引用本文
肖克, 唐静, 李继福, 邹家龙, 朱建强. 长期水稻-冬油菜轮作模式下钾肥的适宜用量. 作物学报, 2017, 43(8): 1226-1233
XIAO Ke, TANG Jing, LI Ji-Fu, ZOU Jia-Long, ZHU Jian-Qiang. Optimum Amount of Potassium Fertilizer Applied under Continuous Rice- rapeseed Rotation. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2017, 43(8): 1226-1233  
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长期水稻-冬油菜轮作模式下钾肥的适宜用量
肖克1, 唐静1, 李继福1,*, 邹家龙2, 朱建强1
1 湿地生态与农业利用教育部工程研究中心 / 长江大学农学院, 湖北荆州 434025
2 荆州市荆州区土壤肥料工作站, 湖北荆州 434020
* 通讯作者(Corresponding author): 李继福, E-mail: jifuli@yangtzeu.edu.cn, Tel: 0716-8066314

第一作者联系方式: E-mail: 497378374@qq.com, Tel: 0716-8066314

收稿日期:2016-12-24 接受日期:2017-04-20 网络出版日期:2017-04-27
基金:本研究由国家重点研发计划专项“粮食丰产增效科技创新”(2016YFD0300907), 湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金(KF201613)和国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-13)资助
摘要

研究长期施用钾肥对水稻-冬油菜轮作系统作物生产力、钾肥利用率和土壤供钾能力的影响, 为水旱轮作区钾肥的统筹分配提供科学依据。2011—2016年在湖北省粮油主要生产区江汉平原布置中稻-冬油菜轮作定位田间试验。共设5个钾肥用量处理, 分别为0 kg hm-2(K0), 45 kg hm-2(K1), 90 kg hm-2(K2), 135 kg hm-2(K3)和180 kg hm-2(K4), 其中K2处理为当地测土配方推荐钾肥用量(K2O 90 kg hm-2)。在土壤供钾能力较高情况下, 水稻和油菜年均产量分别为6.87 t hm-2和2.25 t hm-2, 经过一个轮作周期后施用钾肥具有明显的增产效果, 且冬油菜季的产量和地上部吸钾量增幅最为明显, 分别为16.9%和63.8%。长期施用推荐钾肥用量后, 水稻和冬油菜的钾肥农学利用率年均分别为5.1 kg kg-1和3.2 kg kg-1, 而钾肥吸收利用率和钾肥贡献率水稻季明显低于冬油菜, 这表明水稻吸收的钾素主要来自土壤, 而冬油菜则需要较多的外源钾来满足自身对养分的需求。通过线性加平台肥效模型拟合得出, 水稻季适宜钾肥用量为70.5~100.9 kg hm-2, 平均96.6 kg hm-2, 比推荐用量提高了7.3%; 冬油菜季适宜钾肥用量为75.6~118.2 kg hm-2, 平均107.0 kg hm-2, 比推荐用量提高18.9%, 且冬油菜对钾肥需求高于水稻。因此, 在本试验条件下, 长期施用年均推荐钾肥用量(180 kg hm-2)不仅影响作物产量的稳定性, 还导致轮作系统钾素持续亏缺和土壤有效钾含量降低, 故钾肥应优先施用于油菜季并且重视作物秸秆还田、归还秸秆钾素, 以维持农田钾素平衡和生产力可持续性。

关键词: 水旱轮作; 产量; 土壤钾; 钾肥适宜用量; 钾肥利用率
Optimum Amount of Potassium Fertilizer Applied under Continuous Rice- rapeseed Rotation
XIAO Ke1, TANG Jing1, LI Ji-Fu1,*, ZOU Jia-Long2, ZHU Jian-Qiang1
1 Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland, Ministry of Education / College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, China
2 Soil and Fertilizer Station of Jingzhou City, Jingzhou 434020, China
Fund:This research was supported by the Special National Key Research and Development (2016YFD0300907), the Open-end Fund of Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland, Ministry of Education (KF201613), and the Earmarked Fund for China Agriculture Research System (CARS-13)
Abstract

