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长期施钾对双季玉米钾素吸收利用和土壤钾素平衡的影响

柳开楼 黄晶 叶会财 韩苗 韩天富 宋惠洁 胡志华 胡丹丹 李大明 余喜初 黄庆海 李文军 陈国钧

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长期施钾对双季玉米钾素吸收利用和土壤钾素平衡的影响

    作者简介: 柳开楼 Email:liukailou@163.com;
    通讯作者: 余喜初, E-mail:yxchu@163.com
  • 基金项目: 江西省自然科学基金 (20192BAB203022);国家重点研发计划项目 (2016YFD0200101)

Effects of long-term potassium fertilization on potassium uptake, utilization and soil potassium balance in double maize cropping system

    Corresponding author: YU Xi-chu, E-mail:yxchu@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  玉米 (Zea mays L.) 生产需要投入大量的钾素营养。研究长期大量投入钾素对玉米钾素吸收利用以及土壤钾素平衡的影响,旨在保障该地区双季玉米的高产高效和土壤钾库平衡。  【方法】  红壤钾肥长期定位试验位于江西省进贤县,始于1986年,种植制度为一年两季玉米。试验处理包括不施肥对照 (CK),氮磷化肥 处理(NP),氮磷钾化肥处理(NPK),2倍量的氮磷钾化肥处理 (DNPK),氮磷钾化肥+有机肥处理 (NPKM) 和单施有机肥处理 (OM)。每季收获后,调查分析玉米产量和钾素含量,以及耕层土壤有效钾含量,计算玉米钾素吸收量、钾肥利用率、钾肥收获指数、钾肥农学效率和土壤钾素表观平衡;并以每10年为一个阶段,分析玉米产量、钾素吸收利用等指标及耕层土壤速效钾含量、钾素表观平衡等的变化规律。  【结果】  在试验的33年(1986—2018)间,NPK、DNPK、NPKM和OM处理的玉米年均产量和年均吸钾量均显著高于NP处理。在试验的第一个10年 (1986—1995年) 间,各钾肥处理间玉米产量和吸钾量无显著差异;而在第3个10年 (2006—2015) 和后3年 (2016—2018年) 间,NPKM处理的玉米年产量和年吸钾量分别比NPK处理提高了129.9%~246.7%和55.2%~62.1%。33年玉米的年均钾肥利用率以OM处理最高,而DNPK处理显著低于其他处理。在2006—2015和2016—2018年,NPKM处理的钾肥利用率显著高于DNPK处理,在2016—2018年间分别比NPK和DNPK处理显著增加了56.0%和119.2%。与NPK处理相比,1996—2005、2006—2015和2016—2018年间NPKM处理的年钾肥收获指数分别提高了61.6%、53.5%和35.8%,年钾肥农学效率分别增加了23.3%、227.8%和445.5%。除了1986—1995年间OM处理土壤钾素为亏缺外,其他施钾处理的土壤钾素均为盈余,NPKM处理的钾盈余量比NPK处理增加了53.2%~211.6%。钾素盈余量与耕层土壤速效钾含量显著相关 (P < 0.001),钾素盈余量每增加1 kg/hm2,2016—2018年间耕层土壤速效钾含量增加2.60 mg/kg,明显高于1996—2005和2006—2015年的1.40和1.18 mg/kg。  【结论】  除前10年的单施有机肥处理外,其他施用钾肥处理在试验期间土壤钾素均处于盈余状态,钾肥施用量和钾肥来源对玉米钾素的吸收量没有显著影响。试验20年之后,有机无机肥配施对玉米产量、吸钾量和钾肥利用率的提升优势逐渐凸显。同时,长期施用钾肥导致的钾素盈余量增加会进一步提升耕层土壤速效钾含量,且随着试验年限的延长,钾素盈余量对耕层土壤速效钾的提升作用逐渐增加。
  • 图 1  各试验阶段不同处理玉米周年籽粒产量

    Figure 1.  The annual grain yield of maize in each experimental period under different treatments

    图 2  各试验阶段不同处理玉米周年钾素吸收量

    Figure 2.  The annual potassium uptake of maize in each experimental period under different treatments

    图 3  钾素盈余与耕层土壤速效钾的相关关系

    Figure 3.  The relationship between potassium surplus and available potassium content in topsoil

    表 1  长期定位试验各施肥处理养分年投入量 (kg/hm2)

    Table 1.  The annual nutrient input of each treatment in the long-term fertilization experiment

    处理 Treatment代码 CodeNPK
    不施肥对照 No fertilizer input controlCK000
    氮磷化肥 Chemical NP fertilizerNP120260
    氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizerNPK12026100
    2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizerDNPK24052200
    氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manureNPKM30862184
    猪粪 Pig manureOM1883584
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    表 2  各试验阶段不同施钾处理玉米周年钾肥利用率 (%)

    Table 2.  The annual potassium use efficiency of maize in each experimental period under different K fertilization treatments

