水稻秸秆还田对小麦季农田径流氮磷及COD的影响

张博睿， 蔡 影， 刘文雯， 胡宏祥， 李虹川， 俞金涛， 付思伟

(安徽农业大学 资源与环境学院 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽 合肥 230036)

土壤氮磷淋失是农田系统养分损失的主要途径之一,也是威胁地下水环境质量安全的重要原因之一[1]。施入农田中的氮磷养分会在自然降雨及灌溉的冲刷作用下通过径流、淋溶等途径[2]进入周围水体环境中,使水体富营养化,引起农业面源污染[3-4]。包菡等[5]、张崑等[6]研究表明,降雨条件下农田地表径流与土壤中氮素流失有显著相关性。氮磷肥料施用量在农田施肥结构中所占比重较大,导致地表径流中氮磷污染物质量浓度高,造成巢湖流域农业面源污染[7],因此科学管理氮磷输入对巢湖流域农田径流污染防治具有重要意义。

秸秆还田具有改善土壤结构[8],提高土壤的有机质、氮磷等优势,所以秸秆还田是秸秆资源化利用的重要保护性耕作方式之一[9]。秸秆还田可使稻麦两熟制农田周年地表径流氮、磷流失率显著降低[10-11],龚静静等[12]调查表明,采用秸秆还田和减肥处理的方式有助于农田氮磷径流损失逐步减少。与常规措施相比,秸秆还田或者秸秆还田搭配减量施肥均可有效降低地表氮流失量甚至降低氮流失率,但对于不同种类秸秆还田对农田地表径流的影响的结论并不统一。

巢湖流域是湖泊污染重点治理的对象之一,其流域代表性圩区庐江县同大镇尚缺乏秸秆还田对农田径流中氮磷及COD影响研究的系统数据。故本试验选择庐江县同大镇试验地为研究对象,分析秸秆直接还田过程中,农田氮磷及径流COD向周围水体的迁移情况。通过分析秸秆还田对径流中氮磷及COD的影响,为正确实施秸秆还田,防治农业面源污染提供有效参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于安徽合肥庐江同大镇石大圩的古圩村青阳七组(30°57′-31°33′N、117°01′-117°34′E)。属北亚热带季风气候区,年平均气温16.4 ℃,年平均降水量1 268.7 mm,年平均日照时数1 802.6 h,无霜期302 d。土壤类型为水稻土,供试前pH6.18,有机质含量19.65 g/kg,总氮含量1.54 g/kg,全磷含量0.48 g/kg。

1.2 试验设计

小麦季田间小区实验共设5个处理,3次重复:处理1 无秸秆还田+无施肥(CK);处理2常规施肥(F);处理3 秸秆覆土还田+常规施肥(SDF);处理4 秸秆覆盖还田+常规施肥(SMF);处理5秸秆覆盖还田+常规施肥减量15%(SFR);供试小麦品种为宁麦24,于2020年11月份播种,次年5月份收获。每个小区面积为30 m2,长6 m,宽5 m,小区随机排列,在实验小区出水口处设置长2 m、宽1 m、深1.5 m的水泥防渗漏径流池,用于收集实验小区的径流,径流池底部设有控制阀出水口用于采样后排水。

秸秆覆土还田是指秸秆全量还田,即上一季作物水稻秸秆全部粉碎5～10 cm左右的小段,以每个小区30 kg撒匀后按照常规深度旋耕翻入土壤中;秸秆覆盖还田是以每个小区30 kg秸秆均匀覆盖在表土上还田。常规施肥根据当地农民施肥习惯,复合肥(N∶P2O5∶K2O为20∶10∶18)以480 kg/hm2做基肥于2020年11月15日施入,尿素追肥(总氮≥46.4%)为150 kg/hm2于2021年3月23日施入。

1.3 样品采集及测定

1.4 数据处理

降雨径流事件氮、磷及COD径流流失量计算公式为:

式中,Pi为产生径流水样中氮、磷及COD径流流失量(kg/hm2);Ci为第i次径流事件径流水样中氮、磷及COD的质量浓度(mg/L);Vi为第i次径流事件中径流量(m3/hm2);n是一个完整的监测期(油菜季、水稻季)的产流总次数,0.001为径流体积换算系数。采用SPSS 20.0软件进行数据统计分析,Duncan法检验处理间差异,Origin 2017软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下径流氮浓度的变化

表1 不同处理农田径流中氮平均质量浓度

2.2 不同施肥处理下径流磷浓度的变化

如表2所示,不同处理径流中TP质量浓度表现为CK与各处理间差异显著,TDP的质量浓度表现为各处理间差异显著。各处理TP、TDP质量浓度表现为SMF>SDF>SFR>S>CK。SMF处理的TP、TDP质量浓度最高,达到了0.27和0.11 mg/L；与F处理相比,SMF和SDF处理的TP平均质量浓度分别升高17.39%和13.04%,TDP平均质量浓度则升高22.22%和11.11%,说明相同条件下,秸秆覆土还田处理径流中磷素质量浓度更低。而相较于SMF处理,SDF和SFR处理的TP、TDP质量浓度则下降3.70%～9.10%和7.41%～18.18%。由此可见,秸秆还田配施化肥会提高径流中磷素质量浓度,秸秆覆土还田较秸秆覆盖还田处理径流中磷素质量浓度有所降低。

