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东北稻区长期秸秆还田下水稻钾肥适宜用量

侯云鹏 刘志全 尹彩侠 孔丽丽 李前 张磊 王立春 徐新朋

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东北稻区长期秸秆还田下水稻钾肥适宜用量

    作者简介: 侯云鹏 E-mail:exceedfhvfha@163.com;
    通讯作者: 王立春, E-mail:wlc1960@163.com ; 徐新朋, E-mail:xinpengxu@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200200);国家自然科学基金项目(31801938)

Optimum amount of potassium fertilizer under long-term straw mulching in rice production region of northeast China

    Corresponding author: WANG Li-chun, E-mail:wlc1960@163.com ;XU Xin-peng, E-mail:xinpengxu@163.com
  • 摘要:   【目的】  通过5年定位试验,系统研究东北稻区秸秆还田条件下不同钾肥用量对水稻产量、钾素利用率和土壤供钾能力的影响,为秸秆还田下水稻钾肥合理施用提供科学依据。  【方法】  于2015—2019年在东北水稻主产区吉林省前郭县开展田间定位试验。共设6个钾肥用量 (K2O) 处理,分别为0(K0)、30(K30)、60(K60)、90(K90)、120(K120) 和150 kg/hm2(K150),水稻收获后,测定籽粒产量与生物产量、植株钾含量及0—20 cm和20—40 cm土层土壤速效钾、缓效钾和全钾含量,并计算作物钾积累量、钾素利用效率和土壤-作物系统的钾素表观平衡状况。  【结果】  施钾可提高水稻籽粒产量和生物产量,与不施钾相比,平均增幅依次为7.6%~14.5%、6.3%~10.9%,以K60和K90处理籽粒产量和生物产量最高。不同施钾处理间收获指数没有显著差异。钾素表观回收率、农学利用率和偏生产力均随钾肥用量的增加而下降。K60、K90、K120和K150处理0—40 cm土壤速效钾和缓效钾含量高于K0和K30处理,全钾含量6个处理间没有显著差异。K90、K120和K150处理0—40 cm土壤速效钾和缓效钾含量间也没有显著差异。在5年试验中,K0和K30处理土壤钾素表观平衡均表现为亏缺,K60处理农田钾素投入量和输出量基本平衡,当钾肥用量增加至90 kg/hm2以上,农田钾素表观平衡呈现盈余状态,并随钾肥用量的增加显著增加。盈余率与钾肥用量、籽粒产量、土壤速效钾含量、钾素利用效率分别进行拟合得出,当盈余率为0时,钾肥用量为53.1 kg/hm2,籽粒产量为10035 kg/hm2,0—20和20—40 cm土壤速效钾含量分别为103.04和91.56 mg/kg,钾素表观回收率为40.4%,钾素农学利用率为21.2 kg/kg,钾素偏生产力为202.2 kg/kg。  【结论】  在秸秆还田条件下,水稻施用钾肥依然有显著增产作用。年施K2O 30 kg/hm2,土壤钾素处于亏缺状态,年施K2O 60 kg/hm2增产效果最高,且土壤钾素处于基本平衡状态,土壤速效钾和缓效钾含量处于稳定状态。年施K2O超过90 kg/hm2后,虽然钾盈余量增加,但对土壤速效钾和缓效钾含量没有进一步增加的效果,水稻产量甚至还有下降的趋势。以理论盈余率0时钾肥用量的95%为置信区间,钾肥用量在50~56 kg/hm2范围内既可保证较高的水稻产量和钾素利用效率,又可维持土壤供钾能力,可作为东北稻区秸秆还田下水稻钾肥推荐用量。
  • 图 1  不同施钾处理钾素利用效率

    Figure 1.  K utilization efficiency under different K treatments

    图 2  不同施钾处理0—20和20—40 cm土壤速效钾、缓效钾和全钾含量

    Figure 2.  The contents of available,slowly available and total K in 0–20 cm and 20–40 cm soil under different K treatments

    图 3  盈余率与施钾量、产量、土壤速效钾含量和钾素利用效率的关系

    Figure 3.  The correlation of surplus rate with K application rate,yield,soil available K content and K utilization efficiency

    表 1  不同施钾处理籽粒产量、生物产量和收获指数

    Table 1.  Grain yield,biomass yield and harvest index under different K treatments

