水稻油菜輪作下稻草還田和鉀肥對土壤團聚體及鉀素分布的影響

劉淑軍，李冬初，黃晶，劉立生，吳丁，李照全，吳遠帆，張會民

水稻油菜輪作下稻草還田和鉀肥對土壤團聚體及鉀素分布的影響

劉淑軍1,2，李冬初1,2，黃晶1,2，劉立生1,2，吳丁3，李照全3，吳遠帆4，張會民1,2

1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2中國農業科學院衡陽紅壤實驗站/祁陽農田生態系統國家野外試驗站，湖南祁陽 426182；3湖南省岳陽生態環境監測中心，湖南岳陽 414000；4湖南省土壤肥料工作站，長沙 410006

【目的】通過田間定位試驗探究水稻-油菜輪作和水稻-冬閑模式下不同施肥措施對稻田土壤團聚體特性及團聚體鉀素分布的影響，為我國南方水旱輪作區鉀素資源可持續利用提供依據。【方法】利用始于2016年不同輪作模式鉀肥定位試驗，選取CK（F）（不施肥和冬閑）、NPK（F）（氮磷鉀肥和冬閑）、NPK（R）（氮磷鉀肥和冬種油菜）、NPK（SR+R）（氮磷鉀肥配稻草還田和冬種油菜）、NP50%K（SR+R）（氮磷減鉀50%配稻草還田和冬種油菜）5個處理，在試驗第3年（2019年）于油菜收獲后取0—20 cm土層土樣，分析土壤團聚體組分以及團聚體組分中交換性鉀和非交換性鉀含量變化，并進一步探討土壤團聚體穩定性及團聚體組分中鉀素的分布規律?！窘Y果】（1）所有處理均以＜0.053 mm團聚體組分最高。與NPK（F）相比，NPK（R）處理提高了1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm團聚體的比例，增幅為26.2%—82.6%，土壤團聚體的穩定性增加，＞0.25 mm團聚體組分比例、平均重量直徑（MWD）和平均幾何直徑（GMD）顯著提高了30.6%、31.2%和82.0%。水稻-油菜輪作模式下，稻草還田配施化肥（NPK（SR+R））比施化肥處理（NPK（R））顯著提高了＞2 mm團聚體比例，增幅為69.7%。（2）所有處理土壤各團聚體組分中交換性鉀含量隨團聚體粒級的減小逐漸降低，水稻-油菜輪作模式下，稻草還田配施化肥（NPK（SR+R））比施化肥處理（NPK（R））顯著提高了所有粒級團聚體組分的交換性鉀含量，增幅為22.2%—46.0%。相比較NPK（SR+R），減鉀處理（NP50%K（SR+R））顯著降低了＞0.5 mm團聚體中交換性鉀的含量，降幅為19.4%—20.6%。與水稻-冬閑下的化肥處理（NPK（F））相比，水稻-油菜輪作下3個施肥處理均降低了團聚體中的非交換性鉀含量。（3）所有處理以＜0.053 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率最高。水稻-油菜輪作（NPK（R））比水稻-冬閑（NPK（F））顯著提高了1—2和0.5—1 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，增幅分別為82.6%、52.1%（交換性鉀）和105.5%、36.9%（非交換性鉀）?！窘Y論】水稻-油菜輪作可提高MWD、GMD、大團聚體比例和大團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，改善土壤結構。在該輪作模式下稻草還田配施化肥可提高所有粒級團聚體中交換性鉀含量，改善稻田土壤鉀素供應，但水稻-油菜輪作因需鉀量高而降低了團聚體中的非交換性鉀含量，應適當增加鉀肥投入。

