麦秸还田下生活污水灌溉对水稻产量及氮素吸收利用的影响

徐珊珊， 刘 绪， 薛利红， 侯朋福， 刘雅文， 王绍华， 杨林章

(1.南京农业大学农业部南方作物生理生态重点开放实验室，江苏南京 210095； 2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014)

水稻是我国主要的粮食作物，稻田氮肥消费量占我国氮肥总消费量的30%以上[1]。农民为达到高产往往施用过量的氮肥，大量施用氮肥促进水稻产量大幅度提高的同时，也导致氮肥利用率降低[2]。秸秆还田作为一项重要的保护性耕作措施，具有蓄水保墒、培肥土壤、节本增效的作用，近年来得到广泛使用[3]。前人关于秸秆还田对水稻产量影响结论不一，李继福等研究发现麦秸全量还田能提高水稻产量5%[4]。朱利群等研究发现麦秸还田能减少水稻产量7.7%[5]。一方面，还田的秸秆在腐解过程中产生有机酸、酚类等有害物质，影响水稻幼苗生长，进而影响水稻产量[6-8]。此外，秸秆具有较高的碳氮比，还田后会造成土壤氮的短期固定，从而导致作物苗期缺氮问题，因此许多研究采用增加前期氮肥施用量的方法来缓解此现象。然而，如何加快秸秆腐解及养分快速释放来进一步缓解秸秆还田前期对水稻生长的伤害仍是当前亟待解决的问题。目前，生活污水灌溉作为一种新型的农田灌溉方式，已在许多国家和地区被采用[9]。污水中含有大量有机物、氮、磷等营养元素，将其用于农田灌溉不仅能起到养分回用的目的，还能减少化肥施用量[9]。Zou等研究发现污水灌溉使水稻增产9.59%[10]。黄俊友等研究发现污水灌溉降低了水稻产量3.9%～18.6%[11]。马资厚等研究表明污水灌溉对水稻产量无显著影响[12]。科学合理施肥可减少稻田氨挥发损失、氮素径流损失，增加作物产量，同时提高氮肥利用率[13]，这对于缓解当前面临的严峻的环境污染问题有着重要意义。然而，在秸秆还田的大背景下进行生活污水灌溉，如何影响水稻生长发育及氮素吸收仍需进一步研究证实。因此，本研究开展了麦秸还田条件下的污水灌溉原状模拟土柱试验，以清水处理为对照，分析秸秆还田以及污水灌溉对水稻产量及氮肥利用率的影响，以期为提高水稻氮肥利用率及污水资源化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于江苏省农业科学院试验田进行，该地区属亚热带季风气候，雨量充沛，年降水量1 200 mm，四季分明，年平均温度15.4 ℃，年极端气温最高39.7 ℃，最低-13.1 ℃，年平均降水量1 106 mm。供试水稻土壤取自于太湖流域宜兴周铁镇，为黄泥土。耕作层土壤基本理化性质如下：pH值 5.60、全氮含量1.62 g/kg、全磷含量0.40 g/kg、碱解氮含量156.42 mg/kg、速效磷含量18.23 mg/kg、速效钾含量136.00 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用原状模拟土柱，土柱高度为100 cm，直径为 30 cm。试验设置2个灌溉水源(生活污水和清水)和2个秸秆还田处理(麦秸全量还田和麦秸不还田)，外加2个不施氮肥对照，共6个处理，分别为秸秆还田正常施肥+污水灌溉(SWN1)、秸秆还田正常施肥+清水灌溉(STN1)、秸秆还田不施肥+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)，每个处理3次重复。

水分管理为分蘖期和拔节期之间晒田1次，收获前期稻田自然落干，其余时间保持田间3～5 cm水层的淹水状态。生活污水取自于江苏省农业科学院化粪池，灌溉前取样分析污水和清水的pH值、总氮(TN)含量、重金属含量等指标，经检测污水符合灌溉标准(表1)。将污水稀释至合适的浓度后进行灌溉，记录灌溉水量，根据灌溉水中总氮浓度和灌溉水量计算当次灌溉由生活污水带入稻田系统的总氮量。各时期化肥氮用量由本次应投入总氮量减去污水或清水灌溉带入氮量，从而保证各处理间总氮素投入量一致。生活污水与清水的水质成分见表2，各项指标均符合农田灌溉水水质标准。

