稻麦轮作下长期秸秆还田和钾肥施用后效对水稻产量和土壤肥力的影响

袁国印　宋航　郇威威　卢殿君　陈小琴　王火焰

摘要：为研究秸秆还田后效对土壤肥力和作物产量的影响，在稻麦轮作下开展了长期钾肥施用和秸秆还田的田间试验，设置了秸秆不还田和不施用钾肥（CK）、秸秆还田（SR），只施用钾肥（K），秸秆还田和配施适量的钾肥（SR+K）。结果表明：与CK相比，经过秸秆还田（SR+K、SR）和施用K的处理水稻产量分别提高了17.83%、939%和796%;秸秆还田处理和钾肥处理的产量无显著差异;SR+K处理的水稻秸秆氮磷钾含量分别显著增加了789%、385%、152.8%，养分吸收量分别增加41.4%、49.2%和159.2%，氮肥偏生产力提高了17.87%;秸秆还田（SR+K、SR）的土壤，有机质、全氮、速效钾含量均显著增加，K处理的土壤养分没有显著变化。可知，对于粉沙壤水稻土，长期秸秆还田配施适量钾肥，可以维持土壤肥力，提高作物产量和提高氮肥的利用效率。

关键词：秸秆还田;水稻产量;养分含量;土壤肥力;氮肥偏生产力

中图分类号： S511.06文献标志码： A文章编号：1002-1302（2021）19-0117-06

钾素是作物生长过程所需的大量元素之一，在作物的产量形成和品质提升方面起着重要的作用。近些年来，氮磷肥的大量施用使作物产量大幅度提高，同时作物对土壤钾素的消耗量也逐渐增多。由于长期少施或者不施钾肥，致使土壤钾素长期处于匮乏状态，且土壤缺钾的程度逐渐加深。近年来，施用钾肥促进作物生长的效果日益显著，增施钾肥成为提高产量的重要措施之一^[1-2]。5年的定位试验表明，钾肥施用显著提高了早晚稻产量，并能促进水稻植株对钾素的吸收和积累，而连续不施钾肥，导致土壤亏缺程度逐年加重^[3]。

随着复种指数的增加，产量增加的同时作物秸秆量也逐年增加。稻草和小麦秸秆含有大量的氮、磷、钾等营养元素，是比较重要的生物质资源^[1，4]。在农业生产中，秸秆还田已成为一种重要的培肥土壤方式，合理有效的秸秆还田方式对水稻和小麦的生长和养分资源的高效利用具有重要意义^[5]。一些研究表明，长期秸秆还田后可以改变土壤的理化性状，增加土壤的有机质含量^[6]。连续的秸秆还田增加了土壤有机碳^[4，6-7]和有机氮含量^[8];谭德水等在河北省潮土的长期定位试验表明，小麦秸秆还田可以显著增加土壤速效钾含量，提高速效养分的供给，促进作物的生长和养分吸收，提高作物产量^[9]。秸秆还田配施适量的化肥可以有效减少氮磷钾肥的用量^[10]。邹文秀等研究表明，长期秸秆深施显著影响了土壤的容重、有机碳含量和氮、磷、钾养分含量，具有显著的后效^[8]。然而秸秆还田方式后效因土壤的性质、秸秆种类和系统的差异而不同。与单施化肥相比，秸秆还田配施化肥可增加产量31%^[11-13];秸秆还田配施氮肥，能增加冬小麦产量，还有一些研究表明高量的秸秆还田对作物增产的作用比少量秸秆还田的效果明显;还有研究表明秸秆还田对土壤碳库和土壤微生物的群落丰富有影响^[5，7，14];然而这些研究主要集中在水稻-油菜、水稻-水稻和水稻-玉米种植模式中^[15]，在水稻-小麦轮作系统中鲜有研究。秸秆还田可以更好地利用秸秆资源，替代一些化学肥料，减少肥料施用量和环境污染，增加经济效益和达到生态环境的持续发展，因此合理地利用秸秆资源具有重要的意义。