水稻-冬閑；水稻-油菜輪作；稻草還田；團聚體；土壤鉀

0 引言

【研究意義】水旱輪作是我國重要的作物種植模式之一，以水稻-小麥和水稻-油菜輪作播種面積最大[1-3]。合理的水旱輪作能提高作物產量，改善農田生態環境[4]，還能改善土壤理化性狀，降低土壤容重，有效阻止土壤次生潛育化和酸化[5]。水旱輪作區作物每年帶走鉀素210—360 kg·hm-2 [6]，且長期氮肥施用量高、磷鉀肥施用量低導致水旱輪作區土壤鉀素虧缺較為嚴重[7]。在我國現有的耕地中，大約有25%—30%的土壤缺鉀或嚴重缺鉀[8]，鉀素缺乏已成為限制農業可持續發展的因素之一。因此，研究不同輪作下土壤鉀素高效利用顯得尤為重要。【前人研究進展】土壤團聚體作為土壤結構的基本單元[9]，其組成及穩定性影響土壤養分在團聚體中的含量與分布，不同粒級團聚體其營養元素的保持、供應及轉化能力等不同[10]。前人研究表明，土壤團聚體中速效鉀的含量隨團聚體粒級的減小先增加后降低，0.5—0.25 mm團聚體中速效鉀含量最高，＞5 mm團聚體中速效鉀含量最低[11]。同時，土壤團聚體組成及團聚體鉀素分布受施肥方式和輪作模式影響。陳鳳等[12]研究秸稈還田配施鉀肥下水稻-油菜輪作土壤團聚體中鉀素的分布特征，發現施鉀處理明顯提高水稻土0.5—1 mm團聚體比例，鉀肥施用和秸稈還田均可提高所有粒級團聚體中速效鉀含量，以＜0.25 mm團聚體提升效果最明顯。陳軒敬等[13]研究長期施肥對紫色水稻土團聚體的影響，結果表明，與不施肥處理相比，各施肥處理均顯著增加了土壤中水穩性大團聚體（＞0.25 mm）含量，以氮磷鉀配施稻草還田的提升作用最明顯，同時還顯著提高了水稻土團聚體的穩定性。劉振東[14]研究糞肥配施化肥對褐土團聚體養分含量的影響，研究發現糞肥配施化肥顯著提升褐土大團聚中（＞0.25 mm）的速效鉀含量，顯著降低了微團聚體（＜0.25 mm）中速效鉀的含量。楊瓊會[15]研究輪作對水稻土團聚體的影響，結果表明在秸稈還田和秸稈不還田下，水稻-油菜輪作的土壤穩定性均優于水稻-小麥輪作，該輪作模式下＞0.25 mm團聚體比例、MWD（平均重量直徑）和GMD（平均幾何直徑）均顯著高于水稻-小麥輪作?！颈狙芯壳腥朦c】目前有關施肥方式和輪作模式對團聚體養分分布的影響，以有機碳和氮磷較多[16-20]，關于土壤團聚體鉀素分布，尤其在不同輪作和施肥下對稻田土壤團聚體鉀素分布規律影響缺乏深入研究，因此研究不同輪作和施肥措施下稻田土壤團聚體中鉀素的分布特征對于合理施用鉀肥以及土壤結構改良具有現實指導意義?！緮M解決的關鍵問題】本研究以始于2016年的不同輪作模式鉀肥定位試驗為平臺，分析不同輪作和施肥措施下稻田土壤團聚體特性、團聚體中不同形態鉀素的變化特征，從而探明鉀素在土壤團聚體中的分布規律。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究中的不同輪作模式鉀肥定位試驗于2016年開始，位于湖南省祁陽縣官山坪村中國農業科學院紅壤實驗站（26.45° N，111.5232° E），該區海拔150—170 m，年均溫度18℃，≥10℃積溫5 600℃，年降水量1 255 mm，年蒸發量1 470 mm，無霜期300 d，年日照時數1 610 h。稻田土壤母質為第四紀紅土，0—20 cm土層初始（2016年）理化性質為：土壤pH 7.0，有機質15.6 g·kg-1，全氮1.21 g·kg-1，堿解氮97.1 mg·kg-1，全磷0.54 g·kg-1，有效磷11.9 mg·kg-1，全鉀19.2 g·kg-1，速效鉀99.5 mg·kg-1，屬中等偏下肥力水平[21]。

