刘磊^,1, 廖萍¹, 邵华², 刘劲松¹, 杨星莲¹, 王静¹, 王海媛¹, 张俊³, 曾勇军¹, 黄山^,1,*1江西农业大学教育部江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室, 江西南昌 330045
²江西省土壤肥料技术推广站, 江西南昌 330046
³中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081

Interactive effects of liming and straw return on apparent soil potassium balance in a double rice cropping system

LIU Lei^,1, LIAO Ping¹, SHAO Hua², LIU Jin-Song¹, YANG Xing-Lian¹, WANG Jing¹, WANG Hai-Yuan¹, ZHANG Jun³, ZENG Yong-Jun¹, HUANG Shan^,1,*1Ministry of Education and Jiangxi Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, Jiangxi, China
²Jiangxi Soil and Fertilizer Technology Extension Station, Nanchang 330046, Jiangxi, China
³Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

通讯作者: * 黄山, E-mail:ecohs@126.com

收稿日期:2020-08-28接受日期:2021-06-16网络出版日期:2021-07-19

基金资助:

国家自然科学基金项目(31701383) 国家重点研发计划项目资助(2016YFD0300903) 国家重点研发计划项目资助(2018YFD0301102)

Corresponding authors: *E-mail:ecohs@126.com
Received:2020-08-28Accepted:2021-06-16Published online:2021-07-19

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China(31701383) National Key Research and Development Program of China(2016YFD0300903) National Key Research and Development Program of China(2018YFD0301102)

作者简介 About authors
E-mail:13657909609@163.com



摘要
土壤酸化和钾素亏缺是制约南方酸性稻田生产力持续提升的重要因素。施石灰和秸秆还田分别是改良土壤酸化和补充钾素的有效措施, 但二者对土壤钾素盈亏平衡的互作效应还不甚清楚。于2015—2018年, 在江西省上高县开展施石灰和秸秆还田两因素田间定位试验, 共设置4个处理: (1) 秸秆不还田, 不施石灰; (2) 秸秆不还田, 仅2015年施一次石灰; (3) 每季秸秆全量还田, 不施石灰; (4) 每季秸秆全量还田, 仅2015年施一次石灰。结果表明, 秸秆还田显著提高了水稻钾素吸收, 施石灰仅显著增加了2016年晚稻钾素吸收。施石灰和秸秆还田仅对2016年晚稻钾素吸收有显著正向互作效应。在秸秆还田下, 施石灰使2016年晚稻钾素吸收增加了25.7%; 而在秸秆不还田下无显著影响。试验进行4年后, 施石灰和秸秆还田对土壤全钾含量无显著影响。但4年土壤钾素表观平衡估算表明, 在秸秆还田下土壤总累积钾素表观平衡表现为盈余, 秸秆不还田下则为亏缺, 而施石灰对其无显著影响。施石灰和秸秆还田对土壤总累积钾素表观平衡有显著的互作效应。在施石灰和不施石灰条件下, 秸秆还田分别使土壤累积钾素平均表观盈余19.5 kg hm^-2 a^-1和29.0 kg hm^-2 a^-1。秸秆还田下土壤累积钾素平均表观盈余24.3 kg hm^-2 a^-1, 秸秆不还田下则平均表观亏缺185.8 kg hm^-2 a^-1。因此, 在酸性双季稻田上, 施石灰和秸秆还田配施能够协同实现土壤酸化改良和维持钾素平衡, 有利于持续提升双季稻田的生产力。
关键词： 秸秆还田;土壤酸化;双季稻;石灰;钾素表观平衡

Abstract
Soil acidification and potassium (K) deficit are two important factors limiting crop productivity in acidic paddy soils. Lime application and straw return are effective measures to alleviate soil acidification and improve soil K content, but their interaction effect on K balance is still unclear. A four-year field experiment including two factors (liming and straw return) was conducted in Shanggao, Jiangxi province from 2015 to 2018. Four treatments were arranged in this experiment: (1) Straw removal without liming; (2) Straw removal with lime application only once in 2015; (3) 100% straw return every season without liming; (4) Straw return combined with lime application only once in 2015. Straw return significantly improved rice K uptake, while liming only significantly increased K uptake in late rice in 2016. There were positive interactive effects between liming and straw return on K uptake in late rice in 2016. Liming significantly improved K uptake by 25.7% under straw return in late rice in 2016, but there was no significant effect under straw removal. Neither liming nor straw return significantly affected soil total K concentration. However, the apparent balance of soil K in four years indicated the apparent balance of soil total K was surplus under straw return, while it was deficit under straw removal not returning, and lime application had not significant effect on it. Straw return enhanced soil cumulative apparent K surplus by 19.5 kg hm^-2 a^-1 and 29.0 kg hm^-2 a^-1 with liming and without liming, respectively. Soil cumulative apparent K balance showed a surplus of 24.3 kg hm^-2 a^-1under straw return and a deficit of 185.8 kg hm^-2 a^-1under straw removal. In summary, lime application combined with straw return could simultaneously alleviate soil acidification and maintain K balance, which is conductive to continuously improve the productivity of double rice cropping in acidic paddy fields.
Keywords：straw return;soil acidification;double rice;lime;apparent potassium balance


