0 引言
【研究意义】钾是植物营养的重要元素,施用钾肥对于提高作物产量和作物品质具有非常重要的意义[1]。随着人口增长、粮食需求水平提高、经济水平变化,中国已成为世界主要的钾肥消费国。2014年中国钾肥表观消费量达到了1 045万吨（折K2O）,进口钾肥量488万吨,钾肥自给率仅为50.3%[2]。当前中国是世界第一大钾肥进口国,由于受到国际钾肥资源垄断和需求旺盛的双重影响下,钾肥的价格将一直处于高位运行[3-4]。近年来中国农业发展,大量农业新技术、新品种得到推广,在保证中国粮食产量连年增加的同时也造成了农田土壤钾素亏缺和大量农作物秸秆的产生。【前人研究进展】研究表明,秸秆中包含大量的氮、磷、钾和中微量元素等养分[5-6]。秸秆还田既可以减少资源浪费和环境污染[7]。短期秸秆还田可以提高当季土壤速效钾含量,长期秸秆还田能显著提高土壤水溶性钾、非特殊吸附钾、非交换性钾及缓效钾的含量,提高作物钾素积累量和产量[8-13]。禾本科作物吸收的钾素80%以上存在于秸秆等非籽实部位,且这些钾素均是以离子态存在,很容易被水浸提出来被作物吸收利用[14]。湖北省稻作区以水稻、油菜、小麦等作物秸秆为主,秸秆总量维持在3 500万吨左右,折合纯钾约54万吨左右[15]。因此,秸秆还田是缓解湖北省钾矿资源短缺与农业钾肥需求量大的问题的有效途径之一。【本研究切入点】长江中游是中国粮食的主产区之一,频繁的轮作体系和充沛的雨热条件导致土壤养分尤其是土壤钾素的亏缺严重。在当前国家倡导“化肥零增长”的大背景下,研究主要粮油作物的秸秆替代钾肥技术显得尤为重要。【拟解决的关键问题】本研究于2013—2015年在湖北省38个县（市）分别开展水稻、油菜和小麦的秸秆还田替代钾肥效果大田试验,研究3种作物在不同供钾条件下秸秆全量还田能够替代钾肥的用量及其对作物钾素吸收利用的影响,以期为秸秆还田条件下钾肥资源的合理利用提供理论依据。1 材料与方法
1.1 试验点概况
试验于2013—2015年在湖北省汉川、钟祥、天门等38个县（市、区）进行,各试验点均开展单季作物的研究,具体分布如下：2013年水稻季包括汉川、钟祥、天门、潜江、应城、京山、大冶、老河口、荆州、枣阳、仙桃、掇刀、监利、孝昌、赤壁、沙洋、鄂州、安陆、松滋、谷城农业科学研究所（谷城Ⅰ）、谷城庙滩（谷城Ⅱ）、谷城冷集（谷城Ⅲ）、麻城、崇阳、洪湖万全（洪湖Ⅰ）、洪湖黄家口（洪湖Ⅱ）、南漳、随县、红安、孝南30个试验点;2014年水稻季包含江夏、云梦、襄州、石首、黄梅、英山、嘉鱼、咸安8个试验点。以上共计38个试验点。2013/2014年油菜季包括洪湖Ⅰ、掇刀、应城、松滋、孝南、仙桃、赤壁、荆州、崇阳、谷城Ⅱ、沙洋11个试验点;2014/2015年油菜季包含云梦、嘉鱼2个试验点;以上共计13个试验点。2013/2014年小麦季包括洪湖Ⅱ、谷城Ⅲ、老河口、孝昌、京山、南漳、安陆、随县、潜江9个试验点;2014/2015年小麦季包含襄州、枣阳2个试验点。以上共计11个试验点。各试验点供试土壤均为水稻土,基本理化性状见表1。
Table 1
表1
表1湖北省38个县（市）试验点土壤基本性状
Table 1Soil basic properties of 38 experimental sites across Hubei Province
| 试验点 Exp. site | pH | 有机质 SOM (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 速效磷 Avail. P (mg·kg-1) | 速效钾 Avail. K (mg·kg-1) | 缓效钾 Slowly avail. K (mg ·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 洪湖Ⅰ HonghuⅠ | 7.0 | 17.2 | 0.7 | 5.9 | 69.0 | 754.5 |
| 赤壁 Chibi | 7.5 | 23.8 | 1.1 | 20.4 | 99.0 | 358.4 |
| 沙洋 Shayang | 6.2 | 26.3 | 0.9 | 7.7 | 99.7 | 407.1 |
| 孝南 Xiaonan | 6.4 | 25.4 | 0.9 | 14.1 | 107.6 | 350.8 |
| 崇阳 Chongyang | 5.4 | 31.1 | 2.1 | 17.9 | 109.2 | 194.2 |