1.2 試驗設計

本研究所選取的5個處理，分別為：（1）CK(F)（不施肥和冬閑）；（2）NPK(F)（氮磷鉀肥和冬閑）；（3）NPK(R)（氮磷鉀肥和冬種油菜）；（4）NPK(SR+R)（氮磷鉀肥配稻草還田和冬種油菜）；（5）NP50%K （SR+R）（氮磷減鉀50%配稻草還田和冬種油菜），其中F和R分別表示冬閑和冬種油菜，SR表示稻草還田。小區面積為8 m×4 m=32 m2，3次重復，隨機區組排列。試驗中水稻季和油菜季的肥料用量見表1。除第一年試驗的水稻沒有稻草還田外，之后的試驗收獲的稻草全量粉碎覆蓋還田，油菜秸稈均不還田。

表1 水稻季和油菜季的肥料用量

CK(F)：不施肥和冬閑；NPK(F)：氮磷鉀肥和冬閑；NPK(R)：氮磷鉀肥和冬種油菜；NPK(SR+R)：氮磷鉀肥配稻草還田和冬種油菜；NP50%K(SR+R)：氮磷減鉀50%配稻草還田和冬種油菜。下同

CK(F): No fertilization and winter fallow; NPK(F): NPK fertilizer and winter fallow; NPK(R): NPK fertilizer and winter rapeseed; NPK (SR+R): NPK fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed; NP50%K (SR+R): 50% reduction of K fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed. The same below

氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥用氯化鉀（含K2O 60%）。水稻季氮肥分兩次施用，基肥﹕追肥=6﹕4，磷肥100%作基肥在插秧前1 d施用，鉀肥分兩次施用，基肥﹕追肥=5﹕5，追肥在水稻移栽后10 d左右施用。油菜季氮肥分兩次施用，基肥﹕追肥=2﹕1，磷肥、鉀肥、硼肥100%作基肥在移栽成活后兌水施用，追肥在油菜抽薹期施用。水稻供試品種為華航31號，油菜供試品種為佳和1號。水稻于每年5月中上旬移栽，8月下旬收獲，至油菜移栽前為休閑期，油菜于每年10月中下旬移栽，翌年5月中上旬收獲，油菜收獲后1周左右翻耕移栽水稻，水稻收獲后2個月左右翻耕移栽油菜。水稻和油菜生長期間，進行適時除草和病蟲害防治。

1.3 團聚體分級

2019年油菜收獲后采集原狀土樣，每個小區用五點法隨機采集0—20 cm耕層原狀土樣，放入硬質塑料盒，帶回實驗室進行團聚體分級。土壤團聚體分級采用濕篩法[22]。土樣未完全風干時將土樣根據土壤紋路掰成小塊，初步風干后，將土壤過8 mm的篩子備用。每次稱取50 g土樣倒入土樣篩組（2、1、0.5、0.25、0.053 mm），讓土樣均勻分布在最上層2 mm的土壤篩中，放入水桶中，然后將套篩固定到團聚體分析儀上，淹水靜置10 min。以上下振幅3 cm、頻率為30次/分鐘振蕩5 min。振蕩完成后，土樣篩取出瀝干后，將各層篩子中的土樣分別洗入燒杯中，依次獲?。?、1—2、0.5—1、0.25—0.5、0.053—0.25 mm的水穩性土壤團聚體，將篩桶中的水倒入離心管中進行離心后洗入燒杯中，獲得＜0.053 mm粒級團聚體，最后將燒杯放入50℃的烘箱烘干、稱重并計算各粒級團聚體的比例。

1.4 測定項目和方法

各粒級團聚體土樣的交換性鉀采用1 mol·L-1的中性NH4OAc浸提，非交換性鉀采用1 mol·L-1的HNO3煮沸法測定的酸溶性鉀量減去交換性鉀含量計算，浸提液和消煮待測液中的鉀含量采用火焰光度法測定[22]。

1.5 數據分析

采用團聚體平均質量直徑（mean weight diameter，MWD）和平均幾何直徑（geometric mean diameter，GMD）來衡量團聚體穩定性。

