加氣灌溉與秸稈還田對水稻氮磷損失的影響

李 江，繳錫云,2※，靳淞云，潘艷川

（1. 河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院，南京 211100；2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098）

0 引 言

水稻是世界主要糧食作物之一[1]，東北稻區(qū)、長江流域稻區(qū)、東南沿海稻區(qū)為中國三大水稻種植區(qū)，其中長江流域稻區(qū)面積占稻區(qū)總面積的2/3 以上。氮磷元素是水稻生長發(fā)育的必要營養(yǎng)物質(zhì)，水稻田面水質(zhì)、土壤性質(zhì)、施肥制度、降雨、灌排制度等是稻田氮磷養(yǎng)分損失的影響因素。一方面氮磷損失會造成肥料利用率低、作物生長受抑制的問題，另一方面稻田排水伴隨的氮磷流失是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[2-3]。有研究表明，稻田地表徑流水中過多的氮磷物質(zhì)會加速水體富營養(yǎng)化，導致藻類大量繁殖、物種組成變化、水體生態(tài)結(jié)構(gòu)破壞等一些列問題[4]。因此，探究稻田水質(zhì)變化規(guī)律，科學減少稻田氮磷損失，對于保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、維護作物健康生長具有重要意義。

秸稈還田是近年來中國各級政府大力倡導與規(guī)范要求的農(nóng)藝措施，對于培育地力[5-6]、提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量[7]具有重要意義。目前中國農(nóng)業(yè)種植區(qū)通常采用秸稈直接還田的方式，將秸稈直接覆蓋或在田間粉碎翻埋至土壤中，然而在中國南方水稻種植區(qū)稻麥輪作耕作方式下，小麥秸稈直接還田對水稻灌溉管理帶來了新的問題。水稻泡田期麥秸稈在淹水環(huán)境中會快速腐解，分解排放出氮、磷、有機質(zhì)等農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)[8-9]，且秸稈分解出的銨態(tài)氮（NH4+-N）會發(fā)生氨揮發(fā)，生成氨氣（NH3）等惡臭氣體。另一方面，秸稈翻埋進入稻田土壤后，淹水厭氧環(huán)境下其分解活動會干擾稻田本身的硝化和反硝化反應，進而影響農(nóng)田氮素的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化[10]。同時，當?shù)咎锼|(zhì)惡化到一定程度時，為保證良好的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境需對田面水進行換水處理，這不僅浪費灌溉水資源，還易造成農(nóng)田養(yǎng)分流失、加重農(nóng)業(yè)面源污染。

除將秸稈覆蓋或翻埋至田間這種直接還田的方式外，先將秸稈進行生化腐熟、發(fā)酵成肥料后，再間接還田也是一種常見的秸稈還田方式[11-12]。秸稈降解是需氧反應，在分子氧存在的條件下木質(zhì)素可被好氧水解微生物降解，適當曝氣并輔以攪拌可顯著提高秸稈中木質(zhì)纖維素的降解效率，增加體系中脂肪酸產(chǎn)量，減少有毒氣體的生成，因此曝氣或其他加氣增氧技術(shù)常被應用于秸稈發(fā)酵等資源化利用中[13-14]。另一方面，秸稈在淹水稻田中的分解活動會不斷耗氧，淹水厭氧環(huán)境不僅會對水質(zhì)產(chǎn)生影響，還會增強稻田土壤的還原性，生成還原性有害物質(zhì)，影響作物生長發(fā)育[15]。由此可見，無論是秸稈直接還田還是間接還田，氧含量在還田秸稈的發(fā)酵過程中都起著至關重要的作用，如何在稻麥輪作區(qū)淹水厭氧條件下增強溶解氧濃度、提高麥秸稈還田后的土壤透氣性是值得深入探討的問題。加氣灌溉可以提升水中溶解氧濃度，改善土壤通氣狀況，近年來被廣泛應用于水培蔬菜、覆膜滴灌、再生水利用等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[16]，但在稻麥輪作區(qū)小麥秸稈直接還田條件下的應用還處于探索階段。