| 云梦 Yunmeng | 6.2 | 26.7 | 1.6 | 3.7 | 109.4 | 202.6 |
| 掇刀 Duodao | 5.5 | 31.9 | 1.1 | 12.3 | 124.7 | 333.7 |
| 嘉鱼 Jiayu | 6.9 | 28.7 | 1.9 | 5.2 | 135.6 | 289.7 |
| 应城 Yingcheng | 7.0 | 45.8 | 1.9 | 39.8 | 149.5 | 479.2 |
| 松滋 Songzi | 7.9 | 29.2 | 1.8 | 20.5 | 152.5 | 348.5 |
| 谷城Ⅱ GuchengⅡ | 8.1 | 27.7 | 1.3 | 12.2 | 155.7 | 473.0 |
| 仙桃 Xiantao | 7.1 | 33.2 | 2.2 | 16.5 | 156.5 | 826.1 |
| 荆州 Jingzhou | 7.2 | 22.7 | 1.4 | 16.5 | 186.2 | 589.6 |
| 枣阳 Zaoyang | 5.9 | 21.9 | 0.9 | 8.0 | 75.2 | 237.2 |
| 京山 Jingshan | 5.8 | 21.8 | 0.8 | 2.7 | 87.6 | 249.1 |
| 孝昌 Xiaochang | 7.0 | 23.4 | 1.0 | 8.5 | 99.0 | 309.8 |
| 襄州 Xiangzhou | 6.0 | 22.2 | 1.3 | 6.8 | 110.3 | 273.5 |
| 随县 Suixian | 5.8 | 21.2 | 0.8 | 3.7 | 116.5 | 394.3 |
| 安陆 Anlu | 7.6 | 38.6 | 1.6 | 7.7 | 118.6 | 364.2 |
| 南漳 Nanzhang | 6.4 | 34.3 | 1.4 | 4.9 | 137.1 | 832.3 |
| 谷城Ⅲ GuchengⅢ | 7.3 | 24.1 | 1.0 | 18.3 | 174.3 | 892.5 |
| 潜江 Qianjiang | 7.6 | 29.3 | 1.3 | 13.2 | 267.2 | 994.3 |
| 洪湖Ⅱ HonghuⅡ | 7.7 | 32.6 | 1.3 | 11.8 | 279.6 | 1200.9 |
| 老河口 Laohekou | 7.2 | 16.6 | 0.9 | 21.2 | 376.0 | 892.1 |
| 鄂州 Ezhou | 8.1 | 23.4 | 1.6 | 18.2 | 55.0 | 403.4 |
| 石首 Shishou | 5.0 | 42.7 | 2.6 | 6.7 | 63.9 | 155.5 |
| 麻城 Macheng | 6.2 | 40.7 | 1.8 | 2.3 | 75.0 | 431.9 |
| 咸安 Xianan | 5.8 | 29.6 | 1.1 | 13.2 | 79.0 | 188.2 |
| 红安 Hongan | 5.3 | 25.5 | 1.0 | 2.0 | 81.4 | 206.7 |
| 江夏 Jiangxia | 5.8 | 38.9 | 2.5 | 1.8 | 103.2 | 380.2 |
| 谷城ⅠGuchengⅠ | 6.1 | 15.6 | 0.6 | 6.4 | 112.4 | 589.4 |
| 天门 Tianmen | 5.5 | 21.0 | 1.3 | 14.4 | 119.7 | 217.1 |
| 黄梅 Huangmei | 4.6 | 46.9 | 2.7 | 4.6 | 142.8 | 270.4 |
| 大冶 Daye | 5.8 | 58.7 | 2.0 | 6.8 | 161.9 | 122.1 |
| 钟祥 Zhongxiang | 6.7 | 22.6 | 1.1 | 14.0 | 161.9 | 442.5 |
| 英山 Yingshan | 5.2 | 26.8 | 1.6 | 14.8 | 161.9 | 389.4 |
| 汉川 Hanchuan | 6.8 | 38.6 | 1.7 | 16.7 | 217.7 | 873.5 |
| 监利 Jianli | 6.8 | 42.7 | 2.2 | 22.0 | 385.0 | 588.5 |
