我国磷、钾肥料原料供应一直面临着严峻的挑战。中国是世界上磷矿资源生产和消费的大国，磷矿资源储量居世界第二位^[1]，然而，中国磷矿资源分布不平衡，贫矿多、富矿少，难采多、易采少^[2]。而我国钾肥自给能力不足，钾肥原料长期依赖进口^[3]。目前，在政策推动下，有机肥替代成为解决化肥资源紧张的途径也是农业绿色发展的必由之路。

一直以来，东北地区作为我国主要粮食产地，获得巨大产量的同时伴生出大量秸秆，其中玉米秸秆占 78.1%^[4]。有研究表明，秸秆是一种养分丰富的生物质资源，其氮、磷、钾等养分含量相当于当年化学肥料投入养分总量的三分之一^[5-7]。在传统生产中，农民将秸秆离田或就地焚烧会造成严重的黑土质量退化、环境污染问题。而秸秆还田可将秸秆养分归还土壤，增加土壤养分储量^[8]。在 20 世纪 90 年代，一些研究者开始采用尼龙网袋探索秸秆还田后的腐解和养分释放过程^[9]。前人研究发现，玉米秸秆养分释放受到土壤质地与还田方式等因素的影响^[10-11]，在棕壤区玉米秸秆当季磷素释放达到 92.5%，钾素释放 99.4%^[12]；而在黄绵土上秸秆释放出 49.2% 的磷和 93.0% 的钾^[13]。有研究表明，秸秆还田提供的钾与钾肥具有相同的营养功效，还田秸秆在一定程度上可以替代部分钾肥的施用^[14]。但玉米秸秆具有较高的碳氮比（C/N），还田管理不当易引起农田土壤氮素失衡^[15]。而氮素投入可调节秸秆还田后的土壤 C/N，提高土壤微生物和酶活性^[16]，影响还田秸秆养分的释放。因此，探究稳定有效的还田方式与氮肥投入结合模式对秸秆肥料化、有效化具有重要意义。

目前，关于不同还田方式与施氮相结合的玉米秸秆磷、钾养分释放规律、归还潜力和对玉米产量的影响还鲜有报道，亟需开展相关研究加以明确。本研究拟通过秸秆尼龙网袋埋置法，分析连续两年不同还田方式与不同施氮水平下玉米秸秆磷、钾养分释放特征，明确玉米秸秆可提供磷、钾养分量，以期为黑土区玉米绿色生产、秸秆资源的科学配置与管理、肥料替代与高效利用提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于 2021—2022 年在中国农业大学梨树实验站（43°17´N，124°26´E）进行，种植制度为一年一熟玉米连作。供试土壤为黑土，耕层土壤 pH 6.1，有机质 18.9 g·kg^-1，碱解氮 64.0 mg·kg^-1，有效磷 24.0 mg·kg^-1，速效钾 203.0 mg·kg^-1。试验区域属温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温 6.1℃，年日照时数 2678 h，作物生长期 5—9 月，日照时数 1192 h， >0℃年积温 3478℃，无霜期 152 d。试验地点玉米生育期内降水及温度监测数据见图1，2021 年生育期内月平均温度 19.3℃，降水量 569.2 mm；2022 年生育期月平均温度 18.4℃，降水量 918.2 mm，其中 6 月 24 日—7 月 29 日发生多次强降雨（日降水量超过 50 mm），形成农田涝害。

1.2 试验设计

试验共设置两种不同因素，包括还田方式： （1）覆盖还田（SM）、（2）翻压还田（SB）；施氮量：（1）N0（ 不施氮肥）、（2）N180（180 kg·hm^-2），氮肥基追比 1∶2，各处理磷（P₂O₅）、钾（K₂O）用量一致，为 90 kg·hm^-2，磷、钾肥作基肥一次性施入。其中基肥使用复合肥（N 15%、 P₂O₅ 15%、K₂O 15%）、重过磷酸钙（P₂O₅ 45%）和氯化钾（K₂O 60%），追肥使用尿素（N 46%）。

小区面积为 144 m²，3 次重复，试验玉米品种为‘良玉 99’。分别于 2021 年 5 月 16 日和 2022 年 5 月 16 日播种，10 月初收获，种植密度为 65000 株·hm^-2。试验区秸秆粉碎后原位还田，并通过总结文献草籽比，结合试验区域常年平均产量，确定还田量为 10000 kg·hm^-2。试验地前茬作物为玉米，耕作方式为旋耕秸秆不还田。作物生育期内按当地栽培方式进行田间管理。

