持續(xù)性秸稈還田配施化肥對油菜-水稻輪作周年氮磷徑流損失的影響

靳玉婷，劉運峰，胡宏祥，穆靜，高夢瑤，李先藩，薛中俊，龔靜靜

持續(xù)性秸稈還田配施化肥對油菜-水稻輪作周年氮磷徑流損失的影響

靳玉婷，劉運峰，胡宏祥，穆靜，高夢瑤，李先藩，薛中俊，龔靜靜

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，合肥 230036

【】探究秸稈還田對巢湖地區(qū)油菜-水稻兩熟制農(nóng)田徑流氮磷流失的影響，為源頭控制巢湖流域面源污染提供科學(xué)依據(jù)。開展連續(xù)3年（2017—2019年）的田間小區(qū)實驗，設(shè)置無秸稈+無施肥（CK）、常規(guī)施肥（F）、秸稈還田+常規(guī)施肥（SF）和秸稈還田+常規(guī)施肥減15%（SDF）4個處理。通過測定油菜-水稻輪作下農(nóng)田地表徑流中氮磷濃度和流失量，油菜水稻作物收獲時土壤養(yǎng)分、作物氮磷養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量，探討秸稈還田對農(nóng)田徑流養(yǎng)分流失規(guī)律及土壤養(yǎng)分含量的影響。秸稈還田配施化肥降低了農(nóng)田徑流中氮的質(zhì)量濃度，增加了磷的質(zhì)量濃度。SF較F處理油菜和水稻季總氮（TN）平均質(zhì)量濃度減少15.6%和26.0%，總磷（TP）增加12.5%和8.1%。SF、SDF處理降低了油菜-水稻輪作農(nóng)田氮磷流失量。2017—2019年F處理的油菜和水稻徑流TN、TP的流失量分別為11.9—26.7、1.3—2.8和15.6—27.0和0.8—2.0 kg·hm-2，較F相比，SF處理的油菜和水稻季TN顯著降低18.4%—29.7%和21.9%—28.1%，TP流失量則降低1.3%—4.0%和1.0%—6.6%。秸稈還田能夠增加土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分含量，短期內(nèi)均能夠降低土壤pH值，與F相比，SF處理的油菜和水稻季有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、堿解氮平均含量增幅分別6.2%、8.4%、27.3%、19.5%、5.0%和7.0%、10.9%、17.7%、7.5%、5.1%。秸稈還田配施化肥能夠提高作物地上部氮磷累積量。F處理的油菜和水稻地上部作物氮素、磷素累積量均值分別為105.0、20.4和134.3、36.7 kg·hm-2，SF較F處理油菜和水稻季氮素累積量增加28.9%和7.8%，磷素增加12.1%和5.9%。秸稈還田提高了油菜-水稻輪作的周年產(chǎn)量，其中SF較F處理顯著提高7.8%（2017年）和6.4%（2019年）。油菜-水稻輪作模式下秸稈還田配施化肥能夠在保證作物產(chǎn)量的同時提高土壤養(yǎng)分含量，降低氮磷流失負(fù)荷。

