水稻油菜轮作下稻草还田和钾肥对土壤团聚体及钾素分布的影响

刘淑军，李冬初，黄晶，刘立生，吴丁，李照全，吴远帆，张会民

水稻油菜轮作下稻草还田和钾肥对土壤团聚体及钾素分布的影响

刘淑军1,2，李冬初1,2，黄晶1,2，刘立生1,2，吴丁3，李照全3，吴远帆4，张会民1,2

1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；2中国农业科学院衡阳红壤实验站/祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南祁阳 426182；3湖南省岳阳生态环境监测中心，湖南岳阳 414000；4湖南省土壤肥料工作站，长沙 410006

【目的】通过田间定位试验探究水稻-油菜轮作和水稻-冬闲模式下不同施肥措施对稻田土壤团聚体特性及团聚体钾素分布的影响，为我国南方水旱轮作区钾素资源可持续利用提供依据。【方法】利用始于2016年不同轮作模式钾肥定位试验，选取CK（F）（不施肥和冬闲）、NPK（F）（氮磷钾肥和冬闲）、NPK（R）（氮磷钾肥和冬种油菜）、NPK（SR+R）（氮磷钾肥配稻草还田和冬种油菜）、NP50%K（SR+R）（氮磷减钾50%配稻草还田和冬种油菜）5个处理，在试验第3年（2019年）于油菜收获后取0—20 cm土层土样，分析土壤团聚体组分以及团聚体组分中交换性钾和非交换性钾含量变化，并进一步探讨土壤团聚体稳定性及团聚体组分中钾素的分布规律。【结果】（1）所有处理均以＜0.053 mm团聚体组分最高。与NPK（F）相比，NPK（R）处理提高了1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm团聚体的比例，增幅为26.2%—82.6%，土壤团聚体的稳定性增加，＞0.25 mm团聚体组分比例、平均重量直径（MWD）和平均几何直径（GMD）显著提高了30.6%、31.2%和82.0%。水稻-油菜轮作模式下，稻草还田配施化肥（NPK（SR+R））比施化肥处理（NPK（R））显著提高了＞2 mm团聚体比例，增幅为69.7%。（2）所有处理土壤各团聚体组分中交换性钾含量随团聚体粒级的减小逐渐降低，水稻-油菜轮作模式下，稻草还田配施化肥（NPK（SR+R））比施化肥处理（NPK（R））显著提高了所有粒级团聚体组分的交换性钾含量，增幅为22.2%—46.0%。相比较NPK（SR+R），减钾处理（NP50%K（SR+R））显著降低了＞0.5 mm团聚体中交换性钾的含量，降幅为19.4%—20.6%。与水稻-冬闲下的化肥处理（NPK（F））相比，水稻-油菜轮作下3个施肥处理均降低了团聚体中的非交换性钾含量。（3）所有处理以＜0.053 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率最高。水稻-油菜轮作（NPK（R））比水稻-冬闲（NPK（F））显著提高了1—2和0.5—1 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率，增幅分别为82.6%、52.1%（交换性钾）和105.5%、36.9%（非交换性钾）。【结论】水稻-油菜轮作可提高MWD、GMD、大团聚体比例和大团聚体中钾对全土钾的贡献率，改善土壤结构。在该轮作模式下稻草还田配施化肥可提高所有粒级团聚体中交换性钾含量，改善稻田土壤钾素供应，但水稻-油菜轮作因需钾量高而降低了团聚体中的非交换性钾含量，应适当增加钾肥投入。

