加气灌溉与秸秆还田对水稻氮磷损失的影响

李 江，缴锡云,2※，靳淞云，潘艳川

（1. 河海大学农业科学与工程学院，南京 211100；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

0 引 言

水稻是世界主要粮食作物之一[1]，东北稻区、长江流域稻区、东南沿海稻区为中国三大水稻种植区，其中长江流域稻区面积占稻区总面积的2/3 以上。氮磷元素是水稻生长发育的必要营养物质，水稻田面水质、土壤性质、施肥制度、降雨、灌排制度等是稻田氮磷养分损失的影响因素。一方面氮磷损失会造成肥料利用率低、作物生长受抑制的问题，另一方面稻田排水伴随的氮磷流失是农业面源污染的主要来源[2-3]。有研究表明，稻田地表径流水中过多的氮磷物质会加速水体富营养化，导致藻类大量繁殖、物种组成变化、水体生态结构破坏等一些列问题[4]。因此，探究稻田水质变化规律，科学减少稻田氮磷损失，对于保护农田生态环境、维护作物健康生长具有重要意义。

秸秆还田是近年来中国各级政府大力倡导与规范要求的农艺措施，对于培育地力[5-6]、提高作物品质与产量[7]具有重要意义。目前中国农业种植区通常采用秸秆直接还田的方式，将秸秆直接覆盖或在田间粉碎翻埋至土壤中，然而在中国南方水稻种植区稻麦轮作耕作方式下，小麦秸秆直接还田对水稻灌溉管理带来了新的问题。水稻泡田期麦秸秆在淹水环境中会快速腐解，分解排放出氮、磷、有机质等农业面源污染物质[8-9]，且秸秆分解出的铵态氮（NH4+-N）会发生氨挥发，生成氨气（NH3）等恶臭气体。另一方面，秸秆翻埋进入稻田土壤后，淹水厌氧环境下其分解活动会干扰稻田本身的硝化和反硝化反应，进而影响农田氮素的产生和转化[10]。同时，当稻田水质恶化到一定程度时，为保证良好的农田生态环境需对田面水进行换水处理，这不仅浪费灌溉水资源，还易造成农田养分流失、加重农业面源污染。

除将秸秆覆盖或翻埋至田间这种直接还田的方式外，先将秸秆进行生化腐熟、发酵成肥料后，再间接还田也是一种常见的秸秆还田方式[11-12]。秸秆降解是需氧反应，在分子氧存在的条件下木质素可被好氧水解微生物降解，适当曝气并辅以搅拌可显著提高秸秆中木质纤维素的降解效率，增加体系中脂肪酸产量，减少有毒气体的生成，因此曝气或其他加气增氧技术常被应用于秸秆发酵等资源化利用中[13-14]。另一方面，秸秆在淹水稻田中的分解活动会不断耗氧，淹水厌氧环境不仅会对水质产生影响，还会增强稻田土壤的还原性，生成还原性有害物质，影响作物生长发育[15]。由此可见，无论是秸秆直接还田还是间接还田，氧含量在还田秸秆的发酵过程中都起着至关重要的作用，如何在稻麦轮作区淹水厌氧条件下增强溶解氧浓度、提高麦秸秆还田后的土壤透气性是值得深入探讨的问题。加气灌溉可以提升水中溶解氧浓度，改善土壤通气状况，近年来被广泛应用于水培蔬菜、覆膜滴灌、再生水利用等农业生产中[16]，但在稻麦轮作区小麦秸秆直接还田条件下的应用还处于探索阶段。

