紫云英与双季稻秸秆协同利用影响稻田土壤钾循环与平衡

张帆，杨茜

（湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙410125）

紫云英（Astragalus sinicus）是南方稻区最广泛种植和利用的冬季绿肥作物之一，同时也是很好的蜜源植物与重要的青贮饲料。国内学者们从冬种紫云英、紫云英翻压量上耦合水稻（Oryza sativa）氮肥管理及肥料运筹等方面开展大量研究［1−8］：证明冬种绿肥紫云英能改善稻田土壤质量、保证水稻稳产与高产、紫云英鲜草还田可替代水稻生产中部分化学氮肥。

湖南是长江中游双季稻的主产区，紫云英−双季稻轮作种植模式是该区典型的多熟种植制度。紫云英作为固氮贮碳作物，在湖南有研究表明紫云英还田能够替代部分化学钾肥［7］。在湖南祁阳的长期定位试验研究结果表明［9］：紫云英与双季稻轮作种植后，土壤粗黏粒有机碳与稻谷产量、土壤养分相关性最为紧密，但其与速效钾呈负相关关系；在湖南长沙的长期定位试验研究结果表明［10］：紫云英与双季稻轮作种植后，在紫云英种植季节里和稻田轮作周年里土壤均存在严重的钾亏缺现象。两长期定位试验从不同角度说明钾元素是水稻高产稳产的限制因子，紫云英−双季稻轮作种植模式中应注意对土壤钾元素的补充。同时，黄晶等［11］研究表明，紫云英与双季稻轮作种植后土壤速效钾含量明显降低，紫云英还田不能完全替代化学钾肥。湖南祁阳（始于1982 年）和湖南长沙（始于2004 年）两长期定位试验由于试验开始时的生产实践水平，均未考虑到当前及未来水稻机械化收割及水稻秸秆直接还田的发展趋势。绿肥和秸秆还田是维持地力和当前化肥替代的重要方式之一。在紫云英−双季稻轮作种植模式里绿肥紫云英与双季稻秸秆均原位还田，稻田土壤的钾循环与平衡及稻田作物前后茬之间钾养分互补的量化关系尚不明确，如果希望紫云英和双季稻秸秆协同利用能够替代部分化学钾肥，化学钾肥投入量的减少是在早稻季还是晚稻季？

因此，利用已开展了2 年的酸性红黄泥和碱性紫潮泥稻田上冬种紫云英与双季稻秸秆原地还田微区定位试验，采用投入产出法定量分析稻田各种植季（紫云英、早稻、晚稻）及稻田轮作周年的钾养分循环与平衡状况，明确“紫云英−双季稻”轮作模式前后茬钾养分互补的量化关系，探讨紫云英与双季稻秸秆协同利用下能否减少化学钾肥投入，以期为紫云英与双季稻秸秆协同利用下稻田钾养分运筹与管理以及绿肥紫云英在湖南双季稻田的推广应用提供科学参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与栽培管理

试验在湖南省土壤肥料研究所实验网室内进行，试验小区均为防渗水泥池，面积为2.26 m2，规格为169 cm（长）×134 cm（宽）×100 cm（高），四面及底部均严格密封，并具有良好排灌设备。试验从2016 年10 月种植紫云英开始，供试土壤为第四纪红黏土发育的红黄泥水稻土和河湖沉积物形成的紫潮泥水稻土。

红黄泥水稻土试验前耕层土壤基础理化性状为：土壤有机质32.11 g·kg−1，全氮1.98 g·kg−1，全磷0.68 g·kg−1，全钾12.69 g·kg−1，速效磷28.69 mg·kg−1，速效钾112.50 mg·kg−1，pH 为6.27。紫潮泥水稻土试验前耕层土壤基础理化性状为：土壤有机质33.52 g·kg−1，全氮2.22 g·kg−1，全磷0.93 g·kg−1，全钾21.95 g·kg−1，速效磷23.26 mg·kg−1，速效钾107.50 mg·kg−1，pH 为8.08。两土壤试验处理一致，包括3 个处理，分别为冬闲−双季稻即稻田冬闲（简称FRR）、紫云英−双季稻即冬种紫云英（简称MvRR）、紫云英−双季稻+稻草全量还田，即紫云英与水稻秸秆协同利用（简称MvRR+St），同一土壤下各处理小区采用随机区组排列，3 次重复。