    处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
    NPK31.4 ± 11.8 a46.9 ± 13.2a35.7 ± 13.0 b28.9 ± 14.6 c
    DNPK17.7 ± 7.7 b29.2 ± 7.6 b25.1 ± 8.2 c20.6 ± 10.3 c
    NPKM18.3 ± 5.6 b27.2 ± 8.6 b34.6 ± 13.7 b45.1 ± 8.0 b
    OM51.9 ± 15.8 a59.6 ± 18.1 a62.9 ± 14.2 a67.0 ± 8.6 a
    注(Note):NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Different lowercase letters indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
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    表 3  各试验阶段不同处理玉米的周年钾肥收获指数 (%)

    Table 3.  The annual potassium harvest index of maize in each experimental period under different treatments

    处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
    CK19.96 ± 3.87 b24.84 ± 1.03 c18.40 ± 1.97 c20.19 ± 7.91 c
    NP25.49 ± 4.05 b22.41 ± 3.42 c25.73 ± 7.03 c27.58 ± 2.16 c
    NPK27.62 ± 3.73 b21.82 ± 2.33 c28.25 ± 5.15 c33.98 ± 5.74 c
    DNPK33.43 ± 2.32 a28.27 ± 2.50 b36.68 ± 1.52 b41.07 ± 2.74 b
    NPKM19.72 ± 4.44 b35.27 ± 3.14 a43.36 ± 3.06 a46.15 ± 1.02 a
    OM23.63 ± 3.03 b24.08 ± 3.79 c26.77 ± 1.22 c28.21 ± 2.87 c
    注(Note):CK—不施肥对照 No fertilizer control; NP—氮磷化肥 Chemical NP fertilizer; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
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    表 4  各试验阶段不同施钾处理玉米的周年钾肥农学效率 (kg/kg)

    Table 4.  The annual potassium agronomic efficiency of maize in each experimental period under different K fertilization treatments

    处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
    NPK23.00 ± 0.52 a29.74 ± 0.93 b12.92 ± 2.22 c10.69 ± 3.29 b
    DNPK18.69 ± 2.47 a31.19 ± 3.66 b19.72 ± 1.62 b15.44 ± 3.52 b
    NPKM20.91 ± 2.58 a36.68 ± 0.35 a42.35 ± 2.87 a58.31 ± 5.76 a
    OM13.09 ± 3.84 b21.43 ± 2.55 c47.83 ± 3.67 a52.30 ± 5.83 a
    注(Note):NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
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    表 5  各试验阶段不同处理钾素周年表观平衡量 (kg/hm2)

    Table 5.  The annual apparent potassium balance in each experimental period under different treatments

    处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
    CK–15.9 ± 4.6 c–14.9 ± 3.3 c–14.0 ± 4.0 d–14.7 ± 3.6 e
    NP–17.6 ± 3.9 c–19.2 ± 5.5 c–16.6 ± 4.8 d–14.3 ± 2.8 e
    NPK53.4 ± 11.7 b38.0 ± 13.2 b49.2 ± 12.9 b55.9 ± 14.6 c
    DNPK149.1 ± 15.4 a126.1 ± 15.1 a134.2 ± 16.4 a143.3 ± 20.5 a
    NPKM134.8 ± 10.2 a118.5 ± 15.8 a104.8 ± 25.0 a85.7 ± 14.6 b
    OM–33.0 ± 26.6 c18.8 ± 15.1 b16.1 ± 11.9 c12.7 ± 7.1 d
    注(Note):CK—不施肥对照 No fertilizer input control; NP—氮磷化肥 Chemical NP fertilizer; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2 倍氮磷钾化肥 Double chemical NPK fertilizer input; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
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    表 6  各试验阶段不同处理耕层土壤速效钾含量 (mg/kg)

    Table 6.  Available potassium content of topsoil in each experimental period under different treatments

    处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
    CK79.9 ± 9.3 c83.2 ± 8.9 c106.1 ± 63.9b77.3 ± 4.4 e
    NP72.9 ± 26.1 c84.7 ± 27.9 c147.6 ± 109.9 b73.3 ± 8.0 e
    NPK117.4 ± 24.5 a189.0 ± 88.6 b181.4 ± 53.8 b268.0 ± 27.1 c
    DNPK162.5 ± 62.5 a288.0 ± 75.5 a277.5 ± 67.0 a442.0 ± 53.0 a
    NPKM104.3 ± 26.9 a255.1 ± 50.4 ab233.4 ± 32.3 ab338.7 ± 8.8 b
    OM125.27 ± 20.6 a174.4 ± 49.3 b118.1 ± 31.8 b146.7 ± 5.0 d
    注(Note):CK—不施肥对照 No fertilizer input control; NP—氮磷化肥 Chemical NP fertilizer; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2 倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-10
  • 网络出版日期:  2021-01-21
  • 刊出日期:  2020-12-25

