引用本文
郭九信, 冯绪猛, 胡香玉, 田广丽, 王伟, 陈健, 刘田, 艾山江·赛衣丁, 郭世伟. 氮肥用量及钾肥施用对稻麦周年产量及效益的影响 . 作物学报, 2013, 39(12): 2262-2271[GUO Jiu-Xin, FENG Xu-Meng, HU Xiang-Yu, TIAN Guang-Li, WANG Wei, CHEN Jian, LIU Tian, LIU Tian, SAIYIDING Hasanjan, GUO Shi-Wei. Effects of Nitrogen and Potassium Fertilizers Application on Annual Yield and Economic Effect in Rotation of Rice and Wheat. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(12): 2262-2271]  
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氮肥用量及钾肥施用对稻麦周年产量及效益的影响
郭九信1, 冯绪猛1, 胡香玉1, 田广丽1, 王伟1, 陈健2, 刘田2, 艾山江·赛衣丁1,3, 郭世伟1,*
1南京农业大学资源与环境科学学院, 江苏南京 210095
2如皋市农业科学研究所, 江苏南通 226575
3克州农业技术推广中心, 新疆克州 845350

* 通讯作者(Corresponding author): 郭世伟, E-mail:sguo@njau.edu.cn, Tel: 025-84396393

第一作者联系方式: E-mail:jiuxinguo@sina.com

收稿日期:2013-07-25
基金:本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB118600)和国家公益性行业(农业)科研专项(201103003和201203013)资助。
摘要

为探明优化施氮量与高施氮量下不同钾肥施用处理对稻麦周年产量及效益的影响。本试验于2010年5月至2011年7月在江苏省如皋市农业科学研究所试验基地的田间稻麦轮作条件下, 对常规粳稻品种镇稻11和春性中筋品种扬麦16设置了2个氮肥用量下不同钾肥用量及施用方法处理, 测定稻麦周年的产量和组成因子, 成熟期不同器官的氮、钾浓度和累积量, 氮、钾利用效率及经济效益。试验结果表明, 钾肥的施用显著提高了周年稻麦的产量, 同时提高了稻麦的有效穗数、穗粒数和结实率, 钾肥的利用效率和经济效益。稻麦周年钾肥(K2O)的偏生产力(PFP)、农学效率(AE)、回收利用率(RE)和经济效益均以周年钾肥(K2O)土壤施用150 kg hm-2 + 叶面喷施16.2 kg hm-2 (KS150 + KF16.2)处理最高。氮肥用量的结果表明, 相对于优化施氮量, 高施氮量有利于提高水稻的氮素营养而增产, 但对稻麦周年产量的影响不显著, 且优化施氮量的氮肥利用效率及经济效益均高于高施氮量。因此, 综合考虑土壤环境因素、经济效益和肥料资源管理, 本地区最佳氮肥(N)用量为水稻200 kg hm-2, 小麦180 kg hm-2; 最佳钾肥(K2O)用量及方法为水稻土壤施用90 kg hm-2 + 叶面喷施9.7 kg hm-2 (KS90 + KF9.7), 小麦土壤施用60 kg hm-2 + 叶面喷施6.5 kg hm-2 (KS60 + KF6.5)。

关键词: 水稻; 小麦; 氮; 钾; 产量; 利用率; 经济效益
Effects of Nitrogen and Potassium Fertilizers Application on Annual Yield and Economic Effect in Rotation of Rice and Wheat
GUO Jiu-Xin1, FENG Xu-Meng1, HU Xiang-Yu1, TIAN Guang-Li1, WANG Wei1, CHEN Jian2, LIU Tian2, LIU Tian2, SAIYIDING Hasanjan1,3, GUO Shi-Wei1,*
1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
2 Institute of Agriculture Science Research, Rugao County, Nantong 226575, China
3 Agriculture Extension Center of Kezhou City, Kezhou 845350, China
Abstract