传统的加气增氧技术生成的气泡粒径较大，易对水体稳定性造成干扰，微纳米气泡具有在水体停留时间长、吸附性强、稳定性好等特点[17]，其能在水中快速溶解，增加气体在水溶液中的溶解度，富集水中的活性氧。有研究表明微纳米气泡可以增强厌氧和需氧条件下的微生物活性，促进水中污染物的生物降解，提高水体的生物净化能力，可用于处理富含氨氮的废水，去除水体中的COD 和氨氮，改善水质[18]。因此，本研究将添加微纳米气泡的加气技术应用于稻麦轮作区的水稻灌溉，通过开展淹灌水稻盆栽试验，探讨加气灌溉与小麦秸秆还田对稻田水质以及氮磷损失的影响规律，以期为解决由秸秆还田带来的淹灌水稻田面水质恶化、氮磷损失加重等问题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2020 年6—12 月在江苏省南京市河海大学节水园区内（31°54′57″N、118°46′37″E）完成，该地区位于长江流域，水稻种植以稻麦轮作为主[19]。试验盆采用直径56 cm、深70 cm 的塑料圆桶，圆桶四周密封，底部填有5 cm 厚度的砂石反滤层，反滤层侧壁设有出水口，反滤层上设有60 cm 深的土层。试验共设6 个处理（CK、ST、SO-1、SO-2、SO-3、SO-4），每个处理3 个重复；CK 处理为无秸秆、无加气灌溉的空白对照处理，ST 处理为有秸秆、无加气灌溉处理，SO 处理为有秸秆、有微纳米加气灌溉处理，各试验处理如图1 所示。在ST 和SO 处理中，根据当地经验秸秆按7 t/hm2含量粉碎并翻埋至土壤0～20 cm 层。SO 处理的灌溉水为经微纳米加气设备处理形成的微纳米气泡水，SO-1、SO-2、SO-3、SO-4处理的进气量分别为0.3、0.5、0.7、0.9 L/min，进水量均为8 L/min；各处理的灌溉制度相同[20]，均根据各生育期的适宜淹灌水层上限、下限和最大蓄水深度设定。本试验中水稻在泡田期、返青期、分蘖期、拔节期、抽穗期以及乳熟期的淹灌水层上限、下限与最大蓄水深度分别为（20～50～80 mm）、（10～30～50 mm）、（20～50～100 mm）、（20～60～100 mm）、（20～50～100 mm）以及（20～50～60 mm），水稻黄熟期田面水层自然落干。各处理的水稻均采用集中育秧后移栽的方式进行栽培，泡田期后将秧苗移栽至试验盆中，每盆栽5 穴，穴距和行距均为15 cm，每穴3 株；水稻泡田期至乳熟期间田面有淹灌水层，并保证5 mm/d 的渗漏水量在出水口进行放水；根据当地经验，本试验共施肥三次，分别为泡田期（7 月7 日）施基肥10.6 g（300 kg/hm2；复合肥，N∶P∶K=18%∶18%∶18%），返青期（7 月20 日）施尿素5.3 g（150 kg/hm2；CO(NH2)2，含氮量≥46.4%），分蘖期（7 月30 日）施尿素2.63 g（75 kg/hm2；CO(NH2)2，含氮量≥46.4%）。

1.2 试验材料

供试土壤为粉砂壤土，容重1.2 g/cm3，pH 值5.92，速效氮含量47.4 mg/kg、速效磷含量10.37 mg/kg、速效钾含量90 mg/kg。供试秸秆为小麦秸秆，秸秆经风干、粉碎至3～5 cm 后还于田中，其总氮（Total Nitrogen，TN）含量3.8 g/kg、总磷（Total Phosphorus，TP）含量0.66 g/kg。供试水稻为南粳9108，5 月30 日育秧、7 月10 日移栽，其生育期分为泡田期（7 月2 日－7 月10 日）、返青期（7 月11 日－7 月29 日）、分蘖期（7 月30 日－8 月30 日）、拔节期（8 月31 日－9 月16 日）、抽穗期（9 月17 日－9 月26 日）、乳熟期（9 月27 日－10 月22日）、黄熟期（10 月23 日－11 月11 日）。本试验所使用的微纳米加气设备为云南夏之春微纳米公司生产的XZCP-K-0.55 型科研机，其气泡粒径在200 nm～4μm 之间，气泡含率84%～90%，平均气泡上升速度4～8 mm/s。CK、ST、SO-1、SO-2、SO-3、SO-4 处理下灌溉水溶解氧质量浓度分别为2.76、2.76、7.68、7.71、8.06、8.62 mg/L。

