水稻秸稈還田對小麥季農(nóng)田徑流氮磷及COD的影響

張博睿， 蔡 影， 劉文雯， 胡宏祥， 李虹川， 俞金濤， 付思偉

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036)

土壤氮磷淋失是農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分損失的主要途徑之一,也是威脅地下水環(huán)境質(zhì)量安全的重要原因之一[1]。施入農(nóng)田中的氮磷養(yǎng)分會(huì)在自然降雨及灌溉的沖刷作用下通過徑流、淋溶等途徑[2]進(jìn)入周圍水體環(huán)境中,使水體富營養(yǎng)化,引起農(nóng)業(yè)面源污染[3-4]。包菡等[5]、張崑等[6]研究表明,降雨條件下農(nóng)田地表徑流與土壤中氮素流失有顯著相關(guān)性。氮磷肥料施用量在農(nóng)田施肥結(jié)構(gòu)中所占比重較大,導(dǎo)致地表徑流中氮磷污染物質(zhì)量濃度高,造成巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染[7],因此科學(xué)管理氮磷輸入對巢湖流域農(nóng)田徑流污染防治具有重要意義。

秸稈還田具有改善土壤結(jié)構(gòu)[8],提高土壤的有機(jī)質(zhì)、氮磷等優(yōu)勢,所以秸稈還田是秸稈資源化利用的重要保護(hù)性耕作方式之一[9]。秸稈還田可使稻麥兩熟制農(nóng)田周年地表徑流氮、磷流失率顯著降低[10-11],龔靜靜等[12]調(diào)查表明,采用秸稈還田和減肥處理的方式有助于農(nóng)田氮磷徑流損失逐步減少。與常規(guī)措施相比,秸稈還田或者秸稈還田搭配減量施肥均可有效降低地表氮流失量甚至降低氮流失率,但對于不同種類秸稈還田對農(nóng)田地表徑流的影響的結(jié)論并不統(tǒng)一。

巢湖流域是湖泊污染重點(diǎn)治理的對象之一,其流域代表性圩區(qū)廬江縣同大鎮(zhèn)尚缺乏秸稈還田對農(nóng)田徑流中氮磷及COD影響研究的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。故本試驗(yàn)選擇廬江縣同大鎮(zhèn)試驗(yàn)地為研究對象,分析秸稈直接還田過程中,農(nóng)田氮磷及徑流COD向周圍水體的遷移情況。通過分析秸稈還田對徑流中氮磷及COD的影響,為正確實(shí)施秸稈還田,防治農(nóng)業(yè)面源污染提供有效參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于安徽合肥廬江同大鎮(zhèn)石大圩的古圩村青陽七組(30°57′-31°33′N、117°01′-117°34′E)。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫16.4 ℃,年平均降水量1 268.7 mm,年平均日照時(shí)數(shù)1 802.6 h,無霜期302 d。土壤類型為水稻土,供試前pH6.18,有機(jī)質(zhì)含量19.65 g/kg,總氮含量1.54 g/kg,全磷含量0.48 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小麥季田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理,3次重復(fù):處理1 無秸稈還田+無施肥(CK);處理2常規(guī)施肥(F);處理3 秸稈覆土還田+常規(guī)施肥(SDF);處理4 秸稈覆蓋還田+常規(guī)施肥(SMF);處理5秸稈覆蓋還田+常規(guī)施肥減量15%(SFR);供試小麥品種為寧麥24,于2020年11月份播種,次年5月份收獲。每個(gè)小區(qū)面積為30 m2,長6 m,寬5 m,小區(qū)隨機(jī)排列,在實(shí)驗(yàn)小區(qū)出水口處設(shè)置長2 m、寬1 m、深1.5 m的水泥防滲漏徑流池,用于收集實(shí)驗(yàn)小區(qū)的徑流,徑流池底部設(shè)有控制閥出水口用于采樣后排水。