表2 不同处理农田径流中磷和COD平均质量浓度

2.3 不同施肥处理下径流COD浓度的变化

如表2所示,不同处理径流中COD平均质量浓度为26.80～43.63 mg/L,各处理之间差异显著。与F处理相比,SDF处理的COD平均质量浓度增加29.39%,SMF处理则增加32.33%;SFR处理的COD平均质量浓度较F处理增加13.32%,而SDF处理的COD平均质量浓度较SMF处理下降了2.23%,各处理中COD质量浓度表现为SMF>SDF>SFR>F>CK。SDF、SMF和SFR处理的COD浓度均高于F处理,这表明秸秆还田和增施化肥处理会增加农田径流中COD质量浓度,秸秆覆土还田较秸秆覆盖还田处理径流中COD质量浓度有所降低。

2.4 不同施肥处理下农田径流量的变化

如图1所示,在整个小麦生长期内,发生径流事件6次,其中CK组在整个小麦季径流量最大。F处理径流量平均值为558.15 m3/hm2;径流峰值于1月26日达到684.4 m3/hm2。SDF、SMF处理径流平均值为462.96 m3/hm2和451.67 m3/hm2,SDF、SMF相较于F处理下降了17.05%和19.08%。SFR处理的径流平均值为451.48 m3/hm2,较SDF处理下降了2.48%,由此可见,地表径流量在秸秆还田配施化肥条件下均小于常规施肥,且秸秆覆土还田效果更好。

2.5 不同施肥处理下氮磷和COD流失量的变化

图2 不同秸秆还田与施肥处理对氮流失的影响

如图3所示,不同处理对径流磷素(TP、TDP)流失量的影响表现为先升高后下降的趋势,各处理TP流失量在0.51～0.78 kg/hm2,其中较F处理相比,SMF处理的TP流失量下降5.51%,SDF处理的TP流失量下降6.32%,SFR处理较SMF、SDF处理分别下降了8.31%和7.51%。各处理TDP流失量在0.10～0.29 kg/hm2,其中SMF、SDF处理的TDP流失量较F处理相比下降2.03%和8.15%,SFR处理则下降17.82%。由此可知,秸秆覆土还田配施常规施肥可降低农田径流磷素流失量。

图3 不同秸秆还田与施肥处理对磷流失的影响

如图4所示,不同处理对径流中COD流失量影响表现为SMF>SDF>F>SFR>CK,不同处理的COD流失量为91.61～119.76 kg/hm2其中SMF的COD流失量最高,较F相比显著提高6.24%,SDF处理较F处理则提高5.24%;而SFR处理较F相比则下降9.26%。由此可见秸秆还田配施常规施肥会增加农田径流中COD流失量,但秸秆覆土还田条件下流失量升高趋势有所减缓,且在化肥减量施用条件下,农田径流中COD流失量显著降低。

图4 不同秸秆还田与施肥处理对COD流失的影响

3 结论与讨论

3.1 秸秆还田对径流中氮磷及COD浓度的影响

3.2 秸秆还田对径流中氮总流失量的影响

3.3 秸秆还田对径流中磷总流失量的影响

本研究还发现,秸秆还田会降低农田径流中磷素的流失,同Hahn等[28]研究一致。在强降雨条件下，土壤表面吸附的磷流失,造成磷素质量浓度的升高,但秸秆还田可以有效降低农田中地表径流量,从而降低了磷素的流失量,SDF和SMF处理的TDP、TP流失量均小于F处理,其中SDF处理的磷素流失量显著降低。因此，在秸秆还田配施常规施肥条件下可降低径流中磷素的流失风险,且秸秆覆土还田是更为合理的秸秆还田方式。

3.4 秸秆还田对径流中COD流失量的影响

同时,本研究发现不同处理下农田径流中COD的浓度呈现波动的趋势。秸秆还田的处理增加了农田径流中COD的流失风险,这是因为秸秆在降解的过程中,土壤中微生物分解了秸秆中的纤维素等组分后释放COD到径流中导致浓度上升;同时土壤中微生物的死亡和新陈代谢等生命过程[29],也会导致农田径流中COD浓度的上升。因此,秸秆还田条件下COD流失量均高于常规施肥,秸秆的添加增加了农田径流COD的流失风险,但在秸秆覆土还田条件下,COD流失风险有所改善。

综上,秸秆覆土还田配施常规施肥的方法是一种有效减少农田径流氮磷及COD流失的农田管理方式，为秸秆资源合理化利用提供了科学依据,为正确实施秸秆还田、防治农业面源污染提供了有效参考。