秸稈還田影響長江下游稻田周年氮磷徑流風險

張剛，張世潔，王德建*，俞元春，張磊

（1.中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2.南京林業大學生物與環境學院，南京210037；3.中國科學院常熟農業生態實驗站，江蘇 常熟 215555；4.濟寧市兗州區源匯規劃設計院，山東 兗州 272000）

長江下游區域是我國稻-麥兩熟制的重要生產基地，是我國重要的糧食產區[1]，其主要特點是農田集約化程度高，化肥投入量大，但肥料利用效率低[2-3]。農田氮磷養分易通過徑流、淋溶等途徑進入附近的水體，造成區域水體的富營養化[4-7]。作物秸稈中含有豐富的N、P、K 營養養分，是一種重要的肥料資源[1]。秸稈還田不但可以培肥土壤[8-9]，還可以提高氮肥利用率[10]，減少化肥施用量[11-12]，是實現農田生態系統可持續發展的重要措施[13-15]。鑒于此，江蘇省政府辦公廳頒發了《江蘇省農作物秸稈綜合利用規劃（2010—2015 年）》（蘇政辦發[2009]133號），把秸稈機械化還田列為區域秸稈綜合利用的首選技術措施[1]，在全省范圍內大力推廣秸稈還田。然而，秸稈還田改變了稻田土壤的物理化學環境[1，16]，從而影響稻田的氮磷養分流失，如劉紅江等[5，17]研究表明，麥秸全量還田處理下稻季氮磷徑流流失量較不還田處理分別減少9.2%和10.6%；稻草旋耕還田處理下麥季氮磷損失量比不還田處理分別減少5.4%和5.9%；而汪軍等[18]研究表明，麥秸全量還田增加了稻季田面水中-N 的平均濃度，較單施化肥處理增幅約11.5%～22.5%。

近年來，有關水稻和小麥等農作物農田的氮磷徑流流失規律的研究較多[19-22]，但關于秸稈還田下稻-麥輪作稻田的周年氮磷徑流流失的研究較少。因此，本研究以稻-麥輪作稻田為研究對象，通過秸稈還田定位試驗，研究長江下游區域秸稈還田模式和施氮量對稻-麥輪作稻田氮磷徑流風險的影響，明確秸稈還田在防控農業氮磷面源污染中的利弊，對秸稈還田的進一步推廣具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

秸稈還田定位試驗地位于常熟農業生態實驗站站區，始于2012 年6 月，種植制度為夏水稻-冬小麥輪作，供試水稻品種為南粳46號，小麥品種為揚麥16號。試驗設置秸稈還田模式和施氮量2 因素，其中秸稈還田設置4 種還田模式：秸稈不還田、稻季麥秸還田、麥季稻秸還田、稻秸麥秸雙季均還田，分別記作S0、W、R、WR；設置2 個氮肥水平：推薦施氮、常規施氮，分別記作N1、N2。秸稈還田模式和氮肥水平相組合，共設 5 處理，分別為 S0N1（N1）、WN1、RN1、WRN1、WRN2，每處理均設3次重復，共計15個小區，隨機區組排列。小區面積43.7 m2，小區之間均以土堆田埂分隔，田埂均用塑料薄膜包被，以減少灌溉水的串流和側滲。

本試驗中，稻季的推薦施氮量和常規施氮量分別為240 kg N·hm-2和300 kg N·hm-2，氮肥（尿素）運籌為基肥40%、分蘗肥20%、穗肥40%，不同處理的磷鉀肥施用量一致，分別為15 kg P·hm-2、60 kg K·hm-2，磷肥（過磷酸鈣）作為基肥一次性施入，鉀肥（氯化鉀）運籌為基肥50%，穗肥50%。麥季推薦施氮量和常規施氮量分別為200 kg N·hm-2和250 kg N·hm-2，磷鉀肥用量分別為30 kg P·hm-2和30 kg K·hm-2，麥季的化肥運籌和稻季相同。麥秸還田模式和稻秸還田模式的秸稈還田量分別為5.5 t·hm-2和10.0 t·hm-2，稻秸麥秸均還田為15.5 t·hm-2。稻秸和麥秸在作物收獲時同步收割機切碎，分別于小麥播種和水稻移栽前進行旋耕還田，還田的深度約12 cm，其中不還田的秸稈在作物收獲后及時清運出農田。麥季期間在每個小區中間布置一條寬20 cm、深15 cm 的排水溝，用來排出麥季降水產生的積水。本研究中麥秸和稻秸的C/N分別為95 和51。不同秸稈還田模式的田間管理措施一致。

