秸秆还田供钾效果与调控土壤供钾的机制研究

摘要

钾是作物必需的大量元素之一，而作物吸收的钾主要来自土壤。施用钾肥能够很好地补充土壤钾素，但鉴于我国水溶性钾肥资源相对短缺的局面，一方面要优化钾肥施用、提高钾肥利用率;另一方面拓宽钾肥资源途径具有重要的现实意义，比如丰富的秸秆钾和其它含钾岩石物料等均是潜在的钾素资源。本文通过数据调查、田间试验和室内模拟，系统研究了秸秆钾资源（以湖北省为例）的种类、分布特征，秸秆钾替代化肥钾的效果以及秸秆腐解（有机酸）对含钾矿物黑云母的表面溶解，为秸秆钾素资源的合理利用提供依据。本研究主要内容包括：
　　⑴湖北省秸秆资源量和秸秆钾素量年均分别为2892万t/年和48.3万t/年，水稻、油菜、小麦、玉米和棉花秸秆量占到全省秸秆总量的92.5％，属优势秸秆资源。根据2013年统计结果，湖北省作物秸秆和秸秆钾资源主要分布在襄阳市、荆州市、黄冈市、荆门市、孝感市和宜昌市6个地区，累计分别占到全省总量的74.6％和74.0％，即江汉平原和鄂东丘陵地区是秸秆资源的主产区。基于湖北省经济社会发展现状，提出秸秆直接还田是秸秆资源利用最根本的途径，也是增加粮食产量和培肥地力的重要措施;同时建议秸秆还田应因地制宜，根据地域差异建立完善的技术体系。
　　⑵水稻秸秆钾和化肥钾在水-土体系中主要以交换态钾存在，其次是水溶态钾。随着外源钾用量的增加，钾离子易被土壤固定;且在等量条件下，秸秆钾处理的交换态钾比例高于化肥钾处理，而非交换态钾所占比例则相反。因此，在一定外源钾用量范围内，土壤对秸秆钾和化肥钾的固定没有显著差异，而当用量超过阈值时，秸秆的投入会降低土壤对钾素的固定。因此，秸秆钾和化肥钾具有相似的化学性质，能够进行替代施用。另外，在秸秆腐解、钾离子释放过程中，秸秆腐解物可以重新吸附环境中的钾离子，且受到腐解时期和外源钾素浓度的双重影响。作物秸秆可以在腐解初期通过吸收水溶液而固定大量的钾离子，也可以在腐解后期通过化学途径和物理途径吸附钾离子，这些固持的钾离子又可供下季作物吸收利用。
　　⑶早稻-晚稻-冬油菜轮作秸秆还田定位试验7年结果表明，秸秆还田（翻压或覆盖）均能显著提高作物产量和养分吸收量，以油菜籽增产效果最为明显。无论传统翻耕秸秆还田还是免耕秸秆覆盖均能提高双季稻-油菜轮作体系的生产力、起到培肥地力的积极效应。秸秆还田可显著提高农田系统氮和钾的盈余量。因此，氮肥和钾肥用量可进行适当减少，以便充分利用秸秆氮钾资源。单季秸秆还田替代钾肥试验表明，施钾肥和秸秆还田均能增加水稻产量和地上部钾素累积量，增产效果以秸秆还田配施钾肥最好。秸秆还田条件下，中、高钾土壤(速效钾含量＞100 mg/kg)，水稻季钾肥用量可以比推荐用量减少20.0～49.1％;而低钾土壤(速效钾含量＜100 mg/kg)当前钾肥用量不足，应适当进行增施，以保证增产效果和培肥地力。高钾土壤长期秸秆还田替代钾肥水旱轮作定位试验（3年）表明，一个轮作周期后施用钾肥和秸秆还田具有明显的增产效果，尤以冬油菜增产效果最为明显，但仍以秸秆还田配施钾肥效果最好。秸秆还田对水稻和冬油菜三年平均的钾肥吸收利用率没有显著影响，但显著提高了冬油菜季的钾肥农学利用率。同钾肥利用率相比，秸秆还田配施钾肥后的钾素利用率和钾素农学利用率均有所降低。在连续秸秆还田条件下，水稻季年均钾肥用量可以减少42.2％，并能维持施钾肥的产量水平;冬油菜年均钾肥用量可以减少31.2％，同时比施钾获得更高的产量水平。长期秸秆还田配施钾肥可以有效缓解水旱轮作体系土壤钾素亏缺状态并显著提高土壤速效钾含量以及促进非交换性钾向交换态的转化并维持新的动态平衡。
　　⑷有机酸和含钾矿物表面短时间反应结果表明，含钾矿物黑云母的溶解是从(001)面上的台阶、碎片和凹坑边缘开始。柠檬酸溶液能够显著提高K、Si和Al的释放速率和表面溶解速率，且随着pH的升高呈下降趋势。在pH4.0的柠檬酸溶液中反应70 min后，黑云母表面上产生比pH6.0和8.0的柠檬酸溶液处理更多的蚀坑。而长时间的反应结果显示，在pH4.0的弱酸水溶液中反应24 h时，黑云母(001)面上有微型蚀坑出现，其深度介于0.1～0.9 nm之间，表面变得比较粗糙;反应96 h时，黑云母(001)面上蚀坑较为明显，但仅占总表面的4.8％，蚀坑的深度平均为0.957 nm;反应140 h时，黑云母(001)面上有不稳定的覆盖物沉积，阻碍表层溶解过程的持续进行。在pH4.0的柠檬酸溶液中，经过24 h培养，(001)面上有大量的蚀坑出现，单层溶解现象明显;48h时，表面台阶溶解速率显著提高，溶解面积可达总表面的48.7％;140 h时，(001)面上有圆形状胀裂发生，表层(高度，1～2 nm)发生破裂，产生较多的黑云母碎片，溶解速率进一步加快。随着柠檬酸溶液中Na+浓度的增加，表层溶解速率增大，(001)面上也有次生覆盖物沉积。同时，界面上Na+-K+交换作用加剧，表层结构(高度，2～10 nm)胀裂现象更加明显。随着反应时间的延长，140 h时，黑云母(001)面的深层结构(深度，～20 nm)亦逐渐隆起并引起周边区域产生裂缝(深度，0.1～1.9 nm)，最终导致表层微结构区域水化，形成含钠水化云母。因此，在复杂的根际环境中，有机酸在矿物溶解和矿质元素释放过程中具有先促进、后抑制的双重效应。但从长期土壤管理方面考虑，这一过程中对维持土壤结构的稳定性有着积极作用。

