鉀水平分為低、中和高3個等級，相對產量＜85%定為“供鉀水平低”，85%—95%定為“供鉀水平中”，＞95%定為“供鉀水平高”。

1.4.2 鉀肥推薦用量 通過一元二次模型和線性模型對每個試驗點鉀肥用量和不同作物產量關系進行模擬，通過模擬曲線與各點+K處理產量對應得出各試驗點秸稈還田條件下適宜鉀肥用量。采用一元二次模型擬合方程為：

=2++（1）

式中，為籽粒產量（kg·hm-2），為肥料用量（kg·hm-2），為二次項系數，為一次項系數，為截距。

采用線性模型時，方程為：

=+（2）

式中，為籽粒產量（kg·hm-2），為肥料用量（kg·hm-2），為斜率，為截距。

研究中使用SPSS 20.0軟件模擬一元二次模型和線性模型。

在模型選擇過程中，將肥效函數模擬過程中的R2作為判定指標，即分別用一元二次模型和線性模型對每個試驗點鉀肥用量及秸稈還田條件下作物產量關系進行模擬，選擇2值較大的模型計算該試驗點適宜施鉀量。綜合考慮擬合方程的相關性及結果的合理性，在最優曲線上尋找+K處理產量對應的鉀肥用量，即為秸稈還田條件下的鉀肥適宜用量。若該試驗點模擬結果均不符合二者模型（即鉀肥對產量的貢獻較低），則以+K處理籽粒吸鉀量作為鉀肥推薦用量的最低限定值[26]。

1.4.3 相關參數計算

相對產量（%）=不施鉀處理（CK）產量/施鉀處理（+K）產量×100%；

還田秸稈鉀素量（kg K2O·hm-2）=還田秸稈干物質重×還田秸稈鉀素含量（按K %計，下同）×1.2；

作物地上部吸鉀量（kg K2O·hm-2）=收獲期單位面積地上部干物重×植株鉀含量×1.2；

鉀素農學利用率（kg·kg-1）=（各處理產量-CK處理產量）/（鉀肥用量+秸稈鉀素用量）；

土壤鉀素表觀平衡量（kg K2O·hm-2）=鉀素投入總量-作物帶出土壤鉀素總量。

試驗數據采用MS Excel 2010和SPSS 20.0軟件計算分析，LSD法檢驗＜0.05水平上的差異顯著性。采用Origin 9.0作圖。

2 結果

2.1 秸稈還田條件下減少鉀肥用量對作物產量的影響

對于水稻（圖1-a），高、中、低供鉀水平土壤的CK處理產量均值分別為8.2、8.1和6.1 t·hm-2，施用鉀肥和秸稈還田均能夠不同程度增加產量。與CK處理相比，高、中、低供鉀水平土壤+K處理平均增產0.208、0.733和2.228t·hm-2，增產率分別2.6%、9.1%和36.7%。在秸稈還田量為6.0 t·hm-2（近似于前茬作物秸稈全量還田）條件下，高供鉀水平土壤，+S處理即可達到+K處理相當的產量水平；中等供鉀土壤，S+1/2K處理可以達到+K處理相當的產量水平；而低供鉀土壤，S+3/4K處理可以達到+K處理相當的產量水平。

對于油菜（圖1-b），高、中、低供鉀水平土壤的CK處理產量均值分別為1.9、2.0和1.1 t·hm-2，施用鉀肥和秸稈還田均能夠不同程度增加產量。與CK處理相比，高、中、低供鉀水平土壤+K處理平均增產0.045、0.221和0.43 t·hm-2，增產率分別2.3%、11.1%和39.7%。在秸稈還田量為6.0 t·hm-2（近似于前茬作物秸稈全量還田）條件下，高供鉀水平土壤，+S處理即可達到+K處理產量相當的水平；中等和低供鉀水平條件下，S+1/2K處理可以達到+K處理產量相當的水平。

（a）水稻 Rice，High-K=17；Middle-K=16；Low-K=5；（b）油菜Oilseed rape，High-K=2；Middle-K=7；Low-K=4；（c）小麥Wheat，High-K=4；Middle-K=5；Low-K=2

圖中不同小寫字母表示同等供鉀水平下不同處理間差異顯著（＜0.05）。下同

Different small letters mean significant difference at＜0.05 among the treatments in the same K supplying level.The same as below

圖1 秸稈還田條件下減少鉀肥用量對水稻（a）、油菜（b）、小麥（c）作物產量的影響

Fig. 1 Effects of reducing K fertilizer rates on crop yield of rice (a), oilseed rape (b) and wheat (c) under straw incorporation condition