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1.2 试验设计
试验共设置6个处理,分别为（1）对照,不施钾（CK）;（2）施用全量化学钾肥（+K）;（3）秸秆还田处理（+S）;（4）秸秆还田配施50%钾肥（S+1/2K）;（5）秸秆还田配施75%钾肥（S+3/4K）;（6）秸秆还田配施全量钾肥（S+K）。所有试验处理水稻季氮肥和磷肥用量分别为165 kg N·hm-2和60 kg P2O5·hm-2;油菜季氮肥、磷肥和硼肥180 kg N·hm-2、60 kg P2O5·hm-2和15 kg·hm-2;小麦季氮肥和磷肥用量分别为150 kg N·hm-2和45 kg P2O5·hm-2。3种作物的全量钾肥用量均为60 kg K2O·hm-2。氮肥分2次施用,水稻季为基肥﹕蘖肥=73%﹕27%,油菜季为基肥﹕越冬肥= 75%﹕25%,小麦季为基肥﹕蘖肥= 70%﹕30%,磷肥、钾肥和硼肥均作为基肥一次性施用。肥料品种均采用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）、氯化钾（含K2O 60%）,硼砂（含硼 11%）。各试验点每季秸秆还田均取自该试验点上一季作物秸秆或临近田块秸秆,还田量均调整为6 000 kg·hm-2（近似于前茬作物秸秆全量还田）,其中稻油轮作水稻季还田秸秆为油菜茎秆与角壳1﹕1混合,稻麦轮作水稻季还田秸秆为小麦秸秆,油菜和小麦季还田秸秆均为水稻秸秆,各试验点还田秸秆均粉碎至15—20 cm,翻压还田,其中水稻季灌水7—10 cm泡田。还田秸秆均取样测定秸秆钾含量,其中水稻秸秆平均带入钾素养分198.1 kg K2O·hm-2,油菜秸秆平均带入钾素养分为122.3 kg K2O·hm-2,小麦秸秆平均带入钾素养分84.6 kg K2O·hm-2。
试验小区面积为50 m2。每个处理设置3次重复,随机区组排列。各小区之间用宽30 cm、高30 cm的土埂隔开,并在田埂上覆盖薄膜,防止小区之间串水串肥。同时整个试验区外围用土埂围起,与保护行隔离,有独立的灌/排水沟,防止保护区肥水串进试验各小区。其他田间管理措施与当地农民习惯一致。
各试验点种植水稻均为中稻,供试水稻、油菜和小麦品种均为当地主推品种,水稻品种主要为丰两优1号、扬两优6号和广两优1128等;油菜的主要品种为华油杂9号、中油杂7819和中双4号等;小麦的主要品种为郑麦9023和鄂麦18等。水稻于5月上旬育秧,下旬移栽,9月中旬收获,移栽密度为17.5 万蔸/hm2;油菜于10月上中旬播种,次年5月中下旬收获;小麦于10月中下旬播种,次年6月初收获。
1.3 样品采集与测定
1.3.1 土壤基础样品测定 土壤基础样品均在水稻种植前采用“S”形10点采样法采集,取0—20 cm耕层土壤,拣出杂草和碎石,按照“四分法”取1 kg带回实验室于阴凉、通风处风干,并磨细过0.85 mm筛后,置于干燥处保存。土壤基础理化性质按常规方法测定[16]。具体为：pH按照水土比2.5﹕1,电位法测定;有机质用外加热—重铬酸钾容量法测定;全氮用半微量开氏定氮法测定,标准酸滴定;速效磷用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定;速效钾用1 mol·L-1 NH4OAc浸提—火焰光度法测定。1.3.2 测产 水稻、油菜和小麦的籽实产量以各小区实际收获产量实打实收。水稻收获时每小区随机选取10蔸有代表性的水稻植株,油菜和小麦在每个小区按照0.5 m×0.5 m的样方取植株,风干。水稻和小麦分籽粒和茎秆、油菜分籽粒、角壳和茎秆并分别称重,测定各部分养分含量。水稻和小麦通过计算谷草比,再根据实收籽实产量推算水稻和小麦的单位面积干物质生产量。油菜通过计算籽粒﹕角壳和籽粒﹕茎秆的比值,再根据实收籽实产量推算油菜单位面积干物质生产量。
1.3.3 植物养分测定 水稻、油菜和小麦植株风干后,在60℃ 烘箱中烘24 h,经过磨碎、过筛后,用H2SO4-H2O2消煮,火焰光度法测定植株钾含量[16]。
1.4 数据分析方法
