寒地稻秸还田与施钾肥对土壤水溶性钾和水稻产量的影响

闫 超，颜双双，王家睿，董守坤，龚振平

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

寒地稻秸还田与施钾肥对土壤水溶性钾和水稻产量的影响

闫 超，颜双双，王家睿，董守坤，龚振平*

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

秸秆还田或施钾肥可增加作物产量，而土壤溶液是作物自土壤吸收养分的主要媒介，养分含量直接反映土壤养分供应状况。为研究秸秆还田和施钾肥对水稻生育期间土壤水溶性钾浓度和产量的影响，小区试验设置高量秸秆还田（S2）、低量秸秆还田（S1）和不还秸秆（S0）三个处理，盆栽试验在高量秸秆还田（S2）和不还秸秆（S0）基础上设置5个钾肥施用水平。结果表明，随着水稻生育时间延长土壤水溶性钾浓度逐渐降低，对数方程对土壤溶液中速效钾的变化动态拟合效果良好。秸秆还田显著增加土壤水溶性钾浓度，随秸秆还田量增加而增加，增施钾肥能够显著增加土壤水溶性钾浓度，秸秆还田和施钾肥并没有改变水稻生育期间土壤水溶性钾浓度变化趋势。秸秆还田和增施钾肥均能够增加水稻产量，在钾肥施用量较低水平，秸秆还田增产作用显著；秸秆还田量达到6.25 t·hm-2后继续增加秸秆量水稻产量无明显增加。

水稻；稻秸还田；土壤溶液；水溶性钾；产量

网络出版时间2015-4-30 14:43:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1443.011.html

闫超,颜双双,王家睿,等.寒地稻秸还田与施钾肥对土壤水溶性钾和水稻产量的影响[J].东北农业大学学报,2015,46(5):16-21.

Yan Chao,Yan Shuangshuang,Wang Jiarui,et al.Effect of rice straw retention and potassium fertilizer application in cold region on soluble potassium content in the soil solution and rice yield[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015, 46(5):16-21.(in Chinese with English abstract)

秸秆还田可将作物吸收的部分营养元素归还到土壤中，改善土壤环境[1-3]，释放多种养分均可被作物吸收利用。作物吸收的钾素80%存在于作物秸秆中[4]，而还田秸秆2 d内95%钾离子均可释放到土壤中[5]，再次被作物吸收利用，是一种重要的速效钾资源，在一定程度上缓解土壤养分尤其是钾素耗竭状况[6]。很多学者研究认为，农作物秸秆还田会对土壤肥力产生明显影响[7-9]，土壤水溶性钾是作物吸收无机钾素的主要途径[6]，秸秆还田或者施钾肥均可不同程度增加小麦[8]、水稻[5,9]等作物产量。土壤溶液是作物吸收养分的主要途径[7]，土壤溶液中养分含量直接反映土壤养分供应状况。刁小林和闫超等研究认为，秸秆还田可以增加水田土壤水溶性钾浓度，但针对秸秆还田和施钾肥对水田土壤水溶性钾的变化缺少系统研究[1,3]。本研究通过连续多年定位小区试验和盆栽试验，系统研究秸秆还田和施钾肥对水稻生育期间土壤水溶性钾和水稻产量的影响，为拓宽秸秆还田与合理施用钾肥研究思路提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验2012～2014年于东北农业大学香坊实验实习基地进行。该基地位于哈尔滨市，地理坐标为东经126°22'～126°50'，北纬45°34'～45°46'，属于寒温带大陆性气候，年降水量500～550 mm，无霜期140 d，≥10℃积温2 700℃，一年一熟，水稻采用连作方式，土壤为黑土。

