秸秆和土壤耕作氮磷动态效应研究及其流失风险评价
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摘要
我国是农业大国，农作物秸秆是自然界中数量极其丰富的资源，我国每年农作物秸秆产量达7亿吨之多，目前秸秆资源的利用中存在利用率和利用效率低的问题，造成了天然资源的巨大浪费与环境污染。同时，随着农业生产水平的提高，尤其近年来氮磷肥的过量使用，通过降雨径流及排水径流流失的化肥N、P已成为影响水体环境的一个重要农业面源污染源，造成水体的严重富营养化。
本实验分别于2005-2006年在江苏南通和南京进行，采用大田实验研究了秸秆和土壤耕作对直播稻田土壤理化性质和产量的影响，采用盆栽模拟实验研究秸秆和土壤耕作稻田土壤和水层氮磷动态效应，为实现作物可持续高产、高效、安全提供科学依据；为实现农业的可持续发展和农村生态环境保护提供理论参考。
主要结论如下：
1、秸秆和土壤耕作下土壤理化性质和产量研究
秸秆还田显著降低土壤容重、增大土壤总孔隙度、非毛管孔隙度，对毛管孔隙度的影响相对较小，连续两年秸秆还田土壤容重降低了2.27-4.45％，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度分别增加了1.39-6.49％、22.77-54.76％；秸秆还田显著增加土壤有机质含量、全氮含量和速效磷含量，连续两年秸秆还田分别提高了11.52-17.47％、2.83-7.21％和12.9-31.60％，同时促进土壤速效钾含量的增加；秸秆还田对水稻有效穗数的增加、结实率和千粒重的提高具有促进作用，有利于增加产量，但不利于穗粒数的增加，差异性不显著。
土壤耕作方式显著影响土壤物理性质的垂直差异性，土壤耕作深度越深，影响越显著，同时显著影响化学性质的垂直分布，免耕使土壤营养表层富集，深翻耕促使不同土层之间的平均化，连续两年深翻耕、连续两年浅翻耕和连续两年旋耕处理可以提高有效穗数、结实率和千粒重，对产量具有促进作用，连续两年免耕处理有利于穗粒数的提高。
第一年深翻耕第二年免耕处理(DN和DNs)显著增加土壤毛管孔隙度，深翻耕对容重、总孔隙度和非毛管孔隙度的影响至少保持两年，同时削弱了深翻耕对土壤化学性质的影响，但深翻耕的影响仍较为显著，对产量的影响居于连续两年免耕和连续两年深翻耕之间。
2、秸秆和土壤耕作土壤氮磷动态效应研究
秸秆显著增加土壤全氮含量，同时增强土壤对氮素的吸收和固定；有秸秆处理中，土壤耕作方式主要通过影响秸秆的垂直分布，对土壤全氮含量动态具有明显的影响，无秸秆处理中，土壤耕作方式主要通过影响基肥的垂直分布对不同土层的全氮含量产生影响；基肥氮素主要被主要分布层土壤吸收固定，分蘖肥氮素43.08-69.06％被0-7cm土层吸收固定；施用分蘖肥后，0-21cm土壤全氮含量第2天达到最大值，第7天土壤全氮含量低于施肥前水平。
施用分蘖肥之前，有秸秆处理具有较低的土壤速效磷含量，秸秆显著增强追肥后土壤对磷的吸收，秸秆分布在0-7cm土层最为明显；施用追肥后，有秸秆处理土壤速效磷含量增加量明显大于无秸秆处理，但有秸秆处理土壤速效磷含量下降较快，追肥15天以后有秸秆处理又具有较低的土壤速效磷含量；基肥磷主要被主要分布层土壤吸收，土壤耕作方式通过影响基肥的施用深度，显著影响速效磷的垂直分布；追肥磷60.56-69.38％被0-7cm土层吸收固定，施用追肥对0-7cm土层土壤速效磷含量的影响最为显著；施用追肥后，土壤速效磷含量大部分处理和土层第2天达到最大值。
3、秸秆和土壤耕作水层氮磷动态效应及其流失几率评价
施肥后0-7天是N、P流失的关键时期，秸秆可以显著降低施肥初期稻田全氮、全磷、氨态氮和硝态氮含量，基肥、分蘖肥和穗肥施用后1-7天，有秸秆各处理水层全氮含量比无秸秆各处理平均降低37.48％、28.17％和23.39％；施用基肥和分蘖肥后1-7天，有秸秆各处理水层全磷含量比无秸秆各处理平均降低106.10％和194.50％；施用分蘖肥后7天内有秸秆处理免耕、旋耕、浅翻耕和深翻耕稻田水氨态氮含量分别比无秸秆处理低8.74％、27.55％、15.10％和19.98％，硝态氮含量分别降低56.04％、42.59％、44.66％和30.43％。土壤耕作方式对稻田水层全氮和全磷含量产生较为明显的影响，基肥后耕作深度对水层全氮、全磷含量的影响占主导因素，水层全氮、全磷含量与耕作深度呈负相关；追肥后秸秆的分布对水层全氮、全磷含量的影响占主导因素，秸秆掩埋的越深对水层全氮全磷含量的影响越小。施肥后7天内水层全氮含量的可用一级反应方程(y=C_0×e~(-kt))进行拟合表征，水层全磷含量符合乘幂方程(y=C_0×t~(-k))，拟合结果均达到极显著水平，在此基础上构建出施肥7天N、P流失几率评价模型，氮流失量(kg·ha~(-1))=∑(C0×e~(-kt))×AR×10~(-2) t∈[1，7]，磷流失量(kg·ha~(-1))=∑(C0×t~(-k))×AR×10~(-2) t∈[1，7]；N、P流失对环境的影响系数分别采用0.17和0.83，对不同处理进行评价，可以得出从N、P流失对环境的影响角度，有秸秆处理N、P流失对环境污染的影响比无秸秆处理减少42.25％(Ns)、41.82％(Rs)、43.12％(Ls)、38.31％(Ds)；浅翻耕+秸秆处理对环境N、P污染的影响最小，是较为理想的处理组合。
Straw is the extreme resource in nature. As a big agricultural country, ourcountry's straw output amount to 700 million ton. At present there was low useefficiency in straw resource and that caused huge waste and environment pollution. Atthe same time along with the improvement of the agriculture, especially the excessiveuse of nitrogen and phosphorus fertilizer, the nitrogen and phosphorus in fertilizerthrough the rainfall and drainage to water, which could cause water bodyeutrophication had become an important rural plane source pollution.