1.4.1 基于相对产量的水稻、油菜、小麦土壤供钾能力划分 土壤速效钾含量常用来评估土壤供钾能力水平,但是研究表明这种方法仅适用于基础肥力相对较高、固钾能力较弱的土壤[17-18]。本研究是在湖北省主要的水旱轮作区进行,频繁的轮作和较强的土壤固钾能力下NH4OAc浸提的速效钾含量会出现较大的波动[18],此外该浸提方法的测定值会受到土壤取样时间、浸提温度和土壤类型的影响[19]。研究也表明土壤中粉砂土层和亚土层的钾也显著影响作物对钾素的吸收[20]。CONG等[21]研究长江流域1 437个田间试验发现,相对产量与土壤速效钾含量并未建立相关关系,而与不施钾肥处理的钾素吸收量与显著相关关系。此外,目前土壤速效钾的化学提取及测定方法是模拟植物根系对土壤钾素的吸收,土样的风干及浸提过程等反复干湿变化导致土壤速效钾和缓效钾测试结果失真[22]。以上研究均表明用速效钾含量定义本研究供试的土壤供钾能力是不合适的,因为它不能反映土壤实际的供钾能力。而用不施钾肥作物相对于施钾作物的相对产量水平则可以表征气候、土壤、区域尺度轮作制度等多种复杂影响因子作用下土壤的供钾能力,水稻、油菜和小麦的不施钾处理产量与土壤速效钾含量呈一定的正相关关系,水稻相对产量与土壤速效钾间存在极显著相关的对数关系[23-25]。因此本研究选择不施钾处理作物相对产量描述土壤基础供钾水平。根据王伟妮[23]、吴良泉[24]、邹娟[25]的研究结果,同时综合考虑土壤基础供钾能力划分标准的统一性,按照对照不施钾（CK）相对于施用全量化学钾肥（+K）处理的相对产量把供试土壤供钾水平分为低、中和高3个等级,相对产量<85%定为“供钾水平低”,85%—95%定为“供钾水平中”,>95%定为“供钾水平高”。
1.4.2 钾肥推荐用量 通过一元二次模型和线性模型对每个试验点钾肥用量和不同作物产量关系进行模拟,通过模拟曲线与各点+K处理产量对应得出各试验点秸秆还田条件下适宜钾肥用量。采用一元二次模型拟合方程为：
y = ax2+bx+c （1）
式中,y为籽粒产量（kg·hm-2）,x为肥料用量（kg·hm-2）,a为二次项系数,b为一次项系数,c为截距。
采用线性模型时,方程为：
y = ax+b （2）
式中,y为籽粒产量（kg·hm-2）,x为肥料用量（kg·hm-2）,a为斜率,b为截距。
研究中使用SPSS 20.0软件模拟一元二次模型和线性模型。
在模型选择过程中,将肥效函数模拟过程中的R2作为判定指标,即分别用一元二次模型和线性模型对每个试验点钾肥用量及秸秆还田条件下作物产量关系进行模拟,选择R2值较大的模型计算该试验点适宜施钾量。综合考虑拟合方程的相关性及结果的合理性,在最优曲线上寻找+K处理产量对应的钾肥用量,即为秸秆还田条件下的钾肥适宜用量。若该试验点模拟结果均不符合二者模型（即钾肥对产量的贡献较低）,则以+K处理籽粒吸钾量作为钾肥推荐用量的最低限定值[26]。
1.4.3 相关参数计算
相对产量（%）=不施钾处理（CK）产量/施钾处理（+K）产量×100%;
还田秸秆钾素量（kg K2O·hm-2）=还田秸秆干物质重×还田秸秆钾素含量（按K %计,下同）×1.2;
作物地上部吸钾量（kg K2O·hm-2）=收获期单位面积地上部干物重×植株钾含量×1.2;
钾素农学利用率（kg·kg-1）=（各处理产量-CK处理产量）/（钾肥用量+秸秆钾素用量）;
土壤钾素表观平衡量（kg K2O·hm-2）=钾素投入总量-作物带出土壤钾素总量。
试验数据采用MS Excel 2010和SPSS 20.0软件计算分析,LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。采用Origin 9.0作图。
2 结果
2.1 秸秆还田条件下减少钾肥用量对作物产量的影响
对于水稻（图1-a）,高、中、低供钾水平土壤的CK处理产量均值分别为8.2、8.1和6.1 t·hm-2,施用钾肥和秸秆还田均能够不同程度增加产量。与CK处理相比,高、中、低供钾水平土壤+K处理平均增产0.208、0.733和2.228 t·hm-2,增产率分别2.6%、9.1%和36.7%。在秸秆还田量为6.0 t·hm-2（近似于前茬作物秸秆全量还田）条件下,高供钾水平土壤,+S处理即可达到+K处理相当的产量水平;中等供钾土壤,S+1/2K处理可以达到+K处理相当的产量水平;而低供钾土壤,S+3/4K处理可以达到+K处理相当的产量水平。对于油菜（图1-b）,高、中、低供钾水平土壤的CK处理产量均值分别为1.9、2.0和1.1 t·hm-2,施用钾肥和秸秆还田均能够不同程度增加产量。与CK处理相比,高、中、低供钾水平土壤+K处理平均增产0.045、0.221和0.43 t·hm-2,增产率分别2.3%、11.1%和39.7%。在秸秆还田量为6.0 t·hm-2（近似于前茬作物秸秆全量还田）条件下,高供钾水平土壤,+S处理即可达到+K处理产量相当的水平;中等和低供钾水平条件下,S+1/2K处理可以达到+K处理产量相当的水平。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1秸秆还田条件下减少钾肥用量对水稻（a）、油菜（b）、小麦（c）作物产量的影响