To evaluate the effects of different potassium (K) fertilizer application methods with optimal and high nitrogen (N) fertilizer rates on the annual yield and the economic effect of rice and wheat rotation. We conducted a field experiment with rice-wheat rotation in 2010-2011 at Institute of Agriculture Science Research at Rugao County, Jiangsu Province. The rice cultivar “Zhendao 11” (a normaljaponica variety) and the wheat cultivar “Yangmai 16” (a spring mid-gluten variety) were used to determine the yield and its components, the N, K concentrations and accumulations , and N, K2O use efficiencies in individual organs at maturity stage. The results showed that application of K fertilizer could improve the annual grain yield of rice and wheat due to the increase of effective panicles, the number of grains per panicle and ripened grains. The annual grain yield of rice and wheat was significantly different among different treatments of K2O fertilizer application, and application of K could increase the K2O fertilizer use efficiency and the economic effect. The highest partial factor productivity (PFP), agronomic efficiency (AE), the recovery efficiency (RE) and the economic effect of the K2O fertilizer were all obtained in the treatment applying 150 kg ha-1 in soil and 16.2 kg ha-1 by foliar spray (KS150+KF16.2). The high N rate significantly enhanced the yield of rice resulting from improving crop N nutrition level. But the annual grain yield of rice and wheat was not significantly different between treatment of the different N rates, and the high N fertilizer rate could result in optimal N fertilizer use efficiency and economic effect. Combined with the soil environment, economic effect, and fertilizer resource management, these results suggested that optimal N rate should be 200 kg ha-1for rice and 180 kg ha-1 for wheat, and the optimal K2O application regime should be 90 kg ha-1 in soil plus 9.7 kg ha-1 by foliar spray (KS90+KF9.7) for rice and 60 kg ha-1in soil plus 6.5 kg ha-1 by foliar spray (KS60+KF6.5) for wheat in the experiment area.

Keyword: Rice; Wheat; Nitrogen; Potassium; Yield; Use efficiency; Economic efficiency

粮食的稳定增产对保障国家粮食安全起基础作用。肥料的施用为粮食增产做出了巨大的贡献, 随着高产作物品种的应用, 氮磷钾施用量的逐渐增加以及有机肥投入的减少, 显示出氮钾等养分的过量供应与不合理的肥料运筹, 这不仅在一定程度上限制了作物产量的提高, 而且增加了肥料的投入成本, 降低了肥料的利用效率, 影响了经济效益[ 1, 2]。有文献报道, 中国稻田氮肥吸收利用率为30%~35%, 江苏省水稻的氮肥吸收利用率仅19.9%, 显著低于全国平均水平[ 3, 4], 这主要是氮肥过量所致, 且氮肥的过量施用直接和间接地导致了一系列的环境问题, 如太湖流域的农业面源污染[ 3, 5]。近些年, 最佳养分管理技术的应用已取得了明显的节氮增产效果[ 4, 6]。另外, 我国是一个钾矿资源非常贫乏的国家, 其钾矿基础储量、产量及可采年度均只占世界的2.5%、2.1%、4.4%, 大量的钾肥依赖于进口, 但钾肥的施用量有逐渐增加趋势且习惯于一次性作基肥施用, 这显著降低了钾肥的利用效率[ 7]。有文献报道[ 8, 9], 钾肥的分次施用或在作物关键的生长时期叶面喷施, 可明显提高作物的产量和肥料利用率。因此, 科学合理施用氮钾肥是提高粮食产量和品质、维持农田氮钾平衡、保障土壤可持续利用的有效途径。江苏省是中国的重要稻麦产区之一, 以稻麦轮作生态系统为主, 但关于稻麦作物周年对氮、钾营养的吸收、累积、利用效率和经济效益分析的研究尚未见报道。为此, 本研究于田间试验条件下通过合理运筹肥料, 探讨稻麦周年氮、钾利用效率及经济效益, 为合理氮钾用量(减氮控钾)及钾肥施用方式(土施减钾+喷施补钾)以稳产增产和增加肥料利用效率及经济效益提供理论与实践参考。

