秸秆堆沤还田对红壤烤烟农田生态系统磷素盈亏的影响

吴 杉，王克勤，宋娅丽*，陈炳绅，温昌焘，裴益乐，代 立

（1西南林业大学生态与环境学院，云南昆明 650224；2玉溪市水利局，云南玉溪 653100；3玉溪市红塔区水土保持工作站，云南玉溪 653100）

0 引言

【研究意义】农作物生长发育离不开磷素的摄取，但磷素是造成环境和水体污染的首要因素（苏同庆等，2021）。研究发现，我国磷肥的利用率很低，仅为10%～25%（戴佩彬，2016）；《第二次全国污染源普查公报》显示，农业面源污染中有8.67%为磷素排放污染。为提高农作物产量，大量磷素被施入农田，施入量远大于作物吸收量，导致土壤中富集过多的磷素，地下和地上水体被污染，加剧农业面源污染（韩晓飞，2016）。研究表明，秸秆还田可增加微生物数量、改善土壤pH、提高土壤磷素含量，各方面的作用使耕地土壤对磷素的吸附量降低，最终提高磷素利用率（刘盼盼等，2014；郭斗斗等，2018），是农业平衡发展的重要措施。因此，研究不同秸秆堆沤还田方式对减少坡耕地磷素流失和揭示烤烟坡耕地磷素盈亏状况具有重要意义。【前人研究进展】目前，国内外秸秆还田研究多集中于对农作物产量（季诗域等，2020）、径流磷素流失（李飞等，2020）及农田土壤化学性质（Alfadil et al.，2021）的影响。王秀娟等（2018）研究表明，秸秆还田配施化肥可有效提高土壤有机质含量（13.49%）和有效磷含量（6.76%），但土壤全磷含量变化不显著。Zheng等（2019）研究发现，秸秆还田与化肥配施可有效提高稻田土壤孔隙度、土壤透气系数和土壤有机C/N等。李太魁等（2020）研究表明，秸秆覆盖较对照（清耕）可有效减少地表径流量（45.87%）和总磷流失量（51.82%）。杨应粉等（2021）研究表明，秸秆还田是烟田有机培肥的重要措施，可改善烟草等级结构和中上部烟叶品质。Li等（2021）研究表明，秸秆还田后，可增加农田土壤中有机碳和全氮浓度，改善土壤微生物群落的结构和功能。【本研究切入点】目前，关于秸秆粉碎程度、秸秆密度及是否添加尿素堆沤对土壤磷素盈亏影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】在自然降水条件下，设置不同秸秆密度（0.75和1.50 kg/m）、不同秸秆粒度（1和5 cm）和不同秸秆堆沤处理（水、水与尿素），研究二龙潭流域红壤坡耕地产流产沙量、磷素流失量、烤烟磷素吸收量及土壤磷素残留量的平衡特征，旨在为该流域面源污染防治、农业生态平衡和综合发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省玉溪市红塔区二龙潭小流域（东经102°34′12.30″，北纬24°17′32.33″），地处玉溪市中心城区东南方向，流域控制面积53 km。雨季为5—10月，雨季降水量占全年降水量的85%，其中降水在8月达峰值，多年平均暴雨天数在15 d。多年平均降水量909.1 mm，最大年降水量1413.7 mm，年均蒸发量1624.9 mm。该流域地貌属波状起伏线切割中山区，土壤属山地红壤，肥力较低，土壤介于强酸至微酸。土层浅薄，岩层裸露，属水土流失高发区域。烤烟和玉米为当地主要农作物。

