茭草還田對茭白田表水中污染物濃度的影響

周楊 姚岳良 施麗珍 陳建霞 章明奎

摘要：為了解茭白生產(chǎn)過程中茭草還田對田面水體中污染物的影響及其可能產(chǎn)生的農(nóng)田面源污染，模擬試驗(yàn)研究了淹水條件下不同用量（0%、0.5%、1.0%）茭草覆蓋還田和與土壤混合還田對田面水體中COD、氮、磷等污染物濃度的影響。結(jié)果表明，田面表水的電導(dǎo)率、COD、磷、鉀、鐵、錳在試驗(yàn)初期呈明顯上升，第20-30天之后逐漸下降至相對穩(wěn)定狀態(tài);NH4+-N濃度峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)試驗(yàn)前10天內(nèi)。電導(dǎo)率、COD、磷、鉀、鐵、錳濃度隨茭草還田量的增加而增加，而NH4+-N的濃度變化則相反;茭草覆蓋還田對田面表水中電導(dǎo)率、COD及養(yǎng)分濃度的影響大于茭草與土壤混合還田;配施氮肥可明顯增加田面水的電導(dǎo)率和NH4+-N濃度。研究建議，采用茭草與土壤混合還田，并控制好茭草還田前期（前30天）田面水的排放。

關(guān)鍵詞：茭白秸稈;還田;面源污染;DOC;氮;磷

中圖分類號：X53，S19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號：cjas18120029

0引言

秸稈還田對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言具有正負(fù)二方面的作用，其在歸還作物吸收的養(yǎng)分、增加土壤有機(jī)質(zhì)積累、減少化肥施用量的同時(shí)，也會因過量還田或不合理地還田，使得秸稈在分解過程中向水體釋放大量的污染物質(zhì)，從而增加農(nóng)田面源污染物質(zhì)的產(chǎn)生。

在中國以往的文獻(xiàn)中，科研人員對秸稈還田的正效應(yīng)做了大量的試驗(yàn)研究[1-3]，它不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[4-6]，改善土壤理化性狀[7-9]，增加土壤保蓄能力，還能提高土壤生物學(xué)性狀[10-13]，促進(jìn)土壤養(yǎng)分元素的良性循環(huán)[9，14]。有關(guān)秸稈還田對環(huán)境污染的影響研究雖也有所報(bào)道，但大多注重于覆蓋還田后對農(nóng)田養(yǎng)分流失影響和溫室氣體的釋放[14-18]，較少觀察秸稈分解對地表水體質(zhì)量的影響[19-20]。

茭白是縉云縣農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，規(guī)模種植始于20世紀(jì)90年代后期。2017年，全縣茭白種植面積己達(dá)到0.43萬hm2，主要分布在大洋鎮(zhèn)、壺鎮(zhèn)鎮(zhèn)、前路鄉(xiāng)、新建鎮(zhèn)和大源鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，年產(chǎn)量10.7萬t，總產(chǎn)值3.7億元?？N云縣茭白生產(chǎn)具有長年淹水種植、秸稈全量還田的特點(diǎn)。為了解茭草在長年淹水種植環(huán)境下全量還田對地表水環(huán)境的可能影響，在室內(nèi)開展不同條件下茭草養(yǎng)分釋放特征的模擬研究，以期為了解茭草還田的正負(fù)效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

模擬試驗(yàn)于2016年7-12月在浙江杭州進(jìn)行。

1.2試驗(yàn)材料

1.2.1供試土壤采自縉云縣新建鎮(zhèn)茭白種植8年的農(nóng)田，土壤類型為培泥砂田（屬水稻土土類），采樣深度0-20cm。土樣用1個(gè)塑料容器并保持潮濕狀態(tài)運(yùn)回溫室，混勻后用濕土直接進(jìn)行試驗(yàn)。供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為32.74g/kg，pH6.14;全氮2.34g/kg，全磷0.78g/kg，有效鉀158mg/kg。

1.2.2供試茭草 茭草指茭白地上部分成熟茭白莖葉。試驗(yàn)前剪成2-3 cm，其（干物）中氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量分別為15.47、4.01、15.21g/kg。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用模擬培養(yǎng)方法在溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)容器為直徑、高分別為20、35cm塑料桶。試驗(yàn)涉及3個(gè)因素，分別為茭草施用量（0%、0.5%、1%）、茭草施用方法（覆蓋施用和與土壤混合施用）和氮肥施用量（不加氮肥和每桶加0.75g尿素的氮肥），共10個(gè)處理。每桶濕土用量為5kg，重復(fù)3次。