傳統(tǒng)的加氣增氧技術(shù)生成的氣泡粒徑較大，易對水體穩(wěn)定性造成干擾，微納米氣泡具有在水體停留時間長、吸附性強、穩(wěn)定性好等特點[17]，其能在水中快速溶解，增加氣體在水溶液中的溶解度，富集水中的活性氧。有研究表明微納米氣泡可以增強厭氧和需氧條件下的微生物活性，促進水中污染物的生物降解，提高水體的生物凈化能力，可用于處理富含氨氮的廢水，去除水體中的COD 和氨氮，改善水質(zhì)[18]。因此，本研究將添加微納米氣泡的加氣技術(shù)應用于稻麥輪作區(qū)的水稻灌溉，通過開展淹灌水稻盆栽試驗，探討加氣灌溉與小麥秸稈還田對稻田水質(zhì)以及氮磷損失的影響規(guī)律，以期為解決由秸稈還田帶來的淹灌水稻田面水質(zhì)惡化、氮磷損失加重等問題提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2020 年6—12 月在江蘇省南京市河海大學節(jié)水園區(qū)內(nèi)（31°54′57″N、118°46′37″E）完成，該地區(qū)位于長江流域，水稻種植以稻麥輪作為主[19]。試驗盆采用直徑56 cm、深70 cm 的塑料圓桶，圓桶四周密封，底部填有5 cm 厚度的砂石反濾層，反濾層側(cè)壁設有出水口，反濾層上設有60 cm 深的土層。試驗共設6 個處理（CK、ST、SO-1、SO-2、SO-3、SO-4），每個處理3 個重復；CK 處理為無秸稈、無加氣灌溉的空白對照處理，ST 處理為有秸稈、無加氣灌溉處理，SO 處理為有秸稈、有微納米加氣灌溉處理，各試驗處理如圖1 所示。在ST 和SO 處理中，根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗秸稈按7 t/hm2含量粉碎并翻埋至土壤0～20 cm 層。SO 處理的灌溉水為經(jīng)微納米加氣設備處理形成的微納米氣泡水，SO-1、SO-2、SO-3、SO-4處理的進氣量分別為0.3、0.5、0.7、0.9 L/min，進水量均為8 L/min；各處理的灌溉制度相同[20]，均根據(jù)各生育期的適宜淹灌水層上限、下限和最大蓄水深度設定。本試驗中水稻在泡田期、返青期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期以及乳熟期的淹灌水層上限、下限與最大蓄水深度分別為（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），水稻黃熟期田面水層自然落干。各處理的水稻均采用集中育秧后移栽的方式進行栽培，泡田期后將秧苗移栽至試驗盆中，每盆栽5 穴，穴距和行距均為15 cm，每穴3 株；水稻泡田期至乳熟期間田面有淹灌水層，并保證5 mm/d 的滲漏水量在出水口進行放水；根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗，本試驗共施肥三次，分別為泡田期（7 月7 日）施基肥10.6 g（300 kg/hm2；復合肥，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%），分蘗期（7 月30 日）施尿素2.63 g（75 kg/hm2；CO(NH2)2，含氮量≥46.4%）。

1.2 試驗材料

供試土壤為粉砂壤土，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、速效鉀含量90 mg/kg。供試秸稈為小麥秸稈，秸稈經(jīng)風干、粉碎至3～5 cm 后還于田中，其總氮（Total Nitrogen，TN）含量3.8 g/kg、總磷（Total Phosphorus，TP）含量0.66 g/kg。供試水稻為南粳9108，5 月30 日育秧、7 月10 日移栽，其生育期分為泡田期（7 月2 日－7 月10 日）、返青期（7 月11 日－7 月29 日）、分蘗期（7 月30 日－8 月30 日）、拔節(jié)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）、黃熟期（10 月23 日－11 月11 日）。本試驗所使用的微納米加氣設備為云南夏之春微納米公司生產(chǎn)的XZCP-K-0.55 型科研機，其氣泡粒徑在200 nm～4μm 之間，氣泡含率84%～90%，平均氣泡上升速度4～8 mm/s。CK、ST、SO-1、SO-2、SO-3、SO-4 處理下灌溉水溶解氧質(zhì)量濃度分別為2.76、2.76、7.68、7.71、8.06、8.62 mg/L。

1.3 測定指標與方法

本試驗所監(jiān)測的水化學指標為田面水與滲漏水中的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、TN、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）以及TP 含量；監(jiān)測時間為每5 d 一次，施肥后第2 天及第4 天加測。測定方法分別為：COD 采用快速消解法（GB/T 32208-2015），TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法（ GB11894-89 ） ， NH4+-N 采用納氏試劑比色法（ GB7479-87 ） ， NO3--N 采用紫外分光光度法（ HJ/T346-2007 ） ， TP 采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）。生育期內(nèi)每天測量盆栽內(nèi)田面水深，記錄降雨深度；同時，根據(jù)不同生育期內(nèi)淹灌水層上限、下限與最大蓄水深度進行灌水與排水。