式中，d為級土壤團聚體上下兩級篩孔的平均值（mm）；W為級團聚體的比例（%）；M為級團聚體的質量（g）[23-24]。

各粒級團聚體中交換性鉀對全土交換性鉀的貢獻率計算參考江春玉等[25]的方法，具體公式見下：

各粒級團聚體非交換性鉀對全土非交換性鉀的貢獻率計算參考江春玉等[25]的方法，具體公式見下：

式中，()為級土壤團聚體中交換性鉀對全土交換性鉀的貢獻率（%）；()為級土壤團聚體中非交換性鉀對全土非交換性鉀的貢獻率（%）；EK和NEK分別為級土壤團聚體中交換性鉀和非交換性鉀的含量（mg·kg-1）。

土壤鉀素表觀平衡（kg·hm-2·a-1）=土壤鉀素的輸入（施入土壤的鉀肥）-土壤鉀素的支出（作物從土壤中攜帶走的鉀素量） （6）

采用Microsoft Excel 2013處理數據，LSD法檢驗處理間的差異顯著性（＜0.05），Origin 2020進行制圖。

2 結果

2.1 不同輪作和施肥下稻田各級土壤團聚體的分布特征

各粒級團聚體的比例隨粒級的減小逐漸增大，所有處理以＜0.053 mm的團聚體比例最高，＞2和1—2 mm的團聚體比例較低（表2）。水稻-油菜輪作（NPK(R)）較水稻-冬閑（NPK(F)）顯著增加了1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm的團聚體比例，增幅分別為82.6%、54.2%和26.2%，但＞2和＜0.053 mm的團聚體比例顯著降低。水稻-油菜輪作模式下，秸稈還田配施化肥（NPK(SR+R)、NP50%K(SR+R)）較化肥處理（NPK(R)）顯著增加了＞2 mm團聚體的比例，增幅分別為69.7%和77.2%，降低了0.5—1 mm團聚體比例，降幅分別為26.1%和27.4%，其余粒級之間差異不顯著。水稻-冬閑模式下，施肥處理（NPK(F)）比不施肥對照（CK(F)）顯著增加了＜0.053 mm團聚體比例，降低了＞2和0.053—0.25 mm團聚體比例。

土壤團聚體分為＞0.25 mm大團聚體和＜0.25 mm微團聚體，一般來說，＞0.25 mm大團聚體是土壤中良好的土壤結構單元，大團聚體含量越多表示土壤團聚體越穩定，是土壤結構良好的表現[26]。水稻-油菜輪作（NPK(R)）較水稻-冬閑（NPK(F)）顯著增加了＞0.25 mm大團聚體的比例，增幅為30.6%，降低了＜0.25 mm微團聚體的比例，降幅為27.8%，與其他處理之間差異不顯著。

表2 不同輪作和施肥下稻田土壤各粒級團聚體的比例

表中數據為平均值±標準誤。不同小寫字母表示處理間在5%水平差異顯著

The data are means±standard deviation. Different small letters above the bars mean significant differences among treatments at 5% level

2.2 不同輪作和施肥下稻田土壤團聚體的穩定性

平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）作為反映土壤團聚體大小分布情況的綜合指標，MWD和GMD越大，表示土壤團聚體穩定性越強[27]。如圖1所示，不同輪作和施肥顯著影響土壤團聚體的穩定性。以NPK(R)處理的MWD和GMD最高，較NPK(F)處理顯著提高31.2%和82.0%，與其他處理之間差異不顯著。

2.3 不同輪作和施肥下稻田土壤各粒級團聚體中鉀素的含量

從圖2可見，各團聚體中交換性鉀含量隨團聚體粒級的減小逐漸降低，各粒級團聚體中的交換鉀含量大體呈現出NPK(SR+R)、NP50%K(SR+R)、NPK(F)處理大于CK(F)和NPK(R)處理。與NPK(R)處理相比，NPK(SR+R)處理＞2、1—2、0.5—1、0.25—0.5、0.053—0.25、＜0.053 mm團聚體中的交換性鉀含量分別增加了26.7%、46.0%、39.1%、36.8%、36.9%、22.2%，與減鉀的NP50%K(SR+R)處理相比，NPK(SR+R)處理顯著提高了＞2、1—2、0.5—1 mm團聚體中的交換性鉀含量，增幅分別為25.2%、26.0%、24.0%。在水稻-油菜輪作模式下，稻草還田配施化肥能提高各粒級團聚體中的交換性鉀含量，而減鉀顯著降低＞0.5 mm團聚體中的交換性鉀含量。