目录

声明

论文说明

摘要

缩略词表

1 绪论

1．1 世界秸秆资源概况

1．2 中国农作物秸秆资源

1．3 长期秸秆还田效益

1．3．1 长期秸秆还田对养分固持和释放的影响

1．3．2 长期秸秆还田对化肥施用的替代作用

1．3．3 长期秸秆还田养分管理

1．4 钾矿资源

2 课题研究意义、内容和技术路线

2．1 课题研究意义

2．2 研究内容

2．2．1 湖北省农作物秸秆资源评估与对策

2．2．2 秸秆钾素释放与再吸附机理研究

2．2．3 秸秆直接还田替代化学钾肥效果研究

2．2．4 有机酸对含钾矿物表面溶解和结构转化的影响

2．3 技术路线

3 湖北省农作物秸秆资源评估与对策

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．3 结果与分析

3．4 秸秆资源利用对策

3．5 小结

4 秸秆钾素释放与再吸附机理研究

4．1 水稻秸秆钾与化肥钾释放与分布特征模拟研究

4．1．1 前言

4．1．2 材料与方法

4．1．3 结果与分析

4．1．4 讨论

4．1．5 小结

4．2 不同腐解时期水稻秸秆对钾离子释放与吸附影响的动力学研究

4．2．1 前言

4．2．2 材料与方法

4．2．3 结果与分析

4．2．4 讨论

4．2．5 小结

5 秸秆直接还田替代化学钾肥效果研究

5．1 秸秆还田方式对稻-稻-油轮作系统生产力、养分循环及土壤肥力的影响

5．1．1 前言

5．1．2 材料与方法

5．1．3 结果与分析

5．1．4 讨论

5．1．5 小结

5．2 稻田不同供钾能力条件下秸秆还田替代钾肥效果研究

5．2．1 前言

5．2．2 材料与方法

5．2．3 结果与分析

5．2．4 讨论

5．2．5 小结

5．3 水稻-油菜轮作模式下还田秸秆替代钾肥效应研究

5．3．1 前言

5．3．2 材料与方法

5．3．3 结果与分析

5．3．4 讨论

5．3．5 小结

6 有机酸对含钾矿物表面溶解和结构转化的影响

6．1 不同pH条件下柠檬酸对黑云母溶解和转化的影响

6．1．1 前言

6．1．2 材料与方法

6．1．3 结果与分析

6．1．4 讨论

6．1．5 小结

6．2 酸性柠檬酸盐对黑云母表面溶解和微结构变化的影响

6．2．1 前言

6．2．2 材料与方法

6．2．3 结果与分析

6．2．4 讨论

6．2．5 小结

7 全文总结与展望

7．1 主要结论

7．2 研究课题创新点

7．3 展望

参考文献

个人简介

博士期间发表的论文

会议论文

参编著作

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