1.2 试验设计

试验分为两部分：a：小区试验。于2008～2014年进行，其中2008～2011年为预备试验，用混凝土筑成2 m×2 m×0.6 m小区，填入约50 cm深供试土壤。基础肥力为：有机质23.92 g·kg-1，全氮1.48 g·kg-1，全磷0.83 g·kg-1，全钾21.91 g·kg-1，NH4+-N 14.62 mg·kg-1和NO3--N 30.29 mg·kg-1，速效磷41.95 mg·kg-1，速效钾130.17 mg·kg-1。试验设置秸秆不还田处理（S0），低量还田（S1）和高量还田（S2）三个处理，每个小区秸秆还田量分别为0 kg（0 t·hm-2）、2.5 kg（6.25 t·hm-2）和5 kg（12.50 t·hm-2），每个处理3次重复。供试水稻秸秆钾素含量为（12.2±0.10）g·kg-1，秸秆还田方法是将水稻秸秆截成5 cm左右小段，采用翻埋方式还田。每小区施尿素（N：46%）120 g（300 kg·hm-2）、磷酸氢二铵（N：18%，P2O5：46%）60 g（150 kg·hm-2）和硫酸钾（K2O：30%）40 g（100 kg·hm-2），其中50%尿素和全部的磷、钾肥作基肥施入，另50%尿素在分蘖期追施。每年5月20日翻地，5月25日泡田，5月30日插秧，规格为30 cm×13 cm×3株·穴-1。插秧前（5月25日～5月30日）保持5～7 cm水层，插秧后1周维持2～3 cm水层，返青期-乳熟期保持5～7 cm水层，待水层消失后灌约5 cm水层。

b.盆栽试验。于2014年进行，采用直径为35 cm塑料桶，每盆装土15 kg，土壤基础肥力为：有机质21.42 g·kg-1，全氮1.53 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全钾25.52 g·kg-1，NH4+-N 10.55 mg·kg-1和NO3--N 42.63 mg·kg-1，速效磷14.97 mg·kg-1，速效钾137.57 mg·kg-1。每盆插秧3穴，每穴3株。设置5个施钾水平，以K0、K1、K2、K3、K4表示，每盆分别施K2SO4（K2O：30%）：0 g（0 kg·hm-2）、0.35 g（50 kg·hm-2）、0.70 g（100 kg·hm-2）、1.05 g （150 kg·hm-2）、1.40 g（200 kg·hm-2），其中K2处理施钾量与试验a持平，各处理同时施用尿素：1.05 g （150 kg·hm-2），磷酸氢二铵：1.05 g（150 kg·hm-2），用作基肥，并于水稻分蘖期追施尿素1.05 g（150 kg·hm-2）。试验分两组，一组（S2）每盆施水稻秸秆80 g（12.5 t·hm-2），与试验a高秸秆还田量持平，另一组为不施水稻秸秆（S0），每个处理5次重复，还田方式及管理措施同试验a。

1.3 试验样品的采集与测定

土壤溶液采集参照刁小林[1]和闫超[3]等所用装置：主体为30 cm长PVC硬塑管，一端封闭，近封闭端2～3 cm处钻取等距离细孔两个，孔径2 mm，作为土壤溶液采集孔，土壤溶液收集孔外用纱网包严，防止杂物堵塞进水孔，在PVC管另一端钻取5 mm通气孔。土壤溶液渗入孔位于土层10 cm深处，采集10 cm土层处土壤溶液。在每个试验小区中安置两个取样管，每盆插入一个取样管，为确保试验装置中溶液为当天渗入的土壤溶液，在取样前一天将取样管中在取样间歇期已渗入的土壤溶液抽净，并盖上橡胶塞防止雨水及杂物落入管内，第2天进行取样。

于水稻插秧后10 d进行土壤溶液取样，以后每隔5～10 d取样1次，采集的土壤溶液存放在塑料瓶中，并迅速放置于冰柜中冷冻保存，待测。

1.4 测定与分析方法

土壤水溶性钾测定采用火焰光度法[10]。

采用SPSS 19.0和Excel 2007进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对水稻生育期间土壤水溶性钾影响

图1为连续三年监测水稻生育期间土壤水溶性钾浓度的变化，经多年连续观测结果表明：水稻插秧后40 d内土壤水溶性钾浓度较高，随着水稻生育时间延长，土壤水溶性钾浓度逐渐降低；秸秆还田对土壤水溶性钾浓度的影响在水稻插秧后40 d内更明显，水稻插秧后10～40 d内土壤水溶性钾浓度，高低顺序表现为：高量秸秆还田处理（S2）＞低量秸秆还田处理（S1）＞不还秸秆处理（S0）。插秧后10 d土壤水溶性钾浓度与秸秆还田量之间呈显著正相关，相关系数为0.965；回归方程为：y=2.589x+2.826。可见，秸秆施入量每增加1 kg·m-2则插秧后10 d土壤水溶性钾浓度增加2.589 mg·L-1。