茭草覆蓋施用，是指把茭白莖葉覆蓋在土表，而與土壤混合施用指通過翻耕與土壤充分混勻。加尿素目的是調(diào)節(jié)土壤碳氮比，彌補(bǔ)茭白莖葉礦化過程因微生物同化引起的氮素不足;加入的尿素與土壤充分混勻。試驗(yàn)時(shí)每桶添加適量的水，使土表形成5cm厚的水層，同時(shí)稱量每桶的質(zhì)量。分別在試驗(yàn)后的第1、2、3、5、10、15、20、30、50、75、100、125天采集田面表水樣，測定電導(dǎo)率、pH值、NH4+-N、NO3--N、DOC、水溶性P、水溶性K、水溶性Fe、Mn。其中，電導(dǎo)率、pH值用樣品直接測定，其他項(xiàng)目測定時(shí)水樣過0.45μm濾膜。每次采樣后（非取樣時(shí)每隔5天）添加適量水調(diào)節(jié)土壤水分，使其與試驗(yàn)前保持一致。試驗(yàn)期間溫室溫度控制在25-35℃之間。

1.3.2測定方法 用電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)率;用pH計(jì)測定pH值[21];用靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮（NH4+-N）;用紫外分光光度法測定硝酸鹽氮（NO3--N）;用鉬藍(lán)比色法測定水溶性磷;鉀、鐵、錳用原子吸收法測定;水溶性有機(jī)碳（DOC）用Shimadzu TOC自動分析儀測定。

1.3.3統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)處理與分析在Excel 2003軟件上進(jìn)行。

2結(jié)果與討論

2.1電導(dǎo)率、pH值和DOC的變化

結(jié)果表明（見圖1），試驗(yàn)初期田面表水中電導(dǎo)率有明顯的增加。之后，對照處理（無茭草還田）土壤電導(dǎo)率在640μS/cm（無氮肥）和710μS/cm（施氮肥）上下波動，變化較小。對于無氮肥的情況下，當(dāng)茭草還田量為0.5%時(shí)，田面表水的電導(dǎo)率有輕微的增加;而當(dāng)茭草還田量為1.0%時(shí)，表水電導(dǎo)率明顯地增加。茭草還田的田面表水的電導(dǎo)率在培養(yǎng)時(shí)間20-30天左右達(dá)到峰值，之后隨時(shí)間逐漸下降，但至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，表水電導(dǎo)率仍高于試驗(yàn)初期。與無氮肥的情況比較，施氮情況下，當(dāng)茭草還田量為0.5%時(shí)田面表水電導(dǎo)率與對照比較的增量明顯地提高，這可能與氮肥的施入增加了土壤微生物活性、加速茭草分解有關(guān)。田面表水的電導(dǎo)率隨茭草還田量的增加而增加，這顯然與茭草降解釋放出鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素有關(guān)?？傮w上，茭草覆蓋施用時(shí)的田面表水的電導(dǎo)率略高于茭草與土壤混合施用，這與茭草覆蓋施用時(shí)茭草降解釋放的礦物質(zhì)直接進(jìn)入田面表水有關(guān)。施用氮肥處理的田面表水電導(dǎo)率明顯高于相應(yīng)的無氮肥處理，前者平均比后者高10.80%-31.60%。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均電導(dǎo)率比對照分別增加13.32%、8.75%、58.31%和49.33%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均電導(dǎo)率比對照分別增加34.58%、24.65%、59.88%和49.86%。

由圖2可知，試驗(yàn)初期，各處理田面表水的pH值均有下降趨勢，3-10天達(dá)到低值，但之后pH值又逐漸回升。田面表水的pH值隨茭草還田量的增加而下降，下降原因可能與茭草分解釋放出有機(jī)酸有關(guān)。在培養(yǎng)試驗(yàn)的5-100天之間，多數(shù)情況下茭草還田處理的田面表水的pH值明顯低于對照處理?？傮w上，施氮處理的田面表水pH值略低于無氮肥處理，但二者差異不明顯。從試驗(yàn)期間田面表水的平均pH值來看，茭草與土壤混合施用的略高于茭草覆蓋施用，但2種還田方式間差異也不明顯。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用表水的平均pH值比對照分別降低了2.47%、2.36%、4.31%和3.00%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均pH值比對照分別下降1.12%、0.73%、3.71%和2.32%。

茭草還田明顯地增加了田面表水的DOC濃度，DOC濃度隨還田量的增加而增加（見圖3）。茭草還田處理的田面表水DOC在培養(yǎng)時(shí)間20天左右達(dá)到峰值，之后逐漸下降。試驗(yàn)期間施氮處理的田面表水的平均DOC濃度略高于無氮處理，這可能與施氮處理增強(qiáng)的微生物的活性、促進(jìn)低分子有機(jī)物質(zhì)分解有關(guān)。茭草還田方式對表水的DOC濃度也有一定的影響，一般是在試驗(yàn)前期覆蓋施用高于與土壤混合施用，而至試驗(yàn)后期則是與土壤混合施用略高于覆蓋施用。這種差異可能與覆蓋施用處理前期茭草分解強(qiáng)度高于與土壤混合施用有關(guān)。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均DOC比對照分別增加74.25%、72.41%、108.76%和105.08%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的DOC比對照分別增加98.63%、92.68%、134.20%和134.61%。