1.4 氮磷損失計算

稻田氮磷損失由徑流損失和滲漏損失組成，徑流損失主要由田面排水產(chǎn)生，滲漏損失由深層滲漏產(chǎn)生。氮磷損失采用水量平衡方法計算[21]；首先根據(jù)試驗區(qū)資料確定水稻各生育期的適宜淹灌水層上限、下限和最大蓄水深度，推求水稻的灌排制度；其次，依據(jù)田面水與滲漏水中氮磷濃度計算生育期內(nèi)的氮磷損失量[2]。計算公式如下：

式中i為時間，d；hi、hi-1分別為第i、i-1 天的田面水層深度，mm；Pi、Ii、Di、WCi分別為第i天的降雨量、灌水量、排水量、耗水量，mm；F為氮磷損失量，kg/hm2；n=7 表示水稻的不同生育時期；Dj、Sj分別為水稻在第j個生育期內(nèi)的排水量、滲漏水量，mm；CDj、CSj分別為水稻在第j個生育期內(nèi)田面水、滲漏水的平均氮磷濃度，mg/L。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng) Microsoft Excel 2019 軟件整理后，采用Microsoft Excel 2019 與Microsoft Powerpoint 2019 軟件作圖，利用SPSS22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，顯著性檢驗均采用Duncan 多重比較法。

2 結(jié)果與分析

2.1 加氣灌溉與秸稈還田對稻田水COD 以及氮磷濃度的影響

2.1.1 COD 濃度

各個處理田面水COD 濃度變化如圖2a 所示，結(jié)果顯示各處理COD 濃度在1.25～79.00 mg/L 之間，且變化趨勢總體一致，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。COD 濃度峰值均出現(xiàn)在施肥后一天，為泡田后的第6、9、30 天。生育期內(nèi)ST 處理的田面水COD 平均濃度顯著高于CK處理的COD 平均濃度值，而加氣灌溉（SO 處理）可以顯著降低田面水COD 平均濃度（P<0.05）。ST 處理下的田面水COD 平均濃度為29.36 mg/L，比CK 增加了20.4%。SO-1、SO-2、SO-3、SO-4 處理的田面水COD 濃度較ST 處理可分別降低17.38%、14.31%、18.14%、19.42%。SO-4 處理下的田面水COD 平均濃度最低（23.66 mg/L），SO-3 處理次之（24.03 mg/L），二者之間差異不顯著。各處理滲漏水COD 濃度在4.25～68.84 mg/L 之間（圖2b），其在泡田期、返青期、分蘗前期波動幅度較大，且沒有明顯的變化規(guī)律。水稻生育期內(nèi)各處理下滲漏水COD 濃度差異不顯著，平均濃度為37.23 mg/L。

2.1.2 氮素濃度

不同處理下水稻田面水TN 濃度在0.97～81.32 mg/L之間，其波動趨勢與田面水COD 濃度變化趨勢相似，主要受施肥影響，峰值出現(xiàn)在施肥后的第1 天（圖2c）。ST 處理的田面水TN濃度最大值出現(xiàn)在施用分蘗肥之后，而其他處理的田面水TN 濃度最大值出現(xiàn)在施用返青肥后。秸稈還田（ST 處理）可以顯著提高水稻生育期內(nèi)田面水TN 平均濃度，且加氣處理（SO）較不加氣處理可顯著降低田面水TN 平均濃度（P<0.05）。除SO-4 處理與其他加氣處理的田面水TN 平均濃度具有顯著性差異（P<0.05），其余加氣處理下田面水TN 平均濃度的差異并不顯著；SO-4 處理下最低（15.37 mg/L），其余處理下田面水TN 平均濃度為16.60 mg/L。生育期內(nèi)各處理的滲漏水TN 濃度變化范圍為0.18～13.35 mg/L，其變化趨勢與田面水TN 變化趨勢相似（圖2d）。返青肥與分蘗肥對滲漏水中的TN 濃度影響較大，各處理水稻生育期內(nèi)滲漏水TN 平均濃度無顯著性差異，TN 平均濃度為4.11 mg/L。