1.3 测定指标与方法

本试验所监测的水化学指标为田面水与渗漏水中的化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、TN、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）以及TP 含量；监测时间为每5 d 一次，施肥后第2 天及第4 天加测。测定方法分别为：COD 采用快速消解法（GB/T 32208-2015），TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法（ GB11894-89 ） ， NH4+-N 采用纳氏试剂比色法（ GB7479-87 ） ， NO3--N 采用紫外分光光度法（ HJ/T346-2007 ） ， TP 采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）。生育期内每天测量盆栽内田面水深，记录降雨深度；同时，根据不同生育期内淹灌水层上限、下限与最大蓄水深度进行灌水与排水。

1.4 氮磷损失计算

稻田氮磷损失由径流损失和渗漏损失组成，径流损失主要由田面排水产生，渗漏损失由深层渗漏产生。氮磷损失采用水量平衡方法计算[21]；首先根据试验区资料确定水稻各生育期的适宜淹灌水层上限、下限和最大蓄水深度，推求水稻的灌排制度；其次，依据田面水与渗漏水中氮磷浓度计算生育期内的氮磷损失量[2]。计算公式如下：

式中i为时间，d；hi、hi-1分别为第i、i-1 天的田面水层深度，mm；Pi、Ii、Di、WCi分别为第i天的降雨量、灌水量、排水量、耗水量，mm；F为氮磷损失量，kg/hm2；n=7 表示水稻的不同生育时期；Dj、Sj分别为水稻在第j个生育期内的排水量、渗漏水量，mm；CDj、CSj分别为水稻在第j个生育期内田面水、渗漏水的平均氮磷浓度，mg/L。

1.5 数据处理

数据经 Microsoft Excel 2019 软件整理后，采用Microsoft Excel 2019 与Microsoft Powerpoint 2019 软件作图，利用SPSS22.0 软件对数据进行统计分析，显著性检验均采用Duncan 多重比较法。

2 结果与分析

2.1 加气灌溉与秸秆还田对稻田水COD 以及氮磷浓度的影响

2.1.1 COD 浓度

各个处理田面水COD 浓度变化如图2a 所示，结果显示各处理COD 浓度在1.25～79.00 mg/L 之间，且变化趋势总体一致，均呈现先上升后下降的趋势。COD 浓度峰值均出现在施肥后一天，为泡田后的第6、9、30 天。生育期内ST 处理的田面水COD 平均浓度显著高于CK处理的COD 平均浓度值，而加气灌溉（SO 处理）可以显著降低田面水COD 平均浓度（P<0.05）。ST 处理下的田面水COD 平均浓度为29.36 mg/L，比CK 增加了20.4%。SO-1、SO-2、SO-3、SO-4 处理的田面水COD 浓度较ST 处理可分别降低17.38%、14.31%、18.14%、19.42%。SO-4 处理下的田面水COD 平均浓度最低（23.66 mg/L），SO-3 处理次之（24.03 mg/L），二者之间差异不显著。各处理渗漏水COD 浓度在4.25～68.84 mg/L 之间（图2b），其在泡田期、返青期、分蘖前期波动幅度较大，且没有明显的变化规律。水稻生育期内各处理下渗漏水COD 浓度差异不显著，平均浓度为37.23 mg/L。

2.1.2 氮素浓度

不同处理下水稻田面水TN 浓度在0.97～81.32 mg/L之间，其波动趋势与田面水COD 浓度变化趋势相似，主要受施肥影响，峰值出现在施肥后的第1 天（图2c）。ST 处理的田面水TN浓度最大值出现在施用分蘖肥之后，而其他处理的田面水TN 浓度最大值出现在施用返青肥后。秸秆还田（ST 处理）可以显著提高水稻生育期内田面水TN 平均浓度，且加气处理（SO）较不加气处理可显著降低田面水TN 平均浓度（P<0.05）。除SO-4 处理与其他加气处理的田面水TN 平均浓度具有显著性差异（P<0.05），其余加气处理下田面水TN 平均浓度的差异并不显著；SO-4 处理下最低（15.37 mg/L），其余处理下田面水TN 平均浓度为16.60 mg/L。生育期内各处理的渗漏水TN 浓度变化范围为0.18～13.35 mg/L，其变化趋势与田面水TN 变化趋势相似（图2d）。返青肥与分蘖肥对渗漏水中的TN 浓度影响较大，各处理水稻生育期内渗漏水TN 平均浓度无显著性差异，TN 平均浓度为4.11 mg/L。