水稻-冬闲；水稻-油菜轮作；稻草还田；团聚体；土壤钾

0 引言

【研究意义】水旱轮作是我国重要的作物种植模式之一，以水稻-小麦和水稻-油菜轮作播种面积最大[1-3]。合理的水旱轮作能提高作物产量，改善农田生态环境[4]，还能改善土壤理化性状，降低土壤容重，有效阻止土壤次生潜育化和酸化[5]。水旱轮作区作物每年带走钾素210—360 kg·hm-2 [6]，且长期氮肥施用量高、磷钾肥施用量低导致水旱轮作区土壤钾素亏缺较为严重[7]。在我国现有的耕地中，大约有25%—30%的土壤缺钾或严重缺钾[8]，钾素缺乏已成为限制农业可持续发展的因素之一。因此，研究不同轮作下土壤钾素高效利用显得尤为重要。【前人研究进展】土壤团聚体作为土壤结构的基本单元[9]，其组成及稳定性影响土壤养分在团聚体中的含量与分布，不同粒级团聚体其营养元素的保持、供应及转化能力等不同[10]。前人研究表明，土壤团聚体中速效钾的含量随团聚体粒级的减小先增加后降低，0.5—0.25 mm团聚体中速效钾含量最高，＞5 mm团聚体中速效钾含量最低[11]。同时，土壤团聚体组成及团聚体钾素分布受施肥方式和轮作模式影响。陈凤等[12]研究秸秆还田配施钾肥下水稻-油菜轮作土壤团聚体中钾素的分布特征，发现施钾处理明显提高水稻土0.5—1 mm团聚体比例，钾肥施用和秸秆还田均可提高所有粒级团聚体中速效钾含量，以＜0.25 mm团聚体提升效果最明显。陈轩敬等[13]研究长期施肥对紫色水稻土团聚体的影响，结果表明，与不施肥处理相比，各施肥处理均显著增加了土壤中水稳性大团聚体（＞0.25 mm）含量，以氮磷钾配施稻草还田的提升作用最明显，同时还显著提高了水稻土团聚体的稳定性。刘振东[14]研究粪肥配施化肥对褐土团聚体养分含量的影响，研究发现粪肥配施化肥显著提升褐土大团聚中（＞0.25 mm）的速效钾含量，显著降低了微团聚体（＜0.25 mm）中速效钾的含量。杨琼会[15]研究轮作对水稻土团聚体的影响，结果表明在秸秆还田和秸秆不还田下，水稻-油菜轮作的土壤稳定性均优于水稻-小麦轮作，该轮作模式下＞0.25 mm团聚体比例、MWD（平均重量直径）和GMD（平均几何直径）均显著高于水稻-小麦轮作。【本研究切入点】目前有关施肥方式和轮作模式对团聚体养分分布的影响，以有机碳和氮磷较多[16-20]，关于土壤团聚体钾素分布，尤其在不同轮作和施肥下对稻田土壤团聚体钾素分布规律影响缺乏深入研究，因此研究不同轮作和施肥措施下稻田土壤团聚体中钾素的分布特征对于合理施用钾肥以及土壤结构改良具有现实指导意义。【拟解决的关键问题】本研究以始于2016年的不同轮作模式钾肥定位试验为平台，分析不同轮作和施肥措施下稻田土壤团聚体特性、团聚体中不同形态钾素的变化特征，从而探明钾素在土壤团聚体中的分布规律。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究中的不同轮作模式钾肥定位试验于2016年开始，位于湖南省祁阳县官山坪村中国农业科学院红壤实验站（26.45° N，111.5232° E），该区海拔150—170 m，年均温度18℃，≥10℃积温5 600℃，年降水量1 255 mm，年蒸发量1 470 mm，无霜期300 d，年日照时数1 610 h。稻田土壤母质为第四纪红土，0—20 cm土层初始（2016年）理化性质为：土壤pH 7.0，有机质15.6 g·kg-1，全氮1.21 g·kg-1，碱解氮97.1 mg·kg-1，全磷0.54 g·kg-1，有效磷11.9 mg·kg-1，全钾19.2 g·kg-1，速效钾99.5 mg·kg-1，属中等偏下肥力水平[21]。