各處理田面水 NH4+-N 濃度變化趨勢整體一致（圖3a），施肥后其值迅速升高后逐漸降低，范圍為0.06～33.67 mg/L。田面水NH4+-N 濃度最高值出現(xiàn)在施用分蘗肥后，ST 處理下田面水NH4+-N 濃度最高，CK 處理次之，SO 處理最小。SO-3 處理下生育期內(nèi)田面水NH4+-N 平均濃度顯著低于其他加氣處理（P<0.05），SO-1、SO-2、SO-4 處理之間的田面水NH4+-N 平均濃度差異不顯著。滲漏水NH4+-N 濃度在0.11～4.89 mg/L 之間呈現(xiàn)跳躍式變化（圖3b），施肥是滲漏水NH4+-N 濃度變化的影響因素之一，但分蘗后期滲漏水NH4+-N 濃度也受作物生長、土壤環(huán)境等因素影響而波動。各處理下水稻生育期內(nèi)滲漏水NH4+-N 平均濃度大小依次為：ST 處理2.45 mg/L、CK 處理2.40 mg/L、SO-2 處理1.55 mg/L、SO-3處理1.48 mg/L、SO-1 處理1.41、SO-4 處理1.35 mg/L。

田面水、滲漏水NO3--N 濃度在0.01～11.31 mg/L、0.10～2.63 mg/L 之間，NO3--N 含量大小受施肥影響較大（圖3c～d），最高值出現(xiàn)在基肥之后。各處理下田面水NO3--N 含量變化趨勢略有差異，CK 處理、ST 處理的田面水NO3--N 含量完全受施肥影響，其在施肥日后會顯著上升（P<0.05），而加氣處理（SO）的田面水NO3--N 濃度在基肥與返青肥之后也會有所波動。田面水NO3--N 濃度與NH4+-N 濃度在第19 天至第28 天的變化趨勢呈現(xiàn)相反的態(tài)勢（圖3a、3c），是田面水體發(fā)生硝化作用導致。滲漏水中NO3--N 濃度亦會受施肥影響，施肥過后其含量會有所升高，但這種升高較田面水NO3--N 濃度升高會有所延遲，各處理生育期內(nèi)滲漏水NO3--N 平均濃度差異不顯著。

圖3e～f 表示水稻生育期內(nèi)各處理田面水與滲漏水中NH4+-N 與NO3--N 平均含量占TN 平均含量的百分比，以及TN 平均含量。結(jié)果顯示加氣灌溉降低了田面水與滲漏水中TN、NH4+-N 含量，但NO3--N 濃度有所增加。田面水中NH4+-N 與NO3--N 占TN 的38.91%～46.2%，說明本試驗中水稻田面水中有機氮含量略大于無機氮含量。田面水NH4+-N 含量高于NO3--N 含量，NH4+-N 含量在21.68%～32.48%之間，NO3--N 含量在12.98%～19.43%之間。滲漏水中NH4+-N 與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 磷素濃度

不同處理下田面水TP 濃度的變化范圍為0.03～3.34 mg/L，各處理下TP 動態(tài)變化趨勢總體一致（圖4a），均在施基肥后一天達到最大值，這是因為基肥中含有磷元素，而返青肥與分蘗肥中不含磷素。施基肥后田面水TP 濃度迅速升高，而后生育期內(nèi)受施肥影響田面水TP濃度會有所波動，但總體呈現(xiàn)下降趨勢，最后趨于平穩(wěn)。生育期內(nèi)各處理田面水TP 平均濃度大小依次為：CK 處理0.79 mg/L、ST 處理0.77 mg/L、SO-1 處理0.75 mg/L、SO-2 處理0.74 mg/L、SO-3 處理0.74 mg/L、SO-4 處理0.65 mg/L，其中SO-1、SO-2、SO-3 處理沒有顯著性差異。滲漏水中TP 濃度在0.20～0.32 mg/L 之間（圖4b），其變化趨勢與田面水TP 濃度變化趨勢不同。CK、ST、SO-1、SO-2、SO-3 處理的滲漏水TP 濃度均在施返青肥后達到最大，而SO-4 處理的滲漏水TP 濃度在施分蘗肥后達到最大，但是各處理下滲漏水中TP 濃度變化幅度較小。生育期內(nèi)CK、ST、SO-3 處理的滲漏水TP 平均濃度為0.11 mg/L，SO-1 處理為0.10 mg/L，SO-2、SO-4 處理為0.09 mg/L，說明水稻生育期內(nèi)滲漏水中TP 含量相對穩(wěn)定。