1 材料与方法
1.1 试验地基本情况

江苏省如皋市农业科学研究所试验田(32.44oN, 120.49oE)为常规稻麦轮作生态系统, 供试土壤为由江淮冲积物形成的薄层高沙土[ 10], 地力均匀, 耕层土壤pH 7.54, 含有机质14.49 g kg-1、全氮1.52 g kg-1、有效磷8.40 mg kg-1、速效钾52.25 mg kg-1。根据第二次全国土壤普查的结果, 该试验点属于土壤速效钾含量较低的区域[ 11]。

1.2 供试材料与试验设计

选用水稻常规早熟晚粳稻品种镇稻11和小麦春性中熟中筋品种扬麦16。

采用裂区设计, 设置施氮量与施钾方法二因素, 施氮量为主区, 设优化施氮量(专家推荐用量, 水稻200 kg hm-2, 小麦180 kg hm-2; Optimal, O)和高施氮量(农户习惯用量, 稻麦均为300 kg hm-2; High, H) 2个用量水平。施K方法为副区, 分别为对照(不施K)、KS(土壤施用, 水稻施K2O为135 kg hm-2和90 kg hm-2两个水平; 小麦施K2O为90 kg hm-2和60 kg hm-2两个水平)、KS+KF(在土壤K正常施用的基础上叶面喷施, 分别在孕穗中期和灌浆初期, 喷洒浓度为1% K2SO4溶液)。各处理重复3次。较高的氮、钾用量均为农户习惯施肥量, 较低的氮、钾用量均为优化施肥量。小区面积3 m × 10 m = 30 m2, 每个小区均单设进、排水口, 小区间田埂用防水布覆盖, 隔离防渗, 四周设保护行。水稻育秧30 d后(2010年6月25日)移栽, 种植密度为每公顷25.5×104穴, 每穴定植2株, 株行距为28 cm×14 cm。小麦于2010年11月10日, 条播, 行距为25 cm, 播种量为150 kg hm-2。水稻氮钾处理小区与小麦氮钾处理小区一一对应, 全生育期均用当地习惯田间管理方式。

氮、磷、钾肥种类为尿素、过磷酸钙、氯化钾。其中水稻设纯氮200 kg hm-2和300 kg hm-2两个水平; 小麦设纯氮180 kg hm-2和300 kg hm-2两个水平。水稻氮肥分3次施用, 即40%基肥, 30%分蘖肥和30%拔节孕穗肥; 小麦氮肥分2次施用, 即1/3基肥, 2/3拔节孕穗肥。磷肥(P2O5 75 kg hm-2)、钾肥(水稻K2O 135 kg hm-2, 90 kg hm-2; 小麦K2O 90 kg hm-2, 60 kg hm-2)均做基肥于移栽前一次性施入; 于无风的晴天傍晚叶面喷施1% K2SO4, 水稻每次喷施量为900 L hm-2, 2次喷施累计K2O 9.7 kg hm-2; 小麦每次喷施量为600 L hm-2, 2次累计K2O 6.2 kg hm-2, 喷施同时添加0.01%表面活性剂(吐温20), 对照喷施相当量的自来水。

1.3 测定项目与方法

水稻成熟后, 在每个小区采集长势一致的3穴植株的地上部, 小麦成熟期在各小区取代表性植株30株, 分叶片、茎鞘和穗三部分, 洗净后于105℃杀青30 min, 75℃烘至恒重。冷却后称重各器官重量, 并根据取样穴数或株数、穗数或基本苗数计算每公顷该器官重量, 用于计算总生物量和氮钾的总累积量。用不锈钢样品粉碎机粉碎样品后, 用于养分含量测定。

