麥秸還田下生活污水灌溉對(duì)水稻產(chǎn)量及氮素吸收利用的影響

徐珊珊， 劉 緒， 薛利紅， 侯朋福， 劉雅文， 王紹華， 楊林章

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部南方作物生理生態(tài)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇南京 210014)

水稻是我國(guó)主要的糧食作物，稻田氮肥消費(fèi)量占我國(guó)氮肥總消費(fèi)量的30%以上[1]。農(nóng)民為達(dá)到高產(chǎn)往往施用過(guò)量的氮肥，大量施用氮肥促進(jìn)水稻產(chǎn)量大幅度提高的同時(shí)，也導(dǎo)致氮肥利用率降低[2]。秸稈還田作為一項(xiàng)重要的保護(hù)性耕作措施，具有蓄水保墑、培肥土壤、節(jié)本增效的作用，近年來(lái)得到廣泛使用[3]。前人關(guān)于秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量影響結(jié)論不一，李繼福等研究發(fā)現(xiàn)麥秸全量還田能提高水稻產(chǎn)量5%[4]。朱利群等研究發(fā)現(xiàn)麥秸還田能減少水稻產(chǎn)量7.7%[5]。一方面，還田的秸稈在腐解過(guò)程中產(chǎn)生有機(jī)酸、酚類等有害物質(zhì)，影響水稻幼苗生長(zhǎng)，進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量[6-8]。此外，秸稈具有較高的碳氮比，還田后會(huì)造成土壤氮的短期固定，從而導(dǎo)致作物苗期缺氮問(wèn)題，因此許多研究采用增加前期氮肥施用量的方法來(lái)緩解此現(xiàn)象。然而，如何加快秸稈腐解及養(yǎng)分快速釋放來(lái)進(jìn)一步緩解秸稈還田前期對(duì)水稻生長(zhǎng)的傷害仍是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。目前，生活污水灌溉作為一種新型的農(nóng)田灌溉方式，已在許多國(guó)家和地區(qū)被采用[9]。污水中含有大量有機(jī)物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，將其用于農(nóng)田灌溉不僅能起到養(yǎng)分回用的目的，還能減少化肥施用量[9]。Zou等研究發(fā)現(xiàn)污水灌溉使水稻增產(chǎn)9.59%[10]。黃俊友等研究發(fā)現(xiàn)污水灌溉降低了水稻產(chǎn)量3.9%～18.6%[11]。馬資厚等研究表明污水灌溉對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響[12]?？茖W(xué)合理施肥可減少稻田氨揮發(fā)損失、氮素徑流損失，增加作物產(chǎn)量，同時(shí)提高氮肥利用率[13]，這對(duì)于緩解當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題有著重要意義。然而，在秸稈還田的大背景下進(jìn)行生活污水灌溉，如何影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育及氮素吸收仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。因此，本研究開(kāi)展了麥秸還田條件下的污水灌溉原狀模擬土柱試驗(yàn)，以清水處理為對(duì)照，分析秸稈還田以及污水灌溉對(duì)水稻產(chǎn)量及氮肥利用率的影響，以期為提高水稻氮肥利用率及污水資源化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行，該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年降水量1 200 mm，四季分明，年平均溫度15.4 ℃，年極端氣溫最高39.7 ℃，最低-13.1 ℃，年平均降水量1 106 mm。供試水稻土壤取自于太湖流域宜興周鐵鎮(zhèn)，為黃泥土。耕作層土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值 5.60、全氮含量1.62 g/kg、全磷含量0.40 g/kg、堿解氮含量156.42 mg/kg、速效磷含量18.23 mg/kg、速效鉀含量136.00 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用原狀模擬土柱，土柱高度為100 cm，直徑為 30 cm。試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)灌溉水源(生活污水和清水)和2個(gè)秸稈還田處理(麥秸全量還田和麥秸不還田)，外加2個(gè)不施氮肥對(duì)照，共6個(gè)處理，分別為秸稈還田正常施肥+污水灌溉(SWN1)、秸稈還田正常施肥+清水灌溉(STN1)、秸稈還田不施肥+清水灌溉(STN0)、正常施肥+污水灌溉(WN1)、正常施肥+清水灌溉(TN1)、不施肥+清水灌溉(TN0)，每個(gè)處理3次重復(fù)。