秸稈還田；徑流；氮磷流失；土壤養(yǎng)分；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】自20世紀(jì)60年代以來，氮肥和磷肥的施用量分別增長了9倍和3倍，造成氮磷循環(huán)失衡[1]。當(dāng)?shù)?、磷積累超過臨界值時，施肥會加速土壤氮、磷的流失[2-3]，從而增加水體氮磷質(zhì)量濃度。GUO等[4]研究認(rèn)為約48%的氮和38%的磷來自農(nóng)田。施入農(nóng)田的肥料除被作物吸收和土壤固定外，其余以田面徑流、滲漏、氨揮發(fā)、反硝化等途徑損失進入周圍環(huán)境[5-6]。地表徑流作為農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要途徑[7]，已引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。巢湖流域是湖泊污染重點治理的對象之一，其水體污染問題主要表現(xiàn)為富營養(yǎng)化[8]。氮磷化肥施用量在農(nóng)業(yè)施肥結(jié)構(gòu)中所占比重過大，導(dǎo)致地表徑流和排水溝渠中氮磷污染物質(zhì)量濃度高，引起水體污染，藍(lán)藻的暴發(fā)，造成巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染。江淮地區(qū)的油菜-水稻輪作模式對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和供應(yīng)起到了重要作用。自然降雨條件下，深入研究秸稈還田對農(nóng)田徑流養(yǎng)分流失特征，對于減少巢湖流域的農(nóng)業(yè)面源污染，從源頭控制農(nóng)業(yè)化肥的污染及建立良性循環(huán)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】秸稈還田作為一項重要有機培肥措施，在蓄水保墑、減少污染等方面具有優(yōu)勢。長期秸稈還田可改善土壤結(jié)構(gòu)[9]，增加土壤微生物、提高土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量[10]。秸稈還田還可以減少土壤表面雨水的侵蝕[11]，降低產(chǎn)沙量，提高固氮能力[12]，從而減少農(nóng)田氮磷養(yǎng)分的流失，是一種不可替代的保護性耕作措施。WANG等[8]和劉紅江等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)措施相比，秸稈還田或者秸稈還田搭配減量施肥均可有效降低地表氮流失量甚至降低氮流失率，但對于不同種類秸稈還田對農(nóng)田地表徑流的影響的結(jié)論并不統(tǒng)一。YANG等[14]認(rèn)為如果秸稈還田量過大，在降雨條件下容易增加總氮濃度，導(dǎo)致氮損失。由于地表徑流磷流失機理的復(fù)雜性和土壤條件的區(qū)域性，對農(nóng)田徑流磷素的研究是不同的[15]。【本研究切入點】目前，已有針對土壤類型和施肥處理對不同農(nóng)田養(yǎng)分流失規(guī)律影響的研究，而在自然降雨條件下，關(guān)于油菜-水稻輪作模式當(dāng)季作物秸稈還田對后茬作物農(nóng)田徑流氮磷的質(zhì)量濃度及流失損失的影響研究較少，對巢湖流域的研究也很少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗選取巢湖市烔煬鎮(zhèn)油菜-水稻農(nóng)田試驗基地為研究對象。通過監(jiān)測自然降雨條件下農(nóng)田徑流中氮磷的流失規(guī)律和作物收獲時土壤養(yǎng)分、氮磷養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量，從而揭示秸稈還田對農(nóng)田徑流氮磷養(yǎng)分隨地表徑流的遷移特征及流失量與土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量之間的關(guān)系，為合理利用秸稈還田和進一步提出有效控制養(yǎng)分流失提供依據(jù)，實現(xiàn)資源循環(huán)的再利用和防控農(nóng)業(yè)面源污染的總目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于安徽省巢湖市烔煬鎮(zhèn)西宋村農(nóng)田示范基地（東經(jīng)117°41′37″，北緯31°39′37″）。屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，常年氣候溫和，雨量與日照充足。年平均降水量1 200 mm，年平均氣溫16— 17℃。土壤類型為潛育性水稻土，耕層（0—20 cm）土壤 pH（H2O）6.03，總氮含量1.47 g·kg-1，有機質(zhì)含量24.29 g·kg-1，全磷含量0.45 g·kg-1，堿解氮含量146.56 mg·kg-1，速效磷含量12.87 mg·kg-1。全鉀含量為8.77 g·kg-1，速效鉀含量為109.46 mg·kg-1。油菜和水稻秸稈中全碳、全氮、全磷和全鉀含量見表1。

表1 不同秸稈養(yǎng)分含量及每年氮磷養(yǎng)分投入量

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

田間試驗在油菜-水稻輪作的基礎(chǔ)上，對油菜季和水稻季設(shè)置4個處理：（1）無秸稈+無施肥（CK）；（2）常規(guī)施肥（F）；（3）秸稈還田+常規(guī)施肥（SF）；（4）秸稈還田+常規(guī)施肥減15%（SDF）。常規(guī)施肥依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的施肥習(xí)慣，復(fù)合肥（氮-磷-鉀：20-10-18）以480kg·hm-2為基肥，尿素（總氮≥46.4%）以150 kg·hm-2為追肥，具體的施肥時間見表2，整個生育期的病蟲草害防治與水肥管理及其他管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一致。每個試驗小區(qū)面積30 m2，長4 m，寬7.5 m。在小區(qū)一側(cè)修筑徑流收集池，收集池長2 m、寬1 m、深1.5 m，徑流池底部開設(shè)一個控制閥出水口，徑流池上加蓋。

