张刚，张世洁，王德建*，俞元春，张磊

（1.中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.南京林业大学生物与环境学院，南京210037；3.中国科学院常熟农业生态实验站，江苏 常熟 215555；4.济宁市兖州区源汇规划设计院，山东 兖州 272000）

长江下游区域是我国稻-麦两熟制的重要生产基地，是我国重要的粮食产区[1]，其主要特点是农田集约化程度高，化肥投入量大，但肥料利用效率低[2-3]。农田氮磷养分易通过径流、淋溶等途径进入附近的水体，造成区域水体的富营养化[4-7]。作物秸秆中含有丰富的N、P、K 营养养分，是一种重要的肥料资源[1]。秸秆还田不但可以培肥土壤[8-9]，还可以提高氮肥利用率[10]，减少化肥施用量[11-12]，是实现农田生态系统可持续发展的重要措施[13-15]。鉴于此，江苏省政府办公厅颁发了《江苏省农作物秸秆综合利用规划（2010—2015 年）》（苏政办发[2009]133号），把秸秆机械化还田列为区域秸秆综合利用的首选技术措施[1]，在全省范围内大力推广秸秆还田。然而，秸秆还田改变了稻田土壤的物理化学环境[1，16]，从而影响稻田的氮磷养分流失，如刘红江等[5，17]研究表明，麦秸全量还田处理下稻季氮磷径流流失量较不还田处理分别减少9.2%和10.6%；稻草旋耕还田处理下麦季氮磷损失量比不还田处理分别减少5.4%和5.9%；而汪军等[18]研究表明，麦秸全量还田增加了稻季田面水中-N 的平均浓度，较单施化肥处理增幅约11.5%～22.5%。

近年来，有关水稻和小麦等农作物农田的氮磷径流流失规律的研究较多[19-22]，但关于秸秆还田下稻-麦轮作稻田的周年氮磷径流流失的研究较少。因此，本研究以稻-麦轮作稻田为研究对象，通过秸秆还田定位试验，研究长江下游区域秸秆还田模式和施氮量对稻-麦轮作稻田氮磷径流风险的影响，明确秸秆还田在防控农业氮磷面源污染中的利弊，对秸秆还田的进一步推广具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

秸秆还田定位试验地位于常熟农业生态实验站站区，始于2012 年6 月，种植制度为夏水稻-冬小麦轮作，供试水稻品种为南粳46号，小麦品种为扬麦16号。试验设置秸秆还田模式和施氮量2 因素，其中秸秆还田设置4 种还田模式：秸秆不还田、稻季麦秸还田、麦季稻秸还田、稻秸麦秸双季均还田，分别记作S0、W、R、WR；设置2 个氮肥水平：推荐施氮、常规施氮，分别记作N1、N2。秸秆还田模式和氮肥水平相组合，共设 5 处理，分别为 S0N1（N1）、WN1、RN1、WRN1、WRN2，每处理均设3次重复，共计15个小区，随机区组排列。小区面积43.7 m2，小区之间均以土堆田埂分隔，田埂均用塑料薄膜包被，以减少灌溉水的串流和侧渗。

本试验中，稻季的推荐施氮量和常规施氮量分别为240 kg N·hm-2和300 kg N·hm-2，氮肥（尿素）运筹为基肥40%、分蘖肥20%、穗肥40%，不同处理的磷钾肥施用量一致，分别为15 kg P·hm-2、60 kg K·hm-2，磷肥（过磷酸钙）作为基肥一次性施入，钾肥（氯化钾）运筹为基肥50%，穗肥50%。麦季推荐施氮量和常规施氮量分别为200 kg N·hm-2和250 kg N·hm-2，磷钾肥用量分别为30 kg P·hm-2和30 kg K·hm-2，麦季的化肥运筹和稻季相同。麦秸还田模式和稻秸还田模式的秸秆还田量分别为5.5 t·hm-2和10.0 t·hm-2，稻秸麦秸均还田为15.5 t·hm-2。稻秸和麦秸在作物收获时同步收割机切碎，分别于小麦播种和水稻移栽前进行旋耕还田，还田的深度约12 cm，其中不还田的秸秆在作物收获后及时清运出农田。麦季期间在每个小区中间布置一条宽20 cm、深15 cm 的排水沟，用来排出麦季降水产生的积水。本研究中麦秸和稻秸的C/N分别为95 和51。不同秸秆还田模式的田间管理措施一致。