不同小寫字母表示處理間在5%水平差異顯著。下同

圖2 不同輪作和施肥下稻田土壤團聚體中交換性鉀和非交換性鉀含量

對于非交換性鉀，不同輪作和施肥僅對0.25—0.5、＜0.053 mm團聚體中的非交換性鉀含量產生了顯著影響，對其余4個粒級團聚體中非交換性鉀含量的影響不顯著。各粒級團聚體大體以NP50%K(SR+R)處理的非交換性鉀含量最低，NPK(F)處理最高。水稻-油菜輪作下3個施肥處理＜2 mm團聚體中的非交換性鉀含量均低于水稻-冬閑下的化肥處理（NPK(F)），其中NP50%K(SR+R)處理0.25—0.5、＜0.053 mm團聚體中的非交換性鉀含量比NPK(F)處理分別顯著降低了17.1%、14.2%。

CK(F)和NPK(F)處理之間、NPK(F)和NPK(R)處理之間所有粒級團聚體中的交換性鉀和非交換性鉀含量均無顯著差異。

2.4 不同輪作和施肥下稻田各粒級土壤團聚體中鉀含量對全土鉀的貢獻

在稻田土壤各團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率中，＜0.053 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率明顯高于其他粒級的團聚體（圖3）。和NPK(F)處理比較，NPK(R)處理顯著增加了1—2、0.5—1 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，其中對全土交換性鉀的貢獻率分別提高了82.6%、52.1%，對全土非交換性鉀的貢獻率分別提高了105.5%、36.9%。與CK(F)處理相比，NPK(R)處理＞2 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率則顯著降低。輪作模式可提高0.5—2 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，降低＞2 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，對＜0.5 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率無顯著影響。

圖3 不同輪作和施肥下稻田土壤團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率

3 討論

3.1 土壤各粒級團聚體和穩定性

土壤團聚體是土壤結構的基本組成單元，也是肥力的重要載體，其組成和穩定性直接影響土壤理化性質[25,28]。在本研究中，紅壤性水稻土以＜0.053 mm的團聚體比例最高，而＞2、1—2 mm的比例則相對較少，水稻-油菜輪作（NPK(R)）相對水稻-冬閑處理（NPK(F)）提高了0.25—2 mm團聚體比例，降低了＞2 mm團聚體比例，其＞0.25 mm大團聚體比例、MWD和GMD也顯著高于水稻-冬閑，張鵬等[24]研究冬季不同種植模式對土壤團聚體的影響，結果表明冬種油菜處理的MWD和GMD比水稻-冬閑處理顯著提高21.5%和83.3%，結果和本研究結果相似。輪作措施形成的微生物數量和種類較為豐富，微生物分泌產生的多糖等有機膠結物質膠結微團聚體形成大團聚體[29]，提高了＞0.25 mm大團聚體比例、增大了MWD和GMD，降低了＜0.25 mm小團聚體比例。水稻-冬閑模式下，施化肥（NPK(F)）和對照（CK(F)）之間、水稻-油菜輪作下兩個秸稈還田配施化肥處理（NPK(SR+R)和NP50%K(SR+R)）之間的團聚體穩定性差異均不顯著，說明化肥的施用和減量對土壤團聚體的結構影響不大。黃欠如等[30]研究了連續23年施肥后紅壤性水稻土團聚體的特征變化規律，結果發現單施NPK化肥處理和CK處理相比，各粒級土壤團聚體都無明顯差異，表明長期施用化肥對土壤團聚體的結構影響不大。