    年份
    Year
    钾肥用量处理
    K applicationtreatment
    籽粒产量 (kg/hm2)
    Grain yield
    生物产量 (kg/hm2)
    Biomass production
    收获指数
    Harvest index
    2015K0 9156 ± 261 c18500 ± 245 c0.49 ± 0.01 a
    K30 9880 ± 396 b19670 ± 399 b0.50 ± 0.01 a
    K60 10587 ± 479 a20596 ± 302 a0.51 ± 0.02 a
    K90 10503 ± 377 ab20578 ± 330 a0.51 ± 0.01 a
    K12010257 ± 495 ab20213 ± 236 ab0.51 ± 0.01 a
    K15010048 ± 244 ab19912 ± 596 ab0.50 ± 0.01 a
    2016K0 8786 ± 262 c17798 ± 355 c0.49 ± 0.01 a
    K30 9558 ± 436 b18989 ± 165 b0.50 ± 0.02 a
    K60 10126 ± 374 a19680 ± 416 a0.51 ± 0.01 a
    K90 10053 ± 439 a19662 ± 337 a0.51 ± 0.01 a
    K1209777 ± 275 ab19138 ± 361 b0.51 ± 0.02 a
    K1509698 ± 135 ab19126 ± 235 b0.51 ± 0.01 a
    2017K0 9291 ± 259 c18539 ± 567 c0.50 ± 0.01 a
    K30 10087 ± 282 b19945 ± 655 b0.51 ± 0.01 a
    K60 10829 ± 235 a21120 ± 302 a0.51 ± 0.01 a
    K90 10715 ± 207 a20878 ± 271 a0.51 ± 0.01 a
    K12010427 ± 215 ab20520 ± 338 ab0.51 ± 0.01 a
    K15010323 ± 249 ab20318 ± 495 ab0.51 ± 0.01 a
    2018K0 8875 ± 280 c17591 ± 499 b0.50 ± 0.01 a
    K30 9359 ± 122 b18725 ± 362 a0.50 ± 0.01 a
    K60 9933 ± 106 a19525 ± 452 a0.51 ± 0.02 a
    K90 9816 ± 153 ab19094 ± 408 a0.51 ± 0.01 a
    K1209660 ± 155 ab19061 ± 536 a0.51 ± 0.02 a
    K1509483 ± 187 ab19036 ± 381 a0.50 ± 0.01 a
    2019K0 9103 ± 425 c19031 ± 250 b0.48 ± 0.01 a
    K30 9782 ± 278 b19905 ± 305 a0.49 ± 0.01 a
    K60 10288 ± 293 a20551 ± 623 a0.50 ± 0.01 a
    K90 10207 ± 186 ab20480 ± 329 a0.50 ± 0.01 a
    K12010098 ± 431 ab20423 ± 678 a0.49 ± 0.02 a
    K1509920 ± 293 ab20304 ± 344 a0.49 ± 0.01 a
    均值MeanK0 9042 ± 168.9 c18292 ± 102 d0.49 ± 0.01 a
    K30 9733 ± 194.8 b19447 ± 223 c0.50 ± 0.02 a
    K60 10353 ± 107.2 a20294 ± 240 a0.51 ± 0.01 a
    K90 10259 ± 117.0 a20138 ± 91 a0.51 ± 0.01 a
    K12010044 ± 73.9 ab19871 ± 105 b0.51 ± 0.01 a
    K1509895 ± 116.9 b19739 ± 153 b0.50 ± 0.01 a
    方差分析 ANOVA
    年份 Year (Y)**ns
    施钾处理K treatment (K)****ns
    Y × K**ns
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示同一年份下各处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05) in the same year;ns—P > 0.05;*—P < 0.05;**—P < 0.01.
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    表 2  不同施钾处理土壤钾素表观平衡

    Table 2.  Apparent K balance of soil under different K treatments

    年份
    Year
    钾肥处理
    Treatment
    投入量Input (kg/hm2)作物移走量 (kg/hm2)
    Crop removal
    表观平衡 (kg/hm2)
    Apparent balance
    盈余率 (%)
    Surplus rate
    秸秆钾Straw K化肥钾Chemical K
    2015K0 90 0125.5 ± 1.5 c−35.5 ± 3.9 f−28.0 ± 2.4 f
    K30 9030139.1 ± 3.7 b−19.1 ± 1.8 e−13.6 ± 0.6 e
    K60 9060148.6 ± 1.2 b1.4 ± 0.2 d1.1 ± 0.1 d
    K90 9090147.7 ± 1.8 a32.3 ± 0.8 c21.9 ± 0.6 c
    K12090120 147.6 ± 2.3 a62.4 ± 2.5 b42.6 ± 2.5 b
    K15090150 142.6 ± 2.5 a97.4 ± 5.3 a68.5 ± 4.9 a
    2016K0 90 0119.6 ± 1.8 c−29.6 ± 2.4 f−24.6 ± 3.8 f
    K30 9030134.8 ± 4.8 b−14.8 ± 1.7 e−10.9 ± 1.5 e
    K60 9060142.4 ± 5.4 a7.6 ± 1.5 d5.4 ± 1.1 d
    K90 9090141.2 ± 4.0 a38.8 ± 2.1 c29.6 ± 1.6 c
    K12090120 139.7 ± 3.9 a70.3 ± 3.2 b52.0 ± 2.7 b
    K15090150 138.4 ± 4.5 ab101.6 ± 4.5 a73.5 ± 4.3 a
    2017K0 900124.6 ± 1.9 c−34.6 ± 2.3 f−27.7 ± 1.2 f
    K30 9030143.7 ± 3.6 b−23.7 ± 3.6 e−16.5 ± 2.1 e
    K60 9060154.9 ± 3.2 a−4.9 ± 0.7 d−3.1 ± 2.0 d
    K90 9090152.9 ± 2.9 ab27.1 ± 2.5 c17.9 ± 1.8 c
    K12090120 149.2 ± 4.8 b60.8 ± 1.8 b40.8 ± 2.6 b
    K15090150 147.9 ± 3.2 b92.1 ± 3.2 a62.5 ± 4.3 a
    2018K0 90 0114.7 ± 1.5 d−24.7 ± 1.5 f−21.5 ± 3.1 f
    K30 9030128.5 ± 0.4 c−8.5 ± 0.4 e−6.6 ± 0.3 e
    K60 9060145.8 ± 4.4 a4.2 ± 0.9 d3.0 ± 0.9 d
    K90 9090141.5 ± 2.0 ab38.5 ± 2.0 c27.2 ± 1.8 c
    K12090120 138.8 ± 4.4 b71.2 ± 4.3 b51.8 ± 3.1 b
    K15090150 135.5 ± 3.5 b104.5 ± 4.2 a77.4 ± 4.0 a
    2019K0 90 0127.6 ± 4.7 d−37.6 ± 1.3 f−29.4 ± 2.6 f
    K30 9030143.5 ± 3.6 c−23.5 ± 2.9 e−16.2 ± 1.9 e
    K60 9060154.2 ± 3.2 a−4.2 ± 0.6 d−2.6 ± 1.0 d
    K90 9090152.2 ± 2.7 ab27.8 ± 2.1 c18.4 ± 2.9 c
    K12090120 150.9 ± 3.5 ab59.1 ± 3.5 b39.2 ± 3.2 b
    K15090150 146.8 ± 3.7 bc93.2 ± 3.0 a63.7 ± 3.7 a
    平均AverageK0 90 0122.4 ± 4.4 d−32.4 ± 1.5 f−26.4 ± 2.7 f
    K30 9030137.9 ± 4.2 c−17.9 ± 1.6 e−12.9 ± 1.0 e
    K60 9060149.2 ± 2.7 a0.8 ± 0.2 d1.2 ± 0.1 d
    K90 9090147.1 ± 1.8 a32.9 ± 1.8 c22.4 ± 1.5 c
    K12090120 145.2 ± 3.7 ab64.8 ± 2.7 b44.8 ± 3.4 b
    K15090150 142.2 ± 3.1 bc97.8 ± 4.5 a68.8 ± 4.5 a
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示同一年份下各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments in the same year (P < 0.05).
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  • 收稿日期:  2020-07-13