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本文引用格式
刘磊, 廖萍, 邵华, 刘劲松, 杨星莲, 王静, 王海媛, 张俊, 曾勇军, 黄山. 施石灰和秸秆还田对双季稻田土壤钾素表观平衡的互作效应. 作物学报, 2022, 48(1): 226-237 DOI:10.3724/SP.J.1006.2022.02060
LIU Lei, LIAO Ping, SHAO Hua, LIU Jin-Song, YANG Xing-Lian, WANG Jing, WANG Hai-Yuan, ZHANG Jun, ZENG Yong-Jun, HUANG Shan. Interactive effects of liming and straw return on apparent soil potassium balance in a double rice cropping system. Acta Agronomica Sinica, 2022, 48(1): 226-237 DOI:10.3724/SP.J.1006.2022.02060


双季稻区温光水资源丰富, 是我国重要的粮食主产区之一, 对保障国家粮食安全具有重要地位^[1,2]。但由于背景土壤pH较低, 加之化学氮肥长期施用以及大气酸沉降等因素, 该区域农田土壤酸化严重^[3,4]。土壤酸化不仅制约水稻生长, 还会加速土壤K⁺的淋失^[5]。钾素是作物生长最重要的营养元素之一^[6,7]。作物对钾素的吸收主要来自于土壤, 而我国缺钾土壤总面积约为0.23亿公顷, 且在双季稻区土壤钾素亏缺更为严重^[8]。以江西为例, 近30年, 虽然农田土壤有机质、全氮和全磷含量增加, 但土壤pH和土壤全钾含量显著下降^[9]。因此, 明确如何在改良土壤酸化的同时提高土壤钾素含量, 对持续提升双季稻田生产力具有重要意义。

水稻秸秆含有丰富的有机质, 氮、磷、钾以及其他中微量养分^[10]。我国水稻秸秆还田当季可提供的钾肥(K₂O)约为499万吨, 水稻秸秆还田替代当季钾肥(K₂O)的潜力为153 kg hm^{-2 [11]}。而且, 我国是钾肥资源十分匮乏的国家^[11]。因此, 充分利用秸秆资源, 对满足我国水稻生产的钾素需求、维持土壤钾素平衡具有重要意义。大量研究也证实, 秸秆还田是保持土壤钾素平衡、提升土壤肥力的有效措施^{[12,13,14,15,16]}。但是, 秸秆还田对改良土壤酸化的作用有限^[17]。例如, 曾研华等^[18]研究表明, 长期秸秆还田并未显著提高土壤pH, 仅能减缓土壤酸化的速率。施用石灰被广泛应用于改良土壤酸化^[19], 但其不能直接补充钾素, 并且会导致土壤钾素失衡^[20]。一方面, 施石灰提高了作物产量和钾素吸收^[21,22], 可能会加剧土壤钾素亏缺。另一方面, 石灰含有的大量Ca²⁺竞争土壤胶体阳离子交换位点^[23], 可能会加剧土壤钾素通过地表径流、渗漏等途径损失。以往的研究大多仅关注施石灰或秸秆还田对土壤酸化改良和钾素平衡的单独影响^{[24,25,26,27]}, 对二者的互作效应鲜有报道。笔者假设, 秸秆还田配施石灰或可发挥二者各自的优势, 协同改善稻田钾素亏缺和改良土壤酸化。为此, 本研究开展石灰和秸秆还田两因素田间定位试验, 旨在探明二者对双季稻田土壤钾素表观平衡的影响及其互作效应, 为酸性稻田水稻丰产、土壤酸化改良和维持钾素平衡提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2015—2018年在江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村(28°31'N, 115°09'E)开展定位试验。所在区域属于典型亚热带气候, 年均降雨量1650 mm, 年均气温17.5°C。试验地周年种植制度为早稻—晚稻—冬闲。供试土壤是由第四纪红色黏土发育而成的水稻土。试验前(2015年)耕层0~15 cm土壤基本理化性状为: 容重1.1 g cm^-3、pH 5.2、有机质18.1 g kg^-1、全钾3.9 g kg^-1、全氮1.1 g kg^-1、全磷0.4 g kg^-1、速效钾64.0 mg kg^-1、碱解氮115.0 mg kg^-1、有效磷15.9 mg kg^{-1 [28]}。