表1 供试生活污水和清水的重金属指标 μg/L

化学氮肥采用尿素，整个生育期中总氮施用量为240 kg/hm2(包括污水中灌溉带入的氮)，氮肥运筹是基肥占30%，蘖肥占30%，穗肥占40%，分别于6月22日、7月2日、8月12日施用(表3)。每个处理的磷肥、钾肥用量相同，分别为P2O5150 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，作基肥一次性施入。水稻于6月22日进行移栽，11月5日收获。

秸秆添加量是根据小麦产量6 000 kg/hm2、收获指数0.35进行全量还田折算。

表2 供试生活污水和清水的水质

表3 各处理氮肥施用情况 kg/hm2

1.3 样品采集与分析

在水稻收获期对籽粒进行考种，包括有效穗数、穗粒数、实粒数、结实率以及千粒质量。籽粒和稻草分别烘干、粉碎、过筛，采用H2SO4-H2O2消化，凯氏定氮法测定全氮含量。

1.4 有关参数计算方法

植株总吸氮量=成熟期植株总干物质质量×植株总含氮量；

氮肥农学利用率(g/g)=(氮肥施用区水稻产量-无氮肥区水稻产量)/化肥投入氮量；

氮肥回收利用率=(施氮区植株总吸氮量-空白区植株总吸氮量)/化肥投入氮量×100%；

氮素生理利用率(g/g)=(施氮区产量-空白区产量)/(施氮区植株总吸氮量-空白区植株总吸氮量)；

氮素收获指数(g/g)=籽粒吸氮量/植株总吸氮量；

氮素偏生产力(g/g)=施氮区产量/240；

收获指数=籽粒产量/植株总干质量×100%。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行数据计算和分析；采用SPSS 19.0统计软件进行方差分析；绘图采用Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 水稻生物量及物质分配

水稻地上部各器官的植株总干质量表现为不施氮肥处理最低(图1)，显著低于施氮处理。氮肥施用可不同程度提高水稻的总干质量，各施肥处理较不施肥处理的地上部总质量增加7.99%～18.80%，但各施肥处理之间差异不显著。各处理间收获指数均差异不显著，不受秸秆是否还田和灌溉水的影响。

2.2 产量分析

施氮显著提高了水稻产量；秸秆还田略微降低了产量，但与不还田处理差异不显著；与清水灌溉相比，污水灌溉在秸秆还田下产量表现出了轻微地下降，在秸秆不还田条件下表现为略有增加，但差异不显著。产量构成因素分析表明，麦秸还田和污水灌溉均显著降低了水稻的每穗粒数，但没有影响水稻的结实率、千粒质量、有效穗数(表4)。

表4 水稻产量及构成因子

注：同列数据后不同小写字母表示处理之间存在显著差异(P<0.05)。下表同。

2.3 水稻氮素吸收

各施肥处理较不施肥处理均显著提高了籽粒和茎秆中的氮素吸收量。麦秸不还田下，污水灌溉较清水灌溉降低了茎秆吸氮量，却提高了籽粒吸氮量；麦秸还田下，污水灌溉与清水灌溉对籽粒和茎秆的吸氮量无显著影响。秸秆还田显著影响了茎秆氮含量、籽粒吸氮量、茎秆吸氮量、地上部总吸氮量，污水灌溉显著影响了茎秆氮含量和茎秆吸氮量，然而秸秆还田与污水灌溉之间对氮素吸收无交互作用(表5)。

表5 水稻不同器官氮素吸收与分配

注：“*”表示在0.05水平上差异显著；“**”表示在0.01水平上差异显著；“***”表示在0.001水平上差异显著；ns表示差异不显著；S表示秸秆；W表示生活污水。表6同。

2.4 氮肥利用率

由表6可知，秸秆不还田条件下，污水灌溉提高了氮肥的吸收利用，其中氮肥农学利用率和氮肥回收利用率达到显著水平。秸秆还田条件下，污水灌溉也提高了氮肥农学利用率和氮肥回收利用率，但差异不显著。正常灌溉下，秸秆还田降低了氮肥的农学利用率与回收利用率，却提高了氮素的生理利用率和收获指数。秸秆还田与污水灌溉之间对氮素利用率无交互作用。