2.2 加氣灌溉與秸稈還田對稻田氮磷損失的影響

2.2.1 稻田水均衡

由水稻不同生育期的淹灌水層上限、下限與最大蓄水深度計算推求的水稻生育期內(nèi)水分補給與消耗結(jié)果如圖5 所示。

水稻生育期內(nèi)的主要水分補給項有降雨和灌水，消耗項主要有田面排水、蒸散發(fā)、深層滲漏、土壤儲水等[22]，其中降雨量為528.00 mm、灌水量為640.00 mm，田面排水量為154.46 mm、深層滲漏量為560.00 mm、作物蒸散發(fā)量544.81 mm。試驗期內(nèi)強降雨主要發(fā)生在水稻泡田與返青期內(nèi)，故排水僅發(fā)生在泡田與返青期，其中返青期排水量為138.79 mm，泡田期排水15.67 mm。分蘗期的灌水量最大（300.00 mm），返青期的灌水量最少（20.00 mm），泡田期和黃熟期沒有灌溉發(fā)生。

2.2.2 氮磷損失

不同處理下稻田TN 損失如圖6a 所示，各處理下TN損失從大到小依次為：ST、CK、SO-1、SO-2、SO-3、SO-4。SO-4 處理的TN 損失為52.00 kg/hm2，該處理TN損失較ST 處理可減少25%。TN 徑流損失占總損失的60%～65%，TN 徑流損失主要發(fā)生在水稻返青期。ST 處理下TN 徑流損失高于CK 處理，ST 處理較CK 處理TN徑流損失可增加10%，加氣灌溉可顯著降低秸稈還田后稻田TN 徑流損失（P<0.05），SO-1、SO-2、SO-3、SO-4處理下的TN 徑流損失較CK 處理可分別降低12%、7%、7%、19%。TN 滲漏損失量范圍為19.39～26.65 kg/hm2，ST 處理下TN 滲漏損失量略大于CK 處理和SO-1 處理，加氣處理可以降低TN 滲漏損失，各加氣處理對于減少TN 滲漏損失的效果依次為：SO-3>SO-2>SO-4>SO-1，SO-3 處理下的TN 滲漏損失量較CK 處理與ST 處理可分別降低26%與27%。

各處理NH4+-N 損失在11.98～27.81 kg/hm2之間，所有處理下NH4+-N 滲漏損失量均大于徑流損失量（圖6b）。加氣處理可以顯著降低NH4+-N 的徑流損失量（P<0.05），且隨著進氣量的逐漸增大，田面排水中NH4+-N 損失量逐漸減少，SO-4 處理較ST 處理可降低74%的NH4+-N 徑流損失。各處理NO3－-N 損失量在8.57～10.66 kg/hm2，除SO-2 處理外，其他處理的NO3－-N 徑流損失量均大于各自的NO3－-N 滲漏損失量，各處理的NO3－-N 徑流損失占49%～63%（圖6c）。ST 處理的NO3－-N 徑流損失量大于CK 處理，而該處理的NO3－-N 滲漏損失量小于CK 處理；所有加氣灌溉處理均可降低秸稈還田后的NO3－-N 徑流損失；SO-2 處理下NO3－-N 滲漏損失高于其他處理，SO-1、SO-3、SO-4 處理的NO3－-N 滲漏損失量低于ST 處理。

本試驗中稻田TP 損失量在2.04～2.25 kg/hm2之間，不同處理之間TP 損失量差異不大，從大到小依次為：SO-3、SO-2、CK、ST、SO-4、SO-1，ST 處理與CK 處理下的TP 損失量差值僅為0.06 kg/hm2，說明本試驗中秸稈還田處理并沒有加重水稻TP 損失，反而有降低TP 損失的效果。各處理的TP 徑流損失占總損失的70%～77%，徑流損失主要發(fā)生在水稻返青期（圖6d）。本試驗中各處理的水稻灌排制度相同，故造成不同處理的TP 徑流以及滲漏損失不同的主要原因為，發(fā)生田面排水以及深層滲漏時各生育期內(nèi)TP 平均濃度有所差異。結(jié)果顯示，各處理TP 徑流損失量從大到小依次為：SO-3、SO-2、 SO-4、ST、CK、SO-1，TP 滲漏損失從大到小依次為：CK、SO-1、ST、SO-3、SO-2、SO-4。

