供钾水平对宁南山区花椰菜产量及钾素平衡的影响

Effect of potassium supply level on yield of cauliflower and potassium balance in soil

摘要

目的 为宁夏冷凉花椰菜生产中钾肥合理施用提供科学依据。 方法 以宁夏冷凉主导花椰菜为试验材料，设置0（K₀）、10（K₁₀）、20（K₂₀）、30（K₃₀）、40 kg/667m²（K₄₀）5个施钾水平，通过田间试验，研究供钾对露地花椰菜产量、钾素吸收分配利用及土壤根层钾素质量与平衡的影响。 结果 供钾显著增加花椰菜产量，增产率在5.32%~16.24%，供钾水平与花球产量呈极显著的二次抛物曲线关系，最高产量为3 529.43 kg/667 m²，最佳供钾水平为24.28 kg/667 m²。在苗期和莲座期茎叶是花椰菜钾元素的累积中心，不同处理茎叶分配比例在49.67%~90.49%，进入成熟期花球是花椰菜钾元素的累积中心，不同处理花球累积分配比例在42.25%~53.73%，整株花椰菜钾素累积量苗期以K₃₀处理最高，莲座期和成熟期均以K₂₀处理最高，较对照分别显著提高69.40%、79.38%。钾肥利用效率为21.77%~40.31%，以K₂₀处理的钾肥利用率、贡献率及农学效率均最高，分别为45.28%，21.31%、38.670 kg/kg。供钾水平低于20 kg/667 m²时，土壤钾素平衡表现为亏缺，供钾水平超过30 kg/667 m²钾素盈余由负转正，再继续投入钾肥，钾素盈余。 结论 综合考虑花椰菜钾素吸收利用分配与产量和土壤钾素有效性与菜田钾素收支平衡等因素，建议宁夏南部山区花椰菜适宜的供钾水平为21.82~29.24 kg/667 m²。

Abstract

Objective This study aimed to provide a scientific basis for the rational application of potassium fertilizer in cold cauliflower production of Ningxia. Method Field experiments were conducted with Ningxia Lengliang dominant cauliflower as the experimental material.Five treatments were established:0 (K₀)，10 (K₁₀)，20 (K₂₀)，30 (K₃₀)，and 40 (K₄₀) kg/667m².The effects of potassium supply on yield，potassium absorption，allocation and utilization in open field cauliflower，as well as potassium quality and balance in the soil root layer，were investigated. Result The results demonstrated that potassium supply significantly increased cauliflower yield，with an increase rate ranging from 5.32% to 16.24%.The relationship between potassium supply level and flower bulb yield followed a significant quadratic parabolic curve，with the highest yield observed at 3 529.43 kg/667 m² and the optimal potassium supply level at 24.28 kg/667m².During the seedling and rosette stages，stems and leaves were the main accumulation centers of potassium in cauliflower，with distribution ratios ranging from 49.67% to 90.49% under different treatments.As the cauliflower entered the mature stage，the flower bulb became the main accumulation center of potassium，accounting for 42.25% to 53.73% under different treatments.The highest potassium accumulation in the whole plant occurred under the K₃₀ treatment during the seedling stage.During the rosette and mature stages，the K₂₀ treatment exhibited the highest accumulation，with a significant increase of 69.40% and 79.38% compared to the control，respectively.The utilization efficiency of potash fertilizer ranged from 21.77% to 40.31%，and the K₂₀ treatment showed the highest utilization rate，contribution rate，and agronomic efficiency，which were 45.28%，21.31%，and 38.670 kg/kg，respectively.When the potassium supply level was below 20 kg/667m²，the soil K balance indicated a deficit.When the potassium supply level exceeded 30 kg/667m²，the K surplus changed from negative to positive，suggesting the need for continued potassium fertilizer application to achieve a surplus. Conclusion Considering factors such as potassium absorption，utilization，distribution，and cauliflower yield，as well as the potassium availability and budget balance in vegetable fields，it is recommended that the appropriate potassium supply level for cauliflower in the southern mountainous area of Ningxia is 21.82~29.24 kg/667m².