1.2 试验设计

采用石灰和秸秆还田二因素完全随机区组设计, 共设置4个处理, 分别为: (1) 对照(CK), 不施石灰, 秸秆不还田; (2) 施用石灰处理(liming, L), 秸秆不还田。仅在2015年早稻翻耕前一次性施用2.1 t hm^-2熟石灰(Ca(OH)₂); (3) 每季秸秆全量还田处理(straw return, RS), 不施石灰。水稻收获后, 将秸秆切碎为约10 cm小段。早稻秸秆采用旋耕方式与土壤混匀, 晚稻秸秆均匀抛撒于土壤表层, 待翌年早稻耕作时, 采用旋耕方式与土壤混匀; (4) 每季秸秆全量还田配施石灰处理(L+RS), 秸秆和石灰施用量及施用方式分别与RS处理和L处理相同。2015年晚稻收获后石灰处理土壤pH平均为6.1, 之后石灰效应逐年下降, 2018年晚稻收获后土壤pH回落到5.2, 且处理间无显著差异^[28]。每个处理3次重复, 小区面积为25 m² (5 m × 5 m)。各处理化学氮、磷、钾肥类型、施用量及施用方式相同。早、晚稻钾肥采用氯化钾, 施用量均为K₂O 75 kg hm^-2; 氮肥采用尿素, 早、晚稻季施用量分别为纯氮120 kg hm^-2和150 kg hm^-2; 磷肥采用钙镁磷肥, 早、晚稻季施用量均为P₂O₅ 75 kg hm^-2。50%钾肥、50%氮肥和全部磷肥作基肥施用, 20%氮肥作分蘖肥施用, 剩余50%钾肥和30%氮肥作穗肥施用。

试验早、晚稻供试品种分别为常规籼稻中嘉早17和杂交籼稻五优308, 品种在4年间保持一致。早、晚稻均采用水育秧方式, 播种和移栽日期均已详细报道^[28]。早稻移栽密度和基本苗分别为13.2 cm × 23.1 cm和4株 穴^-1。晚稻移栽密度和基本苗分别为13.2 cm × 26.4 cm和2株 穴^-1。早、晚稻季田间水分管理模式均采用前期保持浅水灌溉, 中期排水晒田, 幼穗分化期再次复水, 抽穗后采用干湿交替灌溉直至收获前10 d左右断水。冬季休闲期田间水分自然落干。田间病、虫、草害防控措施参照当地高产栽培模式进行。

1.3 指标测定方法

1.3.1 生物量 在早、晚稻成熟期, 每小区调查120穴以计算有效穗, 按照平均数法各小区取5穴水稻, 将根系从基部剪除, 茎鞘、叶和穗分开, 置于105°C烘箱内杀青30 min, 调至70°C烘干至恒重。在秸秆还田处理下, 根据农户实际产量, 按照谷草比1∶1计算2015年早稻季秸秆投入量; 其他生长季秸秆投入量, 根据试验期间各小区成熟期茎、叶干重计算。

1.3.2 钾素吸收 将烘干后的植株机械粉碎, 过0.25 mm筛。采用H₂SO₄-H₂O₂消煮, 火焰光度法^[29]测定植株各器官钾浓度。并根据各器官干物质重和钾浓度计算地上部钾素吸收。在秸秆还田处理下, 参照2015年晚稻对照处理中茎、叶钾浓度和秸秆茎与叶重量比计算2015年早稻季秸秆钾素投入量; 其他生长季秸秆钾素投入量根据试验期间各小区成熟期秸秆茎、叶干重和钾浓度计算。

1.3.3 土壤钾素 晚稻收获后, 各小区采用五点法, 取0~15 cm耕层土壤样品, 自然风干后磨碎, 分别过0.25 mm和2 mm筛。采用NH₄OAc浸提, 火焰光度法测定土壤速效钾含量; 采用H₂SO₄-HClO₄消煮, 火焰光度法测定土壤全钾含量^[29]。土壤速效钾含量每年晚稻收获后测定, 土壤全钾含量仅在2018年晚稻收获后测定。