试验采用尼龙网袋法探究秸秆磷、钾释放特征，供试秸秆为试验田上季玉米产出，初始养分为全氮 8.19 g·kg^-1、全磷 0.75 g·kg^-1、全钾 12.7 g·kg^-1。秸秆粉碎长度为 2～5 cm，并基于大田秸秆还田量，折算网袋面积（10 cm×15 cm，0.149mm 筛）秸秆填充量为 15 g。田间网袋布设依据不同还田方式机械作业确定深度，覆盖还田处理将网袋平铺在地表两苗带之间，翻压还田处理将网袋埋入 30 cm 土层处。

1.3 样品采集与测定

网袋秸秆自 2021 年 4 月 28 日还田后，在玉米生长期内每 30 d 取样一次，2022 年 4 月 28 日开始第 2 个取样周期，连续两个玉米生育期，共取样 11 次。取样后，将秸秆样品洗净，75℃烘干至恒重，利用失重法计算秸秆腐解率。

在玉米成熟期，去除各试验小区两侧边垄 2 垄，及小区前后两段各 1 m，其余部分确定为测产区域。记录测产面积内总穗数和鲜重，依照计算后的平均穗重，选取代表性果穗 10 穗进行考种，测定穗粒数和百粒重。使用谷物水分仪（PM-8188A） 测定籽粒含水量，折算为 14% 含水量的玉米籽粒产量。在产量测定的同时，每个小区选取代表性植株 3 株，分为秸秆和籽粒，称其鲜重，烘干后，称取干重，计算收获系数。

采用常规分析法^[17] 测定养分含量，经 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮后，使用钼锑抗比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量，并计算秸秆养分释放量、释放率。

1.4 数据处理

秸秆养分释放率使用方程计算：

式中，M₀ 为秸秆初始干重（g）；t 为腐解时间（d）； M_t 为腐解时间为 t 时的干重（g）；C₀ 为秸秆原始养分含量（g·kg^-1），C_t 为腐解时间为 t 时养分的含量（g·kg^-1）。

秸秆养分释放量使用方程计算：

式中，M_f0 为农田秸秆还田量（kg·hm^-2）；t 为腐解时间（d）；M_ft 为腐解时间为 t 时每公顷秸秆干重 （kg·hm^-2）；C₀ 为秸秆原始养分含量（g·kg^-1）， C_t 为腐解时间为 t 时的养分含量（g·kg^-1）。

使用准一级动力学方程（3）及其修正式（4） 对秸秆养分释放率进行时序拟合：

式中，R_t 为 t 时秸秆养分释放率（%）；k 为常数；q 为释放系数；t 为腐解时间（d）；e 为自然对数；a， b 为修正方程常数。

秸秆磷、钾肥料替代潜力使用方程^[18]计算：

式中，71/31 为单质磷折算五氧化二磷（P₂O₅）系数；94/78 为单质钾折算氧化钾（K₂O）系数。

本研究运用 Excel 2010 和 Origin 2021 对数据进行分析作图及对秸秆磷、钾释放率进行时序方程拟合，采用 SPSS 25.0 最小显著法（LSD）检验试验数据的差异显著性水平（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理下玉米秸秆磷素释放特征

玉米秸秆磷素释放过程表现出快速释放-缓慢分解-趋于停滞的特点（图2a、b）。秸秆磷素在还田第 1 年 0～90 d（2021 年 4 月 28 日—7 月 28 日）内释放较快，90 d 时，不同还田方式和施氮量间秸秆磷素释放率差异明显，且两因素间交互作用对秸秆磷释放影响显著。SB 处理秸秆累积释放 53.6% 的磷素，明显高于 SM 处理的 40.2%。相较于 N0 处理，施氮显著提升了秸秆磷素释放率，提升幅度 8.2%。90 d 后秸秆进入磷素缓慢释放期。至 150 d 时，不同还田方式与施氮间秸秆磷素释放率差异较大，两因素间交互作用显著影响秸秆磷素释放，其中以 SBN180 处理秸秆磷素释放率最高，达到 63.8%。在两个取样周期间隔中，秸秆磷素释放基本处于停滞状态。还田第 2 年（2022 年）中，随着降水和温度升高，秸秆磷素释放率出现小幅度提升。至第 2 年 150 d，SB 处理秸秆磷素释放率为 69.7%，显著高于 SM 处理的 54.5%。而施用氮肥后，秸秆磷素释放率明显提升，提升幅度为 11.2%。