秸稈是一種重要的有機肥資源，長期秸稈還田能促進土壤團聚體形成，改善土壤結構[31-32]。據研究，長期秸稈還田能提高土壤＞0.25 mm大團聚體比例[33-34]，提高MWD和GMD。而在本研究中兩個秸稈還田配施化肥處理（NPK(SR+R)、NP50%K (SR+R)）較化肥處理（NPK(R)）均降低了＞0.25 mm團聚體的比例，MWD和GMD也有所下降，處理之間差異不顯著。分析可能與紅壤性水稻土的土壤性質有關，本研究中供試土壤母質為第四紀紅色土，含有較多的鐵鋁氧化物，有研究表明在有機碳含量不高且黏土礦物和鐵鋁氧化物含量較高時，團聚體的形成主要靠黏粒的內聚力和鐵鋁氧化物的膠結作用[35-36]。尤其在開墾時間不長、有機質含量較低的低肥力紅壤水稻土中，鐵鋁氧化物對大團聚體的形成和穩定起重要作用[25]。本研究中的試驗田為2013年新整理的水稻田，做了2年勻地試驗后于2016年開展本試驗，有機質含量不高（15.6 g·kg-1），肥力偏低，鐵鋁氧化物可能是影響該土壤團聚體穩定性主要因素，但隨著種植年限的延長，土壤肥力的逐漸上升，有機碳將成為團聚體穩定性的主要膠結物質[37]。據張翰林等[34]研究，5年以內的秸稈還田對土壤MWD和GMD的改善效果不顯著，隨還田年限延長改善效果越明顯。本研究從2016年開始到2019年取樣只進行了2年的水稻秸稈還田，因此秸稈還田和化肥處理之間團聚體穩定性差異不顯著。

3.2 土壤團聚體鉀素分布

不同粒級的團聚體在營養元素的保持、供應及轉化能力等方面發揮著不同的作用[10]。本研究中，稻田土壤各級團聚體中交換性鉀含量隨團聚體粒級的減小呈降低趨勢，這與榮勤雷等[33]的研究結果一致。秸稈還田、耕作制度等相關農業措施均會對土壤團聚體的形成及穩定性產生影響[38]，進而影響土壤養分在團聚體中的分布。在本研究中，不同輪作和施肥對所有粒級團聚體中的交換性鉀含量產生了影響，僅對0.25—0.5、＜0.053 mm團聚體中的非交換性鉀含量產生了顯著影響，可能因為土壤交換性鉀是當季作物吸鉀的主要來源，對不同施肥方式和輪作措施的響應最快，非交換性鉀相對于交換性鉀變化較小，比較穩定。雷永振等[39]研究了長期施肥對土壤鉀素變化的影響，結果表明施鉀處理均能提高土壤交換性鉀和非交換性鉀含量，但土壤非交換性鉀的變化比交換性鉀的變化小。本研究的結果表明，在水稻-油菜輪作模式下，稻草還田配施化肥提高了所有粒級團聚體組分中的交換性鉀含量，在柳開樓等[40]、邢旭明[19]的研究結果中也提到有機肥的施用和有機無機配施均可提高土壤各級團聚體中交換性鉀含量，其原因可能是有機質能顯著影響鉀的吸附量，土壤中有機質同黏粒結合，覆蓋了鉀的部分吸附位點，使鉀吸附量減少，釋放量增加，從而提高土壤中交換性鉀含量[41]。因此，有機肥的施用是緩解土壤鉀素缺乏的重要方式之一，有機肥投入可大大提高有效鉀在土壤全鉀中所占的比例，進而提高土壤鉀素有效性[42]。

土壤中各形態的鉀可以相互轉化，鉀的釋放量提高，必然不利于鉀的保持[43]，土壤交換性鉀是作物吸鉀的主要來源，當土壤交換性鉀因作物吸收而耗竭后，在一定條件下，可從非交換性鉀得到部分補充，因此，土壤交換性鉀含量持續高，易耗竭土壤鉀庫，不利于可持續利用[44]。本研究中水稻-油菜輪作下3個施肥處理與水稻-冬閑下的化肥處理（NPK(F)）相比，土壤團聚體中的非交換性鉀含量均有不同程度的下降，其中稻草還田配合減鉀50%顯著降低了0.25—0.5、＜0.053 mm團聚體中的非交換性鉀含量，說明水稻-油菜輪作模式下，兩季作物的收獲帶走大量鉀素，致使交換性鉀含量降低，土壤中鉀的動態平衡被打破，此時，非交換性鉀不斷釋放以維持交換性鉀含量在適當的水平上，供作物吸收[45]，從而水稻-油菜輪作下土壤的非交換性鉀含量降低。減少50%的化學鉀肥投入使得交換性鉀更加供不應求，秸稈還田在短期內（2年）也未達到培肥土壤的效果，因此該處理團聚體中的非交換性鉀含量顯著下降。