1.2 试验设计

本研究所选取的5个处理，分别为：（1）CK(F)（不施肥和冬闲）；（2）NPK(F)（氮磷钾肥和冬闲）；（3）NPK(R)（氮磷钾肥和冬种油菜）；（4）NPK(SR+R)（氮磷钾肥配稻草还田和冬种油菜）；（5）NP50%K （SR+R）（氮磷减钾50%配稻草还田和冬种油菜），其中F和R分别表示冬闲和冬种油菜，SR表示稻草还田。小区面积为8 m×4 m=32 m2，3次重复，随机区组排列。试验中水稻季和油菜季的肥料用量见表1。除第一年试验的水稻没有稻草还田外，之后的试验收获的稻草全量粉碎覆盖还田，油菜秸秆均不还田。

表1 水稻季和油菜季的肥料用量

CK(F)：不施肥和冬闲；NPK(F)：氮磷钾肥和冬闲；NPK(R)：氮磷钾肥和冬种油菜；NPK(SR+R)：氮磷钾肥配稻草还田和冬种油菜；NP50%K(SR+R)：氮磷减钾50%配稻草还田和冬种油菜。下同

CK(F): No fertilization and winter fallow; NPK(F): NPK fertilizer and winter fallow; NPK(R): NPK fertilizer and winter rapeseed; NPK (SR+R): NPK fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed; NP50%K (SR+R): 50% reduction of K fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed. The same below

氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用过磷酸钙（含P2O512%），钾肥用氯化钾（含K2O 60%）。水稻季氮肥分两次施用，基肥﹕追肥=6﹕4，磷肥100%作基肥在插秧前1 d施用，钾肥分两次施用，基肥﹕追肥=5﹕5，追肥在水稻移栽后10 d左右施用。油菜季氮肥分两次施用，基肥﹕追肥=2﹕1，磷肥、钾肥、硼肥100%作基肥在移栽成活后兑水施用，追肥在油菜抽薹期施用。水稻供试品种为华航31号，油菜供试品种为佳和1号。水稻于每年5月中上旬移栽，8月下旬收获，至油菜移栽前为休闲期，油菜于每年10月中下旬移栽，翌年5月中上旬收获，油菜收获后1周左右翻耕移栽水稻，水稻收获后2个月左右翻耕移栽油菜。水稻和油菜生长期间，进行适时除草和病虫害防治。

1.3 团聚体分级

2019年油菜收获后采集原状土样，每个小区用五点法随机采集0—20 cm耕层原状土样，放入硬质塑料盒，带回实验室进行团聚体分级。土壤团聚体分级采用湿筛法[22]。土样未完全风干时将土样根据土壤纹路掰成小块，初步风干后，将土壤过8 mm的筛子备用。每次称取50 g土样倒入土样筛组（2、1、0.5、0.25、0.053 mm），让土样均匀分布在最上层2 mm的土壤筛中，放入水桶中，然后将套筛固定到团聚体分析仪上，淹水静置10 min。以上下振幅3 cm、频率为30次/分钟振荡5 min。振荡完成后，土样筛取出沥干后，将各层筛子中的土样分别洗入烧杯中，依次获取＞2、1—2、0.5—1、0.25—0.5、0.053—0.25 mm的水稳性土壤团聚体，将筛桶中的水倒入离心管中进行离心后洗入烧杯中，获得＜0.053 mm粒级团聚体，最后将烧杯放入50℃的烘箱烘干、称重并计算各粒级团聚体的比例。

1.4 测定项目和方法

各粒级团聚体土样的交换性钾采用1 mol·L-1的中性NH4OAc浸提，非交换性钾采用1 mol·L-1的HNO3煮沸法测定的酸溶性钾量减去交换性钾含量计算，浸提液和消煮待测液中的钾含量采用火焰光度法测定[22]。

1.5 数据分析

采用团聚体平均质量直径（mean weight diameter，MWD）和平均几何直径（geometric mean diameter，GMD）来衡量团聚体稳定性。

