胡 崗,趙 歡,秦 松,肖厚軍
(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料/農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,貴州 貴陽 550006)
馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)是繼水稻、玉米、小麥后的第4大糧食經(jīng)濟(jì)作物。目前全省馬鈴薯冬種面積達(dá)0.74萬hm2[1],是貴州省的特色冬季農(nóng)作物之一。馬鈴薯屬于典型喜鉀作物,每季收獲后馬鈴薯塊莖、莖葉從土壤中帶走大量鉀素,導(dǎo)致農(nóng)田鉀素輸出與投入不平衡加劇,且黔中地區(qū)水熱資源豐富,土壤鉀素淋溶嚴(yán)重,容易出現(xiàn)鉀素虧缺。施用鉀肥或秸稈還田能改善馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育狀況,有利于提高干物質(zhì)累積量,增加馬鈴薯對(duì)氮、磷及微量元素的吸收,進(jìn)而提高馬鈴薯養(yǎng)分利用率[2]。因此,優(yōu)化鉀肥與秸稈配施,對(duì)維持馬鈴薯高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)與土壤鉀素平衡具有重要作用。
近年來,作物秸稈是我國大量而普遍存在的有機(jī)物料,其具有增加作物產(chǎn)量、提高土壤有機(jī)碳含量、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)利用等作用,也是一種重要的有機(jī)鉀肥資源。其中,鉀素約占作物秸稈干物質(zhì)量的1.5%[3]。鉀在農(nóng)作物產(chǎn)量形成、保障作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等多方面起著極其重要和不可替代的作用,同時(shí)能促進(jìn)葉片中碳水化合物向馬鈴薯塊莖中轉(zhuǎn)運(yùn),提高葉片光合作用效率,延長(zhǎng)葉片光合作用時(shí)間,對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)具有明顯的提升作用[4-5]。解文艷等[6]研究表明以秸稈過腹還田最有利于鉀素的收支平衡,減輕作物對(duì)土壤鉀素的消耗,維持土壤鉀素肥力的穩(wěn)定。傅偉等[7]通過長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)結(jié)果表明,60%秸稈鉀替代量更有利于維持鉀素表觀平衡,而30%的秸稈鉀還田量則更有利于土壤緩效鉀的積累。張磊等[8]通過秸稈還田條件下鉀肥減量施用對(duì)水稻、油菜、小麥的產(chǎn)量結(jié)果表明,秸稈還田條件下在減少18.3%~66.7%鉀肥用量能夠保證作物產(chǎn)量。以往研究側(cè)重于氮磷鉀配施、種植方式、鉀肥類型及用量等提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)及肥料利用率等方面[9-12],然而在氮、磷充分滿足條件下,秸稈鉀或化學(xué)鉀肥配施替代能否改善馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收及土壤鉀素平衡等卻鮮見報(bào)道[13-14]。本研究以秸稈鉀或替代化學(xué)鉀肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)和鉀素平衡的影響,探討秸稈鉀部分替代化肥鉀的效果,以期為黔中地區(qū)馬鈴薯科學(xué)施鉀制定提供依據(jù),為鉀肥高效利用提供參考。
試驗(yàn)地位于貴陽市花溪區(qū)湖潮鄉(xiāng),東經(jīng)106°31′3″,北緯 26°26′4″,距貴陽市 20 km。平均海拔1 185 m,地貌特征系典型的高原丘陵地帶,屬亞熱帶濕潤(rùn)溫和氣候區(qū),具有明顯高原性和季風(fēng)性氣候特點(diǎn),四季分明,年平均氣溫14.5℃,年降水量1 186 mm,年無霜期265 d。供試土壤:黃壤,土壤肥力中等,耕作層pH值4.25,有機(jī)質(zhì)40.93 g/kg,全氮1.96 g/kg,全磷1.29 g/kg,全鉀12.38 g/kg,堿解氮135.7 mg/kg,有效磷56.3 mg/kg,速效鉀101.8 mg/kg,緩效鉀187.8 mg/kg。