本次试验周期为 2014 年 11 月—2015 年 10 月。2014 年冬小麦3 次施肥时间分别为2014 年11 月5日、2015 年 1 月 7 日和 3 月 8 日；2015 年水稻 3 次施肥时间分别为 2015 年 6 月 18 日、7 月 8 日和 8 月 15 日，于水稻分蘖后期烤田1周。

1.2 样品采集和测定

水样采集：小麦生长期间，每次下雨并于小区排水沟内产生径流时沿排水方向采用五点混合法采取相应的径流水样。采集约100 mL 水样至聚乙烯瓶中，所采水样立即带回实验室用定性滤纸过滤，于每瓶滤液中加约3 mL 6 mol·L-1稀硫酸，进行冰冻保存。水稻生长期间，每次施肥后第1 d开始采取田面水样，然后每 2 d 取样 1 次，连续采样 4～5 次，之后每 10 d 取样1 次，直至水稻收获。稻季水样的采集、保存方法同麦季水样。

产量测定：小麦和水稻成熟后，各小区均单独收割测产，水稻（粳稻）和小麦（硬质红小麦）籽粒产量分别按含水量14.5%[24]和12.5%[25]计算。

1.3 计算方法及数据分析

所有试验数据均采用Microsoft Excel 2019 和Origin Pro 2020 软件进行数据计算和作图，采用PASW Statistics 18软件进行差异性和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田模式和施氮量对稻季田面水-N、N、DTN浓度的影响

长江下游区域内水稻移栽期处于高温季节，尿素施入稻田土壤后，受高温影响很快转化为-N，导致稻田田面水中-N 浓度很快升高，一般在每次施肥后数日内达到峰值。本试验的监测数据也取得了相似的结论，单施化肥（N1）处理下基肥期-N浓度峰值出现在施肥后第1 d，而秸秆还田处理下浓度峰值出现在施肥后1～4 d；蘖肥期和穗肥期的浓度峰值均出现在施肥后第1 d（图1）。在等氮量水平下（推荐施氮量），N1 处理下3 次施肥期的峰值分别为2.94、1.98、5.49 mg·L-1，均高于WN1、RN1和WRN1处理的峰值。统计分析表明（表1），整个水稻生育期内N1、WN1、RN1、WRN1处理下稻田田面水中-N的平均浓度分别为1.07、0.85、0.59、0.76 mg·L-1，N1处理下-N 平均浓度显著高于 WN1、RN1 和 WRN1 处理，WN1 和WRN1 处理没有显著差异，但均显著高于RN1 处 理 ，呈 以 下 规 律 ：N1＞WN1≈WRN1＞RN1。WN1、RN1、WRN1 等秸秆还田处理下-N 平均浓度较N1 处理分别降低0.22、0.48、0.31 mg·L-1，降幅分别为20.6%、44.9%和29.0%，平均降幅约31.5%。在稻秸麦秸均还田的条件下，WRN2处理在整个生育期内田面水-N平均浓度为1.29 mg·L-1，而WRN1处理只有0.76 mg·L-1，表明秸秆还田配施推荐施氮量较配施常规施氮量可有效降低稻田田面水中-N 浓度。本试验中推荐施氮处理下田面水-N 浓度降低了0.53 mg·L-1，秸秆还田配施推荐施氮量能有效降低稻田-N的径流风险。

表1 不同处理下稻季田面水中氮磷平均浓度分析（2015年）Table 1 Analysis of average N and P concentrations in surface water in rice season under different treatments（2015）

2.2 秸秆还田模式和施氮量对稻季田面水DTP 浓度的影响

稻季田面水中DTP 监测结果表明（图4），N1 和RN1 处理下稻田田面水中DTP 浓度峰值出现在施肥后的第1 d，之后 DTP 浓度呈降低趋势，WN1、WRN1和WRN2 处理下田面水DTP 浓度在施肥初期低于N1和RN1 处理，其峰值出现在施肥后的3～4 d。从整个生育期来看，N1、WN1、RN1、WRN1、WRN2 处理下田面水中DTP 的平均浓度分别为0.15、0.17、0.16、0.20、0.19 mg·L-1，均高于水体富营养化总磷浓度临界值（0.02 mg·L-1），有可能引发附近水体的富营养化。