式中，d为级土壤团聚体上下两级筛孔的平均值（mm）；W为级团聚体的比例（%）；M为级团聚体的质量（g）[23-24]。

各粒级团聚体中交换性钾对全土交换性钾的贡献率计算参考江春玉等[25]的方法，具体公式见下：

各粒级团聚体非交换性钾对全土非交换性钾的贡献率计算参考江春玉等[25]的方法，具体公式见下：

式中，()为级土壤团聚体中交换性钾对全土交换性钾的贡献率（%）；()为级土壤团聚体中非交换性钾对全土非交换性钾的贡献率（%）；EK和NEK分别为级土壤团聚体中交换性钾和非交换性钾的含量（mg·kg-1）。

土壤钾素表观平衡（kg·hm-2·a-1）=土壤钾素的输入（施入土壤的钾肥）-土壤钾素的支出（作物从土壤中携带走的钾素量） （6）

采用Microsoft Excel 2013处理数据，LSD法检验处理间的差异显著性（＜0.05），Origin 2020进行制图。

2 结果

2.1 不同轮作和施肥下稻田各级土壤团聚体的分布特征

各粒级团聚体的比例随粒级的减小逐渐增大，所有处理以＜0.053 mm的团聚体比例最高，＞2和1—2 mm的团聚体比例较低（表2）。水稻-油菜轮作（NPK(R)）较水稻-冬闲（NPK(F)）显著增加了1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm的团聚体比例，增幅分别为82.6%、54.2%和26.2%，但＞2和＜0.053 mm的团聚体比例显著降低。水稻-油菜轮作模式下，秸秆还田配施化肥（NPK(SR+R)、NP50%K(SR+R)）较化肥处理（NPK(R)）显著增加了＞2 mm团聚体的比例，增幅分别为69.7%和77.2%，降低了0.5—1 mm团聚体比例，降幅分别为26.1%和27.4%，其余粒级之间差异不显著。水稻-冬闲模式下，施肥处理（NPK(F)）比不施肥对照（CK(F)）显著增加了＜0.053 mm团聚体比例，降低了＞2和0.053—0.25 mm团聚体比例。

土壤团聚体分为＞0.25 mm大团聚体和＜0.25 mm微团聚体，一般来说，＞0.25 mm大团聚体是土壤中良好的土壤结构单元，大团聚体含量越多表示土壤团聚体越稳定，是土壤结构良好的表现[26]。水稻-油菜轮作（NPK(R)）较水稻-冬闲（NPK(F)）显著增加了＞0.25 mm大团聚体的比例，增幅为30.6%，降低了＜0.25 mm微团聚体的比例，降幅为27.8%，与其他处理之间差异不显著。

表2 不同轮作和施肥下稻田土壤各粒级团聚体的比例

表中数据为平均值±标准误。不同小写字母表示处理间在5%水平差异显著

The data are means±standard deviation. Different small letters above the bars mean significant differences among treatments at 5% level

2.2 不同轮作和施肥下稻田土壤团聚体的稳定性

平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）作为反映土壤团聚体大小分布情况的综合指标，MWD和GMD越大，表示土壤团聚体稳定性越强[27]。如图1所示，不同轮作和施肥显著影响土壤团聚体的稳定性。以NPK(R)处理的MWD和GMD最高，较NPK(F)处理显著提高31.2%和82.0%，与其他处理之间差异不显著。

2.3 不同轮作和施肥下稻田土壤各粒级团聚体中钾素的含量

从图2可见，各团聚体中交换性钾含量随团聚体粒级的减小逐渐降低，各粒级团聚体中的交换钾含量大体呈现出NPK(SR+R)、NP50%K(SR+R)、NPK(F)处理大于CK(F)和NPK(R)处理。与NPK(R)处理相比，NPK(SR+R)处理＞2、1—2、0.5—1、0.25—0.5、0.053—0.25、＜0.053 mm团聚体中的交换性钾含量分别增加了26.7%、46.0%、39.1%、36.8%、36.9%、22.2%，与减钾的NP50%K(SR+R)处理相比，NPK(SR+R)处理显著提高了＞2、1—2、0.5—1 mm团聚体中的交换性钾含量，增幅分别为25.2%、26.0%、24.0%。在水稻-油菜轮作模式下，稻草还田配施化肥能提高各粒级团聚体中的交换性钾含量，而减钾显著降低＞0.5 mm团聚体中的交换性钾含量。