长期施钾对双季玉米钾素吸收利用和土壤钾素平衡的影响

    作者简介:柳开楼 Email:liukailou@163.com
    通讯作者: 余喜初, yxchu@163.com
  • 1. 江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心,江西南昌 330046
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 3. 中国农业科学院祁阳农田生态系统国家野外试验站,湖南祁阳 426182
  • 4. 中国农业大学土地与管理学院,北京 100010
  • 5. 湖南文理学院资源环境与旅游学院,湖南常德 415000
  • 基金项目: 江西省自然科学基金 (20192BAB203022);国家重点研发计划项目 (2016YFD0200101)
  • 摘要:   【目的】  玉米 (Zea mays L.) 生产需要投入大量的钾素营养。研究长期大量投入钾素对玉米钾素吸收利用以及土壤钾素平衡的影响,旨在保障该地区双季玉米的高产高效和土壤钾库平衡。  【方法】  红壤钾肥长期定位试验位于江西省进贤县,始于1986年,种植制度为一年两季玉米。试验处理包括不施肥对照 (CK),氮磷化肥 处理(NP),氮磷钾化肥处理(NPK),2倍量的氮磷钾化肥处理 (DNPK),氮磷钾化肥+有机肥处理 (NPKM) 和单施有机肥处理 (OM)。每季收获后,调查分析玉米产量和钾素含量,以及耕层土壤有效钾含量,计算玉米钾素吸收量、钾肥利用率、钾肥收获指数、钾肥农学效率和土壤钾素表观平衡;并以每10年为一个阶段,分析玉米产量、钾素吸收利用等指标及耕层土壤速效钾含量、钾素表观平衡等的变化规律。  【结果】  在试验的33年(1986—2018)间,NPK、DNPK、NPKM和OM处理的玉米年均产量和年均吸钾量均显著高于NP处理。在试验的第一个10年 (1986—1995年) 间,各钾肥处理间玉米产量和吸钾量无显著差异;而在第3个10年 (2006—2015) 和后3年 (2016—2018年) 间,NPKM处理的玉米年产量和年吸钾量分别比NPK处理提高了129.9%~246.7%和55.2%~62.1%。33年玉米的年均钾肥利用率以OM处理最高,而DNPK处理显著低于其他处理。在2006—2015和2016—2018年,NPKM处理的钾肥利用率显著高于DNPK处理,在2016—2018年间分别比NPK和DNPK处理显著增加了56.0%和119.2%。与NPK处理相比,1996—2005、2006—2015和2016—2018年间NPKM处理的年钾肥收获指数分别提高了61.6%、53.5%和35.8%,年钾肥农学效率分别增加了23.3%、227.8%和445.5%。除了1986—1995年间OM处理土壤钾素为亏缺外,其他施钾处理的土壤钾素均为盈余,NPKM处理的钾盈余量比NPK处理增加了53.2%~211.6%。钾素盈余量与耕层土壤速效钾含量显著相关 (P < 0.001),钾素盈余量每增加1 kg/hm2,2016—2018年间耕层土壤速效钾含量增加2.60 mg/kg,明显高于1996—2005和2006—2015年的1.40和1.18 mg/kg。  【结论】  除前10年的单施有机肥处理外,其他施用钾肥处理在试验期间土壤钾素均处于盈余状态,钾肥施用量和钾肥来源对玉米钾素的吸收量没有显著影响。试验20年之后,有机无机肥配施对玉米产量、吸钾量和钾肥利用率的提升优势逐渐凸显。同时,长期施用钾肥导致的钾素盈余量增加会进一步提升耕层土壤速效钾含量,且随着试验年限的延长,钾素盈余量对耕层土壤速效钾的提升作用逐渐增加。

    English Abstract

    • 中国长江以南的红壤丘陵区水热资源充沛,为种植玉米 (Zea mays L.)、花生 (Arachis hypogaea L.)、油菜 (Brassica campestris L.)、芝麻 (Sesamum indicum L.) 和大豆 (Glycine max L.) 等作物提供了良好的气候条件[1-2],近年来南方丘陵区的养殖业有序发展也助推了红壤丘陵区的饲用玉米迅速发展。玉米需钾量较高[3],而红壤地区土壤钾素有效性低、缺钾面积较大[4],保障玉米生产,科学的钾素养分管理显得十分重要。

      大量研究表明,施用钾肥和秸秆还田能显著提升玉米钾素营养供给[5-11]。但是,受土壤类型、轮作制度和气候等因素的影响,钾肥和秸秆还田提升土壤供钾能力的效果不一,但均有利于土壤钾素表观平衡量的增加[5-13]。在小麦 (Triticum aestivum L.) 玉米轮作条件下,长期进行化肥配施有机肥是提升红壤区作物钾素吸收的主要措施[14],然而,由于小麦玉米轮作模式在我国南方红壤区缺乏代表性,关于作物吸收的钾素对于籽粒产量的贡献 (钾素收获指数和钾素农学效率) 则缺乏深入分析,且作物的钾素表观平衡与耕层土壤速效钾的量化关系也不明确。因此,本研究基于种植制度为一年两季玉米的南方典型红壤区的长期定位施肥试验,分析不同钾肥和钾施用量下玉米的产量、钾素吸收利用率、收获指数和农学效率,以及耕层土壤速效钾和钾素的表观平衡等指标的变化规律,以期实现红壤钾素资源的可持续利用和玉米生产的高效益。