图1 水稻生育期间土壤水溶性钾浓度的变化Fig.1 Change of K+concentration in the soil solution during rice growth

基于2012～2014年土壤水溶性钾浓度的变化规律，对其进行方程拟合，其结果见表1。对数方程均拟合效果良好，对数方程用于模拟和推算随水稻生育时间推移土壤水溶性钾浓度的变化，效果良好。

表1 不同秸秆还田处理土壤溶液中水溶性钾浓度与插秧后天数的拟合Table 1 Fitted equation of days after transplanting under different straw retention and K+concentration in the soil solution

2.2 钾肥施用量对水稻生育期间土壤水溶性钾的影响

小区试验结果表明，秸秆还田增加水稻生育期间土壤水溶性钾浓度，对水稻插秧后0～40 d期间影响显著（见图1）。因此，在盆栽试验中水稻插秧后10～30 d每隔5 d取样1次，结果显示随施肥量增加土壤水溶性钾浓度显著增加，插秧后40～70 d各施肥量处理间差异不显著。施秸秆（S2）明显增加各施钾肥处理土壤水溶性钾浓度，对其动态变化的影响与小区试验一致（见图1、2）。

在秸秆还田（S2）和秸秆不还田（S0）条件下，插秧后10 d土壤水溶性钾浓度与钾肥施用量间呈明显正相关，相关系数分别为0.996和0.981，秸秆还田（S2）处理下，回归方程为：y=0.014x+6.32，钾肥施用量每增加1 kg·hm-2，则插秧后10 d土壤水溶性钾浓度增加0.014 mg·L-1。秸秆不还田处理的回归方程为：y=0.016x+2.78，钾肥施用量每增加1 kg·hm-2，则插秧后10 d土壤水溶性钾浓度增加0.016 mg·L-1。

基于盆栽试验中土壤水溶性钾浓度随水稻生育时间延长的变化而进行方程拟合，结果见表2。由表2可知，对数方程能良好拟合土壤水溶性钾浓度随水稻生育时间延长的变化规律。

2.3 秸秆还田对水稻产量的影响

表3是小区试验（试验a）各处理水稻产量结果。随秸秆还田量增加，水稻产量有增加趋势，高量还田处理（S2）和低量还田处理（S1）的水稻产量均高于秸秆不还田处理（S0）（P＜0.05），产量增加量达到13.08%和8.68%，但是S2处理与S1处理水稻产量间差异不显著。

图2 不同施肥量土壤水溶性钾浓度的变化Fig.2 Change of K+concentration in the soil solution under different potassium application rate

表2 不同施钾肥处理土壤水溶性钾浓度与插秧后天数的拟合Table 2 Fitted equation of days after transplanting under different potassium application rate and K+concentration in the soil solution

表3 不同秸秆还田处理下水稻产量Table 3 Yield of rice under different straw retention treatments (kg·m-2)

3 讨论与结论

3.1 土壤溶液中水溶性钾浓度变化

通过小区试验和盆栽试验观察发现，随水稻生育时间延长土壤水溶性钾浓度逐渐降低，而秸秆还田则增加水稻生育期间土壤水溶性钾浓度，特别是水稻生育前期（插秧后10～40 d）增加明显，保证水稻生长发育前期所需的速效钾供应；在水稻生育中后期（插秧40 d后）秸秆还田对土壤水溶性钾浓度的影响逐渐降低。孙伟红等研究发现秸秆在腐解过程中主要以速效钾形态补充土壤溶液钾含量，所以增施秸秆可以显著增加土壤速效钾浓度[11]，而戴志刚等研究发现还田秸秆中钾素释放最快，以离子态存在于土壤溶液中，易被作物吸收[12-13]。两组试验中，对数方程对土壤水溶性钾浓度的拟合效果良好，对数方程能够很好地拟合出土壤水溶性钾随着水稻生育时间延长变化规律。但盆栽试验中土壤水溶性钾浓度明显高于小区试验，存在上述差异的原因，可能是由于盆栽试验与小区试验条件差异所致，土壤溶液中速效钾浓度更高所致。谭德水等研究发现施钾肥和秸秆还田能够不同程度增加土壤中速效钾含量[8]。施钾肥能够增加土壤水溶性钾浓度，随着钾肥施用量增加土壤水溶性钾浓度逐渐增加，但未改变其随水稻生育时间变化动态规律。秸秆还田增加土壤水溶性钾浓度，但也未改变土壤水溶性钾浓度随时间变化规律。