1.4 数据分析

稻田土壤钾素表观平衡^[30] (kg hm^-2)=钾素投入(肥料钾素、秸秆钾素)-地上部作物输出钾素。采用SPSS 18.0软件(SPSS Inc., USA)进行统计分析, 显著性水平为P < 0.05和P < 0.01。早、晚稻秸秆投入量和秸秆钾素投入量采用单因素方差分析。地上部生物量、钾素吸收、各器官钾含量、土壤速效钾、全钾含量和土壤钾素表观平衡采用石灰(L)和秸秆还田(RS)二因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 施石灰和秸秆还田对生物量和钾素吸收的影响

施石灰显著提高了2015—2017年的早稻生物量, 但在2018年无显著影响。施石灰显著提高了2015年和2016年晚稻生物量, 而在后2年无显著影响(图1-a, b)。除2017年晚稻季外, 秸秆还田显著提高了水稻生物量。施石灰和秸秆还田在2015年和2016年对晚稻生物量有显著的互作效应(表1)。在秸秆还田条件下, 施石灰使2016年和2016年晚稻生物量分别提高17.6%和32.8%; 而在秸秆不还田条件下, 增幅分别为2.8%和6.4%。

图1

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图1施石灰和秸秆还田对双季稻地上部生物量和钾素吸收的影响(2015-2018)

CK、L、RS和L+RS分别表示对照、单施石灰、秸秆还田、秸秆还田配施石灰。误差线表示平均值的标准误差(n = 3)。不同小写字母表示在同一年份不同处理间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 1Effects of liming and straw return on above-ground biomass and K uptake in the double rice cropping system from 2015 to 2018

CK, L, RS, and L+RS indicate control, liming, straw return, and straw return combined with liming, respectively. Error bars represent the standard errors of the means (n = 3). Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 among treatments in the same year.


Table 1
表1
表1施石灰(L)和秸秆还田(RS)对双季稻生物量和钾素吸收的影响(F值)
Table 1Effects of liming (L) and straw return (RS) on biomass and K uptake in the double rice cropping system (F-value)

年份 Year	变异来源 Source of variations	生物量 Biomass		钾素吸收 K uptake
		早稻 Early rice	晚稻 Late rice	早稻 Early rice	晚稻 Late rice
2015	石灰Liming (L)	8.42*	20.36**	0.68	1.38
	秸秆还田Straw return (RS)	11.92*	18.49**	33.23**	61.16**
	石灰×秸秆还田 L×RS	0.87	11.01*	5.10	1.36
2016	石灰Liming (L)	6.60*	24.93**	0.05	13.50*
	秸秆还田Straw return (RS)	23.45**	11.51*	64.70**	224.24**
	石灰×秸秆还田 L×RS	1.26	11.31*	3.77	19.49*
2017	石灰Liming (L)	24.41**	2.60	1.72	0.00
	秸秆还田Straw return (RS)	79.05**	0.09	265.32**	13.75*
	石灰×秸秆还田 L×RS	0.45	1.26	3.47	0.82
2018	石灰Liming (L)	0.25	1.56	2.10	0.32
	秸秆还田Straw return (RS)	153.99**	7.06*	190.98**	19.89**
	石灰×秸秆还田 L×RS	0.00	0.47	1.23	0.37

^*和^**分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平差异显著。
^*: P < 0.05; ^**: P < 0.01.

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施石灰仅显著增加了2016年晚稻钾素吸收。秸秆还田显著提高了水稻钾素吸收(图1-c, d)。施石灰和秸秆还田仅对2016年晚稻钾素吸收有显著的互作效应。在秸秆还田条件下, 施石灰使2016年晚稻钾素吸收增加了25.7%, 在秸秆不还田条件下无显著影响。

2.2 施石灰和秸秆还田对水稻植株各器官钾浓度的影响

施石灰显著降低了水稻茎的钾浓度, 但2018年除外。秸秆还田显著提高了水稻茎的钾浓度(图2-a, b)。施石灰和秸秆还田对2015—2017年早稻茎的钾浓度有显著互作效应(表2)。在秸秆还田条件下, 施石灰使2015—2017年早稻茎的钾浓度分别降低了2.4%、4.1%和12.4%; 在秸秆不还田条件下, 降幅分别为17.7%、16.3%和2.0%。施石灰仅显著降低了2016年早、晚稻叶的钾浓度。秸秆还田显著增加了水稻叶的钾浓度, 但2015年早稻季除外(图2-c, d)。施石灰和秸秆还田仅对2017年早稻叶的钾浓度有显著互作效应。在秸秆还田条件下, 施石灰使2017年早稻叶的钾浓度增加了15.7%; 但在秸秆不还田条件下, 施石灰使叶的钾浓度降低了15.5%。施石灰仅显著降低了2017年早稻穗的钾浓度。秸秆还田仅显著增加了2017年早稻穗的钾浓度(图2-e, f)。施石灰和秸秆还田仅对2016年早稻穗的钾浓度有显著互作效应。在秸秆还田条件下, 施石灰使2016年早稻穗的钾浓度降低了12.3%; 在秸秆不还田条件下, 降幅为7.5%。

