马铃薯Solanum tuberosum是世界第4大粮食作物，种植分布极其广泛。我国是世界马铃薯第1大生产国，2011年全国马铃薯种植面积542.4万hm²，产量8 829万t^[1]。马铃薯具有抗逆性强，生长周期短的特性，在提供营养全面的食物、保证粮食安全、提高能源安全、帮助农民脱贫致富和促进冬季农业发展等方面发挥了巨大作用，在农业和农村经济中发挥更大的作用^[2]。2015年我国确定马铃薯成为继水稻、小麦和玉米之后的第4大主粮，为马铃薯产业发展带来良好契机。广东省位于南方冬作区，有130多万hm²的耕地适宜冬种生产，但目前种植面积只有5.5万hm²，马铃薯产业发展潜力较大^[3-4]。

马铃薯是典型的喜钾作物，每生产1 000 kg马铃薯块茎约需K₂O 4.0~6.0 kg^[5]。K是提高马铃薯产量和品质的最重要元素之一，在细胞分化、淀粉合成、糖的运输、碳水化合物的形成以及酶活性方面有重要作用，施用钾肥还可提高作物抗逆性^[6-7]。但我国钾肥资源匮乏，主要依赖于进口，自给率约为50%。我国是世界上第1大钾肥进口国，钾肥价格居高不下，因此寻求化学钾肥的替代品，减少我国对化学钾肥特别是进口钾肥的依赖，才能保证粮食安全^[8]。由于钾肥成本较高，因此在实际生产中，南方地区普遍存在氮、磷、钾肥施用不合理现象，许多地区偏重施用氮、磷肥，而少施钾肥^[9-10]。

中国主要作物秸秆种类有近20种，占世界秸秆资源产量的25%左右^[11]。稻草是我国第一大作物秸秆，其产量占全国农作物秸秆总量1/5以上，2009年全国稻草总产量为18 443.04万t^[12]。稻草是一种重要的有机肥料资源，含有丰富的有机碳以及N、P、K和中微量营养元素^[13]。稻草还田既可避免资源浪费和环境污染，又能增强土壤肥力，改善土壤理化性状，提高作物产量和品质^[14-18]。我国南方冬作区马铃薯主要种植模式为早稻–晚稻–马铃薯水旱轮作，前茬水稻为马铃薯的种植提供了充裕的稻草资源，稻草覆盖覆土栽培已成为广东省马铃薯主要种植模式。稻草是K的重要有机来源之一，那么，覆盖的稻草究竟可为马铃薯生长提供多少K是值得关注的问题。鉴于此，本试验在南方冬作区广东省惠东县进行稻草钾肥配施的盆栽试验，为了充分接近于当地气候环境条件，采用在田间进行盆栽试验的方式，探求稻草养分释放特征及覆盖稻草对土壤养分平衡的影响，为南方冬作区马铃薯生产中钾肥和稻草的合理利用提供依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤

试验于2013年10月至2014年3月在广东省惠东县平海镇径口村的国家马铃薯产业技术体系广州综合试验站进行。土壤类型为水稻土，质地为轻壤土，土壤pH5.91，土壤养分质量分数为：有机质26.38 g/kg、碱解N 131.70 mg/kg、有效P 96.88 mg/kg、全K 18.98 g/kg、速效K 110.35 mg/kg。

1.2 供试材料

供试种薯：费乌瑞它，一级脱毒种薯。

供试肥料：氮肥为尿素，其w(N)为46%；磷肥为过磷酸钙，其w(P₂O₅)为12%；钾肥为硫酸钾，其w(K₂O)为54%。

供试稻草：晚稻稻草，风干，剪成10~15 cm小段，储存备用。稻草养分的质量分数为：全C 41.01%，全N 8.51 g/kg，全P 0.98 g/kg和全K 17.10 g/kg。

1.3 试验方法

试验采用盆栽方式进行，栽培容器为塑料花盆，规格为43 cm×29 cm×50 cm(上口径×下口径×高)。取0~20 cm耕作层水稻土，风干，过5 mm筛，移栽时每盆装土(烘干基)20 kg，苗高10~15 cm时再培土5 kg。参照当地常规种植模式进行马铃薯育苗(2013年11月12日)，育苗时不施用肥料和稻草，当幼苗长至3片新叶后，选取生长健壮、长势基本一致的薯苗移栽到花盆中(2013年12月2日)，每盆种植1株，深度为8 cm。2~3 d浇水1次，灌水量依马铃薯不同生育时期对土壤相对含水量要求范围而定。