表6 不同处理肥料表观利用率

3 讨论

3.1 产量及其构成因素

氮素是水稻产量主要限制因素之一。氮肥施用显著增加了水稻产量，各处理间差异不显著(表4)。前人研究发现，秸秆还田对产量可能增加、减少或无影响，这主要与气候、耕作方式、水分管理等条件密切相关[14-15]。本研究发现，麦秸还田处理较不还田处理降低了水稻产量，但差异不显著，与朱利群等研究结果[5]相符。一方面由于秸秆还田时间较短，秸秆未能完全腐熟分解所致；另一方面，有研究认为，秸秆还田通过对水稻前期的影响(减少水稻分蘖的发生)，进而影响产量[16]。秸秆还田因增加了氨挥发造成氮素损失[17]，造成较低的氮素利用率，因此影响水稻的产量。

污水灌溉没有显著影响水稻的产量，与Zou等研究结果[10]相符。这是由于污水灌溉为水稻生长提供了大量有机物和氮、磷等营养元素，同时污水灌溉又能促进植物根系生长，从而能保证水稻高产[18]，说明水稻产量与营养供应有密切关系。黄俊友等发现污水灌溉因降低了水稻有效穗数导致水稻产量降低[11]。另外，污水灌溉虽影响土壤微生物活性，加快秸秆腐解，但在短期内两者之间没有耦合作用，因此并未影响水稻产量。此外，麦秸还田和污水灌溉均显著降低了水稻的每穗粒数，但没有影响水稻的结实率、千粒质量、有效穗数。

3.2 氮素吸收

水稻对氮素吸收不仅与氮肥用量有关，还受氮肥运筹和肥料类型的影响[19]。本试验结果表明，各施肥处理较对照处理籽粒和茎秆中的氮素吸收量显著提高。与不还田相比，麦秸还田处理籽粒和茎秆的氮吸收量均有所降低，且显著受到秸秆是否还田的影响，与李录久等研究结果[20]相符。前人研究发现，秸秆在长期还田下能明显提高土壤肥力并促进作物生长和氮吸收，而在短期还田下对其无显著影响[21]。本研究秸秆还田下氮吸收降低可能是由于秸秆还田时间较短，影响了秸秆腐解与养分释放，进而影响了氮素吸收。麦秸不还田下，污水灌溉较清水灌溉增加了籽粒吸氮量，却减少了茎秆吸氮量。麦秸还田条件下，污水灌溉较清水灌溉籽粒和茎秆吸氮量均有所降低，但并未达到显著性差异。无论麦秸是否还田，污水灌溉均降低了茎秆中氮含量，提高了籽粒中氮含量。这表明污水灌溉有利于氮素向籽粒中转运，从而促进氮素吸收。

3.3 氮素利用率

肥料利用效率是评价施肥效应的重要指标，肥料种类、施肥量等均能影响肥料利用率[22]。合理施肥能提高氮素利用效率，降低氮素损失。本研究发现，秸秆还田与污水灌溉均显著影响了氮肥的回收利用率，对氮肥农学利用率、氮素生理利用率、氮素收获指数、氮素偏生产力均无显著影响。秸秆还田与污水灌溉之间对氮素利用率无交互作用。叶文培等研究发现，施用有机物能提高土壤供氮能力和秸秆氮的利用率，减少微生物与水稻的“争氮”现象，进而缓解对水稻前期生长的不利影响[22]。麦秸中因具有较高的碳氮比，前期腐解时会出现“争氮”现象，因此不利于水稻前期生长，可能会影响水稻的氮素吸收。污水中含有大量有机物[23]，可作为有机肥施加到稻田中[18，24]，可能会对水稻的氮素吸收产生影响。本研究发现，麦秸还田下污水灌溉没有显著影响水稻氮素利用率，可能是由于本试验只是1年初步结果，短期还田下污水灌溉与秸秆还田之间无耦合效应。因此，秸秆还田与污水灌溉的长期效果还有待进一步观测。总之，麦秸还田耦合污水灌溉的方法不仅减少了44.41%的施氮量，实现了污水资源回用，还能提高水稻产量，并且对氮素利用率并无显著影响，是一项值得应用的农业管理措施。

4 结论

各施肥处理间产量均未达显著性差异，不受秸秆是否还田和灌溉水的影响。秸秆还田显著降低了水稻植株氮吸收，但对氮素利用效率影响不显著；污水灌溉有增加氮肥回收利用率和农学利用率的作用，秸秆不还田条件下表现显著。麦秸还田下稻田生活污水灌溉，能保证水稻高产，并对氮素利用率均无显著影响，不仅减少了44.41%的化肥施用量，并净化和消纳了生活污水，具有一定的可行性。

[1]贺 帆，黄见良，崔克辉，等. 实时实地氮肥管理对不同杂交水稻氮肥利用率的影响[J]. 中国农业科学，2008，41(2)：470-479.