各處理條件下氮磷損失及產(chǎn)量[20]之間的關系如圖7所示，可見氮磷損失較大時水稻產(chǎn)量較低（CK 與ST 處理），氮磷損失較小時水稻產(chǎn)量較大（SO-1～SO-4 處理）。具體來講，CK 與ST 處理下水稻產(chǎn)量沒有顯著性差異，分別為7.97 與7.99 t/hm2；SO-2、SO-3 加氣灌溉可顯著提高水稻產(chǎn)量（P<0.05），SO-1～SO-3 處理下隨著進氣量逐漸增大水稻產(chǎn)量逐漸增加，其產(chǎn)量分別為8.54、9.27、9.54 t/hm2；當進氣量為0.9 L/min（SO-4 處理）時，水稻產(chǎn)量低于其他加氣處理，說明微納米加氣灌溉的進氣量大到一定程度時水稻生長會受到脅迫，因此若考慮水稻產(chǎn)量則微納米加氣灌溉的進氣量不宜過大。

3 討 論

3.1 稻田水COD 以及氮磷濃度

稻田面源污染主要來自地表排水和地下滲漏所帶出的氮、磷等物質(zhì)，其中地表排水是稻田面源污染的主要來源[23]，開展水稻田面與滲漏水水質(zhì)研究對于控制稻田面源污染具有重要意義。本試驗結(jié)果顯示，水稻田面與滲漏水COD、氮、磷濃度的陡增與施肥因素息息相關（圖2），說明科學制定施肥制度是控制水稻田面水質(zhì)惡化的直接手段。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田使得稻田水體COD濃度升高，與賈蕾[24]研究結(jié)論一致，這是由于秸稈中含有大量的活性有機物質(zhì)[1]，其在長期淹水厭氧條件下易發(fā)生還原反應，致使水體COD 濃度升高。在秸稈還田條件下對水稻進行微納米加氣灌溉可以有效改善這一問題，微納米氣泡水使得水稻田面長期處于氧氣充足的環(huán)境，緩解了淹水條件下土壤與水體的厭氧狀況，有利于抑制還原性有機物的生長[25]，利于降低水體COD 濃度。本研究結(jié)果表明0.9 L/min的進氣量對于降低水稻田面水COD濃度具有更好的效果，此處理下COD 去除率可達到19%；該處理下滲漏水COD 濃度略高于SO-1 和SO-2 處理，但是此處理下滲漏水COD 濃度也低于CK 和ST 處理。

氮是植物生長過程中的關鍵營養(yǎng)元素，稻田施肥投入的氮素除了被水稻吸收利用外，還有一部分隨著地表徑流和滲漏排水流失到水環(huán)境中[26]。秸稈還田增加了土壤氮素輸入，有利于提高土壤全氮水平[27]；然而對于淹灌水稻來說，秸稈還田也顯著提升了水稻田面水體的TN濃度（圖3e），進而增加了稻田氮元素徑流損失以及農(nóng)業(yè)面源污染的風險。本研究結(jié)果顯示，秸稈還田（ST 處理）會加重稻田TN 的損失，ST 處理的TN 損失占肥料中氮元素含量的44%，而CK 處理僅占41%。但是，ST處理下TN 損失占肥料與秸稈中氮素總和的38%，略低于CK 處理的41%，說明相對于無秸稈還田處理，秸稈還田有利于氮素在土壤中的留滯或植物吸收而提高氮素利用效率，這與靳玉婷等[28-29]的研究結(jié)論一致。本結(jié)論也從另外一個角度驗證了前人[30]觀點，即秸稈還田應搭配減量施肥，才能有效降低地表氮流失量進而避免肥料浪費污染環(huán)境。微納米加氣灌溉可以降低水稻生育期內(nèi)稻田水中TN 濃度（圖3e、3f），這是由于加氣灌溉使得水體氧含量增多，改善了淹水嫌氣環(huán)境，也進一步改善了稻田土壤的通氣性[31]，有利于水稻對氮素的吸收與利用。研究結(jié)果顯示SO-4 處理對于降低稻田水中TN 濃度效果最佳，此處理的田面水TN 去除率可達到31%，滲漏水TN 去除率可達26%。