Graphical abstract

关键词

花椰菜 / 宁夏南部山区 / 供钾水平 / 产量 / 钾肥利用率 / 钾素平衡

Key words

cauliflower / southern mountainous area of Ningxia / potassium supply level / yield / utilization rate of potassium fertilizer / soil potassium balance

Author summay

冯海萍，副研究员，主要从事蔬菜生理及无土栽培研究。E-mail：[e-mail]

花椰菜（Brassica oleracea var.botrytis）又名花菜，是十字花科芸薹属中以花球为产品器官的蔬菜，其营养丰富，富含类胡萝卜素、类黄酮、硫代葡萄糖苷等生物活性物质，深受广大消费者的喜爱^［1］，且被列为优质的抗癌蔬菜^［2-3］。我国是世界上花椰菜种植面积最大、总产最高的国家，2016年我国花椰菜种植面积和总产量分别为52.01万hm²、1 026.37万t，分别占全世界的38.72%、40.67%^［4］。宁夏环六盘山区是宁夏夏秋冷凉蔬菜生产的优势产区，花椰菜是该区域的优势特色主导种类之一，栽培面积稳定在近3 333.33 hm^2［5-6］。

钾素是植物的品质元素，参与光合作用、蛋白质合成、物质运输等多种生理过程^［7-10］。钾也是花椰菜需求仅次于氮最多的营养元素，且需求量因生育时期而异，生长前期对氮、磷、钾的需求量不高，中后期对氮、钾的需求量逐渐增多，花球形成期对磷、钾的需求量较高^［11］。钾肥对花椰菜的生长发育、肥料利用率、产量具有重要作用^［12］。施用钾肥能促进植物体内多种代谢反应，优化叶片光合作用，促进根系伸长，调节气孔保卫细胞和同化物运输等途径，进而提高作物抗逆性，改善作物对钾的吸收利用，保证作物增产、稳产^{［7-8，13-14］}。缺钾会导致作物初期生长缓慢，叶片小且叶缘发黄^［15］，根系营养不良，吸收不到足够的养分，造成作物减产。过量施钾会造成土壤理化性状恶化，根际微环境破坏，土壤溶液浓度升高导致盐害发生，从而减弱蔬菜的抗逆性，影响蔬菜的产量和品质^［16-17］。因此，合理施肥对提高作物产量、改善品质、净化与保护生态环境、实现农业可持续性发展具有重要性与不可替代性^［18-19］。目前有关宁夏南部山区花椰菜钾素累积分配利用及平衡等方面较为系统的研究鲜有报道，花椰菜的钾肥利用效率和土壤钾素平衡还需深入研究。为此，本文通过大田试验系统研究不同供钾水平对花椰菜产量、钾素积累与分配、钾素利用效率及土壤钾素含量与平衡的影响，明确露地花椰菜适宜的供钾水平，为宁夏南部山区花椰菜钾肥的合理施用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年5月~8月在宁夏固原市原州区中河乡丰堡村进行，该地区属暖温带半干旱气候，年均气温6.0 ℃，年降水量350~650 mm，无霜期103~148 d。花椰菜是固原市冷凉蔬菜主导种类之一，种植面积近4 000 hm²，供试花椰菜品种为开拓者（来源北京华耐农业发展有限公司），供试长效尿素（来源康朴中国有限公司，含氮45%）为氮肥来源，重过磷酸钙（来源云南云天化国际化工股份有限公司，含P₂O₅ 46%）为磷肥来源，天然钾（来源中农天津化肥有限公司，K₂O 52%）为钾肥来源。供试土壤为壤土，0~20 cm 土壤基础理化性质为pH 值 8.43、水溶性盐0.63 g/kg、有机质15.41 g/kg、全氮1.02 g/kg、碱解氮70.36 mg/kg、有效磷32.84 mg/kg、速效钾 256.61 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，因子为施钾水平，设置为0、10、20、30、40 kg/667m² 5个水平，分别用K₀、K₁₀、K₂₀、K₃₀、K₄₀ 表示，3次重复，每个小区面积为100 m²，每个小区设置独立的灌溉，小区之间用45 cm高的田埂隔开，以防肥水互窜。生育期间所有小区氮肥、磷肥统一用量，分别为30 kg/667m²、10 kg/667m²，其中磷肥全部基施，氮、钾肥总量的30%做基肥，其余在移栽后第15、30、45天分别追施20%、25%、25%。花椰菜于5月25日定植，株行距为40 cm×55 cm，8月6日收获。其他田间管理均与当地传统种植方式相同。