（a）水稻 Rice,High-K n=17;Middle-K n=16;Low-K n=5;（b）油菜Oilseed rape,High-K n=2;Middle-K n=7;Low-K n=4;（c）小麦Wheat,High-K n=4;Middle-K n=5;Low-K n=2
图中不同小写字母表示同等供钾水平下不同处理间差异显著（P<0.05）。下同
-->Fig. 1Effects of reducing K fertilizer rates on crop yield of rice (a), oilseed rape (b) and wheat (c) under straw incorporation condition
Different small letters mean significant difference at P<0.05 among the treatments in the same K supplying level. The same as below
-->
对于小麦（图2-c）,高、中、低供钾水平土壤的CK处理产量均值分别为4.5、4.0和3.5 t·hm-2。施用钾肥和秸秆还田均能够不同程度增加产量。与CK处理相比,高、中、低供钾水平土壤+K处理平均增产0.106、0.637和0.785 t·hm-2,增产率分别2.4%、13.6%和22.1%。在秸秆还田量为6.0 t·hm-2（近似于前茬作物秸秆全量还田）条件下,高供钾水平土壤,+S处理即可达到+K处理产量水平;中等和低供钾水平条件下,S+1/2K处理可以达到+K处理产量水平。
2.2 秸秆还田条件下减少钾肥用量对作物地上部钾素吸收量的影响
对于水稻（图2-a）,高、中、低供钾水平土壤的CK处理地上部钾素吸收量分别为290.1、286.2和246.4 kg K2O·hm-2。施钾和秸秆还田均能不同程度增加水稻地上部钾素吸收量。高、中、低供钾水平土壤+K处理的钾素吸收量平均分别为347、358和318 kg K2O·hm-2,与CK处理相比增幅分别为19.6%、25.0%和29.0%,和产量的增产趋势表现相一致（图1-a）。与+K处理相比,高供钾土壤S+K处理呈现显著性地增加,平均增加58.6 kg K2O·hm-2,这是由于秸秆还田提供的钾量远高于+K处理提供的钾量,其中籽粒钾素吸收量增加4.6 kg K2O·hm-2,秸秆钾素吸收量增加54.0 kg K2O·hm-2,水稻秸秆存在明显的钾素奢侈吸收现象。油菜（图2-b）高、中、低供钾水平土壤的CK处理地上部钾素吸收量分别为118.5、148.3和89.3 kg K2O·hm-2。高、中、低供钾水平土壤+K处理的钾素吸收量平均分别为143、196和136 kg K2O·hm-2,与CK处理相比增幅分别为20.7%、32.3%和51.8%,和产量的增产趋势表现相一致（图1-b）。与+K处理相比,高供钾和中等供钾土壤秸秆还田配施钾肥各处理无显著差异,而低供钾土壤S+K处理油菜吸钾量则明显高于+K处理,平均增加46.6 kg K2O·hm-2,增幅达34.4%。与水稻相似,油菜角壳和茎杆钾素吸收量远高于籽粒钾素吸收量。
小麦（图2-c）高、中、低供钾水平土壤的CK处理地上部钾素吸收量分别为155.7、99.6和98.8 kg K2O·hm-2。施钾和秸秆还田能够明显提高小麦地上部钾素吸收量（134.3—203.9 kg K2O·hm-2）。与+K处理相比,不同供钾能力S+K处理地上部钾素吸收量增幅差异较小,平均增加14.0—19.0 kg K2O·hm-2,增幅7.6%—11.5%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2秸秆还田条件下减少钾肥用量对水稻（a）、油菜（b）、小麦（c）作物地上部钾素吸收量的影响