每季試驗前先將上季作物收獲，留茬10 cm左右，通過收割機將上一季的秸稈切碎翻耕入土，長度為5—10 cm。秸稈還田量為上季作物收獲后所有秸稈量，每年秸稈還田的氮磷養(yǎng)分投入量可依據(jù)表1中相關(guān)數(shù)據(jù)計算出來。每個處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)，呈隨機區(qū)組分布。試驗共進行了6季，時間為2016年11月至2019年10月。本試驗中油菜供試品種為秦優(yōu)十號，于每年11月中旬移栽，次年5月收獲。水稻供試品種為徽兩優(yōu)996，于每年6月中旬移栽，10月初收獲。

表2 作物田間試驗具體施肥時間

1.3 樣品采集與測定

在每次降水產(chǎn)生徑流后，立即測量各徑流池的水位，計算徑流量并采集徑流水。采用流動注射法（德國AA3）測定徑流水中總氮（TN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（TP）和可溶性總磷濃度（TDP）。于每季作物收獲時，采用“S”型多點采樣法，從表層（0—20 cm）采集土壤樣品，混合均勻，風(fēng)干后研磨至可通過2 mm篩，用于測定土壤理化性質(zhì)。土壤測定方法參照鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》[16]。采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量，凱氏定氮法測定全氮含量，高溫酸融-鉬銻抗比色法測定全磷含量，NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定速效磷，堿解擴散法測定堿解氮含量，pH采用電極法。油菜、水稻成熟時人工收獲，各小區(qū)單獨測定籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

作物種植過程中降雨產(chǎn)生徑流時氮、磷徑流流失量的計算公式為：

式中，P為產(chǎn)生徑流水樣中氮、磷徑流流失量（kg·hm-2）；C為第次徑流事件徑流水樣中氮、磷的質(zhì)量濃度（mg·L-1）；V為第次徑流事件中徑流量（m3·hm-2）；是一個完整的監(jiān)測期（油菜季、水稻季）的產(chǎn)流總數(shù)。

秸稈氮（磷）累積量（nitrogen (phosphorus) accumulation of straw, kg·hm-2）=秸稈干重×秸稈氮（磷）含量；

籽粒氮（磷）累積量（nitrogen (phosphorus) accumulation in grain, kg·hm-2）=籽粒干重×籽粒氮（磷）含量；

地上部氮（磷）累積量（nitrogen (phosphorus) accumulation in shoot, kg·hm-2）=秸稈氮（磷）累積量+籽粒氮（磷）累積量。

采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Duncan法檢驗處理間差異。Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 作物養(yǎng)分累積量與產(chǎn)量

根據(jù)表3可知，秸稈還田可增加油菜-水稻輪作農(nóng)田作物地上部分的氮磷養(yǎng)分累積量，F(xiàn)處理油菜和水稻的秸稈、籽粒中氮素、磷素累積量小于SF、SDF處理。3年間F處理的油菜地上部氮素和磷素累積量均值為105.0和20.4 kg·hm-2，SF、SDF處理的均值為135.4、124.0 kg·hm-2和22.9、20.6 kg·hm-2，與F處理相比，地上部氮素累積量分別增加28.9%和18.0%，磷素則增加12.1%和0.9%。水稻季F處理的地上部氮素和磷素累積量均值為134.3和36.7 kg·hm-2，SF、SDF處理的均值則為144.7、139.6 kg·hm-2和38.9、36.9 kg·hm-2，較F處理地上部氮素累積量分別增加7.8%和4.0%，地上部磷素累積量則增加5.9%和0.3%。油菜-水稻輪作期間，秸稈還田配施化肥均可以增加作物地上部分氮磷養(yǎng)分積累，但與常規(guī)施肥相比，處理間未達(dá)差異顯著性，其中秸稈還田對油菜作物養(yǎng)分累積效應(yīng)優(yōu)于水稻。

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters after the same column of data indicate significant differences between treatments (＜0.05). The same as below

由表4可知，在連續(xù)秸稈還田定位試驗中，CK處理的作物產(chǎn)量顯著低于其他處理，SF處理最高，2017—2019年油菜和水稻產(chǎn)量分別達(dá)到3.0—3.3和9.4—11.3 t·hm-2，周年產(chǎn)量達(dá)到12.3—14.6 t·hm-2。2019年，SF較F處理相比顯著提高油菜和水稻的產(chǎn)量，增幅為5.9%和6.6%，其他年份間無顯著差異。秸稈還田還可以在一定程度上提高年際間油菜-水稻輪作的周年產(chǎn)量，2017和2019年SF處理周年作物產(chǎn)量較F處理相比顯著提高7.8%和6.4%，SDF處理的作物的產(chǎn)量能夠保證作物產(chǎn)量。由此可見，隨著秸稈還田年限的增加可達(dá)到明顯的增產(chǎn)效果，但與F處理相比，差異較小。