供試品種:馬鈴薯宣薯2號(hào)(貴州省馬鈴薯研究所提供),薯塊含水量69.4%。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)處理,3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,見表1。
表1 各小區(qū)處理氮、磷、鉀施肥量 (kg/hm2)
小區(qū)長(zhǎng)8.0 m,寬3.0 m,面積為24 m2。栽培密度6.75萬窩/hm2,每小區(qū)栽3壟,每壟2行,每行27窩。試驗(yàn)用肥料種類:氮肥用尿素(N 46.5%);磷肥用普通過磷酸鈣(P2O512.4%);鉀肥用氯化鉀(K2O 60%);玉米干秸稈含水量5.2%,含K2O 18.8 g/kg。試驗(yàn)在2012~2015年實(shí)施,于3月3~6日期間整地,3月10~16日小區(qū)開溝、施基肥(30%氮肥和全部磷鉀肥)、播種,4月8~20日出苗,4月17日~5月6日追肥(70%氮肥)。7月2~10日取植株樣,7月23日~8月10日收獲,收獲取5株進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性狀考察。
在每年馬鈴薯成熟期采集馬鈴薯植株樣本,每個(gè)小區(qū)采取有代表性的馬鈴薯5株,分為莖葉和塊莖兩部分,于105℃殺青30 min,80℃烘箱中烘干至恒重,計(jì)算其地上部干物重。樣本粉碎過0.25 mm篩,采用濃H2SO4+H2O2消煮,用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定氮含量;用火焰光度計(jì)測(cè)定鉀含量,用鉬銻抗比色法測(cè)定磷含量;采用碘比色法測(cè)定淀粉含量;采用砷鉬酸比色法測(cè)定還原糖含量;采用凱氏定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)含量;參照李合生等[15]方法測(cè)定馬鈴薯淀粉、硝酸鹽、還原糖和Vc含量。
主要計(jì)算公式[16]:
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010整理;用Originpro 2017制圖;不同處理之間各指標(biāo)的差異分析由SPSS 19.0軟件的One-WayANOVA(單因素方差分析)和Duncans test完成。
由圖1可以看出,施鉀與秸稈還田對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響在2012~2015年間雖然增產(chǎn)幅度不同,但趨勢(shì)相同,各處理馬鈴薯平均產(chǎn)量表現(xiàn)為 NPKS>NPK1>NPK>S>NP。其中 NPK1、NPK 處理馬鈴薯產(chǎn)量較NP年平均增產(chǎn)分別為5 510.8、3 580.7 kg/hm2;在等量低鉀素(75 kg/hm2)NPK與S處理?xiàng)l件下,NPK處理4年馬鈴薯平均產(chǎn)量高于S處理,但它們之間差異不顯著,單施化學(xué)鉀肥比秸稈還田對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)率高出1.2~1.8倍,說明秸稈還田對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)效果不如單施化學(xué)鉀肥,可能原因秸稈腐解速率較慢,養(yǎng)分釋放速率跟不上馬鈴薯生長(zhǎng)需求,導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量偏低;等量高鉀素(225 kg/hm2)處理中,秸稈鉀與化學(xué)鉀肥配施較單施化學(xué)鉀馬鈴薯產(chǎn)量高,僅2015年馬鈴薯產(chǎn)量差異顯著,說明秸稈配施化學(xué)鉀隨著年限的增加可顯著提高馬鈴薯的產(chǎn)量;NPKS處理的馬鈴薯產(chǎn)量比NP平均增產(chǎn)5 406.3 kg/hm2,增產(chǎn)率比NPK、S處理分別提高1.3、1.4倍。由此可見,在施氮、磷肥的基礎(chǔ)上秸稈還田并結(jié)合施鉀的交互增產(chǎn)作用高于單純秸稈還田或施化學(xué)鉀肥。從馬鈴薯產(chǎn)量變異系數(shù)來看,NPKS、NPK1、NPK、S處理的變異系數(shù)分別為20.9%、22.9%、26.2%、27.7%,且較NP分別降低了7.9%、5.9%、2.6%、1.1%,說明秸稈鉀肥與化學(xué)鉀配施和施用化學(xué)鉀肥均可提高馬鈴薯產(chǎn)量的穩(wěn)定性。在施氮、磷的基礎(chǔ)上,單純秸稈鉀對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的穩(wěn)定性不如單施鉀肥,可能是秸稈鉀釋放與化學(xué)鉀被植物吸收的時(shí)效性并不一致,但秸稈還田結(jié)合施鉀馬鈴薯產(chǎn)量的穩(wěn)定性最好。
