累斗累第30卷第1期Vol.30，No.1
72-802021年1月
草业学报
ACTA PRATACULTURAE SINICA 张帆，杨茜.紫云英与双季稻秸秆协同利用影响稻田土壤钾循环与平衡.草业学报，2021，30（1）：72−80.
ZHANG Fan ，YANG Qian.Effects of co -utilization of Chine milk vetch and rice straw on the potassium cycle and potassium balance in a paddy soil.Acta Prataculturae Sinica ，2021，30（1）：72−80.
紫云英与双季稻秸秆协同利用影响稻田土壤
钾循环与平衡
张帆，杨茜
（湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙410125）
摘要：稻草还田和冬种绿肥是维持稻田地力和化肥替代的重要方式之一。本研究以在湖南酸性红黄泥和碱性紫潮泥两种典型稻田土壤上进行了2年的紫云英-双季稻定位试验为对象，分析紫云英和双季稻秸秆协同利用对稻田土壤K 循环的影响。两土壤试验处理一致，包括稻田冬闲（FRR ）、冬种紫云英（MvRR ）及冬种紫云英与水稻秸秆协同利用（MvRR+St ）3个处理。结果表明：与冬闲和冬种紫云英相比，紫云英与水稻秸秆协同利用未影响红黄泥土壤各形态钾的含量，但显著提高紫潮泥土壤速效钾和非交换性钾的含量，其中紫潮泥土壤水溶性钾、非特殊吸附钾及特殊吸附钾的含量较冬种紫云英处理分别提高了134.0%、93.0%、73.4%；两种典型稻田土壤上紫云英与水稻秸秆协同利用显著提高下茬作物紫云英的全K 含量及吸K 量，且紫云英的吸K 量为紫潮泥>红黄泥；两种典型稻田土壤上冬种紫云英与水稻秸秆协同利用均未影响早、晚稻产量及籽粒K 积累；在稻田各种植季和周年目前的K 投入水平下，两种典型稻田土壤上冬种紫云英与水稻秸秆协同利用处理均存在K 盈余（红黄泥K 盈余量为401.15kg ·hm -2、紫潮泥K 盈余量为403.42kg ·hm -2），说明冬种紫云英与水稻秸秆协同利用能减少双季稻生产中的化学钾肥投入量。综上所述，紫云英和双季稻秸秆协同利用有益于稻田土壤的K 循环与平衡。关键词：紫云英；水稻秸秆；协同利用；红黄泥；紫潮泥；K 循环
Effects of co-utilization of Chine milk vetch and rice straw on the potassium cycle and potassium balance in a paddy soil
ZHANG Fan ，YANG Qian
Hunan Soil and Fertilizer Institute ，Changsha 410125，China
Abstract ：Rice straw return and planting green manure in winter are important ways to improve paddy soil fertility and reduce chemical fertilizer input.Chine milk vetch （Astragalus sinicus ）is the most important winter leguminous green manure crop.A typical crop rotation system in Hunan Province is ：Chine milk vetch -early rice -late rice.Many studies have shown that Chine milk vetch can reduce chemical nitrogen fertilizer input in rice production.If the input of chemical potassium fertilizer in rice production can also be reduced ，this will encourage the promotion and u of Chine milk vetch.Here we report a 2-year field experiment on cultivation of Chine milk vetch followed by double cropping of rice ，in an acidic red yellow soil and an alkaline purple alluvial soil in Hunan ，in which the effect of co -utilization of Chine milk vetch and double cropping rice straw on the soil K cycle and balance were investigated.The experiments had the same treatments in two soil types ，including winter fallow -rice -rice without rice straw return （FRR ），Chine milk vetch -rice -rice without rice straw return （MvRR ），Chine milk vetch -rice -rice with rice