In order to provide a scientific basis for K fertilization in paddy-upland rotation, effects of K fertilizer rate on crop production, K efficiency, and soil K status were studied. A long-term (2011-2016) field experiment was conducted in the Jianghan Plain, Hubei province, China. Five treatments were applied with three replications each: 0 kg ha-1(K0), 45 kg ha-1(K1), 90 kg ha-1 (K2), 135 kg ha-1 (K3) and 180 kg ha-1 (K4), where K2 treatment was the recommended amount of K fertilizer (90 kg ha-1). The yields of rice and rapeseed were 6.87 t ha-1and 2.25 t ha-1 respectively, in the condition without K fertilizer and with higher soil available K content. Application of K fertilizer could significantly increase the yield after one crop rotation; the increase in rapeseed season was higher than that in the rice season, accounting for 16.9% and 63.8%, respectively. With the application of the recommended amount of K fertilizer, the agronomic K efficiency (KAE) of rice and rapeseed was 5.1 kg kg-1 and 3.2 kg kg-1, respectively; however, the K recovery efficiency (KRE) and K contribution rate (KCR) of rice were lower than those of rapeseed, which indicated that K absorbed by rice was mainly from the soil, and more external supply of K fertilizer was needed to meet the nutrient demand of rapeseed. According to the fertilizer efficiency model, the optimum annual amounts of K fertilizer (K2O) were 70.5-100.9 kg ha-1for rice, with an average of 96.6 kg ha-1, and 75.6-118.2 kg ha-1 for rapeseed, with an average of 107.0 kg ha-1, which were 7.3% and 18.9% higher, respectively, than the recommended amount in this region. Under the soil K condition in this study, long-term application of recommended K fertilizer rate (180 kg ha-1 per year) could not only affect yield stability, but also decrease crop system K balance and soil available K content. Therefore, K fertilizer should be preferentially applied in the rapeseed season rather than the rice season and straw returning to field should also be taken into consideration to maintain the soil K balance and sustainable high-yield production in the crop rotation system.

Keyword: Paddy-upland rotation; Yield; Soil K; Optimum recommendation of K fertilizer; K fertilizer efficiency

水旱轮作是我国重要的作物种植制度, 主要分布于长江流域和淮海流域稻作区, 以水稻-小麦轮作种植面积最大, 其次是水稻-油菜轮作[1, 2], 对全国粮食生产尤其南方稻区的粮食安全具有重大影响。油菜不与主粮争地, 可改良土壤和提供食用油, 是长江流域主要的冬季作物。集约化、高产条件下, 水旱轮作区因作物收获带走的钾量(K2O)每年约210~360 kg hm-2, 长期重氮肥、轻磷钾肥的施肥习惯导致农田系统钾素亏缺较为严重[3, 4, 5]。自2005年测土配方施肥技术的应用与推广以来, 农田钾素亏缺现象得到部分遏制, 但科学施肥仍是该区域作物生产中的重要措施。

高产目标下, 作物需要吸收大量的钾素, 与氮素相当, 甚至逆境时需钾量超过氮, 而土壤中大量的钾是矿物态, 仅小部分钾对作物有效。因此, 化学钾肥成为作物钾素的主要来源[4, 5]。当前, 我国钾肥推荐施用量多针对单季作物, 如水稻、小麦、玉米、油菜等[6, 7, 8, 9], 而轮作制度中也以小麦-玉米和小麦/大麦-水稻居多[10, 11]。大量研究表明水稻和冬油菜的钾肥适宜用量在34~225 kg hm-2和60~240 kg hm-2之间不等并受地力、环境和农田水热条件影响, 尤其农田水分和温度是影响土壤供钾能力的重要因素[6, 9]。高温、淹水可引起黏土矿物晶层膨胀, 利于更多的有效钾溶出; 但降雨较多时会增加土壤有效钾淋失的风险, 降低施入钾肥的利用率。故在周年轮作中钾肥分配宜冬季作物重而夏季作物轻; 在水旱轮作时旱季作物钾肥比例可多于水稻季[12]。然而, 作物生育期对钾素的吸收不单依赖于土壤的钾含量, 更大程度上取决于作物自身的吸收能力和吸收机制, 加之水旱轮作经历有规律的干湿交替和温度变化, 导致冬油菜和水稻对钾肥的需求也存在一定的差异[13, 14]。目前, 对水稻-油菜轮作中钾肥统筹施用和分配比例的研究还比较薄弱, 尤其缺乏对轮作系统长期需肥规律的有效评估。为此, 我们于2011年在江汉平原开展水稻-冬油菜轮作田间定位试验, 研究当前推荐钾肥用量的作物增产效果; 探讨干湿交替对钾肥利用率、农田钾素平衡和土壤钾含量变化的影响; 明确农田钾肥的短期和长期适宜用量, 以期为水稻-冬油菜轮作区的钾肥合理分配和施用提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 试验地及材料