本试验中插秧后10 d土壤水溶性钾浓度与秸秆还田量之间呈显著正相关，相关系数为0.965；回归方程为：y=2.589x+2.826。高量秸秆还田处理（S2）相当于增加插秧后10 d土壤溶液中3.24 mg·L-1的水溶性钾浓度，实际增加量为3.23 mg·L-1；低量秸秆还田处理（S1）相当于增加土壤溶液中1.62 mg·L-1的水溶性钾浓度，实际增加量为0.82 mg·L-1，此差异存在可能是由于秸秆还田量较少时与土壤水溶性钾浓度之间存在非线性关系。在秸秆还田（S2）和秸秆不还田（S0）条件下，插秧后10 d土壤水溶性钾浓度与钾肥施用量间呈明显正相关，相关系数分别为0.996和0.981，秸秆还田（S2）处理下，回归方程为y=0.014x+6.32，钾肥施用量每增加1 kg·hm-2，则插秧后10 d土壤水溶性钾浓度增加0.014 mg·L-1。秸秆不还田处理的回归方程为：y=0.016x+2.78，钾肥施用量每增加1 kg·hm-2，则插秧后10 d土壤水溶性钾浓度增加0.016 mg·L-1。施钾肥能够显著增加土壤水溶性钾浓度，谭德水和劳秀荣等在长期不施任何钾肥条件下研究发现，秸秆还田与氮磷肥配施对提高土壤速效钾的效果显著[8,14]。

3.2 水稻产量变化

作物产量、土壤肥力水平及其变化趋势是衡量系统可持续性的重要指标[15]，本研究结果显示秸秆还田和增施钾肥均能够显著增加土壤水溶性钾浓度和水稻产量，连续多年秸秆还田处理水稻产量始终高于不还秸秆处理。高量秸秆还田处理（S2）水稻产量平均增产13.08%，低量秸秆还田处理(S1)水稻产量平均增产8.68%，但S2与S1之间水稻产量无显著性差异，说明秸秆还田可明显增加水稻产量，施加秸秆量达到6.25 t·hm-2后，持续增加还田秸秆量，水稻产量无明显增加。施肥是农业生产上增加作物产量最直接的手段[11-13]，本研究中秸秆还田处理改变土壤水溶性钾素的供应情况，间接对水稻产量产生影响。说明，秸秆还田对水稻产量影响在土壤水溶性钾浓度供应相对不足情况下影响更明显，速效钾浓度充足情况下则无明显差别。

本研究通过连续三年的试验结果发现，秸秆还田处理对土壤水溶性钾的影响较为明显，秸秆还田可代替部分钾肥，节约农业生产成本。但秸秆还田对土壤溶液养分影响过程复杂，不能简单地将水稻产量增加归于土壤溶液中钾素浓度增加。关于秸秆还田对土壤及土壤溶液养分和水稻产量的影响，将在后续试验中继续监测并进行多方向分析。

[1] 刁晓林,曾祥亮,龚振平,等.秸秆还田对水稻生育期间土壤溶液中养分变化的影响[J].东北农业大学学报,2010,41(4):43-48.

[2] 胡春胜,程一松,于贵瑞.华北平原施氮对农田土壤溶液中硝态氮含量的影响[J].资源科学,2001(6):46-48.

[3] 闫超,刁晓林,葛慧玲,等.水稻秸秆还田对土壤溶液养分与酶活性的影响[J].土壤通报,2012,43,260(5):1232-1236.