长江中下游地区是我国的主要稻作区，稻-麦轮作是该地区主要的种植制度之一。近年来，关于氮素与秸秆还田的调控研究多集中在土壤培肥、秸秆的腐解规律、土壤碳的固定和减排潜力的研究等方面。关于钾素营养条件下秸秆还田研究主要在双季稻、麦玉轮作、麦棉轮作或者单季作物模式方面^[16]，而对于稻麦轮作下的模式鲜有研究。一些研究表明，钾肥具有一定的后效性。Zhou等通过对棉花采用连续14年的推荐施钾量对后续玉米季的影响研究表明，残留的钾至少可以影响到玉米生长的第3季^[17]。稻季施用钾肥具有一定的后效性^[18]，然而稻麦轮作下钾肥的施用和秸秆还田的后效对于下季作物养分吸收和土壤肥力变化的研究相对较少。为此，本试验在长江中下游地区稻麦轮作系统下，开展了水稻和小麦秸秆还田和化肥钾施用后对土壤肥力、水稻产量及养分吸收利用的影响，以进一步明确秸秆还田和长期施用化肥钾的后效能否使土壤肥力维持，提高作物产量，促进氮、磷、钾养分吸收利用。 旨在为稻麦轮作系统长期秸秆还田配施钾肥的农田养分管理提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2012年6月至2018年10月在安徽省广德市邱村镇（31°03′N，119°27′E）进行。试验地点位于长江中下游地区，该地区属于亚热带季风气候，以冬小麦-水稻和双季稻为主要种植模式。2018年水稻试验期间的平均温度和降雨量见图1。试验开始前（2012年）农田耕层（0～20 cm）土壤的理化性质如下：土壤类型为粉沙黏壤土（沙粒含量241%，粉沙含量59.7%，黏粒含量16.2%），土壤pH值为56，有机质含量为21.8 g/kg，全氮含量为081 g/kg，全磷含量为0.46 g/kg，速效磷含量为 23.6 mg/kg，速效钾含量为55.2 mg/kg。

1.2试验设计

定位试验始于2012年6月（水稻季）。秸秆还田和钾肥施用后效试验在2018年6月开始，同年

10月底结束。试验采用随机区组排列，共包括4个处理：对照试验（秸秆不还田和不施用化肥钾，CK）、秸秆还田（水稻和小麦秸秆全量还田，SR）、钾肥施用处理（钾肥施用量略等于SR处理的钾含量，K）、水稻和小麦秸秆全量还田和添加适量的钾肥（SR+K）处理。小区面积30.15 m²（长、宽分别为6.7、45 m），每个处理4次重复。2012年6月至2018年6月，稻麦轮作系统下实行秸秆还田和钾肥施用，而且每个处理的氮磷肥用量保持一致;水稻氮肥、磷肥分别为180 kg/hm²（N）和90 kg/hm2（P2O5）;小麦氮、磷肥分别为120 kg/hm²（N）和 120 kg/hm²（P₂O₅），处理K和处理SR+K的水稻季和小麦季氮、磷肥分别为100、140 kg/hm2和40、50 kg/hm2钾肥施用量，所用氮肥品种为尿素（N含量46% ），磷肥为过磷酸钙（P₂O₅含量12% ），鉀肥为氯化钾（K2O含量60%）。磷钾肥作为基肥于水稻移栽前和小麦播种前1 d施入。2018年水稻季各处理只施用氮肥，无秸秆和磷钾肥施用。氮肥用量150 kg/hm²，氮肥按底肥 ∶追肥质量比=2 ∶1的比例施用，水稻的底肥在移栽前撒施，追肥在抽穗期撒施。水稻于2018年6月22日移栽，10月3日收获。各小区周围筑有田埂并覆盖有黑色农用膜，防止各小区间水分的漫灌和窜肥。供试水稻品种为武育粳24。在整个水稻生长过程中，所采用的田间管理及病虫害防治均依据当地标准。

1.3测定项目与方法

1.3.1水稻产量及植株养分测定在2018年水稻成熟时，每小区选取有代表性水稻植株6株，分为秸秆部分和籽粒部分，然后放置于网袋中于105 ℃杀青 0.5 h，75 ℃烘至恒质量，分别粉碎用于测定植株养分含量。秸秆和籽粒氮磷钾测定采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法，氮磷含量采用Smartchem200 化学分析仪测定，全钾含量采用火焰光度计测定;各小区产量采用整个小区全打全收的方式来测定，然后以含水量14%来计算产量。

1.3.2土壤养分含量测定在水稻收获第2天在每个小区按“S”形5点取样法采集耕层（0～20  cm）土壤样品，把每个小区的新鲜土壤混匀，自然风干然后分别过1 mm和0.25 mm筛。全氮、全磷（H₂SO₄-HClO4消煮，Smartchem200 化学分析仪测定）、铵态氮（靛酚蓝比色法）、硝态氮（紫外分光光度法）、速效磷（碳酸氢钠-钼锑抗比色法）、速效钾（醋酸铵浸提-火焰光度计法） 和有机质（重铬酸钾容量法）含量的测定方法均参照鲍士旦的分析方法[19]。

1.4数据统计分析

养分吸收量（kg/hm2）= 秸秆干质量×相应元素含量+籽粒干质量×相应元素含量。

氮肥偏生产力（kg/kg）= 水稻产量/氮肥施用量。

试验数据采用 SPSS 分析统计软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA），采用Duncans新复极差法（P<0.05）分析秸秆还田和钾肥施用后效对水稻产量、养分吸收量、氮肥偏生产力和土壤养分含量等的影响，并用 Origin 2019 b进行作图。