秸稈覆土還田是指秸稈全量還田,即上一季作物水稻秸稈全部粉碎5～10 cm左右的小段,以每個(gè)小區(qū)30 kg撒勻后按照常規(guī)深度旋耕翻入土壤中;秸稈覆蓋還田是以每個(gè)小區(qū)30 kg秸稈均勻覆蓋在表土上還田。常規(guī)施肥根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥習(xí)慣,復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為20∶10∶18)以480 kg/hm2做基肥于2020年11月15日施入,尿素追肥(總氮≥46.4%)為150 kg/hm2于2021年3月23日施入。

1.3 樣品采集及測定

1.4 數(shù)據(jù)處理

降雨徑流事件氮、磷及COD徑流流失量計(jì)算公式為:

式中,Pi為產(chǎn)生徑流水樣中氮、磷及COD徑流流失量(kg/hm2);Ci為第i次徑流事件徑流水樣中氮、磷及COD的質(zhì)量濃度(mg/L);Vi為第i次徑流事件中徑流量(m3/hm2);n是一個(gè)完整的監(jiān)測期(油菜季、水稻季)的產(chǎn)流總次數(shù),0.001為徑流體積換算系數(shù)。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,Duncan法檢驗(yàn)處理間差異,Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下徑流氮濃度的變化

表1 不同處理農(nóng)田徑流中氮平均質(zhì)量濃度

2.2 不同施肥處理下徑流磷濃度的變化

如表2所示,不同處理徑流中TP質(zhì)量濃度表現(xiàn)為CK與各處理間差異顯著,TDP的質(zhì)量濃度表現(xiàn)為各處理間差異顯著。各處理TP、TDP質(zhì)量濃度表現(xiàn)為SMF>SDF>SFR>S>CK。SMF處理的TP、TDP質(zhì)量濃度最高,達(dá)到了0.27和0.11 mg/L；與F處理相比,SMF和SDF處理的TP平均質(zhì)量濃度分別升高17.39%和13.04%,TDP平均質(zhì)量濃度則升高22.22%和11.11%,說明相同條件下,秸稈覆土還田處理徑流中磷素質(zhì)量濃度更低。而相較于SMF處理,SDF和SFR處理的TP、TDP質(zhì)量濃度則下降3.70%～9.10%和7.41%～18.18%。由此可見,秸稈還田配施化肥會(huì)提高徑流中磷素質(zhì)量濃度,秸稈覆土還田較秸稈覆蓋還田處理徑流中磷素質(zhì)量濃度有所降低。

表2 不同處理農(nóng)田徑流中磷和COD平均質(zhì)量濃度

2.3 不同施肥處理下徑流COD濃度的變化

如表2所示,不同處理徑流中COD平均質(zhì)量濃度為26.80～43.63 mg/L,各處理之間差異顯著。與F處理相比,SDF處理的COD平均質(zhì)量濃度增加29.39%,SMF處理則增加32.33%;SFR處理的COD平均質(zhì)量濃度較F處理增加13.32%,而SDF處理的COD平均質(zhì)量濃度較SMF處理下降了2.23%,各處理中COD質(zhì)量濃度表現(xiàn)為SMF>SDF>SFR>F>CK。SDF、SMF和SFR處理的COD濃度均高于F處理,這表明秸稈還田和增施化肥處理會(huì)增加農(nóng)田徑流中COD質(zhì)量濃度,秸稈覆土還田較秸稈覆蓋還田處理徑流中COD質(zhì)量濃度有所降低。

2.4 不同施肥處理下農(nóng)田徑流量的變化

如圖1所示,在整個(gè)小麥生長期內(nèi),發(fā)生徑流事件6次,其中CK組在整個(gè)小麥季徑流量最大。F處理徑流量平均值為558.15 m3/hm2;徑流峰值于1月26日達(dá)到684.4 m3/hm2。SDF、SMF處理徑流平均值為462.96 m3/hm2和451.67 m3/hm2,SDF、SMF相較于F處理下降了17.05%和19.08%。SFR處理的徑流平均值為451.48 m3/hm2,較SDF處理下降了2.48%,由此可見,地表徑流量在秸稈還田配施化肥條件下均小于常規(guī)施肥,且秸稈覆土還田效果更好。

