麥秸還田下生活污水灌溉對水稻產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.南京農業大學農業部南方作物生理生態重點開放實驗室，江蘇南京 210095； 2.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇南京 210014)

水稻是我國主要的糧食作物，稻田氮肥消費量占我國氮肥總消費量的30%以上[1]。農民為達到高產往往施用過量的氮肥，大量施用氮肥促進水稻產量大幅度提高的同時，也導致氮肥利用率降低[2]。秸稈還田作為一項重要的保護性耕作措施，具有蓄水保墑、培肥土壤、節本增效的作用，近年來得到廣泛使用[3]。前人關于秸稈還田對水稻產量影響結論不一，李繼福等研究發現麥秸全量還田能提高水稻產量5%[4]。朱利群等研究發現麥秸還田能減少水稻產量7.7%[5]。一方面，還田的秸稈在腐解過程中產生有機酸、酚類等有害物質，影響水稻幼苗生長，進而影響水稻產量[6-8]。此外，秸稈具有較高的碳氮比，還田后會造成土壤氮的短期固定，從而導致作物苗期缺氮問題，因此許多研究采用增加前期氮肥施用量的方法來緩解此現象。然而，如何加快秸稈腐解及養分快速釋放來進一步緩解秸稈還田前期對水稻生長的傷害仍是當前亟待解決的問題。目前，生活污水灌溉作為一種新型的農田灌溉方式，已在許多國家和地區被采用[9]。污水中含有大量有機物、氮、磷等營養元素，將其用于農田灌溉不僅能起到養分回用的目的，還能減少化肥施用量[9]。Zou等研究發現污水灌溉使水稻增產9.59%[10]。黃俊友等研究發現污水灌溉降低了水稻產量3.9%～18.6%[11]。馬資厚等研究表明污水灌溉對水稻產量無顯著影響[12]。科學合理施肥可減少稻田氨揮發損失、氮素徑流損失，增加作物產量，同時提高氮肥利用率[13]，這對于緩解當前面臨的嚴峻的環境污染問題有著重要意義。然而，在秸稈還田的大背景下進行生活污水灌溉，如何影響水稻生長發育及氮素吸收仍需進一步研究證實。因此，本研究開展了麥秸還田條件下的污水灌溉原狀模擬土柱試驗，以清水處理為對照，分析秸稈還田以及污水灌溉對水稻產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。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于江蘇省農業科學院試驗田進行，該地區屬亞熱帶季風氣候，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，為黃泥土。耕作層土壤基本理化性質如下：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 試驗設計

試驗采用原狀模擬土柱，土柱高度為100 cm，直徑為 30 cm。試驗設置2個灌溉水源(生活污水和清水)和2個秸稈還田處理(麥秸全量還田和麥秸不還田)，外加2個不施氮肥對照，共6個處理，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)，每個處理3次重復。

水分管理為分蘗期和拔節期之間曬田1次，收獲前期稻田自然落干，其余時間保持田間3～5 cm水層的淹水狀態。生活污水取自于江蘇省農業科學院化糞池，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，經檢測污水符合灌溉標準(表1)。將污水稀釋至合適的濃度后進行灌溉，記錄灌溉水量，根據灌溉水中總氮濃度和灌溉水量計算當次灌溉由生活污水帶入稻田系統的總氮量。各時期化肥氮用量由本次應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成分見表2，各項指標均符合農田灌溉水水質標準。

表1 供試生活污水和清水的重金屬指標 μg/L

化學氮肥采用尿素，整個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日進行移栽，11月5日收獲。

秸稈添加量是根據小麥產量6 000 kg/hm2、收獲指數0.35進行全量還田折算。

表2 供試生活污水和清水的水質

表3 各處理氮肥施用情況 kg/hm2

1.3 樣品采集與分析

在水稻收獲期對籽粒進行考種，包括有效穗數、穗粒數、實粒數、結實率以及千粒質量。籽粒和稻草分別烘干、粉碎、過篩，采用H2SO4-H2O2消化，凱氏定氮法測定全氮含量。

1.4 有關參數計算方法

植株總吸氮量=成熟期植株總干物質質量×植株總含氮量；

氮肥農學利用率(g/g)=(氮肥施用區水稻產量-無氮肥區水稻產量)/化肥投入氮量；

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

氮素生理利用率(g/g)=(施氮區產量-空白區產量)/(施氮區植株總吸氮量-空白區植株總吸氮量)；

氮素收獲指數(g/g)=籽粒吸氮量/植株總吸氮量；

氮素偏生產力(g/g)=施氮區產量/240；

收獲指數=籽粒產量/植株總干質量×100%。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2007進行數據計算和分析；采用SPSS 19.0統計軟件進行方差分析；繪圖采用Origin 8.0軟件。

