茭草还田对茭白田表水中污染物浓度的影响

2020-02-26周杨姚岳良施丽珍陈建霞章明奎

农学学报 2020年1期

周杨姚岳良施丽珍陈建霞章明奎

摘要：为了解茭白生产过程中茭草还田对田面水体中污染物的影响及其可能产生的农田面源污染，模拟试验研究了淹水条件下不同用量（0%、0.5%、1.0%）茭草覆盖还田和与土壤混合还田对田面水体中COD、氮、磷等污染物浓度的影响。结果表明，田面表水的电导率、COD、磷、钾、铁、锰在试验初期呈明显上升，第20-30天之后逐渐下降至相对稳定状态;NH4+-N浓度峰值出现在培养试验前10天内。电导率、COD、磷、钾、铁、锰浓度随茭草还田量的增加而增加，而NH4+-N的浓度变化则相反;茭草覆盖还田对田面表水中电导率、COD及养分浓度的影响大于茭草与土壤混合还田;配施氮肥可明显增加田面水的电导率和NH4+-N浓度。研究建议，采用茭草与土壤混合还田，并控制好茭草还田前期（前30天）田面水的排放。

关键词：茭白秸秆;还田;面源污染;DOC;氮;磷

中图分类号：X53，S19

文献标志码：A

论文编号：cjas18120029

0引言

秸秆还田对于农田生态系统而言具有正负二方面的作用，其在归还作物吸收的养分、增加土壤有机质积累、减少化肥施用量的同时，也会因过量还田或不合理地还田，使得秸秆在分解过程中向水体释放大量的污染物质，从而增加农田面源污染物质的产生。

在中国以往的文献中，科研人员对秸秆还田的正效应做了大量的试验研究[1-3]，它不仅能增加土壤有机质含量[4-6]，改善土壤理化性状[7-9]，增加土壤保蓄能力，还能提高土壤生物学性状[10-13]，促进土壤养分元素的良性循环[9，14]。有关秸秆还田对环境污染的影响研究虽也有所报道，但大多注重于覆盖还田后对农田养分流失影响和温室气体的释放[14-18]，较少观察秸秆分解对地表水体质量的影响[19-20]。

茭白是缙云县农业的主导产业之一，规模种植始于20世纪90年代后期。2017年，全县茭白种植面积己达到0.43万hm2，主要分布在大洋镇、壶镇镇、前路乡、新建镇和大源镇等乡镇，年产量10.7万t，总产值3.7亿元。缙云县茭白生产具有长年淹水种植、秸秆全量还田的特点。为了解茭草在长年淹水种植环境下全量还田对地表水环境的可能影响，在室内开展不同条件下茭草养分释放特征的模拟研究，以期为了解茭草还田的正负效应提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验时间、地点

模拟试验于2016年7-12月在浙江杭州进行。

1.2试验材料

1.2.1供试土壤采自缙云县新建镇茭白种植8年的农田，土壤类型为培泥砂田（属水稻土土类），采样深度0-20cm。土样用1个塑料容器并保持潮湿状态运回温室，混匀后用湿土直接进行试验。供试土壤有机质含量为32.74g/kg，pH6.14;全氮2.34g/kg，全磷0.78g/kg，有效钾158mg/kg。

1.2.2供试茭草茭草指茭白地上部分成熟茭白茎叶。试验前剪成2-3 cm，其（干物）中氮（N）、磷（P）、钾（K）含量分别为15.47、4.01、15.21g/kg。

1.3试验方法

1.3.1试验设计采用模拟培养方法在温室内进行。试验容器为直径、高分别为20、35cm塑料桶。试验涉及3个因素，分别为茭草施用量（0%、0.5%、1%）、茭草施用方法（覆盖施用和与土壤混合施用）和氮肥施用量（不加氮肥和每桶加0.75g尿素的氮肥），共10个处理。每桶湿土用量为5kg，重复3次。

茭草覆盖施用，是指把茭白茎叶覆盖在土表，而与土壤混合施用指通过翻耕与土壤充分混匀。加尿素目的是调节土壤碳氮比，弥补茭白茎叶矿化过程因微生物同化引起的氮素不足;加入的尿素与土壤充分混匀。试验时每桶添加适量的水，使土表形成5cm厚的水层，同时称量每桶的质量。分别在试验后的第1、2、3、5、10、15、20、30、50、75、100、125天采集田面表水样，测定电导率、pH值、NH4+-N、NO3--N、DOC、水溶性P、水溶性K、水溶性Fe、Mn。其中，电导率、pH值用样品直接测定，其他项目测定时水样过0.45μm滤膜。每次采样后（非取样时每隔5天）添加适量水调节土壤水分，使其与试验前保持一致。试验期间温室温度控制在25-35℃之间。