冬季作物紫云英在晚稻收获10～15 d 前套播，紫云英品种为“湘紫1 号”，播种量为30.0 kg·hm−2；后作物（早稻）移栽种植前的2～3 周内，紫云英均被收获且全部翻压还田用作绿肥。早、晚品种分别为中早39 和深优9586。早稻移栽时间是在每年4 月的第4 周，晚稻是在每年早稻收获后第3 天移栽，移栽时间是在每年7 月的第2 周。早稻和晚稻的插植密度均为20.0 cm×12.5 cm。紫云英与水稻秸秆协同利用处理其早、晚稻收获后，人工模拟机械粉碎翻压稻草全量还田。

氮、磷、钾化肥分别用尿素（含N 量为46%）、过磷酸钙（含P2O5量为12%）和氯化钾（含K2O 量为60%）。施肥量为早稻：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 肥分两次分别在移栽前（70%）和分蘖盛期（30%）施用；磷全部做基肥施用，钾肥分两次分别在移栽前（50%）和分蘖盛期（50%）施用。基肥于插秧前一天施入，并立即用铁齿耙耖入表土下5 cm 深度。

1.2 样品采集与测定方法

紫云英翻压还田前，测定每小区鲜草产量，同时取鲜样0.5 kg 于105 ℃杀青1 h，75 ℃烘干至恒重，并测其生物量（即干物质），然后再磨碎测全K。紫云英植株样和紫云英种子全K 采用硫酸−过氧化氢消煮−火焰光度法测定［12］。

在2018 年的早、晚稻收获期，每重复小区随机取3 丛水稻测定其水稻植株地上部分（分水稻籽粒和秸秆）和地下部分的生物量（即水稻根）；同时测定植株样各部分的K 含量。对试验处理每小区单打单收测早稻、晚稻产量。水稻植株样K 含量的测定方法同紫云英植株样分析。

2016 年9 月（即试验开始前）和2018 年10 月26 日（即稻田轮作2 周年后对各处理每重复小区采样），依据S 形5 点采样法用内径20 mm 的土钻，采集耕层土壤，混匀风干，备用。土壤基础理化性状即全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质和pH 的测定方法参见《土壤农业化学分析方法》［12］。

土壤各形态钾含量的测定及计算方法为：水溶性钾（water soluble K）=蒸馏水浸提钾；非特殊吸附钾（non−specifically absorbed K）=0.5 mol·L−1醋酸镁浸提钾−水溶性钾；特殊吸附钾（specifically absorbed K）=1 mol·L−1醋酸铵浸提钾−醋酸镁浸提钾；非交换性钾（non-ex-changeable K）=1 mol·L−1硝酸浸提（消煮）钾−1 mol·L−1醋酸铵浸提钾；矿物钾（structural K）=全钾−硝酸浸提（消煮）钾。除用硝酸浸提钾时需要煮沸外，其余测定操作温度均为25 ℃，液土体积质量比为10︰1，浸提液中各形态钾含量均采用火焰光度计（Flame photometer 410，英国）测定［12］。

1.3 数据处理

试验结果均以处理的3 次重复分析的平均值表示，试验数据采用DPS 7.05 软件统计分析。不同处理之间多重比较采用Duncan 新复极差法。

2 结果与分析

2.1 紫云英与水稻秸秆协同利用对稻田土壤各形态钾的影响

稻田轮作2 年后，紫云英与水稻秸秆协同利用对两种典型稻田土壤各形态钾的影响见表1 。与冬闲和冬种紫云英处理相比，紫云英与水稻秸秆协同利用未影响红黄泥稻田土壤各形态钾（P＞0.05）。与冬闲和冬种紫云英处理相比，紫云英与水稻秸秆协同利用显著增加了紫潮泥土壤各形态钾的含量（P＜0.05）；紫云英与水稻秸秆协同利用处理土壤全钾和速效钾含量较冬种紫云英处理分别提高了4.3%、85.6%，其中土壤水溶性钾、非特殊吸附钾及特殊吸附钾的含量较冬种紫云英处理分别提高了134.0%、93.0%、73.4%。与冬种紫云英处理相比，紫云英与水稻秸秆协同利用提高了紫潮泥土壤4.9%的矿物钾含量（P＜0.05）。短期来看，紫云英与水稻秸秆协同利用有益于紫潮泥稻田土壤钾对当季作物的有效性和对作物的长期有效性；紫云英与水稻秸秆协同利用促进了紫潮泥土壤矿物钾向有效钾转化，有益于充分利用土壤自身供钾能力。

表1 紫云英与水稻秸秆协同利用对土壤各形态钾的影响Table 1 Effects of synergistic utilization of Chinese milk vetch and rice straw on different soil K forms in paddy soil