      • 红壤玉米长期施肥定位试验位于江西省南昌市进贤县张公镇红壤旱作物引育中心基地 (116°20′E,28°15′N),该地区属于亚热带气候,年均温和降水量分别为18.0°C和1537 mm,且7—8月份高温和干旱频发,季节性干旱特征明显。长期试验始于1986年,土壤类型为红壤 (成土母质为第四纪红黏土),试验前耕层土壤pH为6.0,有机碳为9.4 g/kg,全量氮磷钾含量分别为1.0、1.4和15.8 g/kg,碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为60.3、12.9和102.0 mg/kg。种植制度为一年两季玉米,春玉米和秋玉米的品种均为掖单13,每季的播种量为30 kg/hm2,株行距为30 cm和50 cm。其中春玉米和秋玉米的生育期分别为4—7月和8—11月,在每季玉米收获后,将玉米秸秆全部从小区中移除。

      • 长期试验包含6个施肥处理,分别为不施肥 (CK),施氮磷化肥 (NP),施氮磷钾化肥 (NPK),施2倍氮磷钾化肥 (DNPK),施氮磷钾化肥和有机肥 (NPKM,氮磷钾化肥用量与NPK处理相同,同时每季施用鲜猪粪15000 kg/hm2,含水量为70%,猪粪含N 20.9 g/kg、P 3.9 g/kg、K 9.3 g/kg和C 414.0 g/kg),单施有机肥 (OM,每季施用鲜猪粪15000 kg/hm2),每个处理3次重复,小区面积为22.2 m2。供试氮磷钾化肥为尿素 (N 46%)、钙镁磷肥 (P2O5 12.5%) 和氯化钾 (K2O 60%)。供试干猪粪中氮 (N)、磷 (P)、钾 (K) 和有机碳含量分别为20.9、3.9、9.3和414.0 g/kg。在每季玉米生产中,60%的氮肥和全部磷肥、钾肥、鲜猪粪在玉米播种前做基肥一次性施用,40%的氮肥在玉米出苗20天后做追肥施用。两季玉米施肥量和施肥方法相同,具体年养分投入量见表1

        表 1  长期定位试验各施肥处理养分年投入量 (kg/hm2)

        Table 1.  The annual nutrient input of each treatment in the long-term fertilization experiment

        处理 Treatment代码 CodeNPK
        不施肥对照 No fertilizer input controlCK000
        氮磷化肥 Chemical NP fertilizerNP120260
        氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizerNPK12026100
        2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizerDNPK24052200
        氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manureNPKM30862184
        猪粪 Pig manureOM1883584
      • 玉米收获后,每个小区单独收获,测定籽粒和秸秆产量,两季玉米籽粒产量之和为玉米周年籽粒产量。

      • 在每季玉米成熟期,每个小区随机采集3株玉米植株样品,籽粒和秸秆分开烘干、研磨,采用浓硫酸和双氧水消煮—火焰光度计法测定籽粒和秸秆的钾素含量[15],结合籽粒和秸秆产量计算植株的钾素吸收量。玉米周年钾肥利用率、钾素收获指数、钾肥农学效率[8]和钾素表观平衡量[13]计算公式如下:

        $ {KUE}_{T}=({KU}_{T}-{KU}_{0})/{KI}_{T}\times 100 {\text \%} $

        $ {KHI}_{T}=\left({KGU}_{T}\right)/{KU}_{T}\times 100{\text \%} $

        $ {KAE}_{T}=({GY}_{T}-{GY}_{0})/{KI}_{T} $

        $ {KB}_{T}=({KU}_{T}-{KI}_{T}) $

        式 (1)、(2)、(3) 和 (4) 中,KUETT处理的钾肥利用率,KUTT处理的钾素吸收量,KU0为不施钾 (NP) 处理的钾素吸收量,KITT处理的钾肥投入量;KHITT处理的钾素收获指数,KGUTT处理的籽粒钾素吸收量;KAETT处理的钾肥农学效率,GYTT处理的籽粒产量,GY0为不施钾 (NP) 处理的籽粒产量;KBTT处理的钾素表观平衡。

      • 在每年11月下旬 (秋玉米收获后),用不锈钢土钻采集0—20 cm的土壤样品,每个小区随机采集5个点混合成一个样品。带回室内风干研磨,采用醋酸铵浸提—火焰光度计法测定土壤速效钾含量[15]

      • 为系统比较不同时间阶段中各处理间的产量、钾素吸收量、钾肥利用率、钾素收获指数、钾肥农学效率、钾素表观平衡和耕层土壤速效钾含量的变化,分别计算了1986—1995、1996—2005、2006—2015年间的10年平均值以及2016—2018年间的3年平均值。

        所有数据均采用Excel 2010进行整理,采用SAS 9.1进行统计分析,采用LSD进行各处理间的方差分析,P < 0.05为差异显著。采用Origin 8.5进行绘图,其中钾素表观平衡与耕层土壤速效钾的量化关系采用线性方程进行拟合。

