室内模拟麦秆还田引水整地期间水质变化分析

樊冬玲 王辉 张敏 潘洪波 朱小亮 苏群 蔡芮

（江苏省宿迁环境监测中心，江苏宿迁 223800）

1 引言

随着现代化和城市化推进，广大农村传统的收割、储集秸秆用于生火做饭的方式被燃气所取代，秸秆出路问题浮出水面。2008 年，国务院办公厅印发《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》（国办发〔2008〕105 号）以来，秸秆综合利用工作取得了积极进展。作为农业大市，宿迁市农作物秸秆资源十分丰富，当地大量秸秆综合利用主要为机械收割时粉碎旋耕、深耕原地还田，源头上抑制了秸秆焚烧，极大降低了对大气环境的污染，但秸秆还田对水环境的影响逐渐显现出来。2020 年7 月、8 月宿迁市国、省考断面水质类别下降显著，与麦秆还田引水整地、水稻种植在时间上相关性很高，有必要探讨秸秆还田对地表水体的水质影响。

在了解秸秆还田水对地表水体影响前，需先了解秸秆还田引水整地期间水质变化情况。本文通过室内浸泡麦秆还田土，模拟麦秆还田引水整地，监测5 d 内水质变化，分析水质各指标变化规律及指标变化间内在联系，提出麦秆综合利用建议。

2 实验室模拟情况

2.1 模拟情况

从宿迁市某乡镇小麦收割后的田地中采集含麦秆、麦根茬的土，分为3 份：A 为含长麦根茬土（以下简称“A 长麦根土”），麦根茬长度基本大于10 cm；B为含短麦杆、麦穗土（以下简称“B 短麦秆土”），麦秆长度基本小于4 cm；C 为不含麦秆土（以下简称“C无麦秆土”）。3 份土样质量均为3.2 kg，均用6 L 自来水置于不锈钢盆中浸泡5 d，同时取2 L 自来水置于烧杯做对照。

2.2 监测项目与分析方法

浸泡5 d 期间，分别监测浸泡水、烧杯自来水的pH、溶解氧、电导率、化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮和总磷7 项指标。

3 结果分析

3.1 溶解氧变化规律

浸泡水样溶解氧均迅速降低后缓慢升高，A 长麦根土浸泡水样溶解氧降幅最大。对照自来水样5 d内溶解氧平稳，3 个浸泡土水样溶解氧均急速降低，尤其是A 长麦根土浸泡水样溶解氧下降幅度最大。A 长麦根土浸泡至第5 小时溶解氧降至1 mg/L，第15 小时降至0.6 mg/L，随后缓慢升高，实验模拟结束时，溶解氧基本稳定在地表水Ⅳ类标准值（3 mg/L）左右；C 无麦秆土浸泡水样溶解氧略有降低后回升，但始终保持在地表水Ⅲ类标准值（5 mg/L）以上；B 短麦秆土溶解氧始终介于A 长麦根土浸泡水样与C无麦秆土浸泡水样之间。见图1。

图1 麦秆还田土浸泡水溶解氧变化趋势

3.2 化学需氧量变化规律

浸泡水样化学需氧量均迅速上升，A 长麦根土浸泡水样化学需氧量远超地表水Ⅴ类标准。对照自来水样5 d 内化学需氧量持续低于检出限4.0 mg/L，A 长麦根土与B 短麦秆土浸泡水样化学需氧量迅速升高并持续高于地表水Ⅴ类标准值（40 mg/L），最高值分别超地表水Ⅲ类标准值6.75，5.30 倍；C 无麦秆土浸泡水样化学需氧量在地表水Ⅲ类标准值（20 mg/L）与Ⅳ类标准值（30 mg/L）之间波动。见图2。

图2 麦秆还田土浸泡水化学需氧量变化趋势

3.3 高锰酸盐指数变化规律

浸泡水样高锰酸盐指数上升后持续保持高位，A长麦根土浸泡水样高锰酸盐指数持续为Ⅴ类。对照自来水样5 d 内高锰酸盐指数持续低于检出限1.5 mg/L，A 长麦根土浸泡水样高锰酸盐指数上升后持续稳定在地表水Ⅳ类标准值（10 mg/L）以上，水质为Ⅴ类；B 短麦秆土与C 无麦秆土浸泡水样高锰酸盐指数上升后持续保持在地表水Ⅲ类（6 mg/L）、Ⅳ类（10 mg/L）标准值之间。见图3。