This experiment, which was conducted in Nanjing and Nantong from 2005 to2006, by adopting field experiment, did research on the paddy soil physico-chemicalproperties and the yield under straws and tillage, and, by adopting potted simulatingexperiment, did research on the influence of straws and tillage on nitrogen andphosphorus dynamic. The purposes of this research were to supply the scientific basisfor the sustainable development of the crops high yield, high efficiency and safety andprovide the theoretical references to the protection of the rural ecologicalenvironment.
The results were as follows:
1 The study of straw returning and soil tillage on soil physieochemieal propertiesand yield
Straw returning significantly decreased the bulk density and increased the totalporosity and non capillary porosity, but had relatively effects on capillary porosity.After two years straw rettming soil bulk density reduced 2.27-4.45%, total porosityand non capillary porosity increased 1.39-6.49% and 22.77-54.76% respectively. Inthe meanwhile, straw retuning also significantly increased the soil organic matter,total nitrogen content and available phosphorus content, which increased11.52-17.47%, 2.83-7.21% and 12.9-31.6% after two years straw retuning. Theavailable potassium was increased too. The straw retuning increased the yield, number of available panicles, 1000-grain weight and the yield, however, it had a negative butinapparent effect on the increasing of the kernel number.
Soil tillage significantly influenced the vertical diversity of soil physicalproperties. The deeper the soil tillage was, the more remarkable the effect was. At thesame time it impacted the vertical distribution of soil chemical properties. No-tillagecaused nutrient enrichment on the soil surface-layer, while deep plowing urgeddifferent layers approaching average level. DD, LL and RR may increase paniclenumber, seed setting rate and 1000-grain weight and promote the yield. NN was goodfor the increasing of panicle number.
DS and DNs significantly enhanced soil capillary porosity. The deep plowinginfluenced bulk density, total porosity and non capillary porosity two years at least;meanwhile weakened its effect on soil chemical property. But its influence was stillsignificant and its effects to yield between NN and DD.
2 The research on straw and soil tillage to the dynamic effect of soil nitrogen andphosphorus
Straws markedly enhanced the content of soil total nitrogen, and assimilation andsequestration of soil to nitrogen at the same time. In the straws treatments, tillagemethods had an evident impact on soil total nitrogen dynamic content mainly by theway of affecting the vertical distribution of straws, while, in the non-strawstreatments, tillage methods influenced the total nitrogen content in different soil layersby affecting the vertical distribution of basal fertilizer. N of basal fertilizer mainly beabsorbed and fixed by major soil distribution, 43.08-69.06% of the nitrogen offilleting fertilizer was absorbed and fLxed by 0-7cm soil layer; after applying tilleringfertilizer, soil total nitrogen content in 0-21 cm soil layer achieved the maximum valueon the 2nd day, and on the 7th day it would be lower than the level before fertilizerapplication.
Before applying filleting fertilizer, treatments with straws had a lower availablephosphorus content in the soil, and straws significantly enhanced the absorbing of soilto phosphorus after topdressing fertilizer, and this phenomena was most evident in0-7cm soil layer. After applying top-dressing fertilizer, in straws treatments, theincrease of soil available P content was evidently more than those without straws, butsoil available P content in straws treatments decreases more rapidly and 15 days aftertop-dressing fertilizer straws treatment soil would have a lower content of soil available P. P of basal fertilizer mainly be absorbed by major soil distribution layer.Tillage methods markedly affected vertical distributions of available P by affecting theapplying depth of basal fertilizer. 60.56-69.38% of the P of top-dressing fertilizer wasabsorbed and fixed by 0-7era soil layer. The top-dressing fertilizer had most evidentimpact on soil available P of 0-7cm soil layer. After applying top-dressing fertilizer,soil available P content of most treatments and soil layers would achieve maximumvalue on 2nd day.