      • 长期施用钾肥显著改变了玉米产量 (图1)。与NP处理相比,试验33年间,NPK、DNPK、NPKM和OM处理的玉米年均产量分别提高了46.7%、104.1%、178.3%和106.2%,但不同阶段玉米产量变化规律不一。NPK处理的玉米产量在试验前20年 (1986—1995和1996—2005年) 显著高于NP处理,在后13年 (2006—2015和2016—2018年)与NP处理差异不显著;而NPKM、DNPK、OM处理的玉米产量始终显著高于NP处理。NPKM、DNPK处理的玉米产量在第一个10年 (1986—1995年) 与NPK处理无显著差异,在之后的23年间差异显著,在第3个10年(2006—2015)和后3年(2016—2018年)间,NPKM处理的玉米年产量比NPK处理提高了129.9%~246.7%。OM处理的玉米产量和NPK处理间在前20年差异不显著,在后13年显著差异,而且在最近的3年 (2016—2018年),NPKM处理的产量显著高于OM处理。因此,与NPK处理相比,NPKM和OM处理对产量的提升优势随施肥年限增加而逐渐凸显,结合施肥年限与玉米产量的拟合方程发现,33年间NPKM和OM处理的产量年均增速分别为174.2和128.0 kg/hm2

        图  1  各试验阶段不同处理玉米周年籽粒产量

        Figure 1.  The annual grain yield of maize in each experimental period under different treatments

      • 施用钾肥提高了玉米的钾素吸收量,且施肥时间越长,玉米对钾的吸收量越大 (图2)。与NP处理相比,33年间NPK、DNPK、NPKM和OM处理的玉米年均吸钾量分别提高了198.9%、261.4%、327.4%和286.6%。在试验前20年 (1986—1995和1996—2005年),不同钾肥处理间玉米吸钾量无显著差异;在2006—2015年间,NPKM处理的玉米吸钾量比NPK处理显著提高55.2%,NPKM、OM和DNPK处理间无显著差异;在2016—2018年间,NPKM和OM处理的玉米吸钾量分别比NPK处理显著提高了123.1%和62.1%,NPK和DNPK处理间则无显著差异。进一步分析发现,1986—1995、1996—2005、2006—2015和2016—2018年4个阶段,NPKM和OM处理对玉米吸钾量的提升优势逐渐增大,结合施肥年限与钾素吸收量的拟合方程发现,33年间NPKM和OM处理的钾素吸收量年均增速分别为1.9和0.5 kg/hm2

        图  2  各试验阶段不同处理玉米周年钾素吸收量

        Figure 2.  The annual potassium uptake of maize in each experimental period under different treatments

      • 不同时间阶段内,各处理的钾肥利用率变化趋势不同 (表2),其中OM处理的钾肥利用率最高,其次为NPK处理,DNPK处理则低于其他处理,而NPKM处理在前20年间与DNPK处理接近,试验20至30年间与NPK处理相似,试验后3年 (2016—2018) 则显著高于NPK处理。与DNPK处理相比,33年间OM和NPK处理的年均钾肥利用率分别提高了160.5%和54.3%。在1986—1995和1996—2005年间,均呈现出OM和NPK处理的钾肥利用率显著高于其它处理,DNPK和NPKM处理间则无显著差异。在2006—2015年间,虽然各处理仍表现出OM处理的钾肥利用率最高,但与NPK处理相比,NPKM处理的钾肥利用率无显著降低,DNPK处理则显著低于其他处理。在2016—2018年间,虽然NPKM处理的钾肥利用率显著低于OM处理,但NPKM处理的钾肥利用率则显著高于NPK和DNPK处理,增幅分别为56.0%和119.2%。这说明,随着施肥年限的增加,NPKM处理对玉米钾肥利用率的提升效果逐渐增强,结合施肥年限与钾肥利用率的拟合方程发现,33年内NPKM处理的钾肥利用率年均增速为1.1%。

        表 2  各试验阶段不同施钾处理玉米周年钾肥利用率 (%)

        Table 2.  The annual potassium use efficiency of maize in each experimental period under different K fertilization treatments

        处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
        NPK31.4 ± 11.8 a46.9 ± 13.2a35.7 ± 13.0 b28.9 ± 14.6 c
        DNPK17.7 ± 7.7 b29.2 ± 7.6 b25.1 ± 8.2 c20.6 ± 10.3 c
        NPKM18.3 ± 5.6 b27.2 ± 8.6 b34.6 ± 13.7 b45.1 ± 8.0 b
        OM51.9 ± 15.8 a59.6 ± 18.1 a62.9 ± 14.2 a67.0 ± 8.6 a
        注(Note):NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Different lowercase letters indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).

        在所有处理中,钾肥收获指数除了1986—1995年DNPK处理最高之外,其余时间段均以NPKM处理最高,1996—2005、2006—2015和2016—2018年分别比NPK处理提高了61.6%、53.5%和35.8%,33年间NPKM处理的钾肥收获指数年均增速为1.1% (表3)。除了NPKM处理之外,在1986—1995年间,其余处理均不存在显著差异;而在1996—2005、2006—2015和2016—2018年间均呈现出DNPK处理显著低于NPKM处理,但DNPK处理显著高于其他施肥处理的趋势。

        表 3  各试验阶段不同处理玉米的周年钾肥收获指数 (%)

        Table 3.  The annual potassium harvest index of maize in each experimental period under different treatments

        处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
        CK19.96 ± 3.87 b24.84 ± 1.03 c18.40 ± 1.97 c20.19 ± 7.91 c
        NP25.49 ± 4.05 b22.41 ± 3.42 c25.73 ± 7.03 c27.58 ± 2.16 c
        NPK27.62 ± 3.73 b21.82 ± 2.33 c28.25 ± 5.15 c33.98 ± 5.74 c
        DNPK33.43 ± 2.32 a28.27 ± 2.50 b36.68 ± 1.52 b41.07 ± 2.74 b
        NPKM19.72 ± 4.44 b35.27 ± 3.14 a43.36 ± 3.06 a46.15 ± 1.02 a
        OM23.63 ± 3.03 b24.08 ± 3.79 c26.77 ± 1.22 c28.21 ± 2.87 c
        注(Note):CK—不施肥对照 No fertilizer control; NP—氮磷化肥 Chemical NP fertilizer; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).