1.2 试验设计

试验用地为坡度15°的烤烟坡耕地，2019年5月7日进行烤烟移植，烤烟栽种密度为16500株/ha。烤烟移栽后施基肥（复合肥+猪粪），施用量为247.5 kg/ha，N∶PO∶KO为1∶0.5∶2.5～3；5月14日施提苗肥（硝磷酸铵+复合肥），施用量为45 kg/ha；5月25日秸秆还田并施追肥（硫酸钾肥+过磷酸钙+复合肥），施用量为772.5 kg/ha。化肥施用量与当地施肥习惯同步。肥料在烤烟移栽后25 d内全部施完。采用当地种植的玉米秸秆堆沤，2018年12月将秸秆按不同粒度进行粉碎，次年2月进行堆沤，堆沤时将秸秆分为4份堆砌，放在白色塑料桶（直径100 cm、高度100 cm）内，堆积高度30 cm时浇足水，使秸秆含水量达60%～70%（即手抓成团手留水印，不滴水，放下能散开为宜）；细料和粗料各一份撒适量尿素（一般为总用量的1/5），再堆砌秸秆30 cm，按同样方法撒尿素（一般为总用量的2/5），然后堆砌30 cm秸秆，按同样方法撒尿素（一般为总用量的2/5）；细料和粗料另一份不加尿素，最后用塑料农膜封严。在烤烟种植前将堆沤好的秸秆翻入0～20 cm土层，使秸秆分散均匀且与土壤充分混合。

试验设9个处理（表1）：T1，空白对照；T2，0.75 kg/m秸秆密度+5 cm秸秆粒度+水堆沤；T3，0.75 kg/m秸秆密度+5 cm秸秆粒度+水与尿素堆沤；T4，0.75 kg/m秸秆密度+1 cm秸秆粒度+水堆沤；T5，0.75 kg/m秸秆密度+1 cm秸秆粒度+水与尿素堆沤；T6，1.50 kg/m秸秆密度+5 cm秸秆粒度+水堆沤；T7，1.50 kg/m秸秆密度+5 cm秸秆粒度+水与尿素堆沤；T8，1.50 kg/m秸秆密度+1 cm秸秆粒度+水堆沤；T9，1.50 kg/m秸秆密度+1 cm秸秆粒度+水与尿素堆沤。

径流小区规格为1 m×1 m，其坡度和坡向基本保持一致，每处理沿坡面等高线上、中、下坡位各布设1个重复，每处理3次重复。在试验田外圈设置试验保护区，小区田埂高20 cm，为减少侧渗，小区周围有塑料薄膜包被。每小区外均有1个10 L大塑料桶作为集流装置，将其埋入土中收集径流和泥沙，为防止雨水进入塑料桶，盖有配套盖子，每次取样后，测量集流装置中的雨水量并将塑料桶清洗干净，方便后续观察。用自动雨量计（DAVIS 6465M）观测试验期间降水量与降水强度。

1.3 样品采集与测定

烤烟种植前用对角线法采集0～20 cm耕层土壤，采用五点取样法分别采集0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm 3个土层的土样，调查土壤养分背景值（土壤含水率20.66%、土壤总磷含量1042.6 mg/kg）。根据每场降水历时，在每次降水结束后，采集集流装置中的水样，并根据降水次数适当增加采集频率，取样前将集流装置中的样品进行搅拌，在不同深度取250 mL作为本次降水采样点测定水样，4 ℃保存，在24 h内过滤，测定水样中的全磷（TP）和磷酸（PO-P）质量浓度。取完径流水样后，将其静置、晾干，获得泥沙样，测定其全磷（TP）含量。在烤烟收获期，采集烤烟的根、茎、叶，取回实验室用烘箱80 ℃烘干至恒重，测定其全磷（TP）含量。在烤烟收获后，使用对角线法采集各处理不同土层（0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm）的土样，测定其总磷（TP）含量。

采用自动雨量计观测降水量，各处理通过量取径流收集装置中的水样质量，换算得到每处理的平均径流量；产沙量采用烘干法测定。水样TP采用过硫酸钾氧化—钼锑抗比色法测定（GB/T 11893—1989）；PO-P采用钼锑抗比色法测定（NY/T 2421—2013）；泥沙和土壤样TP 采用自动定氮仪测定（NY/T 1121.24—2012）；植物TP采用钼锑抗比色法测定（NY/T 2421—2013）。对各指标均进行3组平行试验，取平均值。