2.2 農(nóng)田徑流量

2017—2019年油菜和水稻生長季農(nóng)田徑流量見圖1，其間發(fā)生徑流共39次，其中油菜季25次，水稻季14次。CK處理的徑流量在油菜季和水稻季最大。油菜季F處理的平均徑流量為538.0 m3·hm-2，徑流峰值出現(xiàn)在2019年2月16日，達(dá)到985.6 m3·hm-2，SF、SDF處理的平均徑流量為508.4和499.7 m3·hm-2，與F相比，SF、SDF處理降低5.5%和7.1%。水稻季F處理的平均徑流量為573.8 m3·hm-2，其中徑流量峰值為963.9 m3·hm-2（2017年8月3日），SF、SDF處理的平均徑流量為540.8和531.4 m3·hm-2，較F相比，SF、SDF處理則降低5.8%和7.4%?？梢娊斩掃€田配施常規(guī)施肥處理的徑流量均小于常規(guī)施肥。

圖1 2017—2019年農(nóng)田徑流量變化

2.3 農(nóng)田徑流氮磷的質(zhì)量濃度變化

2017—2019年油菜-水稻輪作農(nóng)田徑流水中各氮素質(zhì)量濃度變化見圖2，從中可知，各處理TN、NO3--N和NH4+-N質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為F＞SF＞SDF＞CK（圖2-a，2-b，2-c）。其中TN質(zhì)量濃度隨作物的生長而迅速下降，并呈波動穩(wěn)定趨勢（圖2-a）；NO3--N質(zhì)量濃度隨作物生長期上升，然后下降并趨于波動穩(wěn)定狀態(tài)（圖2-b）；NH4+-N質(zhì)量濃度在油菜季波動降低，而在水稻季則迅速下降，然后趨于波動穩(wěn)定狀態(tài)（圖2-c）。其中TN、NO3--N和NH4+-N質(zhì)量濃度在基肥施用后達(dá)到峰值，F(xiàn)處理的氮質(zhì)量濃度均高于其他處理，TN、NO3--N和NH4+-N質(zhì)量濃度在油菜季最高分別達(dá)到9.9、3.9和1.7 mg·L-1，水稻季高達(dá)13.1、2.0和5.1 mg·L-1，水稻季NH4+-N質(zhì)量濃度高于油菜季，而NO3--N質(zhì)量濃度低于油菜季。2017—2019年，F(xiàn)處理的油菜季農(nóng)田徑流水中TN、NO3--N和NH4+-N平均質(zhì)量濃度分別為5.1、1.4和0.4 mg·L-1，水稻季為6.4、0.7和1.7 mg·L-1。與F處理相比，油菜季SF處理的TN、NO3--N和NH4+-N平均質(zhì)量濃度減少15.6%、8.6%和15.5%，SDF處理則減少25.0%、21.7%和21.0%；而水稻季SF和SDF較F處理相比TN平均質(zhì)量濃度降低16.4%和26.0%，NO3--N降低14.3%和24.2%，NH4+-N則降低12.1%和38.0%。

圖2 2017—2019年農(nóng)田徑流中氮質(zhì)量濃度變化

不同處理徑流中磷（TP、TDP）的質(zhì)量濃度在油菜季節(jié)表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，水稻生長過程中表現(xiàn)出波動下降的變化趨勢，各處理TP、TDP質(zhì)量濃度表現(xiàn)為SF＞SDF＞F＞CK（圖3-a，3-b）。SF處理的TP、TDP質(zhì)量濃度最高，在油菜季最高可達(dá)1.4 和0.7 mg·L-1，水稻季達(dá)0.9和0.4 mg·L-1。2017—2019年，SF處理的油菜季徑流水中TP和TDP平均質(zhì)量濃度分別為0.5和0.2 mg·L-1，水稻季為0.4和0.2 mg·L-1。與F處理相比，SF、SDF 處理的TP平均質(zhì)量濃度在油菜季和水稻季分別增加12.5%、7.1%和8.1%、4.5%，TDP平均質(zhì)量濃度則分別增加9.3%、4.5%和9.6%、3.8%。