水分管理為分蘗期和拔節(jié)期之間曬田1次，收獲前期稻田自然落干，其余時(shí)間保持田間3～5 cm水層的淹水狀態(tài)。生活污水取自于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院化糞池，灌溉前取樣分析污水和清水的pH值、總氮(TN)含量、重金屬含量等指標(biāo)，經(jīng)檢測(cè)污水符合灌溉標(biāo)準(zhǔn)(表1)。將污水稀釋至合適的濃度后進(jìn)行灌溉，記錄灌溉水量，根據(jù)灌溉水中總氮濃度和灌溉水量計(jì)算當(dāng)次灌溉由生活污水帶入稻田系統(tǒng)的總氮量。各時(shí)期化肥氮用量由本次應(yīng)投入總氮量減去污水或清水灌溉帶入氮量，從而保證各處理間總氮素投入量一致。生活污水與清水的水質(zhì)成分見(jiàn)表2，各項(xiàng)指標(biāo)均符合農(nóng)田灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 供試生活污水和清水的重金屬指標(biāo) μg/L

化學(xué)氮肥采用尿素，整個(gè)生育期中總氮施用量為240 kg/hm2(包括污水中灌溉帶入的氮)，氮肥運(yùn)籌是基肥占30%，蘗肥占30%，穗肥占40%，分別于6月22日、7月2日、8月12日施用(表3)。每個(gè)處理的磷肥、鉀肥用量相同，分別為P2O5150 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，作基肥一次性施入。水稻于6月22日進(jìn)行移栽，11月5日收獲。

秸稈添加量是根據(jù)小麥產(chǎn)量6 000 kg/hm2、收獲指數(shù)0.35進(jìn)行全量還田折算。

表2 供試生活污水和清水的水質(zhì)

表3 各處理氮肥施用情況 kg/hm2

1.3 樣品采集與分析

在水稻收獲期對(duì)籽粒進(jìn)行考種，包括有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及千粒質(zhì)量。籽粒和稻草分別烘干、粉碎、過(guò)篩，采用H2SO4-H2O2消化，凱氏定氮法測(cè)定全氮含量。

1.4 有關(guān)參數(shù)計(jì)算方法

植株總吸氮量=成熟期植株總干物質(zhì)質(zhì)量×植株總含氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(g/g)=(氮肥施用區(qū)水稻產(chǎn)量-無(wú)氮肥區(qū)水稻產(chǎn)量)/化肥投入氮量；

氮肥回收利用率=(施氮區(qū)植株總吸氮量-空白區(qū)植株總吸氮量)/化肥投入氮量×100%；

氮素生理利用率(g/g)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株總吸氮量-空白區(qū)植株總吸氮量)；

氮素收獲指數(shù)(g/g)=籽粒吸氮量/植株總吸氮量；

氮素偏生產(chǎn)力(g/g)=施氮區(qū)產(chǎn)量/240；

收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/植株總干質(zhì)量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析；采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析；繪圖采用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生物量及物質(zhì)分配

水稻地上部各器官的植株總干質(zhì)量表現(xiàn)為不施氮肥處理最低(圖1)，顯著低于施氮處理。氮肥施用可不同程度提高水稻的總干質(zhì)量，各施肥處理較不施肥處理的地上部總質(zhì)量增加7.99%～18.80%，但各施肥處理之間差異不顯著。各處理間收獲指數(shù)均差異不顯著，不受秸稈是否還田和灌溉水的影響。