试验区位于湖北省荆州市荆州区川店镇(30.6° N, 112.1° E, 海拔75 m), 属江汉平原河流冲积物发育的水稻土。试验前耕层(0~20 cm)土壤pH 5.62, 含有机质27.3 g kg-1、全氮0.75 g kg-1、有效磷8.4 mg kg-1、交换性钾100.9 mg kg-1和非交换性钾474.2 mg kg-1。土壤质地分级(美国制)为粉粒55.4%、黏粒37.8%和砂粒6.8%, 属于粉质黏壤土。

供试水稻和油菜品种分别为当地主推品种鄂科1号和华油杂15。供试肥料为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、氯化钾(K2O 60%)和硼砂(B 11%)。

1.2 试验设计

田间定位试验于2011年水稻季开始, 采用一年两熟的中稻-冬油菜轮作模式, 设5个钾肥用量水平, 即(1) K0, 0 kg hm-2; (2) K1, 45 kg hm-2; (3) K2, 90 kg hm-2; (4) K3, 135 kg hm-2; (5) K4, 180 kg hm-2。其中, K2为当地测土配方推荐钾肥施用量, 每季钾肥用量均相同[6, 15]。小区面积20 m2, 3次重复, 随机区组排列。水稻和油菜的氮肥和磷肥施用量一致, 分别为180 kg hm-2和90 kg hm-2; 油菜季增施硼砂15 kg hm-2。

水稻季氮肥分3次施用, 基肥∶ 蘖肥∶ 穗肥 = 2∶ 1∶ 1; 磷肥和钾肥在水稻移栽前一次性基施。冬油菜季氮肥分3次施用, 基肥∶ 越冬肥∶ 蕾薹肥 = 3∶ 1∶ 1; 磷、钾和硼肥一次性基施。为明确化学钾肥的长期施用效果, 作物秸秆在收获时全部移出农田。按当地实际情况进行田间生产管理, 并适时防治病虫害和杂草。

1.3 样品采集与测定

于2011年冬油菜收获后采集基础土样, 以整个试验田为采样单元, 均匀布点30个, 取0~20 cm耕层土壤, 拣出杂草和碎石等, 按照“ 四分法” 制成混合样带回实验室风干、保存。每季作物收获后, 采集各小区耕层土壤, 处理同上述过程。采用鲍士旦的方法测定土壤pH、有机质、全氮、有效磷、交换性钾和非交换性钾[16], 其中吸管法测定土壤机械组成; pH计测定pH (水土比2.5∶ 1.0); 重铬酸钾容量法测定有机质; H2SO4混合加速剂消煮, 凯氏定氮仪测定全氮; 1 mol L-1 NaHCO3浸提-分光光度计测定有效磷; 1 mol L-1 NH4OAc浸提-火焰光度计测定交换性钾; 2 mol L-1沸硝酸浸提-火焰光度计测定非交换性钾。

水稻和冬油菜收获前1 d从各小区选择代表性植株6株, 风干。将水稻分为稻草和稻谷两部分; 冬油菜分为茎秆、角壳和籽粒3部分并称重, 以测定钾含量和估算秸秆生物量。按小区单打、单收, 测得实产。将植物样品在60℃烘箱中烘24 h, 磨碎, 用浓H2SO4-H2O2消解, 火焰光度法测定钾含量。

1.4 数据处理

钾肥利用率包括钾肥农学利用率(K agronomy efficiency, KAE)、钾肥吸收利用率(K recovery efficiency, KRE)和钾肥贡献率(K contribution rate, KCR)[17]。

钾肥农学利用率(KAE, kg kg-1) = (施钾区产量– 无钾区产量)/施钾量

钾肥吸收利用率(KRE, %) = (施钾区地上部总吸钾量– 无钾区地上部吸钾总量)/施钾量× 100

钾肥贡献率(KCR, %) = (施钾区产量– 无钾区产量)/施钾区产量× 100

采用Microsoft Excel 2010、SAS V8、SPSS Statistics 17和Origin 9.0软件计算处理试验数据, LSD法检验P< 0.05水平上的差异显著性。本研究中, 将处理(T)和年份(Y)作为固定因子, 其他作为因变量分析处理和年份的交互作用。