圖3 2017—2019年農(nóng)田徑流中磷質(zhì)量濃度變化

2.4 農(nóng)田徑流氮磷流失量及流失形態(tài)特征

不同處理對徑流氮素（TN、NH4+-N、NO3--N）流失量影響見圖4。秸稈還田組的TN、NH4+-N、NO3--N流失量均低于常規(guī)施肥，F(xiàn)處理的氮素流失量最高。2017—2019年期間，油菜季各處理的TN、NO3--N和NH4+-N流失量分別為11.9—26.7 kg·hm-2、1.6—6.0 kg·hm-2和0.8—2.0 kg·hm-2，其中徑流水中可溶性無機氮素輸出量主要以NO3--N的形態(tài)為主，最高可占TN流失量的32.1%，NH4+-N輸出量較小，最高可占比9.4%（表5）。試驗期間水稻季各處理的TN、NO3--N和NH4+-N徑流流失量為7.0—26.8、1.0—3.3和1.2—6.3 kg·hm-2，NH4+-N流失量為可溶性無機氮素輸出量的主要形態(tài)，占TN流失量的14.0%—31.5%，NO3--N占比為9.7%—15.2%（表5）。試驗期間，秸稈還田處理的氮素流失量與常規(guī)施肥處理相對比差異顯著，與F處理相比，SF和SDF處理的TN流失量在油菜季顯著降低18.4%—29.7%和28.3%—33.2%，水稻季顯著降低21.9%—28.1%和34.1%—40.5%。SF和SDF的NO3--N流失量較F處理在3年油菜季均達(dá)到差異顯著性，降幅達(dá)15.4%—20.6%和19.6%—38.1%，水稻季SF和SDF的NO3--N流失量在2017年較F處理顯著降低27.5%和42.5%，2019年顯著降低21.1%和31.4%，2018年SF和SDF與F處理間差異不顯著。油菜季SF、SDF的NH4+-N流失量較F處理在2017—2019年顯著降低16.6%、18.7%和35.3%、43.4%，2018年差異不顯著。在2017年水稻季，SF和SDF的NH4+-N流失量較F處理顯著降低19.6%和27.3%，2019年則顯著降低28.1%和54.7%，其中2018年僅SDF較F處理NH4+-N流失量差異顯著，降幅達(dá)62.5%。

不同處理TP流失量表現(xiàn)為F＞SF＞SDF＞CK，不同年份間TP流失量存在差異（圖5-a）。農(nóng)田徑流水中TDP流失量占TP流失量比例為34.4%—54.6%（表5），說明地表徑流水中TP的TDP 所占比重較小，絕大多數(shù)以懸浮顆粒結(jié)合態(tài)存在，這與已有研究得出的“地表徑流中磷素的流失形式主要是通過與顆粒物（粒徑≥0.45 μm）相結(jié)合作為載體而進行遷移”[17]一致。秸稈還田能夠降低農(nóng)田徑流TP流失量，2017—2019年，油菜季F處理的TP、TDP流失量在1.3—2.8和0.2—1.1 kg·hm-2范圍內(nèi)變化，SF和SDF較F處理的TP流失量在2018年顯著降低4.0%和5.7%，2019年SDF的TP流失量較F顯著降低6.0%。水稻季F處理的TP、TDP流失量在0.8—2.0和0.3—1.0 kg·hm-2范圍內(nèi)變化。2019年SF、SDF與F處理相比，TP流失量顯著降低6.6%和10.5%，2018年僅SDF較F處理顯著降低10.3%，2017年雖有所降低，但處理間差異不顯著。

2.5 農(nóng)田土壤養(yǎng)分及pH變化

經(jīng)過連續(xù)3年的秸稈還田試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施化肥能夠增加土壤有機質(zhì)及氮磷養(yǎng)分庫容量，不同處理的土壤養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為SF＞SDF＞F＞CK（表6）。2017年，與F相比，SF處理能夠顯著提高油菜季全氮11.6%，堿解氮5.4%和水稻季有機質(zhì)5.3%，堿解氮4.2%。2018年，SF較F處理均能顯著提高油菜季和水稻季土壤養(yǎng)分含量，油菜季有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷和堿解氮增幅為6.3%、5.8%、17.1%、21.6%和7.9%，水稻季增幅為7.3%、20.4%、22.9%、17.4%和4.8%。2019年，與F相比，SF處理僅能夠顯著提高油菜季速效磷24.4%和水稻季有機質(zhì)8.0%及全磷25.9%。