东北稻区长期秸秆还田下水稻钾肥适宜用量

    作者简介:侯云鹏 E-mail:exceedfhvfha@163.com
    通讯作者: 王立春, wlc1960@163.com
    通讯作者: 徐新朋, xinpengxu@163.com
  • 1. 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室,吉林长春 130033
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200200);国家自然科学基金项目(31801938)
  • 摘要:   【目的】  通过5年定位试验,系统研究东北稻区秸秆还田条件下不同钾肥用量对水稻产量、钾素利用率和土壤供钾能力的影响,为秸秆还田下水稻钾肥合理施用提供科学依据。  【方法】  于2015—2019年在东北水稻主产区吉林省前郭县开展田间定位试验。共设6个钾肥用量 (K2O) 处理,分别为0(K0)、30(K30)、60(K60)、90(K90)、120(K120) 和150 kg/hm2(K150),水稻收获后,测定籽粒产量与生物产量、植株钾含量及0—20 cm和20—40 cm土层土壤速效钾、缓效钾和全钾含量,并计算作物钾积累量、钾素利用效率和土壤-作物系统的钾素表观平衡状况。  【结果】  施钾可提高水稻籽粒产量和生物产量,与不施钾相比,平均增幅依次为7.6%~14.5%、6.3%~10.9%,以K60和K90处理籽粒产量和生物产量最高。不同施钾处理间收获指数没有显著差异。钾素表观回收率、农学利用率和偏生产力均随钾肥用量的增加而下降。K60、K90、K120和K150处理0—40 cm土壤速效钾和缓效钾含量高于K0和K30处理,全钾含量6个处理间没有显著差异。K90、K120和K150处理0—40 cm土壤速效钾和缓效钾含量间也没有显著差异。在5年试验中,K0和K30处理土壤钾素表观平衡均表现为亏缺,K60处理农田钾素投入量和输出量基本平衡,当钾肥用量增加至90 kg/hm2以上,农田钾素表观平衡呈现盈余状态,并随钾肥用量的增加显著增加。盈余率与钾肥用量、籽粒产量、土壤速效钾含量、钾素利用效率分别进行拟合得出,当盈余率为0时,钾肥用量为53.1 kg/hm2,籽粒产量为10035 kg/hm2,0—20和20—40 cm土壤速效钾含量分别为103.04和91.56 mg/kg,钾素表观回收率为40.4%,钾素农学利用率为21.2 kg/kg,钾素偏生产力为202.2 kg/kg。  【结论】  在秸秆还田条件下,水稻施用钾肥依然有显著增产作用。年施K2O 30 kg/hm2,土壤钾素处于亏缺状态,年施K2O 60 kg/hm2增产效果最高,且土壤钾素处于基本平衡状态,土壤速效钾和缓效钾含量处于稳定状态。年施K2O超过90 kg/hm2后,虽然钾盈余量增加,但对土壤速效钾和缓效钾含量没有进一步增加的效果,水稻产量甚至还有下降的趋势。以理论盈余率0时钾肥用量的95%为置信区间,钾肥用量在50~56 kg/hm2范围内既可保证较高的水稻产量和钾素利用效率,又可维持土壤供钾能力,可作为东北稻区秸秆还田下水稻钾肥推荐用量。

    English Abstract

    • 钾 (K) 是作物必需的大量营养元素之一,在细胞酶、蛋白质、淀粉、纤维素和维生素的合成、营养物质的运输和吸收、抵抗非生物和生物胁迫以及提高作物产质量等方面起着关键作用[1]。施用钾肥可以改善作物对钾的吸收利用,是保证作物增产、稳产的重要农业措施[2]