2 结果与分析
2.1 作物产量和钾素吸收对钾肥用量的响应

方差分析(图1)显示施钾和年份对作物产量均有显著影响, 但两者并没有交互作用。不施用钾肥(K0)时, 水稻和冬油菜的5年平均产量分别为6.87 t hm-2和2.25 t hm-2, 随着钾肥用量增加, 产量呈增加趋势, 施钾的平均增产量分别为0.39 t hm-2和0.38 t hm-2, 增幅达5.7%和16.9%。第1年施用钾肥, 水稻没有表现出明显的增产效果, 经过2个轮作周期后, 表现出显著的增产效果, 但当钾肥用量> 90 kg hm-2时, 产量增幅不显著。对于后茬冬油菜, 施用钾肥后, 在第2个轮作周期表现出显著的增产效果。此外, 随着试验年限的增加, 施钾增产效果有逐渐提高的趋势, 且等量钾肥时增产效果表现为冬油菜> 水稻。

图1 2011-2016年水稻和冬油菜产量动态变化
K0: 不施钾肥; K1: 钾肥用量45 kg hm-2; K2: 钾肥用量90 kg hm-2; K3: 钾肥用量135 kg hm-2; K4: 钾肥用量180 kg hm-2。不同字母表示同一年份处理间差异达5%显著水平。Fig. 1 Dynamic changes of rice and winter oil rapeseed yields in 2011-2016
K0: without K fertilizer; K1: K fertilizer rate 45 kg hm-2; K2: K fertilizer rate 90 kg hm-2; K3: K fertilizer rate 135 kg hm-2; K4: K fertilizer rate 180 kg hm-2. Values followed by different letters are significantly different among treatments in the same year at P< 5%.

同样, 不施用钾肥(K0)时, 水稻和冬油菜地上部钾素吸收量的5年平均值分别为141.1 kg hm-2和97.8 kg hm-2(图2)。与K0处理相比, 施用钾肥后, 水稻和冬油菜地上部钾素年均吸收量分别增加35.6 kg hm-2和62.4 kg hm-2, 增幅达25.2%和63.8%。随试验年份的增加, 钾肥施用对冬油菜钾素累积的影响远高于水稻钾素累积。

图2 2011-2016年水稻和冬油菜地上部钾素吸收量动态变化
K0: 不施钾肥; K1: 钾肥用量45 kg hm-2; K2: 钾肥用量90 kg hm-2; K3: 钾肥用量135 kg hm-2; K4: 钾肥用量180 kg hm-2。不同小写字母表示同一年份处理间差异达5%显著水平。Fig. 2 Dynamic changes of rice and winter oil rapeseed K2O uptake in 2011-2016
K0: without K fertilizer; K1: K fertilizer rate 45 kg hm-2; K2: K fertilizer rate 90 kg hm-2; K3: K fertilizer rate 135 kg hm-2; K4: K fertilizer rate 180 kg hm-2. Values followed by different letters are significantly different among treatments in the same year at P< 5%.

2.2 农田钾素表观平衡

根据轮作周期内钾肥投入量和作物吸收带走量确定农田钾素表观平衡(年际均值, 图3)。同样, 农田钾素平衡量也受到施钾量和年份环境的双重影响, 但年际农田钾素亏缺量均随钾肥用量增加而呈现递减趋势。不施用钾肥时, 整个轮作系统年均钾素亏缺量为238.9 kg hm-2。当每季作物施用推荐钾肥量(90 kg hm-2)时, 年均亏缺总量减少到147.8 kg hm-2。随着钾肥用量增加到180 kg hm-2, 农田钾素投入量和输入量基本平衡。

图3 钾肥用量对农田钾素(K2O)表观平衡的影响
K0: 不施钾肥; K1: 钾肥用量45 kg hm-2; K2: 钾肥用量90 kg hm-2; K3: 钾肥用量 135 kg hm-2; K4: 钾肥用量 180 kg hm-2; T: 处理; Y: 年份。Fig. 3 Effects of K-fertilizer on the K balance in rice season and rapeseed season
K0: without K fertilizer; K1: K fertilizer rate 45 kg hm-2; K2: K fertilizer rate 90 kg hm-2; K3: K fertilizer rate 135 kg hm-2; K4: K fertilizer rate 180 kg hm-2; T: treatment; Y: year.