本次試驗周期為 2014 年 11 月—2015 年 10 月。2014 年冬小麥3 次施肥時間分別為2014 年11 月5日、2015 年 1 月 7 日和 3 月 8 日；2015 年水稻 3 次施肥時間分別為 2015 年 6 月 18 日、7 月 8 日和 8 月 15 日，于水稻分蘗后期烤田1周。

1.2 樣品采集和測定

水樣采集：小麥生長期間，每次下雨并于小區排水溝內產生徑流時沿排水方向采用五點混合法采取相應的徑流水樣。采集約100 mL 水樣至聚乙烯瓶中，所采水樣立即帶回實驗室用定性濾紙過濾，于每瓶濾液中加約3 mL 6 mol·L-1稀硫酸，進行冰凍保存。水稻生長期間，每次施肥后第1 d開始采取田面水樣，然后每 2 d 取樣 1 次，連續采樣 4～5 次，之后每 10 d 取樣1 次，直至水稻收獲。稻季水樣的采集、保存方法同麥季水樣。

產量測定：小麥和水稻成熟后，各小區均單獨收割測產，水稻（粳稻）和小麥（硬質紅小麥）籽粒產量分別按含水量14.5%[24]和12.5%[25]計算。

1.3 計算方法及數據分析

所有試驗數據均采用Microsoft Excel 2019 和Origin Pro 2020 軟件進行數據計算和作圖，采用PASW Statistics 18軟件進行差異性和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田模式和施氮量對稻季田面水-N、N、DTN濃度的影響

長江下游區域內水稻移栽期處于高溫季節，尿素施入稻田土壤后，受高溫影響很快轉化為-N，導致稻田田面水中-N 濃度很快升高，一般在每次施肥后數日內達到峰值。本試驗的監測數據也取得了相似的結論，單施化肥（N1）處理下基肥期-N濃度峰值出現在施肥后第1 d，而秸稈還田處理下濃度峰值出現在施肥后1～4 d；蘗肥期和穗肥期的濃度峰值均出現在施肥后第1 d（圖1）。在等氮量水平下（推薦施氮量），N1 處理下3 次施肥期的峰值分別為2.94、1.98、5.49 mg·L-1，均高于WN1、RN1和WRN1處理的峰值。統計分析表明（表1），整個水稻生育期內N1、WN1、RN1、WRN1處理下稻田田面水中-N的平均濃度分別為1.07、0.85、0.59、0.76 mg·L-1，N1處理下-N 平均濃度顯著高于 WN1、RN1 和 WRN1 處理，WN1 和WRN1 處理沒有顯著差異，但均顯著高于RN1 處 理 ，呈 以 下 規 律 ：N1＞WN1≈WRN1＞RN1。WN1、RN1、WRN1 等秸稈還田處理下-N 平均濃度較N1 處理分別降低0.22、0.48、0.31 mg·L-1，降幅分別為20.6%、44.9%和29.0%，平均降幅約31.5%。在稻秸麥秸均還田的條件下，WRN2處理在整個生育期內田面水-N平均濃度為1.29 mg·L-1，而WRN1處理只有0.76 mg·L-1，表明秸稈還田配施推薦施氮量較配施常規施氮量可有效降低稻田田面水中-N 濃度。本試驗中推薦施氮處理下田面水-N 濃度降低了0.53 mg·L-1，秸稈還田配施推薦施氮量能有效降低稻田-N的徑流風險。

表1 不同處理下稻季田面水中氮磷平均濃度分析（2015年）Table 1 Analysis of average N and P concentrations in surface water in rice season under different treatments（2015）

2.2 秸稈還田模式和施氮量對稻季田面水DTP 濃度的影響

稻季田面水中DTP 監測結果表明（圖4），N1 和RN1 處理下稻田田面水中DTP 濃度峰值出現在施肥后的第1 d，之后 DTP 濃度呈降低趨勢，WN1、WRN1和WRN2 處理下田面水DTP 濃度在施肥初期低于N1和RN1 處理，其峰值出現在施肥后的3～4 d。從整個生育期來看，N1、WN1、RN1、WRN1、WRN2 處理下田面水中DTP 的平均濃度分別為0.15、0.17、0.16、0.20、0.19 mg·L-1，均高于水體富營養化總磷濃度臨界值（0.02 mg·L-1），有可能引發附近水體的富營養化。