不同颜色深度表示各部位钾素吸收量,不同填充图案表示不同处理钾素吸收量,不同小写字母表示各处理间地上部钾素吸收量差异显著性（P<0.05）
-->Fig. 2Effects of reducing K fertilizer rates on crop total K accumulation of rice (a), oilseed rape (b) and wheat (c) under straw incorporation condition
Different colors depth mean K accumulation on different parts, Different fill pattern mean K accumulation on different treatments, Different small letters mean significant difference at P<0.05 on treatments for total K accumulation
-->
2.3 秸秆还田减少钾肥用量对作物钾素利用率的影响
如图3-a、3-b和3-c所示,计算作物钾素利用率（即秸秆带入钾素+肥料投入钾素的总钾素利用效率）发现,水稻、油菜和小麦3种作物的钾素农学利用率均表现为高供钾水平土壤低于中、低供钾水平土壤。秸秆不还田时,高、中、低供钾水平土壤水稻钾素农学利用率分别为3.5、12.2和37.1 kg·kg-1,油菜分别为0.7、3.7和7.2 kg·kg-1,小麦分别为1.8、9.1和13.1 kg·kg-1,即当土壤供钾水平较高时,每投入1 kg K2O仅能够增产3.5 kg稻谷、0.7 kg油菜籽和1.8 kg小麦。而还田秸秆由于带入钾素（85—198 kg K2O·hm-2）远高于肥料（60 kg K2O·hm-2）,因此秸秆还田处理的作物农学利用率远低于不还田处理。秸秆还田配施不同用量的钾肥由于其产量增幅高于总钾素投入增幅,因此秸秆还田条件下各处理表现出随着钾肥用量的增加其农学利用效率略有增加的趋势。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3秸秆还田条件下减少钾肥用量对水稻（a）、油菜（b）、小麦（c）作物钾素农学利用率的影响
-->Fig. 3Effects of reducing K fertilizer rates on K agronomic efficiency of rice (a), oilseed rape (b) and wheat (c) under straw incorporation condition
-->
2.4 秸秆还田条件下减少钾肥用量对作物-土壤系统钾素平衡的影响
图4-a、4-b和4-c分别表示水稻、油菜和小麦收获后农田土壤钾素表观盈余量的状况。通过计算土壤-作物系统钾素表观平衡发现,秸秆还田对土壤钾素平衡状况影响较大。3种供钾土壤水稻、油菜和小麦季收获后CK处理土壤钾素均处于严重亏缺的状态,水稻施钾对于缓解亏缺状况效果不明显,而油菜和小麦均有所缓解,但仍有相当数量的亏缺（74.4—136.3 kg K2O·hm-2）。秸秆还田可明显补充大量土壤钾素,使土壤钾素肥力提高,尤其是在油菜和小麦季可以扭亏为盈,油菜季平均盈余量为14.1—152.6 kg K2O·hm-2,小麦季平均盈余量为25.5— 95.9 kg K2O·hm-2,这与旱地作物试验还田的水稻秸秆带入的钾素远高于水稻试验还田的油菜、小麦秸秆有关。总的来说,不同供钾土壤采用施用化学钾肥和秸秆还田的措施均可以减轻土壤钾素的消耗,而秸秆还田配施钾肥更有利于钾素养分的收支平衡,进而缓解土壤钾素亏缺的状况,且旱季（油菜、小麦季）缓解效果要明显优于水田。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4秸秆还田条件下减少钾肥用量对作物-土壤系统钾素平衡的影响
a：水稻;b：油菜;c：小麦
-->Fig. 4Effects of reducing K fertilizer rates on crops K-balance under straw incorporation condition
a: Rice; b: Oilseed rape; c: Wheat
