长期秸秆还田对水稻产量与田面水环境的影响

孙国峰 孙仁华 周炜 刘红江 盛婧 徐志宇*

（1 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014；2 农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；第一作者：sgf515@163.com；*通信作者：xufanjin@126.com）

稻-麦轮作两熟制是我国长江下游水网区一种主体种植模式，稻田地表径流所流失的氮（N）、磷（P）是引起水体富营养化的农业面源污染物重要来源之一[1]。与此同时，秸秆直接还田是农作物秸秆资源化利用的最主要方式[2]。由于作物秸秆含有丰富的C、N、P 元素，稻作麦秸还田后淹水分解产生的有机酸、酚类等有机物质积累，影响秧苗根系生长及有效分蘖的发生，可能导致水稻减产[3-5]，也可能伴随稻田退水对周边水体环境造成影响。因此，客观评价秸秆还田的稻田水环境效应，对水网区农作物秸秆资源化高效利用及农业可持续发展具有重要的指导意义。有关秸秆还田对稻田水环境影响的报道虽然较多[5-8]，但大多集中在秸秆还田对稻田N、P 流失特征及田面水N、P 动态变化的中短期试验[7-12]，也有研究不同秸秆还田方式下N、P、COD等释放特征的模拟淹水盆栽试验[13-15]。这些研究难以反映长期秸秆还田下稻田水环境效应。鉴于此，本文基于在江苏省农业科学院六合基地11 年田间定位试验，通过测定田面水COD、TN、NH4+-N 和TP 浓度变化来反映稻田水环境风险，探讨常规施肥条件下长期秸秆定量还田对水稻产量及田面水环境的影响，以期为评估长江下游水网区秸秆长期还田可能引发的稻田水环境风险提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验始于2010 年11 月，在江苏省农业科学院六合基地（32°29′N，118°36′E，海拔18 m）进行。该区属北亚热带季风湿润气候区，年平均气温15.3 ℃，年平均降雨量970 mm，年日照时数2 200 h，年平均无霜期215 d，该区主要种植模式为小麦-水稻轮作。

试验田为黄褐土，土壤质地为黏质壤土。试验前耕层土壤容重1.38 g/cm3，有机质12.1 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷5.39 g/kg，速效钾105.6 mg/kg，pH 值6.4（水土比2.5∶1）。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，设置3 个处理：NF，秸秆不还田的无肥处理；CF，秸秆不还田的常规施肥处理；CFS，秸秆旋耕还田的常规施肥处理。3 次重复，小区面积4 m×5 m，选用HDPE 土工防渗膜与现浇水泥田埂防止侧渗。选用宁麦38 和南粳9108 为供试材料。小麦、水稻秸秆还田量分别为5 250 和8 250 kg/hm2，2010—2020 年采用人工翻耕秸秆还田方式，2021 年采用微耕机（昂立威1WG4.3-87FQ-ZC）旋耕还田方式，秸秆还田深度为15 cm。施肥量：麦季、稻季施氮量（纯N）分别为225 和300 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 为1∶0.5∶0.5。麦季氮肥按基肥∶穗肥为6∶4 施用，磷、钾肥于耕作前作基肥一次性撒施；稻季氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥为4∶2∶4 施用，施用日期分别为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，钾肥作基肥和穗肥等量施用。其他田间管理措施按当地一般高产农田管理方式进行。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 稻田水环境

在2021 年水稻施肥后第1、2、3、5、7、10 天采集各小区田面水，3 次重复，带回实验室置于4 ℃冰柜冷藏、及时测定。采用重铬酸盐法（GB11914-89）测定田面水的COD，采用连续流动化学分析仪（SAN++System，SKALAR）测定田面水的TN、TP、NH4+-N 含量。

1.3.2 水稻产量及其构成因素

2021 年10 月水稻成熟期，每小区选取具有代表性的水稻连续20 丛，调查有效穗数；每小区选取具有代表性的水稻2 丛，调查穗粒数、结实率和千粒重。采用分小区人工收割、稻麦小区脱粒机（QKT-320A）脱粒实测水稻产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2016 和SPSS17.0 软件进行数据处理与作图，用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 对水稻产量及其构成因素的影响