1.3 指标测定

生育期间定期定株测定植株生物量及植株氮磷钾含量；采收前每小区随机取10株，采用常规方法测定产量性状。整地前和收获后分层取样，采用鲍士旦编写的《土壤农化分析》测定土壤根层氮、磷、钾养分等理化性质^［20］。

钾肥偏生产力（kg/kg）=施钾区花球产量/供钾水平

钾肥农学效率（kg/kg）=（施钾区花球产量-不施钾区花球产量）/供钾水平

钾肥贡献率（%）=（施钾区花球产量-不施钾区花球产量）/不施钾区花球产量×100%

钾肥利用率（%）=（施钾区作物总吸钾量-不施钾区作物总吸钾量）/供钾水平×100%

钾素平衡系数＝投入土壤钾素/带出土壤钾素

钾素表观平衡＝钾素投入总量-作物带出钾素总量

1.4 数据处理

采用Office 2010、SPSS 26对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 供钾水平对花椰菜土壤钾素含量的影响

由图1可知，供钾水平对土壤全钾和速效钾含量具有显著性影响（P<0.05）。0~20、20~40 cm土壤全钾质量和速效钾均随着施钾量增加表现为增加的趋势。0~20、20~40 cm土壤全钾质量均以K₃₀处理达到最大，分别为18.57 g/kg和18.08 g/kg，其次为K₄₀处理，两处理间无显著性差异，较不施钾肥的K₀处理，分别显著增加11.85%、4.32%和10.84%、3.24%；0~20 cm土层土壤速效钾含量均以K₃₀处理达到最大，为437.08 mg/kg，其次为K₄₀处理，为431.67 mg/kg，两处理间无显著性差异，较对照分别显著增高243.26%和239.01%；20~40 cm土层土壤速效钾含量以K₄₀处理达到最大，为226.67 mg/kg，其次为K₃₀处理，为219.33 mg/kg，两处理间无显著性差异，较对照分别显著增高97.01%和103.59%。说明土壤速效钾表现出随供钾水平增加而增加的趋势，当供钾水平超过K₃₀处理时，土壤全钾与速效钾含量趋于平稳或略有降低。

2.2 供钾水平对花椰菜产量的影响及适宜供钾水平

由表1可以看出，随着供钾水平的增加花椰菜的花球横径、纵径、单球质量及总产量均表现为先增加后下降。花椰菜花球横径、纵径在供钾水平处理之间差异不显著，但供钾处理的花椰菜花球单球质量及总产量显著高于不施钾K₀处理，增产幅度为10.85%~29.86%，以K₂₀处理的产量最高，显著高于其他处理。表明适宜的供钾水平能够提高花椰菜花球产量。

通过对供钾水平与花椰菜产量的关系进行拟合（图2），得出关系方程如下：

Y₁=-1.791 4X²+81.917X+2 714.0（R²=0.758 6）

Y₂=-1.140 0X²+65.550X+2 633.4（R²=0.916 3）

Y₃=-0.956 8X²+47.676X+2 858.1（R²=0.909 6）

Y₄=-1.017 9X²+54.964X+2 766.1（R²=0.807 4）

Y₅=-1.221 4X²+57.407X+2 856.5（R²=0.926 2）

Y₆=-1.017 9X²+51.544X+2 697.7（R²=0.884 4）

Y₇=-1.017 9X²+59.524X+2 652.1（R²=0.896 3）

Y₈=-1.425 0X²+72.960X+2 696.1（R²=0.944 2）

Y₉=-1.648 9X²+85.052X+2 457.5（R²=0.931 7）

Y₁₀=-0.997 5X²+47.595X+2 713.2（R²=0.790 4）

公式表明供钾量与花椰菜花球产量呈极显著的二次抛物曲线关系。通过对上式求导得出：花椰菜产量在3 280.94~3 650.47 kg/667m²时，钾肥施用量为22.86~29.24 kg/667m²（dy/dx=0），获得最佳经济产量时的施钾量为21.82~27.40 kg/667m²（dy/dx=px/py）。