在等氮量水平下，WRN1處理下田面水中DTP 平均濃度顯著高于WN1 和RN1 處理，WN1 略高于RN1處理但顯著高于N1 處理，RN1 和N1 處理間沒有顯著差異，表現為：WRN1＞WN1≥RN1≥N1（表1）。本試驗中，秸稈還田增加了稻田田面水DTP濃度，較N1處理平均增幅約17.8%（6.67%～33.3%），其中RN1 處理增幅最小，約6.67%。在稻秸麥秸均還田條件下，WRN2處理下田面水中DTP 的平均濃度較WRN1 處理低0.01 mg·L-1，兩者間沒有顯著差異。

2.3 秸稈還田模式對麥季徑流氮磷濃度的影響

冬小麥期間共有6 次降雨產生了田面徑流，降水時間分別為 2015 年 2 月 8 日、2 月 14 日、3 月 1 日、4 月20 日、4 月 24 日、5 月 14 日，其他時間段的降雨較小，沒有產生田面徑流，不予考慮。其中N1 和RN1 處理在6次降水時均采集到徑流水樣，而WN1和WRN1僅在2月8日和2月14日時采集到徑流水樣。麥季徑流的氮磷濃度及其平均濃度如圖5 所示。圖中“前2 次均值”代表 N1、WN1、RN1 和 WRN1 處理下第 1 次和第2 次徑流水樣中氮磷濃度均值，“6 次均值”代表N1 和RN1 處理下冬小麥期間6 次徑流水樣中氮磷濃度均值。

2 月8 日和2 月14 日徑流養分濃度數據表明，RN1 和WRN1 處理下徑流中-N 和 DTN 濃度低于N1處理，而WN1處理高于N1處理，表現為：WN1＞N1＞RN1＞WRN1；N 濃度在2 月8 日表現為秸稈還田處理＜N1 處理，2 月 14 日表現為秸稈還田處理＞N1 處理，但-N 平均濃度表現為秸稈還田處理＜N1 處理。3 種秸稈還田處理下DTP 濃度均高于N1 處理，表現為 WRN1＞RN1＞WN1＞N1。結合徑流氮磷濃度可以發現，3 種還田處理中RN1 處理可以降低麥季氮徑流風險，同時它的磷徑流風險較小；WRN1 處理下麥季氮徑流風險降幅雖然最大，但它的磷徑流風險大于RN1 處理；而WN1 處理的麥季氮磷徑流風險均有所增加。

RN1 和N1 處理下6 次麥季徑流水樣監測結果表明，RN1處理下-N、-N 和 DTN 濃度均低于 N1處理，且DTN 濃度隨時間呈降低趨勢；而DTP 濃度基本以RN1 處理較高（3 月1 日水樣除外），且DTP 濃度隨時間呈先增后降的趨勢。從整個麥季來看，N1 處理下徑流中-N、-N、DTN、DTP 的平均濃度分別為 0.46、2.57、3.57、0.010 mg·L-1，RN1 處理下徑流中-N、-N、DTN、DTP的平均濃度分別為0.37、2.27、3.13、0.013 mg·L-1。與 N1 處理相比，RN1 處理下-N、-N、DTN 的平均濃度分別降低0.09、0.30、0.44 mg·L-1，降幅分別為19.6%、11.7%、12.3%，而DTP 濃度則相反，較N1 處理增加了30.0%（0.003 mg·L-1）。t檢驗表明，RN1 和 N1 處理下麥季徑流中氮磷平均濃度間均沒有顯著差異（P＞0.05），這表明與單施化肥處理相比，稻秸還田對麥季徑流水中的氮磷濃度沒有顯著影響，不會加劇麥季的氮磷徑流風險。