1.3.1 产量及其构成因素 从水稻每小区随机调查30穴植株的穗数, 并随机选其中30株, 测定穗粒数、千粒重等; 从小麦各小区选取代表性的30株, 测定穗粒数、千粒重等。各取5 m2样方测定稻麦实际产量。

1.3.2 植株养分含量的测定 采用浓H2SO4-H2O2法消煮提取, 全自动连续流动分析仪(AA3, BRAN-LuEBBE, 德国)测定全氮; 火焰光度计(FP6410, 上海精密科学仪器厂, 中国)测定全钾。标准样品来自环境保护部标准样品研究所。

1.3.3 肥料利用率计算方法 氮(钾)肥偏生产力(PFP, kg kg-1) = 作物产量/作物施氮(钾)量; 氮(钾)肥农学利用率(AE, kg kg-1) = [施氮(钾)区作物产量 - 空白区作物产量]/作物施氮(钾)量; 氮(钾)肥吸收利用率(RE, %) = [施氮(钾)区作物吸氮(钾)量 - 空白区作物吸氮(钾)量]/作物施氮(钾)量[ 12]。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010和SAS9.0分析软件对数据进行统计、作图和方差分析。

2 结果与分析
2.1 不同处理下稻麦地上部干物质量及产量变化

由表1可知, 氮肥用量对稻麦的生物量生产的影响差异明显, 高施氮处理的水稻植株各部位的生物量显著高于优化施氮处理, 高氮下的不同钾肥处理平均叶、茎、穗及总体生物量分别较优化施氮处理高16.7%、11.7%、11.8%和12.6%。对于小麦, 虽然高氮下的平均叶、茎、穗及总体生物量分别比优化施氮增加9.5%、2.3%、6.1%和5.2%, 但差异不显著。另外, 相对于对照, 不同钾肥水平及施用方法处理的成熟期稻麦生物量均有所增加, 但同一施氮量下不同钾肥施用处理之间并没有显著的差异。

表1 不同处理的稻麦地上部干物质量 Table 1 Aboveground biomass of rice and wheat in different treatments (kg hm-2)

从表2可以看出, 在不同钾肥处理下, 氮肥用量对稻麦作物的产量及构成因素的影响不同, 总体而言, 高施氮量较优化施氮量有利于提高稻麦的产量及构成因素, 其中, 施氮水平对水稻产量的影响达到显著水平, 而对小麦的影响不显著, 由此说明在优化施氮水平的基础上, 增施氮肥对水稻有明显的增产效应, 这与表1中不同氮肥用量下稻麦作物的生物量差异一致。另外, 同一氮肥用量下, 不同钾肥处理对稻麦的产量及构成因素均有一定的影响, 且各处理稻麦的穗数、每穗粒数和结实率相对于对照都有增加的趋势, 其中, 小麦季不同钾肥处理间产量及其组成的差异较水稻更为明显, 达到显著水平, 而水稻季不同钾肥处理之间差异不显著。

表2 不同处理对水稻和小麦的产量及其构成的影响 Table 2 Effect of different treatments on grain yields and their components of rice and wheat
2.2 不同处理下稻麦地上部不同部位N、K浓度及累积量的变化

由表3可知, 不同氮肥用量对稻麦作物成熟期不同部位的氮浓度和氮累积量存在显著的影响, 水稻均是高施氮量显著高于优化施氮量; 小麦的氮浓度均是高施氮量显著高于优化施氮量, 而氮累积量除茎鞘外, 叶片、穗和总氮累积量在不同氮肥用量下差异不显著, 这可能是稻麦作物在高氮下生物量及产量增加的氮营养生理效应。成熟期稻麦作物不同部位氮浓度均为穗>叶片>茎鞘, 不同部位氮累积量均为穗>茎鞘>叶片。同一氮肥用量下, 不同钾肥处理间稻麦成熟期各部位氮浓度和累积量差异不显著。不同作物间, 小麦穗氮浓度、穗氮累积量和总氮累积量均高于水稻, 而水稻的叶片和茎鞘的氮浓度和累积量均高于小麦。