图2

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图2施石灰和秸秆还田对双季稻各器官钾浓度的影响(2015-2018)

处理同图1。误差线表示平均值的标准误差(n = 3)。不同小写字母表示在同一年份不同处理间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 2Effects of liming and straw return on K concentration in various organs from 2015 to 2018

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Error bars represent the standard errors of the means (n = 3). Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 among treatments in the same year.


Table 2
表2
表2施石灰(L)和秸秆还田(RS)对双季稻各器官钾浓度的影响(F值)
Table 2Effects of liming (L) and straw return (RS) on K concentration in various organs (F-value)

类别 Type	年份 Year	变异来源 Source of variations	茎 Stem	叶 Leaf	穗 Panicle
早稻钾浓度 K concentration in early rice	2015	石灰Liming (L)	58.38**	4.21	1.80
		秸秆还田Straw return (RS)	89.86**	0.48	0.45
		石灰×秸秆还田 L×RS	32.82**	0.01	2.35
	2016	石灰Liming (L)	36.06**	49.27**	5.38
		秸秆还田Straw return (RS)	144.18**	25.16**	0.57
		石灰×秸秆还田 L×RS	10.80*	0.56	26.40**
	2017	石灰Liming (L)	43.70**	1.91	7.04*
		秸秆还田Straw return (RS)	404.41**	722.59**	18.83**
		石灰×秸秆还田 L×RS	26.92**	98.61**	0.77
	2018	石灰Liming (L)	2.61	3.29	0.54
		秸秆还田Straw return (RS)	81.52**	39.53**	0.30
		石灰×秸秆还田 L×RS	0.81	1.03	2.72
类别 Type	年份 Year	变异来源 Source of variations	茎 Stem	叶 Leaf	穗 Panicle
晚稻钾浓度 K concentration in late rice	2015	石灰Liming (L)	15.86**	1.35	0.04
		秸秆还田Straw return (RS)	57.73**	18.23**	1.97
		石灰×秸秆还田 L×RS	0.80	0.05	0.27
	2016	石灰Liming (L)	62.68**	1706.20**	0.98
		秸秆还田Straw return (RS)	2916.73**	9960.00**	1.68
		石灰×秸秆还田 L×RS	3.25	233.32**	0.98
	2017	石灰Liming (L)	7.44**	6.21*	0.05
		秸秆还田Straw return (RS)	33.86**	79.53**	4.90
		石灰×秸秆还田 L×RS	0.23	5.67	0.09
	2018	石灰Liming (L)	0.13	2.06	2.04
		秸秆还田Straw return (RS)	17.31**	182.08**	0.17
		石灰×秸秆还田 L×RS	0.05	2.82	0.51

^*和^**分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平差异显著。^*: P < 0.05; ^**: P < 0.01.

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2.3 施石灰和秸秆还田对秸秆还田量和秸秆钾素投入量的影响

整体来看, 施石灰增加了稻田秸秆投入量, 在2017年早稻季和2015年晚稻季达到显著水平(表3)。此外, 施石灰也增加了稻田秸秆钾素投入量, 在2017年早稻季和2018年晚稻季达到显著水平。

Table 3
表3
表3施石灰(L)和秸秆还田(RS)对双季稻秸秆还田量和秸秆钾素投入的影响
Table 3Effects of liming (L) and straw return (RS) on the rate of straw and K input

年份 Year	处理 Treatment	秸秆投入量 Rate of straw returned into field (kg hm-2)		秸秆钾素投入量 K input through straw return (kg hm-2)
		早稻 Early rice	晚稻 Late rice	早稻 Early rice	晚稻 Late rice
2015	秸秆还田 Strew return (RS)	4313 a	4141 b	119 a	179 a
	秸秆还田配施石灰 Strew return combine with liming (L+RS)	4313 a	4822 a	119 a	187 a
2016	秸秆还田Strew return (RS)	5163 a	4415 a	165 a	154 a
	秸秆还田配施石灰 Strew return combine with liming (L+RS)	5830 a	4802 a	170 a	159 a
2017	秸秆还田Strew return (RS)	3879 b	4097 a	137 b	157 a
	秸秆还田配施石灰 Strew return combine with liming (L+RS)	5149 a	4514 a	171 a	155 a
2018	秸秆还田Strew return (RS)	4314 a	4141 a	149 a	161 b
	秸秆还田配施石灰 Strew return combine with liming (L+RS)	4671 a	4261 a	153 a	172 a

同一列中不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(P < 0.05)。
Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at P < 0.05 among treatments in the same year.