圖1 秸稈還田與化學(xué)鉀肥處理馬鈴薯(2012~2015年)產(chǎn)量的變化
由圖2可知,施鉀肥和秸稈還田可以提高馬鈴薯塊莖和莖葉的氮、磷、鉀吸收總量。與NP處理相比,NPK、S、NPKS、NPK1處理的氮、磷、鉀吸收量均有不同程度的提高,并達(dá)到顯著水平,提高幅度分別為3.6%~23.9%、0.6%~17.2%、24.9%~143.1%。NPK1處理的氮、磷、鉀吸收量均高于其它處理,其中鉀的吸收量達(dá)到顯著水平。塊莖氮、磷、鉀吸收量分別提高了5.1%~31.8%、6.2%~42.1%、6.0%~349.3%,莖葉氮、磷、鉀吸收量分別提高了1.7%~15.7%、2.6%~13.9%、28.1%~43.5%。說明相對(duì)于秸稈鉀,化肥鉀更易被作物吸收與利用,從而更好地促進(jìn)馬鈴薯對(duì)氮、磷養(yǎng)分的吸收;在等量低鉀素(75 kg/hm2)條件下,NPK處理氮、磷、鉀的吸收量均高于S處理,但差異不顯著;而等量高鉀素(225 kg/hm2)處理中,僅對(duì)馬鈴薯鉀素吸收量達(dá)到差異顯著,且氮、磷、鉀吸收量化學(xué)鉀肥處理均高于化肥鉀與秸稈還田配施處理;與NPK、S相比,NPKS處理的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量均有所提高,塊莖氮、磷、鉀吸收量分別提高了8.1%~8.7%、16.2%~62.5%、84.8%~222.0%,莖葉氮、磷、鉀吸收量分別提高了1.7%~5.2%、0.6%~4.5%、0.2%~0.5%。由此可見,秸稈還田結(jié)合施化學(xué)鉀的交互作用對(duì)馬鈴薯的養(yǎng)分吸收量的提高幅度高于單純秸稈還田或施化學(xué)鉀肥處理。
圖2 成熟期不同處理馬鈴薯養(yǎng)分吸收量
圖3 不同施肥處理對(duì)馬鈴薯品質(zhì)的影響
由圖3可知,秸稈鉀與化學(xué)鉀肥配施對(duì)馬鈴薯品質(zhì)有較顯著影響。馬鈴薯塊莖中淀粉、Vc含量均隨著鉀肥增加而增加,與處理NP相比含量分別提高5.4%~11.6%、3.8%~17.2%,說明增施鉀肥有利于淀粉、Vc的合成;還原糖、硝酸鹽含量隨著鉀肥含量的增加而下降,與處理NP相比降幅度分別為24.3%~26.2%、53.7%~65.5%,說明在高鉀狀態(tài)加速還原糖轉(zhuǎn)化為淀粉、也降低硝酸鹽的合成;在等量低鉀素(75 kg/hm2)處理中,淀粉、硝酸鹽含量差異不顯著,而還原糖、Vc含量差異顯著;而等量高鉀素(225 kg/hm2)處理?xiàng)l件下硝酸鹽、還原糖含量差異未達(dá)到顯著性,淀粉、Vc含量差異顯著。說明施化學(xué)鉀肥對(duì)馬鈴薯Vc、淀粉含量都有較明顯提高,原因是化學(xué)鉀肥供給作物較及時(shí),鉀促進(jìn)馬鈴薯葉片中光合作用和同化產(chǎn)物的運(yùn)輸,促進(jìn)Vc、淀粉的合成;秸稈鉀處理馬鈴薯還原糖含量、硝酸鹽含量略高于化學(xué)鉀肥,原因可能是秸稈鉀供給作物需要秸稈組織吸水釋放過程,鉀的供給不能及時(shí)滿足光合產(chǎn)物的運(yùn)輸和淀粉合成的要求,以及秸稈鉀素釋放緩慢,不會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯對(duì)鉀素的快速大量吸收,從而減少硝酸鹽的累積量,同時(shí)體內(nèi)的硝酸鹽被不斷同化,從而降低了累積量。