NH4+-N 和NO3—-N 是土壤中植物可利用的無機氮主要存在形式[32]，本研究發(fā)現(xiàn)，在淹水灌溉條件下稻田水中無機氮主要以NH4+-N 形式存在（圖3e～f），秸稈還田會提高稻田水的NH4+-N 濃度，這是由于秸稈還田增加了稻田土壤的氮元素含量，且在淹水狀態(tài)下，強烈的厭氧環(huán)境會增強反硝化微生物和反硝化酶的活性[33]，抑制氮素的硝化反應、增強還原反應[34]，使得稻田水中NH4+-N濃度顯著升高。而加氣灌溉改變了淹灌稻田的厭氧環(huán)境，加強了田面水體的硝化反應，促使部分NH4+-N 轉(zhuǎn)化為NO3—-N，從而對于降低稻田水NH4+-N 濃度具有促進作用，一定程度上緩解了稻田銨物質(zhì)釋放，削弱了農(nóng)業(yè)面源污染的風險，SO-4 處理較ST 處理田面水與滲漏水NH4+-N 濃度均可降低45%。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會增強土壤還原性，而加氣灌溉條件下土壤還原性會有所降低[20]。土壤低還原狀況有利于加速稻田土壤的硝化反應，使得稻田水中NO3—-N 濃度增加，本研究結(jié)果顯示加氣灌溉條件下NO3—-N 濃度的增加量小于NH4+-N 濃度的減少量，進一步說明加氣灌溉有利于減少稻田可利用無機氮的損失。

磷是作物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，參與作物的光合作用，磷在土壤中極易被固定，土壤磷素含量及形態(tài)會顯著影響水稻的生長發(fā)育[35]，秸稈還田是農(nóng)田土壤磷素輸入的一項重要來源[2]。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田降低了水稻生育期內(nèi)田面水與滲漏水中TP 的平均濃度，說明秸稈還田處理不但可以增加土壤磷素含量，還可以增強農(nóng)田土壤的固磷效果，利于作物生長，此結(jié)論與蔣炳伸等[36]研究結(jié)論一致。本研究發(fā)現(xiàn)加氣灌溉可以降低水稻生育期內(nèi)田面水與滲漏水中TP 的平均濃度，且隨著進氣量的增大，田面水TP 平均濃度消除效果越好。加氣灌溉雖能減小滲漏水中TP 濃度，但其進氣量大小與滲漏水中TP平均濃度并沒有直接關系，這是由于土壤中磷元素的固持以及作物對磷元素的吸收程度相對復雜，還需進一步開展試驗加以驗證。本試驗結(jié)果顯示SO-4 處理對于降低稻田水中TP 濃度效果最佳，相較于ST 處理，該處理田面水TP 去除率可達到15%，滲漏水TP 去除率可達21%。

3.2 稻田氮磷損失

稻田氮、磷物質(zhì)的流失對于水稻來說是營養(yǎng)物質(zhì)的損失，從環(huán)境角度講亦加劇了農(nóng)業(yè)面源污染的風險[37]，無論是從水稻生長發(fā)育還是從環(huán)境保護上看都應該降低稻田氮、磷物質(zhì)的流失。排水量、滲漏量及其氮磷濃度是影響農(nóng)田氮、磷損失的主要因素，本試驗結(jié)果（圖5）顯示，氮、磷徑流損失主要集中在水稻泡田期和返青期，這是由于返青期以及泡田期有強降雨發(fā)生，致使這兩個階段進行地表排水較多。本試驗設置的水稻滲漏量為5 mm/d，因此對于各處理其滲漏水量是固定的，影響各生育期氮、磷滲漏損失量的主要因素為各生育階段的天數(shù)以及該時期內(nèi)滲漏液中的氮、磷含量。本研究得到的各處理之間的氮、磷損失量的大小排序與生育期內(nèi)氮、磷平均濃度的大小排序略有差異，說明平均濃度并不能代表作物生育期內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的損失程度或污染負荷大小，而排水量以及滲漏水量是影響稻田氮、磷物質(zhì)流失的關鍵因素，因此需要制定更加合理的水稻灌排制度，盡量避免在田面水以及滲漏液氮、磷濃度較高的時期進行排水，才能有效減少氮、磷損失。在本試驗所設定的灌排制度條件下，綜合分析試驗結(jié)果可見0.9 L/min 進氣量的加氣灌溉可以同時有效減少水稻氮磷損失，該處理相對于CK 處理TN、TP、NH4+-N、NO3—-N 損失量可分別減少20%、0.6%、50%、4.3%；但綜合考慮不同處理條件下的水稻產(chǎn)量（圖7），SO-3 處理既可以保持較少的氮磷損失又能維持最高的水稻產(chǎn)量；因此，推薦使用0.7 L/min 進氣量（SO-3 處理）。