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2.4 施石灰和秸秆还田对土壤速效钾、全钾含量和钾素表观平衡的影响

施石灰对土壤速效钾含量无显著影响, 而秸秆还田显著增加了土壤速效钾含量(图3-a)。二者对土壤速效钾含量无显著互作效应(表4)。试验进行4年后, 施石灰和秸秆还田对土壤全钾含量均无显著影响, 二者对土壤全钾含量亦无显著互作效应(图3-b)。

Table 4
表4
表4施石灰(L)和秸秆还田(RS)对双季稻土壤表观钾素平衡和速效钾含量的影响(F值)
Table 4Effects of liming (L) and straw return (RS) on soil apparent K balance and available K concentration (F-value)

年份 Year	变异来源 Source of variations	土壤钾素表观平衡 Soil apparent K balance			土壤速效钾含量 Soil available K concentration
		早稻 Early rice	晚稻 Late rice	周年 Annual
2015	石灰Liming (L)	0.66	0.04	0.45	1.82
	秸秆还田Straw return (RS)	174.32**	1817.50**	1214.69**	303.21**
	石灰×秸秆还田 L×RS	5.10	0.04	4.93	1.08
2016	石灰Liming (L)	0.00	8.14*	8.68*	0.28
	秸秆还田Straw return (RS)	189.75**	161.24**	983.79**	29.03**
	石灰×秸秆还田 L×RS	3.23	12.42*	36.48**	0.07
2017	石灰Liming (L)	1.96	0.01	0.99	0.10
	秸秆还田Straw return (RS)	101.37**	180.68**	424.19**	271.59**
	石灰×秸秆还田 L×RS	11.87*	0.84	3.19	0.05
2018	石灰Liming (L)	0.21	0.05	0.04	0.01
	秸秆还田Straw return (RS)	131.26**	447.30**	324.05**	42.42**
	石灰×秸秆还田 L×RS	0.09	0.03	0.01	0.69

^*和^**分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平差异显著。^*: P < 0.05; ^**: P < 0.01.

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图3

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图3施石灰和秸秆还田对土壤速效钾含量(a, 2015-2018)和全钾含量(b, 2018)的影响

处理同图1。误差线表示平均值的标准误差(n = 3)。不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 3Effects of liming and straw return on soil available K (a, 2015-2018) and total K concentration (b, 2018)

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Error bars represent the standard errors of the means (n = 3). Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 among treatments in the same year.


施石灰对早稻土壤钾素表观平衡无显著影响。秸秆还田使早稻土壤钾素表观平衡表现为盈余(图4-a)。二者仅对2017年早稻土壤钾素表观平衡有显著互作效应(表4)。在施石灰条件下, 秸秆还田使2017年早稻土壤钾素表观盈余39.4 kg hm^-2; 在不施石灰条件下, 盈余3.5 kg hm^-2 (图4-a)。与早稻季相似, 除2016年外, 施石灰对晚稻土壤钾素表观平衡无显著影响。秸秆还田使晚稻土壤钾素表观平衡表现为盈余(图4-b)。二者仅对2016年晚稻土壤钾素表观平衡有显著互作效应。在施石灰条件下, 秸秆还田使2016年晚稻土壤钾素表观盈余7.5 kg hm^-2; 在不施石灰条件下, 盈余45.6 kg hm^-2。

图4

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图4施石灰和秸秆还田对早、晚稻季和周年钾素表观平衡(a~c, 2015-2018)及4年总累积钾素表观平衡(d)的影响

处理同图1。误差线表示平均值的标准误差(n = 3)。不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 4Effects of liming and straw return on seasonal and annual soil apparent K balance (a, b, c) from 2015 to 2018 and cumulative apparent K balance (d)

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Error bars represent the standard errors of the means (n = 3). Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 among treatments in the same year.