DOI ：10.11686/cyxb2020089
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收稿日期：2020-03-05；改回日期：2020-03-30
基金项目：国家重点研发计划专项（2016YFD0300208）资助。
作者简介：张帆（1977-），女，辽宁昌图人，副研究员，博士。E -mail ：
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straw return（MvRR+St）.The results indicated：1）Compared with FRR and MvRR，the content of different soil K forms of the acidic red yellow soil were not influenced in MvRR+St，while the contents of available K and non-exchangeable K of the alkaline purple alluvial soil were significantly incread in MvRR+St.Compared to MvRR，the contents of water-soluble K，non-specifically absorbed K and specifically absorbed K of the alkaline purple alluvial soil in MvRR+St were significantly incread by134.0%，93.0%and73.4%，respectively.2）Compared with MvRR，the total K content and K uptake of Chine milk vetch in the acidic red yellow soil in MvRR+St were significantly incread by68.6%and91.1%，respectively；the total K content and K uptake of Chine milk vetch of the alkaline purple alluvial soil in MvRR+St were significantly incread by56.4%and81.2%，respectively. Compared with red yellow soil，the K uptake of Chine milk vetch in alkaline purple alluvial soil was greater than that in acidic red yellow soil under the same tre
atment.3）The yield and K uptake of early rice and late rice were not influenced by MvRR+St in the two typical paddy soils.4）With the current potassium nutrient input in this study，the MvRR+St treatment had a K surplus in the two typical paddy soils（red yellow soil K surplus was401.15kg·ha-1，purple alluvial soil K surplus was403.42kg·ha-1）.This shows that the co-utilization of Chine milk vetch and rice straw can reduce the input of chemical potassium fertilizer in double cropping rice production.On the whole，the co-utilization of Chine milk vetch and double cropping rice straw is beneficial to the K cycle and balance of paddy soils.