2.3 作物的钾肥利用效率

钾肥农学利用率、钾肥吸收利用率和钾肥贡献是评价钾肥效率的重要指标。从统计分析来看, 施钾量对钾肥利用率有极显著影响, 其次是年份因素, 而两者之间并无交互作用。从图4可知, 在同等年份时, 水稻和冬油菜钾肥农学利用率随着钾肥用量的增加呈显著降低的趋势; 在相同施肥水平下, 水稻和冬油菜钾肥农学利用率随着试验年限的延长有增加的趋势。长期施用推荐钾肥用量(K2), 水稻和冬油菜的年均农学利用率分别为5.1 kg kg-1和3.2 kg kg-1。水稻钾肥吸收利用率在前两轮作周期内相对较低, 随着种植年限的延长而有所提高。油菜钾肥吸收利用率在第2轮明显提高, 之后相对比较平稳。从多年均值(K2)来看, 水稻和冬油菜的钾肥吸收利用率分别为45.0%和59.4%。水稻和冬油菜的钾肥贡献率随着钾肥用量的增加呈显著增加的趋势, 油菜季表现更为明显。长期施用推荐钾肥用量后, 水稻和冬油菜的年均钾肥贡献率分别为21.7%和35.1%。可见, 水稻更多依靠土壤钾素供应, 而冬油菜则需要更多的外源钾来满足自身的养分需求。

图4 钾肥施用对水稻和冬油菜钾肥利用率的影响
KAE: 钾肥农学利用率; KRE: 钾肥吸收利用率; KCR: 钾肥贡献率; K1: 钾肥用量45 kg hm-2; K2: 钾肥用量90 kg hm-2; K3: 钾肥用量135 kg hm-2; K4: 钾肥用量180 kg hm-2。Fig. 4 Effects of K-fertilizer on the K efficiency of rice and winter oil rapeseed
KAE: K agronomy efficiency; KRE: K recovery efficiency; KCR: K contribution rate. K1: K fertilizer rate 45 kg hm-2; K2: K fertilizer rate 90 kg hm-2; K3: K fertilizer rate 135 kg hm-2; K4: K fertilizer rate 180 kg hm-2.

2.4 水稻和冬油菜的钾肥适宜用量

采用线性加平台肥效模型对水稻和冬油菜的钾肥适宜用量进行拟合, 如图5所示。第一个轮作周期水稻和冬油菜的肥效模型分别为y = 6.96+0.0023x (x≤ 70.5); y = 7.12 (x> 70.5)和y = 2.84+0.0022x (x≤ 75.6); y = 3.01 (x> 75.6)。两模型的相关系数分别为0.9859和0.9883, 均达到显著水平。但是, 随着种植年限的延长, 水稻和油菜的最佳钾肥用量出现波动, 对于水稻第2至第5季的钾肥最佳用量分别为103.6、100.9、100.5和86.9 kg hm-2; 对于冬油菜第2至第5季的钾肥最佳用量分别为104.2、103.4、94.7和118.2 kg hm-2。采用多年产量均值进行拟合得出水稻和冬油菜的肥效模型分别为y = 6.87+0.0049x (x≤ 96.6); y = 7.34 (x> 96.6)和y = 2.41+0.0027x (x≤ 107.0); y = 3.01 (x> 107.0)。两模型的相关系数分别为0.9996和0.9730, 均达到显著水平。根据肥效模型分别推算出水稻和冬油菜的年均适宜施钾量为96.6 kg hm-2和107.0 kg hm-2; 理论产量分别达7.34 t和3.01 t。可见, 在追求作物持续高产过程中, 当季推荐钾肥用量不能代表作物的长期需肥规律, 而且, 冬油菜季的需钾量略高于水稻季。

图5 长期轮作下水稻和冬油菜钾肥适宜用量Fig. 5 Optimum rates of K-fertilizer for long term rice-rape rotation

