長期秸稈還田對水稻產量與田面水環(huán)境的影響

孫國峰 孫仁華 周煒 劉紅江 盛婧 徐志宇*

（1 江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014；2 農業(yè)農村部農業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125；第一作者：sgf515@163.com；*通信作者：xufanjin@126.com）

稻-麥輪作兩熟制是我國長江下游水網區(qū)一種主體種植模式，稻田地表徑流所流失的氮（N）、磷（P）是引起水體富營養(yǎng)化的農業(yè)面源污染物重要來源之一[1]。與此同時，秸稈直接還田是農作物秸稈資源化利用的最主要方式[2]。由于作物秸稈含有豐富的C、N、P 元素，稻作麥秸還田后淹水分解產生的有機酸、酚類等有機物質積累，影響秧苗根系生長及有效分蘗的發(fā)生，可能導致水稻減產[3-5]，也可能伴隨稻田退水對周邊水體環(huán)境造成影響。因此，客觀評價秸稈還田的稻田水環(huán)境效應，對水網區(qū)農作物秸稈資源化高效利用及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導意義。有關秸稈還田對稻田水環(huán)境影響的報道雖然較多[5-8]，但大多集中在秸稈還田對稻田N、P 流失特征及田面水N、P 動態(tài)變化的中短期試驗[7-12]，也有研究不同秸稈還田方式下N、P、COD等釋放特征的模擬淹水盆栽試驗[13-15]。這些研究難以反映長期秸稈還田下稻田水環(huán)境效應。鑒于此，本文基于在江蘇省農業(yè)科學院六合基地11 年田間定位試驗，通過測定田面水COD、TN、NH4+-N 和TP 濃度變化來反映稻田水環(huán)境風險，探討常規(guī)施肥條件下長期秸稈定量還田對水稻產量及田面水環(huán)境的影響，以期為評估長江下游水網區(qū)秸稈長期還田可能引發(fā)的稻田水環(huán)境風險提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗始于2010 年11 月，在江蘇省農業(yè)科學院六合基地（32°29′N，118°36′E，海拔18 m）進行。該區(qū)屬北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫15.3 ℃，年平均降雨量970 mm，年日照時數(shù)2 200 h，年平均無霜期215 d，該區(qū)主要種植模式為小麥-水稻輪作。

試驗田為黃褐土，土壤質地為黏質壤土。試驗前耕層土壤容重1.38 g/cm3，有機質12.1 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷5.39 g/kg，速效鉀105.6 mg/kg，pH 值6.4（水土比2.5∶1）。

1.2 試驗設計

采用隨機區(qū)組設計，設置3 個處理：NF，秸稈不還田的無肥處理；CF，秸稈不還田的常規(guī)施肥處理；CFS，秸稈旋耕還田的常規(guī)施肥處理。3 次重復，小區(qū)面積4 m×5 m，選用HDPE 土工防滲膜與現(xiàn)澆水泥田埂防止側滲。選用寧麥38 和南粳9108 為供試材料。小麥、水稻秸稈還田量分別為5 250 和8 250 kg/hm2，2010—2020 年采用人工翻耕秸稈還田方式，2021 年采用微耕機（昂立威1WG4.3-87FQ-ZC）旋耕還田方式，秸稈還田深度為15 cm。施肥量：麥季、稻季施氮量（純N）分別為225 和300 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 為1∶0.5∶0.5。麥季氮肥按基肥∶穗肥為6∶4 施用，磷、鉀肥于耕作前作基肥一次性撒施；稻季氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥為4∶2∶4 施用，施用日期分別為2021 年6 月20 日、6 月30 日和8 月4 日，磷肥于耕作前作基肥一次性撒施，鉀肥作基肥和穗肥等量施用。其他田間管理措施按當?shù)匾话愀弋a農田管理方式進行。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 稻田水環(huán)境

在2021 年水稻施肥后第1、2、3、5、7、10 天采集各小區(qū)田面水，3 次重復，帶回實驗室置于4 ℃冰柜冷藏、及時測定。采用重鉻酸鹽法（GB11914-89）測定田面水的COD，采用連續(xù)流動化學分析儀（SAN++System，SKALAR）測定田面水的TN、TP、NH4+-N 含量。

1.3.2 水稻產量及其構成因素

2021 年10 月水稻成熟期，每小區(qū)選取具有代表性的水稻連續(xù)20 叢，調查有效穗數(shù)；每小區(qū)選取具有代表性的水稻2 叢，調查穗粒數(shù)、結實率和千粒重。采用分小區(qū)人工收割、稻麥小區(qū)脫粒機（QKT-320A）脫粒實測水稻產量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 和SPSS17.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理與作圖，用LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 對水稻產量及其構成因素的影響