隨著種植時間的延長，水稻-油菜輪作下的鉀庫易出現虧缺，從表3的結果可以看出，2017年除了CK(F) 處理以外，其余4個施肥處理的鉀素均表現為盈余，2018年水稻-油菜輪作下2個處理（NPK(R)、NP50%K (SR+R)）的鉀素均表現為虧缺，NPK(SR+R)處理在2018年的鉀素雖然表現為盈余，但是相對于2017年來說，鉀素表觀平衡下降了65.9 kg·hm-2，和NPK (SR+R)處理一樣，NPK(F)處理在2017和2018年均表現為盈余，但兩年之間的變化量小于NPK(SR+R)處理，說明該處理每年帶走的鉀素量較穩定，該現象的出現和各處理產量提升效應有關。袁嫚嫚等[46]以水稻-油菜輪作田間長期定位試驗為研究基礎，結果發現與常規施化肥處理比較，秸稈還田配施化肥年均產量增加了17.5%—28.6%，隨著產量的提高，帶走的鉀素也逐漸增加。因此在實際生產中長期種植兩季作物需要充足的外源鉀素才能保證土壤的鉀素平衡，從而保障土壤鉀庫的可持續利用。

表3 不同輪作和施肥下稻田土壤鉀素表觀平衡

不同的輪作模式對土壤團聚體的養分分布產生影響[47]，各養分指標對不同輪作模式的響應也存在差異。張順濤等[48]研究水稻-油菜輪作和水稻-小麥輪作對土壤團聚體養分分布的影響，結果發現水稻-油菜輪作下各粒級團聚體全氮含量顯著高于水稻-小麥輪作，而兩種輪作模式對相同粒級團聚體中有機碳含量未產生顯著影響。本研究中，水稻-冬閑（NPK(F)）和水稻-油菜輪作（NPK(R)）對團聚體中交換性鉀和非交換性鉀含量均未產生顯著影響。

本研究＞0.053 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率最高，水稻-油菜輪作提高0.5—2 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，降低＞2 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率受團聚體組分的影響，團聚體組分所占比例高，該組分的貢獻率也高[49]，和水稻-冬閑相比，水稻-油菜輪作提高了0.25—2 mm團聚體比例，降低了＞2 mm團聚體比例，該團聚體中鉀素的貢獻率也隨之變化。

4 結論

經過2年的種植后，不同處理間稻田土壤的團聚體特性及團聚體中的鉀素分布均表現出明顯的差異。所有處理以＜0.053 mm的團聚體的占比最高。與水稻-冬閑（NPK(F)）相比，水稻-油菜輪作（NPK(R)）處理提高了0.25—2 mm團聚體的比例和0.5—2 mm團聚體中鉀對全土鉀的貢獻率，土壤團聚體的穩定性增加。水稻-油菜輪作模式下，稻草還田配施化肥（NPK (SR+ R)）提高了＞2 mm團聚體的比例和所有粒級團聚體中的交換性鉀含量，減鉀（NP50%K(SR+R)）降低了＞0.5 mm團聚體中的交換性鉀含量。與水稻-冬閑下的化肥處理（NPK(F)）相比，水稻-油菜輪作降低了團聚體中的非交換性含量。綜上所述，水稻-油菜輪作可改善土壤結構，在該輪作模式下稻草還田配施化肥是提高稻田土壤團聚體鉀素供應的重要措施，但此模式對鉀素需求量高，在實際生產中應提高鉀肥投入，保障土壤鉀庫的可持續利用。

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Effects of Straw Returning and Potassium Fertilizer on Soil Aggregate and Potassium Distribution Under Rapeseed-Rice Rotation