各处理田面水 NH4+-N 浓度变化趋势整体一致（图3a），施肥后其值迅速升高后逐渐降低，范围为0.06～33.67 mg/L。田面水NH4+-N 浓度最高值出现在施用分蘖肥后，ST 处理下田面水NH4+-N 浓度最高，CK 处理次之，SO 处理最小。SO-3 处理下生育期内田面水NH4+-N 平均浓度显著低于其他加气处理（P<0.05），SO-1、SO-2、SO-4 处理之间的田面水NH4+-N 平均浓度差异不显著。渗漏水NH4+-N 浓度在0.11～4.89 mg/L 之间呈现跳跃式变化（图3b），施肥是渗漏水NH4+-N 浓度变化的影响因素之一，但分蘖后期渗漏水NH4+-N 浓度也受作物生长、土壤环境等因素影响而波动。各处理下水稻生育期内渗漏水NH4+-N 平均浓度大小依次为：ST 处理2.45 mg/L、CK 处理2.40 mg/L、SO-2 处理1.55 mg/L、SO-3处理1.48 mg/L、SO-1 处理1.41、SO-4 处理1.35 mg/L。

田面水、渗漏水NO3--N 浓度在0.01～11.31 mg/L、0.10～2.63 mg/L 之间，NO3--N 含量大小受施肥影响较大（图3c～d），最高值出现在基肥之后。各处理下田面水NO3--N 含量变化趋势略有差异，CK 处理、ST 处理的田面水NO3--N 含量完全受施肥影响，其在施肥日后会显著上升（P<0.05），而加气处理（SO）的田面水NO3--N 浓度在基肥与返青肥之后也会有所波动。田面水NO3--N 浓度与NH4+-N 浓度在第19 天至第28 天的变化趋势呈现相反的态势（图3a、3c），是田面水体发生硝化作用导致。渗漏水中NO3--N 浓度亦会受施肥影响，施肥过后其含量会有所升高，但这种升高较田面水NO3--N 浓度升高会有所延迟，各处理生育期内渗漏水NO3--N 平均浓度差异不显著。

图3e～f 表示水稻生育期内各处理田面水与渗漏水中NH4+-N 与NO3--N 平均含量占TN 平均含量的百分比，以及TN 平均含量。结果显示加气灌溉降低了田面水与渗漏水中TN、NH4+-N 含量，但NO3--N 浓度有所增加。田面水中NH4+-N 与NO3--N 占TN 的38.91%～46.2%，说明本试验中水稻田面水中有机氮含量略大于无机氮含量。田面水NH4+-N 含量高于NO3--N 含量，NH4+-N 含量在21.68%～32.48%之间，NO3--N 含量在12.98%～19.43%之间。渗漏水中NH4+-N 与NO3--N 含量占TN 的52.83%～68.12%，其中NH4+-N 含量占比大于NO3--N 含量，NH4+-N占32.11%～51.82%，NO3--N 占16.13%～25.55%。

2.1.3 磷素浓度

不同处理下田面水TP 浓度的变化范围为0.03～3.34 mg/L，各处理下TP 动态变化趋势总体一致（图4a），均在施基肥后一天达到最大值，这是因为基肥中含有磷元素，而返青肥与分蘖肥中不含磷素。施基肥后田面水TP 浓度迅速升高，而后生育期内受施肥影响田面水TP浓度会有所波动，但总体呈现下降趋势，最后趋于平稳。生育期内各处理田面水TP 平均浓度大小依次为：CK 处理0.79 mg/L、ST 处理0.77 mg/L、SO-1 处理0.75 mg/L、SO-2 处理0.74 mg/L、SO-3 处理0.74 mg/L、SO-4 处理0.65 mg/L，其中SO-1、SO-2、SO-3 处理没有显著性差异。渗漏水中TP 浓度在0.20～0.32 mg/L 之间（图4b），其变化趋势与田面水TP 浓度变化趋势不同。CK、ST、SO-1、SO-2、SO-3 处理的渗漏水TP 浓度均在施返青肥后达到最大，而SO-4 处理的渗漏水TP 浓度在施分蘖肥后达到最大，但是各处理下渗漏水中TP 浓度变化幅度较小。生育期内CK、ST、SO-3 处理的渗漏水TP 平均浓度为0.11 mg/L，SO-1 处理为0.10 mg/L，SO-2、SO-4 处理为0.09 mg/L，说明水稻生育期内渗漏水中TP 含量相对稳定。