對于小麥（圖2-c），高、中、低供鉀水平土壤的CK處理產量均值分別為4.5、4.0和3.5 t·hm-2。施用鉀肥和秸稈還田均能夠不同程度增加產量。與CK處理相比，高、中、低供鉀水平土壤+K處理平均增產0.106、0.637和0.785t·hm-2，增產率分別2.4%、13.6%和22.1%。在秸稈還田量為6.0 t·hm-2（近似于前茬作物秸稈全量還田）條件下，高供鉀水平土壤，+S處理即可達到+K處理產量水平；中等和低供鉀水平條件下，S+1/2K處理可以達到+K處理產量水平。

2.2 秸稈還田條件下減少鉀肥用量對作物地上部鉀素吸收量的影響

對于水稻（圖2-a），高、中、低供鉀水平土壤的CK處理地上部鉀素吸收量分別為290.1、286.2和246.4 kgK2O·hm-2。施鉀和秸稈還田均能不同程度增加水稻地上部鉀素吸收量。高、中、低供鉀水平土壤+K處理的鉀素吸收量平均分別為347、358和318 kgK2O·hm-2，與CK處理相比增幅分別為19.6%、25.0%和29.0%，和產量的增產趨勢表現相一致（圖1-a）。與+K處理相比，高供鉀土壤S+K處理呈現顯著性地增加，平均增加58.6 kgK2O·hm-2，這是由于秸稈還田提供的鉀量遠高于+K處理提供的鉀量，其中籽粒鉀素吸收量增加4.6 kgK2O·hm-2，秸稈鉀素吸收量增加54.0 kgK2O·hm-2，水稻秸稈存在明顯的鉀素奢侈吸收現象。

油菜（圖2-b）高、中、低供鉀水平土壤的CK處理地上部鉀素吸收量分別為118.5、148.3和89.3 kgK2O·hm-2。高、中、低供鉀水平土壤+K處理的鉀素吸收量平均分別為143、196和136 kgK2O·hm-2，與CK處理相比增幅分別為20.7%、32.3%和51.8%，和產量的增產趨勢表現相一致（圖1-b）。與+K處理相比，高供鉀和中等供鉀土壤秸稈還田配施鉀肥各處理無顯著差異，而低供鉀土壤S+K處理油菜吸鉀量則明顯高于+K處理，平均增加46.6 kgK2O·hm-2，增幅達34.4%。與水稻相似，油菜角殼和莖桿鉀素吸收量遠高于籽粒鉀素吸收量。

小麥（圖2-c）高、中、低供鉀水平土壤的CK處理地上部鉀素吸收量分別為155.7、99.6和98.8 kgK2O·hm-2。施鉀和秸稈還田能夠明顯提高小麥地上部鉀素吸收量（134.3—203.9 kgK2O·hm-2）。與+K處理相比，不同供鉀能力S+K處理地上部鉀素吸收量增幅差異較小，平均增加14.0—19.0 kgK2O·hm-2，增幅7.6%—11.5%。

不同顏色深度表示各部位鉀素吸收量，不同填充圖案表示不同處理鉀素吸收量，不同小寫字母表示各處理間地上部鉀素吸收量差異顯著性（P＜0.05）

2.3 秸稈還田減少鉀肥用量對作物鉀素利用率的影響

如圖3-a、3-b和3-c所示，計算作物鉀素利用率（即秸稈帶入鉀素+肥料投入鉀素的總鉀素利用效率）發現，水稻、油菜和小麥3種作物的鉀素農學利用率均表現為高供鉀水平土壤低于中、低供鉀水平土壤。秸稈不還田時，高、中、低供鉀水平土壤水稻鉀素農學利用率分別為3.5、12.2和37.1 kg·kg-1，油菜分別為0.7、3.7和7.2 kg·kg-1，小麥分別為1.8、9.1和13.1 kg·kg-1，即當土壤供鉀水平較高時，每投入1 kg K2O僅能夠增產3.5 kg稻谷、0.7 kg油菜籽和1.8 kg小麥。而還田秸稈由于帶入鉀素（85—198 kgK2O·hm-2）遠高于肥料（60 kg K2O·hm-2），因此秸稈還田處理的作物農學利用率遠低于不還田處理。秸稈還田配施不同用量的鉀肥由于其產量增幅高于總鉀素投入增幅，因此秸稈還田條件下各處理表現出隨著鉀肥用量的增加其農學利用效率略有增加的趨勢。