图3 麦秆还田土浸泡水高锰酸盐指数变化趋势

3.4 总磷变化规律

浸泡水样总磷含量整体升高，A 长麦根土浸泡水样总磷持续劣于Ⅴ类（0.4 mg/L）。对照自来水样5 d 内总磷持续低于检出限0.01 mg/L，A 长麦根土与B 短麦秆土浸泡水样总磷虽有波动，但总体呈上升趋势，至实验模拟结束时，均劣于Ⅴ类，超地表水Ⅲ类（0.2 mg/L）标准5.30，3.25 倍；C 无麦秆土浸泡水样总磷整体含量提升，但总体低于A 长麦根土与B 短麦秆土浸泡水样总磷浓度。见图4。

图4 麦秆还田土浸泡水总磷变化趋势

3.5 电导率、pH、氨氮变化规律

浸泡水样电导率均持续升高，电导率大小顺序始终表现为：A 长麦根土浸泡水样>B 短麦秆土浸泡水样>C 无麦秆土浸泡水样；对照自来水样5 d 内电导率曲线平稳，变化不明显。见图5。

图5 麦秆还田土浸泡水电导率变化趋势

pH 短时间内快速下降，逐渐恢复至原水平。对照自来水样5 d 内pH 曲线波动不明显，在浸泡后1 h，A 长麦根土、B 短麦秆土、C 无麦秆土浸泡水样pH 均降低，pH 从7.45 分别降至6.12，6.22，6.33，随后逐渐回升，至第48 小时，均基本回升至原浸泡自来水的pH 水平，随后曲线基本平稳。见图6。

图6 麦秆还田土浸泡水pH 变化趋势

氨氮含量升高后迅速降至0 点，A 长麦根土浸泡水样氨氮含量增加值最大。见图7。

图7 麦秆还田土浸泡水氨氮变化趋势

4 讨论

模拟麦秆还田浸泡水的水质极差，综合分析各项指标可以看出，含麦秆土浸泡水样化学需氧量、高锰酸盐指数、总磷、电导率均升高，溶解氧、pH 降低后逐渐回升，其中，A 长麦根土浸泡水样溶解氧降幅最大、pH 降低明显，水质总体劣于Ⅴ类。各指标变化情况与秸秆入土后降解过程紧密相关，秸秆埋入土壤后，在土壤中微生物作用下，秸秆组织迅速分解释放出单糖、二糖等简单有机物［1］，氮、磷等元素，表现为浸泡水样中化学需氧量、高锰酸盐指数、总磷、电导率升高；微生物降解消耗氧，表现为浸泡水样中溶解氧降低；单糖、二糖等有机物进一步被氧化成二氧化碳和水［1］，表现为浸泡水样中pH 降低。C 无麦秆土虽不含长麦根茬、短麦秆、细麦穗，但浸泡水样的7 项指标变化呈现出与A 长麦根土和B 短麦秆土浸泡水样相似的变化规律，与土壤有机质矿化有关。

此次模拟实验时长主要根据宿迁市大部分地区种植习惯确定，即在小麦收割后，麦秆还田并引水泡田整地一周左右开始种植水稻。水稻种植后，还田麦秆在土壤中仍持续降解，因实验室不具备水稻种植模拟条件，未能持续模拟水稻生长期的田间水变化情况，但还田麦秆持续降解对地表水潜在影响仍存在，如有条件可跟踪实际地块进行持续监测。

5 结论与建议

通过室内模拟麦秆还田引水整地，监测5 d 内麦秆还田浸泡水质变化，可以得出以下结论：（1）A长麦根土、B 短麦秆土、C 无麦秆土3 种浸泡土水样的溶解氧、化学需氧量、高锰酸盐指数、总磷、氨氮、pH、电导率变化规律相似，其中，化学需氧量、高锰酸盐指数、总磷、电导率升高，溶解氧、pH 降低后逐渐回升，氨氮升高后迅速回落；（2）A 长麦根土浸泡水样在3 种浸泡土水样中，水质变化最为显著，水质最差；（3）麦秆土浸泡水水质整体较差。

结合实验模拟水质结果，关联分析宿迁市每年麦收稻种时出现黑水在时间上呈现一致性，说明秸秆还田持续劣于Ⅴ类水与河湖水质恶化有一定相关性，为降低秸秆还田水对河湖水质恶化影响，建议：（1）逐步推进秸秆离田；（2）加快构建秸秆收集贮运体系，推进秸秆产业化利用；（3）建设秸秆发电项目，推进能源化利用；（4）实施中小规模秸秆综合利用项目，推进燃料化、饲料化、基料化等多途径利用项目。