2.2氮素的變化

試驗(yàn)期間施氮處理田面表水中NH4+-N濃度明顯高于無氮處理（見圖4），但對田面表水中N03--N濃度的影響較?。ㄒ妶D5）。無論施氮還是不施氮，茭草還田均可導(dǎo)致表水中NH4+-N濃度的下降，下降程度隨茭草還田的增加而增加。茭草覆蓋施用處理的表水NH4+-N濃度略低于與土壤混合施用。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的NH4+-N平均濃度比對照分別降低22.16%、15.06%、27.15%和15.18%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的NH4+-N平均濃度比對照分別下降11.26%、4.68%、24.56%和16.83%。

茭草還田可輕微降低田面表水中N03--N濃度（見圖5），但茭草覆蓋施用與與土壤混合施用處理的田面表水N03--N濃度差異不明顯。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的N03--N平均濃度比對照分別下降31.21%、28.19%、34.57%和35.64%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的N03--N平均濃度比對照分別下降32.27%、35.28%、37.23%和32.27%。

2.3磷素和鉀素的變化

不管是施氮還是不施氮，與對照處理比較，茭草還田均增加了田面表水中磷的濃度（見圖6），增加量隨茭草還田量的增加而增加;茭草覆蓋施用處理的田面表水磷濃度略低于與土壤混合施用。但田面表水中磷的濃度隨試驗(yàn)時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢，最后達(dá)到相對平穩(wěn)。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的磷平均濃度比對照分別增加13.06%、7.22%、23.33%和20.56%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的磷平均濃度比對照分別增加13.61%、8.33%、23.89%和24.17%。茭草還田引起的田面水中磷濃度增加可能與茭草還田促進(jìn)土壤磷素釋放有關(guān)。有研究報(bào)道，土壤中陰離子有機(jī)酸可與土壤膠體表面的磷酸根發(fā)生交換作用，促進(jìn)磷的釋放[22-23];在還原條件下，與氧化鐵結(jié)合的磷可因鐵的還原被釋放出來[24]。

茭草中含有較高含量的鉀素，茭草還田后隨著茭草的分解，其中的鉀素被逐漸釋放出來，顯著地增加了表水中鉀的濃度（見圖7），其濃度在試驗(yàn)初期呈現(xiàn)先增加，之后逐漸趨向穩(wěn)定。田面表水中鉀濃度增加量隨茭草還田的增加而增加，茭草覆蓋施用的田面表水鉀濃度略高于與土壤混合施用。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的鉀平均濃度比對照分別增加166.68%、147.64%、252.50%和227.48%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的鉀平均濃度比對照分別增加165.12%、147.65%、237.95%和225.09%.

2.4鐵和錳的變化

由圖8-9可知，茭草還田顯著增加了田面表水中Fe和Mn的濃度。在試驗(yàn)初期，表水中Fe和Mn的濃度迅速增加，至培養(yǎng)時(shí)間20天左右達(dá)到峰值，之后有所下降，并仍穩(wěn)定在較高水平。田面表水中Fe和Mn的濃度隨茭草還田量的增加而增加，在試驗(yàn)前30天，茭草覆蓋施用的田面表水中Fe和Mn的濃度高于與土壤混合施用，而在試驗(yàn)后期，覆蓋施用與與土壤混合施用之間的田面表水中Fe和Mn的濃度差異逐漸減小。

不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的鐵和錳平均濃度分別比對照增加111.75%和60.06%、91.04%和66.17%、162.63%和85.89%、127.91%和87.75%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的Fe和Mn平均濃度分別比對照增加87.56%和50.75%、72.19%和50.94%、125.95%和73.59%、104.71%和76.84%。土壤中含有豐富的Fe、Mn，土壤溶液中Fe、Mn濃度主要取決于它們的溶解度。茭草還田顯著地增加了土壤中可還原的有機(jī)物質(zhì)，在這些有機(jī)物質(zhì)分解過程中消耗了土壤中的氧氣，大大降低了土壤氧化還原電位，促進(jìn)了二價(jià)Fe、Mn離子的形成，從而增加了田面水中Fe、Mn的濃度。

3結(jié)論

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，在長期淹水種植茭白的農(nóng)田中，茭草還田可增加田面表水中面源污染物，增加田面表水中COD、P、K、Fe、Mn濃度，提高程度隨茭草還田量的增加而增加。茭草還田同時(shí)也可導(dǎo)致田面表水酸度增加。茭草覆蓋還田對田面水中COD、P、K、Fe、Mn濃度的影響大于茭草與土壤混合還田。茭草還田對田面表水水質(zhì)的影響主要出現(xiàn)在還田后的前30天。認(rèn)為應(yīng)控制茭草還田前期（前30天）田面水的排放，減少田面表水進(jìn)入地表水體。從面源污染控制的角度，茭草與土壤混合還田優(yōu)于覆蓋還田。

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基金項(xiàng)目：縉云縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局項(xiàng)目“農(nóng)田長期連作茭白對土壤質(zhì)量的影響及茭白施肥技術(shù)和專用肥研究”。

第一作者簡介：周楊，男，1963年出生，江蘇昆山人，推廣研究員，本科，主要從事土壤與蔬菜生產(chǎn)管理方面的研究。通信地址：321400浙江省縉云縣五云鎮(zhèn)大橋北路290號縉云縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，E-mail：1364284769@qq.com。

收稿日期：2018-12-29，修回日期：2019-05-13。