2.3 供钾水平对花椰菜干物质积累规律的影响

由图3可知，随着花椰菜生育进程，不同供钾处理花椰菜植株干物质累积量呈线性增加，K₂₀处理干物质积累整体处于较高的状况。至花椰菜收获时，不同供钾处理单株干物质质量分别为239.32、283.74、322.56、319.44、300.64 g，其中以K₂₀处理干物质最高，其次是K₃₀处理，较干物质质量最小的K₀处理分别增加了34.78%和33.48%，说明供施钾肥对花椰菜干物质的积累增加明显。

2.4 供钾水平对花椰菜钾素分配、累积的影响

由表2可知，供钾水平对花椰菜不同器官钾素累积与分配比例具有一定的影响，在苗期和莲座期花椰菜各个器官中钾素分配表现为茎叶>根，茎叶是钾元素的累积中心，且不同处理茎叶分配比例为49.67%~90.49%；成熟期花椰菜各个器官中钾素分配表现为花球>茎叶>根，此时花球是钾元素的累积中心，不同处理花球累积分配比例在42.25%~53.73%，其中以K₂₀处理最高，比不施钾肥的K₀处理提高43.20%。整株花椰菜钾素累积量在苗期以K₃₀处理最高，莲座期和成熟期均以K₂₀处理最高，比不施钾肥的K₀处理显著提高69.40%、79.38%。说明适宜的供钾水平能有效促进钾素向花球的分配和地上部钾素的累积，为花球的生长提供钾营养。

2.5 供钾水平对花椰菜钾素利用效率的影响

由图4可知，供钾水平对花椰菜钾素利用效率具有一定的影响，不同供钾水平间钾肥偏生产力和钾利用率差异显著（P<0.05），钾肥偏生产力随着供钾水平的增加呈显著下降趋势，其中以K₁₀处理最高，显著高于其他处理，供钾水平从10 kg/667m²增加至40 kg/667m²，钾肥偏生产力从237.79 kg/kg下降至63.60 kg/kg；钾肥农学效率、钾肥贡献率和钾肥利用率均随着供钾水平的增加呈先增加后下降的趋势，钾肥农学效率以K₂₀处理最高，其他依次为K₁₀>K₃₀>K₄₀，处理之间差异不显著；钾肥贡献率以K₂₀处理最高，为21.31%，与K₃₀处理无显著差异，显著高于其他处理；不同供钾水平处理的钾肥利用效率为21.77%~45.28%，以K₂₀处理最高，为45.28%，显著高于其他处理。说明，过量的供钾不能被花椰菜吸收，反而会降低钾肥的利用效率。

2.6 供钾水平对花椰菜钾素表观平衡的影响

由表6可知，钾素的输出量和表观平衡随着供钾水平的增加而增加，当供钾水平高于30 kg/667 m²后花椰菜输出量开始下降，且钾素盈余由负值逐渐增长为正值，再继续投入钾肥，钾素盈余呈现正增长的也越多。钾肥平衡系数随着供钾水平的增加而增加，其中K₄₀处理最高，为1.27，其次是K₃₀处理，为1.01，说明供钾水平小于20 kg/667 m²时，土壤钾素平衡表现为亏缺，难以维持土壤钾素平衡。

3 讨论

土壤速效钾是植物生长所必需的营养元素之一，是表征土壤肥力供给的衡量标准之一 ^［21-22］。研究表明，增施钾肥提高了根层土壤速效钾含量^［23］。本研究表明，不同根层土壤全钾和速效钾均随着供钾水平增加而增加，当施钾量超过30 kg/667 m²处理时，土壤全钾与速效钾含量趋于平稳或略有降低，表明钾肥施用可显著提高土壤钾素有效性。