Key words：Chine milk vetch；rice straw；co-utilization；red yellow soil；purple alluvial soil；K cycle
紫云英（Astragalus sinicus）是南方稻区最广泛种植和利用的冬季绿肥作物之一，同时也是很好的蜜源植物与重要的青贮饲料。国内学者们从冬种紫云英、紫云英翻压量上耦合水稻（Oryza sativa）氮肥管理及肥料运筹等方面开展大量研究［1-8］：证明冬种绿肥紫云英能改善稻田土壤质量、保证水稻稳产与高产、紫云英鲜草还田可替代水稻生产中部分化学氮肥。
湖南是长江中游双季稻的主产区，紫云英-双季稻轮作种植模式是该区典型的多熟种植制度。紫云英作为固氮贮碳作物，在湖南有研究表明紫云英还田能够替代部分化学钾肥［7］。在湖南祁阳的长期定
位试验研究结果表明［9］：紫云英与双季稻轮作种植后，土壤粗黏粒有机碳与稻谷产量、土壤养分相关性最为紧密，但其与速效钾呈负相关关系；在湖南长沙的长期定位试验研究结果表明［10］：紫云英与双季稻轮作种植后，在紫云英种植季节里和稻田轮作周年里土壤均存在严重的钾亏缺现象。两长期定位试验从不同角度说明钾元素是水稻高产稳产的限制因子，紫云英-双季稻轮作种植模式中应注意对土壤钾元素的补充。同时，黄晶等［11］研究表明，紫云英与双季稻轮作种植后土壤速效钾含量明显降低，紫云英还田不能完全替代化学钾肥。湖南祁阳（始于1982年）和湖南长沙（始于2004年）两长期定位试验由于试验开始时的生产实践水平，均未考虑到当前及未来水稻机械化收割及水稻秸秆直接还田的发展趋势。绿肥和秸秆还田是维持地力和当前化肥替代的重要方式之一。在紫云英-双季稻轮作种植模式里绿肥紫云英与双季稻秸秆均原位还田，稻田土壤的钾循环与平衡及稻田作物前后茬之间钾养分互补的量化关系尚不明确，如果希望紫云英和双季稻秸秆协同利用能够替代部分化学钾肥，化学钾肥投入量的减少是在早稻季还是晚稻季？
因此，利用已开展了2年的酸性红黄泥和碱性紫潮泥稻田上冬种紫云英与双季稻秸秆原地还田微区定位试验，采用投入产出法定量分析稻田各种植季（紫云英、早稻、晚稻）及稻田轮作周年的钾养分循环与平衡状况，明确“紫云英-双季稻”轮作模式前后茬钾养分互补的量化关系，探讨紫云英与双季稻秸秆协同利用下能否减少化学钾肥投入，以期为紫云英与双季稻秸秆协同利用下稻田钾养分运筹与管理以及绿肥紫云英在湖南双季稻田的推广应用提供科学参考依据。
1材料与方法
1.1试验设计与栽培管理
试验在湖南省土壤肥料研究所实验网室内进行，试验小区均为防渗水泥池，面积为2.26m2，规格为169cm
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（长）×134cm（宽）×100cm（高），四面及底部均严格密封，并具有良好排灌设备。试验从2016年10月种植紫云英开始，供试土壤为第四纪红黏土发育的红黄泥水稻土和河湖沉积物形成的紫潮泥水稻土。
红黄泥水稻土试验前耕层土壤基础理化性状为：土壤有机质32.11g·kg-1，全氮1.98g·kg-1，全磷0.68g·kg-1，全钾12.69g·kg-1，速效磷28.69mg·kg-1，速效钾112.50mg·kg-1，pH为6.27。紫潮泥水稻土试验前耕层土壤基础理化性状为：土壤有机质33.52g·kg-1，全氮2.22g·kg-1，全磷0.93g·kg-1，
全钾21.95g·kg-1，速效磷23.26mg·kg-1，速效钾107.50mg·kg-1，pH为8.08。两土壤试验处理一致，包括3个处理，分别为冬闲-双季稻即稻田冬闲（简称FRR）、紫云英-双季稻即冬种紫云英（简称MvRR）、紫云英-双季稻+稻草全量还田，即紫云英与水稻秸秆协同利用（简称MvRR+St），同一土壤下各处理小区采用随机区组排列，3次重复。
冬季作物紫云英在晚稻收获10~15d前套播，紫云英品种为“湘紫1号”，播种量为30.0kg·hm-2；后作物（早稻）移栽种植前的2~3周内，紫云英均被收获且全部翻压还田用作绿肥。早、晚品种分别为中早39和深优9586。早稻移栽时间是在每年4月的第4周，晚稻是在每年早稻收获后第3天移栽，移栽时间是在每年7月的第2周。早稻和晚稻的插植密度均为20.0cm×12.5cm。紫云英与水稻秸秆协同利用处理其早、晚稻收获后，人工模拟机械粉碎翻压稻草全量还田。
氮、磷、钾化肥分别用尿素（含N量为46%）、过磷酸钙（含P2O5量为12%）和氯化钾（含K2O量为60%）。施肥量为早稻：N150kg·hm-2，P2O575kg·hm-2，K2O90kg·hm-2；晚稻：N180kg·hm-2，P2O545kg·hm-2，K2O120kg·hm-2。N肥分两次分别在移栽前（70%）和分蘖盛期（30%）施用；磷全部做基肥施用，钾肥分两次分别在移栽前（50%）和分蘖盛期（50%）施用。基肥于插秧前一天施入，并立即用铁齿耙耖入表土下5cm深度。