还田后秸秆全磷含量变化如图2c、d 所示，各处理秸秆全磷含量在 0～90 d 呈下降趋势，90 d 后逐渐上升。在还田第 1 年 60 和 90 d 时，还田方式与施氮量对秸秆全磷含量变化表现出显著交互作用，SBN0 处理秸秆全磷含量显著高于其他处理。在 120 d 后秸秆全磷含量均表现出上升趋势，且 SB 处理秸秆全磷含量上升幅度明显高于 SM 处理。至第 2 年 150 d 时，还田秸秆全磷含量为 0.92～1.23 g·kg^-1，均高于试验开始时秸秆全磷含量。还田方式对秸秆全磷含量影响显著，SB 处理秸秆全磷含量显著高于 SM 处理，但施氮未表现出显著影响。

注：NS 表示差异不显著（P>0.05）；* 表示差异显著（P<0.05）；** 表示差异极显著（P<0.01）。下同。

2.2 不同处理下玉米秸秆钾释放特征

不同处理玉米秸秆钾素释放率如图3a、b 所示，秸秆钾在 0～90 d（2021 年 4 月 28 日—7 月 28 日）快速释放，而后逐渐趋于停滞。还田后 90 d 秸秆钾素释放 88.0%～92.4%，还田方式与施氮量显著影响秸秆钾释放，且两因素间交互作用对秸秆钾素释放影响显著。经过 150 d 的释放，不同还田方式间秸秆钾素释放率存在明显差异，两因素间交互作用对钾释放影响显著。SB 处理秸秆钾累积释放 92.6%，显著高于 SM 处理（91.7%）。第 2 年（2022 年）中秸秆钾保持缓慢释放，至 150 d 时，两因素间交互作用对秸秆钾释放影响显著， SBN180 处理秸秆钾释放率最高，为 96.6%。

与秸秆磷不同，在秸秆钾释放过程中，秸秆全钾含量迅速降低，而后趋于稳定（图3c、d）。在 90 d 秸秆钾快速释放期结束时，秸秆全钾含量下降至 2.06～2.39 g·kg^-1。此时秸秆还田方式和施氮量对秸秆全钾变化表现出显著的交互作用，SM 与 SB 两种还田方式间秸秆全钾无显著差异，但施氮量对秸秆全钾含量变化影响显著，不施氮处理秸秆全钾含量相对较高，其中 SBN0 处理秸秆全钾含量最高，为 2.39g·kg^-1。在 90 d 后，秸秆全钾保持在 1.83～3.09 g·kg^-1 之间。至试验结束时，还田方式间秸秆全钾含量存在较明显差异，SB 处理秸秆全钾含量为 2.94 g·kg^-1，明显高于 SM 处理的 2.05 g·kg^-1。

2.3 秸秆磷、钾释放率时序拟合方程

通过对秸秆磷释放率时序拟合（表1）发现， 2021 年中秸秆磷素释放符合准一级动力学方程。拟合至收敛时，r ² 为 0.980～0.996，拟合程度较高，且均达到显著水平。通过对常数项 k 和释放系数 q 的比较发现，秸秆覆盖还田模式下，N0 处理释放系数（0.008） 小于 N180 处理（0.010），但 N0 处理 k 值大于 N180 处理。而翻压还田模式下，N180 处理 k、q 值均大于 N0 处理。还田第一年秸秆磷释放系数表现为 SBN180>SBN0>SMN180>SMN0。在 2022 年中，由于修正方程中常数 a 值差异较大，故无法通过释放系数比较各处理间释放程度。

2021 年中秸秆钾素释放率通过动力学方程拟合至收敛时，r ² 为 0.996～0.998，拟合程度较高。 SMN0 处理常数 k 值最高，为 95.38。而释放系数表现为 SBN180>SBN0>SMN180>SMN0。2022 年中， SBN0 处理修正方程拟合优度较低，r ² 为 0.834。释放系数的比较中，施氮处理释放系数（0.084、 0.031）明显高于不施氮处理（0.024、0.004）。