2.5 土壤钾含量动态变化

图6可知, 不施钾肥(K0处理)时, 耕层交换性钾含量和非交换性钾含量均呈下降趋势, 截至2016年冬油菜收获时, 分别降至71.9 mg kg-1和439.7 mg kg-1, 比土壤初始值分别降低28.7%和7.3%。施用推荐钾肥用量(90 kg hm-2)后, 土壤钾素亏缺速率有所减缓, 土壤交换性钾含量仍表现出下降的趋势, 比初始值降低9.0%; 而土壤非交换性钾含量基本平衡。当每季作物钾肥用量达到135 kg hm-2时, 土壤交换性钾含量能够维持平衡, 同时非交换性钾含量表现出增加的趋势。

图6 2011-2016年钾肥施用对土壤交换性钾和非交换性钾含量的影响
IN: 初始值; R: 水稻; W: 冬油菜; K0: 不施钾肥; K1: 钾肥用量45 kg hm-2; K2: 钾肥用量90 kg hm-2; K3: 钾肥用量135 kg hm-2; K4: 钾肥用量180 kg hm-2。Fig. 6 Effects of continuous K-fertilizer on soil K content in 2011-2016
IN: initial value; R: rice; W: winter oilseed rape; K0: without K fertilizer; K1: K fertilizer rate 45 kg hm-2; K2: K fertilizer rate 90 kg hm-2; K3: K fertilizer rate 135 kg hm-2; K4: K fertilizer rate 180 kg hm-2.

3 讨论
3.1 长期施用钾肥对水稻-油菜轮作系统产量的影响

长期合理施用钾肥能够显著提高作物光合效率、延缓叶片衰老, 促进碳水化合物转化, 进而增加作物产量和地上部钾素吸收量[18, 19]。在当前生产条件下, 长江流域水稻施用钾肥后, 增产率和增产量分别为8.2%和679 kg hm-2; 旱作施用钾肥后, 小麦和油菜籽增产率分别为12.3%和18.0%, 增产量分别为722 kg hm-2和358 kg hm-2, 均高于水稻产量增幅[20]。本次试验的产量结果也证实, 施用钾肥对冬油菜的增产效果优于水稻。同时, 作物增产效果还受到温度、降雨、土壤肥力、施肥年限等因素的影响[21, 22, 23]。本定位试验田块属于高产、高钾含量土壤, 由图1可知, 对第1年和第2年的水稻施用钾肥均没有明显的增产效果, 第3年水稻季才表现出明显的增产效果; 而地上部钾素吸收量则在第2年就表现出明显的差异。冬油菜经过第1个轮作周期产量和地上部钾素吸收量就显著增加。多年多点的肥效试验结果表明, 钾肥施用对水稻和冬油菜产量的贡献率分别为8.2%和11.5%, 水稻和冬油菜对土壤钾素的依存度分别为83%和75%。另外, 在水稻-油菜轮作中, 冬油菜具有“ 用地养地” 的优势, 一是油菜根系较为庞大, 占整株生物量的18.0%能保留更多的钾素; 二是油菜成熟期叶片(占生物量干基的15%~20%)基本脱落还田, 这两方面钾素的归还均能有效补充水稻季对土壤钾素的需求[24], 但油菜很难获取水稻植株残留钾。因此, 水稻吸收的钾素主要来自土壤, 而冬油菜增产更依赖外源钾肥, 故在水旱轮作过程中, 钾肥应优先施用并满足油菜季需求, 水稻季则可以充分利用油菜季残余钾, 从而优化钾肥利用效率。

3.2 长期施用钾肥对农田钾素平衡和钾肥利用率的影响

本研究结果也表明当前推荐年均钾肥用量(180 kg hm-2)并不能满足作物收获带走的钾量。虽然增加钾肥施用量可以提高作物产量、减少土壤持续性的负表观钾平衡, 但不能达到较合理的经济收入以及较高的钾肥利用效率, 甚至造成钾肥资源的浪费。多年多点肥效试验结果表明水旱轮作区水稻季的农学利用率和钾肥吸收利用率平均分别为8.2 kg kg-1和53.8%, 均高于冬油菜季的2.6 kg kg-1和36.9%[6, 20]。本研究结果显示, 在推荐钾肥用量下, 连续两季水稻和一季油菜的钾肥农学利用率、钾肥吸收利用率均显著低于区域平均值。但是, 随着种植年限的延长, 经过4个轮作周期, 水稻的钾肥农学利用率和吸收利用率达到最大值并呈现下降趋势, 而冬油菜的钾肥利用率经过一个轮作周期后出现相反的趋势。由计算公式可知钾肥农学利用率和吸收利用率受到钾肥用量、作物增产量和吸钾增量的影响。一方面我们所选田块位于江汉平原腹地, 属于高产高钾农田, 水稻季施钾的产量增幅、吸钾量增幅均低于油菜季[25]; 另一方面两季钾肥推荐用量相当(90 kg hm-2), 对于前三季水稻显得过量, 这些均会降低钾肥的吸收利用率, 故以当季推荐钾肥用量来代表多年适宜用量可能不太合适, 而且, 随着农业生产机械化普及和秸秆还田技术的推广, 进行秸秆还田弥补农田钾素亏缺状态并减少无机化肥施用量以提高肥料利用率成为现代农业的必然发展趋势[5, 25]。