不同小写字母表示处理间在5%水平差异显著。下同

图2 不同轮作和施肥下稻田土壤团聚体中交换性钾和非交换性钾含量

对于非交换性钾，不同轮作和施肥仅对0.25—0.5、＜0.053 mm团聚体中的非交换性钾含量产生了显著影响，对其余4个粒级团聚体中非交换性钾含量的影响不显著。各粒级团聚体大体以NP50%K(SR+R)处理的非交换性钾含量最低，NPK(F)处理最高。水稻-油菜轮作下3个施肥处理＜2 mm团聚体中的非交换性钾含量均低于水稻-冬闲下的化肥处理（NPK(F)），其中NP50%K(SR+R)处理0.25—0.5、＜0.053 mm团聚体中的非交换性钾含量比NPK(F)处理分别显著降低了17.1%、14.2%。

CK(F)和NPK(F)处理之间、NPK(F)和NPK(R)处理之间所有粒级团聚体中的交换性钾和非交换性钾含量均无显著差异。

2.4 不同轮作和施肥下稻田各粒级土壤团聚体中钾含量对全土钾的贡献

在稻田土壤各团聚体中钾对全土钾的贡献率中，＜0.053 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率明显高于其他粒级的团聚体（图3）。和NPK(F)处理比较，NPK(R)处理显著增加了1—2、0.5—1 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率，其中对全土交换性钾的贡献率分别提高了82.6%、52.1%，对全土非交换性钾的贡献率分别提高了105.5%、36.9%。与CK(F)处理相比，NPK(R)处理＞2 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率则显著降低。轮作模式可提高0.5—2 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率，降低＞2 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率，对＜0.5 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率无显著影响。

图3 不同轮作和施肥下稻田土壤团聚体中钾对全土钾的贡献率

3 讨论

3.1 土壤各粒级团聚体和稳定性

土壤团聚体是土壤结构的基本组成单元，也是肥力的重要载体，其组成和稳定性直接影响土壤理化性质[25,28]。在本研究中，红壤性水稻土以＜0.053 mm的团聚体比例最高，而＞2、1—2 mm的比例则相对较少，水稻-油菜轮作（NPK(R)）相对水稻-冬闲处理（NPK(F)）提高了0.25—2 mm团聚体比例，降低了＞2 mm团聚体比例，其＞0.25 mm大团聚体比例、MWD和GMD也显著高于水稻-冬闲，张鹏等[24]研究冬季不同种植模式对土壤团聚体的影响，结果表明冬种油菜处理的MWD和GMD比水稻-冬闲处理显著提高21.5%和83.3%，结果和本研究结果相似。轮作措施形成的微生物数量和种类较为丰富，微生物分泌产生的多糖等有机胶结物质胶结微团聚体形成大团聚体[29]，提高了＞0.25 mm大团聚体比例、增大了MWD和GMD，降低了＜0.25 mm小团聚体比例。水稻-冬闲模式下，施化肥（NPK(F)）和对照（CK(F)）之间、水稻-油菜轮作下两个秸秆还田配施化肥处理（NPK(SR+R)和NP50%K(SR+R)）之间的团聚体稳定性差异均不显著，说明化肥的施用和减量对土壤团聚体的结构影响不大。黄欠如等[30]研究了连续23年施肥后红壤性水稻土团聚体的特征变化规律，结果发现单施NPK化肥处理和CK处理相比，各粒级土壤团聚体都无明显差异，表明长期施用化肥对土壤团聚体的结构影响不大。