施石灰对周年土壤钾素表观平衡无显著影响, 2016年除外。除2018年外, 秸秆还田使周年土壤钾素表观平衡表现为盈余, 2015—2017年分别盈余20.7、61.6和40.6 kg hm^-2 (图4-c)。施石灰和秸秆还田仅对2016年钾素表观平衡有显著互作效应(表4)。在施石灰条件下, 秸秆还田使2016年周年钾素表观盈余10.2 kg hm^-2; 而在不施石灰条件下, 盈余61.6 kg hm^-2。试验进行4年后, 施石灰对土壤总累积钾素表观平衡无显著影响, 而秸秆还田对土壤总累积钾素表观平衡表现为盈余(图4-d)。施石灰和秸秆还田对土壤总累积钾素表观平衡有显著互作效应。在施石灰条件下, 秸秆还田使土壤累积钾素平均表观盈余19.5 kg hm^-2 a^-1, 而在不施石灰条件下, 平均表观盈余29.0 kg hm^-2 a^-1。秸秆还田条件下土壤累积钾素平均表观盈余24.3 kg hm^-2 a^-1, 秸秆不还田条件下则平均表观亏缺185.8 kg hm^-2 a^-1。

3 讨论

3.1 施石灰和秸秆还田对双季稻生物量的互作效应

此前廖萍等^[28]已报道了此试验的土壤pH和水稻产量, 结果表明, 施石灰和秸秆还田均显著提高土壤pH, 但二者对土壤pH无显著互作效应。施石灰对土壤pH的正效应随施用年限的延长而显著降低, 在2018年已无显著影响。施石灰和秸秆还田均显著增加水稻产量, 且二者对水稻产量具有显著的协同促进效应。本研究表明, 与产量结果相似, 除2017年晚稻季外, 秸秆还田显著提高了水稻生物量。原因主要是: (1) 秸秆还田不仅直接提供了部分养分, 而且能改善土壤结构, 促进水稻根系生长及其对矿质养分的吸收^[31,32]; (2) 秸秆还田能够提供大量碳源, 提高土壤微生物的数量和活性, 促进有机物分解和养分释放, 从而提高水稻根系对矿质养分的吸收^[18,33]。另外, 有研究表明^[21], 施石灰能够促进碳、氮代谢相关的土壤酶活性, 提高有机物的矿化速率, 增加养分供应。因此, 施石灰显著提高了2015年和2016年早、晚稻季及2017年早稻季生物量。然而, 在2017年晚稻季和2018年早、晚稻季, 石灰对地上部生物量影响不显著。原因可能是: 首先, 每年施用无机氨态氮肥不断产生的H⁺ 离子会中和石灰碱性^[34]; 其次, 石灰提高了水稻生物量, 也增加了因水稻收获带走的Ca²⁺、Mg²⁺ 等阳离子, 土壤盐基饱和度会不断降低^[35]。因此, 随着试验年限增加, 施石灰对土壤酸化的改良效果逐渐减弱, 导致石灰对水稻生物量的影响不显著。

为什么施石灰和秸秆还田在试验前期(2015年和2016年)对晚稻生物量存在正向互作效应, 而在2015—2018年早稻和2017—2018年试验后期的晚稻季却无显著的互作效应?原因可能是: (1) 南方双季稻区有长达5个月左右的冬闲期, 晚稻秸秆还田后, 到第2年的早稻季有很大一部分已经被土壤微生物分解, 降低了秸秆的碳氮比。而早稻秸秆还田后10 d左右即开始移栽晚稻, 大量高碳氮比的秸秆直接还田, 导致微生物对土壤速效氮素的固持, 抑制了晚稻前期分蘖^[18,36]。(2) 早稻秸秆还田后在高温、淹水条件下, 腐解过程中会产生有机酸等有害物质, 抑制水稻前期生长发育^[37]。然而, 稻田施石灰能够中和秸秆腐解产生的有机酸, 加快秸秆腐解, 缓解秸秆还田对水稻前期生长的不利影响, 特别是在晚稻季^[21]。因此, 施石灰和秸秆还田在试验前期对晚稻生物量具有显著协同促进效应。另外, 如上所述: 首先, 施石灰对土壤酸化的改良效果随着石灰施用年限增加而逐渐减弱。其次, 在本试验地的前期结果表明, 秸秆还田显著提高了土壤有机质含量^[28]。在高肥力条件下, 秸秆还田对水稻增产能力有限^[38]。因此, 施石灰和秸秆还田在试验后期对晚稻生物量无显著互作效应。