钾作为肥料三元素之一，是植物生长发育、产量形成、面对逆境所必不可少的重要元素，且对植物物质分配、光合产物合成及碳水化合物运输等具有重大作用^［24-25］。研究表明，花菜类作物营养体较大，营养生长期长，氮磷钾合理配施被认为是提高青花菜产量与品质的关键^［26］，钾在作物产量形成、保障高产、稳产和提升品质等多方面起着极其重要和不可替代的作用，适宜增施钾肥能促进农作物生殖生长、有利于干物质的积累，进而对产量和品质具有明显的提升作用^［27-28］。花椰菜钾肥的施用量为420 kg/hm²时，其产量和品质达到最优^［29］。本试验中花椰菜各器官内的钾素分配时随着供钾水平均呈现先增加后降低的趋势，在苗期和莲座期茎叶是花椰菜钾元素的累积中心，不同处理茎叶分配比例为49.67%~90.49%，进入成熟期花球是花椰菜钾元素的累积中心，不同处理花球累积分配比例为42.25%~53.73%，整株花椰菜钾素累积量苗期以K₃₀处理最高，莲座期和成熟期均以K₂₀处理最高，较对照分别显著提高69.40%、79.38%。因此，适宜的供钾水平能有效促进钾素向花球的分配和地上部钾素的累积，为花球的生长提供钾营养，进而提高了花椰菜花球产量。施钾显著提高了花椰菜花球产量，增产幅度为5.32%~16.24%，以K₂₀处理的产量最高，显著高于K₀和K₄₀处理，说明适宜的供钾水平能够提高花椰菜花球产量。这与杨永森等^［30］在马铃薯上的研究结果基本一致，适量施用钾肥，能够提高马铃薯的产量，施肥或者不施钾肥，则会在很大程度上影响马铃薯产量。

肥料利用效率是表征合理施肥的重要指标，我国钾肥利用率仅为30%~35%^［31］。本试验中钾肥利用效率为21.77%~45.28%，以20 kg/667 m²钾处理最高，为45.28%，且其钾肥贡献率和农学效率分别为21.31%、38.670 kg/kg，供钾水平从10 kg/667m²增加至40 kg/667m²，钾肥偏生产力从237.79 kg/kg降低至63.60 kg/kg；因此，合理钾肥供应，既能有效被花椰菜吸收、提高钾肥利用率，又能减少因过量的钾肥供应造成肥料流失，从而有效降低环境污染。

土壤钾素养分平衡代表土壤钾素的丰缺^［32］，钾肥的施入引起土壤体系内钾素各形态的动态平衡，从而对钾素形态、相互转化及有效性产生影响^［33］。研究发现，钾肥的合理施用是维持水稻高产和土壤钾素平衡的重要技术，而过量施用钾肥造成水稻钾素的奢侈吸收^［34］，此结果与本试验在花椰菜上的研究结果基本一致，本试验中钾素的表观平衡和钾肥平衡系数随着施钾水平的提高而增加，钾肥平衡系数以40 kg/667m²处理最高，为1.27，当供钾水平小于20 kg/667m²时，土壤钾素平衡表现为亏缺，当供钾水平大于30 kg/667m²后花椰菜输出量开始下降，且钾素盈余由负值逐渐增长为正值，再继续投入钾肥，钾素表现为奢侈吸收。因此，宁夏南部山区花椰菜供钾量并不是越多越好，而是基于维持较高的花球产量条件下依据土壤供钾能力、花椰菜预期产量及钾肥利用率及钾素平衡等而定。

4 结论

宁夏南部山区适宜的供钾水平显著提高花椰菜花球产量、钾素在花球中的钾素累积分配比例及钾肥利用率、钾肥贡献率及钾肥农学效率，综合考虑花椰菜钾素吸收利用分配与产量和土壤钾素有效性与菜田钾素收支平衡等因素，宁夏南部山区花椰菜适宜的供钾水平以21.82~29.24 kg/667m²为宜。

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基金资助

宁夏自治区重点研发计划项目(2020BBF03016)

宁夏农业高质量发展和生态保护科技创新示范项目(NGSB-2021-8-06)

宁夏青年拔尖人才项目