        不同钾肥施用处理显著影响玉米的周年钾肥农学效率 (表4),在1996—2005年间表现出NPKM处理显著高于其他处理,与NPK处理相比,1996—2005、2006—2015和2016—2018年间NPKM处理的周年钾肥农学效率分别增加了23.3%、227.8%和445.5%。结合施肥年限与钾肥农学效率的拟合方程发现,33年内NPKM处理的钾肥农学效率年均增速为1.4 kg/kg。单施有机肥处理对钾肥农学效率的影响在不同时间阶段差异较大,在1986—1995和1996—2005年间,均呈现出OM处理的周年钾肥农学效率显著低于DNPK和NPK处理;而在2006—2015和2016—2018年间,则表现出OM处理的周年钾肥农学效率显著高于DNPK和NPK处理的趋势。

        表 4  各试验阶段不同施钾处理玉米的周年钾肥农学效率 (kg/kg)

        Table 4.  The annual potassium agronomic efficiency of maize in each experimental period under different K fertilization treatments

        处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
        NPK23.00 ± 0.52 a29.74 ± 0.93 b12.92 ± 2.22 c10.69 ± 3.29 b
        DNPK18.69 ± 2.47 a31.19 ± 3.66 b19.72 ± 1.62 b15.44 ± 3.52 b
        NPKM20.91 ± 2.58 a36.68 ± 0.35 a42.35 ± 2.87 a58.31 ± 5.76 a
        OM13.09 ± 3.84 b21.43 ± 2.55 c47.83 ± 3.67 a52.30 ± 5.83 a
        注(Note):NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
      • 表5显示,在红壤双季玉米种植系统,单施猪粪在1986—1995年间土壤钾素表观平衡为亏缺,其余时间段为盈余;NPK、DNPK和NPKM处理一直为钾素盈余,但不同时间阶段的钾素盈余量略有差异。在1986—1995、1996—2005、2006—2015年间,DNPK和NPKM处理的钾素盈余量均显著高于NPK和OM处理,且DNPK和NPKM处理间无显著差异,与NPK处理相比,1986—1995、1996—2005、2006—2015和2016—2018年间DNPK处理的钾素盈余量分别增加了179.3%、231.7%、173.1%和156.3%,NPKM处理的钾素盈余量增幅分别为152.6%、211.6%、113.3%和53.2%。而在2016—2018年间,DNPK处理的钾素盈余量显著高于NPKM处理。同时,除了1996—2005年间NPK和OM处理间无显著差异之外,2006—2015和2016—2018年间,NPK处理的钾素盈余量均显著高于OM处理,增幅分别为205.1%和340.6%。因此,随着施肥年限的延长,NPKM处理的钾素盈余量逐渐降低,而OM处理的钾素盈余量则在2006—2018年间开始逐渐降低,结合施肥年限与钾素表观平衡的拟合方程发现,NPKM处理在33年间钾素盈余量的年均降幅为1.9 kg/hm2,OM处理在1996—2018年间钾素盈余量的年均降幅为0.4 kg/hm2。其余处理的钾素盈余量均无明显的变化。

        表 5  各试验阶段不同处理钾素周年表观平衡量 (kg/hm2)

        Table 5.  The annual apparent potassium balance in each experimental period under different treatments

        处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
        CK–15.9 ± 4.6 c–14.9 ± 3.3 c–14.0 ± 4.0 d–14.7 ± 3.6 e
        NP–17.6 ± 3.9 c–19.2 ± 5.5 c–16.6 ± 4.8 d–14.3 ± 2.8 e
        NPK53.4 ± 11.7 b38.0 ± 13.2 b49.2 ± 12.9 b55.9 ± 14.6 c
        DNPK149.1 ± 15.4 a126.1 ± 15.1 a134.2 ± 16.4 a143.3 ± 20.5 a
        NPKM134.8 ± 10.2 a118.5 ± 15.8 a104.8 ± 25.0 a85.7 ± 14.6 b
        OM–33.0 ± 26.6 c18.8 ± 15.1 b16.1 ± 11.9 c12.7 ± 7.1 d
        注(Note):CK—不施肥对照 No fertilizer input control; NP—氮磷化肥 Chemical NP fertilizer; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2 倍氮磷钾化肥 Double chemical NPK fertilizer input; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
      • 在不同时间段,施钾处理的耕层土壤速效钾含量均显著高于不施钾处理 (表6)。在所有施钾处理中,DNPK处理的耕层土壤速效钾含量最高,其次为NPKM处理,而NPK和OM则显著较低。与NP处理相比,33年间NPK、DNPK、NPKM和OM处理的耕层土壤速效钾含量分别提高了99.7%、209.1%、146.1%和49.1%。1986—1995年间,所有施钾处理均无显著差异;1996—2005和2006—2015年间,与NPK处理相比,DNPK处理的耕层土壤速效钾分别显著增加了52.4%和53.0%,而NPKM和OM处理则与NPK处理无显著差异;2016—2018年间,DNPK和NPKM处理的耕层土壤速效钾分别比NPK处理显著提高了64.9%和26.4%,且DNPK处理的耕层土壤速效钾也显著高于NPKM处理,但OM处理则比NPK处理降低了45.3%。这说明,随着试验年限的增加,DNPK和NPKM处理的耕层土壤速效钾含量持续增加,结合施肥年限与耕层土壤速效钾的拟合方程发现,DNPK和NPKM处理的耕层土壤速效钾年均增幅分别为9.5和8.2 mg/kg。