表3 不同处理对成熟期水稻和小麦不同部位氮浓度和氮累积量的影响 Table 3 Effects of different treatments on N concentration and accumulation in individual organ of rice and wheat at maturity stage

由表4可知, 不同氮肥用量下, 成熟期稻麦不同部位的钾浓度差异不显著。但不同氮肥用量对水稻和小麦在成熟期不同部位的钾浓度所表现的趋势不一致, 其中水稻叶片和茎鞘均是优化施氮高于高氮, 而小麦则相反, 叶片和茎鞘均是高氮高于优化施氮。水稻和小麦的穗钾浓度在不同氮肥用量下表现一致, 均为高氮低于优化施氮, 这可能与高氮下稻麦作物产量的提高而形成的稀释效应有关。同一氮肥用量下, 不同钾肥处理的成熟期稻麦不同部位的钾浓度存在明显的差异。相对于对照, 施钾处理能显著提高稻麦植株各部位中的钾浓度, 但不同施钾处理之间差异不显著。总体而言, 成熟期水稻和小麦不同部位钾浓度表现一致, 均为茎鞘>叶片>穗, 水稻各部位钾浓度均表现为KS135+KF9.7> KS90+KF9.7> KS135>对照, 小麦则为KS90+KF6.5> KS60+KF6.5> KS90>对照, 这表明叶面喷施钾肥有利于提高钾肥的利用率, 降低钾肥的施用量, 提高经济效益。水稻和小麦的茎鞘和穗部钾浓度相当, 而小麦的叶片钾浓度显著高于水稻约2.5倍左右。

表4 不同处理对成熟期水稻和小麦不同部位钾浓度和钾累积量的影响 Table 4 Effects of different treatments on K concentration and accumulation in individual organ of rice and wheat at maturity stage

钾素积累指的是作物吸收钾素养分的绝对量。从表4可以看出, 虽然不同氮肥用量对水稻和小麦钾累积量的影响没有显著的差异, 但高施氮量下稻麦各部位的钾累积量均要高于优化施氮量, 这可能与本试验高氮较优化施氮有利于提高稻麦干物质量的生产有关。不同钾肥处理的稻麦植株中钾累积量与其钾浓度所表现的趋势一致。相对于对照, 施钾处理能显著提高稻麦植株各部位的钾累积量, 但不同施钾处理之间差异不显著。总体而言, 成熟时水稻和小麦的钾累积量, 均为茎鞘>穗>叶片。其中, 水稻茎鞘K累积量与叶片、穗和总体钾累积量的比值在优化施氮下分别为6.34、3.42和0.6893, 在高氮下分别为6.18、3.56和0.6931; 而小麦在优化施氮下分别为6.14、2.91和0.6639, 高氮下分别为5.77、3.15和0.6711, 这表明茎鞘可能是稻麦植株钾的贮藏库。水稻钾累积量表现为KS135+KF9.7>KS90+KF9.7≈KS135>对照, 而小麦为KS90+KF6.5> KS60+ KF6.5≈KS90>对照, 且水稻各部位钾的累积量都明显高于小麦植株。

2.3 不同处理对稻麦钾肥(K2O)利用效率的影响

从表5可以看出, 不同施氮量对稻麦周年K2O的利用效率存在一定的影响, 水稻季和稻麦周年K2O的农学利用率、偏生产力和吸收利用率均是高氮高于优化施氮, 而在小麦季除K2O的吸收利用率外其他因素亦表现为高氮高于优化施氮, 但这种不同施氮量下产生的差异并不显著。同样, 同一氮肥用量下不同钾肥处理间, 水稻季和稻麦周年K2O的农学利用率、偏生产力和吸收利用率都是KS150+KF16.2处理最高, 而在小麦季除K2O的吸收利用率外其他因素亦为处理KS150+KF16.2最高, 并表现为随施钾量的降低而增高的趋势。另外, 不同钾肥处理下, K2O的农学利用率和吸收利用率差异不显著, 但KS150+KF16.2处理的K2O偏生产力显著的大于KS225和KS225+KF16.2处理, 且偏生产力在数值上表现为随施钾量的增加而降低的趋势, 即钾肥喷施处理的利用效率明显高于土壤施用。