1.2样品采集与测定方法
紫云英翻压还田前，测定每小区鲜草产量，同时取鲜样0.5kg于105℃杀青1h，75℃烘干至恒重，并测其生物量（即干物质），然后再磨碎测全K。紫云英植株样和紫云英种子全K采用硫酸-过氧化氢消煮-火焰光度法测定［12］。
在2018年的早、晚稻收获期，每重复小区随机取3丛水稻测定其水稻植株地上部分（分水稻籽粒和秸秆）和地下部分的生物量（即水稻根）；同时测定植株样各部分的K含量。对试验处理每小区单打单收测早稻、晚稻产量。水稻植株样K含量的测定方法同紫云英植株样分析。
2016年9月（即试验开始前）和2018年10月26日（即稻田轮作2周年后对各处理每重复小区采样），依据S形5点采样法用内径20mm的土钻，采集耕层土壤，混匀风干，备用。土壤基础理化性状即全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质和pH的测定方法参见《土壤农业化学分析方法》［12］。
土壤各形态钾含量的测定及计算方法为：水溶性钾（water soluble K）=蒸馏水浸提钾；非特殊吸附钾（non-specifically absorbed K）=0.5mol·L-1醋酸镁浸提钾-水溶性钾；特殊吸附钾（specifically absorbed K）=1mol·L-1醋酸铵浸提钾-醋酸镁浸提钾；非交换性钾（non-ex-changeable K）=1mol·L-1硝酸浸提（消煮）钾-1mol·L-1醋酸铵浸提钾；矿物钾（structural K）=全钾-硝酸浸提（消煮）钾。除用硝酸浸提钾时需要煮沸外，其余测定操作温度均为25℃，液土体积质量比为10︰1，浸提液中各形态钾含量均采用火焰光度计（Flame photometer410，英国）测定［12］。
1.3数据处理
试验结果均以处理的3次重复分析的平均值表示，试验数据采用DPS7.05软件统计分析。不同处理之间多重比较采用Duncan新复极差法。
2结果与分析
2.1紫云英与水稻秸秆协同利用对稻田土壤各形态钾的影响
稻田轮作2年后，紫云英与水稻秸秆协同利用对两种典型稻田土壤各形态钾的影响见表1。与冬闲和冬种紫云英处理相比，紫云英与水稻秸秆协同利用未影响红黄泥稻田土壤各形态钾（P>0.05）。与冬闲和冬种紫云英处理相比，紫云英与水稻秸秆协同利用显著增加了紫潮泥土壤各形态钾的含量（P<0.05）；紫云英与水稻秸秆
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协同利用处理土壤全钾和速效钾含量较冬种紫云英处理分别提高了4.3%、85.6%，其中土壤水溶性钾、非特殊吸附钾及特殊吸附钾的含量较冬种紫云英处理分别提高了134.0%、93.0%、73.4%。与冬种紫云英处理相比，紫云英与水稻秸秆协同利用提高了紫潮泥土壤4.9%的矿物钾含量（P<0.05）。短期来看，紫云英与水稻秸秆协同利用有益于紫潮泥稻田土壤钾对当季作物的有效性和对作物的长期有
效性；紫云英与水稻秸秆协同利用促进了紫潮泥土壤矿物钾向有效钾转化，有益于充分利用土壤自身供钾能力。
2.2紫云英与水稻秸秆协同利用对各作物种植季经济目标产量及K 积累的影响
在紫云英-双季稻轮作种植模式里，紫云英与水稻秸秆协同利用对各作物种植季经济目标产量及K 积累的
影响见表2。两种典型稻田土壤上，紫云英与水稻秸秆协同利用均显著提高了冬季绿肥紫云英全K 含量和K 吸收量（P<0.05），但未影响其生物量（P>0.05），其中红黄泥上紫云英全K 含量和K 吸收量分别增加了68.6%和91.0%，紫潮泥上紫云英全K 含量和K 吸收量分别增加了56.4%和81.2%。紫云英吸K 量紫潮泥土壤>红黄泥土壤。
与冬闲和冬种紫云英相比，两种典型稻田土壤中紫云英与水稻秸秆协同利用处理未影响早稻籽粒K 含量、双季稻产量及水稻籽粒K 积累（P>0.05）；紫潮泥稻田土壤中紫云英与水稻秸秆协同利用处理未影响晚稻籽粒K 含量（P>0.05）。与冬种紫云英处理相比，红黄泥稻田土壤中紫云英与水稻秸秆协同利用处理晚稻籽粒K 养分
表1
紫云英与水稻秸秆协同利用对土壤各形态钾的影响
Table 1
Effects of synergistic utilization of Chine milk vetch and rice straw on different soil K forms in paddy soil
土壤Soil
红黄泥Red yellow soil 紫潮泥Purple alluvial soil
处理Treatments
FRR MvRR
MvRR+St FRR
婴儿米粉排行榜MvRR
MvRR+St 全钾Total K （g ·kg -1）
11.40±0.44a 11.45±0.23a 11.40±0.35a 20.67±0.21b 20.83±0.40b 21.73±0.55a 速效钾Available K （mg ·kg -1）