圖3 秸稈還田條件下減少鉀肥用量對水稻（a）、油菜（b）、小麥（c）作物鉀素農學利用率的影響

2.4 秸稈還田條件下減少鉀肥用量對作物-土壤系統鉀素平衡的影響

圖4-a、4-b和4-c分別表示水稻、油菜和小麥收獲后農田土壤鉀素表觀盈余量的狀況。通過計算土壤-作物系統鉀素表觀平衡發現，秸稈還田對土壤鉀素平衡狀況影響較大。3種供鉀土壤水稻、油菜和小麥季收獲后CK處理土壤鉀素均處于嚴重虧缺的狀態，水稻施鉀對于緩解虧缺狀況效果不明顯，而油菜和小麥均有所緩解，但仍有相當數量的虧缺（74.4—136.3 kgK2O·hm-2）。秸稈還田可明顯補充大量土壤鉀素，使土壤鉀素肥力提高，尤其是在油菜和小麥季可以扭虧為盈，油菜季平均盈余量為14.1—152.6 kg K2O·hm-2，小麥季平均盈余量為25.5— 95.9 kg K2O·hm-2，這與旱地作物試驗還田的水稻秸稈帶入的鉀素遠高于水稻試驗還田的油菜、小麥秸稈有關?？偟膩碚f，不同供鉀土壤采用施用化學鉀肥和秸稈還田的措施均可以減輕土壤鉀素的消耗，而秸稈還田配施鉀肥更有利于鉀素養分的收支平衡，進而緩解土壤鉀素虧缺的狀況，且旱季（油菜、小麥季）緩解效果要明顯優于水田。

2.5 秸稈還田條件下鉀肥適宜用量研究

本研究通過一元二次方程和線性方程對每個試驗點秸稈還田條件下鉀肥用量和作物產量之間的關系進行擬合，通過比較擬合相關系數2選擇最適方程，在擬合曲線中與+K處理產量對應的鉀肥用量即為秸稈還田條件下的最適宜施鉀量。由表2結果可知，高、中、低3個供鉀能力水平的土壤水稻、油菜和小麥在秸稈還田條件下均可以不同程度減少鉀肥用量，同時保證作物產量達到正常施鉀水平（+K處理），且高供鉀和中等供鉀能力水平的土壤鉀肥減少比例要遠高于供鉀能力低的土壤。秸稈還田條件下不同作物的推薦鉀肥用量也有差異。其中，中、高供鉀水平的土壤其水稻和小麥的鉀肥推薦施用量平均為30—33kgK2O·hm-2，而油菜則需要較少的鉀肥（均值為20 kgK2O·hm-2）。與目前鉀肥用量（60 kgK2O·hm-2）相比，3種作物在供鉀中高水平的土壤可平均節肥45.0%—66.7%。對于供鉀水平較低的土壤而言，油菜（49 kgK2O·hm-2）則需要比水稻和小麥更多的鉀肥（45—46 kgK2O·hm-2）。秸稈還田條件下，3種作物鉀肥推薦用量在供鉀水平較低的土壤也可以減少18.3%—25.0%。

a：水稻；b：油菜；c：小麥

3 討論

秸稈作為一種農業廢棄物，卻是寶貴的養分資源。任何形式的秸稈還田都可以補充大量的鉀素進而提升土壤鉀庫容量。眾多研究已經表明施鉀或秸稈還田均可以不同程度增加水稻、小麥、玉米和油菜等作物的產量[13,27-30]。本研究的結果也驗證了此觀點，3種作物施鉀和秸稈還田均可以增加作物產量，施用化學鉀肥處理增產效果均優于單施秸稈處理。旱地作物（小麥、油菜）施鉀和秸稈還田增幅效果均要優于水稻。秸稈還田所釋放的養分可以直接供作物吸收利用，尤其是其鉀素含量高，且釋放迅速，極易被作物吸收利用[6]。本研究結果表明在上季秸稈全量或大部分還田條件下在減少鉀肥投入的同時也能保證作物的產量，各試驗點由于土壤供鉀水平及秸稈類型的不同使其鉀肥減少比例不同。劉秋霞等[29]研究分析了湖北省鄂東丘陵區、鄂中丘陵崗地區和江漢平原區的區域發現水稻季最經濟鉀肥推薦用量相比較推薦化學鉀肥用量可節約36.9%—54.3%。本研究結果表明，針對不同作物不同供鉀能力，秸稈還田替代鉀肥效果及潛力差異較明顯。筆者根據相對產量將土壤供鉀能力分為高（相對產量＞95%）、中（相對產量85%—95%）、低（相對產量＜85%）3個水平，發現在土壤供鉀能力處于中等以上時，上季秸稈全部還田可減少45.0%—66.7%的鉀肥用量；當土壤供鉀能力較低時，秸稈還田也可以替代18.3%—25.0%的化學鉀肥。