2结果与分析

2.1秸秆还田和施肥处理对后季水稻产量的影响

由图2可以看出，经过长期秸秆还田处理和化肥钾施用的处理，在本季水稻只施用氮肥的情况下，水稻产量差异显著。秸秆还田和钾肥施用增加了水稻的产量，其中SR+K处理产量最高，为 7.40 t/hm2，与长期不施钾肥和秸秆不还田的处理（CK）相比，增产幅度达17.83%;SR产量为6.87 t/hm²，增产幅度达9.39%;K产量为6.78 t/hm2，相比增产幅度为796%。表明秸秆还田和钾肥施用显著提高了水稻的产量，有一定的后效性。

2.2秸秆还田和施钾肥处理对后季水稻植株养分含量及生产率的影响

不同的处理措施对于水稻茎秆和籽粒养分含量的影响是有差异的。由表1可以看出，水稻籽粒氮、磷含量较高，而秸秆中钾含量较高。各处理的水稻秸秆中氮、磷养分含量的大小顺序依次为SR+K>SR>K>CK;而秸秆中钾含量则是SR+K>K>SR>CK;SR+K处理水稻秸秆中氮、磷、钾含量分别显著高于CK处理78.9%、38.5%和152.8%;籽粒中氮磷钾的养分含量没有显著差异。图3表明，在整个水稻季SR+K和SR处理氮磷钾的吸收量高于CK和K处理;其中，SR+K处理的氮、钾吸收量分别比CK高41.4%、158.8%;K处理钾吸收量显著高于CK，而氮吸收量与CK差异不显著。与CK处理相比，其他3个处理水稻磷的吸收量显著提高，其中SR+K处理磷吸收量最高，为28.8 kg/hm²，比CK增加49.2%;SR与K处理磷吸收量差异不显著，SR+K处理显著高于K、CK处理，整体表现为前期的秸秆还田促进了下季水稻的养分吸收，这表明秸秆还田通过培肥土壤，增加了土壤的养分含量，维持了土壤的生产力，进而促进作物的生长。

养分偏生产力常用来表观土壤基礎养分水平和肥料施用的综合效率。图4表明，在相同氮肥施用下SR+K、SR和K处理的氮肥偏生产力显著高于CK处理，提高的幅度分别为17.87%、9.46%和798%;SR和K处理的氮肥偏生产力没有显著差异。这也表明，秸秆还田和化肥钾的施用维持了土壤的基础肥力从而促进了氮肥的利用效率。

2.3秸秆还田和长期施用钾肥对后季水稻土壤养分影响

土壤肥力是农业生产的物质基础，为作物的正常生长提供所需要的养分，是土壤肥沃水平的重要表观指标。稻麦轮作系统中在长期的秸秆还田和化肥钾的施用下，在本季的水稻试验中各处理的土壤养分变化也产生了不同的差异。从表2土壤养分含量可以看出，与CK处理相比，K处理对土壤养分没有显著影响（速效钾含量除外），秸秆还田处理（SR+K和SR）显著提高了土壤有机质和总氮含量，提高的比例分别为18.7%、14.1%和14.6%、12.2%，SR+K处理还显著增加了土壤速效磷和速效钾含量。

2.4水稻产量和土壤养分的相关性

秸秆还田不但影响了作物产量，还改变了土壤理化性质和土壤养分含量。由表3可知，水稻的产量与土壤有机质、速效钾含量极显著相关（P<001），与速效磷含量显著相关（P<005），土壤有机质含量则与土壤速效钾、总氮和速效磷含量显著或极显著相关，速效钾含量与其他元素（速效氮含量和土壤总磷含量除外）相关性较强。可见在稻麦轮作系统中， 速效钾和有机质含量是影响作物产量的主要因素。在连续的稻麦耕作系统中，长期的秸秆还田提高了土壤有机质和速效钾的养分含量，进而提高了作物产量，增加了土壤的生产力。