2.4 不同处理下秸秆磷、钾累积释放量及其肥料替代潜力

通过对秸秆磷、钾释放量的计算（表2），还田秸秆磷释放主要集中在第 1 年（2021 年），还田方式与施氮量均显著影响秸秆磷释放，且两因素间交互作用对秸秆磷释放影响显著。还田后第 1 年中，SB 处理平均秸秆磷释放 4.4 kg·hm^-2，显著高于 SM 处理（3.5 kg·hm^-2）。施氮显著提高秸秆磷素释放量，SBN180 处理秸秆磷累积释放量最高，为 4.8 kg·hm^-2。还田第 2 年（2022 年）秸秆磷释放受到施氮量的显著影响，与 N0 相比，施氮处理秸秆磷释放量增加 0.4 kg·hm^-2。还田方式与施氮量显著影响秸秆磷两年累积释放量，但两因素间并无显著交互作用。SB 处理平均秸秆磷累积释放量显著高于 SM 处理，分别释放 5.2、4.1 kg·hm^-2。相较于 N0 处理，施氮处理秸秆磷释放量增加 0.8 kg·hm^-2。

秸秆钾素释放同样集中于还田后第 1 年，第 1 年中不同还田方式间秸秆钾释放量存在明显差异， SB 处理平均秸秆钾素释放量为 117.7 kg·hm^-2，显著高于 SM 处理的 116.4 kg·hm^-2。两因素间交互作用对秸秆钾素释放量影响显著，其中 SBN180 处理释放程度最高，为 118.2 kg·hm^-2。还田第 2 年秸秆钾素释放量受到施氮量的显著影响，施氮处理相较于不施氮处理秸秆钾释放量增加 2.12 kg·hm^-2。秸秆还田两年中，还田方式和施氮量显著影响秸秆钾累积释放量，两因素间交互作用对秸秆释放影响显著，秸秆钾素累积释放 119.5～122.6 kg·hm^-2。

通过第 1 年秸秆磷、钾释放量计算秸秆磷、钾肥料替代潜力（表2），发现 SB 处理秸秆磷肥替代潜力高于 SM 处理，且施氮提升秸秆磷肥替代潜力，SBN180 处理秸秆磷肥替代潜力最高，秸秆每公顷可替代 P₂O₅ 11.0 kg 投入。秸秆钾肥替代潜力在 SM 处理中，N0 处理秸秆钾替代潜力最高，为 K₂O 141.7 kg·hm^-2； 在 SB 处理中， N180 处理秸秆钾肥替代潜力最高，为 K₂O 142.4 kg·hm^-2。

注：NS 表示无显著差异（P<0.05）；* 表示差异显著（P<0.05）；** 表示差异极显著（P<0.01）。下同。

2.5 不同处理下玉米产量特征

2021—2022 年不同还田方式下各施氮处理玉米产量构成如表3 所示，还田方式与施氮量对穗粒数、百粒重均有显著影响。相较于 SM 处理，SB 处理玉米的穗粒数平均增加 21 粒·穗^-1。但 SB 处理百粒重（17.8 g）明显低于 SM 处理（18.9 g）。施氮显著提高了玉米穗粒数与百粒重，与 N0 处理相比，N180 处理穗粒数提高了 305 粒·穗^-1，百粒重提高了 7 g。不同还田方式间产量、收获系数均无明显差异，但施氮处理产量和收获系数明显高于不施氮处理。由于受到涝害的影响，2022 年穗粒数、百粒重、产量和收获系数均明显低于 2021 年。

通径分析（图4）显示，SM 处理（图4a）穗粒数和百粒重直接影响产量，呈显著正相关关系，而收获系数对产量无直接影响，但呈显著正相关关系。秸秆释放磷、钾养分对玉米产量构成因素无明显相关关系。在 SB 处理（图4b）中，产量主要受到穗粒数、收获系数的影响，通径系数分别为 0.67 和 0.39，而秸秆磷、钾养分与玉米穗粒数和收获系数间均呈显著正相关。通过计算得到秸秆磷素释放通过穗粒数对玉米产量的间接通径系数为 0.61，通过收获系数对玉米产量的间接通径系数为 0.32。秸秆钾素释放通过穗粒数对玉米产量的间接通径系数为 0.54，通过收获系数对玉米产量的间接通径系数为 0.35。

注：图 a 为 SM 处理，图 b 为 SB 处理；图中带 R 的双箭头表示相关性；带 P 的实线单箭头为直接通径系数；带 Ip 的虚线单箭头为秸秆磷素间接通径系数；带 Ip 的点线单箭头为秸秆钾素间接通径系数。