表5 不同处理对稻麦钾肥(K2O)利用效率的影响 Table 5 Effect of different treatments on K2O use efficiency for rice and wheat
2.4 不同处理下稻麦周年产量水平及效益评价

由表6可知, 不同氮肥用量对稻麦产量的影响不一致, 其中, 水稻季高氮显著高于优化施氮, 而小麦季高低氮肥用量间差异不显著, 且稻麦周年的高低氮肥用量间差异也不显著。相对于不施钾对照, 不同钾肥处理, 水稻季在高低氮肥用量下平均增产3.0%、3.1%, 小麦季则为15.6%、19.0%, 小麦的增产率显著地高于水稻。从各处理的周年增加产值可以看出, 高低氮下都以KS225+KF16.2最高, 而K2O的周年投入产出比则为KS150+KF16.2> KS225+ KF16.2> KS225, 不同氮肥用量下差异不显著。说明在本试验条件下, 随着钾肥用量的增加, 反而会降低K2O的产投比, 降低经济效益。另外, 氮肥的利用效率与经济效益也呈现出优化施氮量高于高施氮量的趋势(表7)。

表6 表7 表6 不同处理下稻麦周年产量及钾肥(K2O)效益分析表7: 稻麦周年不同氮肥用量平均产量及氮肥(N)效益分析Table 6 and 7 Table 6 Grain yield and K2O economic efficiency of different treatments in rice and wheatTable 7 Average of grain yield and N economic efficiency of different N rates treatment in rice and wheat

3 讨论
3.1 氮肥用量对稻麦周年生长及产量的影响

氮是植物生长发育的必需养分, 是每个活细胞的组成部分, 首先氮素是叶绿体的组成成分, 叶绿素a和b都是含氮化合物。有研究表明, 随着氮、钾施肥量的增加, 小麦植株的光能利用率和对应的光化学植被指数都明显增加, 主要原因是叶片内部叶绿素的增加, 进而增强光合作用, 获得更多的同化物, 提高作物的产量[ 13]。本实验结果表明, 稻麦两季高氮下的产量均高于优化施氮(表2), 原因可能是高氮下成熟期稻麦各部位的氮浓度和累积量均高于优化施氮。因此, 在本实验条件下, 增施氮肥具有通过增进稻麦氮素营养水平和光合性能而增产的潜力(表3)。

虽然本实验高氮下水稻季的产量显著高于优化施氮, 但小麦季不同氮肥用量间产量差异不显著, 且稻麦周年产量不同氮肥用量间差异也不显著。高氮与优化施氮下稻麦周年的PFPN分别为34.2和23.2, 周年氮肥的产投比分别为7.2和5.3, 均是优化施氮高于高氮(表7), 表明在本实验条件下, 氮肥的过量施用是一种不经济的行为。苏培忠等[ 14]研究表明氮肥施用量不是越多越好, 当氮肥过量施用时, 出现报酬递减律, 常常引起稻株恋长贪青, 病虫发生偏重, 结实率偏低, 反而影响产量, 而且多余的氮素也容易流失, 引发次生资源灾害。本课题组进行的高低施氮量的试验表明, 该地区水稻最适施纯氮量为250 kg hm-2、小麦为200 kg hm-2, 在此施氮水平下稻麦可达到最高产量。

