长期施钾对水旱轮作系统产量及土壤团聚体钾分布的影响

宋美芳　胡义涛　黄帅　何俊峰　陈佛文　邹家龙　李继福

摘要：【目的】研究长期施用钾肥对水旱轮作系统产量、土壤团聚体分布及有效钾含量的影响，探明水旱轮作系统中钾素在土壤团聚体组分中的分配规律，进而为土壤结构改良、钾库管理和钾肥合理施用提供理论依据。【方法】2011～2017年在湖北省江汉平原布置中稻—冬油菜轮作定位试验。试验选择氮磷肥（不施钾肥，-K）和氮磷钾肥（施钾肥，+K）处理，对比分析施用钾肥对中稻—冬油菜轮作系统的产量及不同深度土壤有效钾含量和团聚体分布产生的影响。【结果】轮作系统产量变幅受年份和施肥的双重影响，与不施钾肥处理相比，施用钾肥后水稻和冬油菜的年均增产量为0.51和0.33 t/ha，增幅分别达7.5%和14.1%。连续7年施用钾肥对土壤团聚体的垂直分布无明显影响，但可增加20～30和30～40 cm土层的水溶钾和速效钾含量及各粒级团聚体中速效钾含量。通过不同土层土壤团聚体速效钾的盈缺值计算得出，10～20和30～40 cm土层的土壤速效钾盈缺值变幅最明显。【结论】与2011年农田初始有效钾含量相比，2017年钾肥用量会导致农田钾素含量持续缓慢下降，因此，应重视秸秆还田和有機钾肥的补充，以维持轮作系统生产力和农田钾素平衡。

关键词： 水旱轮作；钾肥；产量；团聚体；有效钾

中图分类号： S532 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）06-1082-07

Abstract：【Objective】The effects of long-term potassium（K） fertilizer application on yields in paddy-upland rotation system， distribution of soil aggregate， and available K content were studied to ascertain the distribution rules of K in the soil aggregate components in paddy-upland rotation system， and then to provide theoretical basis for soil structure improvement， potassium pool management and reasonable application of K fertilizer. 【Method】Rice-winter oil rapeseed rotation experiments were carried out in Jianghan Plain， Hubei Province from 2011 to 2017. Two treatments namely， nitrogen phosphorus fertilizer（application without K fertilizer，-K） and nitrogen， phosphorus and potassium fertilizer（application of K fertilizer，+K） were selected in this study to make comparative analysis on the effects of K fertilizer application on the yields in rice-winter oil rapeseed rotation system， available K content and soil aggregate distribution at different soil depths. 【Result】The output in the crop rotation system was affected by both year and fertilization. Compared with the -K treatment， after application of +K treatment， the average annual yield increases of rice and winter oil rapeseed were 0.51 and 0.33 t/ha respectively， with the growing rates of 7.5% and 14.1%. The long-term application of K fertilizer（7 years） had no obvious effects on the vertical distribution of soil aggregates， but it could increase the water-soluble K content and available K content at soil layers of 20-30 and 30-40 cm， and the available K content in each size fraction aggregates. In addition， the amplitude of available K balance in the 10-20 and 30-40 cm soil layers were the most obvious through calculating the surplus-deficit of available K in soil aggregates at different soil layers. 【Conclusion】Compared with the initial available K content of farmland in 2011， the application rate of K fertilizer in 2017 will lead to a sustained and slow decline in the soil K content of the farmland. Therefore， it is suggested to pay attention to straw returning and the supplement of organic fertilizer to maintain the productivity of rotation system and K balance in farmland.

