紫云英與雙季稻秸稈協(xié)同利用影響稻田土壤鉀循環(huán)與平衡

張帆，楊茜

（湖南省土壤肥料研究所，湖南長沙410125）

紫云英（Astragalus sinicus）是南方稻區(qū)最廣泛種植和利用的冬季綠肥作物之一，同時也是很好的蜜源植物與重要的青貯飼料。國內(nèi)學(xué)者們從冬種紫云英、紫云英翻壓量上耦合水稻（Oryza sativa）氮肥管理及肥料運籌等方面開展大量研究［1?8］：證明冬種綠肥紫云英能改善稻田土壤質(zhì)量、保證水稻穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)、紫云英鮮草還田可替代水稻生產(chǎn)中部分化學(xué)氮肥。

湖南是長江中游雙季稻的主產(chǎn)區(qū)，紫云英?雙季稻輪作種植模式是該區(qū)典型的多熟種植制度。紫云英作為固氮貯碳作物，在湖南有研究表明紫云英還田能夠替代部分化學(xué)鉀肥［7］。在湖南祁陽的長期定位試驗研究結(jié)果表明［9］：紫云英與雙季稻輪作種植后，土壤粗黏粒有機(jī)碳與稻谷產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分相關(guān)性最為緊密，但其與速效鉀呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在湖南長沙的長期定位試驗研究結(jié)果表明［10］：紫云英與雙季稻輪作種植后，在紫云英種植季節(jié)里和稻田輪作周年里土壤均存在嚴(yán)重的鉀虧缺現(xiàn)象。兩長期定位試驗從不同角度說明鉀元素是水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的限制因子，紫云英?雙季稻輪作種植模式中應(yīng)注意對土壤鉀元素的補充。同時，黃晶等［11］研究表明，紫云英與雙季稻輪作種植后土壤速效鉀含量明顯降低，紫云英還田不能完全替代化學(xué)鉀肥。湖南祁陽（始于1982 年）和湖南長沙（始于2004 年）兩長期定位試驗由于試驗開始時的生產(chǎn)實踐水平，均未考慮到當(dāng)前及未來水稻機(jī)械化收割及水稻秸稈直接還田的發(fā)展趨勢。綠肥和秸稈還田是維持地力和當(dāng)前化肥替代的重要方式之一。在紫云英?雙季稻輪作種植模式里綠肥紫云英與雙季稻秸稈均原位還田，稻田土壤的鉀循環(huán)與平衡及稻田作物前后茬之間鉀養(yǎng)分互補的量化關(guān)系尚不明確，如果希望紫云英和雙季稻秸稈協(xié)同利用能夠替代部分化學(xué)鉀肥，化學(xué)鉀肥投入量的減少是在早稻季還是晚稻季？

因此，利用已開展了2 年的酸性紅黃泥和堿性紫潮泥稻田上冬種紫云英與雙季稻秸稈原地還田微區(qū)定位試驗，采用投入產(chǎn)出法定量分析稻田各種植季（紫云英、早稻、晚稻）及稻田輪作周年的鉀養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況，明確“紫云英?雙季稻”輪作模式前后茬鉀養(yǎng)分互補的量化關(guān)系，探討紫云英與雙季稻秸稈協(xié)同利用下能否減少化學(xué)鉀肥投入，以期為紫云英與雙季稻秸稈協(xié)同利用下稻田鉀養(yǎng)分運籌與管理以及綠肥紫云英在湖南雙季稻田的推廣應(yīng)用提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與栽培管理

試驗在湖南省土壤肥料研究所實驗網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行，試驗小區(qū)均為防滲水泥池，面積為2.26 m2，規(guī)格為169 cm（長）×134 cm（寬）×100 cm（高），四面及底部均嚴(yán)格密封，并具有良好排灌設(shè)備。試驗從2016 年10 月種植紫云英開始，供試土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅黃泥水稻土和河湖沉積物形成的紫潮泥水稻土。

