茭草還田對茭白田表水中污染物濃度的影響

周楊 姚岳良 施麗珍 陳建霞 章明奎

摘要：為了解茭白生產過程中茭草還田對田面水體中污染物的影響及其可能產生的農田面源污染，模擬試驗研究了淹水條件下不同用量（0%、0.5%、1.0%）茭草覆蓋還田和與土壤混合還田對田面水體中COD、氮、磷等污染物濃度的影響。結果表明，田面表水的電導率、COD、磷、鉀、鐵、錳在試驗初期呈明顯上升，第20-30天之后逐漸下降至相對穩定狀態;NH4+-N濃度峰值出現在培養試驗前10天內。電導率、COD、磷、鉀、鐵、錳濃度隨茭草還田量的增加而增加，而NH4+-N的濃度變化則相反;茭草覆蓋還田對田面表水中電導率、COD及養分濃度的影響大于茭草與土壤混合還田;配施氮肥可明顯增加田面水的電導率和NH4+-N濃度。研究建議，采用茭草與土壤混合還田，并控制好茭草還田前期（前30天）田面水的排放。

關鍵詞：茭白秸稈;還田;面源污染;DOC;氮;磷

中圖分類號：X53，S19

文獻標志碼：A

論文編號：cjas18120029

0引言

秸稈還田對于農田生態系統而言具有正負二方面的作用，其在歸還作物吸收的養分、增加土壤有機質積累、減少化肥施用量的同時，也會因過量還田或不合理地還田，使得秸稈在分解過程中向水體釋放大量的污染物質，從而增加農田面源污染物質的產生。

在中國以往的文獻中，科研人員對秸稈還田的正效應做了大量的試驗研究[1-3]，它不僅能增加土壤有機質含量[4-6]，改善土壤理化性狀[7-9]，增加土壤保蓄能力，還能提高土壤生物學性狀[10-13]，促進土壤養分元素的良性循環[9，14]。有關秸稈還田對環境污染的影響研究雖也有所報道，但大多注重于覆蓋還田后對農田養分流失影響和溫室氣體的釋放[14-18]，較少觀察秸稈分解對地表水體質量的影響[19-20]。

茭白是縉云縣農業的主導產業之一，規模種植始于20世紀90年代后期。2017年，全縣茭白種植面積己達到0.43萬hm2，主要分布在大洋鎮、壺鎮鎮、前路鄉、新建鎮和大源鎮等鄉鎮，年產量10.7萬t，總產值3.7億元。縉云縣茭白生產具有長年淹水種植、秸稈全量還田的特點。為了解茭草在長年淹水種植環境下全量還田對地表水環境的可能影響，在室內開展不同條件下茭草養分釋放特征的模擬研究，以期為了解茭草還田的正負效應提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗時間、地點

模擬試驗于2016年7-12月在浙江杭州進行。

1.2試驗材料

1.2.1供試土壤采自縉云縣新建鎮茭白種植8年的農田，土壤類型為培泥砂田（屬水稻土土類），采樣深度0-20cm。土樣用1個塑料容器并保持潮濕狀態運回溫室，混勻后用濕土直接進行試驗。供試土壤有機質含量為32.74g/kg，pH6.14;全氮2.34g/kg，全磷0.78g/kg，有效鉀158mg/kg。

1.2.2供試茭草 茭草指茭白地上部分成熟茭白莖葉。試驗前剪成2-3 cm，其（干物）中氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量分別為15.47、4.01、15.21g/kg。

1.3試驗方法

1.3.1試驗設計 采用模擬培養方法在溫室內進行。試驗容器為直徑、高分別為20、35cm塑料桶。試驗涉及3個因素，分別為茭草施用量（0%、0.5%、1%）、茭草施用方法（覆蓋施用和與土壤混合施用）和氮肥施用量（不加氮肥和每桶加0.75g尿素的氮肥），共10個處理。每桶濕土用量為5kg，重復3次。

茭草覆蓋施用，是指把茭白莖葉覆蓋在土表，而與土壤混合施用指通過翻耕與土壤充分混勻。加尿素目的是調節土壤碳氮比，彌補茭白莖葉礦化過程因微生物同化引起的氮素不足;加入的尿素與土壤充分混勻。試驗時每桶添加適量的水，使土表形成5cm厚的水層，同時稱量每桶的質量。分別在試驗后的第1、2、3、5、10、15、20、30、50、75、100、125天采集田面表水樣，測定電導率、pH值、NH4+-N、NO3--N、DOC、水溶性P、水溶性K、水溶性Fe、Mn。其中，電導率、pH值用樣品直接測定，其他項目測定時水樣過0.45μm濾膜。每次采樣后（非取樣時每隔5天）添加適量水調節土壤水分，使其與試驗前保持一致。試驗期間溫室溫度控制在25-35℃之間。