试验采用“3414”的部分实施方案^[19]，即在适宜施用氮、磷肥的基础上，进行钾肥(记作K_x)与稻草(记作S_x)2因素试验，4个水平分别为0水平(不施用钾肥或稻草秸秆)、2水平(钾肥或稻草秸秆适宜施用量)、1水平(2水平×0.5)和3水平(2水平×1.5)，完全随机排列，以不施钾肥和稻草的K₀S₀作对照(CK)，共9个处理，具体见表1，每处理3次重复，共27盆。肥料和稻草均采用一次性施入，稻草铺在土壤表面，上覆少量土壤。于2014年2月22日马铃薯收获时，全株采样；之后，把土样中的稻草全部挑拣出，用清水洗净、风干、称质量。把马铃薯植株和剩余稻草装入信封，105 ℃条件下烘30 min杀青，70 ℃条件下烘干至恒质量。磨碎，测定植株N、P、K及剩余稻草中C、N、P、K含量。

1.4 测定项目及计算公式

N、P、K含量测定：样品经过H₂SO₄−H₂O₂消化处理后，N用奈氏比色法测定，P用钼锑抗比色法测定，K用火焰光度法测定^[20]，稻草全C采用浓硫酸−重铬酸钾外加热法测定^[20]。土壤有机质采用恒温水合热法，碱解N采用碱解扩散法，有效P采用碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法测定^[20]。

稻草腐解率=(施用稻草总量−残留稻草总量)/施用稻草总量×100%；

稻草养分累积释放量=施用稻草总干质量×养分含量−残留稻草总干质量×养分含量；

稻草养分累积释放率=稻草养分累积释放量/施入稻草总养分量×100%。

关于土壤养分平衡的计算公式^[21]：

土壤养分表观盈亏量=养分投入总量−作物带出土壤养分总量；

养分表观平衡系数=投入土壤中的养分/带出土壤中的养分；

养分实际平衡率=(输入养分−支出养分)/支出养分×100%。

1.5 数据统计

采用DPS14.10统计软件^[22]和Excel对相关数据进行统计分析。采用Duncan’ s法对不同处理进行多重比较，若P< 0.05，则具有显著性差异。

2 结果与分析 2.1 稻草钾肥配施对稻草养分含量的影响

稻草覆盖还田前各养分质量分数为：全C 41.01%、全N 8.51 g/kg、全P 0.98 g/kg和全K 17.10 g/kg。马铃薯收获时(覆盖后82 d)，稻草养分含量状况见图1，稻草C质量分数平均为39.41%，稻草N、P和K质量分数平均分别为12.64、1.06和1.03 g/kg。与覆盖前初始值相比，稻草中C和P含量变化较小，K含量降低最为明显，降幅达到93.96%，而N含量有较大增幅，较覆盖前增加了49.22%。不同处理之间稻草N和K含量没有显著差异(P>0.05)，而对稻草C和P含量产生一定影响。稻草C、P和K含量均以稻草施用量最多的处理K₂S₃(9 000 kg/hm²)最高，其中，稻草C含量显著高于K₀S₂处理(P<0.05)，P含量显著高于K₁S₂处理(P<0.05)。

2.2 稻草钾肥配施对稻草养分累积释放量的影响

从表2可看出，稻草养分累积释放量与钾肥用量无关，只与稻草用量有关，且随着稻草用量的增加，养分累积释放量也逐渐增多。各处理稻草养分累积释放量表现为：C>K>N>P。稻草用量为K₂S₃处理水平(9 000 kg/hm²)时，稻草各养分累积释放量分别为：C 2 221.43 kg/hm²、N 36.58 kg/hm²、P 4.94 kg/hm²和K 152.74 kg/hm²，均显著高于S₂处理(6 000 kg/hm²)和S₁处理(3 000 kg/hm²)水平养分释放量(P<0.05)。稻草施用量为S₂处理水平时，养分累积释放量均显著高于S₁处理水平(P<0.05)。稻草养分累积释放量与稻草用量规律基本一致，S₃、S₂、S₁处理水平的C、N、P和K累积释放总量均表现为近似3∶2∶1的倍比关系。覆盖稻草可为土壤提供大量养分，尤以C和K居多，在马铃薯生长期间，每覆盖100 kg稻草平均有N 0.42 kg，P 0.14 kg(P₂O₅)，K 1.70 kg(K₂O)进入到土壤中。种植马铃薯需要较多的肥料投入才能满足作物需求，单纯依靠施用化肥，不仅增加成本，而且易造成肥料利用率低下和污染环境。可见，在保证产量的前提下，覆盖稻草可减少化肥投入，培肥土壤。