3.3 研究展望

秸稈還田為農(nóng)田土壤輸入了新鮮有機質(zhì)，會增強微生物生物活性，進一步強化土壤有機質(zhì)分解；另一方面，還田秸稈在土壤微生物作用下會發(fā)生腐解發(fā)酵，其中易被分解的碳源可作為土壤微生物的能量來源[38]。土壤微生物是驅(qū)動還田秸稈降解和土壤碳氮循環(huán)等過程的重要因素，還田秸稈的腐解發(fā)酵同時受秸稈類型、耕作方式、秸稈還田量、肥料管理、溫度與水分的影響。稻麥輪作區(qū)小麥秸稈還田后，傳統(tǒng)淹灌條件下土壤水分過高、土壤通透性差，好氧微生物活性下降，還田秸稈在厭氧微生物的作用下以厭氧發(fā)酵為主。本研究中微納米加氣灌溉增加了灌溉水的溶解氧濃度，改善了土壤透氣性，一定程度上可抑制厭氧菌活性并增強好氧菌活性，緩解秸稈在厭氧條件下發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷等溫室氣體的排放，同時提高秸稈的固碳效果。然而，還田秸稈的腐解是一項復雜的過程，尤其在稻麥輪作區(qū)水稻淹灌條件下，微生物的群落多樣性、結(jié)構(gòu)組成、功能活性等都會對秸稈腐解、水稻氮磷吸收與轉(zhuǎn)化等過程造成影響。本研究開展的盆栽試驗為探索性試驗，沒有在微生物方面進行細致探究，但本文得到的結(jié)論可為后續(xù)研究提供參考。接下來的研究還應同時考慮生育期內(nèi)土壤氧化還原電位、田面水溶解氧濃度對水稻氮磷損失的影響，明確水稻生長、土壤氨揮發(fā)、氮磷循環(huán)對加氣灌溉、秸稈還田以及二者聯(lián)合作用的響應機制，為加氣灌溉在麥秸稈還田后水稻灌溉中的應用提供理論基礎。

4 結(jié) 論

本文通過盆栽試驗研究了不同進氣量的微納米加氣灌溉處理對稻麥輪作區(qū)小麥秸稈還田后稻田部分水化學指標以及氮磷損失的影響，所得主要結(jié)論如下：

1）水稻田面水化學指標變化與施肥息息相關，秸稈還田可以提升水稻田面水COD 濃度、TN 濃度、NH4+-N濃度、NO3—-N 濃度，降低田面水TP 濃度。微納米加氣灌溉對于降低秸稈還田后水稻田面水的COD 濃度、TN濃度、NH4+-N 濃度具有顯著效果（P<0.05），最優(yōu)去除率可達19%、31%、45%。秸稈還田后水稻滲漏水COD濃度、NH4+-N 濃度升高，TN 濃度、NO3—-N 濃度降低；微納米加氣灌溉有利于降低秸稈還田后水稻滲漏水中COD 濃度、TN 濃度、NH4+-N 濃度與TP 濃度。

2）稻田氮磷損失量與稻田水化學指標以及灌排制度有關，本試驗中秸稈還田增加了稻田TN、NH4+-N、NO3—-N 損失量，但是提高了稻田氮、磷的利用效率，為減少稻田氮、磷損失可搭配減量施肥以減少氮、磷損失量；微納米加氣灌溉可以有效減少秸稈還田后稻田的TN、NH4+-N 損失量，適宜的微納米加氣灌溉處理可減少TP、NO3—-N 損失量；綜合考慮加氣灌溉對稻田COD 濃度、氮磷濃度、稻田氮磷損失以及水稻生長的影響，推薦使用0.7 L/min 進氣量的微納米加氣灌溉來提升稻田水質(zhì)以及減少稻田氮磷損失。