1.3.2測定方法 用電導儀測定電導率;用pH計測定pH值[21];用靛酚藍比色法測定銨態氮（NH4+-N）;用紫外分光光度法測定硝酸鹽氮（NO3--N）;用鉬藍比色法測定水溶性磷;鉀、鐵、錳用原子吸收法測定;水溶性有機碳（DOC）用Shimadzu TOC自動分析儀測定。

1.3.3統計分析數據處理與分析在Excel 2003軟件上進行。

2結果與討論

2.1電導率、pH值和DOC的變化

結果表明（見圖1），試驗初期田面表水中電導率有明顯的增加。之后，對照處理（無茭草還田）土壤電導率在640μS/cm（無氮肥）和710μS/cm（施氮肥）上下波動，變化較小。對于無氮肥的情況下，當茭草還田量為0.5%時，田面表水的電導率有輕微的增加;而當茭草還田量為1.0%時，表水電導率明顯地增加。茭草還田的田面表水的電導率在培養時間20-30天左右達到峰值，之后隨時間逐漸下降，但至培養結束時，表水電導率仍高于試驗初期。與無氮肥的情況比較，施氮情況下，當茭草還田量為0.5%時田面表水電導率與對照比較的增量明顯地提高，這可能與氮肥的施入增加了土壤微生物活性、加速茭草分解有關。田面表水的電導率隨茭草還田量的增加而增加，這顯然與茭草降解釋放出鉀、鈣、鎂等礦質元素有關。總體上，茭草覆蓋施用時的田面表水的電導率略高于茭草與土壤混合施用，這與茭草覆蓋施用時茭草降解釋放的礦物質直接進入田面表水有關。施用氮肥處理的田面表水電導率明顯高于相應的無氮肥處理，前者平均比后者高10.80%-31.60%。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均電導率比對照分別增加13.32%、8.75%、58.31%和49.33%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均電導率比對照分別增加34.58%、24.65%、59.88%和49.86%。

由圖2可知，試驗初期，各處理田面表水的pH值均有下降趨勢，3-10天達到低值，但之后pH值又逐漸回升。田面表水的pH值隨茭草還田量的增加而下降，下降原因可能與茭草分解釋放出有機酸有關。在培養試驗的5-100天之間，多數情況下茭草還田處理的田面表水的pH值明顯低于對照處理。總體上，施氮處理的田面表水pH值略低于無氮肥處理，但二者差異不明顯。從試驗期間田面表水的平均pH值來看，茭草與土壤混合施用的略高于茭草覆蓋施用，但2種還田方式間差異也不明顯。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用表水的平均pH值比對照分別降低了2.47%、2.36%、4.31%和3.00%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均pH值比對照分別下降1.12%、0.73%、3.71%和2.32%。

茭草還田明顯地增加了田面表水的DOC濃度，DOC濃度隨還田量的增加而增加（見圖3）。茭草還田處理的田面表水DOC在培養時間20天左右達到峰值，之后逐漸下降。試驗期間施氮處理的田面表水的平均DOC濃度略高于無氮處理，這可能與施氮處理增強的微生物的活性、促進低分子有機物質分解有關。茭草還田方式對表水的DOC濃度也有一定的影響，一般是在試驗前期覆蓋施用高于與土壤混合施用，而至試驗后期則是與土壤混合施用略高于覆蓋施用。這種差異可能與覆蓋施用處理前期茭草分解強度高于與土壤混合施用有關。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的平均DOC比對照分別增加74.25%、72.41%、108.76%和105.08%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的DOC比對照分別增加98.63%、92.68%、134.20%和134.61%。

2.2氮素的變化

試驗期間施氮處理田面表水中NH4+-N濃度明顯高于無氮處理（見圖4），但對田面表水中N03--N濃度的影響較小（見圖5）。無論施氮還是不施氮，茭草還田均可導致表水中NH4+-N濃度的下降，下降程度隨茭草還田的增加而增加。茭草覆蓋施用處理的表水NH4+-N濃度略低于與土壤混合施用。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的NH4+-N平均濃度比對照分別降低22.16%、15.06%、27.15%和15.18%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的NH4+-N平均濃度比對照分別下降11.26%、4.68%、24.56%和16.83%。