3讨论

连续3年的秸秆还田显著增加了土壤有机质和全氮含量^[20]。王志勇等研究表明，长期的秸秆还田可以改善土壤的物理性状^[21]。谭德水等在河北省潮土的长期定位试验表明，小麦秸秆还田可以显著增加土壤速效钾含量10.2%^[9]。一些研究表明，有机肥的施用能减少NO-3-N的淋溶损失风险，有利于作物根系的生长。在本试验中长期稻麦轮作的耕作模式下的试验表明，在当季水稻季仅施氮肥的情况下，长期的秸秆还田使得不同处理土壤养分产生了明显的变化，SR+K和SR处理下耕层土壤有机质、总氮和速效钾含量显著提高（表2），这主要是因为长期的秸秆还田增加了土壤有机碳、氮素和补充了钾库，培肥了土壤。土壤有机质含量累积与大量秸秆施用有关，土壤氮含量的变化不但与化肥氮施用量有关，还与施用的有机氮有关。与CK相比，SR+K 增加了土壤总磷含量、速效磷含量，这可能是秸秆还田配施化肥钾处理增加了磷的投入量;与CK处理相比，其他处理速效钾含量均显著增加，主要是因为化肥钾和秸秆钾直接补充了钾素，使耕层土壤速效钾含量提高。土壤养分相关性结果表明，秸秆还田主要是通过增加土壤有机质、速效钾含量来提高土壤肥力（表3），从而维持土壤生产力，这与Chen等的研究结果^[4，9，11]一致。

提高土壤肥力是提高作物可持續生产力的关键因素。许多研究表明，秸秆还田和化肥均可以提高作物产量。秸秆还田配施适量的氮肥可以显著增加冬小麦的产量^[12];适宜的钾素供应水平有利于水稻结实率和收获穗数的增加，提高水稻的产量^[22-23]。本试验表明，化肥钾和秸秆还田的处理均显著增加了水稻的产量，其中秸秆还田配施化肥钾的处理增产幅度最大，达到了17.83%，其次是秸秆还田和化肥钾处理。这与在氮磷施肥的基础上，秸秆还田配施钾肥对作物产量的提高效果与鲍士旦等研究结果^[18，24]一致。秸秆富含氮磷钾等元素，秸秆还田不但可以提供作物生长所需要的养分，还可以改善土壤的一些理化性状，长期化肥钾的施用为作物提供了钾素^[12]。产量相关性表明，土壤的速效钾、速效磷和有机质含量对产量影响显著或极显著（表3）。Li 等研究表明，秸秆还田增加了土壤有机质、氮和速效钾等养分含量，提高了作物产量^{[1，12，19]}，这与本试验的研究结果一致。

源库是作物产量的决定因素^[25]，在作物的生长过程中，植株营养体的生长是作物产量的保障，而养分则是作物生长所需要的。养分的吸收量影响着作物产量和肥料利用率。土壤钾素的供应影响作物的籽粒和秸秆中钾素的相对含量^[26]，作物干物质积累，进而影响产量^[27]。钾肥的施用增加了作物秸秆钾素的吸收量，秸秆移除带走了大量的钾素^[16，22]。不同的土壤肥力不但影响水稻的产量，还影响水稻的养分含量、吸收量和养分利用效率。本试验结果表明，秸秆还田配施化肥钾处理的秸秆和籽粒部位的氮磷钾含量均是最高的，氮磷钾的吸收量也显著高于其他处理;化肥钾处理提高了水稻秸秆的钾含量和吸收量，同时增加了氮磷的吸收量。这与秸秆还田配施氮肥和秸秆还田配施钾肥对养分吸收量的研究结果^[24，28]一致。肥料养分的偏生产力可以反映肥料施用的一个指标效应。本试验表明，在同样的氮肥条件下，氮肥偏生产力的大小为SR+K>SR>K>CK，秸秆还田处理（SR+K和SR）和化肥钾处理显著提高了水稻的产量，其相应的氮肥偏生产力分别比CK提高了17.87%和946%。这主要是因为长期的秸秆还田提高了土壤的养分水平，促进了水稻养分的吸收。黄婷苗等研究结果^[12，28]与之相似。

4结论

秸秆还田配施适量钾肥后效能够影响水稻生长及对氮、磷、钾的吸收与利用。经过6年秸秆还田配施钾肥培肥的土壤，在当季单施氮肥的情况下，水稻的产量高达7.40 t/hm2，较对照提高了1783%，同时氮肥的偏生产力提高了17.87%，达到了49.3 kg/kg;通过提高土壤有机质、总氮、速效钾的含量培肥了土壤。在当前的稻麦轮作系统下，秸秆还田配施适量的钾肥可以有效地培肥土壤，利于作物的增产，提高氮肥偏生产力，有效维持了土壤的可持续生产力。

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基金项目：国家重点研发计划（编号：2018YFD02009、2018YFD0200901）;国家自然科学基金青年科学基金（编号：41907075）。

作者简介：袁国印（1985—），男，河南开封人，博士研究生，主要从事水稻和小麦高效施肥相关研究。E-mail：guoyin0310@163.com。

通信作者：王火焰，博士，研究员，主要从事作物养分管理相关研究。E-mail：hywang@issas.ac.cn。