3.2 不同施钾处理对稻麦周年生长的影响

作物产量是由穗数、每穗粒数和千粒重共同决定的。本试验结果表明, 稻麦施钾处理和对照相比, 其穗数、穗粒数和千粒重均有所增加, 且小麦施钾处理的穗数增加幅度远高于水稻。钾有利于光合产物的运输, 加速籽粒灌浆, 使水稻和小麦每穗的实粒数分别增加6.6~15.7 (在高低氮下分别为6.6~8.5和10.7~15.7)粒和2.9~3.7 (在高低氮下分别为2.9~3.1和3.3~3.7)粒, 千粒重分别增加0.1~1.3 g和0.6~1.2 g, 这样使稻麦籽粒饱满度提高, 每穗实粒数和千粒重增加, 从而获得增产。由于本试验点本身土壤钾素含量较低, 相对于对照不施钾处理, 小麦各施钾处理的增产率显著地高于水稻, 这可能是由于不施钾处理在水稻季消耗了许多土壤中的钾(不施钾处理水稻在优化施氮下总钾累积量为117.16 kg hm-2, 高氮下为122.14 kg hm-2), 导致对照土壤中的钾素供应不足, 所以在小麦季表现出显著的产量差异。这与鲍士旦等[ 8]的研究结果一致。施用钾肥能提高作物的产量及其构成因素, 钾肥的增施及合理施用具有通过增进稻麦钾素营养水平和促进碳水化合物的运输而增产的潜力。还有文献指出, 随着钾肥施用量的提高小麦植株叶片内部的叶绿素含量增加, 光合作用的效率提高, 进而能制造更多的同化产物, 提高作物的产量[ 13], 本试验没有过多关注这一结论, 需要进一步研究。

有文献报道, 由于孕穗(拔节)至齐穗期是水稻、小麦需钾最多的时期, 其吸钾量和吸钾速率均达到最高峰, 在缺钾土壤上钾肥分次施用比一次基施更好, 能较好地满足稻麦对钾的需要[ 8]。在分次施用钾肥时有两种方法, 一种是土壤施用, 另一种是叶面喷施。已有很多文献报道[ 9, 15]在作物关键时期叶面喷施补钾, 指出喷施K2SO4可以获得更高的籽粒产量、茎叶产量、分蘖数、籽粒和茎叶钾含量, 且回收利用率和农学效率均高于喷施KNO3和KCl[ 9]。在叶面补钾过程中添加一定浓度的表面活性剂可以提高作物对钾的吸收和改善作物品质[ 15]。本试验表明, 不同施钾处理间对水稻的生长和产量及其组成没有明显的差异, 但对小麦的影响则明显高于水稻, 这可能与水稻和小麦不同的耕作制度有关, 水稻是水作, 小麦是旱作。随施钾量的降低, 钾肥利用率和经济效益均呈现出增加的趋势, 且高低氮下稻麦周年均以水稻季KS90+KF9.7和小麦季KS60+KF6.5的处理最高(表5和表6)。钾肥用量可以控制(土施减钾), 且在作物关键生长期以叶面喷施补钾快速有效, 是一种提高钾肥利用效率和经济效益的方式, 值得推广与应用。

3.3 稻麦周年氮钾营养的变化原因

本试验结果表明, 收获期不同施钾处理及不同氮肥用量下稻麦作物不同部位的氮浓度, 均表现为高氮高于优化施氮, 这与大多数研究结果一致, 也进一步表明作物高产的氮素营养潜力。不同施氮量对水稻和小麦成熟期不同部位K浓度影响的趋势不一致, 其中水稻叶片和茎鞘均是优化施氮高于高氮, 而小麦则相反, 叶片和茎鞘均是高氮高于优化施氮。这种钾浓度的差异来自水田和旱地耕作系统及其对养分吸收的差异。各耕作系统的氮素形态、钾素的移动及根系对氮钾元素的吸收特性是不同的, 不管水田还是旱地氮肥施入土壤主要以铵态氮和硝态氮的混合形态存在, 但水田以铵态氮为主, 且大多数研究结果表明铵态氮(NH4+-N)和钾离子(K+)在水稻[ 16, 17]、烟草[ 18, 19]等作物吸收之间存在明显的拮抗作用, 所以在水稻生产上, 高氮下可能影响对K素的吸收, 这也可能是高氮比优化施氮有较高倒伏风险的原因。因而, 在生产上, 氮肥施用量较高的情况下应相应地多施钾肥, 叶面补施可能效果更好。旱地以硝态氮为主, 大多数研究结果表明硝态氮(NO3--N)和钾离子(K+)在作物吸收上存在一定的协同作用[ 16, 17, 18, 19], 所以小麦在高氮条件下有较高的K素吸收利用能力。此外, 水稻和小麦的穗钾浓度在不同氮肥用量下均表现高氮低于优化施氮, 这可能与高氮下稻麦作物产量提高而形成的稀释效应有关。当然, 稻麦作物对钾素的吸收及各部位的浓度与累积也与不同氮肥用量下作物的生物量差异有关。