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2.5 秸秆还田条件下钾肥适宜用量研究
本研究通过一元二次方程和线性方程对每个试验点秸秆还田条件下钾肥用量和作物产量之间的关系进行拟合,通过比较拟合相关系数R2选择最适方程,在拟合曲线中与+K处理产量对应的钾肥用量即为秸秆还田条件下的最适宜施钾量。由表2结果可知,高、中、低3个供钾能力水平的土壤水稻、油菜和小麦在秸秆还田条件下均可以不同程度减少钾肥用量,同时保证作物产量达到正常施钾水平（+K处理）,且高供钾和中等供钾能力水平的土壤钾肥减少比例要远高于供钾能力低的土壤。秸秆还田条件下不同作物的推荐钾肥用量也有差异。其中,中、高供钾水平的土壤其水稻和小麦的钾肥推荐施用量平均为30—33 kg K2O·hm-2,而油菜则需要较少的钾肥（均值为20 kg K2O·hm-2）。与目前钾肥用量（60 kg K2O·hm-2）相比,3种作物在供钾中高水平的土壤可平均节肥45.0%—66.7%。对于供钾水平较低的土壤而言,油菜（49 kg K2O·hm-2）则需要比水稻和小麦更多的钾肥（45—46 kg K2O·hm-2）。秸秆还田条件下,3种作物钾肥推荐用量在供钾水平较低的土壤也可以减少18.3%—25.0%。Table 2
表2
表2秸秆还田条件下水稻、油菜、小麦不同供钾能力土壤的适宜钾肥用量
Table 2The optimum recommendation amount of K fertilizer of rice, oilseed rape, and wheat under different soil K supply capacities with straw incorporation
| 作物 Crops | 供钾水平 K levels | 施钾实产 Yield (kg·hm-2) | 最佳施肥量 Optimum K2O rate (kg·hm-2) | 钾肥减少比例 Ratio of reduced K2O (%) |
|---|---|---|---|---|
| 水稻 Rice | 供钾水平高 High-K | 8366 | 30 | 50.0 |
| 供钾水平中 Middle-K | 8790 | 33 | 45.0 | |
| 供钾水平低 Low-K | 8306 | 45 | 25.0 | |
| 油菜 Oilseed rape | 供钾水平高 High-K | 1960 | 20 | 66.7 |
| 供钾水平中 Middle-K | 2215 | 26 | 56.7 | |
| 供钾水平低 Low-K | 1513 | 49 | 18.3 | |
| 小麦 Wheat | 供钾水平高 High-K | 4610 | 31 | 48.3 |
| 供钾水平中 Middle-K | 4554 | 33 | 45.0 | |
| 供钾水平低 Low-K | 4333 | 46 | 23.3 |
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3 讨论
秸秆作为一种农业废弃物,却是宝贵的养分资源。任何形式的秸秆还田都可以补充大量的钾素进而提升土壤钾库容量。众多研究已经表明施钾或秸秆还田均可以不同程度增加水稻、小麦、玉米和油菜等作物的产量[13,27-30]。本研究的结果也验证了此观点,3种作物施钾和秸秆还田均可以增加作物产量,施用化学钾肥处理增产效果均优于单施秸秆处理。旱地作物（小麦、油菜）施钾和秸秆还田增幅效果均要优于水稻。秸秆还田所释放的养分可以直接供作物吸收利用,尤其是其钾素含量高,且释放迅速,极易被作物吸收利用[6]。本研究结果表明在上季秸秆全量或大部分还田条件下在减少钾肥投入的同时也能保证作物的产量,各试验点由于土壤供钾水平及秸秆类型的不同使其钾肥减少比例不同。刘秋霞等[29]研究分析了湖北省鄂东丘陵区、鄂中丘陵岗地区和江汉平原区的区域发现水稻季最经济钾肥推荐用量相比较推荐化学钾肥用量可节约36.9%—54.3%。本研究结果表明,针对不同作物不同供钾能力,秸秆还田替代钾肥效果及潜力差异较明显。笔者根据相对产量将土壤供钾能力分为高（相对产量>95%）、中（相对产量85%—95%）、低（相对产量<85%）3个水平,发现在土壤供钾能力处于中等以上时,上季秸秆全部还田可减少45.0%—66.7%的钾肥用量;当土壤供钾能力较低时,秸秆还田也可以替代18.3%—25.0%的化学钾肥。