秸秆是一种重要的有机肥资源，长期秸秆还田能促进土壤团聚体形成，改善土壤结构[31-32]。据研究，长期秸秆还田能提高土壤＞0.25 mm大团聚体比例[33-34]，提高MWD和GMD。而在本研究中两个秸秆还田配施化肥处理（NPK(SR+R)、NP50%K (SR+R)）较化肥处理（NPK(R)）均降低了＞0.25 mm团聚体的比例，MWD和GMD也有所下降，处理之间差异不显著。分析可能与红壤性水稻土的土壤性质有关，本研究中供试土壤母质为第四纪红色土，含有较多的铁铝氧化物，有研究表明在有机碳含量不高且黏土矿物和铁铝氧化物含量较高时，团聚体的形成主要靠黏粒的内聚力和铁铝氧化物的胶结作用[35-36]。尤其在开垦时间不长、有机质含量较低的低肥力红壤水稻土中，铁铝氧化物对大团聚体的形成和稳定起重要作用[25]。本研究中的试验田为2013年新整理的水稻田，做了2年匀地试验后于2016年开展本试验，有机质含量不高（15.6 g·kg-1），肥力偏低，铁铝氧化物可能是影响该土壤团聚体稳定性主要因素，但随着种植年限的延长，土壤肥力的逐渐上升，有机碳将成为团聚体稳定性的主要胶结物质[37]。据张翰林等[34]研究，5年以内的秸秆还田对土壤MWD和GMD的改善效果不显著，随还田年限延长改善效果越明显。本研究从2016年开始到2019年取样只进行了2年的水稻秸秆还田，因此秸秆还田和化肥处理之间团聚体稳定性差异不显著。

3.2 土壤团聚体钾素分布

不同粒级的团聚体在营养元素的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用[10]。本研究中，稻田土壤各级团聚体中交换性钾含量随团聚体粒级的减小呈降低趋势，这与荣勤雷等[33]的研究结果一致。秸秆还田、耕作制度等相关农业措施均会对土壤团聚体的形成及稳定性产生影响[38]，进而影响土壤养分在团聚体中的分布。在本研究中，不同轮作和施肥对所有粒级团聚体中的交换性钾含量产生了影响，仅对0.25—0.5、＜0.053 mm团聚体中的非交换性钾含量产生了显著影响，可能因为土壤交换性钾是当季作物吸钾的主要来源，对不同施肥方式和轮作措施的响应最快，非交换性钾相对于交换性钾变化较小，比较稳定。雷永振等[39]研究了长期施肥对土壤钾素变化的影响，结果表明施钾处理均能提高土壤交换性钾和非交换性钾含量，但土壤非交换性钾的变化比交换性钾的变化小。本研究的结果表明，在水稻-油菜轮作模式下，稻草还田配施化肥提高了所有粒级团聚体组分中的交换性钾含量，在柳开楼等[40]、邢旭明[19]的研究结果中也提到有机肥的施用和有机无机配施均可提高土壤各级团聚体中交换性钾含量，其原因可能是有机质能显著影响钾的吸附量，土壤中有机质同黏粒结合，覆盖了钾的部分吸附位点，使钾吸附量减少，释放量增加，从而提高土壤中交换性钾含量[41]。因此，有机肥的施用是缓解土壤钾素缺乏的重要方式之一，有机肥投入可大大提高有效钾在土壤全钾中所占的比例，进而提高土壤钾素有效性[42]。

土壤中各形态的钾可以相互转化，钾的释放量提高，必然不利于钾的保持[43]，土壤交换性钾是作物吸钾的主要来源，当土壤交换性钾因作物吸收而耗竭后，在一定条件下，可从非交换性钾得到部分补充，因此，土壤交换性钾含量持续高，易耗竭土壤钾库，不利于可持续利用[44]。本研究中水稻-油菜轮作下3个施肥处理与水稻-冬闲下的化肥处理（NPK(F)）相比，土壤团聚体中的非交换性钾含量均有不同程度的下降，其中稻草还田配合减钾50%显著降低了0.25—0.5、＜0.053 mm团聚体中的非交换性钾含量，说明水稻-油菜轮作模式下，两季作物的收获带走大量钾素，致使交换性钾含量降低，土壤中钾的动态平衡被打破，此时，非交换性钾不断释放以维持交换性钾含量在适当的水平上，供作物吸收[45]，从而水稻-油菜轮作下土壤的非交换性钾含量降低。减少50%的化学钾肥投入使得交换性钾更加供不应求，秸秆还田在短期内（2年）也未达到培肥土壤的效果，因此该处理团聚体中的非交换性钾含量显著下降。