3.3 长期水稻-油菜轮作钾肥适宜用量

在不同的农业生产条件下, 作物施肥的增产效应有着不同的表现, 因而反映施肥量与作物产量数量关系的肥效函数类型也不尽相同。目前, 最佳经济施肥量多采用一元二次模型、线性加平台模型、一元二次加平台模型、指数模型和平方根模型等, 其中线性加平台模型较其他模型可以更好地反应产量的肥料效应[26, 27, 28]。通过线性加平台模型拟合得出2011— 2016年水稻季和冬油菜季的最优钾肥用量和相应产量, 可知水稻季和油菜季的钾肥用量范围分别为70.5~100.9 kg hm-2和75.6~118.2 kg hm-2, 平均分别为96.6 kg hm-2和107.0 kg hm-2。从作物产量来看, 区域推荐钾肥用量(90 kg hm-2)基本可满足水稻季对钾素养分的需求, 而显著低于冬油菜对钾素养分的需求。可见, 区域最佳肥料用量(RMOF)具有一定的科学性, 可以作为部分作物数年内科学施肥的依据[6, 29, 30]。从农田钾素平衡和土壤有效钾含量来看, 无论是当前区域推荐钾肥用量还是优化钾肥适宜用量均不能扭转农田钾素亏缺和耕层土壤交换性钾含量持续下降的趋势。虽然增施钾肥用量可以有效补充土壤钾素, 但会增加农民投入成本, 并且也不会带来显著的增产效应, 缺乏可持续性。

随着土地流转和农业机械化的普及, 作物秸秆直接还田技术受到社会的普遍重视。在水稻-油菜轮作区, 作物秸秆还田带入的钾素总量为300~380 kg hm-2, 远多于化学钾肥施用量。我们前期的研究结果也证实, 在连续秸秆还田条件下, 水稻季平均适宜钾肥用量为52.0 kg hm-2, 比推荐用量减少42.2%, 并可以达到施钾的产量水平; 冬油菜季平均适宜钾肥用量为61.9 kg hm-2, 比推荐用量减少31.2%, 同时比施用钾肥获得更高的产量水平[25]。因此, 在区域性生产中, 利用以区域平均适宜施肥量为基础, 并考虑秸秆还田带入的秸秆钾素, 不仅能够维持农田钾素平衡, 还可以适当减少化学钾肥施用量, 从而提高钾肥的利用率, 增加农田系统的经济效益。

4 结论

长期水稻-冬油菜轮作表明, 在高产高钾农田条件下, 经过一个轮作周期后施用钾肥具有明显的增产效果, 且冬油菜季的产量和吸钾量增幅最为明显。长期施用推荐钾肥用量(90 kg hm-2), 水稻钾肥农学利用率显著高于冬油菜, 而钾肥吸收利用率和钾肥贡献率则明显低于冬油菜, 这表明水稻吸收的钾素主要来自土壤, 而冬油菜则需要较多的外源钾肥来满足自身对养分的需求。通过线性加平台肥效模型拟合得出, 水稻季适宜钾肥用量为70.5~100.9 kg hm-2, 平均96.6 kg hm-2, 比推荐用量提高了7.3%; 冬油菜季适宜钾肥用量为75.6~118.2 kg hm-2, 平均107.0 kg hm-2, 比推荐用量提高18.9%, 且冬油菜对钾肥需求高于水稻。长期施用当前年均推荐钾肥用量(180 kg hm-2)不能维持轮作系统钾素平衡并会导致土壤有效钾含量的下降趋势, 应重视作物秸秆直接还田及钾肥优化施用, 从而维持农田生产力可持续性。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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