3.4 稻麦周年钾营养及其应对策略

从收获期稻麦植株氮钾的累积量可以看出(表3和表4), 茎鞘是钾的主要贮藏器官, 籽粒则是氮的主要贮藏器官, 水稻植株对钾的累积量高于小麦, 而小麦对氮的累积量高于水稻。本试验结果表明, 叶片和茎鞘的钾累积量占植株总累积量的百分比, 水稻在高氮与优化施氮下分别为80.5%、81.0%, 小麦分别为78.7%、77.2%, 水稻略高于小麦, 二者均在80%左右(表4)。如此高比例的钾素无故浪费确实不经济, 所以, 考虑到钾肥资源的有限性及资源环境的可持续发展, 可根据实际情况进行稻麦秸秆还田, 避免钾素的无效损失。我国作物秸秆资源总量达6.73亿吨, 其中稻草占26.3%[ 20]。随着农业生产集约化程度的提高, 化肥用量日益增长, 而厩肥、绿肥施用量大幅度降低, 秸秆已成为重要的有机肥源[ 20, 21]。秸秆还田能增加土壤有机质, 改变土壤腐殖质组成及特性, 增强微生物活性, 改善氮素循环以及作物对氮素的吸收, 为下一茬作物的生长提供大量的可利用氮素, 改善土壤物理性状, 促进作物生长发育, 提高作物产量, 蓄水保墒, 调节地温和保持水土, 抑制杂草等[ 22, 23, 24, 25]。稻草中的钾实际上是一种生物钾肥, 据有关研究表明, 稻草还田后, 土壤中稻草钾的释放特征与氯化钾十分相似[ 26]。肖小平等[ 27]在研究稻草秸秆不同还田方式时发现, 其土壤速效钾含量为高桩翻耕>覆盖免耕>高桩免耕。如何合理高效利用秸秆还田的钾素, 有待进一步研究。

另外, 虽然本试验施钾量差异较大, 但不同施钾处理间稻麦周年的生物量和产量并没有产生显著的差异, 只是表现出对钾的敏感性小麦略高于水稻, Regmi等[ 28]对稻麦12年的长期定位研究也表明同样的趋势。这可能有两方面原因。首先, 根据国家标准农田灌溉水指标, 稻麦季的灌水量分别为每年12 000 m3 hm-2和4500 m3 hm-2 , 如果灌溉水中的钾含量恒定, 显然随灌溉水带入稻田的钾明显高于小麦地的, 因此, 需要进一步研究水稻季钾素的时空恒量检测, 科学合理管理稻田钾素营养。其次, 由于小麦季是旱作, 降低了土壤钾素的流动性, 再加上小麦季的干旱少雨, 钾作为主要的渗透调节物质, 钾肥的施用能提高小麦的抗逆性, 因此, 在农业生产上肥料的合理施用应因时调整、因地制宜、控制用量, 也更突出了作物关键时期叶面喷施钾肥的重要性。此外, 大量南方稻田双季稻生产上磷钾肥施用的“早磷晚钾”经验总结也值得长江中下游稻麦轮作区学习与借鉴。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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