随着种植时间的延长，水稻-油菜轮作下的钾库易出现亏缺，从表3的结果可以看出，2017年除了CK(F) 处理以外，其余4个施肥处理的钾素均表现为盈余，2018年水稻-油菜轮作下2个处理（NPK(R)、NP50%K (SR+R)）的钾素均表现为亏缺，NPK(SR+R)处理在2018年的钾素虽然表现为盈余，但是相对于2017年来说，钾素表观平衡下降了65.9 kg·hm-2，和NPK (SR+R)处理一样，NPK(F)处理在2017和2018年均表现为盈余，但两年之间的变化量小于NPK(SR+R)处理，说明该处理每年带走的钾素量较稳定，该现象的出现和各处理产量提升效应有关。袁嫚嫚等[46]以水稻-油菜轮作田间长期定位试验为研究基础，结果发现与常规施化肥处理比较，秸秆还田配施化肥年均产量增加了17.5%—28.6%，随着产量的提高，带走的钾素也逐渐增加。因此在实际生产中长期种植两季作物需要充足的外源钾素才能保证土壤的钾素平衡，从而保障土壤钾库的可持续利用。

表3 不同轮作和施肥下稻田土壤钾素表观平衡

不同的轮作模式对土壤团聚体的养分分布产生影响[47]，各养分指标对不同轮作模式的响应也存在差异。张顺涛等[48]研究水稻-油菜轮作和水稻-小麦轮作对土壤团聚体养分分布的影响，结果发现水稻-油菜轮作下各粒级团聚体全氮含量显著高于水稻-小麦轮作，而两种轮作模式对相同粒级团聚体中有机碳含量未产生显著影响。本研究中，水稻-冬闲（NPK(F)）和水稻-油菜轮作（NPK(R)）对团聚体中交换性钾和非交换性钾含量均未产生显著影响。

本研究＞0.053 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率最高，水稻-油菜轮作提高0.5—2 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率，降低＞2 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率，团聚体中钾对全土钾的贡献率受团聚体组分的影响，团聚体组分所占比例高，该组分的贡献率也高[49]，和水稻-冬闲相比，水稻-油菜轮作提高了0.25—2 mm团聚体比例，降低了＞2 mm团聚体比例，该团聚体中钾素的贡献率也随之变化。

4 结论

经过2年的种植后，不同处理间稻田土壤的团聚体特性及团聚体中的钾素分布均表现出明显的差异。所有处理以＜0.053 mm的团聚体的占比最高。与水稻-冬闲（NPK(F)）相比，水稻-油菜轮作（NPK(R)）处理提高了0.25—2 mm团聚体的比例和0.5—2 mm团聚体中钾对全土钾的贡献率，土壤团聚体的稳定性增加。水稻-油菜轮作模式下，稻草还田配施化肥（NPK (SR+ R)）提高了＞2 mm团聚体的比例和所有粒级团聚体中的交换性钾含量，减钾（NP50%K(SR+R)）降低了＞0.5 mm团聚体中的交换性钾含量。与水稻-冬闲下的化肥处理（NPK(F)）相比，水稻-油菜轮作降低了团聚体中的非交换性含量。综上所述，水稻-油菜轮作可改善土壤结构，在该轮作模式下稻草还田配施化肥是提高稻田土壤团聚体钾素供应的重要措施，但此模式对钾素需求量高，在实际生产中应提高钾肥投入，保障土壤钾库的可持续利用。

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Effects of Straw Returning and Potassium Fertilizer on Soil Aggregate and Potassium Distribution Under Rapeseed-Rice Rotation