本研究参考李继福等[30]研究方法,计算外源钾素投入（即化肥钾+秸秆钾）的总钾素利用效率,旨在评价秸秆钾素的当季利用效率。研究结果表明,在施用钾肥的条件下,3种作物秸秆还田处理的钾素当季利用效率都明显低于不还田处理,这主要是由于本研究中还田秸秆量近似全量还田,其秸秆钾素一次性投入的量（84.6—198.1 kg K2O·hm-2）远高于化学钾肥（30—60 kg K2O·hm-2）,而作物对于钾的需求是一定的,当钾肥施用后作物对秸秆钾的依赖减少,因此计算总钾素利用效率时导致秸秆还田处理效率偏低。另一方面,秸秆钾素当季利用效率较低的原因可能与不同类型土壤的固钾能力差异较大有关。还田秸秆在较短时间内即释放出大量钾素,一部分钾素被土壤吸附固定,一部分钾素则随水淋失[31-32],而仅有少部分钾素可以被当季作物吸收利用。此外,针对不同作物而言,水稻季钾素利用率明显高于油菜和小麦季,分析其原因主要是与水稻季土壤淹水进而提高土壤交换性钾供应强度有关[33]。结合钾素表观平衡结果（图4）和武际等[34]研究的连续秸秆还田对土壤养分含量的影响可知,连续秸秆能够显著提高表层5 cm的土壤速效钾含量,进而起到补充土壤钾素库容量和提高土壤供钾能力的作用。
通过探讨土壤-作物系统内影响土壤钾库作物籽粒的输出、作物秸秆输出、化学钾肥的输入以及作物秸秆还田输入4种主要的途径,不考虑灌溉投入和大气沉降所带入的钾素,计算钾素表观盈亏量[27]。前人研究表明,不施用化学钾肥会造成土壤钾素处于严重亏缺的状态,施钾和全量秸秆还田均可以不同程度地缓解土壤钾素亏缺的状况[29,35-36]。本研究结果显示秸秆还田与不还田处理水稻收获后土壤钾素均处于亏缺的状态;对于油菜和小麦而言,不施钾和单施化学钾肥处理土壤钾素均处于亏缺的状态,而秸秆配施钾肥各处理土壤钾素则可以扭亏为盈。主要原因之一是由于水稻秸秆带入旱季作物的钾量多于油菜、小麦秸秆带入水稻季的钾量。水稻季的秸秆是油菜和小麦,其秸秆钾平均还田量分别为122.3 kg K2O·hm-2（油菜秸秆）和84.6 kg K2O·hm-2（小麦秸秆）,明显低于小麦和油菜季的秸秆还田带入的钾素量198.1 kg K2O·hm-2（水稻秸秆）。低供钾土壤水稻S+3/4K处理可以达到+K处理相当的产量水平,而小麦和油菜S+1/2K处理可以达到+K处理产量水平,出现这种情况可能也是由于上述情况引起的。实际上无论是秸秆还田还是使用化学钾肥,关键的问题还是补充足够的钾素以保证土壤-作物体系内钾素的平衡。在当前国家“化肥零增长”的目标和中国钾矿资源缺乏的情况下,推广秸秆还田技术,重视秸秆替代部分肥料,用耕地内在养分替代外来化肥养分投入十分必要。因此秸秆钾作为一种可再生的钾素资源直接还田对于减少化学钾肥投入、提高经济收益、补充土壤钾库均有重要的意义。
4 结论
4.1
通过38个秸秆还田田间试验表明,高供钾条件下水稻、油菜和小麦仅通过上季秸秆全量还田即可满足作物高产的钾素需求;中等供钾条件下3种作物可在秸秆全量还田条件下减少50%钾肥用量;而低供钾条件下,水稻季秸秆还田可减少25%钾肥用量,油菜和小麦季可减少50%钾肥用量。4.2
在当前秸秆全量还田和施用化学钾肥的条件下,外源钾总利用率（化肥钾+秸秆钾）表现为秸秆还田处理低于不还田处理。然而从土壤钾素平衡来看,秸秆还田可增加钾素归还量,其中油菜季平均盈余量为14.1—152.6 kg K2O·hm-2,小麦季平均盈余量为25.5—95.9 kg K2O·hm-2,水稻季则仍表现为钾素亏缺。因此从维持土壤钾库平衡来看,3种作物在不同供钾能力土壤秸秆还田条件下仍需配施一定量钾肥以维持土壤钾素平衡。4.3
在秸秆还田条件下,不同供钾能力土壤均可以减少化学钾肥的投入同时保证水稻、油菜、小麦产量。供钾中、高水平的土壤上,上季秸秆全量还田条件下3种作物钾肥施用量为20—33 kg K2O·hm-2,节省钾肥45.0%—66.7%;而供钾水平较低的土壤上,秸秆还田土壤钾肥可施用45—49 kg K2O·hm-2,节省钾肥18.3%—25.0%。致谢：试验布置和开展过程中得到了参与本次项目的湖北省38个县（市）土壤肥料工作站工作人员的大力支持和帮助,在此表示感谢！
The authors have declared that no competing interests exist.