紅黃泥水稻土試驗前耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀為：土壤有機(jī)質(zhì)32.11 g·kg?1，全氮1.98 g·kg?1，全磷0.68 g·kg?1，全鉀12.69 g·kg?1，速效磷28.69 mg·kg?1，速效鉀112.50 mg·kg?1，pH 為6.27。紫潮泥水稻土試驗前耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀為：土壤有機(jī)質(zhì)33.52 g·kg?1，全氮2.22 g·kg?1，全磷0.93 g·kg?1，全鉀21.95 g·kg?1，速效磷23.26 mg·kg?1，速效鉀107.50 mg·kg?1，pH 為8.08。兩土壤試驗處理一致，包括3 個處理，分別為冬閑?雙季稻即稻田冬閑（簡稱FRR）、紫云英?雙季稻即冬種紫云英（簡稱MvRR）、紫云英?雙季稻+稻草全量還田，即紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用（簡稱MvRR+St），同一土壤下各處理小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)。

冬季作物紫云英在晚稻收獲10～15 d 前套播，紫云英品種為“湘紫1 號”，播種量為30.0 kg·hm?2；后作物（早稻）移栽種植前的2～3 周內(nèi)，紫云英均被收獲且全部翻壓還田用作綠肥。早、晚品種分別為中早39 和深優(yōu)9586。早稻移栽時間是在每年4 月的第4 周，晚稻是在每年早稻收獲后第3 天移栽，移栽時間是在每年7 月的第2 周。早稻和晚稻的插植密度均為20.0 cm×12.5 cm。紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理其早、晚稻收獲后，人工模擬機(jī)械粉碎翻壓稻草全量還田。

氮、磷、鉀化肥分別用尿素（含N 量為46%）、過磷酸鈣（含P2O5量為12%）和氯化鉀（含K2O 量為60%）。施肥量為早稻：N 150 kg·hm?2，P2O575 kg·hm?2，K2O 90 kg·hm?2；晚稻：N 180 kg·hm?2，P2O545 kg·hm?2，K2O 120 kg·hm?2。N 肥分兩次分別在移栽前（70%）和分蘗盛期（30%）施用；磷全部做基肥施用，鉀肥分兩次分別在移栽前（50%）和分蘗盛期（50%）施用。基肥于插秧前一天施入，并立即用鐵齒耙耖入表土下5 cm 深度。

1.2 樣品采集與測定方法

紫云英翻壓還田前，測定每小區(qū)鮮草產(chǎn)量，同時取鮮樣0.5 kg 于105 ℃殺青1 h，75 ℃烘干至恒重，并測其生物量（即干物質(zhì)），然后再磨碎測全K。紫云英植株樣和紫云英種子全K 采用硫酸?過氧化氫消煮?火焰光度法測定［12］。

在2018 年的早、晚稻收獲期，每重復(fù)小區(qū)隨機(jī)取3 叢水稻測定其水稻植株地上部分（分水稻籽粒和秸稈）和地下部分的生物量（即水稻根）；同時測定植株樣各部分的K 含量。對試驗處理每小區(qū)單打單收測早稻、晚稻產(chǎn)量。水稻植株樣K 含量的測定方法同紫云英植株樣分析。

2016 年9 月（即試驗開始前）和2018 年10 月26 日（即稻田輪作2 周年后對各處理每重復(fù)小區(qū)采樣），依據(jù)S 形5 點采樣法用內(nèi)徑20 mm 的土鉆，采集耕層土壤，混勻風(fēng)干，備用。土壤基礎(chǔ)理化性狀即全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH 的測定方法參見《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［12］。

土壤各形態(tài)鉀含量的測定及計算方法為：水溶性鉀（water soluble K）=蒸餾水浸提鉀；非特殊吸附鉀（non?specifically absorbed K）=0.5 mol·L?1醋酸鎂浸提鉀?水溶性鉀；特殊吸附鉀（specifically absorbed K）=1 mol·L?1醋酸銨浸提鉀?醋酸鎂浸提鉀；非交換性鉀（non-ex-changeable K）=1 mol·L?1硝酸浸提（消煮）鉀?1 mol·L?1醋酸銨浸提鉀；礦物鉀（structural K）=全鉀?硝酸浸提（消煮）鉀。除用硝酸浸提鉀時需要煮沸外，其余測定操作溫度均為25 ℃，液土體積質(zhì)量比為10︰1，浸提液中各形態(tài)鉀含量均采用火焰光度計（Flame photometer 410，英國）測定［12］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果均以處理的3 次重復(fù)分析的平均值表示，試驗數(shù)據(jù)采用DPS 7.05 軟件統(tǒng)計分析。不同處理之間多重比較采用Duncan 新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用對稻田土壤各形態(tài)鉀的影響