在等氮量水平下，WRN1处理下田面水中DTP 平均浓度显著高于WN1 和RN1 处理，WN1 略高于RN1处理但显著高于N1 处理，RN1 和N1 处理间没有显著差异，表现为：WRN1＞WN1≥RN1≥N1（表1）。本试验中，秸秆还田增加了稻田田面水DTP浓度，较N1处理平均增幅约17.8%（6.67%～33.3%），其中RN1 处理增幅最小，约6.67%。在稻秸麦秸均还田条件下，WRN2处理下田面水中DTP 的平均浓度较WRN1 处理低0.01 mg·L-1，两者间没有显著差异。

2.3 秸秆还田模式对麦季径流氮磷浓度的影响

冬小麦期间共有6 次降雨产生了田面径流，降水时间分别为 2015 年 2 月 8 日、2 月 14 日、3 月 1 日、4 月20 日、4 月 24 日、5 月 14 日，其他时间段的降雨较小，没有产生田面径流，不予考虑。其中N1 和RN1 处理在6次降水时均采集到径流水样，而WN1和WRN1仅在2月8日和2月14日时采集到径流水样。麦季径流的氮磷浓度及其平均浓度如图5 所示。图中“前2 次均值”代表 N1、WN1、RN1 和 WRN1 处理下第 1 次和第2 次径流水样中氮磷浓度均值，“6 次均值”代表N1 和RN1 处理下冬小麦期间6 次径流水样中氮磷浓度均值。

2 月8 日和2 月14 日径流养分浓度数据表明，RN1 和WRN1 处理下径流中-N 和 DTN 浓度低于N1处理，而WN1处理高于N1处理，表现为：WN1＞N1＞RN1＞WRN1；N 浓度在2 月8 日表现为秸秆还田处理＜N1 处理，2 月 14 日表现为秸秆还田处理＞N1 处理，但-N 平均浓度表现为秸秆还田处理＜N1 处理。3 种秸秆还田处理下DTP 浓度均高于N1 处理，表现为 WRN1＞RN1＞WN1＞N1。结合径流氮磷浓度可以发现，3 种还田处理中RN1 处理可以降低麦季氮径流风险，同时它的磷径流风险较小；WRN1 处理下麦季氮径流风险降幅虽然最大，但它的磷径流风险大于RN1 处理；而WN1 处理的麦季氮磷径流风险均有所增加。

RN1 和N1 处理下6 次麦季径流水样监测结果表明，RN1处理下-N、-N 和 DTN 浓度均低于 N1处理，且DTN 浓度随时间呈降低趋势；而DTP 浓度基本以RN1 处理较高（3 月1 日水样除外），且DTP 浓度随时间呈先增后降的趋势。从整个麦季来看，N1 处理下径流中-N、-N、DTN、DTP 的平均浓度分别为 0.46、2.57、3.57、0.010 mg·L-1，RN1 处理下径流中-N、-N、DTN、DTP的平均浓度分别为0.37、2.27、3.13、0.013 mg·L-1。与 N1 处理相比，RN1 处理下-N、-N、DTN 的平均浓度分别降低0.09、0.30、0.44 mg·L-1，降幅分别为19.6%、11.7%、12.3%，而DTP 浓度则相反，较N1 处理增加了30.0%（0.003 mg·L-1）。t检验表明，RN1 和 N1 处理下麦季径流中氮磷平均浓度间均没有显著差异（P＞0.05），这表明与单施化肥处理相比，稻秸还田对麦季径流水中的氮磷浓度没有显著影响，不会加剧麦季的氮磷径流风险。