      东北平原是我国水稻重要的产区,常年种植面积约507.1万hm2,总产量为10 335万t左右,分别占全国水稻总播种面积的16.8%和总产的17.7%[3],对保障国家粮食安全具有不可替代的作用。在养分管理中,钾相比于氮 (N) 和磷 (P),钾在提高谷物产量方面的作用较低且缓慢[4-6]。故人们只注重氮、磷养分的投入,而钾肥用量普遍不足,不能维持土壤钾素的收支平衡,农田钾素亏缺已成为农业生产可持续发展的限制因素之一[7]。然而受到我国钾肥资源短缺和国际钾肥价格持续走高的影响,拓宽钾肥资源供应途径具有重要的意义。近年来,随着农业现代化进程发展,水稻秸秆还田面积逐步增大。水稻吸收的钾素70%以上存在于秸秆中,是重要的钾素资源[8]。但由于秸秆还田后腐解周期较长,其在当季的有效性与化肥钾存在较大差异[9],不适宜盲目的降低化肥钾用量,因此研究秸秆还田条件下的钾肥用量对水稻生长发育和土壤供钾能力的影响及其重要。目前,较多的研究表明,通过合理利用秸秆生物质资源可以提高土壤有机质含量,改善土壤结构,提高土壤养分含量,对作物具有普遍的增产效应[10-12];而还田后作物秸秆中90%的钾离子可以快速释放并进入土壤,与传统钾肥作用相近[13]。但由于秸秆钾的释放与植物钾素吸收的时效性并不一致,同时秸秆钾素投入后易受淋洗、入渗、径流等环境因素的影响,损失量较大,其有效性较化肥钾差[14]。与秸秆离田相比,秸秆还田配施钾肥提高土壤供钾能力效果显著[15];而当季秸秆还田可在降低钾肥用量20.0%~49.1%的同时,保证水稻小幅增产[16]。但以上研究多从单一方面关注秸秆还田对作物产量或土壤供钾能力的影响,而从多年连续秸秆还田对土壤供钾能力和水稻养分吸收利用的研究仍十分不足,且目前尚无东北稻区长期秸秆还田下钾肥适宜用量的有效评估。本研究在东北稻区通过5年定位试验研究,拟分析秸秆还田下不同钾肥用量对水稻产量、钾素利用效率、土壤供钾能力以及农田钾素表观平衡等综合影响,明确秸秆还田下钾肥适宜用量,以期为东北水稻秸秆资源利用和钾肥合理施用提供理论依据。

      • 试验于2015—2019年在吉林省前郭县套浩太村 (44°49.6′38.15″N,124°27.5′29.6″E) 进行,试验区位于东北平原南端,平均海拔142.6 m,年降水量467 mm,年均气温4.6℃,年均日照时数2900 h左右,无霜期平均146天。试验地土壤类型为草甸土,试验起始时0—20和20—40 cm土壤养分状况:有机质含量分别为26.38和21.37 g/kg,水解性氮分别为125和97.6 mg/kg,有效磷含量分别为19.0和14.7 mg/kg,速效钾含量分别为104和92.7 mg/kg,缓效钾含量分别为900和817 mg/kg,全钾含量分别为1.22和1.13 g/kg,pH分别为6.82和6.73。

      • 试验在秸秆还田条件下,共设置6个钾肥 (K2O) 用量处理,分别为0 kg/hm2(K0)、30 kg/hm2(K30)、60 kg/hm2(K60)、90 kg/hm2(K90)、120 kg/hm2(K120) 和150 kg/hm2(K150)。不同施钾处理氮 (N)、磷 (P2O5) 肥用量相同,分别为200和80 kg/hm2。氮肥按基肥40%、分蘖期40%、孕穗期20%施用,磷肥一次性基施,钾肥按基肥70%、孕穗期30%施用。供试氮肥为尿素 (N 46%),磷肥为磷酸二铵 (P2O546%,N 18%),钾肥为氯化钾 (K2O 60%)。供试水稻品种为吉粳518。5月16日至21日移栽,大田栽插密度为20万穴/hm2,9月30日至10月2日收获。小区面积为30 m2,随机区组排列,重复3次。每小区间筑埂并用塑料薄膜包裹,并且各小区有独立的灌/排水沟,防止试验各小区窜水窜肥。其他田间管理措施按常规生产田进行。

        秸秆用量:为保证试验一致性,根据试验区水稻秸秆生产水平,统一用量为9000 kg/hm2,折合K2O 90 kg/hm2。秸秆还田前经机器粉碎,长度约为10 cm,于上季水稻收获后进行翻压、整平。

      • 每季水稻收获时,在每个小区中取3个有代表性的1 m × 1 m样方确定籽粒产量,测定籽粒样品水分含量,并将其转换为水稻标准水分14%。从每个小区随机采集10穴植株样品,分为稻草和稻谷两部分;105℃杀青后,70℃烘干至恒重,称重估算生物量。样品称重后经粉碎,采用H2SO4-H2O2消煮—火焰光度法测定钾含量。

        每季水稻收获后,用直径5 cm、长度50 cm的管状取样器,在每个小区土壤采集0—40 cm土壤样品,每20 cm分为一层,每个小区采集10个土样,充分混匀,拣出杂草和碎石,按照“四分法”取1 kg带回实验室,采用鲍士旦的方法测定土壤速效钾、缓效钾和全钾含量[17],风干后用木槌研磨,取过1 mm筛的土壤样品5 g,加入1 mol/L醋酸铵溶液 (土液比1∶10) 浸提,震荡30 min后过滤,用火焰光度计测定土壤速效钾含量;再取过1 mm筛的土壤样品5 g,加入2 mol/L的硝酸溶液 (土液比1∶4) 浸提,用火焰光度计测定缓效钾含量,等于硝酸提取钾减去醋酸铵提取钾。取过0.25 mm筛的土壤样品5 g和氢氧化钠2.50 g放入镍柑锅中,700℃高温条件下完全熔融,用火焰光度计测定全钾含量。