[2]徐明岗，李菊梅，李冬初，等. 控释氮肥对双季水稻生长及氮肥利用率的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2009，15(5)：1010-1015.

[3]王德建，常志州，王 灿，等. 稻麦秸秆全量还田的产量与环境效应及其调控[J]. 中国生态农业学报，2015，23(9)：1073-1082.

[4]李继福，鲁剑巍，李小坤，等. 麦秆还田配施不同腐秆剂对水稻产量、秸秆腐解和土壤养分的影响[J]. 中国农学通报，2013，29(35)：270-276.

[5]朱利群，张大伟，卞新民. 连续秸秆还田与耕作方式轮换对稻麦轮作田土壤理化性状变化及水稻产量构成的影响[J]. 土壤通报，2011，42(1)：81-85.

[6]单玉华，蔡祖聪，韩 勇，等. 淹水土壤有机酸积累与秸秆碳氮比及氮供应的关系[J]. 土壤学报，2006，43(6)：941-947.

[7]Hicks S K，Wendt C W，Gannaway J R，et al. Allelopathic effects of wheat straw on cotton germination，emergence，and yield[J]. Crop Science，1989，29(4)：1057-1061.

[8]马瑞霞，刘秀芬. 小麦根区微生物分解小麦残体产生的化感物质及其生物活性的研究[J]. 生态学报，1996，16(6)：632-639.

[9]王 浩，陈玉松，胡开林，等. 污水灌溉研究综述[J]. 江苏环境科技，2007，20(2)：73-76.

[10]Zou J，Liu S，Qin Y，et al. Sewage irrigation increased methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in southeast China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2009，129(4)：516-522.

[11]黄俊友，胡晓东，俞青荣. 污水灌溉对水稻生长影响的实验研究[J]. 农机化研究，2006(1)：177-179.

[12]马资厚，薛利红，潘复燕，等. 太湖流域稻田对3种低污染水氮的消纳利用及化肥减量效果[J]. 生态与农村环境学报，2016，32(4)：570-576.

[13]Yang Y E，Zhang M，Zheng L，et al. Controlled-release urea for rice production and its environment implication[J]. Journal of Plant Nutrition，2013，36(5)：781-794.

[14]Wilhelm W W，Johnson J F，Hatfield J L，et al. Crop and soil productivity response to corn residue removal[J]. Agronomy Journal，2004，96(1)：1-17.

[15]Pittelkow C M，Liang X Q，Linquist B A，et al. Productivity limits and potentials of the principles of conservation agriculture[J]. Nature，2015，517(7534)：365-368.

[16]江立庚，徐世宏，李如平，等. 稻田耕作方式对抛秧稻分蘖特性的影响[J]. 杂交水稻，2006，21(增刊1)：23-25.

[17]徐珊珊，侯朋福，范立慧，等. 生活污水灌溉对麦秸还田稻田氨挥发排放的影响[J]. 环境科学，2016，37(10)：3963-3970.

[18]Kang M S，Kim S M，Park S W，et al. Assessment of reclaimed wastewater irrigation impacts on water quality，soil，and rice cultivation in paddy fields[J]. Journal of Environmental Science and Health，Part A，Toxic/Hazardous Substances & Environmental Engineering，2007，42(4)：439-445.

[19]郭 晨，徐正伟，李小坤，等. 不同施氮处理对水稻产量、氮素吸收及利用率的影响[J]. 土壤，2014，46(4)：618-622.

[20]李录久，王家嘉，吴萍萍，等. 秸秆还田下氮肥运筹对白土田水稻产量和氮吸收利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2016，22(1)：254-262.

[21]Takahashi S，Uenosono S，Ono S. Short- and long-term effects of rice straw application on nitrogen uptake by crops and nitrogen mineralization under flooded and upland conditions[J]. Plant and Soil，2003，251(2)：291-301.

[22]叶文培，谢小立，王凯荣，等. 不同时期秸秆还田对水稻生长发育及产量的影响[J]. 中国水稻科学，2008，22(1)：65-70.

[23]Papadopoulos F，Parissopoulos G，Papadopoulos A，et al. Assessment of reclaimed municipal wastewater application on rice cultivation[J]. Environmental Management，2009，43(1)：135-143.

[24]Trang D T，van der Hoek W，Cam P D，et al. Low risk for helminth infection in wastewater-fed rice cultivation in Vietnam[J]. Journal of Water and Health，2006，4(3)：321-331.