2.2 加气灌溉与秸秆还田对稻田氮磷损失的影响

2.2.1 稻田水均衡

由水稻不同生育期的淹灌水层上限、下限与最大蓄水深度计算推求的水稻生育期内水分补给与消耗结果如图5 所示。

水稻生育期内的主要水分补给项有降雨和灌水，消耗项主要有田面排水、蒸散发、深层渗漏、土壤储水等[22]，其中降雨量为528.00 mm、灌水量为640.00 mm，田面排水量为154.46 mm、深层渗漏量为560.00 mm、作物蒸散发量544.81 mm。试验期内强降雨主要发生在水稻泡田与返青期内，故排水仅发生在泡田与返青期，其中返青期排水量为138.79 mm，泡田期排水15.67 mm。分蘖期的灌水量最大（300.00 mm），返青期的灌水量最少（20.00 mm），泡田期和黄熟期没有灌溉发生。

2.2.2 氮磷损失

不同处理下稻田TN 损失如图6a 所示，各处理下TN损失从大到小依次为：ST、CK、SO-1、SO-2、SO-3、SO-4。SO-4 处理的TN 损失为52.00 kg/hm2，该处理TN损失较ST 处理可减少25%。TN 径流损失占总损失的60%～65%，TN 径流损失主要发生在水稻返青期。ST 处理下TN 径流损失高于CK 处理，ST 处理较CK 处理TN径流损失可增加10%，加气灌溉可显著降低秸秆还田后稻田TN 径流损失（P<0.05），SO-1、SO-2、SO-3、SO-4处理下的TN 径流损失较CK 处理可分别降低12%、7%、7%、19%。TN 渗漏损失量范围为19.39～26.65 kg/hm2，ST 处理下TN 渗漏损失量略大于CK 处理和SO-1 处理，加气处理可以降低TN 渗漏损失，各加气处理对于减少TN 渗漏损失的效果依次为：SO-3>SO-2>SO-4>SO-1，SO-3 处理下的TN 渗漏损失量较CK 处理与ST 处理可分别降低26%与27%。

各处理NH4+-N 损失在11.98～27.81 kg/hm2之间，所有处理下NH4+-N 渗漏损失量均大于径流损失量（图6b）。加气处理可以显著降低NH4+-N 的径流损失量（P<0.05），且随着进气量的逐渐增大，田面排水中NH4+-N 损失量逐渐减少，SO-4 处理较ST 处理可降低74%的NH4+-N 径流损失。各处理NO3－-N 损失量在8.57～10.66 kg/hm2，除SO-2 处理外，其他处理的NO3－-N 径流损失量均大于各自的NO3－-N 渗漏损失量，各处理的NO3－-N 径流损失占49%～63%（图6c）。ST 处理的NO3－-N 径流损失量大于CK 处理，而该处理的NO3－-N 渗漏损失量小于CK 处理；所有加气灌溉处理均可降低秸秆还田后的NO3－-N 径流损失；SO-2 处理下NO3－-N 渗漏损失高于其他处理，SO-1、SO-3、SO-4 处理的NO3－-N 渗漏损失量低于ST 处理。