      • 钾素利用效率包括钾素表观回收率、钾素农学利用率和钾素偏生产力[18]

        钾素表观回收率 (%) = (收获期施钾区作物吸钾量-不施钾区作物吸钾量)/施钾量 × 100;

        钾素农学利用率 (kg/kg) = (施钾区作物产量-不施钾区作物产量)/施钾量;

        钾素偏生产力 (kg/kg) = 施钾区作物产量/施钾量;

        收获指数 = 籽粒产量/总生物量;

        土壤钾素表观盈亏量 (kg/hm2) = 投入钾素总量-作物吸收钾素总量;

        钾素盈余率 (%) = (投入钾素总量-作物吸收钾素总量)/作物吸收钾素总量 × 100;

        试验数据采用Excel进行数据整理,用SAS 9.0软件进行两因素 (年份和施肥处理) 方差分析,处理间多重比较采用LSD-test(P < 0.05为显著) 法;用SigmaPlot 10.0绘图。

      • 表1可知,年份对籽粒产量和生物产量影响显著,对收获指数影响不显著;钾肥用量对籽粒产量、生物产量影响极显著,对收获指数影响不显著;两因素间的交互效应仅对籽粒产量和生物产量影响显著。与不施钾肥处理相比,施钾各处理在不同年份均提高了籽粒产量和生物产量,5年平均增幅分别为7.6%~14.5%、6.3%~10.9%,增幅均达显著水平 (P < 0.05)。在不同钾肥用量下,籽粒产量和生物产量在钾肥用量30~60 kg/hm2范围内随钾肥用量的增加而增加,当钾肥用量增加至90 kg/hm2后,籽粒产量和生物产量呈下降趋势。而不同钾肥用量条件下收获指数无显著差异 (P > 0.05)。此外,随着试验年限的增加,施钾增产效果呈先增后降趋势,以2016和2017年增产效果最高。

        表 1  不同施钾处理籽粒产量、生物产量和收获指数

        Table 1.  Grain yield,biomass yield and harvest index under different K treatments

        年份
        Year
        钾肥用量处理
        K applicationtreatment
        籽粒产量 (kg/hm2)
        Grain yield
        生物产量 (kg/hm2)
        Biomass production
        收获指数
        Harvest index
        2015K0 9156 ± 261 c18500 ± 245 c0.49 ± 0.01 a
        K30 9880 ± 396 b19670 ± 399 b0.50 ± 0.01 a
        K60 10587 ± 479 a20596 ± 302 a0.51 ± 0.02 a
        K90 10503 ± 377 ab20578 ± 330 a0.51 ± 0.01 a
        K12010257 ± 495 ab20213 ± 236 ab0.51 ± 0.01 a
        K15010048 ± 244 ab19912 ± 596 ab0.50 ± 0.01 a
        2016K0 8786 ± 262 c17798 ± 355 c0.49 ± 0.01 a
        K30 9558 ± 436 b18989 ± 165 b0.50 ± 0.02 a
        K60 10126 ± 374 a19680 ± 416 a0.51 ± 0.01 a
        K90 10053 ± 439 a19662 ± 337 a0.51 ± 0.01 a
        K1209777 ± 275 ab19138 ± 361 b0.51 ± 0.02 a
        K1509698 ± 135 ab19126 ± 235 b0.51 ± 0.01 a
        2017K0 9291 ± 259 c18539 ± 567 c0.50 ± 0.01 a
        K30 10087 ± 282 b19945 ± 655 b0.51 ± 0.01 a
        K60 10829 ± 235 a21120 ± 302 a0.51 ± 0.01 a
        K90 10715 ± 207 a20878 ± 271 a0.51 ± 0.01 a
        K12010427 ± 215 ab20520 ± 338 ab0.51 ± 0.01 a
        K15010323 ± 249 ab20318 ± 495 ab0.51 ± 0.01 a
        2018K0 8875 ± 280 c17591 ± 499 b0.50 ± 0.01 a
        K30 9359 ± 122 b18725 ± 362 a0.50 ± 0.01 a
        K60 9933 ± 106 a19525 ± 452 a0.51 ± 0.02 a
        K90 9816 ± 153 ab19094 ± 408 a0.51 ± 0.01 a
        K1209660 ± 155 ab19061 ± 536 a0.51 ± 0.02 a
        K1509483 ± 187 ab19036 ± 381 a0.50 ± 0.01 a
        2019K0 9103 ± 425 c19031 ± 250 b0.48 ± 0.01 a
        K30 9782 ± 278 b19905 ± 305 a0.49 ± 0.01 a
        K60 10288 ± 293 a20551 ± 623 a0.50 ± 0.01 a
        K90 10207 ± 186 ab20480 ± 329 a0.50 ± 0.01 a
        K12010098 ± 431 ab20423 ± 678 a0.49 ± 0.02 a
        K1509920 ± 293 ab20304 ± 344 a0.49 ± 0.01 a
        均值MeanK0 9042 ± 168.9 c18292 ± 102 d0.49 ± 0.01 a
        K30 9733 ± 194.8 b19447 ± 223 c0.50 ± 0.02 a
        K60 10353 ± 107.2 a20294 ± 240 a0.51 ± 0.01 a
        K90 10259 ± 117.0 a20138 ± 91 a0.51 ± 0.01 a
        K12010044 ± 73.9 ab19871 ± 105 b0.51 ± 0.01 a
        K1509895 ± 116.9 b19739 ± 153 b0.50 ± 0.01 a
        方差分析 ANOVA
        年份 Year (Y)**ns
        施钾处理K treatment (K)****ns
        Y × K**ns
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示同一年份下各处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05) in the same year;ns—P > 0.05;*—P < 0.05;**—P < 0.01.
      • 2015—2019年连续5年定位试验结果 (图1) 显示,年份对钾素表观回收率、农学利用率和偏生产力影响不显著,钾肥用量对钾素表观回收率、农学利用率和偏生产力影响均显著,而两因素间的交互效应均未达显著水平。在同一年份钾素农学利用率在钾肥用量30~60 kg/hm2范围内差异不显著 (P > 0.05),当钾肥用量增加至90 kg/hm2后,钾素农学利用率显著下降;而钾素表观回收率和钾素偏生产力均随钾肥用量的增加呈显著下降趋势。在相同施钾水平下,水稻钾素表观回收率和农学利用率随试验年限的延长呈先增后降趋势,以2016和2017年增产效果最高;而不同年份间钾素偏生产力无显著差异。