2.2 產(chǎn)量分析

施氮顯著提高了水稻產(chǎn)量；秸稈還田略微降低了產(chǎn)量，但與不還田處理差異不顯著；與清水灌溉相比，污水灌溉在秸稈還田下產(chǎn)量表現(xiàn)出了輕微地下降，在秸稈不還田條件下表現(xiàn)為略有增加，但差異不顯著。產(chǎn)量構(gòu)成因素分析表明，麥秸還田和污水灌溉均顯著降低了水稻的每穗粒數(shù)，但沒(méi)有影響水稻的結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量、有效穗數(shù)(表4)。

表4 水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示處理之間存在顯著差異(P<0.05)。下表同。

2.3 水稻氮素吸收

各施肥處理較不施肥處理均顯著提高了籽粒和莖稈中的氮素吸收量。麥秸不還田下，污水灌溉較清水灌溉降低了莖稈吸氮量，卻提高了籽粒吸氮量；麥秸還田下，污水灌溉與清水灌溉對(duì)籽粒和莖稈的吸氮量無(wú)顯著影響。秸稈還田顯著影響了莖稈氮含量、籽粒吸氮量、莖稈吸氮量、地上部總吸氮量，污水灌溉顯著影響了莖稈氮含量和莖稈吸氮量，然而秸稈還田與污水灌溉之間對(duì)氮素吸收無(wú)交互作用(表5)。

表5 水稻不同器官氮素吸收與分配

注：“*”表示在0.05水平上差異顯著；“**”表示在0.01水平上差異顯著；“***”表示在0.001水平上差異顯著；ns表示差異不顯著；S表示秸稈；W表示生活污水。表6同。

2.4 氮肥利用率

由表6可知，秸稈不還田條件下，污水灌溉提高了氮肥的吸收利用，其中氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥回收利用率達(dá)到顯著水平。秸稈還田條件下，污水灌溉也提高了氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥回收利用率，但差異不顯著。正常灌溉下，秸稈還田降低了氮肥的農(nóng)學(xué)利用率與回收利用率，卻提高了氮素的生理利用率和收獲指數(shù)。秸稈還田與污水灌溉之間對(duì)氮素利用率無(wú)交互作用。

表6 不同處理肥料表觀利用率

3 討論

3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

氮素是水稻產(chǎn)量主要限制因素之一。氮肥施用顯著增加了水稻產(chǎn)量，各處理間差異不顯著(表4)。前人研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對(duì)產(chǎn)量可能增加、減少或無(wú)影響，這主要與氣候、耕作方式、水分管理等條件密切相關(guān)[14-15]。本研究發(fā)現(xiàn)，麥秸還田處理較不還田處理降低了水稻產(chǎn)量，但差異不顯著，與朱利群等研究結(jié)果[5]相符。一方面由于秸稈還田時(shí)間較短，秸稈未能完全腐熟分解所致；另一方面，有研究認(rèn)為，秸稈還田通過(guò)對(duì)水稻前期的影響(減少水稻分蘗的發(fā)生)，進(jìn)而影響產(chǎn)量[16]。秸稈還田因增加了氨揮發(fā)造成氮素?fù)p失[17]，造成較低的氮素利用率，因此影響水稻的產(chǎn)量。

污水灌溉沒(méi)有顯著影響水稻的產(chǎn)量，與Zou等研究結(jié)果[10]相符。這是由于污水灌溉為水稻生長(zhǎng)提供了大量有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)污水灌溉又能促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，從而能保證水稻高產(chǎn)[18]，說(shuō)明水稻產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)有密切關(guān)系。黃俊友等發(fā)現(xiàn)污水灌溉因降低了水稻有效穗數(shù)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低[11]。另外，污水灌溉雖影響土壤微生物活性，加快秸稈腐解，但在短期內(nèi)兩者之間沒(méi)有耦合作用，因此并未影響水稻產(chǎn)量。此外，麥秸還田和污水灌溉均顯著降低了水稻的每穗粒數(shù)，但沒(méi)有影響水稻的結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量、有效穗數(shù)。