本试验中稻田TP 损失量在2.04～2.25 kg/hm2之间，不同处理之间TP 损失量差异不大，从大到小依次为：SO-3、SO-2、CK、ST、SO-4、SO-1，ST 处理与CK 处理下的TP 损失量差值仅为0.06 kg/hm2，说明本试验中秸秆还田处理并没有加重水稻TP 损失，反而有降低TP 损失的效果。各处理的TP 径流损失占总损失的70%～77%，径流损失主要发生在水稻返青期（图6d）。本试验中各处理的水稻灌排制度相同，故造成不同处理的TP 径流以及渗漏损失不同的主要原因为，发生田面排水以及深层渗漏时各生育期内TP 平均浓度有所差异。结果显示，各处理TP 径流损失量从大到小依次为：SO-3、SO-2、 SO-4、ST、CK、SO-1，TP 渗漏损失从大到小依次为：CK、SO-1、ST、SO-3、SO-2、SO-4。

各处理条件下氮磷损失及产量[20]之间的关系如图7所示，可见氮磷损失较大时水稻产量较低（CK 与ST 处理），氮磷损失较小时水稻产量较大（SO-1～SO-4 处理）。具体来讲，CK 与ST 处理下水稻产量没有显著性差异，分别为7.97 与7.99 t/hm2；SO-2、SO-3 加气灌溉可显著提高水稻产量（P<0.05），SO-1～SO-3 处理下随着进气量逐渐增大水稻产量逐渐增加，其产量分别为8.54、9.27、9.54 t/hm2；当进气量为0.9 L/min（SO-4 处理）时，水稻产量低于其他加气处理，说明微纳米加气灌溉的进气量大到一定程度时水稻生长会受到胁迫，因此若考虑水稻产量则微纳米加气灌溉的进气量不宜过大。

3 讨 论

3.1 稻田水COD 以及氮磷浓度

稻田面源污染主要来自地表排水和地下渗漏所带出的氮、磷等物质，其中地表排水是稻田面源污染的主要来源[23]，开展水稻田面与渗漏水水质研究对于控制稻田面源污染具有重要意义。本试验结果显示，水稻田面与渗漏水COD、氮、磷浓度的陡增与施肥因素息息相关（图2），说明科学制定施肥制度是控制水稻田面水质恶化的直接手段。本研究发现秸秆还田使得稻田水体COD浓度升高，与贾蕾[24]研究结论一致，这是由于秸秆中含有大量的活性有机物质[1]，其在长期淹水厌氧条件下易发生还原反应，致使水体COD 浓度升高。在秸秆还田条件下对水稻进行微纳米加气灌溉可以有效改善这一问题，微纳米气泡水使得水稻田面长期处于氧气充足的环境，缓解了淹水条件下土壤与水体的厌氧状况，有利于抑制还原性有机物的生长[25]，利于降低水体COD 浓度。本研究结果表明0.9 L/min的进气量对于降低水稻田面水COD浓度具有更好的效果，此处理下COD 去除率可达到19%；该处理下渗漏水COD 浓度略高于SO-1 和SO-2 处理，但是此处理下渗漏水COD 浓度也低于CK 和ST 处理。

氮是植物生长过程中的关键营养元素，稻田施肥投入的氮素除了被水稻吸收利用外，还有一部分随着地表径流和渗漏排水流失到水环境中[26]。秸秆还田增加了土壤氮素输入，有利于提高土壤全氮水平[27]；然而对于淹灌水稻来说，秸秆还田也显著提升了水稻田面水体的TN浓度（图3e），进而增加了稻田氮元素径流损失以及农业面源污染的风险。本研究结果显示，秸秆还田（ST 处理）会加重稻田TN 的损失，ST 处理的TN 损失占肥料中氮元素含量的44%，而CK 处理仅占41%。但是，ST处理下TN 损失占肥料与秸秆中氮素总和的38%，略低于CK 处理的41%，说明相对于无秸秆还田处理，秸秆还田有利于氮素在土壤中的留滞或植物吸收而提高氮素利用效率，这与靳玉婷等[28-29]的研究结论一致。本结论也从另外一个角度验证了前人[30]观点，即秸秆还田应搭配减量施肥，才能有效降低地表氮流失量进而避免肥料浪费污染环境。微纳米加气灌溉可以降低水稻生育期内稻田水中TN 浓度（图3e、3f），这是由于加气灌溉使得水体氧含量增多，改善了淹水嫌气环境，也进一步改善了稻田土壤的通气性[31]，有利于水稻对氮素的吸收与利用。研究结果显示SO-4 处理对于降低稻田水中TN 浓度效果最佳，此处理的田面水TN 去除率可达到31%，渗漏水TN 去除率可达26%。