        图  1  不同施钾处理钾素利用效率

        Figure 1.  K utilization efficiency under different K treatments

      • 图2显示,连续施用钾肥年限对0—20和20—40 cm土壤速效钾和缓效钾含量影响显著,对土壤全钾含量影响不显著,钾肥用量对0—20和20—40 cm土壤速效钾含量和缓效钾含量影响极显著,对土壤全钾含量影响不显著,而两因素间的交互效应均未达显著水平。在同一年份,当施钾量在60 kg/hm2以上,0—20和20—40 cm土壤速效钾和缓效钾含量显著高于不施钾肥处理,各施钾处理间差异不显著。与试验起始时相比,不施钾肥 (K0) 和低施钾量 (K30) 处理两个土层的土壤速效钾含量均呈下降趋势,截止至2019年水稻收获后,土壤0—20 cm和20—40 cm土层速效钾含量较试验起始时分别下降了10.3%、5.2%() 和6.9%、3.6%(),差异均达显著水平 (P < 0.05);施钾量增加至60 kg/hm2及以上时,土壤速效钾含量与起始时差异均未达显著水平 (P > 0.05),而不同施钾处理土壤缓效钾和全钾含量与试验起始时差异均未达显著水平 (P > 0.05)。

        图  2  不同施钾处理0—20和20—40 cm土壤速效钾、缓效钾和全钾含量

        Figure 2.  The contents of available,slowly available and total K in 0–20 cm and 20–40 cm soil under different K treatments

      • 表2表明,5年连续种植水稻,K0和K30处理钾素均处于亏缺状态,亏缺率分别为21.5%~29.4%和6.6%~16.5%,平均钾素亏缺率为26.4%和12.9%。每季水稻钾肥用量增加至60 kg/hm2,不同年份间钾素盈余率在–3.1%~5.4%,5年平均盈余率仅为1.2%,可认为K60处理农田钾素收支呈平衡状态。当每季水稻钾肥用量增加至90 kg/hm2,不同年份间钾素盈余率在17.9%~29.6%,5年平均盈余率在22.4%,农田钾素收支呈现盈余状态,并随钾肥用量的增加呈增加趋势。