由表1 可知，与NF 处理相比，CF、CFS 处理均显著提高了水稻产量，主要原因是CF、CFS 处理水稻有效穗数和穗粒数均显著高于NF 处理。与CF 处理相比，CFS 处理水稻实测产量下降3.5%，但差异不显著，减产原因与CFS 处理降低了水稻有效穗数有关。

表1 不同处理水稻产量及其构成因素

2.2 对田面水环境的影响

2.2.1 田面水中COD 变化特征

如图1 所示，CFS 处理田面水中COD 较NF、CF 处理整体呈现增加趋势。具体来看，CF 处理基肥、分蘖肥、穗肥施用后10 d 田面水中COD 较NF 处理平均增加5.2%。CFS 处理基肥、分蘖肥、穗肥施用后10 d 田面水中COD 较CF 处理分别提高96.1%、45.9%和63.0%，平均增幅达69.4%。可见，秸秆还田是增加稻季田面水中COD 水环境风险的主要因子。

图1 麦秸还田施肥后田面水中COD 变化特征

2.2.2 田面水中TN 变化特征

如图2 所示，与NF 处理相比，CF、CFS 处理田面水中TN 含量呈增加趋势，其中，CFS 处理田面水中TN含量与CF 处理相比整体呈“先下降、后上升、再下降”趋势。具体来看，CF 处理基肥、分蘖肥、穗肥施用后10 d 田面水中TN 含量为NF 处理的4.1~11.7 倍。与CF处理相比，CFS 处理TN 含量基肥和穗肥施用期分别降低40.9%和15.5%、而分蘖肥施用期则提高41.1%，平均降幅为17.2%。可见，秸秆还田降低了基肥、穗肥施用期田面水中TN 的水环境风险，但增加了分蘖肥施用期田面水中TN 的水环境风险。

图2 秸秆还田施肥后田面水中TN 变化特征

2.2.3 田面水中NH4+-N 变化特征

如图3 所示，CFS 处理田面水中NH4+-N 含量较CF 处理整体呈增加趋势，但降低了还田初期田面水中NH4+-N/TN。具体来看，CF 处理基肥、分蘖肥和穗肥施用后10 d 田面水中NH4+-N 含量为NF 处理的3.9～8.6倍。CFS 处理基肥、分蘖肥和穗肥施用后10 d 田面水中NH4+-N 含量较CF 处理分别提高6.2%、34.3%和11.7%，平均增幅为18.7%。另外，CFS 处理基肥和分蘖肥施用后10 d 田面水中NH4+-N/TN 分别在0.27~0.59和0.57~0.86 之间，均值分别为0.40 和0.70，较CF 处理平均降低6.6%。可见，长期秸秆还田一定程度减少了还田前期N 素流失风险[16]。

图3 秸秆还田施肥后田面水中NH4+-N 变化特征

2.2.4 田面水中TP 变化特征

如图4 所示，CF、CFS 处理田面水中TP 含量整体呈现下降趋势，而CFS 处理田面水中TP 含量较CF 处理整体呈现先下降后上升趋势，但提升幅度较小。具体来看，NF 处理田面水中TP 含量在0.05~0.22 mg/L 之间，均值为0.14 mg/L。CF 处理基肥、分蘖肥和穗肥施用后10 d 田面水中TP 含量分别在0.16~2.43、0.14~0.20和0.08~0.17 mg/L 之间，均值分别为0.67、0.16 和0.11 mg/L，是NF 处理田面水TP 含量的2.2 倍。CFS 处理基肥、分蘖肥和穗肥施用后10 d 田面水中TP 含量分别在0.19~1.02、0.16~0.25 和0.09~0.17 mg/L 之间，均值分别为0.48、0.20 和0.13 mg/L，较CF 处理基肥施用期降低28.4%，而分蘖肥和穗肥施用期分别提高26.4%和18.2%，平均降幅为13.6%。可见，长期秸秆还田可降低麦秸还田初期田面水中TP 的水环境风险。