2.5 不同施肥處理下氮磷和COD流失量的變化

圖2 不同秸稈還田與施肥處理對氮流失的影響

如圖3所示,不同處理對徑流磷素(TP、TDP)流失量的影響表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢,各處理TP流失量在0.51～0.78 kg/hm2,其中較F處理相比,SMF處理的TP流失量下降5.51%,SDF處理的TP流失量下降6.32%,SFR處理較SMF、SDF處理分別下降了8.31%和7.51%。各處理TDP流失量在0.10～0.29 kg/hm2,其中SMF、SDF處理的TDP流失量較F處理相比下降2.03%和8.15%,SFR處理則下降17.82%。由此可知,秸稈覆土還田配施常規(guī)施肥可降低農(nóng)田徑流磷素流失量。

圖3 不同秸稈還田與施肥處理對磷流失的影響

如圖4所示,不同處理對徑流中COD流失量影響表現(xiàn)為SMF>SDF>F>SFR>CK,不同處理的COD流失量為91.61～119.76 kg/hm2其中SMF的COD流失量最高,較F相比顯著提高6.24%,SDF處理較F處理則提高5.24%;而SFR處理較F相比則下降9.26%。由此可見秸稈還田配施常規(guī)施肥會(huì)增加農(nóng)田徑流中COD流失量,但秸稈覆土還田條件下流失量升高趨勢有所減緩,且在化肥減量施用條件下,農(nóng)田徑流中COD流失量顯著降低。

圖4 不同秸稈還田與施肥處理對COD流失的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 秸稈還田對徑流中氮磷及COD濃度的影響

3.2 秸稈還田對徑流中氮總流失量的影響

3.3 秸稈還田對徑流中磷總流失量的影響

本研究還發(fā)現(xiàn),秸稈還田會(huì)降低農(nóng)田徑流中磷素的流失,同Hahn等[28]研究一致。在強(qiáng)降雨條件下，土壤表面吸附的磷流失,造成磷素質(zhì)量濃度的升高,但秸稈還田可以有效降低農(nóng)田中地表徑流量,從而降低了磷素的流失量,SDF和SMF處理的TDP、TP流失量均小于F處理,其中SDF處理的磷素流失量顯著降低。因此，在秸稈還田配施常規(guī)施肥條件下可降低徑流中磷素的流失風(fēng)險(xiǎn),且秸稈覆土還田是更為合理的秸稈還田方式。

3.4 秸稈還田對徑流中COD流失量的影響

同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn)不同處理下農(nóng)田徑流中COD的濃度呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢。秸稈還田的處理增加了農(nóng)田徑流中COD的流失風(fēng)險(xiǎn),這是因?yàn)榻斩捲诮到獾倪^程中,土壤中微生物分解了秸稈中的纖維素等組分后釋放COD到徑流中導(dǎo)致濃度上升;同時(shí)土壤中微生物的死亡和新陳代謝等生命過程[29],也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田徑流中COD濃度的上升。因此,秸稈還田條件下COD流失量均高于常規(guī)施肥,秸稈的添加增加了農(nóng)田徑流COD的流失風(fēng)險(xiǎn),但在秸稈覆土還田條件下,COD流失風(fēng)險(xiǎn)有所改善。

綜上,秸稈覆土還田配施常規(guī)施肥的方法是一種有效減少農(nóng)田徑流氮磷及COD流失的農(nóng)田管理方式，為秸稈資源合理化利用提供了科學(xué)依據(jù),為正確實(shí)施秸稈還田、防治農(nóng)業(yè)面源污染提供了有效參考。