由表1 可知，與NF 處理相比，CF、CFS 處理均顯著提高了水稻產量，主要原因是CF、CFS 處理水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著高于NF 處理。與CF 處理相比，CFS 處理水稻實測產量下降3.5%，但差異不顯著，減產原因與CFS 處理降低了水稻有效穗數(shù)有關。

表1 不同處理水稻產量及其構成因素

2.2 對田面水環(huán)境的影響

2.2.1 田面水中COD 變化特征

如圖1 所示，CFS 處理田面水中COD 較NF、CF 處理整體呈現(xiàn)增加趨勢。具體來看，CF 處理基肥、分蘗肥、穗肥施用后10 d 田面水中COD 較NF 處理平均增加5.2%。CFS 處理基肥、分蘗肥、穗肥施用后10 d 田面水中COD 較CF 處理分別提高96.1%、45.9%和63.0%，平均增幅達69.4%?？梢?，秸稈還田是增加稻季田面水中COD 水環(huán)境風險的主要因子。

圖1 麥秸還田施肥后田面水中COD 變化特征

2.2.2 田面水中TN 變化特征

如圖2 所示，與NF 處理相比，CF、CFS 處理田面水中TN 含量呈增加趨勢，其中，CFS 處理田面水中TN含量與CF 處理相比整體呈“先下降、后上升、再下降”趨勢。具體來看，CF 處理基肥、分蘗肥、穗肥施用后10 d 田面水中TN 含量為NF 處理的4.1~11.7 倍。與CF處理相比，CFS 處理TN 含量基肥和穗肥施用期分別降低40.9%和15.5%、而分蘗肥施用期則提高41.1%，平均降幅為17.2%。可見，秸稈還田降低了基肥、穗肥施用期田面水中TN 的水環(huán)境風險，但增加了分蘗肥施用期田面水中TN 的水環(huán)境風險。

圖2 秸稈還田施肥后田面水中TN 變化特征

2.2.3 田面水中NH4+-N 變化特征

如圖3 所示，CFS 處理田面水中NH4+-N 含量較CF 處理整體呈增加趨勢，但降低了還田初期田面水中NH4+-N/TN。具體來看，CF 處理基肥、分蘗肥和穗肥施用后10 d 田面水中NH4+-N 含量為NF 處理的3.9～8.6倍。CFS 處理基肥、分蘗肥和穗肥施用后10 d 田面水中NH4+-N 含量較CF 處理分別提高6.2%、34.3%和11.7%，平均增幅為18.7%。另外，CFS 處理基肥和分蘗肥施用后10 d 田面水中NH4+-N/TN 分別在0.27~0.59和0.57~0.86 之間，均值分別為0.40 和0.70，較CF 處理平均降低6.6%?？梢姡L期秸稈還田一定程度減少了還田前期N 素流失風險[16]。

圖3 秸稈還田施肥后田面水中NH4+-N 變化特征

2.2.4 田面水中TP 變化特征

如圖4 所示，CF、CFS 處理田面水中TP 含量整體呈現(xiàn)下降趨勢，而CFS 處理田面水中TP 含量較CF 處理整體呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，但提升幅度較小。具體來看，NF 處理田面水中TP 含量在0.05~0.22 mg/L 之間，均值為0.14 mg/L。CF 處理基肥、分蘗肥和穗肥施用后10 d 田面水中TP 含量分別在0.16~2.43、0.14~0.20和0.08~0.17 mg/L 之間，均值分別為0.67、0.16 和0.11 mg/L，是NF 處理田面水TP 含量的2.2 倍。CFS 處理基肥、分蘗肥和穗肥施用后10 d 田面水中TP 含量分別在0.19~1.02、0.16~0.25 和0.09~0.17 mg/L 之間，均值分別為0.48、0.20 和0.13 mg/L，較CF 處理基肥施用期降低28.4%，而分蘗肥和穗肥施用期分別提高26.4%和18.2%，平均降幅為13.6%?？梢?，長期秸稈還田可降低麥秸還田初期田面水中TP 的水環(huán)境風險。