LIU ShuJun1, 2, LI DongChu1, 2, HUANG Jing1, 2, LIU LiSheng1, 2, WU Ding3, LI ZhaoQuan3, WU YuanFan4, ZHANG HuiMin1,2

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Hengyang Red Soil Experimental Station of Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Qiyang 426182, Hunan;3Yueyang Eco-Environmental Monitoring Centre of Hunan Province, Yueyang 414000, Hunan;4Hunan Soil and Fertilizer Station, Changsha 410006

【Objective】The study aimed to explore effects of different fertilization on paddy soil aggregate characteristics and potassium distribution under rapeseed-rice rotation and winter fallow by the located experiment test. It was hoped that the study would provide a basis for the sustainable utilization of potassium resources in paddy-upland rotation areas of Southern China. 【Method】Based on the location experiment of potassium fertilizer in different rotation patterns started in 2016, five treatments were selected, including CK(F) (no fertilization and winter fallow), NPK(F) (NPK fertilizer and winter fallow), NPK(R) (NPK fertilizer and winter rapeseed), NPK (SR+R) (NPK fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed), and NP50%K (SR+R) (50% reduction of K fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed). The soil samples were collected from the 0-20 cm soil layer of each treatment after rape harvest of the third year for analysis of physical and chemical properties, such as soil aggregates distribution, and exchangeable and non-exchangeable potassium content variation in soil aggregates. The stability of soil aggregates and the distribution of potassium in aggregates were further investigated. 【Result】The soil aggregate fractions of all treatments was the highest in ＜0.053 mm. Compared with NPK(F), NPK(R) increased the proportion of aggregates of 1-2 mm, 0.5-1 mm and 0.25-0.5 mm by 26.2%-82.6% under the same fertilization treatment. Also the stability of soil aggregates was increased, the proportion of aggregates of ＞0.25 mm, mean weight diameter (MWD), and geometric mean diameter (GMD) were significantly increased by 30.6%, 31.2% and 82.0%, respectively. Under rapeseed-rice rotation, the proportion of aggregates of ＞2 mm was increased under NPK(SR+R), which was 69.7% higher than that under NPK(R). The exchangeable potassium content in soil aggregates decreased with decreasing particle size under all treatments. NPK(SR+R) significantly increased exchangeable potassium content in all aggregate fractions by 22.2%-46.0% compared with NPK(R) under rapeseed-rice rotation. NP50%K(SR+R) significantly reduced the exchangeable potassium content in aggregates of ＞0.5 mm by 19.4%–20.6% than NPK(SR+R). Compared with NPK(F), three fertilization treatments under rapeseed-rice rotation all reduced the non-exchangeable potassium content in aggregate fractions. Under all treatments, the contribution rate of different fractions of soil aggregates to the bulk soil in potassium was the highest in ＜0.053 mm. Compared with NPK(F), NPK(R) significantly increased the contribution rates of 1–2 mm and 0.5–1 mm aggregates to bulk soil in potassium by 82.6%, 52.1% (exchangeable potassium ) and 105.5%, 36.9% (non-exchangeable potassium), respectively.【Conclusion】The rapeseed-rice rotation could increase MWD, GMD, macroaggregate proportion and the contribution rate of macroaggregate to the bulk soil in potassium and improve soil structure. Under this rotation pattern, the chemical fertilizer combined with rice straw returning could increase the exchangeable potassium content in all aggregate fractions, which improved the potassium supply in paddy soil. However, the rapeseed-rice rotation reduced the content of non-exchangeable potassium in soil aggregates due to high potassium demand, and the input of potassium fertilizer should be appropriately increased.

rice-winter fallow; rapeseed-rice rotation; rice straw returning; aggregate; soil potassium

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.23.007

2021-10-19；

2021-12-06

國家自然科學基金（41671301，41807105）、國家水稻產業技術體系項目（CARS-01-83）

劉淑軍，E-mail：liushujun@caas.cn。通信作者李冬初，E-mail：lidongchu@caas.cn。通信作者張會民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（責任編輯 李云霞）