2.3 稻草钾肥配施对稻草腐解率和养分累积释放率的影响

由图2可看出，稻草腐解率和养分累积释放率不受稻草和钾肥用量的影响(P>0.05)。稻草还田82 d后(收获时)稻草平均腐解率为70.87%，C和P累积释放率与稻草腐解率相当，分别为71.89%和68.75%；N释放率低于稻草腐解率，为56.85%，各元素中以K最容易释放，累积释放率高达98.22%。可以看出，马铃薯收获时覆盖稻草的大部分养分已释放土壤中，供给作物利用。

2.4 稻草钾肥配施对土壤N平衡的影响

由表3可知，无论是否施用钾肥和稻草，土壤N均处于大量盈余状态，覆盖稻草(K₀S₂处理)不仅增加了N投入量，而且显著降低了土壤N支出量(P<0.05)，从而显著增加了土壤N表观盈余量(P<0.05)，而施用钾肥对土壤N支出量及土壤N盈余状况没有显著影响(P>0.05)。覆盖稻草处理土壤N盈余量均在100 kg/hm²以上，表观平衡系数大于2.00，实际平衡率高于120%，且随着稻草施用量增加而增加。各施肥处理中，以稻草施入量最大的K₂S₃处理(9 000 kg/hm²)N盈余量最多，达到150.28 kg/hm²，显著高于其余处理(P<0.05)，表观平衡系数为3.01，N实际平衡率也高达200.91%。所以在实际生产过程中，在稻草覆盖还田情况下应适当减少氮肥投入量，以避免造成资源浪费和污染生态环境。

2.5 稻草钾肥配施对土壤P平衡的影响

马铃薯收获后，土壤P平衡状况见表4。覆盖稻草和施用钾肥对土壤P支出量没有显著影响，马铃薯对P的需求量远低于N，由于磷的施用量比较少，因此土壤P相对盈余量也明显小于N。K₀S₀处理土壤P盈余量最小，为2.58 kg/hm²。覆盖稻草会显著增加土壤P盈余(P<0.05)，提高P表观平衡系数和实际平衡率，而施用钾肥对土壤P盈余状况影响不显著(P>0.05)。以稻草用量最多的K₂S₃处理(9 000 kg/hm²)土壤P表观盈余量最多，除K₂S₀和K₂S₁处理外，其余处理土壤P表观盈余量均显著高于K₀S₀处理。稻草P含量远低于N，因此对土壤P平衡状况的影响也远小于对N的影响。

2.6 稻草钾肥配施对土壤K平衡的影响

由表5可知，施入钾肥和覆盖稻草对土壤−作物系统K平衡影响较大。仅施氮磷肥(K₀S₀处理)的土壤K亏缺量最大，亏缺达到163.80 kg/hm²，耗竭严重。仅覆盖稻草(K₀S₂处理)无法满足马铃薯对K的需求，K亏缺量为90.40 kg/hm²，表观平衡系数为0.49，实际平衡率为−50.64%；施用钾肥的K₂S₀处理土壤K亏缺量显著减少(P<0.05)，但亏缺量仍有20.28 kg/hm²，K表观平衡系数为0.90，实际平衡率为−10.47%；而稻草和钾肥配合施用可有效减少土壤K亏缺量。当钾肥和稻草覆盖量为K₂S₁处理水平时，土壤K基本收支平衡，表观平衡系数为1.01，实际平衡率为1.16%。继续增加稻草或钾肥用量可使土壤K盈余，其中K₂S₂和K₂S₃处理的土壤K盈余量分别为74.70 kg/hm²和93.78 kg/hm²。当稻草钾肥用量提高到K₃S₂处理水平时，土壤盈余量最大，达到156.58 kg/hm²，K表观平衡系数为1.91，K实际平衡率为94.73%，显著高于其他施肥处理(P<0.05)。钾肥和稻草配施是维持土壤K平衡的较好途径，既利用了有机肥料资源，又减少了钾肥的投入量，有利于提高马铃薯收益。