3.2 施石灰和秸秆还田对土壤钾素表观平衡的互作效应

与前人研究结果一致^[32], 秸秆还田显著提高了水稻钾素吸收。原因可能是: (1) 秸秆自身富含钾素, 且释放速率快, 还田后能够直接增加稻田钾素供应^[39]。(2) 秸秆还田能够改善土壤结构, 促进水稻根系生长, 增加其对土壤钾素的吸收面积^[25,32]。本研究中, 秸秆还田显著提高了土壤速效钾含量和水稻茎、叶的钾素浓度。我们也发现, 在2016年晚稻季施石灰对钾素吸收的促进效应主要是由于水稻生物量的增加, 而不是提高了各器官的钾浓度。施石灰能够促进有机质的矿化, 提高土壤矿质养分供应; 施石灰也能够减轻土壤Al³⁺ 毒害, 促进水稻根系生长, 提高水稻对钾素的吸收^[20]。但是, 笔者并未发现施石灰有显著降低土壤速效钾含量的效应。另外, 在2016年晚稻季, 当施石灰显著增加了水稻生物量时, 石灰处理降低了茎、叶的钾浓度。而在2018年, 当施石灰对早、晚稻生物量无显著影响时, 石灰对各器官的钾浓度无显著影响。因此, 施石灰显著提高水稻钾素吸收, 主要是因为其增加了水稻地上部生物量, 并导致水稻各器官的钾浓度被稀释。并且, 施石灰和秸秆还田在2016年晚稻季对钾素吸收的正向互作效应, 也是由于二者对生物量有显著的协同促进效应。

对整个试验期间土壤总累积钾素表观平衡的估算表明, 秸秆还田对土壤总累积钾素表观平衡表现为盈余, 秸秆不还田将导致土壤钾库耗竭, 而施石灰对其无显著影响。施石灰和秸秆还田对土壤总累积钾素表观平衡有显著的互作效应。与不施石灰相比, 施石灰条件下秸秆还田使土壤总累积钾素盈余量较少。可能原因是: 首先, 施石灰和秸秆还田对水稻产量有协同促进效应, 秸秆还田配施石灰处理的产量最高^[28]。因此, 与单施秸秆相比, 施石灰条件下秸秆还田处理通过水稻籽粒输出的钾素也较高。本试验结果表明, 单施秸秆和秸秆与石灰配施处理4年籽粒输出的总钾素分别为313.8 kg hm^-2 和344.2 kg hm^-2。其次, 施石灰能够促进土壤有机质的矿化, 释放土壤缓效钾^[27]。同时, 土壤吸附位点对Ca²⁺ 的亲和力较K⁺ 强, 施石灰会提高土壤溶液中K⁺活度^[40]。因此, 酸性土壤上施石灰可能降低土壤对钾素的固持能力。而稻田大量灌溉田间下, 可能导致钾素通过地表径流或下渗损失。但是, 笔者在本研究中未发现施石灰对土壤全钾含量有显著影响。原因可能是: 试验前土壤全钾含量为3.9 g kg^-1, 根据初始土壤容重计算得出本试验地耕层土壤总钾库为6435 kg hm^-2。而在秸秆不还田条件下, 施石灰导致土壤总钾库亏缺约750 kg hm^-2。加之, 土壤属性空间变异较大。因此, 在试验进行4年后, 未发现施石灰对土壤全钾含量具有显著影响。但是, 在秸秆还田下, 土壤钾素能够得到及时补充, 特别是在2017年早稻和2018年晚稻季, 施石灰显著提高了稻田秸秆钾素投入量。为此, 秸秆还田下, 施石灰或不施石灰处理土壤钾素表观平衡均表现为盈余。综上, 在此酸性双季稻田, 秸秆还田配施石灰可以协同实现水稻丰产、土壤酸化改良和维持钾素平衡。

需要注意的是, 本研究还存在一些不足。首先, 我们未监测通过大气沉降和灌溉水等途径的钾素输入, 也未测定通过地表径流和渗漏等途径的损失。因此无法精确核算双季稻系统的钾素平衡。另外, 秸秆还田和石灰对土壤总钾库容的长期影响还需要继续监测。

4 结论

在酸性双季稻田上连续4年(2015—2018年)的石灰和秸秆还田定位试验表明, 施石灰显著增加了2015年和2016年早、晚稻以及2017年早稻生物量。除2017年晚稻季外, 秸秆还田显著提高了水稻生物量。秸秆还田显著提高了水稻钾素吸收。施石灰仅显著增加了2016年晚稻季钾素吸收, 二者仅对2016年晚稻钾素吸收有正向互作效应。4年试验表明, 在秸秆还田下, 施石灰或不施石灰土壤总累积表观钾素平衡均表现为盈余, 秸秆不还田下则表现为亏缺。因此, 秸秆还田和石灰配施能协同实现双季稻丰产、土壤酸化改良和维持钾素平衡。

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