1.4 统计分析

采用Excel 2010整理试验数据和制作图表，采用SPSS 23.0进行相关分析，方差分析及显著性检验采用LSD法。

径流和泥沙中磷素流失量及烤烟植株磷素吸收量计算公式：

径流中磷素流失量（mg/m）=单次降水产流量（kg/m）×径流平均磷素浓度（mg/L）。

泥沙中磷素流失量（mg/m）=单次降水产沙量（g/m）×泥沙平均磷素浓度（g/kg）。

作物磷素吸收量（g/m）=作物生物量（kg/m）×作物平均磷素含量（g/kg）。

土壤磷素残留量（g/m）=土壤磷素现存量（g/m）-土壤磷素背景值（g/m）=土壤面积（m）×土壤厚度（m）×土壤现存磷素含量（g/kg）×土壤容重（kg/m）-土壤面积（m）×土壤厚度（m）×土壤背景磷素含量（g/kg）×土壤容重（kg/m），式中，土壤面积为1 m，土壤厚度为0.2 m，土壤容重为当地平均值1290 kg/m。

土壤磷素表观盈亏（g/m）=输入土壤总磷（g/m）-输出土壤总磷（g/m）。

2 结果与分析

2.1 不同堆沤方式下产流产沙及磷素流失浓度和流失量特征分析

2.1.1 不同降水下各处理产流产沙特征 表2为试验地6—9月的4场典型降水特征，降水时间均为单次降雨结束时间。4次降水中，最小降水量和最小降水强度发生在7月28日（6.2 mm、2.6 mm/h），最大降水量和最大降水强度发生在8月7日（22.0 mm、23.6 mm/h）；产流产沙量也在7月28日和8月7日分别呈现出最小与最大值（表3），降水量、降水强度与产流产沙量均呈极显著正相关（＜0.01）。

表3为试验地各处理的产流产沙特征，各处理的总产流量表现为：T6＜T7＜T8＜T2＜T9＜T3＜T5＜T4＜T1；4次降水中，不同秸秆堆沤还田处理产流量表现为：施用1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）分别较施用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）产 流 量 减 少2.01%～30.38%、5.04%～43.26%和0.67%～37.13%。从产沙量来看，各处理的总产沙量表现为：T3＜T4＜T8＜T2＜T6＜T7＜T5＜T9＜T1；4次降水中，不同秸秆堆沤还田处理产沙量表现为：施用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）分别较1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）减 少0.22%～20.82%、0.58%～24.64%和0.63%～36.10%。

2.1.2 不同降水下径流泥沙中磷素流失浓度和流失量变化特征 由图1可知，在4次降水中，不同秸秆堆沤还田处理径流泥沙TP流失浓度较T1处理提高11.51%～74.35%，各堆沤还田处理径流泥沙TP平均流失浓度表现为：T2＜T4＜T6＜T3＜T5＜T7＜T8＜T9。不同秸秆堆沤还田处理径流TP流失浓度呈现出：施用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）分别较1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）减少7.79%～66.67%、3.33%～66.51%和2.82%～61.92%。不同秸秆堆沤还田处理泥沙TP流失浓度呈现出：施用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）分别较1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）减少8.38%～57.53%、0.54%～55.84%和0.38%～55.55%。

表4为不同秸秆堆沤还田处理方式下径流和泥沙中TP流失量的特征，降水量极显著影响径流TP流失量（＜0.01）。除T2处理外，其余秸秆堆沤还田处理径流TP流失量均较T1处理增加，增幅为16.17%～62.17%；除T8和T9处理外，其余秸秆堆沤还田处理泥沙TP流失量均较T1处理减少，降幅为8.99%～38.44%。不同秸秆堆沤还田处理径流TP平均流失量表现为：T2＜T4＜T6＜T5＜T3＜T7＜T8＜T9；施用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）分别较1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）最高降低63.64%、63.89%和63.89%。泥沙TP平均流失量表 现 为：T4＜T6＜T3＜T7＜T5＜T2＜T8＜T9；施 用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）分别较1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）最高降低64.74%、57.87%和64.74%。