3 讨论与结论

本研究结果表明，至马铃薯收获时稻草中C含量略有降低，而N、P含量显著增加，K含量降低最为明显，该研究结果与闫超等^[23]研究结果类似。N含量增加一方面可能是因为土壤微生物在生命活动过程中每吸收一份C素需要消耗4~5份C^[24]，导致秸秆矿化过程中C的损失高于N，另一方面可能与稻草可强烈吸附土壤中的N有关^[24]，因此覆盖稻草可有效减少N素淋洗，对提高N利用效率具有重要意义。稻草各养分累积释放率大小次序为：K>C>P>N，收获时稻草腐解率平均达到70.87%，C、N和P释放率分别为71.89%、56.85%和68.75%，K为98.22%。秸秆的降解受到温度^[24]、湿度^[25]、土壤类型^[26]以及土壤微生物^[27]等环境因素的影响，本试验设在南方冬作区，灌溉水较多，温度较为适宜，较利于稻草腐解，因此稻草腐解率和养分释放率高于前人研究结果^[28-29]。秸秆中K释放最快，主要是因为秸秆中K含量较高并且主要以离子态存在，易溶于水，释放较快。秸秆中的P素60%以上以离子态存在，其余一部分参与细胞壁的构成，释放速率慢于K素，且由于秸秆中含P较低，P释放量较少。C、N主要以有机态存在，构成秸秆主体部分，胶结程度高，在物理作用下不易分解，释放速率较慢^[30]。本研究结果显示，稻草腐解后各养分累积释放量为：C>K>N>P，稻草用量只影响养分释放量，而对养分释放率和稻草腐解率没有影响，在稻草推荐施用量(6 000 kg/hm²)下，覆盖的稻草可为作物提供N 25.2 kg/hm²、P 8.4 kg/hm²(P₂O₅)、K 102 kg/hm²(K₂O)，高于张亮^[31]的研究结果，这可能主要与本试验稻草养分释放率较高有关。

鲁如坤等^[32]对我国南方6省农田养分平衡现状进行研究发现，N处于盈余过量且有继续增大的趋向，N的大量盈余对节约能源或保护环境都是不利的。P一般也处于盈余状态，特别在我国某些省区也存在盈余过大的问题，福建、广东、广西3省区的K就处于盈余状态。一般来说，农田N盈余超过20%以上时，即可能对环境造成危害，一般允许盈余50%^[33]，而广东、福建2省盈余竟全部达到185%以上，P盈余达到300%以上，造成严重浪费，并可能导致污染环境。由于我国钾肥资源匮乏，国内生产的钾肥难以满足我国对钾肥的需求^[8]，在农田缺K显著的情况下，K盈余30%~50%尚可，显然广东、福建等省K盈余超过50%是非常不合理的。本试验研究结果表明，南方早稻–晚稻–马铃薯水旱轮作种植模式下，土壤中N处于大量盈余状态。稻草覆盖处理土壤N实际平衡率高于120%，盈余量在100 kg/hm²以上；P略有盈余，P实际平衡率在50%左右，盈余量较小，为5~10 kg/hm²，说明N盈余严重，而P盈余状况尚可接受^[33]。施用稻草可增加土壤N和P盈余量，因此在稻草覆盖还田后，应开展氮肥和磷肥减量的研究。不施钾肥和稻草，土壤K亏缺量达到163.80 kg/hm²，耗竭严重。施用稻草或钾肥均可有效缓解土壤K亏损趋势，稻草和钾肥配合施用可使土壤K收支平衡甚至盈余。当钾肥和稻草用量为K₂S₁处理水平时，土壤K收支平衡，实际平衡率为1.16%，继续增加可盈余土壤K，与前人研究结果一致^{[21, 34]}。覆盖稻草不仅有利于维持土壤养分平衡，而且在实际生产中覆盖稻草情况下可适当减少钾肥施用量，降低生产成本，对我国农业可持续发展具有重要意义。

综上可知，稻草覆盖还田82 d后，稻草的腐解率为70.87%。稻草中C含量略有降低，而N和P含量显著提高，K含量则显著下降。稻草K累积释放率最大，C次之，P和N较慢，但也均在55%以上。N、P、K三要素中稻草含K量最高，因而K累积释放量也最大，远远高于N和P，说明稻草覆盖还田对土壤K贡献最大。覆盖稻草可显著增加土壤N盈余量，而对土壤P影响较小。不施钾肥和稻草土壤的K亏缺严重，覆盖稻草或施用钾肥可有效缓解土壤K亏缺，稻草和钾肥配施可使土壤K收支平衡，若继续增加稻草或钾肥用量，可使土壤K盈余。