從土壤鉀素表觀盈虧平衡來看(表2),不施鉀肥處理4年土壤鉀素盈虧最大,平均為-77.04 kg/hm2;單施化學(xué)鉀肥(NPK、NPK1)處理的土壤鉀素平均表觀盈虧量分別為-43.33、76.9 kg/hm2,說明在高鉀肥狀況下,能滿足馬鈴薯生長(zhǎng)所需要的鉀素,且存在一定盈余狀態(tài),有可能引起周邊環(huán)境污染,可適當(dāng)減少鉀肥施用量。單施秸稈鉀(S)處理的表觀盈虧量為-40.16 kg/hm2,說明在等量鉀素條件下,秸稈鉀更易補(bǔ)充土壤鉀素,但化學(xué)鉀肥及秸稈鉀表觀利用率比秸稈鉀高。NPKS處理的土壤鉀素表觀盈虧量為60.55 kg/hm2,處于盈余狀態(tài)。在不施鉀及低、高鉀肥狀況下,土壤鉀素都處于虧缺狀態(tài),差異不顯著。表觀平衡系數(shù)反映出礦質(zhì)元素輸入與輸出的相對(duì)平衡關(guān)系,從表2中可看出,不同處理表現(xiàn)為 NPK1>NPKS>S>NPK>NP,且在高鉀肥處理?xiàng)l件下平衡系數(shù)大于1,且高施化學(xué)鉀肥處理平衡系數(shù)達(dá)1.51,說明秸稈還田可有效滿足作物鉀素供給,緩解農(nóng)田鉀素缺虧。
表2 秸稈鉀與化學(xué)鉀肥對(duì)鉀素表觀平衡的影響
由圖4可知,鉀肥投入量與土壤鉀素盈虧量、馬鈴薯塊莖鉀素含量進(jìn)行曲線擬合得,土壤鉀盈虧量(Y)與鉀肥投入量顯著相關(guān)(y=0.658 8x-85.091,R2=0.879 3**,n=4)。由該回歸方程進(jìn)一步推算可知,當(dāng)土壤鉀素含量為129.2 kg/hm2時(shí),土壤鉀素呈現(xiàn)平衡狀態(tài)(y=0)。收獲期塊莖鉀含量與鉀肥投入量顯著正相關(guān),表明隨著鉀肥投入量的增加,植株單位鉀吸收累積量也逐漸增加。由此可見,單施化學(xué)鉀肥或秸稈還田均難以維持土壤鉀素的平衡,長(zhǎng)期下去不僅會(huì)導(dǎo)致土壤鉀素不斷耗竭,使土壤供鉀能力下降,而且還會(huì)使作物因土壤缺鉀降低抗旱、抗病、抗寒和抗倒伏能力,進(jìn)而造成馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的降低。而秸稈還田結(jié)合施鉀肥可以使土壤中的鉀素得到補(bǔ)充,使土壤鉀保持動(dòng)態(tài)平衡,從而可促進(jìn)馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育,獲得高產(chǎn)。
圖4 土壤鉀素盈虧量與塊莖鉀含量對(duì)鉀肥投入量的響應(yīng)
秸稈還田與化肥配施可以增加作物產(chǎn)量。諸多研究結(jié)果已證明,如姜超強(qiáng)等[17]結(jié)果表明,煙桿還田在中鉀和低鉀田塊能提高水稻產(chǎn)量和維持土壤鉀素平衡。劉榮樂等[18]通過5年定位鉀肥試驗(yàn)研究表明,秸稈還田配施鉀肥處理對(duì)華北和東北地區(qū)小麥、玉米產(chǎn)量均有顯著的增產(chǎn)效果。孫麗敏等[14]長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明,在潮土區(qū)施氮、磷肥的基礎(chǔ)上,小麥/玉米輪作條件下秸稈還田結(jié)合鉀肥配施對(duì)提高作物產(chǎn)量、穩(wěn)定生產(chǎn)力效果最好。本研究顯示,在施充足氮、磷條件下,收獲期馬鈴薯產(chǎn)量隨著施鉀量增加而增加,施用鉀肥和秸稈還田均能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量,這與譚德水等[19]在華北平原連續(xù)13年施用鉀肥和秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量的研究結(jié)果趨勢(shì)基本一致,可能是因?yàn)榻斩掃€田增加土壤有機(jī)養(yǎng)分的礦化,釋放鉀素被水溶解形成水溶性鉀和交換性鉀,增加土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分才能有利于作物吸收,改善了土壤生態(tài)環(huán)境。同時(shí)本研究也得出單施化學(xué)鉀肥對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)效果要好于單施秸稈鉀肥,可能是受土壤類型、水分、溫度、pH值、土壤微生物等多種因素的影響,秸稈腐解過程較緩慢。同時(shí)馬鈴薯需肥期秸稈還田不能完全腐解,秸稈中釋放的鉀素不能滿足馬鈴薯正常生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)鉀的需求,導(dǎo)致秸稈鉀素對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)作用低于化學(xué)鉀肥??梢钥闯觯斩掃€田結(jié)合鉀肥施用的交互增產(chǎn)作用高于秸稈還田或單施鉀肥,年際間的穩(wěn)定性最好。由此可見,僅靠秸稈中的鉀代替化肥鉀提高馬鈴薯產(chǎn)量并不可行,秸稈還田結(jié)合施鉀肥是提高馬鈴薯產(chǎn)量的重要措施。