不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著（P＜0.05）。下同

表5 2017—2019年農(nóng)田徑流氮磷流失特征

秸稈還田與施用化肥短期內(nèi)均能夠使土壤的pH值有所下降，其中CK處理的pH值高于其他處理，SF處理的土壤pH值最低。2017年水稻季SF較F處理比土壤pH值顯著降低1.1%，2018年油菜季顯著降低15.0%（表6）。與CK處理相比，其他處理的土壤pH降低，酸性增強，可見施用化肥增加土壤的酸化，此基礎(chǔ)上進行秸稈還田會加深土壤酸化程度。但經(jīng)秸稈還田處理3年后的土壤pH值較土壤背景值（6.03）相比并無較大差異。

3 討論

3.1 秸稈還田配施化肥對農(nóng)田徑流氮磷質(zhì)量濃度的影響

本試驗結(jié)果顯示，秸稈還田配施化肥能夠降低徑流中氮素的流失風(fēng)險，與常規(guī)施肥相比，秸稈還田可降低徑流水中TN、NH4+-N、NO3--N質(zhì)量濃度，且秸稈還田配施減量化肥的氮質(zhì)量濃度最低。這與其他研究結(jié)果[1,8]一致。農(nóng)田徑流水中TN、NH4+-N、NO3--N質(zhì)量濃度在基肥和追肥施用后升高，且隨作物生長逐漸降低，在強降雨條件下氮質(zhì)量濃度增加。這與Jung等[18]研究氮損失與施肥時間、降雨量等直接相關(guān)的結(jié)果一致。本研究中秸稈還田后，提高了土壤微生物的數(shù)量和活性，部分微生物細(xì)菌固持農(nóng)田中氮素[19]；其秸稈降解之后的多孔結(jié)構(gòu)也有利于吸附農(nóng)田環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)[20]，促進養(yǎng)分下滲，從而降低氮的質(zhì)量濃度。研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田可提高徑流中磷的質(zhì)量濃度，農(nóng)田徑流水中輸出的磷素濃度過高會對水體的質(zhì)量安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。磷在土壤中的遷移是受其形態(tài)和土壤吸附能力的控制[21]。秸稈的加入，增強土壤微生物的活動性，提高磷活性[22]，降低土壤磷的吸附固定能力。同時秸稈的分解加速根系分泌物的釋放，增加溶解態(tài)有機磷的含量，釋放出一些有機官能團和有機酸，這些有機官能團和有機酸可以與磷螯合，進一步加速磷的溶解[1]，在大雨的反復(fù)沖刷與擊濺，擾動了農(nóng)田表層土壤，會釋放土壤固持的磷[23]，進而增加徑流中磷的質(zhì)量濃度。Hahn等[24]研究表明磷素施用后主要吸附于土壤層表面，遇到較大的降雨后引起土壤吸附磷的流失，增加徑流水體中磷的質(zhì)量濃度。

圖5 2017—2019年農(nóng)田徑流中磷素的流失量

3.2 秸稈還田配施化肥對農(nóng)田徑流氮磷流失量的影響

本研究表明秸稈還田能夠降低農(nóng)田氮素和磷素的流失量。地表徑流養(yǎng)分損失取決于徑流量及其質(zhì)量濃度[19]。試驗結(jié)果表明秸稈還田處理能夠減少油菜-水稻輪作農(nóng)田地表徑流量，這是因為秸稈還田保護了土壤的良好結(jié)構(gòu)，增加土壤的蓄水能力和土壤含水量，使土壤保持較高的入滲速率和抗沖性[25]，抑制水分的蒸發(fā)。同時，均勻覆蓋表土可減弱雨滴的動能，防止雨滴擊濺，阻隔雨水與土壤的直接沖刷作用。秸稈的添加又增加地表糙率度，阻延流速，降低水流能量，減輕徑流量和降雨對土壤的剝離作用，導(dǎo)致地表徑流和泥沙流失量的減少，使氮素流失量降低。研究結(jié)果表明油菜季徑流中氮素流失形態(tài)主要以NO3--N為主，而水稻季徑流中氮素流失形態(tài)以NH4+-N為主。在旱田作物條件下，氧化物環(huán)境中的土壤有利于硝化作用[26]，使NO3--N大量積累在表層，由于NO3--N易流失[27]，導(dǎo)致油菜季徑流中NO3--N流失量較高。稻田處于淹水環(huán)境中，尿素施入進行水解會釋放大量NH4+-N，使土壤的硝化作用受到抑制[28]，反硝化作用較為活躍[29]，稻田氮損失途徑主要為反硝化作用和氨揮發(fā)，即水稻季主要以NH4+-N的形態(tài)流失，這與PENG等[5]研究結(jié)果一致。秸稈還田能減少磷素流失量，盡管秸稈還田增加了徑流中的磷的質(zhì)量濃度，但本試驗中秸稈還田的徑流量較常規(guī)施肥有所降低。因此，秸稈還田降低農(nóng)田徑流中磷素的流失主要是通過減少地表徑流量的損失來實現(xiàn)的。