2.2 紫云英与水稻秸秆协同利用对各作物种植季经济目标产量及K 积累的影响

在紫云英−双季稻轮作种植模式里，紫云英与水稻秸秆协同利用对各作物种植季经济目标产量及K 积累的影响见表2。两种典型稻田土壤上，紫云英与水稻秸秆协同利用均显著提高了冬季绿肥紫云英全K 含量和K 吸收量（P＜0.05），但未影响其生物量（P＞0.05），其中红黄泥上紫云英全K 含量和K 吸收量分别增加了68.6%和91.0%，紫潮泥上紫云英全K 含量和K 吸收量分别增加了56.4%和81.2%。紫云英吸K 量紫潮泥土壤＞红黄泥土壤。

表2 紫云英与水稻秸秆协同利用处理对各作物种植季经济目标产量及K 含量的影响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

与冬闲和冬种紫云英相比，两种典型稻田土壤中紫云英与水稻秸秆协同利用处理未影响早稻籽粒K 含量、双季稻产量及水稻籽粒K 积累（P＞0.05）；紫潮泥稻田土壤中紫云英与水稻秸秆协同利用处理未影响晚稻籽粒K含量（P＞0.05）。与冬种紫云英处理相比，红黄泥稻田土壤中紫云英与水稻秸秆协同利用处理晚稻籽粒K 养分含量提高了11.0%（P＜0.05）。

2.3 紫云英与水稻秸秆协同利用对稻田土壤K 循环与平衡的影响

2.3.1 紫云英种植季稻田土壤K 循环与平衡 在紫云英种植季内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及平衡状况见表3。在紫云英种植季内，紫云英与水稻秸秆协同利用处理在红黄泥稻田土壤上存在K 盈余，但在紫潮泥土壤上存在K 亏缺；与冬种紫云英相比，紫云英与水稻秸秆协同利均能降低两种典型稻田土壤K 亏缺；冬种紫云英处理在两种典型稻田土壤上存在严重的K 亏缺现象。由此可见，在紫云英−双季稻轮作模式里紫云英与水稻秸秆协同利用有益于稻田土壤的可持续利用。

表3 紫云英种植季稻田土壤K 的输入输出Table 3 K input-output of two typical paddy soils system in Chinese milk vetch planting season（kg·hm-2）

2.3.2 早稻种植季稻田土壤K 循环与平衡 在早稻种植季内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及平衡状况见表4。此处K 输出主要是指各处理土壤系统中早稻植株吸收的钾量，其输入的差异取决于前茬绿肥紫云英输入的K 量。在早稻田目前的K 养分投入水平下，稻田冬闲处理在两种典型稻田土壤上均存在严重的K 亏缺现象；冬种紫云英处理和紫云英与水稻秸秆协同利用处理在两种典型稻田土壤上均存在K 盈余，且紫云英与水稻秸秆协同利用处理K 盈余量高于冬种紫云英处理。

表4 早稻种植季稻田土壤K 的输入输出Table 4 K input-output of two typical paddy soils system in early rice planting season（kg·hm-2）

2.3.3 晚稻种植季稻田土壤K 循环与平衡 在晚稻种植季内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及平衡状况见表5。此处K 输出主要是指各处理土壤系统中晚稻植株吸收的钾量。其输入的差异取决于前茬早稻植株地下部分和早稻秸秆所输入的K 量。在晚稻田目前的K 养分投入水平下，稻田冬闲处理和冬种紫云英处理在两种典型稻田土壤上均存在严重的K 亏缺；紫云英与水稻秸秆协同利用处理在两种典型稻田土壤上均存在K 盈余。

2.3.4 稻田周年K 循环与平衡 在整个紫云英−双季稻轮作周年内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及表观平衡状况见表6。稻田土壤系统K 元素的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。在稻田周年里目前的K 养分投入水平下，稻田冬闲和冬种紫云英处理在两种典型稻田土壤上均存在严重的K 亏缺；紫云英与水稻秸秆协同利用处理在两种典型稻田土壤上均存在K 盈余，其中红黄泥K 盈余量为401.15 kg·hm−2，紫潮泥K 盈余量为403.42 kg·hm−2。由此可见，紫云英−双季稻轮作种植模式里紫云英与水稻秸秆协同利用有益于K养分的收支平衡，减轻作物对土壤K 元素的消耗，维持土壤K 肥力的稳定。

表5 晚稻种植季稻田土壤K 的输入输出Table 5 K input-output of two typical paddy soils system in late rice planting season（kg·hm-2）