2.4 秸秆还田模式和施氮量对水稻和小麦产量的影响

分别于小麦和水稻收获季进行测产，2014 年冬小麦和2015年夏水稻的产量数据见表2。

在等氮量条件下，WN1 和 WRN1 处理较 N1 处理均显著增加小麦产量，增产幅度分别为7.46%和7.66%，RN1 处理略有减产，但没有达到显著水平；水稻产量显示，WN1、RN1 和WRN1 等秸秆还田处理较N1 处理均增加水稻产量，平均增产幅度达19.2%，其中WRN1 和RN1 处理增产效果显著，较N1 处理分别增产25.2%和22.2%。在稻秸麦秸均还田条件下，WRN2 和WRN1 处理下小麦和水稻产量均无显著差异。从稻麦周年产量来看，秸秆还田处理下稻麦的周年产量均显著高于秸秆不还田处理，平均增幅约9.03%～18.5%，其中WRN1 和RN1 处理增产效果高于WN1 处理，且WRN1 和RN1 处理没有显著差异。WRN2 处理下周年稻麦产量略高于WRN1 处理，但没有达到显著差异。

表2 秸秆还田和施氮对小麦和水稻产量的影响（2014—2015年，t·hm-2）Table 2 Effects of straw incorporation and N application rate on wheat and rice yield（2014—2015，t·hm-2）

3 讨论

长江下游是我国重要粮食产区，Xing 等[26]研究表明长江流域稻麦轮作稻田的施氮量高达500～600 kg N·hm-2·a-1，大量氮肥在未充分利用前通过地表径流、淋溶等途径进入农田周围水体，加重水体富营养化[7，27]。秸秆还田作为一项有效培肥增产农业措施，被列为区域秸秆综合利用首要措施[1]。秸秆还田可以通过秸秆腐解的养分释放和秸秆对养分的吸持作用影响稻田田面水或者径流中氮磷浓度，从而影响稻田的氮磷径流风险[28-30]。在化肥施用量一致的条件下，朱利群等[31]研究认为秸秆还田可以通过降低稻田田面水中氮磷浓度减少稻田氮磷径流损失，其在太湖地区进行的秸秆还田试验表明，秸秆还田处理下稻田田面水TN、TP 浓度较不还田处理分别降低15.4%～19.8%和5.48%～14.9%，氮磷径流损失量分别减少20.0%～28.9%和10.3%～22.0%。本试验结果表明，秸秆还田降低稻田田面水氮浓度但同时增加磷浓度。在稻季，不同秸秆还田模式均降低了稻田田面水中-N 和-N浓度，较不还田处理分别降低31.5%和47.1%，降低了稻田氮径流风险；对于磷而言，不同秸秆还田模式均增加了田面水DTP 浓度，平均增幅约17.8%，增加了稻田磷径流风险。麦季试验也取得了相似结果，秸秆还田降低麦季径流中-N 和-N 浓度，较不还田处理分别降低19.6%和11.7%，但增加DTP浓度，增幅约30.0%。本试验中秸秆还田降低了稻田稻季田面水和麦季径流中氮素浓度，主要有两方面的原因：一是还田秸秆具有高C/N，秸秆还田初期易发生微生物固氮作用[1，32]，秸秆吸附田面水中的氮素，从而造成田面水氮浓度降低；二是还田秸秆在水稻和小麦生育期的中后期虽然释放一定量的氮素[33]，但由于水稻和小麦此时处于生长旺盛期需要吸收大量氮，从而导致不同处理下稻田田面水中氮含量均较低，无显著差异。本试验中秸秆还田增加稻季田面水和麦季径流的磷浓度，主要是因为秸秆含有的磷遇水易释放[34]，以及秸秆腐解产生的有机酸与土壤钙-磷、镁-磷、铝-磷进行螯合反应，释放土壤固定的磷[35]。总体而言，秸秆还田降低稻田氮径流风险，但增加磷径流风险。因此，在秸秆还田过程中需要采取某些农艺措施降低秸秆还田带来的磷径流流失风险，如优化秸秆还田模式、减少磷肥用量、加高农田四周田埂高度等。