表6 2017—2019年農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量及pH的動態(tài)變化

3.3 秸稈還田配施化肥對土壤養(yǎng)分及pH的影響

本研究中秸稈還田有利于提高土壤養(yǎng)分含量，其中對土壤有機質(zhì)的積累隨著秸稈還田年限逐漸增加。作物秸稈中含有豐富有機成分和氮、磷營養(yǎng)元素，秸稈腐解后，周圍會有大量的微生物進行繁殖[30]，形成微生物的活動層[31]，促進了對秸稈有機態(tài)養(yǎng)分的分解釋放，從而增加有機質(zhì)含量[32]，但土壤有機質(zhì)是一個長期積累的過程，因此，秸稈還田作為改善土壤肥力的措施需長期堅持。這與YANG等[33]研究表明長期秸稈還田后會增強土壤固氮能力，增加土壤有機質(zhì)含量的結(jié)果一致。土壤酸化會制約土壤中營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和釋放，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化、養(yǎng)分流失，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長發(fā)育。本試驗進行到第二年，秸稈還田處理會加深土壤的酸化程度，由于秸稈在分解過程中產(chǎn)生了大量的有機酸，如乙酸、丁酸、酚酸和腐殖酸-黃腐酸，短期內(nèi)會影響土壤pH值，但很快會因土壤自身的酸堿緩沖能力而有所恢復(fù)，并不會長期影響土壤酸堿度。因此經(jīng)秸稈還田處理3年后土壤的pH值較背景值差異不大。XIAO等[34]研究結(jié)果表明秸稈會造成土壤微生物與作物幼苗爭奪養(yǎng)分、導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)疏松，其礦化過程中產(chǎn)生的銨根陽離子的硝化作用，致使土壤pH下降。但郭春雷和楊采迪等[35-36]研究結(jié)果表明，秸稈直接還田可提高土壤的pH值，這可能受到土壤本身、還田年限及作物秸稈類別的影響，具體原因需要進一步研究。

3.4 秸稈還田配施化肥對作物養(yǎng)分累積及產(chǎn)量的影響

本試驗表明秸稈還田增加油菜-水稻輪作體系作物地上部氮素、磷素累積量和產(chǎn)量，稻秸還田對油菜作物養(yǎng)分吸收累積效應(yīng)優(yōu)于油菜秸稈還田。油菜屬于旱田作物，氧氣充沛的土壤環(huán)境有利于秸稈腐解[37]，水稻生育期處于淹水厭氧環(huán)境，厭氧狀態(tài)抑制土壤中好氧微生物的活性，降低微生物的呼吸強度[38]，導(dǎo)致秸稈養(yǎng)分釋放速率較低，這與代文才等[39]研究表明旱地較水田環(huán)境更有利于秸稈腐解，養(yǎng)分的積累的結(jié)果一致。秸稈還田補充了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分，微生物迅速繁殖，通過調(diào)節(jié)土壤與化肥養(yǎng)分的釋放強度和速率，促進土壤有效氮素在作物體內(nèi)的代謝[40]，增加的氮素經(jīng)由根系、莖稈及葉向籽粒轉(zhuǎn)運[41]，從而提高作物的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量[42-43]。秸稈還田第一年周年作物產(chǎn)量表現(xiàn)出一定的增產(chǎn)效果，而第二年由于秸稈在生育中后期開始大量腐解土壤氮素過高，致前期作物生長過盛，影響后期籽粒的形成，增產(chǎn)效果不明顯。秸稈還田在第三年對作物的增產(chǎn)效果最為顯著，說明秸稈還田需要長期堅持。因此，油菜-水稻輪作模式下秸稈還田配施化肥既保證作物的產(chǎn)量又能實現(xiàn)資源的再利用。