        表 6  各试验阶段不同处理耕层土壤速效钾含量 (mg/kg)

        Table 6.  Available potassium content of topsoil in each experimental period under different treatments

        处理 Treatment1986—19951996—20052006—20152016—2018
        CK79.9 ± 9.3 c83.2 ± 8.9 c106.1 ± 63.9b77.3 ± 4.4 e
        NP72.9 ± 26.1 c84.7 ± 27.9 c147.6 ± 109.9 b73.3 ± 8.0 e
        NPK117.4 ± 24.5 a189.0 ± 88.6 b181.4 ± 53.8 b268.0 ± 27.1 c
        DNPK162.5 ± 62.5 a288.0 ± 75.5 a277.5 ± 67.0 a442.0 ± 53.0 a
        NPKM104.3 ± 26.9 a255.1 ± 50.4 ab233.4 ± 32.3 ab338.7 ± 8.8 b
        OM125.27 ± 20.6 a174.4 ± 49.3 b118.1 ± 31.8 b146.7 ± 5.0 d
        注(Note):CK—不施肥对照 No fertilizer input control; NP—氮磷化肥 Chemical NP fertilizer; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; DNPK—2 倍氮磷钾化肥 Double amount of chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥+猪粪 Chemical NPK fertilizer+pig manure; OM—猪粪 Pig manure. 同列数据后不同小写字母表示同一试验阶段处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments in the same experimental period (P < 0.05).
      • 除了1986—1995年间之外,在1996—2005、2006—2015和2016—2018年间,钾素表观平衡均与耕层土壤速效钾呈显著的正相关关系 (P < 0.001),且可以用线性方程进行拟合 (图3)。通过拟合方程的斜率发现,在土壤缓效钾和矿物钾对速效钾的贡献以及玉米根茬还田等综合作用下,当钾素盈余量每增加1 kg/hm2,1996—2005和2006—2015年间,耕层土壤速效钾分别提高1.40和1.18 mg/kg;而在2016—2018年间,耕层土壤速效钾则提高2.60 mg/kg,明显高于1996—2005和2006—2015年间。因此,随着试验年限的延长,钾素盈余量对耕层土壤速效钾的提升作用逐渐增加。

        图  3  钾素盈余与耕层土壤速效钾的相关关系

        Figure 3.  The relationship between potassium surplus and available potassium content in topsoil

      • 在酸、粘、瘦、板的红壤上,长期施用钾肥可以显著提高玉米籽粒产量,但是,由于长期施用化肥下红壤酸化加剧[16],且土壤有机碳增加缓慢[16],从而导致氮磷钾化肥处理在试验10年后玉米产量显著低于有机无机肥配施处理。化肥用量最高的DNPK处理下,玉米产量在试验20年以后显著低于NPKM处理,这说明化肥用量过高不利于持续提高玉米产量,原因可能是过量的化学氮肥导致土壤酸化加剧,从而造成玉米减产。本试验地的长期监测数据表明,与不施肥相比,长期化肥施用下红壤的pH显著下降,而长期有机无机肥配施则显著提高了土壤pH[16]。与氮磷钾化肥处理相比,短期 (10~20年) 的有机无机肥配施处理对提高玉米产量、吸钾量和钾肥利用率的作用不显著;然而,随着施肥年限的增加 (大于20年),有机无机肥配施处理对产量的提升效果逐渐增强。这与前人[10-14]的研究结果相似。Huang等[17]通过拟合方程发现,长期有机无机肥配施下,玉米产量呈显著增加趋势 (单季玉米的年均增速为81~91 kg/hm2),这与本研究中有机无机肥配施处理下两季玉米产量的年增速 (174.2 kg/hm2) 基本一致,而化肥处理则无显著增加。这表明,有机无机肥长期配施可以有力保障红壤地区玉米产量的持续增加。原因一方面是由于有机无机肥长期配施增加了红壤速效氮磷钾含量,促进了作物根系生长,从而为作物的产量奠定了基础[18-20]。另一方面,长期有机无机肥配施通过增加土壤有机碳含量改善了土壤团聚体结构[2,21-22],提高了土壤抗蚀能力和水分养分库容,从而保障了土壤的养分供给能力,为作物高产奠定了基础[16,23]。同时,高磊等[24]研究表明,合理增加氮肥用量可以提高南方玉米茎鞘、叶片对穗钾的花后转运量,因此,本研究中有机无机肥配施处理中较高的氮投入量也是玉米产量较高的主要原因之一。