1.3.2测定方法用电导仪测定电导率;用pH计测定pH值[21];用靛酚蓝比色法测定铵态氮（NH4+-N）;用紫外分光光度法测定硝酸盐氮（NO3--N）;用钼蓝比色法测定水溶性磷;钾、铁、锰用原子吸收法测定;水溶性有机碳（DOC）用Shimadzu TOC自动分析仪测定。

1.3.3统计分析数据处理与分析在Excel 2003软件上进行。

2结果与讨论

2.1电导率、pH值和DOC的变化

结果表明（见图1），试验初期田面表水中电导率有明显的增加。之后，对照处理（无茭草还田）土壤电导率在640μS/cm（无氮肥）和710μS/cm（施氮肥）上下波动，变化较小。对于无氮肥的情况下，当茭草还田量为0.5%时，田面表水的电导率有轻微的增加;而当茭草还田量为1.0%时，表水电导率明显地增加。茭草还田的田面表水的电导率在培养时间20-30天左右达到峰值，之后随时间逐渐下降，但至培养结束时，表水电导率仍高于试验初期。与无氮肥的情况比较，施氮情况下，当茭草还田量为0.5%时田面表水電导率与对照比较的增量明显地提高，这可能与氮肥的施入增加了土壤微生物活性、加速茭草分解有关。田面表水的电导率随茭草还田量的增加而增加，这显然与茭草降解释放出钾、钙、镁等矿质元素有关。总体上，茭草覆盖施用时的田面表水的电导率略高于茭草与土壤混合施用，这与茭草覆盖施用时茭草降解释放的矿物质直接进入田面表水有关。施用氮肥处理的田面表水电导率明显高于相应的无氮肥处理，前者平均比后者高10.80%-31.60%。不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的平均电导率比对照分别增加13.32%、8.75%、58.31%和49.33%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的平均电导率比对照分别增加34.58%、24.65%、59.88%和49.86%。

由图2可知，试验初期，各处理田面表水的pH值均有下降趋势，3-10天达到低值，但之后pH值又逐渐回升。田面表水的pH值随茭草还田量的增加而下降，下降原因可能与茭草分解释放出有机酸有关。在培养试验的5-100天之间，多数情况下茭草还田处理的田面表水的pH值明显低于对照处理。总体上，施氮处理的田面表水pH值略低于无氮肥处理，但二者差异不明显。从试验期间田面表水的平均pH值来看，茭草与土壤混合施用的略高于茭草覆盖施用，但2种还田方式间差异也不明显。不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用表水的平均pH值比对照分别降低了2.47%、2.36%、4.31%和3.00%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的平均pH值比对照分别下降1.12%、0.73%、3.71%和2.32%。

茭草还田明显地增加了田面表水的DOC浓度，DOC浓度随还田量的增加而增加（见图3）。茭草还田处理的田面表水DOC在培养时间20天左右达到峰值，之后逐渐下降。试验期间施氮处理的田面表水的平均DOC浓度略高于无氮处理，这可能与施氮处理增强的微生物的活性、促进低分子有机物质分解有关。茭草还田方式对表水的DOC浓度也有一定的影响，一般是在试验前期覆盖施用高于与土壤混合施用，而至试验后期则是与土壤混合施用略高于覆盖施用。这种差异可能与覆盖施用处理前期茭草分解强度高于与土壤混合施用有关。不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的平均DOC比对照分别增加74.25%、72.41%、108.76%和105.08%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的DOC比对照分别增加98.63%、92.68%、134.20%和134.61%。

2.2氮素的变化

试验期间施氮处理田面表水中NH4+-N浓度明显高于无氮处理（见图4），但对田面表水中N03--N浓度的影响较小（见图5）。无论施氮还是不施氮，茭草还田均可导致表水中NH4+-N浓度的下降，下降程度随茭草还田的增加而增加。茭草覆盖施用处理的表水NH4+-N浓度略低于与土壤混合施用。不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的NH4+-N平均浓度比对照分别降低22.16%、15.06%、27.15%和15.18%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的NH4+-N平均浓度比对照分别下降11.26%、4.68%、24.56%和16.83%。

茭草还田可轻微降低田面表水中N03--N浓度（见图5），但茭草覆盖施用与与土壤混合施用处理的田面表水N03--N浓度差异不明显。不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的N03--N平均浓度比对照分别下降31.21%、28.19%、34.57%和35.64%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的N03--N平均浓度比对照分别下降32.27%、35.28%、37.23%和32.27%。

2.3磷素和钾素的变化

不管是施氮还是不施氮，与对照处理比较，茭草还田均增加了田面表水中磷的浓度（见图6），增加量随茭草还田量的增加而增加;茭草覆盖施用处理的田面表水磷浓度略低于与土壤混合施用。但田面表水中磷的浓度随试验时间的增加呈现下降趋势，最后达到相对平稳。不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的磷平均浓度比对照分别增加13.06%、7.22%、23.33%和20.56%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的磷平均浓度比对照分别增加13.61%、8.33%、23.89%和24.17%。茭草还田引起的田面水中磷浓度增加可能与茭草还田促进土壤磷素释放有关。有研究报道，土壤中阴离子有机酸可与土壤胶体表面的磷酸根发生交换作用，促进磷的释放[22-23];在还原条件下，与氧化铁结合的磷可因铁的还原被释放出来[24]。