NH4+-N 和NO3—-N 是土壤中植物可利用的无机氮主要存在形式[32]，本研究发现，在淹水灌溉条件下稻田水中无机氮主要以NH4+-N 形式存在（图3e～f），秸秆还田会提高稻田水的NH4+-N 浓度，这是由于秸秆还田增加了稻田土壤的氮元素含量，且在淹水状态下，强烈的厌氧环境会增强反硝化微生物和反硝化酶的活性[33]，抑制氮素的硝化反应、增强还原反应[34]，使得稻田水中NH4+-N浓度显著升高。而加气灌溉改变了淹灌稻田的厌氧环境，加强了田面水体的硝化反应，促使部分NH4+-N 转化为NO3—-N，从而对于降低稻田水NH4+-N 浓度具有促进作用，一定程度上缓解了稻田铵物质释放，削弱了农业面源污染的风险，SO-4 处理较ST 处理田面水与渗漏水NH4+-N 浓度均可降低45%。笔者前期研究发现，秸秆还田会增强土壤还原性，而加气灌溉条件下土壤还原性会有所降低[20]。土壤低还原状况有利于加速稻田土壤的硝化反应，使得稻田水中NO3—-N 浓度增加，本研究结果显示加气灌溉条件下NO3—-N 浓度的增加量小于NH4+-N 浓度的减少量，进一步说明加气灌溉有利于减少稻田可利用无机氮的损失。

磷是作物生长所必需的营养元素之一，参与作物的光合作用，磷在土壤中极易被固定，土壤磷素含量及形态会显著影响水稻的生长发育[35]，秸秆还田是农田土壤磷素输入的一项重要来源[2]。本研究发现秸秆还田降低了水稻生育期内田面水与渗漏水中TP 的平均浓度，说明秸秆还田处理不但可以增加土壤磷素含量，还可以增强农田土壤的固磷效果，利于作物生长，此结论与蒋炳伸等[36]研究结论一致。本研究发现加气灌溉可以降低水稻生育期内田面水与渗漏水中TP 的平均浓度，且随着进气量的增大，田面水TP 平均浓度消除效果越好。加气灌溉虽能减小渗漏水中TP 浓度，但其进气量大小与渗漏水中TP平均浓度并没有直接关系，这是由于土壤中磷元素的固持以及作物对磷元素的吸收程度相对复杂，还需进一步开展试验加以验证。本试验结果显示SO-4 处理对于降低稻田水中TP 浓度效果最佳，相较于ST 处理，该处理田面水TP 去除率可达到15%，渗漏水TP 去除率可达21%。

3.2 稻田氮磷损失

稻田氮、磷物质的流失对于水稻来说是营养物质的损失，从环境角度讲亦加剧了农业面源污染的风险[37]，无论是从水稻生长发育还是从环境保护上看都应该降低稻田氮、磷物质的流失。排水量、渗漏量及其氮磷浓度是影响农田氮、磷损失的主要因素，本试验结果（图5）显示，氮、磷径流损失主要集中在水稻泡田期和返青期，这是由于返青期以及泡田期有强降雨发生，致使这两个阶段进行地表排水较多。本试验设置的水稻渗漏量为5 mm/d，因此对于各处理其渗漏水量是固定的，影响各生育期氮、磷渗漏损失量的主要因素为各生育阶段的天数以及该时期内渗漏液中的氮、磷含量。本研究得到的各处理之间的氮、磷损失量的大小排序与生育期内氮、磷平均浓度的大小排序略有差异，说明平均浓度并不能代表作物生育期内营养物质的损失程度或污染负荷大小，而排水量以及渗漏水量是影响稻田氮、磷物质流失的关键因素，因此需要制定更加合理的水稻灌排制度，尽量避免在田面水以及渗漏液氮、磷浓度较高的时期进行排水，才能有效减少氮、磷损失。在本试验所设定的灌排制度条件下，综合分析试验结果可见0.9 L/min 进气量的加气灌溉可以同时有效减少水稻氮磷损失，该处理相对于CK 处理TN、TP、NH4+-N、NO3—-N 损失量可分别减少20%、0.6%、50%、4.3%；但综合考虑不同处理条件下的水稻产量（图7），SO-3 处理既可以保持较少的氮磷损失又能维持最高的水稻产量；因此，推荐使用0.7 L/min 进气量（SO-3 处理）。