圖4 秸稈還田施肥后田面水中TP 變化特征

3 討論

3.1 秸稈還田對水稻產量的影響

稻麥秸稈還田的水稻增產效應不一[5]，整體以增產的報道居多[7,12,17-20]，但也有減產的報道[19]。原因主要與秸稈還田方式、還田質量、施肥水平及土壤類型等因素有關[5]。本研究11 年定位試驗表明，秸稈旋耕還田的水稻產量略有降低，主要原因是秸稈還田降低了水稻有效穗數(shù)，這與吳晶晶等[19]研究結果一致。進一步從秸稈還田影響水稻產量構成的機制來分析，麥秸還田前期淹水分解產生的有機酸、酚類等有機物質積累，影響水稻秧苗根系生長及其早期有效分蘗發(fā)生[3-4]，進而降低了有效穗數(shù)；而秸稈還田中后期，會改善耕層土壤通氣狀況與肥力，促進水稻生長，有助于提高穗粒數(shù)、結實率和千粒重[21]，進而補償有效穗數(shù)不足對水稻產量的影響。因而，如何減輕或避免秸稈還田前期對水稻生長的不利影響，對作物秸稈資源化高效利用與國家糧食安全具有重要意義。

3.2 秸稈還田對稻田水環(huán)境的影響

作物秸稈腐解釋放于田面水的COD、TN 和TP 含量可用來表征稻田因地表徑流流失而產生的水環(huán)境風險[8,16]。本研究結果顯示，CFS 處理田面水中TN 和TP含量較CF 處理分別降低17.2%和13.6%，這與前人研究結論基本一致[7-11]。也有研究認為，秸稈還田降低了田面水中TN 含量，但對TP 含量影響不大[12]。本試驗結果表明，CFS 處理田面水中TN、TP 含量較CF 處理整體呈先下降后上升趨勢。其中，基肥期CFS 處理田面水中TN、TP 含量較CF 處理分別降低40.9%和28.4%，說明秸稈還田可降低還田初期田面水中N、P 的水環(huán)境風險。主要原因是作物秸稈C/N 高，還田會提供大量C源，增強土壤微生物活性，提升土壤與微生物固持N素、吸收P 素的能力，進而降低了還田初期田面水中N、P 含量及其徑流流失風險[22-23]。然而，秸稈還田提高了分蘗期田面水TN、NH4+-N、TP 含量（CFS 處理較CF處理分別增加2.30、1.44、0.04 mg/L），分析可能原因是秸稈還田初期分解產生的有害物質抑制了秧苗生長[3-4]，導致秧苗對N、P 養(yǎng)分的吸收能力下降所致。但是秸稈還田減少了還田前期田面水中NH4+-N/TN（CFS 處理較CF 處理低6.6%）含量，說明長期秸稈還田一定程度減少了稻田N 素流失風險[16]，這與張世潔等[8]研究結果存在差異，分析可能與土壤類型、秸稈還田方式與年限等因素有關；同時，CFS 處理分蘗期田面水中TP 含量平均為0.20 mg/L，這與張剛等[12]研究結果相近，已滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》地面水Ⅲ類標準（TP 為0.2 mg/L），故對稻田周邊水環(huán)境造成的影響相對較小。

本研究顯示，施肥與秸稈還田均會增加田面水中的COD，其中秸稈還田是增加水稻季田面水中COD 水環(huán)境風險的主要限制因子。麥秸覆蓋、深埋與混施模擬淹水試驗均增加上覆水COD，其中，麥秸深埋、混施較覆蓋均能有效降低上覆水中的COD[14-15]。本研究采用秸稈旋耕還田方式，田面水中COD 在26.6~109.3 mg/L之間，滿足GB 5084—2021《農田灌溉水質標準》的水田作物灌溉水質要求（COD 為150 mg/L），故對周邊農田灌溉水質造成的影響不大。另外，參照DB 31/199—2018《污水綜合排放標準》第二類污染物排放限值一級標準（COD 為50 mg/L），秸稈還田的田面水COD 風險期為基肥施用后7~10 d、分蘗肥施用后2~3 d、穗肥施用后1～2 d。可見，從面源污染控制角度來看，麥秸還田基肥施用后7~10 d 是COD 風險控制的主要時期。

綜上所述，常規(guī)施肥條件下，秸稈旋耕還田降低了還田初期田面水的N、P 排放風險，但增加了田面水中COD 的水環(huán)境風險。因此，如何控制秸稈還田初期田面水中COD 的水環(huán)境風險，對水網區(qū)農業(yè)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 結論

長期秸稈還田水稻產量較秸稈不還田略有下降，但差異不顯著，主要原因是長期秸稈還田降低了水稻有效穗數(shù)。

長期秸稈還田降低了還田初期田面水中TN、TP的水環(huán)境風險，同時增加了田面水中COD 的水環(huán)境風險，但秸稈還田的田面水中COD 均低于GB 5084—2021《農田灌溉水質標準》的水田作物灌溉水質要求（COD 為150 mg/L）。從面源污染控制角度來看，基肥施用后7~10 d 是田面水中COD 水環(huán)境風險控制的主要時期。