茭草中含有较高含量的钾素，茭草还田后随着茭草的分解，其中的钾素被逐渐释放出来，显著地增加了表水中钾的浓度（见图7），其浓度在试验初期呈现先增加，之后逐渐趋向稳定。田面表水中钾浓度增加量随茭草还田的增加而增加，茭草覆盖施用的田面表水钾浓度略高于与土壤混合施用。不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的钾平均浓度比对照分别增加166.68%、147.64%、252.50%和227.48%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的钾平均浓度比对照分别增加165.12%、147.65%、237.95%和225.09%.

2.4铁和锰的变化

由图8-9可知，茭草还田显著增加了田面表水中Fe和Mn的浓度。在试验初期，表水中Fe和Mn的浓度迅速增加，至培养时间20天左右达到峰值，之后有所下降，并仍稳定在较高水平。田面表水中Fe和Mn的浓度随茭草还田量的增加而增加，在试验前30天，茭草覆盖施用的田面表水中Fe和Mn的浓度高于与土壤混合施用，而在试验后期，覆盖施用与与土壤混合施用之间的田面表水中Fe和Mn的浓度差异逐渐减小。

不施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的铁和锰平均浓度分别比对照增加111.75%和60.06%、91.04%和66.17%、162.63%和85.89%、127.91%和87.75%;施氮情况下，0.5%茭草覆盖施用、0.5%茭草与土壤混合施用、1.0%茭草覆盖施用和1.0%茭草与土壤混合施用田面表水的Fe和Mn平均浓度分别比对照增加87.56%和50.75%、72.19%和50.94%、125.95%和73.59%、104.71%和76.84%。土壤中含有丰富的Fe、Mn，土壤溶液中Fe、Mn浓度主要取决于它们的溶解度。茭草还田显著地增加了土壤中可还原的有机物质，在这些有机物质分解过程中消耗了土壤中的氧气，大大降低了土壤氧化还原电位，促进了二价Fe、Mn离子的形成，从而增加了田面水中Fe、Mn的浓度。

3结论

模拟试验结果表明，在长期淹水种植茭白的农田中，茭草还田可增加田面表水中面源污染物，增加田面表水中COD、P、K、Fe、Mn浓度，提高程度随茭草还田量的增加而增加。茭草还田同时也可导致田面表水酸度增加。茭草覆盖还田对田面水中COD、P、K、Fe、Mn浓度的影响大于茭草与土壤混合还田。茭草还田对田面表水水质的影响主要出现在还田后的前30天。认为应控制茭草还田前期（前30天）田面水的排放，减少田面表水进入地表水体。从面源污染控制的角度，茭草与土壤混合还田优于覆盖还田。

参考文献

[1]徐国伟，常二华，蔡建.秸秆还田的效应及影响因素[J].耕作与栽培，2005（1）：6-9.

[2]汤文光，肖小平，唐海明，等.长期不同耕作与秸秆还田对土壤养分库容及重金属Cd的影响[J].应用生态学报，2015，26（1）： 168-171.

[3]龚朝凤，王建新，陈兴位，等.农作物秸秆综合利用现状与还田技术[J].科技创新导报，2008（9）：251.

[4]曾研华，吴建富，潘晓华，等.不同稻草还田方式下土壤碳库管理指数的研究[J].中国农学通报，2011，27（30）： 77-81.

[5]吴家梅，纪雄辉，彭华，等.稻草还田方式下对双季稻田耕层土壤有机碳积累的影响[J].生态环境学报，2010，19（10）：2360-2365.

[6]陈尚洪，刘定辉，朱钟麟，等.四川盆地秸秆还出免耕对土壤养分及碳库的影响[J].中国水土保持，2008，6（增刊）：54-56.

[7]朱玉芹，岳玉兰.玉米秸秆还出培肥地力研究综述[J].玉米科学，2004，12（3）：106-108.

[8]吕小荣，努尔夏提，朱马西，等.我国秸秆还出技术现状与发展前景[J].现代化农业，2004（9）：41-42.

[9]李孝勇，武际，朱宏斌，等秸秆还出对作物产量及土壤养分的影响[J].安徽农业科学，2003，31（5）： 870-871.

[10]路文涛，贾志宽，张鹏，等.秸秆还田对宁南旱作农田土壤活性有机碳及酶活性的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（3）：522-528.

[11]张庆忠，吴文良，王明新，等.秸秆还出和施氮对农田土壤呼吸的影响[J].生态学报，2005，25（11）：2883-2887.