稻田輪作2 年后，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用對兩種典型稻田土壤各形態(tài)鉀的影響見表1 。與冬閑和冬種紫云英處理相比，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用未影響紅黃泥稻田土壤各形態(tài)鉀（P＞0.05）。與冬閑和冬種紫云英處理相比，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用顯著增加了紫潮泥土壤各形態(tài)鉀的含量（P＜0.05）；紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理土壤全鉀和速效鉀含量較冬種紫云英處理分別提高了4.3%、85.6%，其中土壤水溶性鉀、非特殊吸附鉀及特殊吸附鉀的含量較冬種紫云英處理分別提高了134.0%、93.0%、73.4%。與冬種紫云英處理相比，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用提高了紫潮泥土壤4.9%的礦物鉀含量（P＜0.05）。短期來看，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用有益于紫潮泥稻田土壤鉀對當(dāng)季作物的有效性和對作物的長期有效性；紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用促進(jìn)了紫潮泥土壤礦物鉀向有效鉀轉(zhuǎn)化，有益于充分利用土壤自身供鉀能力。

表1 紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用對土壤各形態(tài)鉀的影響Table 1 Effects of synergistic utilization of Chinese milk vetch and rice straw on different soil K forms in paddy soil

2.2 紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用對各作物種植季經(jīng)濟(jì)目標(biāo)產(chǎn)量及K 積累的影響

在紫云英?雙季稻輪作種植模式里，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用對各作物種植季經(jīng)濟(jì)目標(biāo)產(chǎn)量及K 積累的影響見表2。兩種典型稻田土壤上，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用均顯著提高了冬季綠肥紫云英全K 含量和K 吸收量（P＜0.05），但未影響其生物量（P＞0.05），其中紅黃泥上紫云英全K 含量和K 吸收量分別增加了68.6%和91.0%，紫潮泥上紫云英全K 含量和K 吸收量分別增加了56.4%和81.2%。紫云英吸K 量紫潮泥土壤＞紅黃泥土壤。

表2 紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理對各作物種植季經(jīng)濟(jì)目標(biāo)產(chǎn)量及K 含量的影響Table 2 Effects of co-utilization of Chinese milk vetch and rice straw on economic target yield and K content in each crop planting season

與冬閑和冬種紫云英相比，兩種典型稻田土壤中紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理未影響早稻籽粒K 含量、雙季稻產(chǎn)量及水稻籽粒K 積累（P＞0.05）；紫潮泥稻田土壤中紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理未影響晚稻籽粒K含量（P＞0.05）。與冬種紫云英處理相比，紅黃泥稻田土壤中紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理晚稻籽粒K 養(yǎng)分含量提高了11.0%（P＜0.05）。

2.3 紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用對稻田土壤K 循環(huán)與平衡的影響

2.3.1 紫云英種植季稻田土壤K 循環(huán)與平衡 在紫云英種植季內(nèi)，兩種典型稻田土壤系統(tǒng)K 輸入輸出及平衡狀況見表3。在紫云英種植季內(nèi)，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理在紅黃泥稻田土壤上存在K 盈余，但在紫潮泥土壤上存在K 虧缺；與冬種紫云英相比，紫云英與水稻秸稈協(xié)同利均能降低兩種典型稻田土壤K 虧缺；冬種紫云英處理在兩種典型稻田土壤上存在嚴(yán)重的K 虧缺現(xiàn)象。由此可見，在紫云英?雙季稻輪作模式里紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用有益于稻田土壤的可持續(xù)利用。

表3 紫云英種植季稻田土壤K 的輸入輸出Table 3 K input-output of two typical paddy soils system in Chinese milk vetch planting season（kg·hm-2）