Key words： paddy-upland rotation； potassium fertilizer； yield； aggregate； available potassium

0 引言

【研究意义】水旱轮作是我国南方稻区普遍存在的种植制度，以水稻—小麦和水稻—油菜轮作模式为主。水旱轮作对于增加粮食产量、保障粮食安全具有重要意义（Timsina and Connor，2001；范明生等，2016）。钾是植物生长必需的营养元素之一，其参与植物体内酶的活化、氮素吸收和增强作物的抗逆性等生理过程。高产高效条件下，作物的钾吸收量远高于磷吸收量，与氮吸收量相当；尤其在环境胁迫条件下，作物的钾吸收量甚至超过氮吸收量，因此，钾素在维持现代高产优质农业中发挥重要作用（王筝等，2012）。研究土壤团聚体组分中钾素的分配對于指导土壤结构改良、钾库管理和钾肥合理施用具有现实指导意义。【前人研究进展】随着农作物新品种的推广和高产量需求的增加，以及粪便、秸秆等农村常见有机物料投入量的减少，部分农田钾素供应不足已成为制约作物优质、高产的主要因素（刘枫等，2014；石子建和李建辉，2015）。通常情况下，作物可从农田土壤和施入的外源钾肥中摄取钾素来满足自身生长发育需要，而这部分可被作物直接吸收和利用的钾被称为植物有效钾（或速效钾），包括土壤结构孔隙间的水溶性钾和土壤结构颗粒表面吸附的交换性钾（王筝等，2012）。土壤团聚体是构成土壤结构的基本单元，也是调控土壤水肥供应及养分存储的重要物质基础，农业生产中维持和改良土壤团粒结构有助于维持和提高有机质含量（聂晓刚等，2017）。土壤团聚体的粒径大小与分布直接影响土壤各种养分的供应效率，而施肥又是影响土壤团聚结构及其养分供应效能的重要措施（李文军等，2014；何瑞清，2016）。根据干筛法或湿筛法，土壤结构中的团聚体分为6级，分别为>5.00、2.00～5.00、1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50和<0.25 mm。相关研究表明，长期施肥有利于增加土壤>0.25 mm粒级团聚体含量及水稳性（李江涛等，2004；柳开楼等，2018）。目前，有关团聚体组分中的养分研究主要集中在耕层（0～20 cm）的碳、氮、磷等大量元素及镉、铅、铜等重金属元素（柳开楼等，2018）。【本研究切入点】关于钾素在0～40 cm土壤中的垂直分布和团聚体各组分中的含量，尤其长期钾肥施用措施下的分配规律尚不明确。【拟解决的关键问题】基于江汉平原长期施肥定位试验，选取氮磷肥配施和氮磷钾肥配施2个处理，于2017年油菜收获时采集0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层的原状土壤，分析不同土层深度团聚体组分中速效钾的含量变化，以期为我国南方水旱轮作区的钾肥合理施用和土壤供钾能力调控提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 试验点概况

钾肥肥效田间定位试验布置于湖北省江汉平原的荆州市川店镇双店村（东经112°6′，北纬30°36′，海拔75 m），田间土壤为河流冲积物形成的水稻土。定位试验始于2011年5月，采用中稻—冬油菜轮作制。试验前耕层（0～20 cm）土壤基本理化性质：pH 5.62、有机质含量27.3 g/kg、全氮含量0.75 g/kg、碱解氮含量145.8 mg/kg、有效磷含量8.4 mg/kg、非交换性钾含量474.2 mg/kg、交换性钾含量100.9 mg/kg；其土壤质地机械组成：砂粒6.8%、粉粒55.4%、黏粒37.8%；根据美国制标准属于粉质黏壤土（肖克等，2017）。

1. 2 试验方法

在钾肥肥效定位试验中选取2个处理，分别为施氮磷肥（不施钾肥，-K）和施氮磷钾肥（施钾肥，+K）处理，各处理3次重复。小区面积20 m2，所有小区均随机排列。除不施钾肥处理外，作物每季养分施用量均保持一致，即N 180、P2O5 90、K2O 120及硼肥15 kg/ha，均为该地区测土配方施肥推荐用量。供试肥料品种为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）、氯化钾（含K2O 60%）和硼砂（含B 11%）。

作物施肥方式：水稻季，氮肥50%作基肥，25%作分蘖肥，25%作孕穗肥；磷钾肥在水稻移栽前1 d全部作为基肥一次性施用；冬油菜季，氮肥60%作基肥，20%作越冬肥，20%作蕾薹肥；磷钾肥和硼砂在油菜移栽前1 d全部基施。