3.2 氮素吸收

水稻對(duì)氮素吸收不僅與氮肥用量有關(guān)，還受氮肥運(yùn)籌和肥料類型的影響[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，各施肥處理較對(duì)照處理籽粒和莖稈中的氮素吸收量顯著提高。與不還田相比，麥秸還田處理籽粒和莖稈的氮吸收量均有所降低，且顯著受到秸稈是否還田的影響，與李錄久等研究結(jié)果[20]相符。前人研究發(fā)現(xiàn)，秸稈在長(zhǎng)期還田下能明顯提高土壤肥力并促進(jìn)作物生長(zhǎng)和氮吸收，而在短期還田下對(duì)其無(wú)顯著影響[21]。本研究秸稈還田下氮吸收降低可能是由于秸稈還田時(shí)間較短，影響了秸稈腐解與養(yǎng)分釋放，進(jìn)而影響了氮素吸收。麥秸不還田下，污水灌溉較清水灌溉增加了籽粒吸氮量，卻減少了莖稈吸氮量。麥秸還田條件下，污水灌溉較清水灌溉籽粒和莖稈吸氮量均有所降低，但并未達(dá)到顯著性差異。無(wú)論麥秸是否還田，污水灌溉均降低了莖稈中氮含量，提高了籽粒中氮含量。這表明污水灌溉有利于氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)氮素吸收。

3.3 氮素利用率

肥料利用效率是評(píng)價(jià)施肥效應(yīng)的重要指標(biāo)，肥料種類、施肥量等均能影響肥料利用率[22]。合理施肥能提高氮素利用效率，降低氮素?fù)p失。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與污水灌溉均顯著影響了氮肥的回收利用率，對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮素生理利用率、氮素收獲指數(shù)、氮素偏生產(chǎn)力均無(wú)顯著影響。秸稈還田與污水灌溉之間對(duì)氮素利用率無(wú)交互作用。葉文培等研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)物能提高土壤供氮能力和秸稈氮的利用率，減少微生物與水稻的“爭(zhēng)氮”現(xiàn)象，進(jìn)而緩解對(duì)水稻前期生長(zhǎng)的不利影響[22]。麥秸中因具有較高的碳氮比，前期腐解時(shí)會(huì)出現(xiàn)“爭(zhēng)氮”現(xiàn)象，因此不利于水稻前期生長(zhǎng)，可能會(huì)影響水稻的氮素吸收。污水中含有大量有機(jī)物[23]，可作為有機(jī)肥施加到稻田中[18，24]，可能會(huì)對(duì)水稻的氮素吸收產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，麥秸還田下污水灌溉沒(méi)有顯著影響水稻氮素利用率，可能是由于本試驗(yàn)只是1年初步結(jié)果，短期還田下污水灌溉與秸稈還田之間無(wú)耦合效應(yīng)。因此，秸稈還田與污水灌溉的長(zhǎng)期效果還有待進(jìn)一步觀測(cè)?？傊?，麥秸還田耦合污水灌溉的方法不僅減少了44.41%的施氮量，實(shí)現(xiàn)了污水資源回用，還能提高水稻產(chǎn)量，并且對(duì)氮素利用率并無(wú)顯著影響，是一項(xiàng)值得應(yīng)用的農(nóng)業(yè)管理措施。

4 結(jié)論

各施肥處理間產(chǎn)量均未達(dá)顯著性差異，不受秸稈是否還田和灌溉水的影響。秸稈還田顯著降低了水稻植株氮吸收，但對(duì)氮素利用效率影響不顯著；污水灌溉有增加氮肥回收利用率和農(nóng)學(xué)利用率的作用，秸稈不還田條件下表現(xiàn)顯著。麥秸還田下稻田生活污水灌溉，能保證水稻高產(chǎn)，并對(duì)氮素利用率均無(wú)顯著影響，不僅減少了44.41%的化肥施用量，并凈化和消納了生活污水，具有一定的可行性。

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