本研究參考李繼福等[30]研究方法，計算外源鉀素投入（即化肥鉀+秸稈鉀）的總鉀素利用效率，旨在評價秸稈鉀素的當季利用效率。研究結果表明，在施用鉀肥的條件下，3種作物秸稈還田處理的鉀素當季利用效率都明顯低于不還田處理，這主要是由于本研究中還田秸稈量近似全量還田，其秸稈鉀素一次性投入的量（84.6—198.1 kg K2O·hm-2）遠高于化學鉀肥（30—60 kg K2O·hm-2），而作物對于鉀的需求是一定的，當鉀肥施用后作物對秸稈鉀的依賴減少，因此計算總鉀素利用效率時導致秸稈還田處理效率偏低。另一方面，秸稈鉀素當季利用效率較低的原因可能與不同類型土壤的固鉀能力差異較大有關。還田秸稈在較短時間內即釋放出大量鉀素，一部分鉀素被土壤吸附固定，一部分鉀素則隨水淋失[31-32]，而僅有少部分鉀素可以被當季作物吸收利用。此外，針對不同作物而言，水稻季鉀素利用率明顯高于油菜和小麥季，分析其原因主要是與水稻季土壤淹水進而提高土壤交換性鉀供應強度有關[33]。結合鉀素表觀平衡結果（圖4）和武際等[34]研究的連續秸稈還田對土壤養分含量的影響可知，連續秸稈能夠顯著提高表層5 cm的土壤速效鉀含量，進而起到補充土壤鉀素庫容量和提高土壤供鉀能力的作用。

通過探討土壤-作物系統內影響土壤鉀庫作物籽粒的輸出、作物秸稈輸出、化學鉀肥的輸入以及作物秸稈還田輸入4種主要的途徑，不考慮灌溉投入和大氣沉降所帶入的鉀素，計算鉀素表觀盈虧量[27]。前人研究表明，不施用化學鉀肥會造成土壤鉀素處于嚴重虧缺的狀態，施鉀和全量秸稈還田均可以不同程度地緩解土壤鉀素虧缺的狀況[29,35-36]。本研究結果顯示秸稈還田與不還田處理水稻收獲后土壤鉀素均處于虧缺的狀態；對于油菜和小麥而言，不施鉀和單施化學鉀肥處理土壤鉀素均處于虧缺的狀態，而秸稈配施鉀肥各處理土壤鉀素則可以扭虧為盈。主要原因之一是由于水稻秸稈帶入旱季作物的鉀量多于油菜、小麥秸稈帶入水稻季的鉀量。水稻季的秸稈是油菜和小麥，其秸稈鉀平均還田量分別為122.3 kg K2O·hm-2（油菜秸稈）和84.6 kg K2O·hm-2（小麥秸稈），明顯低于小麥和油菜季的秸稈還田帶入的鉀素量198.1 kg K2O·hm-2（水稻秸稈）。低供鉀土壤水稻S+3/4K處理可以達到+K處理相當的產量水平，而小麥和油菜S+1/2K處理可以達到+K處理產量水平，出現這種情況可能也是由于上述情況引起的。實際上無論是秸稈還田還是使用化學鉀肥，關鍵的問題還是補充足夠的鉀素以保證土壤-作物體系內鉀素的平衡。在當前國家“化肥零增長”的目標和中國鉀礦資源缺乏的情況下，推廣秸稈還田技術，重視秸稈替代部分肥料，用耕地內在養分替代外來化肥養分投入十分必要。因此秸稈鉀作為一種可再生的鉀素資源直接還田對于減少化學鉀肥投入、提高經濟收益、補充土壤鉀庫均有重要的意義。

4 結論

4.1 通過38個秸稈還田田間試驗表明，高供鉀條件下水稻、油菜和小麥僅通過上季秸稈全量還田即可滿足作物高產的鉀素需求；中等供鉀條件下3種作物可在秸稈全量還田條件下減少50%鉀肥用量；而低供鉀條件下，水稻季秸稈還田可減少25%鉀肥用量，油菜和小麥季可減少50%鉀肥用量。

4.2 在當前秸稈全量還田和施用化學鉀肥的條件下，外源鉀總利用率（化肥鉀+秸稈鉀）表現為秸稈還田處理低于不還田處理。然而從土壤鉀素平衡來看，秸稈還田可增加鉀素歸還量，其中油菜季平均盈余量為14.1—152.6kgK2O·hm-2，小麥季平均盈余量為25.5—95.9kgK2O·hm-2，水稻季則仍表現為鉀素虧缺。因此從維持土壤鉀庫平衡來看，3種作物在不同供鉀能力土壤秸稈還田條件下仍需配施一定量鉀肥以維持土壤鉀素平衡。