表6 稻田轮作周年K 的输入输出Table 6 K input-output of red yellow soil system in Chinese milk vetch -double cropping rice rotation pattern

与冬闲相比，冬种紫云英和紫云英与水稻秸秆协同利用处理均增加了两种典型稻田土壤K 归还量，说明绿肥紫云英和水稻秸秆还田有益于稻田生态系统K 地力的维持和K 的循环再利用。

3 讨论

土壤中各形态钾可以相互转化，其转化的方向、程度和速率受诸多因素影响［13］。外源性钾影响土壤钾元素的固定和释放，进而影响土壤系统中钾形态间相互转化的动态平衡［14］。紫云英与水稻秸秆协同利用显著影响了紫潮泥土壤各形态钾，未影响红黄泥土壤各形态钾，原因可能是碱性紫潮泥和酸性红黄泥土壤对水稻秸秆腐解过程中的N、P、K 养分释放产生不同的影响，有研究表明土壤类型及其土壤pH 值、氧化还原强度、养分状况均影响秸秆腐解过程中的养分释放［15−16］。红黄泥和紫潮泥耕层土壤中各形态钾的含量均表现为：矿物钾＞非交换性钾＞特殊吸附钾＞非特殊吸附钾＞水溶性钾，土壤中全钾主要以矿物钾形态存在，本研究结果与殷志遥等［17］的研究基本一致。短期的研究结果也表明：两种典型稻田土壤上紫云英与水稻秸秆协同利用处理均能有效改善紫云英K营养状况和促进紫云英的K 吸收。原因可能是：秸秆中的K 元素主要以离子态存在且很容易被溶解出来供植物吸收利用，冬种紫云英和水稻秸秆还田协同促进了下茬冬季作物紫云英吸收与利用了水稻季所施的K 肥［18］和晚稻秸秆中的K 元素；水稻秸秆还田补充了土壤K 库，而秸秆中养分释放速率的大小顺序为K＞P＞N［19］。紫云英−双季稻轮作种植模式里绿肥轮作倒茬效应及对水稻的增产作用应是由气候、土壤、施肥制度、耕作管理及水稻秸秆还田等因素共同作用的结果。前人研究表明紫云英与稻草协同利用对水稻增产效果优于紫云英或稻草单独利用［20］，稻草和绿肥联合还田能够提高水稻产量和提升土壤肥力［21］。

表观养分平衡法通过计算农田土壤养分投入与产出之差，得到农田土壤养分元素的盈亏量，是一种简便易行的判断土壤养分库状况的方法。从稻田各作物种植季及轮作周年的K 养分平衡状况和轮作2 周年后稻田土壤K养分含量来看，绿肥紫云英与双季稻秸秆协同利用能平衡双季水稻籽粒K 的携出量，有益于红黄泥和紫潮泥土壤K 肥力呈储积状态。早稻移栽种植前的2～3 周内，紫云英被收获且全部翻压还田用作绿肥。很多研究表明紫云英翻压还田后秸秆腐解过程前10～20 d 分解较快，且N、P、K 养分释放表现最快的是K 元素［11，22−23］，所以紫潮泥土壤冬种紫云英与水稻秸秆协同利用处理虽在紫云英种植季存在K 亏缺（K 亏缺量为12.55 kg·hm−2），但未影响作物前后茬K 养分的互补效应。

从两种典型稻田土壤K 平衡状况、水稻籽粒K 含量及K 积累的角度说明：紫云英替代双季稻生产中的部分化学K 肥应该是在绿肥紫云英与水稻秸秆还田协同利用的条件下能实现。周兴等［20］研究表明紫云英与水稻秸秆协同利用且晚稻留高茬还田冬种紫云英可以减少化学K 肥用量。稻田各种植季K 循环与平衡结果也表明：两种典型稻田土壤中早稻种植季的K 盈余量均高于晚稻种植季（红黄泥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，紫云英减少双季稻生产中的化学K 肥投入应该是在早稻季，紫云英−双季稻种植模式里K 肥的周年统筹技术层面，K 肥重点应施于晚稻上，但在实践层面，具体分配多少K 肥比例、早稻季减施多少K 肥及早、晚稻K 肥投入量确定，尚需更多的田间试验数据支撑。

4 结论

紫云英和双季稻秸秆协同利用影响酸性红黄泥和碱性紫潮泥稻田土壤K 循环与平衡。稻田土壤上冬种紫云英与水稻秸秆协同利用可以作为一项补充土壤K 元素、缓解土壤K 元素产投不平衡的有效手段。