2.3.2 早稻種植季稻田土壤K 循環(huán)與平衡 在早稻種植季內(nèi)，兩種典型稻田土壤系統(tǒng)K 輸入輸出及平衡狀況見表4。此處K 輸出主要是指各處理土壤系統(tǒng)中早稻植株吸收的鉀量，其輸入的差異取決于前茬綠肥紫云英輸入的K 量。在早稻田目前的K 養(yǎng)分投入水平下，稻田冬閑處理在兩種典型稻田土壤上均存在嚴(yán)重的K 虧缺現(xiàn)象；冬種紫云英處理和紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理在兩種典型稻田土壤上均存在K 盈余，且紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理K 盈余量高于冬種紫云英處理。

表4 早稻種植季稻田土壤K 的輸入輸出Table 4 K input-output of two typical paddy soils system in early rice planting season（kg·hm-2）

2.3.3 晚稻種植季稻田土壤K 循環(huán)與平衡 在晚稻種植季內(nèi)，兩種典型稻田土壤系統(tǒng)K 輸入輸出及平衡狀況見表5。此處K 輸出主要是指各處理土壤系統(tǒng)中晚稻植株吸收的鉀量。其輸入的差異取決于前茬早稻植株地下部分和早稻秸稈所輸入的K 量。在晚稻田目前的K 養(yǎng)分投入水平下，稻田冬閑處理和冬種紫云英處理在兩種典型稻田土壤上均存在嚴(yán)重的K 虧缺；紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理在兩種典型稻田土壤上均存在K 盈余。

2.3.4 稻田周年K 循環(huán)與平衡 在整個紫云英?雙季稻輪作周年內(nèi)，兩種典型稻田土壤系統(tǒng)K 輸入輸出及表觀平衡狀況見表6。稻田土壤系統(tǒng)K 元素的盈虧狀況直接關(guān)系到土壤肥力的高低及系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡。在稻田周年里目前的K 養(yǎng)分投入水平下，稻田冬閑和冬種紫云英處理在兩種典型稻田土壤上均存在嚴(yán)重的K 虧缺；紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理在兩種典型稻田土壤上均存在K 盈余，其中紅黃泥K 盈余量為401.15 kg·hm?2，紫潮泥K 盈余量為403.42 kg·hm?2。由此可見，紫云英?雙季稻輪作種植模式里紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用有益于K養(yǎng)分的收支平衡，減輕作物對土壤K 元素的消耗，維持土壤K 肥力的穩(wěn)定。

表5 晚稻種植季稻田土壤K 的輸入輸出Table 5 K input-output of two typical paddy soils system in late rice planting season（kg·hm-2）

表6 稻田輪作周年K 的輸入輸出Table 6 K input-output of red yellow soil system in Chinese milk vetch -double cropping rice rotation pattern

與冬閑相比，冬種紫云英和紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理均增加了兩種典型稻田土壤K 歸還量，說明綠肥紫云英和水稻秸稈還田有益于稻田生態(tài)系統(tǒng)K 地力的維持和K 的循環(huán)再利用。