        表 2  不同施钾处理土壤钾素表观平衡

        Table 2.  Apparent K balance of soil under different K treatments

        年份
        Year
        钾肥处理
        Treatment
        投入量Input (kg/hm2)作物移走量 (kg/hm2)
        Crop removal
        表观平衡 (kg/hm2)
        Apparent balance
        盈余率 (%)
        Surplus rate
        秸秆钾Straw K化肥钾Chemical K
        2015K0 90 0125.5 ± 1.5 c−35.5 ± 3.9 f−28.0 ± 2.4 f
        K30 9030139.1 ± 3.7 b−19.1 ± 1.8 e−13.6 ± 0.6 e
        K60 9060148.6 ± 1.2 b1.4 ± 0.2 d1.1 ± 0.1 d
        K90 9090147.7 ± 1.8 a32.3 ± 0.8 c21.9 ± 0.6 c
        K12090120 147.6 ± 2.3 a62.4 ± 2.5 b42.6 ± 2.5 b
        K15090150 142.6 ± 2.5 a97.4 ± 5.3 a68.5 ± 4.9 a
        2016K0 90 0119.6 ± 1.8 c−29.6 ± 2.4 f−24.6 ± 3.8 f
        K30 9030134.8 ± 4.8 b−14.8 ± 1.7 e−10.9 ± 1.5 e
        K60 9060142.4 ± 5.4 a7.6 ± 1.5 d5.4 ± 1.1 d
        K90 9090141.2 ± 4.0 a38.8 ± 2.1 c29.6 ± 1.6 c
        K12090120 139.7 ± 3.9 a70.3 ± 3.2 b52.0 ± 2.7 b
        K15090150 138.4 ± 4.5 ab101.6 ± 4.5 a73.5 ± 4.3 a
        2017K0 900124.6 ± 1.9 c−34.6 ± 2.3 f−27.7 ± 1.2 f
        K30 9030143.7 ± 3.6 b−23.7 ± 3.6 e−16.5 ± 2.1 e
        K60 9060154.9 ± 3.2 a−4.9 ± 0.7 d−3.1 ± 2.0 d
        K90 9090152.9 ± 2.9 ab27.1 ± 2.5 c17.9 ± 1.8 c
        K12090120 149.2 ± 4.8 b60.8 ± 1.8 b40.8 ± 2.6 b
        K15090150 147.9 ± 3.2 b92.1 ± 3.2 a62.5 ± 4.3 a
        2018K0 90 0114.7 ± 1.5 d−24.7 ± 1.5 f−21.5 ± 3.1 f
        K30 9030128.5 ± 0.4 c−8.5 ± 0.4 e−6.6 ± 0.3 e
        K60 9060145.8 ± 4.4 a4.2 ± 0.9 d3.0 ± 0.9 d
        K90 9090141.5 ± 2.0 ab38.5 ± 2.0 c27.2 ± 1.8 c
        K12090120 138.8 ± 4.4 b71.2 ± 4.3 b51.8 ± 3.1 b
        K15090150 135.5 ± 3.5 b104.5 ± 4.2 a77.4 ± 4.0 a
        2019K0 90 0127.6 ± 4.7 d−37.6 ± 1.3 f−29.4 ± 2.6 f
        K30 9030143.5 ± 3.6 c−23.5 ± 2.9 e−16.2 ± 1.9 e
        K60 9060154.2 ± 3.2 a−4.2 ± 0.6 d−2.6 ± 1.0 d
        K90 9090152.2 ± 2.7 ab27.8 ± 2.1 c18.4 ± 2.9 c
        K12090120 150.9 ± 3.5 ab59.1 ± 3.5 b39.2 ± 3.2 b
        K15090150 146.8 ± 3.7 bc93.2 ± 3.0 a63.7 ± 3.7 a
        平均AverageK0 90 0122.4 ± 4.4 d−32.4 ± 1.5 f−26.4 ± 2.7 f
        K30 9030137.9 ± 4.2 c−17.9 ± 1.6 e−12.9 ± 1.0 e
        K60 9060149.2 ± 2.7 a0.8 ± 0.2 d1.2 ± 0.1 d
        K90 9090147.1 ± 1.8 a32.9 ± 1.8 c22.4 ± 1.5 c
        K12090120 145.2 ± 3.7 ab64.8 ± 2.7 b44.8 ± 3.4 b
        K15090150 142.2 ± 3.1 bc97.8 ± 4.5 a68.8 ± 4.5 a
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示同一年份下各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments in the same year (P < 0.05).
      • 回归分析结果 (图3) 显示,钾盈余率与籽粒产量呈极显著二次相关 (P < 0.01,r = 0.6417);与0—20和20—40 cm土壤速效钾含量呈极显著线性相关 (0—20 cm P < 0.01,r = 0.7745;20—40 cm P < 0.01,r = 0.7495);与钾素表观回收率呈极显著指数相关 (P < 0.01,r = 0.9742);与钾素农学利用率呈极显著线性相关 (P < 0.01,r = 0.9528);与钾素偏生产力呈极显著指数相关 (P < 0.01,r = 0.9473);将回归方程联立并通过内插法计算,当盈余率为0时,钾肥用量为53.1 kg/hm2,籽粒产量为10035 kg/hm2,0—20和20—40 cm土壤速效钾含量分别为103.04和91.56 mg/kg,钾素表观回收率为40.4%,农学利用率为21.2 kg/kg,偏生产力为202.2 kg/kg;计算所得的理论籽粒产量、土壤速效钾含量和钾素利用效率与实际最高产量处理 (K60) 相近。以理论盈余率为0时施钾量的95%作为置信区间,计算出施钾范围在50~56 kg/hm2

        图  3  盈余率与施钾量、产量、土壤速效钾含量和钾素利用效率的关系

        Figure 3.  The correlation of surplus rate with K application rate,yield,soil available K content and K utilization efficiency

      • 钾是植物生长发育所必需的矿质元素,植株对钾素的吸收、同化和利用直接影响籽粒产量[19]。相关研究表明,施钾可显著提高水稻产量[20]。本研究中,不同年际间水稻产量由于受环境和气候条件的影响有所波动,但施钾处理间规律相似。施钾处理水稻籽粒产量、生物产量和收获指数均高于不施钾肥处理。主要是由于施钾能够显著提高作物光合效率、延缓叶片衰老,促进碳水化合物转化,增加灌浆强度,进而提高生物产量和光合产物转化为经济产量的能力[21-22]。但钾肥用量并非越多越好,相关研究指出,当钾肥超过一定量后,水稻产量随之降低[23-24]。本研究结果也表明,当钾肥用量增加至 90 kg/hm2后,水稻籽粒产量、生物产量和收获指数均呈下降趋势。主要是由于当钾肥用量超过作物所需时,会引起水稻拔节前吸钾比例较大,从而减少有效穗数,造成减产[25]

      • 表征农田肥料利用效率在国际上常用肥料养分回收率 (RE)、农学利用率 (AE) 和偏生产力 (PFP) 等3个指标[26]。分别从作物对施入土壤中肥料的回收效率、单位施肥量所增加的作物产量以及籽粒产量等3方面描述作物对肥料的利用效率。而肥料利用效率由产量和施肥量共同决定。较多的研究表明,随着施肥水平的提高,肥料利用效率均呈下降趋势[27-28],往往作物获得了最高产量施肥量,而肥料利用效率并不是最高[29]。本研究中,随着施钾量的增加,钾素表观回收率、农学利用率和偏生产力均呈下降趋势,以K30处理最高;而水稻产量随钾肥用量的增加先增后降,以K60处理最高。主要原因是K60处理的钾素投入量高于K30处理;而与K90、K120和K150处理相比,K60处理钾素利用效率和产量也有一定提高。这表明秸秆还田下适宜的施钾量虽然会使钾素利用效率有所降低,但可提高水稻产量,而钾肥投入不足虽使得钾肥利用效率较高,但是以获得较低的作物产量和耗竭土壤肥力为代价获得的。而过量施钾不仅无法进一步提高产量,还使钾肥利用效率显著降低。因此应综合考虑产量和土壤养分状况等因素,以获得较高的产量和避免耗竭土壤养分,减少钾肥的损失[30-31]