4 結(jié)論

2017—2019年油菜-水稻輪作模式下，秸稈還田配施化肥的徑流中氮的質(zhì)量濃度低于常規(guī)施肥，但磷的質(zhì)量濃度有所增加。各季度的氮素累積流失量較常規(guī)施肥顯著降低，SDF處理最低，與F相比，油菜和水稻季總氮流失量顯著降低28.3%—33.2%和34.1%— 40.5%。由于秸稈還田的徑流量小于常規(guī)施肥故可降低磷素的流失風(fēng)險，較F處理相比，SDF處理的油菜季總磷流失量降低5.7%—6.0%，水稻季降低5.5%—10.5%。秸稈還田可提高農(nóng)田土壤有機質(zhì)及氮磷養(yǎng)分含量，對土壤的pH值有短期影響效應(yīng)。SF、SDF處理的油菜-水稻周年產(chǎn)量較F有增產(chǎn)效果，2017年SF較F處理顯著提高7.8%，2019年則顯著提高6.4%。綜上，SDF是當(dāng)?shù)赝扑]的還田方式，在保證作物產(chǎn)量的前提下，節(jié)約了投入成本，減少氮磷流失對巢湖流域水環(huán)境的影響。

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Effects of Continuous Straw Returning with Chemical Fertilizer on Annual Runoff Loss of Nitrogen and Phosphorus in Rice-Rape Rotation

JIN YuTing, LIU YunFeng, HU HongXiang, MU Jing, GAO MengYao, LI XianFan, XUE ZhongJun, GONG JingJing

School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University/Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, Hefei 230036

【】 To explore the effects of straw returning on the loss of nitrogen, phosphorus in rape rice double cropping system in Chaohu Area, so as to provide scientific basis for source control of non-point source pollution in Chaohu Lake Basin.【】Four treatments no straw + no fertilization (CK), conventional fertilization (F), straw returning + conventional fertilization (SF) and straw returning + conventional fertilization reduced by 15% (SDF) of field plot experiment were carried out for three consecutive years (2016-2019). By measuring the concentrations and losses of nitrogen, phosphorus in farmland surface runoff under rape rice rotation, soil nutrients and crop nitrogen and phosphorus nutrient absorption and yield during rape and rice harvest, the effects of straw returning on nutrient loss and soil nutrient content in farmland runoff were discussed.【】The results showed that straw returning combined with chemical fertilizer decreased nitrogen concentration in farmland runoff and increased phosphorus concentration. In rape and rice season, compared with F treatment, the average mass concentration of total nitrogen (TN) decreased by 15.6% and 26.0%, total phosphorus (TP) increased by 12.5% and 8.0%. SF, SDF treatment reduced the loss of nitrogen and phosphorus. In 2017-2019, the runoff loss of TN, TP of rape and rice season were 11.9-26.7 kg·hm-2, 1.3-2.8 kg·hm-2and 15.6-27.0 kg·hm-2, 0.8-2.0 kg·hm-2under F treatment. Compared with F, TN of SF treatment in rape and rice season were significantly decreased by 18.4%-29.7% and 21.9%-28.1%, TP loss decreased by 1.3%-4.0% and 1.0%-6.6%. Straw returning can increase soil organic matter and other nutrients, and reduce soil pH value in a short time. Compared with F, the average contents of organic matter, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and alkali hydrolyzable nitrogen under SF treatment were respectively increased by 6.2%, 8.4%, 27.3%, 19.5%, 5.0% in rape season and 7.0%, 10.9%, 17.7%, 7.5%, 5.1% in rice season. The results showed that straw returning combined with chemical fertilizer could improve the nitrogen and phosphorus accumulation of crop aboveground. The nitrogen and phosphorus accumulation of above ground crops of F treatment in rape and rice seasons were 105.0 kg·hm-2, 20.4 kg·hm-2and 134.3 kg·hm-2, 36.7 kg·hm-2, respectively. Compared with F treatment, SF increased nitrogen accumulation by 28.9% and 7.8%, phosphorus accumulation by 12.1% and 5.9% in rape and rice season. Compared with F treatment, SF significantly increased the annual yield of rape rice rotation by 7.8% (2017) and 6.4% (2019).【】Under the rape rice rotation system, straw returning combined with chemical fertilizer can not only ensure crop yield, but also increase soil nutrient content and reduce nitrogen and phosphorus loss load.

straw returning; runoff ; loss of nitrogen and phosphorus; soil nutrients; yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.09.011

2020-07-03；

2020-08-18

國家“十三五”重大專項（2017ZX07603-02-02）、合肥市環(huán)巢湖生態(tài)示范區(qū)項目（2018LJFD0033）

靳玉婷，E-mail：yutingjin@126.com。通信作者胡宏祥，E-mail：hongxianghu@ahau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）