3 討論

土壤中各形態(tài)鉀可以相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化的方向、程度和速率受諸多因素影響［13］。外源性鉀影響土壤鉀元素的固定和釋放，進(jìn)而影響土壤系統(tǒng)中鉀形態(tài)間相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)平衡［14］。紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用顯著影響了紫潮泥土壤各形態(tài)鉀，未影響紅黃泥土壤各形態(tài)鉀，原因可能是堿性紫潮泥和酸性紅黃泥土壤對水稻秸稈腐解過程中的N、P、K 養(yǎng)分釋放產(chǎn)生不同的影響，有研究表明土壤類型及其土壤pH 值、氧化還原強度、養(yǎng)分狀況均影響秸稈腐解過程中的養(yǎng)分釋放［15?16］。紅黃泥和紫潮泥耕層土壤中各形態(tài)鉀的含量均表現(xiàn)為：礦物鉀＞非交換性鉀＞特殊吸附鉀＞非特殊吸附鉀＞水溶性鉀，土壤中全鉀主要以礦物鉀形態(tài)存在，本研究結(jié)果與殷志遙等［17］的研究基本一致。短期的研究結(jié)果也表明：兩種典型稻田土壤上紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理均能有效改善紫云英K營養(yǎng)狀況和促進(jìn)紫云英的K 吸收。原因可能是：秸稈中的K 元素主要以離子態(tài)存在且很容易被溶解出來供植物吸收利用，冬種紫云英和水稻秸稈還田協(xié)同促進(jìn)了下茬冬季作物紫云英吸收與利用了水稻季所施的K 肥［18］和晚稻秸稈中的K 元素；水稻秸稈還田補充了土壤K 庫，而秸稈中養(yǎng)分釋放速率的大小順序為K＞P＞N［19］。紫云英?雙季稻輪作種植模式里綠肥輪作倒茬效應(yīng)及對水稻的增產(chǎn)作用應(yīng)是由氣候、土壤、施肥制度、耕作管理及水稻秸稈還田等因素共同作用的結(jié)果。前人研究表明紫云英與稻草協(xié)同利用對水稻增產(chǎn)效果優(yōu)于紫云英或稻草單獨利用［20］，稻草和綠肥聯(lián)合還田能夠提高水稻產(chǎn)量和提升土壤肥力［21］。

表觀養(yǎng)分平衡法通過計算農(nóng)田土壤養(yǎng)分投入與產(chǎn)出之差，得到農(nóng)田土壤養(yǎng)分元素的盈虧量，是一種簡便易行的判斷土壤養(yǎng)分庫狀況的方法。從稻田各作物種植季及輪作周年的K 養(yǎng)分平衡狀況和輪作2 周年后稻田土壤K養(yǎng)分含量來看，綠肥紫云英與雙季稻秸稈協(xié)同利用能平衡雙季水稻籽粒K 的攜出量，有益于紅黃泥和紫潮泥土壤K 肥力呈儲積狀態(tài)。早稻移栽種植前的2～3 周內(nèi)，紫云英被收獲且全部翻壓還田用作綠肥。很多研究表明紫云英翻壓還田后秸稈腐解過程前10～20 d 分解較快，且N、P、K 養(yǎng)分釋放表現(xiàn)最快的是K 元素［11，22?23］，所以紫潮泥土壤冬種紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用處理雖在紫云英種植季存在K 虧缺（K 虧缺量為12.55 kg·hm?2），但未影響作物前后茬K 養(yǎng)分的互補效應(yīng)。

從兩種典型稻田土壤K 平衡狀況、水稻籽粒K 含量及K 積累的角度說明：紫云英替代雙季稻生產(chǎn)中的部分化學(xué)K 肥應(yīng)該是在綠肥紫云英與水稻秸稈還田協(xié)同利用的條件下能實現(xiàn)。周興等［20］研究表明紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用且晚稻留高茬還田冬種紫云英可以減少化學(xué)K 肥用量。稻田各種植季K 循環(huán)與平衡結(jié)果也表明：兩種典型稻田土壤中早稻種植季的K 盈余量均高于晚稻種植季（紅黃泥K 盈余量早稻季比晚稻季高45.98 kg·hm?2，紫潮泥K 盈余量早稻季比晚稻季高95.18 kg·hm?2）。因此，紫云英減少雙季稻生產(chǎn)中的化學(xué)K 肥投入應(yīng)該是在早稻季，紫云英?雙季稻種植模式里K 肥的周年統(tǒng)籌技術(shù)層面，K 肥重點應(yīng)施于晚稻上，但在實踐層面，具體分配多少K 肥比例、早稻季減施多少K 肥及早、晚稻K 肥投入量確定，尚需更多的田間試驗數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

紫云英和雙季稻秸稈協(xié)同利用影響酸性紅黃泥和堿性紫潮泥稻田土壤K 循環(huán)與平衡。稻田土壤上冬種紫云英與水稻秸稈協(xié)同利用可以作為一項補充土壤K 元素、緩解土壤K 元素產(chǎn)投不平衡的有效手段。