2.2 土壤中磷素残留特征

由表5可知，在烤烟收获后，各处理土壤TP残留量与施肥前土壤磷素背景值相比总体上呈下降趋势，其中施用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）的土壤TP残留量较施肥前在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土层分别下降53.21%～84.71%、52.56%～78.06%和31.13%～68.37%；施用1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）的土壤TP残留量较施肥前在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土层分别下降44.53%～75.07%、45.30%～74.12%和18.19%～50.29%。秸秆还田后，不同堆沤处理对不同土层中的土壤磷素残留量影响不同；施用1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）较T1处理在5～10 cm和10～20 cm土层中TP残留量分别增加5.0%～41.19%和13.89%～47.14%，在0～5 cm 中最高增加47.16%；施用1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）较T1处理在5～10 cm和10～20 cm土层中TP残留量分别增加3.09%～41.19%和8.13%～47.14%，在0～5 cm中最高增加47.16%；加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）较T1处理在10～20 cm土层中TP残留量增加8.13%～47.14%，在0～5 cm 和5～10 cm 中最高分 别 增 加41.19%和47.16%；施用1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）较施用0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）TP残留量在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土层中分别增加8.00%～72.44%、1.97%～59.88%和1.02%～61.33%；施用1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）较5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）TP残留量在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土层中最高分别增加72.44%、59.88%和61.33%；加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）较加水堆沤（T2、T4、T6、T8）TP残留量在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土层中最高分别增加72.44%、59.88%和61.33%。

2.3 植物体内磷素吸收量特征

图2为各处理烤烟吸收磷素含量的变化特征，不同秸秆堆沤还田处理下，烤烟各器官TP吸收量表现为叶＞根＞茎，秸秆还田后各处理叶、根、茎中TP含量较T1处理分别增加26.28%～62.96%、3.95%～37.13%和7.45%～37.49%。不同秸秆堆沤还田烤烟磷素吸收量的排序为：T3＜T2＜T8＜T6＜T7＜T4＜T5＜T9；各处理叶、根、茎中TP含量呈现规律性变化：1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）处理烤烟植物体TP含量分别较0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）提高0.60%～49.76%、2.97%～49.76%和3.06%～43.11%。

2.4 烤烟坡耕地磷素表观盈亏关系

根据不同处理方式下烤烟农田生态系统中磷素输入与输出关系（表6）可得到磷素的表观盈亏量，其中，化肥输入为红壤烤烟坡耕地磷素输入的主要形式，约占磷素输入总量的86%；烤烟植株对磷素的吸收是磷输出的主要途径，约占总磷输出量的99%，不同秸秆堆沤还田方式下磷素输入量均大于输出量，因此，土壤磷素表观盈亏量处于盈余状态。其中，T2～T9处理较T1处理烤烟吸收磷素量增加22.22%～53.42%，磷素盈余量增加0.98%～14.85%，施用1.50 kg/m秸秆密度（T6、T7、T8、T9）、1 cm秸秆粒度（T4、T5、T8、T9）、加水与尿素堆沤（T3、T5、T7、T9）处理磷素盈余量较0.75 kg/m秸秆密度（T2、T3、T4、T5）、5 cm秸秆粒度（T2、T3、T6、T7）、加水堆沤（T2、T4、T6、T8）增加0.43%～13.97%。

3 讨论

本研究中，不同秸秆堆沤还田方式的径流和泥沙TP流失浓度较T1处理高出11.51%～74.35%，其中T9处理（施用1.50 kg/m秸秆密度、1 cm秸秆粒度、加水与尿素堆沤）增幅最高（70.33%～74.35%）。这可能是秸秆直接还田不仅提高土壤水土保持能力，还可为微生物生长提供良好环境，微生物吸收磷素，从而降低磷素损失；根据隋畅（2019）秸秆还田+优化施肥的研究显示，秸秆还田造成磷素损失增加的原因可能与微生物活动、酶活性和土壤孔隙度有关。秸秆还田处理增加土壤酶活性，使得土壤磷有效性增加，降低土壤对磷素的吸附；另一方面，当秸秆翻入土壤后，扩大土壤孔隙，加剧磷素的淋失。

在本研究中，施用0.75 kg/m秸秆密度、5 cm秸秆粒度、加水堆沤可有效减少径流和泥沙磷素流失浓度与流失量。这可能是由于采用较低秸秆密度可减少秸秆本身的磷素进入农田，较粗秸秆可有效减缓雨滴对表土的溅蚀，阻止水力侵蚀进一步发生，且不添加尿素堆沤既能减少化肥施用量又能减少多余磷素进入农田，从而减少产流产沙与磷素流失的风险。这与张晴雯等（2016）的研究结果一致，秸秆自身具有一定的吸水能力，秸秆还田后，能有效防止雨水对土壤的侵蚀，同时可增加地表的粗糙度，延缓径流流速，降低径流对土壤的冲刷能力，最终减少农田土壤径流泥沙量；王志荣等（2019）的研究也表明秸秆还田减施化肥处理可减少地表径流磷素流失量。