3 讨论

3.1 秸秆磷、钾释放特征

在两年秸秆磷、钾养分监测中发现，秸秆磷、钾释放呈现出前期快、后期慢的特点。还田两年间，秸秆释放出 50.1%～76.5% 的磷，94.1%～96.6% 的钾，折合释放 3.76～5.91 kg·hm^-2 磷和 119.49～124.50 kg·hm^-2 钾。秸秆钾释放率和释放量远大于磷，这是由于秸秆中钾几乎全部以离子态存在且含量高，而磷有 60% 以离子态形式存在，且含量远低于钾^[19]。深翻还田秸秆磷、钾释放率显著高于覆盖还田，是因为不同土壤条件导致秸秆磷、钾释放的差异。深翻还田改善了黑土的透气性，且深层土壤中保存有较为充足的水分，微生物活动旺盛，相较于覆盖还田更有利于磷、钾离子在土壤溶液中的置换^[20-21]。氮肥的投入提供了充足的氮源，降低了还田后秸秆 C/N^[22]，而秸秆还田增加了土壤的水分，并降低土壤温度的波动^[23]，有利于养分的运移，提高了土壤微生物与酶活性，从而促进了秸秆磷、钾的释放。

秸秆养分含量的变化反映了干物质腐解与养分释放的相对快慢。还田玉米秸秆含磷量随着养分释放的不断增加，呈现出不断富集的状态。说明秸秆磷的矿化速率慢于干物质分解速率，大量磷残留在田间未分解的玉米秸秆中，这与黄婷苗等^[24]、武际等^[25]研究结果一致。而秸秆中的钾呈现出直接释放的状态，秸秆钾的矿化速率快于秸秆干物质的分解速率，这同样是由于秸秆中离子形态钾极易溶于土壤水分当中导致^[24]。

3.2 还田秸秆磷、钾肥料替代潜力

通过秸秆磷、钾累积释放量发现，秸秆磷第 1 年累积释放 3.4～4.8 kg·hm^-2，折合 P₂O₅ 7.8～11.0 kg·hm^-2。在黑土区不同地力土壤推荐施磷为 P₂O₅ 20～130 kg·hm^-2[26-27]，故而还田秸秆可提供部分磷素，但其归还磷量远低于正常农业生产需磷量，所以在秸秆还田条件下，应根据土壤供磷能力投入化学磷肥，避免作物生长过程中磷养分不足和土壤磷耗竭等问题出现。秸秆钾第 1 年累积释放 115.2～118.2 kg·hm^-2，折合K₂O 138.8～142.4 kg·hm^-2。而东北地区钾素投入范围为 K₂O 37.5～180.0 kg·hm^-2[28]，推荐施钾量为 120 kg·hm^-2[29]，还田秸秆替代钾肥潜力较大，通过秸秆还田可减少钾肥的施用。并且发现秸秆钾快速释放期与玉米钾养分临界期同步，需注意避免钾养分供给缺乏或过量引起的损失^[30]。

3.3 还田方式和施氮对玉米产量的影响

在农业生产中充足的氮素供应对作物产量起着至关重要的作用^[31]，本研究中不同还田方式下施氮处理产量构成和籽粒产量均明显高于不施氮处理。而在不同还田方式下产量无明显差异，但在产量构成方面，翻压还田后玉米穗粒数明显增加。结合前人研究，认为其原因有两点。首先，翻耕后土壤更加松散，且秸秆释放磷、钾养分扩充了土壤磷、钾容量，有利于玉米根系的生长^[32-33]。而作物强大的根系是形成生物量的重要保障^[34]，同时发现在翻压还田中，收获系数对玉米产量有直接的正向作用，而秸秆磷、钾养分的释放对收获系数呈现明显的正相关关系，说明翻压还田促进了养分的吸收和向幼穗中的运移^[35]，获得较高的穗粒数而稳定产量。其次，发现秸秆磷、钾的快速释放期 （0～90 d）为玉米的苗期到抽雄吐丝期前后，期间玉米以茎、叶生长为主，充足的磷、钾养分促进了玉米茎、叶的发育，使得茎、叶中积累了大量的养分供给幼穗生长^[36-38]，从而促进产量形成。

4 结论

在东北黑土区，玉米秸秆在还田后 0～90 d 快速释放，而深翻还田和肥料氮素投入均促进了秸秆磷、钾释放。秸秆磷节肥潜力较弱，应根据土壤供磷能力确定化肥磷的投入。但秸秆钾节肥潜力较强，秸秆中释放钾基本可满足作物当季生长，可根据实际情况减少化肥钾的用量，以提高资源利用率。深翻还田秸秆释放磷、钾养分通过影响穗粒数、收获系数促进玉米产量的形成，有利于产量的稳定。

参考文献