供试水稻和冬油菜品种均为当地主推品种，为鄂科1号和华油杂15号。田间生产管理按当地生产实践进行，并在适当时期进行病虫害防治。

2017年5月冬油菜收获后，采集2个处理中0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层的土壤样品。每个小区采集4个样点，按照“四分法”取1 kg带回实验室，风干备用，用于研究不同深度的土壤团聚体含量及速效钾分布。

1. 3 测定项目及方法

1. 3. 1 作物产量 每年各小区的水稻和冬油菜单打单收，计实产。

1. 3. 2 土壤团聚体分级 土壤团聚体分级采用湿筛法（鲍士旦，2007）：将钢筛从上到下、筛孔由大到小的顺序套牢，把各处理的200 g原状土样置于套筛上，放入水桶中，然后将套筛固定到团聚体分析仪的震荡架上，淹水静置30 min。以振幅3 cm、30 次/min的频率上下振荡5 min，将各级筛子上的土壤团聚体洗入烧杯中，50 ℃条件下烘干、称重，室温保存。依次获取>5.00、2.00～5.00、1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50和<0.25 mm粒径的土壤团聚体结构。

1. 3. 3 土壤各形态钾含量测定 土壤样品的水溶钾采用纯水浸提，并用火焰光度计测定其含量；土壤样品速效钾采用1 mol/L的NH4OAc溶液浸提，用火焰光度计测定其含量（鲍士旦，2007）。

1. 4 统计分析

试验数据采用Excel 2016进行计算处理，采用OriginPro 9.0 64bit进行方差分析，使用LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2. 1 施用钾肥对水旱轮作系统生产力的影响

由图1可知，在2011～2012年第1轮作期不施用钾肥条件，水稻和冬油菜的产量分别为6.96和2.83 t/ha。连续2年施用钾肥后，与不施钾肥处理相比，水稻并无显著的增产效果（P>0.05，下同），而经过3个轮作（2013年后），水稻产量增幅才有显著提高（P<0.05，下同）；施钾肥后，后茬作物冬油菜在2013年，即第2个轮作周期就表现出明显增产效果。与不施钾肥相比，连续施钾肥的水稻和冬油菜年均增产量分别为0.51和0.33 t/ha，增幅分别为7.5%和14.1%，尤其随着轮作周期的延长，施钾肥的增产效果越明显。表明在中高钾含量土壤上进行作物生产，经过3个轮作周期之后施钾肥才有明显的增产效果，且冬油菜增幅大于水稻。

2. 2 钾肥施用对土壤有效钾含量的影响

2017年油菜收获后对不同深度土壤的水溶钾和速效钾含量分析结果如图2所示。由图2-A可知，不施钾肥处理0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层的水溶钾含量分别为15.5、13.5、18.1和19.3 mg/kg，可见表层土壤的水溶钾含量低于底层土壤；施用钾肥可有效补充各土层的水溶钾含量，施钾肥处理比不施钾处理从表层到底层土壤依次分别增加3.3、1.7、3.5和4.5 mg/kg，增幅分别为21.5%、12.9%、19.5%和23.7%，且以10～20 cm土层水溶钾消耗最多，而30～40 cm土层水溶钾累积量最高。对于土壤速效钾含量，不施钾肥时，0～10和10～20 cm土层速效钾含量仅为51.3和50.7 mg/kg，比施钾肥处理分别显著减少21.5和13.7 mg/kg，随着土层的加深，两处理的速效钾含量差值逐渐减少，30～40 cm土层处理间无显著差异。