2 結果與分析

2.1 水稻生物量及物質分配

水稻地上部各器官的植株總干質量表現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量，各施肥處理較不施肥處理的地上部總質量增加7.99%～18.80%，但各施肥處理之間差異不顯著。各處理間收獲指數均差異不顯著，不受秸稈是否還田和灌溉水的影響。

2.2 產量分析

施氮顯著提高了水稻產量；秸稈還田略微降低了產量，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量表現出了輕微地下降，在秸稈不還田條件下表現為略有增加，但差異不顯著。產量構成因素分析表明，麥秸還田和污水灌溉均顯著降低了水稻的每穗粒數，但沒有影響水稻的結實率、千粒質量、有效穗數(表4)。

表4 水稻產量及構成因子

注：同列數據后不同小寫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籽粒和莖稈的吸氮量無顯著影響。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氮素吸收無交互作用(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，其中氮肥農學利用率和氮肥回收利用率達到顯著水平。秸稈還田條件下，污水灌溉也提高了氮肥農學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學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。秸稈還田與污水灌溉之間對氮素利用率無交互作用。

表6 不同處理肥料表觀利用率

3 討論

3.1 產量及其構成因素

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

污水灌溉沒有顯著影響水稻的產量，與Zou等研究結果[10]相符。這是由于污水灌溉為水稻生長提供了大量有機物和氮、磷等營養元素，同時污水灌溉又能促進植物根系生長，從而能保證水稻高產[18]，說明水稻產量與營養供應有密切關系。黃俊友等發現污水灌溉因降低了水稻有效穗數導致水稻產量降低[11]。另外，污水灌溉雖影響土壤微生物活性，加快秸稈腐解，但在短期內兩者之間沒有耦合作用，因此并未影響水稻產量。此外，麥秸還田和污水灌溉均顯著降低了水稻的每穗粒數，但沒有影響水稻的結實率、千粒質量、有效穗數。

3.2 氮素吸收

水稻對氮素吸收不僅與氮肥用量有關，還受氮肥運籌和肥料類型的影響[19]。本試驗結果表明，各施肥處理較對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，與李錄久等研究結果[20]相符。前人研究發現，秸稈在長期還田下能明顯提高土壤肥力并促進作物生長和氮吸收，而在短期還田下對其無顯著影響[21]。本研究秸稈還田下氮吸收降低可能是由于秸稈還田時間較短，影響了秸稈腐解與養分釋放，進而影響了氮素吸收。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，但并未達到顯著性差異。無論麥秸是否還田，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運，從而促進氮素吸收。

3.3 氮素利用率

肥料利用效率是評價施肥效應的重要指標，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，降低氮素損失。本研究發現，秸稈還田與污水灌溉均顯著影響了氮肥的回收利用率，對氮肥農學利用率、氮素生理利用率、氮素收獲指數、氮素偏生產力均無顯著影響。秸稈還田與污水灌溉之間對氮素利用率無交互作用。葉文培等研究發現，施用有機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“爭氮”現象，進而緩解對水稻前期生長的不利影響[22]。麥秸中因具有較高的碳氮比，前期腐解時會出現“爭氮”現象，因此不利于水稻前期生長，可能會影響水稻的氮素吸收。污水中含有大量有機物[23]，可作為有機肥施加到稻田中[18，24]，可能會對水稻的氮素吸收產生影響。本研究發現，麥秸還田下污水灌溉沒有顯著影響水稻氮素利用率，可能是由于本試驗只是1年初步結果，短期還田下污水灌溉與秸稈還田之間無耦合效應。因此，秸稈還田與污水灌溉的長期效果還有待進一步觀測。總之，麥秸還田耦合污水灌溉的方法不僅減少了44.41%的施氮量，實現了污水資源回用，還能提高水稻產量，并且對氮素利用率并無顯著影響，是一項值得應用的農業管理措施。

4 結論

各施肥處理間產量均未達顯著性差異，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學利用率的作用，秸稈不還田條件下表現顯著。麥秸還田下稻田生活污水灌溉，能保證水稻高產，并對氮素利用率均無顯著影響，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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