4.3 在秸稈還田條件下，不同供鉀能力土壤均可以減少化學鉀肥的投入同時保證水稻、油菜、小麥產量。供鉀中、高水平的土壤上，上季秸稈全量還田條件下3種作物鉀肥施用量為20—33 kgK2O·hm-2，節省鉀肥45.0%—66.7%；而供鉀水平較低的土壤上，秸稈還田土壤鉀肥可施用45—49 kgK2O·hm-2，節省鉀肥18.3%—25.0%。

試驗布置和開展過程中得到了參與本次項目的湖北省38個縣（市）土壤肥料工作站工作人員的大力支持和幫助，在此表示感謝！

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（責任編輯 李云霞）

Study of Optimum Potassium Reducing Rate of Rice, Wheat and Oilseed Rape Under Different Soil K Supply Levels with Straw Incorporation

ZHANG Lei1, ZHANG WeiLe1, LU JianWei1, DAI ZhiGang2, YI YanRui2, CONG RiHuan1

(1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Ministry of Agriculture, Wuhan 430070;2Cultivated Land Quality and Fertilizer Station of Hubei Province, Wuhan 430070)

【】The experiments were conducted to study the effect of reducing potassium (K) fertilizer rates with straw incorporation on crop yield of cereal and oil, K uptake and K efficiency under different soil K supply capacities of Hubei, in order to provide a scientific basis for K fertilization and soil K management under straw returning. 【】 Field trials in 38 counties (cities) were carried out to study the effect of the substitution of straw incorporation for K fertilizer on rice, winter oilseed rape and wheat. Six treatments were designed: (1) no K fertilization (CK), (2) chemical K fertilization (+K), (3) straw incorporation (+S), (4) straw incorporation with 50% of chemical K fertilization (S+1/2K), (5) straw incorporation with 75% of chemical K fertilization (S+3/4K), and (6) straw incorporation with 100% of chemical K fertilization (S+K). Three soil K supply levels (i.e., HSKS, MSKS, and LSKS) were graded by relative yield (i.e., crop yield in the CK treatment divided by crop yield in the +K treatment) refer to the CK treatment. 【】Both K fertilization and straw incorporation improved crops yield and K uptake under different soil K supply levels. Total straw incorporation only (+S) would satisfy crops K needs to achieve high yield level (i.e., crop yield in the +K treatment) for the HSKS. For the MSKS, 50% of chemical K fertilization with straw incorporation was needed to reach crop yield level of +K treatment. In case of LSKS, chemical K application rate could reduce 25% for rice and 50% for oilseed rape and wheat under straw incorporation condition, respectively. For the apparent K balance, straw incorporation could offset soil K deficit to some extent. For the seasons of oilseed rape and wheat, straw incorporation to the field could surplus 14.1-152.6 kg K2O·hm-2and 25.5-95.9 kg K2O·hm-2, respectively. However, soil K balance would still be deficit during the rice season across the sites. The relationship between K fertilization rate and crop yield with straw incorporation was fitted by quadratic and linear-plateau models. The optimum K application rate was obtained from the model under the crop yield of the +K treatment. With straw incorporation, optimum K application rate was 20-33 kg·hm2for the three crops under the HSKS and MSKS levels, where oilseed rape required less K fertilizer than rice and wheat. However, optimum K rate was 45-49 kg K2O·hm-2for the LSKS level, where oilseed rape needed more K fertilizer than rice and wheat. Compared with current K economic fertilization rate (60 kg K2O·hm-2), chemical K rate could be reduced by 45.0%-66.7% for the HSKS and MSKS levels, and also chemical K fertilizer could be saved by 18.3%-25.0% for the LSKS level. 【】Chemical K fertilizer could be saved by 18.3%-66.7% while guaranteed crop yields under straw incorporation condition. The reducing rate of chemical K fertilizer should consider soil K supply level.

straw incorporation; rice; oilseed rape; wheat; soil K supply level; K fertilizer substitution; K fertilizer efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2017.19.011

2017-02-25；接受日期：2017-05-22

國家自然科學基金（41301319）、國家重點研發計劃（2016YFD0200108）、耕地保護與質量提升項目

張磊，E-mail：zhangl@webmail.hzau.edu.cn。通信作者叢日環，E-mail：congrh@mail.hzau.edu.cn