2. 3 钾肥施用对土壤团聚体分布的影响

由图3可知，不施钾肥条件下，随着土壤深度的增加，>5.00、2.00～5.00和1.00～2.00 mm 3种粒级的土壤团聚体所占比例略微降低，而<0.25 mm粒径的土壤团聚体所占比例则明显提高；0.50～1.00和0.25～0.50 mm 2种粒级的土壤团聚体比例的变化规律不明；同样，对于施钾肥处理，也存在类似的垂直分布规律。说明土壤各层团聚体分布状况主要受耕作条件的影响，而施用钾肥对其垂直分布的影响并不明显。与不施钾肥处理相比，在0～10 cm土层，施钾肥处理>5.00 mm粒级的土壤团聚体含量显著增加，其他粒级团聚体含量均有小幅下降，但处理间差异不显著；在10～20 cm土层，施钾肥处理0.50～1.00 mm粒级团聚体含量显著增加，其他粒径含量无显著差异。在20～30和30～40 cm土层，施钾肥和不施钾肥处理间各深度粒级团聚体比例均无明显差异。

2. 4 不同深度的土壤团聚体速效钾含量

由图4可知，不同粒级土壤团聚体中的速效钾含量有所差异。2个处理各土层团聚体中速效钾含量基本呈现相同的规律，即（<0.25、0.25～0.50和0.50～1.00 mm）>1.00～2.00 mm>（2.00～5.00和>5.00 mm），说明粒径越小，速效钾含量越高，反之，粒径越大，速效钾含量越低。与不施钾处理相比，施钾肥处理可增加各粒级团聚体中速效钾含量，且10～20和30～40 cm土层的土壤团聚体速效钾含量增幅最大，即10～20和30～40 cm土层土壤中>5.00、2.00～5.00、1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50和<0.25 mm粒级土壤团聚体的速效钾含量增幅依次分别为48.5%、43.1%、46.1%、29.6%、40.2%、45.6%和40.6%、52.4%、72.3%、22.8%、28.3%、29.0%，平均增幅分别为42.2%和40.9%；其次为20～30 cm土层的土壤团聚体速效钾含量，其增幅平均为22.9%；而0～10 cm土层的土壤团聚体速效钾含量的增幅最低，平均仅为4.1%，说明作物吸收的钾主要来自耕层小粒级团聚体。

2. 5 不同深度的土壤團聚体有效钾平衡

通过不施钾肥和施钾肥处理的团聚体及各粒级速效钾含量可得出团聚体速效钾的盈缺值（图5）。由图5可知，10～20和30～40 cm土层的土壤速效钾盈缺值变幅最明显，其次是20～30 cm土层。另外，不同土层各粒级团聚体的速效钾盈缺值存在显著差异，但规律并不明显。

3 讨论

3. 1 施用钾肥对水旱轮作产量的影响

充足的养分供应是提高作物产量、提升作物品质的重要措施（刘闯等，2016），而科学施钾肥可显著提高水稻、油菜和小麦等粮油作物的根系活力、增强叶片光合作用、促进碳氮吸收与转化，进而增加作物干物质量和钾累积吸收量（宁大伟，2010；肖克等，2017）。本研究结果显示，与不施钾肥处理相比，施钾肥处理的水稻和冬油菜的年均产量增幅分别为7.5%和14.1%，表明冬油菜的增产效果优于水稻。在当前生产条件下，长江流域施用钾肥后，水稻的产量增幅为8.2%；小麦和冬油菜的则分别为12.3%和18.0%（李继福等，2016）。说明旱地施用钾肥的增产作用明显高于水田。此外，作物的增产效果还与地力水平、温度、降雨和耕作方式等自然和人为因素有关。本定位试验土壤的初始（2011年）交换性钾和非交换性钾含量分别为100.9和474.2 mg/kg，属高钾供应水平的稻田。由图1可知，水稻前2个轮作施用钾肥均无增产效果，至第3个轮作周期才表现出明显的增产效果；冬油菜则在第2个轮作周期就表现出显著的增产效果。已有的有关区域田间氮磷钾肥效试验研究表明，钾肥对油菜和水稻的增产贡献率分别为11.5%和8.2%，而油菜和水稻对土壤钾素的依存率则分别达到75%和83%（王伟妮，2014；肖克等，2017）。因此，水稻对钾素的吸收利用主要来自土壤钾库，而油菜增产更依赖于外源化学钾肥的施用。