2.4 秸稈還田模式和施氮量對水稻和小麥產量的影響

分別于小麥和水稻收獲季進行測產，2014 年冬小麥和2015年夏水稻的產量數據見表2。

在等氮量條件下，WN1 和 WRN1 處理較 N1 處理均顯著增加小麥產量，增產幅度分別為7.46%和7.66%，RN1 處理略有減產，但沒有達到顯著水平；水稻產量顯示，WN1、RN1 和WRN1 等秸稈還田處理較N1 處理均增加水稻產量，平均增產幅度達19.2%，其中WRN1 和RN1 處理增產效果顯著，較N1 處理分別增產25.2%和22.2%。在稻秸麥秸均還田條件下，WRN2 和WRN1 處理下小麥和水稻產量均無顯著差異。從稻麥周年產量來看，秸稈還田處理下稻麥的周年產量均顯著高于秸稈不還田處理，平均增幅約9.03%～18.5%，其中WRN1 和RN1 處理增產效果高于WN1 處理，且WRN1 和RN1 處理沒有顯著差異。WRN2 處理下周年稻麥產量略高于WRN1 處理，但沒有達到顯著差異。

表2 秸稈還田和施氮對小麥和水稻產量的影響（2014—2015年，t·hm-2）Table 2 Effects of straw incorporation and N application rate on wheat and rice yield（2014—2015，t·hm-2）

3 討論

長江下游是我國重要糧食產區，Xing 等[26]研究表明長江流域稻麥輪作稻田的施氮量高達500～600 kg N·hm-2·a-1，大量氮肥在未充分利用前通過地表徑流、淋溶等途徑進入農田周圍水體，加重水體富營養化[7，27]。秸稈還田作為一項有效培肥增產農業措施，被列為區域秸稈綜合利用首要措施[1]。秸稈還田可以通過秸稈腐解的養分釋放和秸稈對養分的吸持作用影響稻田田面水或者徑流中氮磷濃度，從而影響稻田的氮磷徑流風險[28-30]。在化肥施用量一致的條件下，朱利群等[31]研究認為秸稈還田可以通過降低稻田田面水中氮磷濃度減少稻田氮磷徑流損失，其在太湖地區進行的秸稈還田試驗表明，秸稈還田處理下稻田田面水TN、TP 濃度較不還田處理分別降低15.4%～19.8%和5.48%～14.9%，氮磷徑流損失量分別減少20.0%～28.9%和10.3%～22.0%。本試驗結果表明，秸稈還田降低稻田田面水氮濃度但同時增加磷濃度。在稻季，不同秸稈還田模式均降低了稻田田面水中-N 和-N濃度，較不還田處理分別降低31.5%和47.1%，降低了稻田氮徑流風險；對于磷而言，不同秸稈還田模式均增加了田面水DTP 濃度，平均增幅約17.8%，增加了稻田磷徑流風險。麥季試驗也取得了相似結果，秸稈還田降低麥季徑流中-N 和-N 濃度，較不還田處理分別降低19.6%和11.7%，但增加DTP濃度，增幅約30.0%。本試驗中秸稈還田降低了稻田稻季田面水和麥季徑流中氮素濃度，主要有兩方面的原因：一是還田秸稈具有高C/N，秸稈還田初期易發生微生物固氮作用[1，32]，秸稈吸附田面水中的氮素，從而造成田面水氮濃度降低；二是還田秸稈在水稻和小麥生育期的中后期雖然釋放一定量的氮素[33]，但由于水稻和小麥此時處于生長旺盛期需要吸收大量氮，從而導致不同處理下稻田田面水中氮含量均較低，無顯著差異。本試驗中秸稈還田增加稻季田面水和麥季徑流的磷濃度，主要是因為秸稈含有的磷遇水易釋放[34]，以及秸稈腐解產生的有機酸與土壤鈣-磷、鎂-磷、鋁-磷進行螯合反應，釋放土壤固定的磷[35]。總體而言，秸稈還田降低稻田氮徑流風險，但增加磷徑流風險。因此，在秸稈還田過程中需要采取某些農藝措施降低秸稈還田帶來的磷徑流流失風險，如優化秸稈還田模式、減少磷肥用量、加高農田四周田埂高度等。