      • 作物生长发育所需钾素主要来自于土壤,土壤是植物生长的养分“库”。而施用钾肥是补充土壤钾库储量和供钾能力的重要途径。由于土壤养分含量的高低取决于农田多年养分平衡状况的累积[32],因此钾素管理是否合理,除了要考虑产量、经济效益和肥料利用效率等指标外,土壤供钾能力变化和农田钾素平衡状况也应作为钾肥施用是否合理的重要依据。肖克等[33]指出,单施化肥钾条件下,当前推荐钾肥用量并不能弥补作物收获带走的钾量,使土壤钾素耗竭[34],而增加钾肥用量虽然可以减少土壤负表观钾平衡,但不能获得较高的收益和钾素利用效率。因此,利用秸秆钾素资源,是解决土壤钾素亏缺最有效的途径[35]。但是,单施秸秆并不能维持土壤钾素收支平衡,秸秆还田需配施一定量的钾肥才可使土壤钾素处于平衡或盈余状况[9,15,36-37]。本研究发现,与试验起始时相比,在秸秆还田下不施钾肥处理 (K0) 和低施钾量处理 (K30) 由于钾素移走量高于钾素投入量,土壤钾素表观平衡表现为亏缺状态,并降低了土壤速效钾含量;当钾肥用量增加至60 kg/hm2,水稻5年平均钾素移走量占钾素投入总量的99.5%,钾素投入与支出基本保持平衡,土壤速效钾含量与试验起始时相近;而当钾肥用量增加至90 kg/hm2后,钾素投入总量远高于水稻对钾素的需求,使土壤钾素表观平衡呈盈余状态。可见,秸秆还田的意义在于只能替代部分化肥钾,减缓土壤钾素耗竭。虽然东北地区土壤含钾丰富[32],在速效钾亏缺状态下,土壤缓效钾还可不断转化为速效钾,维持土壤速效钾库平衡,但长期钾素亏缺会造成农田钾素库容减少,土壤供钾能力下降。因此在水稻养分管理中,需要在秸秆还田下增施适量化学钾肥,维持土壤钾的供应能力。

      • 目前,确定肥料适宜用量大多用施肥量与作物产量拟合,利用二次多项式模型、线性加平台模型、二次型加平台模型、指数模型和平方根模型等计算推荐施肥量[38],但这些模型均缺乏对土壤养分变化和农田养分收支平衡状况的考虑。推荐施肥量虽然可获得最高的籽粒产量或经济效益,但却不能确保农田养分收支平衡,具有一定局限性。因此推荐施肥量应同时关注作物的产量效应、土壤养分变化和农田养分收支平衡等方面。张君等[39]以作物产量、土壤无机氮含量和氮素平衡等作为氮肥推荐的依据,提出的氮肥投入阈值可实现作物高产和降低土壤氮素损失量的双重目标。本研究对钾肥用量与钾素盈余率拟合发现,两者呈极显著的线性关系,因此用盈余率与水稻产量、土壤速效钾含量和钾素利用效率的关系确定钾肥用量更为合理。本研究中,盈余率与水稻产量、土壤速效钾含量和钾素利用效率均呈极显著的二次、线性和指数相关,当盈余率为0时,钾肥用量为53.1 kg/hm2,籽粒产量为10035 kg/hm2,0—20和20—40 cm土壤速效钾含量分别为103.04和91.56 mg/kg,钾素表观回收率、农学利用率和偏生产力分别为40.4%、21.2 kg/kg和202.2 kg/kg;其结果与实际最高产量处理 (K60) 间相近。由此可确定适宜钾肥用量为53.1 kg/hm2,以理论盈余率为0时施钾量的95%作为置信区间,计算施钾范围在50~56 kg/hm2。在该施钾范围内既可获得较高的水稻产量又能维持土壤钾素收支平衡,可作为秸秆还田下钾肥适宜用量依据。

        本研究通过5年定位试验确定的适宜施钾量,可作为秸秆还田下一种兼顾产量与环境效益的优化施钾阈值。但本研究中秸秆还田量为当前该区域水稻秸秆平均产量水平,而不同区域的秸秆产量必定存在差异。因此,在不同秸秆还田量下,钾素养分管理应以区域平均适宜施钾量为基础,并考虑不同秸秆量还田后带入的秸秆钾素与养分平衡情况,以此确定钾素用量。进而适当减少化学钾肥施用量,提高钾肥的利用率,增加农田系统的经济效益。

      • 在东北稻区秸秆还田下,施钾依然具有显著的增产效果,但当施钾量达到60 kg/hm2时,处理籽粒产量最高,再增加钾用量不会提高甚至在一定程度上降低水稻产量。施用钾肥可显著提高0—40 cm土壤中的速效钾和缓效钾含量,对全钾含量没有显著影响。但是当施钾量超过90 kg/hm2时,土壤速效钾和缓效钾含量没有显著增加。年施K2O 60 kg/hm2,土壤钾素处于平衡状态,5年后土壤速效钾和缓效钾含量与试验起始时没有显著变化。不施钾和年施K2O 30 kg/hm2,土壤钾素均处于亏缺状态。利用钾肥用量与钾素盈余率进行拟合,计算出试验条件下,K2O用量为53.1 kg/hm2时,盈余率为0,最佳施钾范围在50~56 kg/hm2

    参考文献 (39)
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