49.47±12.89a 76.07±18.76a 77.43±28.37a 82.30±4.69b 84.20±4.10b
156.30±7.69a 水溶性钾Water -soluble K （mg ·kg -1）
5.30±1.73a 8.90±2.04a
8.90±3.46a 9.70±1.50b 9.20±1.00b
21.53±1.16a
非特殊吸附钾Non -specifically absorbed K （mg ·kg -1）
9.13±4.67a 18.87±8.80a 21.37±12.48a 22.53±2.87b 24.37±0.95b 47.03±3.75a
特殊吸附钾Specifically absorbed K （mg ·kg -1）35.07±6.52a 48.30±8.34a 47.13±12.41a 50.07±1.70b 50.60±2.56b 87.73±3.93a
非交换性钾Non -exchangeable K （mg ·kg -1）
142.57±7.29a 149.13±4.59a 146.03±4.01a
370.67±10.40b 366.23±3.61b 401.87±5.83a
矿物钾Structural K （g ·kg -1）
11.27±0.42a 11.27±0.23a 11.17±0.40a
20.27±0.21b 20.27±0.45b 21.27±0.55a
注：FRR ：稻田冬闲；MvRR ：稻田冬种紫云英；MvRR+St ：紫云英与水稻秸秆协同利用。同一土壤下同列不同字母表示在5%水平上差异显著。下同。Note ：FRR ：Winter fallow -rice -rice without rice straw return ；MvRR ：Chine milk vetch -rice -rice without rice straw return ；MvRR+St ：Chine milk vetch -rice -rice with rice straw return.Different letters in the same column denote significant differences at 5%in the same soil.The same below.
表2
紫云英与水稻秸秆协同利用处理对各作物种植季经济目标产量及K 含量的影响
Table 2
Effects of co-utilization of Chine milk vetch and rice straw on economic target yield and K content in each crop plant⁃
ing ason
再见再见吉他谱
土壤Soil
红黄泥Red yel⁃low soil 紫潮泥Purple al⁃luvial soil
处理Treat⁃ments
FRR MvRR MvRR+St FRR MvRR MvRR+St
紫云英Chine milk vetch 生物量Biomass
（kg ·hm -2）6231±291a
7106±1652a 6442±564a 7458±602a 全K Total K
（g ·kg -1）
14.77±4.64b
24.90±2.81a
19.77±0.49b 30.93±1.35a
K 吸收K uptake
（kg ·hm -2）92.02±28.63b 175.80±38.50a
127.27±10.76b 230.65±20.33a 早稻Early rice
产量Yield
（kg ·hm -2）5771±1112a 5778±1211a 6062±1760a 5997±1253a 6392±430a 6429±15a
全K Total K
（g ·kg -1）3.37±0.27a 3.30±0.22a 3.23±0.16a 3.16±0.15a 3.17±0.05a 3.18±0.14a K 积累K accumulation
（kg ·hm -2）19.48±4.59a 18.96±3.37a 19.70±4.63a 18.86±3.29a 20.34±1.26a 20.44±0.91a 晚稻Late rice
产量Yield
书组词（kg ·hm -2）5779±2054a 5573±810a 5559±602a
6348±1349a 4813±1218a 5552±1124a 全K Total K
（g ·kg -1）
3.30±0.15ab 3.27±0.06b 3.63±0.12a
3.10±0.17a
新升3.27±0.06a 3.30±0.00a
K 积累K accumulation （kg ·hm -2）
19.13±6.45a
18.21±2.52a 20.20±2.20a 19.53±3.24a 15.71±3.95a 18.32±3.71a