秸稈還田模式和施氮量影響稻田氮磷徑流風險。當施氮量一致時，稻秸還田、稻秸麥秸均還田和麥秸還田模式均降低稻季田面水DTN 濃度，較不還田模式分別降低14.9%、7.9%和5.2%，其中稻秸還田模式降幅最大，其DTN 濃度顯著低于稻秸麥秸均還田和麥秸還田模式，而稻秸麥秸均還田和麥秸還田模式無顯著差異。這是因為，對于稻季而言，稻秸還田模式的秸稈還田發生在麥季，秸稈氮釋放集中在麥季；而稻秸麥秸均還田和麥秸還田模式的秸稈還田發生在稻季，其秸稈氮的釋放集中在稻季[34]。因此，稻秸還田模式下稻季田面水的氮濃度低于稻秸麥秸均還田和麥秸還田模式，3 種還田模式中以稻秸還田模式對徑流氮的削減效果最好，稻秸麥秸均還田和麥秸還田模式次之。秸稈還田較不還田處理均提高了稻季田面水DTP濃度，其中麥秸還田和稻秸麥秸均還田模式下DTP 濃度增加顯著，而稻秸還田模式增加不顯著。這主要與秸稈磷遇水易釋放的規律有關。稻秸還田模式下的稻秸磷主要在麥季釋放，而稻秸麥秸均還田和麥秸還田模式的麥秸磷主要在稻季釋放[34]。因此，3 種還田模式中以稻秸還田模式下田面水中DTP 濃度的增幅最小，采用稻秸還田基本不會增加稻田稻季磷徑流風險。總體來看，稻秸還田模式可以在不增加磷徑流風險前提下，有效降低稻季氮徑流風險。對于麥季徑流而言，本試驗數據表明，稻秸還田模式雖然增加了麥季徑流中DTP 濃度，但同時降低了DTN 濃度，且DTP 和DTN 濃度與不還田模式均沒有顯著差異。因此，3 種還田模式中以稻秸還田模式的周年氮磷徑流損失最小。在稻-麥輪作體系中，稻秸還田模式可以有效防控農田的周年氮磷徑流風險。在稻秸麥秸均還田條件下，推薦施肥處理下田面水DTN 濃度較常規施肥處理降低0.43 mg·L-1，降幅約12.4%，這表明稻田田面水中氮素濃度隨施氮量的增加而增加，這與汪軍等[36]在太湖地區的秸稈還田試驗結論一致；DTP 濃度受施氮量的影響較小，推薦施氮處理和常規施氮處理間DTP濃度沒有達到顯著差異。因此，在秸稈還田下減少氮肥用量可以有效降低稻田的氮徑流風險。

長江下游作為我國重要糧食產區，因此保障稻田的穩產高產是篩選適宜農業耕作措施的一個重要標準。本試驗中稻麥產量表明，秸稈還田模式下小麥雖有一定的減產（RN1 處理略有減產，但不顯著），但水稻呈增產趨勢。從稻麥周年產量來看，3 種秸稈還田模式下稻麥周年產量均呈增加趨勢，但不同秸稈還田模式的增產效果不同。本試驗中稻秸麥秸均還田和稻秸還田模式下的稻麥周年產量沒有顯著差異，但均高于麥秸還田模式。此外，研究還表明，在稻秸麥秸均還田條件下，推薦施氮處理下稻麥周年產量與常規施氮處理之間沒有顯著差異，同時節氮約20%。因此，在長江下游地區采用“RN1”模式可以在降低施氮量的前提下，保障當地的周年稻麥產量安全。

4 結論

（1）不同秸稈還田模式均增加稻麥的周年產量，其中稻秸還田和稻秸麥秸均還田模式的周年產量高于麥秸還田模式；稻秸麥秸均還田下，推薦施氮處理下的稻麥周年產量較常規施氮處理無顯著差異，同時節氮20%。

（2）推薦施氮水平下，不同秸稈還田模式均降低稻季田面水和麥季徑流中氮濃度，但增加磷濃度。稻秸還田模式顯著降低稻田的氮徑流風險，但對磷徑流風險影響不顯著。

（3）稻秸麥秸均還田下，推薦施氮較常規施氮處理有效降低稻田田面水DTN 濃度，但對DTP 濃度無顯著影響。

綜合考慮稻田的周年稻麥產量和氮磷徑流風險，推薦長江下游稻-麥輪作農田采用“麥季稻秸還田+推薦施肥”模式，該模式下稻田的周年氮磷徑流風險最小，且可以維持稻麥周年高產，是一種兼顧生態環境效益和糧食安全的耕作模式。在實際生產過程中可以通過減少磷肥用量、加高田埂等措施進一步降低稻田磷徑流風險。對于不還田的麥秸應及時收集、轉運，進行合理化利用。