秸秆还田模式和施氮量影响稻田氮磷径流风险。当施氮量一致时，稻秸还田、稻秸麦秸均还田和麦秸还田模式均降低稻季田面水DTN 浓度，较不还田模式分别降低14.9%、7.9%和5.2%，其中稻秸还田模式降幅最大，其DTN 浓度显著低于稻秸麦秸均还田和麦秸还田模式，而稻秸麦秸均还田和麦秸还田模式无显著差异。这是因为，对于稻季而言，稻秸还田模式的秸秆还田发生在麦季，秸秆氮释放集中在麦季；而稻秸麦秸均还田和麦秸还田模式的秸秆还田发生在稻季，其秸秆氮的释放集中在稻季[34]。因此，稻秸还田模式下稻季田面水的氮浓度低于稻秸麦秸均还田和麦秸还田模式，3 种还田模式中以稻秸还田模式对径流氮的削减效果最好，稻秸麦秸均还田和麦秸还田模式次之。秸秆还田较不还田处理均提高了稻季田面水DTP浓度，其中麦秸还田和稻秸麦秸均还田模式下DTP 浓度增加显著，而稻秸还田模式增加不显著。这主要与秸秆磷遇水易释放的规律有关。稻秸还田模式下的稻秸磷主要在麦季释放，而稻秸麦秸均还田和麦秸还田模式的麦秸磷主要在稻季释放[34]。因此，3 种还田模式中以稻秸还田模式下田面水中DTP 浓度的增幅最小，采用稻秸还田基本不会增加稻田稻季磷径流风险。总体来看，稻秸还田模式可以在不增加磷径流风险前提下，有效降低稻季氮径流风险。对于麦季径流而言，本试验数据表明，稻秸还田模式虽然增加了麦季径流中DTP 浓度，但同时降低了DTN 浓度，且DTP 和DTN 浓度与不还田模式均没有显著差异。因此，3 种还田模式中以稻秸还田模式的周年氮磷径流损失最小。在稻-麦轮作体系中，稻秸还田模式可以有效防控农田的周年氮磷径流风险。在稻秸麦秸均还田条件下，推荐施肥处理下田面水DTN 浓度较常规施肥处理降低0.43 mg·L-1，降幅约12.4%，这表明稻田田面水中氮素浓度随施氮量的增加而增加，这与汪军等[36]在太湖地区的秸秆还田试验结论一致；DTP 浓度受施氮量的影响较小，推荐施氮处理和常规施氮处理间DTP浓度没有达到显著差异。因此，在秸秆还田下减少氮肥用量可以有效降低稻田的氮径流风险。

长江下游作为我国重要粮食产区，因此保障稻田的稳产高产是筛选适宜农业耕作措施的一个重要标准。本试验中稻麦产量表明，秸秆还田模式下小麦虽有一定的减产（RN1 处理略有减产，但不显著），但水稻呈增产趋势。从稻麦周年产量来看，3 种秸秆还田模式下稻麦周年产量均呈增加趋势，但不同秸秆还田模式的增产效果不同。本试验中稻秸麦秸均还田和稻秸还田模式下的稻麦周年产量没有显著差异，但均高于麦秸还田模式。此外，研究还表明，在稻秸麦秸均还田条件下，推荐施氮处理下稻麦周年产量与常规施氮处理之间没有显著差异，同时节氮约20%。因此，在长江下游地区采用“RN1”模式可以在降低施氮量的前提下，保障当地的周年稻麦产量安全。

4 结论

（1）不同秸秆还田模式均增加稻麦的周年产量，其中稻秸还田和稻秸麦秸均还田模式的周年产量高于麦秸还田模式；稻秸麦秸均还田下，推荐施氮处理下的稻麦周年产量较常规施氮处理无显著差异，同时节氮20%。

（2）推荐施氮水平下，不同秸秆还田模式均降低稻季田面水和麦季径流中氮浓度，但增加磷浓度。稻秸还田模式显著降低稻田的氮径流风险，但对磷径流风险影响不显著。

（3）稻秸麦秸均还田下，推荐施氮较常规施氮处理有效降低稻田田面水DTN 浓度，但对DTP 浓度无显著影响。

综合考虑稻田的周年稻麦产量和氮磷径流风险，推荐长江下游稻-麦轮作农田采用“麦季稻秸还田+推荐施肥”模式，该模式下稻田的周年氮磷径流风险最小，且可以维持稻麦周年高产，是一种兼顾生态环境效益和粮食安全的耕作模式。在实际生产过程中可以通过减少磷肥用量、加高田埂等措施进一步降低稻田磷径流风险。对于不还田的麦秸应及时收集、转运，进行合理化利用。