LIU ShuJun1, 2, LI DongChu1, 2, HUANG Jing1, 2, LIU LiSheng1, 2, WU Ding3, LI ZhaoQuan3, WU YuanFan4, ZHANG HuiMin1,2

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Hengyang Red Soil Experimental Station of Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Qiyang 426182, Hunan;3Yueyang Eco-Environmental Monitoring Centre of Hunan Province, Yueyang 414000, Hunan;4Hunan Soil and Fertilizer Station, Changsha 410006

【Objective】The study aimed to explore effects of different fertilization on paddy soil aggregate characteristics and potassium distribution under rapeseed-rice rotation and winter fallow by the located experiment test. It was hoped that the study would provide a basis for the sustainable utilization of potassium resources in paddy-upland rotation areas of Southern China. 【Method】Based on the location experiment of potassium fertilizer in different rotation patterns started in 2016, five treatments were selected, including CK(F) (no fertilization and winter fallow), NPK(F) (NPK fertilizer and winter fallow), NPK(R) (NPK fertilizer and winter rapeseed), NPK (SR+R) (NPK fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed), and NP50%K (SR+R) (50% reduction of K fertilizer with rice straw returning and winter rapeseed). The soil samples were collected from the 0-20 cm soil layer of each treatment after rape harvest of the third year for analysis of physical and chemical properties, such as soil aggregates distribution, and exchangeable and non-exchangeable potassium content variation in soil aggregates. The stability of soil aggregates and the distribution of potassium in aggregates were further investigated. 【Result】The soil aggregate fractions of all treatments was the highest in ＜0.053 mm. Compared with NPK(F), NPK(R) increased the proportion of aggregates of 1-2 mm, 0.5-1 mm and 0.25-0.5 mm by 26.2%-82.6% under the same fertilization treatment. Also the stability of soil aggregates was increased, the proportion of aggregates of ＞0.25 mm, mean weight diameter (MWD), and geometric mean diameter (GMD) were significantly increased by 30.6%, 31.2% and 82.0%, respectively. Under rapeseed-rice rotation, the proportion of aggregates of ＞2 mm was increased under NPK(SR+R), which was 69.7% higher than that under NPK(R). The exchangeable potassium content in soil aggregates decreased with decreasing particle size under all treatments. NPK(SR+R) significantly increased exchangeable potassium content in all aggregate fractions by 22.2%-46.0% compared with NPK(R) under rapeseed-rice rotation. NP50%K(SR+R) significantly reduced the exchangeable potassium content in aggregates of ＞0.5 mm by 19.4%–20.6% than NPK(SR+R). Compared with NPK(F), three fertilization treatments under rapeseed-rice rotation all reduced the non-exchangeable potassium content in aggregate fractions. Under all treatments, the contribution rate of different fractions of soil aggregates to the bulk soil in potassium was the highest in ＜0.053 mm. Compared with NPK(F), NPK(R) significantly increased the contribution rates of 1–2 mm and 0.5–1 mm aggregates to bulk soil in potassium by 82.6%, 52.1% (exchangeable potassium ) and 105.5%, 36.9% (non-exchangeable potassium), respectively.【Conclusion】The rapeseed-rice rotation could increase MWD, GMD, macroaggregate proportion and the contribution rate of macroaggregate to the bulk soil in potassium and improve soil structure. Under this rotation pattern, the chemical fertilizer combined with rice straw returning could increase the exchangeable potassium content in all aggregate fractions, which improved the potassium supply in paddy soil. However, the rapeseed-rice rotation reduced the content of non-exchangeable potassium in soil aggregates due to high potassium demand, and the input of potassium fertilizer should be appropriately increased.

rice-winter fallow; rapeseed-rice rotation; rice straw returning; aggregate; soil potassium

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.23.007

2021-10-19；

2021-12-06

国家自然科学基金（41671301，41807105）、国家水稻产业技术体系项目（CARS-01-83）

刘淑军，E-mail：liushujun@caas.cn。通信作者李冬初，E-mail：lidongchu@caas.cn。通信作者张会民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（责任编辑 李云霞）