3. 2 施用钾肥对水旱轮作土壤钾的影响

土壤团聚体是土壤的重要组成部分及结构的基本单位，其形成和稳定主要通过土壤中各种胶结物质的胶结作用来实现（安婉丽等，2017）。土壤团聚体分布特征不仅受到自然环境的影响，还受到人为活动的严重干扰，如有机物料投入、土壤微生物活动、土地利用方式变化和耕作制度等（柳开楼等，2018）。從本研究结果（图3）来看，耕作措施对土壤团聚体在垂直方向上的分布发挥直接作用，而施用钾肥仅对0～10 cm土层大粒径颗粒有显著影响，其他土层和粒级团聚体比例均无明显变化。其原因可能与施用钾肥促进作物根系生长，增加了土壤浅层有机物料以及根部能够释放有机酸从而促进微粒团聚体黏合有关。相关研究也证实，与化肥投入相比，施用有机肥可显著促进土壤结构中微粒的团聚化作用，增加>1 mm水稳性团聚体含量，改变土壤团聚体的分布状况，且有机无机配施效果更明显（Rosolem and Calonego，2013；Tan et al.，2017；Zhang et al.，2017）。

虽然施用钾肥对土壤结构无直接作用，但可显著改变土壤有效钾含量及其分布。由本研究结果可知，连续7年施用钾肥显著提高了各土层的速效钾含量，但与土壤有效钾的初始值相比，长期钾素亏缺显著降低了土壤耕层速效钾含量，导致黏土矿物中原生含钾矿物如云母类、长石类和次生矿物如伊利石、绿泥石等矿物的风化速率加快，并伴随2∶1型膨胀矿物如蒙脱石的大量形成，从而影响土壤钾库对当季作物供钾的容量和强度（殷志遥等，2017）。不施钾肥时，随着作物种植年限的延长，土壤有效钾含量的消耗会日益严重，而施用推荐用量钾肥虽然可以有效提升土壤有效钾和缓效钾的含量，降低云母、钾长石等原生矿物的风化程度（Han et al.，2015；谢青等，2016），但并不能维持有效钾原有的水平，仅能缓解其下降速率，这在国内外众多研究中得到了普遍证实（Timsina and Connor，2001；Liu et al.，2011；肖克等，2017；柳开楼等，2018；Bellarby et al.，2018）。本研究结果得出长期钾素投入缺乏导致土层各粒级团聚体颗粒中的速效钾含量普遍降低，尤其是10～20 cm土壤的团聚体。土壤结构中的团聚体有效钾平衡将土壤团聚体各粒级所占比例与养分含量有效结合，可反映出各粒级团聚体养分对土壤总体养分吸收的贡献率，能更全面、客观地评估钾肥施用对土壤肥力的改善效果（安婉丽等，2017）。由图5可知，0～10 cm土层的速效钾平衡值变幅最好，表明作物吸收的钾主要来自表层土壤，另一方面也因为存在植物钾素奢侈吸收的现象，即施用钾肥越多，作物也就吸收的越多，导致施钾处理的土壤有效钾含量并不会显著提高。而由于钾离子的淋洗作用和土壤底层（20～40 cm）对作物吸收贡献较少，最终引起底层土壤钾素累积现象（李娜，2012；Yousaf et al.，2016；Bellarby et al.，2018）。因此，在区域性农业生产中，应以土壤供钾能力和作物产量水平来确定钾肥用量，围绕“大配方，小调整”的策略，并考虑秸秆还田带入的秸秆钾量，培肥地力，提高耕层土壤的有效钾含量，最终维持轮作系统生产力和农田钾素平衡，提高经济效益。

4 结论

与2011年农田初始有效钾含量相比，2017年钾肥用量会导致农田钾素含量持续缓慢下降，因此，应重视秸秆还田和有机钾肥的补充，以维持轮作系统生产力和农田钾素平衡。

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（責任编辑 邓慧灵）