茭草還田可輕微降低田面表水中N03--N濃度（見圖5），但茭草覆蓋施用與與土壤混合施用處理的田面表水N03--N濃度差異不明顯。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的N03--N平均濃度比對照分別下降31.21%、28.19%、34.57%和35.64%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的N03--N平均濃度比對照分別下降32.27%、35.28%、37.23%和32.27%。

2.3磷素和鉀素的變化

不管是施氮還是不施氮，與對照處理比較，茭草還田均增加了田面表水中磷的濃度（見圖6），增加量隨茭草還田量的增加而增加;茭草覆蓋施用處理的田面表水磷濃度略低于與土壤混合施用。但田面表水中磷的濃度隨試驗時間的增加呈現下降趨勢，最后達到相對平穩。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的磷平均濃度比對照分別增加13.06%、7.22%、23.33%和20.56%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的磷平均濃度比對照分別增加13.61%、8.33%、23.89%和24.17%。茭草還田引起的田面水中磷濃度增加可能與茭草還田促進土壤磷素釋放有關。有研究報道，土壤中陰離子有機酸可與土壤膠體表面的磷酸根發生交換作用，促進磷的釋放[22-23];在還原條件下，與氧化鐵結合的磷可因鐵的還原被釋放出來[24]。

茭草中含有較高含量的鉀素，茭草還田后隨著茭草的分解，其中的鉀素被逐漸釋放出來，顯著地增加了表水中鉀的濃度（見圖7），其濃度在試驗初期呈現先增加，之后逐漸趨向穩定。田面表水中鉀濃度增加量隨茭草還田的增加而增加，茭草覆蓋施用的田面表水鉀濃度略高于與土壤混合施用。不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的鉀平均濃度比對照分別增加166.68%、147.64%、252.50%和227.48%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的鉀平均濃度比對照分別增加165.12%、147.65%、237.95%和225.09%.

2.4鐵和錳的變化

由圖8-9可知，茭草還田顯著增加了田面表水中Fe和Mn的濃度。在試驗初期，表水中Fe和Mn的濃度迅速增加，至培養時間20天左右達到峰值，之后有所下降，并仍穩定在較高水平。田面表水中Fe和Mn的濃度隨茭草還田量的增加而增加，在試驗前30天，茭草覆蓋施用的田面表水中Fe和Mn的濃度高于與土壤混合施用，而在試驗后期，覆蓋施用與與土壤混合施用之間的田面表水中Fe和Mn的濃度差異逐漸減小。

不施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的鐵和錳平均濃度分別比對照增加111.75%和60.06%、91.04%和66.17%、162.63%和85.89%、127.91%和87.75%;施氮情況下，0.5%茭草覆蓋施用、0.5%茭草與土壤混合施用、1.0%茭草覆蓋施用和1.0%茭草與土壤混合施用田面表水的Fe和Mn平均濃度分別比對照增加87.56%和50.75%、72.19%和50.94%、125.95%和73.59%、104.71%和76.84%。土壤中含有豐富的Fe、Mn，土壤溶液中Fe、Mn濃度主要取決于它們的溶解度。茭草還田顯著地增加了土壤中可還原的有機物質，在這些有機物質分解過程中消耗了土壤中的氧氣，大大降低了土壤氧化還原電位，促進了二價Fe、Mn離子的形成，從而增加了田面水中Fe、Mn的濃度。

3結論

模擬試驗結果表明，在長期淹水種植茭白的農田中，茭草還田可增加田面表水中面源污染物，增加田面表水中COD、P、K、Fe、Mn濃度，提高程度隨茭草還田量的增加而增加。茭草還田同時也可導致田面表水酸度增加。茭草覆蓋還田對田面水中COD、P、K、Fe、Mn濃度的影響大于茭草與土壤混合還田。茭草還田對田面表水水質的影響主要出現在還田后的前30天。認為應控制茭草還田前期（前30天）田面水的排放，減少田面表水進入地表水體。從面源污染控制的角度，茭草與土壤混合還田優于覆蓋還田。

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基金項目：縉云縣農業農村局項目“農田長期連作茭白對土壤質量的影響及茭白施肥技術和專用肥研究”。

第一作者簡介：周楊，男，1963年出生，江蘇昆山人，推廣研究員，本科，主要從事土壤與蔬菜生產管理方面的研究。通信地址：321400浙江省縉云縣五云鎮大橋北路290號縉云縣農業農村局，E-mail：1364284769@qq.com。

收稿日期：2018-12-29，修回日期：2019-05-13。