在本研究中，秸秆堆沤还田可减少土壤磷素残留，除T2处理外，其余处理较T1处理土壤磷素残留量均有所增加，尤其是施用1.5 kg/m秸秆密度、1 cm秸秆粒度、加水与尿素堆沤，这是由于采用高秸秆密度、细秸秆粒度可增加秸秆堆沤密度，利于土壤固定，水与尿素堆沤为土壤带入一定量的磷素，因而能明显增加土壤磷素残留量。董守坤等（2011）研究表明，秸秆还田能增加土壤TP含量。本研究结果显示，秸秆堆沤还田后，表层土壤TP含量随土层增加而有所增加，但磷素随土层增加的趋势逐渐降低，与杜艳玲等（2019）的研究结果基本一致，不同秸秆还田处理后，磷素在0～20 cm土层土壤中富集，且差异明显。这是由于植株根系的吸附等作用使磷素向下层土壤的迁移受阻，从而下层土壤磷素含量增加趋势降低。

作为烤烟所必须的元素之一，磷素对烤烟的生长发育、代谢过程和产量均有着重要作用（许自成等，2007）。在本研究中，烤烟TP含量分布特征为叶＞根＞茎，叶、根、茎中TP含量较T1处理分别增加3.95%～62.96%，1.50 kg/m秸秆密度、1 cm秸秆粒度、加水与尿素堆沤可有效增加植物各器官TP含量。这是因为秸秆还田可有效改善土壤理化性质，减少土壤固磷，提高磷的利用率（王秀娟等，2018）；杨滨娟等（2014）的研究也表明，稻秆还田配施化肥可显著提高微生物数量和活性，从而增加作物对土壤磷素的吸收，使植物吸收更多磷素。

农业土壤养分平衡分析是评价农业养分平衡发展的重要指标，也是判断环境风险的重要依据（沙志鹏等，2016；张玉铭等，2016）。在本研究中，T2～T9处理较T1处理土壤磷素盈余量增加0.98%～14.85%，施用1.50 kg/m秸秆密度、1 cm秸秆粒度、加水与尿素堆沤较施用0.75 kg/m秸秆密度、5 cm秸秆粒度、加水堆沤的磷素盈余量增加0.43%～13.97%，秸秆堆沤还田会使土壤磷素表观盈亏呈盈余状态。这与盛婧等（2016）对麦田土壤磷素盈亏的研究结果一致，小麦秸秆还田后麦田土壤磷素盈亏量由-4.7～25.2 kg/ha增加到4.0～30.3 kg/ha；杨军等（2015）、黄欣欣等（2016）研究指出，秸秆还田本身的磷素会输入农田，然而，秸秆还田增加作物对磷素的吸收，作物利用更多的磷，消耗过量磷素，尤其当缺乏氮肥时，秸秆对磷盈亏的影响更显著。在本研究中，高秸秆还田粒度与还田密度能有效增加作物磷素吸收量，按照当地高产施肥处理，秸秆堆沤还田使得土壤磷素盈余量增加。因此，在从事农事活动时，应注重对径流的防治，还需注意对氮肥的施用，以免造成大量磷素流失，导致磷素平衡下降，使作物减产。此外，有研究表明，在作物生长过程中，土壤会损失约20%的磷素（李书田和金继运，2011）。因此，在耕地磷素盈余的状况下，进行秸秆堆沤还田，同时减少化肥施用，可有效防治农业面源污染，维持农田生态系统磷素平衡。

4 结论

在不同秸秆堆沤还田模式下，施用0.75 kg/m秸秆密度、5 cm秸秆粒度、加水堆沤可有效减少径流和泥沙磷素流失浓度与流失量；施用1.50 kg/m秸秆密度、1 cm秸秆粒度、加水与尿素堆沤可有效增加烤烟各器官TP含量和土壤磷素盈余量。秸秆堆沤还田可提高和维持红壤烤烟坡耕地土壤磷素水平，减少土壤磷素淋失，增强土壤供磷潜力，是削弱该流域农业非点源污染，综合利用秸秆资源，促进农业生态平衡发展的重要措施。