      • 与前人[19,24]的研究结果相似,施用钾肥提高了红壤区玉米的钾素吸收和利用。但是,由于化肥长期施用下红壤酸化对团聚体等特性的不利影响[1621-23],导致玉米生长受阻,因此,与有机无机肥配施处理相比,长期施用化肥处理的玉米钾素吸收量显著降低。而随着施肥时间的延长,有机无机肥配施处理下玉米钾吸收量、钾肥收获指数和农学效率的提升优势逐渐增大。结合拟合方程发现,33年间有机无机肥配施处理下玉米的钾吸收量、钾肥利用率、收获指数和农学效率年均增速分别为1.9 kg/hm2、1.1%、1.1%和1.4 kg/kg。这说明,有机无机肥配施下增加的玉米钾素吸收量除了储存在秸秆中之外,还进一步向籽粒中转移,从而保障了玉米高产所需的钾素吸收量。侯云鹏等[25]研究也表明,适宜的钾肥用量促进了钾素向玉米籽粒中的转运量和转运效率,但不同肥力等级下玉米高产所需的适宜钾肥用量存在一定差异。此外,钾肥施用时期也显著影响钾素在籽粒中的转运效率[26]。因此,在后续研究中,应进一步探讨不同土壤肥力水平和钾肥施用时期下红壤玉米钾素的吸收利用,从而为该地区玉米的高产稳产提供技术支撑。

      • 钾肥的投入和输出直接影响红壤玉米种植系统的钾素表观平衡[27]。在红壤双季玉米生产中,受作物吸钾量逐渐提高的影响,有机无机肥配施处理 (33年间) 和单施有机肥 (11~33年间) 的钾素盈余量均随着年限的延长而逐渐降低,其他化肥处理则无显著变化。这表明,有机肥施用对钾素盈余量的影响具有较强的持续性,主要与有机肥配施下作物产量和吸钾量的持续增加有关。但是,由于不同种类有机肥的钾素含量和施用量不一,因此,不同地区中单施有机肥对钾素表观平衡的影响差异较大。罗伟等[28]研究表明,单施沼液不能满足成都平原冲积性水稻土的钾素平衡,且随着沼液用量的提高,钾素亏损加剧。在安徽省的油菜和水稻轮作体系中,秸秆替代钾肥处理的土壤钾素虽然在第一个轮作周期时均处于亏缺状态,但随着秸秆还田年限增加,至第3个轮作周期时,土壤钾素均处于盈余状态[29]。在灰漠土上,农田常规施肥方式下的钾亏缺正在逐步加大,而高量化肥和有机肥配施处理下钾素匮缺量显著低于常规化肥处理[30]

        进一步研究发现,当钾素盈余量每增加1 kg/hm2,2016—2018年间耕层土壤速效钾的增幅可以提高2.60 mg/kg,显著高于1996—2005和2006—2015年间 (1.40和1.18 mg/kg)。可见,钾肥的长期施用对耕层土壤钾素供应能力的提升效果更为显著。这说明,在评估土壤钾素有效性时,应将土壤钾素表观盈余量作为重要参考,进而合理调控钾肥施用策略。然而,由于本研究未考虑土壤缓效钾向速效钾的转化和矿物钾的溶解等过程[31]以及玉米根茬的还田效果[32],从而导致钾素盈余量对耕层土壤速效钾的贡献值明显高于理论估测值。再加上作物对钾素的奢侈吸收和降水等因素导致的土壤钾素淋溶,钾素盈余对土壤速效钾的提升效果不会一直持续进行,周玲红等[33]通过模拟土柱试验表明,施钾条件下红壤的钾素淋溶量较高,累积降水量为7200 mm条件下,0—50 cm红壤土柱中钾素淋溶量占钾肥投入量的53.7%~98.3%,且土壤速效钾含量较高时,土壤的钾素淋溶量也较高。因此,在后续的研究中,应进一步聚焦红壤旱地的钾素流失风险,以期更加准确地评估钾素盈余量对土壤速效钾的贡献率。

      • 在南方红壤丘陵区,随着施肥年限的增加 (大于20年),有机无机肥配施处理对一年两季玉米的产量、吸钾量、钾肥利用率、钾肥收获指数和钾肥农学效率的提升效果逐渐增强。长期施钾显著提高红壤的钾素盈余量,并随着试验年限的增加,有机无机肥配施处理的钾素盈余量呈逐渐降低趋势。当钾素盈余量每增加1 kg/hm2,试验30年后的耕层土壤速效钾的增幅明显高于试验前期。因此,有机无机肥长期配施是南方红壤丘陵区玉米高产的关键措施,同时建议定期结合钾素盈余量合理调减钾肥用量,从而有效提高土壤钾素利用效率。

    参考文献 (33)

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