3.3 研究展望

秸秆还田为农田土壤输入了新鲜有机质，会增强微生物生物活性，进一步强化土壤有机质分解；另一方面，还田秸秆在土壤微生物作用下会发生腐解发酵，其中易被分解的碳源可作为土壤微生物的能量来源[38]。土壤微生物是驱动还田秸秆降解和土壤碳氮循环等过程的重要因素，还田秸秆的腐解发酵同时受秸秆类型、耕作方式、秸秆还田量、肥料管理、温度与水分的影响。稻麦轮作区小麦秸秆还田后，传统淹灌条件下土壤水分过高、土壤通透性差，好氧微生物活性下降，还田秸秆在厌氧微生物的作用下以厌氧发酵为主。本研究中微纳米加气灌溉增加了灌溉水的溶解氧浓度，改善了土壤透气性，一定程度上可抑制厌氧菌活性并增强好氧菌活性，缓解秸秆在厌氧条件下发酵产生的甲烷等温室气体的排放，同时提高秸秆的固碳效果。然而，还田秸秆的腐解是一项复杂的过程，尤其在稻麦轮作区水稻淹灌条件下，微生物的群落多样性、结构组成、功能活性等都会对秸秆腐解、水稻氮磷吸收与转化等过程造成影响。本研究开展的盆栽试验为探索性试验，没有在微生物方面进行细致探究，但本文得到的结论可为后续研究提供参考。接下来的研究还应同时考虑生育期内土壤氧化还原电位、田面水溶解氧浓度对水稻氮磷损失的影响，明确水稻生长、土壤氨挥发、氮磷循环对加气灌溉、秸秆还田以及二者联合作用的响应机制，为加气灌溉在麦秸秆还田后水稻灌溉中的应用提供理论基础。

4 结 论

本文通过盆栽试验研究了不同进气量的微纳米加气灌溉处理对稻麦轮作区小麦秸秆还田后稻田部分水化学指标以及氮磷损失的影响，所得主要结论如下：

1）水稻田面水化学指标变化与施肥息息相关，秸秆还田可以提升水稻田面水COD 浓度、TN 浓度、NH4+-N浓度、NO3—-N 浓度，降低田面水TP 浓度。微纳米加气灌溉对于降低秸秆还田后水稻田面水的COD 浓度、TN浓度、NH4+-N 浓度具有显著效果（P<0.05），最优去除率可达19%、31%、45%。秸秆还田后水稻渗漏水COD浓度、NH4+-N 浓度升高，TN 浓度、NO3—-N 浓度降低；微纳米加气灌溉有利于降低秸秆还田后水稻渗漏水中COD 浓度、TN 浓度、NH4+-N 浓度与TP 浓度。

2）稻田氮磷损失量与稻田水化学指标以及灌排制度有关，本试验中秸秆还田增加了稻田TN、NH4+-N、NO3—-N 损失量，但是提高了稻田氮、磷的利用效率，为减少稻田氮、磷损失可搭配减量施肥以减少氮、磷损失量；微纳米加气灌溉可以有效减少秸秆还田后稻田的TN、NH4+-N 损失量，适宜的微纳米加气灌溉处理可减少TP、NO3—-N 损失量；综合考虑加气灌溉对稻田COD 浓度、氮磷浓度、稻田氮磷损失以及水稻生长的影响，推荐使用0.7 L/min 进气量的微纳米加气灌溉来提升稻田水质以及减少稻田氮磷损失。