[4] Yu C J,Qin J G,Xu J,et al.Straw combustion in circulating flu⁃idized bed at low-temperature:Transformation and distribution of potassium[J].Canadian Journal of Chemical Engineering,2010,88 (5):874-880.

[5] Saha P K,Miah M A M,Hossain A T M S,et al.Contribution of rice straw to potassium supply in rice-fallow-rice cropping pat⁃tern[J].Bangladesh J Agril Res,2009,34(4):633-643.

[6] 谭德水,金继运,黄绍文.长期施钾与秸秆还田对西北地区不同种植制度下作物产量及土壤钾素的影响[J].植物营养与肥料学报,2008,14(5):886-893.

[7] Hoagland D R.The soil solution in relation to the plant[J].Trans⁃actions of the Faraday Society,1922,17:249-255.

[8]谭德水,金继运,黄绍文,等.不同种植制度下长期施钾与秸秆还田对作物产量和土壤钾素的影响[J].中国农业科学,2007, 40(1):133-139.

[9] 王玄德,石孝均,宋光煜.长期稻草还田对紫色水稻土肥力和生产力的影响[J].植物营养与肥料学报,2005,11(3):302-307.

[10] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京:中国农业出版社,2000: 79-89.

[11] 孙伟红,劳秀荣,董玉良,等.小麦-玉米轮作体系中秸秆还田对产量及土壤钾素肥力的影响[J].作物杂志,2004(4):14-16.

[12] 戴志刚,鲁剑巍,李小坤,等.不同作物还田秸秆的养分释放特征试验[J].农业工程学报,2010,26(6):272-276.

[13] Sorensen L H.Organic matter and microbial biomass in a soil ncu⁃bated in the field for 20 years with14C-labelled barley straw[J]. Soil Biology Biochemistry,1987,19:39-42.

[14] 劳秀荣,孙伟红,王真,等.秸秆还田与化肥配合施用对土壤肥力的影响[J].土壤学报,2003,40(4):618-623.

[15] Yadav R L,Dwivedi B S,Pandey P S.Rice-wheat cropping sys⁃tem:Assessment of sustainability under green manuring and chemical fertilizer inputs[J].Field Crops Research,2000,65(1): 15-30.

Effect of rice straw retention and potassium fertilizer application in cold region on soluble potassium content in the soil solution and rice yield

YAN Chao,YAN Shuangshuang,WANG Jiarui,DONG Shoukun,GONG Zhenping(School of Agriculture,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

Straw retention or potassium fertilizer application can increase crop yield,and soil solution is the main way to absorb nutrients from soil for crop,the level of nutrient content in the soil solution can directly reflect soil nutrient supply situation.To study the effects of straw retention and potassium fertilizer application on soluble potassium content in the soil solution and yield during rice growth,the plot experiment set three treatments:high amount of straw retention(S2),low amount of straw retention(S1)and straw removal(S0).The pot experiment set five potassium fertilizer application levels,and the experiment was divided into two subgroups:high amount of straw retention(S2),straw removal(S0).The results showed that the soluble potassium content in the soil solution decreased with the rice growth,logarithmic equation could well fit the soluble potassium changes in the soil solution.The soluble potassium content in the soil solution significantly increased with straw retention,and increased with the increasing amount of straw retention.With the increasing of potassium fertilizer application,the soluble potassium in the soil solution significantlyincreased,straw retention and potassium fertilizer application did not affect the trend of soluble potassium changes during rice growth.Straw retention and increasing potassium fertilizer could increase rice yield, straw retention could significantly increase rice yield in the low level of potassium application.There was no significant increase in rice yield when the amount of straw retention reached 6.25 t·hm-2.

rice;rice straw retention;soil solution;soluble potassium;yield

S155.2＋6；S511

A

1005-9369（2015）05-0016-06

2015-01-18

国家科技支撑计划（2012BAD14B06）

闫超（1987-），男，博士研究生，研究方向为秸秆还田和保护性耕作。E-mail：yanchao504@126.com

龚振平，教授，博士生导师，研究方向为保护性耕作和大豆生理。E-mail：gzpyx2004@163.com