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ACTA PRATACULTURAE SINICA （2021）含量提高了11.0%（P<0.05）。2.3紫云英与水稻秸秆协同利用对稻田土壤K 循环与平衡的影响2.3.1
紫云英种植季稻田土壤K 循环与平衡
在紫云英种植季内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及平衡
状况见表3。在紫云英种植季内，紫云英与水稻秸秆协同利用处理在红黄泥稻田土壤上存在K 盈余，但在紫潮泥土壤上存在K 亏缺；与冬种紫云英相比，紫云英与水稻秸秆协同利均能降低两种典型稻田土壤K 亏缺；冬种紫云英处理在两种典型稻田土壤上存在严重的K 亏缺现象。由此可见，在紫云英-双季稻轮作模式里紫云英与水稻秸秆协同利用有益于稻田土壤的可持续利用。
2.3.2早稻种植季稻田土壤K 循环与平衡在早稻种植季内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及平衡状况
见表4。此处K 输出主要是指各处理土壤系统中早稻植株吸收的钾量，其输入的差异取决于前茬绿肥紫云英输入的K 量。在早稻田目前的K 养分投入水平下，稻田冬闲处理在两种典型稻田土壤上均存在严重的K 亏缺现象；冬种紫云英处理和紫云英与水稻秸秆协同利用处理在两种典型稻田土壤上均存在K
盈余，且紫云英与水稻秸秆协同利用处理K 盈余量高于冬种紫云英处理。
2.3.3晚稻种植季稻田土壤K 循环与平衡在晚稻种植季内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及平衡状况
见表5。此处K 输出主要是指各处理土壤系统中晚稻植株吸收的钾量。其输入的差异取决于前茬早稻植株地下部分和早稻秸秆所输入的K 量。在晚稻田目前的K 养分投入水平下，稻田冬闲处理和冬种紫云英处理在两种典型稻田土壤上均存在严重的K 亏缺；紫云英与水稻秸秆协同利用处理在两种典型稻田土壤上均存在K 盈余。2.3.4
稻田周年K 循环与平衡
在整个紫云英-双季稻轮作周年内，两种典型稻田土壤系统K 输入输出及表
表3
紫云英种植季稻田土壤K 的输入输出
Table 3
K input-output of two typical paddy soils system in Chine milk vetch planting ason （kg ·hm -2）
farm
土壤Soil
红黄泥Red yellow soil 紫潮泥
Purple alluvial soil
处理Treatments
MvRR MvRR+St MvRR MvRR+St
输入Input
前茬晚稻秸秆Previous late rice straw
216.80
217.94紫云英种子Chine milk vetch ed
0.160.160.160.16
合计Total 0.16216.960.16218.10
输出Output 紫云英吸收
Chine milk vetch uptake形容大海的成语
92.02b 175.80a 127.27b 230.65a
家规作文表观平衡Balance
-91.8541.16-127.11-12.55注：平衡=输入-输出。下同。
Note ：Balance=input-output.The same below.
表4
早稻种植季稻田土壤K 的输入输出
Table 4
K input-output of two typical paddy soils system in early rice planting ason （kg ·hm -2）
土壤Soil
红黄泥Red yellow soil
紫朝泥Purple alluvial soil
处理Treatments
FRR MvRR MvRR+St
FRR MvRR MvRR+St
输入Input 化肥Chemical fertilizer
74.6874.6874.6874.6874.6874.68
早稻秧苗Early rice edling 19.8819.8819.8819.8819.8819.88
紫云英Chine milk vetch
92.02175.80127.27230.65合计Total
94.56186.58270.3694.56221.83325.21
输出Output 早稻籽粒Rice ed
19.48a 18.96a 19.70a 18.86a 20.23a 20.44a
早稻秸秆Early rice straw 135.16a 138.97a 152.05a 123.00a 146.48a 146.87a
早稻植株地下部分Ear⁃ly rice root 10.36b 11.68ab 17.68a 11.38a 9.72a 13.89a
水稻吸收Uptake of early rice 165.00169.61189.43153.24176.43181.20
平衡Balance
-70.4416.9780.93-58.6845.40144.0176