图4 秸秆还田施肥后田面水中TP 变化特征

3 讨论

3.1 秸秆还田对水稻产量的影响

稻麦秸秆还田的水稻增产效应不一[5]，整体以增产的报道居多[7,12,17-20]，但也有减产的报道[19]。原因主要与秸秆还田方式、还田质量、施肥水平及土壤类型等因素有关[5]。本研究11 年定位试验表明，秸秆旋耕还田的水稻产量略有降低，主要原因是秸秆还田降低了水稻有效穗数，这与吴晶晶等[19]研究结果一致。进一步从秸秆还田影响水稻产量构成的机制来分析，麦秸还田前期淹水分解产生的有机酸、酚类等有机物质积累，影响水稻秧苗根系生长及其早期有效分蘖发生[3-4]，进而降低了有效穗数；而秸秆还田中后期，会改善耕层土壤通气状况与肥力，促进水稻生长，有助于提高穗粒数、结实率和千粒重[21]，进而补偿有效穗数不足对水稻产量的影响。因而，如何减轻或避免秸秆还田前期对水稻生长的不利影响，对作物秸秆资源化高效利用与国家粮食安全具有重要意义。

3.2 秸秆还田对稻田水环境的影响

作物秸秆腐解释放于田面水的COD、TN 和TP 含量可用来表征稻田因地表径流流失而产生的水环境风险[8,16]。本研究结果显示，CFS 处理田面水中TN 和TP含量较CF 处理分别降低17.2%和13.6%，这与前人研究结论基本一致[7-11]。也有研究认为，秸秆还田降低了田面水中TN 含量，但对TP 含量影响不大[12]。本试验结果表明，CFS 处理田面水中TN、TP 含量较CF 处理整体呈先下降后上升趋势。其中，基肥期CFS 处理田面水中TN、TP 含量较CF 处理分别降低40.9%和28.4%，说明秸秆还田可降低还田初期田面水中N、P 的水环境风险。主要原因是作物秸秆C/N 高，还田会提供大量C源，增强土壤微生物活性，提升土壤与微生物固持N素、吸收P 素的能力，进而降低了还田初期田面水中N、P 含量及其径流流失风险[22-23]。然而，秸秆还田提高了分蘖期田面水TN、NH4+-N、TP 含量（CFS 处理较CF处理分别增加2.30、1.44、0.04 mg/L），分析可能原因是秸秆还田初期分解产生的有害物质抑制了秧苗生长[3-4]，导致秧苗对N、P 养分的吸收能力下降所致。但是秸秆还田减少了还田前期田面水中NH4+-N/TN（CFS 处理较CF 处理低6.6%）含量，说明长期秸秆还田一定程度减少了稻田N 素流失风险[16]，这与张世洁等[8]研究结果存在差异，分析可能与土壤类型、秸秆还田方式与年限等因素有关；同时，CFS 处理分蘖期田面水中TP 含量平均为0.20 mg/L，这与张刚等[12]研究结果相近，已满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》地面水Ⅲ类标准（TP 为0.2 mg/L），故对稻田周边水环境造成的影响相对较小。

本研究显示，施肥与秸秆还田均会增加田面水中的COD，其中秸秆还田是增加水稻季田面水中COD 水环境风险的主要限制因子。麦秸覆盖、深埋与混施模拟淹水试验均增加上覆水COD，其中，麦秸深埋、混施较覆盖均能有效降低上覆水中的COD[14-15]。本研究采用秸秆旋耕还田方式，田面水中COD 在26.6~109.3 mg/L之间，满足GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》的水田作物灌溉水质要求（COD 为150 mg/L），故对周边农田灌溉水质造成的影响不大。另外，参照DB 31/199—2018《污水综合排放标准》第二类污染物排放限值一级标准（COD 为50 mg/L），秸秆还田的田面水COD 风险期为基肥施用后7~10 d、分蘖肥施用后2~3 d、穗肥施用后1～2 d。可见，从面源污染控制角度来看，麦秸还田基肥施用后7~10 d 是COD 风险控制的主要时期。

综上所述，常规施肥条件下，秸秆旋耕还田降低了还田初期田面水的N、P 排放风险，但增加了田面水中COD 的水环境风险。因此，如何控制秸秆还田初期田面水中COD 的水环境风险，对水网区农业绿色低碳可持续发展具有重要意义。

4 结论

长期秸秆还田水稻产量较秸秆不还田略有下降，但差异不显著，主要原因是长期秸秆还田降低了水稻有效穗数。

长期秸秆还田降低了还田初期田面水中TN、TP的水环境风险，同时增加了田面水中COD 的水环境风险，但秸秆还田的田面水中COD 均低于GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》的水田作物灌溉水质要求（COD 为150 mg/L）。从面源污染控制角度来看，基肥施用后7~10 d 是田面水中COD 水环境风险控制的主要时期。