養(yǎng)分吸收量是馬鈴薯產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),它的高低直接影響馬鈴薯產(chǎn)量和肥料利用效率[20]。謝佳貴等[21]研究結(jié)果顯示:施鉀肥和秸稈還田可以提高玉米秸稈和籽粒養(yǎng)分的吸收總量,且秸稈還田與鉀肥配施處理對(duì)促進(jìn)玉米養(yǎng)分吸收與積累的效果最佳。本研究結(jié)果顯示,在充足氮、磷肥的基礎(chǔ)上,化學(xué)鉀肥和秸稈鉀均可以提高馬鈴薯塊莖和莖葉養(yǎng)分的吸收總量,但無論高、低鉀素條件下,化學(xué)鉀肥養(yǎng)分吸收量高于秸稈鉀,但兩者之間差異都不顯著,這與產(chǎn)量基本一致?;瘜W(xué)鉀肥對(duì)馬鈴薯養(yǎng)分吸收量的提高幅度最大,表明鉀肥施用量會(huì)影響馬鈴薯對(duì)氮、磷的吸收,這與在水稻、玉米上的研究結(jié)果相似[22-23]。因此,秸稈還田結(jié)合施鉀肥對(duì)促進(jìn)馬鈴薯氮、磷、鉀等養(yǎng)分吸收與累積效果好,這與劉榮樂等[18]對(duì)我國北方土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)鉀素循環(huán)特征及秸稈還田與施鉀肥研究結(jié)果一致,對(duì)作物鉀吸收量有提高作用。
鉀素對(duì)馬鈴薯品質(zhì)具有重要的影響[2,24],研究結(jié)果頗多,秦魚生等[24]、王濤等[25]對(duì)不同鉀肥及用量對(duì)馬鈴薯品質(zhì)影響研究表明,高鉀水平下淀粉和Vc含量更高,還原糖含量更低,同時(shí)表明鉀素的施用顯著增加2個(gè)馬鈴薯品種的淀粉含量,降低硝酸鹽含量。張吉立等[26]通過研究鉀肥對(duì)馬鈴薯養(yǎng)分吸收和品質(zhì)的影響表明,隨著施鉀量的增加還原糖含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),Vc含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明,隨著施鉀量的增加,淀粉、Vc含量呈增加的趨勢(shì),還原糖、硝酸鹽含量呈降低的趨勢(shì)。且在等量低鉀素(75 kg/hm2)條件下,淀粉、還原糖含量差異不顯著;而高鉀素(225 kg/hm2)條件下淀粉、還原糖、Vc含量均達(dá)到差異顯著,表明施鉀能提高馬鈴薯品質(zhì),這與秦魚生等[24]、王濤等[25]研究結(jié)果一致。
土壤養(yǎng)分平衡是判斷土壤養(yǎng)分高低的主要依據(jù),地上部分的作物產(chǎn)量及攜帶鉀量與土壤鉀素的平衡存在密切關(guān)系。李玉影等[27]通過多點(diǎn)田間玉米平衡施肥試驗(yàn)研究表明,氮、磷、鉀的平均平衡系數(shù)分別為0.92、1.06和0.42,其中,氮、磷養(yǎng)分收支狀況較為平衡,鉀素處于嚴(yán)重虧缺狀態(tài)。譚德水等[28]探究施鉀肥對(duì)玉米和耕層土壤鉀素系統(tǒng)特征的影響結(jié)果表明,各定位點(diǎn)僅施氮、磷肥處理使土壤鉀素表觀虧缺,分別達(dá)135.8、89.7、71.7 kg/hm2。在本試驗(yàn)條件下,低鉀肥條件下,無論施化學(xué)鉀肥或秸稈鉀土壤鉀素都存在虧缺狀態(tài),且虧缺量分別為-43.33、-40.16 kg/hm2,在短期內(nèi)不能維持土壤鉀的平衡,土壤鉀素長(zhǎng)期處于虧缺狀況,會(huì)加劇土壤鉀的耗竭風(fēng)險(xiǎn)。通過秸稈鉀結(jié)合化學(xué)鉀肥處理的鉀盈虧量為146.9 kg/hm2,平衡系數(shù)為0.61,導(dǎo)致土壤鉀素有盈余,但較僅施等量鉀肥的NPK1處理低。由此可見,秸稈還田結(jié)合施鉀肥是解決土壤鉀素虧缺的有效措施。
在氮、磷肥充足的條件下,單施化學(xué)鉀肥與秸稈鉀肥及秸稈鉀與化學(xué)鉀配施,不同年際間馬鈴薯均有明顯的增產(chǎn)效應(yīng),尤其是秸稈鉀與化學(xué)鉀肥配施的增產(chǎn)效果最好,年度間的產(chǎn)量變異系數(shù)小,淀粉、Vc含量明顯增加,還原糖、硝酸鹽含量降低,土壤鉀素有盈余。因此,秸稈還田結(jié)合施鉀肥是提高馬鈴薯產(chǎn)量、改善品質(zhì)、解決土壤鉀素虧缺的有效措施。