3 The dynamic effects and loss rate evaluation of nitrogen and phosphorus instraw and soil tillage water layer
The results showed: 1-7 days after fertilization were the key periods of the lossof nitrogen and phosphorus. The straw returning could significantly decrease totalnitrogen (TN), total phosphorus (TP), ammoniacal nitrogen(NH_4~+-N) and nitratenitrogen(NO_3~--N) contents at initial fertilization periods. After 1-7 days of basicfertilizer, tiller fertilizer and panicle fertilizer, the aquatic TN content under strawtreatment reduced 37.48%、28.17% and 23.39% compared with the non-strawtreatment. After 1-7 days of basic fertilizer and tiller fertilizer, the aquatic TP contentunder straw treatment reduced 106.10% and 194.50% compared with the non-strawtreatment. In 7 days after applying tillering fertilizer, the no-tillage, rotary tillage, lowtillage and deep tillage of straws treatments, ammonium nitrogen content in the waterof paddy-field were respectively 8.74%, 27.55%, 15.10% and 19.98% less than thoseof non-straw treatment and the nitrate-nitrogen decreased 56.04%, 42.59%, 44.66%and 30.43% respectively. Tilling methods had obviously influence on the aquatic TNand TP content in paddy field. The tilling depth after the basic fertilizer was the mainfactor on the aquatic TN and TP and the aquatic TN and TP had negative correlationwith the tilling depth. The distribution of straw after topdressing fertilization had themain effect on the aquatic TN and TP. The deeper the straw buried, the less effects onthe aquatic TN and TP.
The aquatic total nitrogen content within 7 days applying fertilizer could befigured by the fitting according with the one stage reaction equation (y=C0×e~(kt)), andthe aquatic total nitrogen content accorded with exponentiation (y=C0×t~(-k)), and theresults of fitting achieved a significant level. Based on that we set up the NP drainmodel within 7 days applying fertilizer, the nitrogen loss amount (kg·ha-1)=∑(C0×e~(kt))×AR×10~(-2) t∈[1, 7], the phosphorus loss amount (kg·ha-1)=∑(C0×t ~(-k))×AR×10~(-2) t∈[1,7]. The affect coefficient of the nitrogen and phosphorus loss toenvironment adopts respectively 0.17 and 0.83. By evaluating different treatments andfrom the point of nitrogen and phosphorus loss to environment pollution we can drawa conclusion that the effects of the N, P loss to environment pollution decreased42.25%(Ns), 41.82%(Rs), 43.12%(Ls), 38.31%(Ds) each in the straws treatments thannon-straw treatment. The shallow tillage+straw disposal had least influence toenvironment N, P pollution and it is a comparative ideal combination.
本实验分别于2005-2006年在江苏南通和南京进行，采用大田实验研究了秸秆和土壤耕作对直播稻田土壤理化性质和产量的影响，采用盆栽模拟实验研究秸秆和土壤耕作稻田土壤和水层氮磷动态效应，为实现作物可持续高产、高效、安全提供科学依据；为实现农业的可持续发展和农村生态环境保护提供理论参考。
主要结论如下：
1、秸秆和土壤耕作下土壤理化性质和产量研究
秸秆还田显著降低土壤容重、增大土壤总孔隙度、非毛管孔隙度，对毛管孔隙度的影响相对较小，连续两年秸秆还田土壤容重降低了2.27-4.45％，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度分别增加了1.39-6.49％、22.77-54.76％；秸秆还田显著增加土壤有机质含量、全氮含量和速效磷含量，连续两年秸秆还田分别提高了11.52-17.47％、2.83-7.21％和12.9-31.60％，同时促进土壤速效钾含量的增加；秸秆还田对水稻有效穗数的增加、结实率和千粒重的提高具有促进作用，有利于增加产量，但不利于穗粒数的增加，差异性不显著。
土壤耕作方式显著影响土壤物理性质的垂直差异性，土壤耕作深度越深，影响越显著，同时显著影响化学性质的垂直分布，免耕使土壤营养表层富集，深翻耕促使不同土层之间的平均化，连续两年深翻耕、连续两年浅翻耕和连续两年旋耕处理可以提高有效穗数、结实率和千粒重，对产量具有促进作用，连续两年免耕处理有利于穗粒数的提高。
第一年深翻耕第二年免耕处理(DN和DNs)显著增加土壤毛管孔隙度，深翻耕对容重、总孔隙度和非毛管孔隙度的影响至少保持两年，同时削弱了深翻耕对土壤化学性质的影响，但深翻耕的影响仍较为显著，对产量的影响居于连续两年免耕和连续两年深翻耕之间。
2、秸秆和土壤耕作土壤氮磷动态效应研究
秸秆显著增加土壤全氮含量，同时增强土壤对氮素的吸收和固定；有秸秆处理中，土壤耕作方式主要通过影响秸秆的垂直分布，对土壤全氮含量动态具有明显的影响，无秸秆处理中，土壤耕作方式主要通过影响基肥的垂直分布对不同土层的全氮含量产生影响；基肥氮素主要被主要分布层土壤吸收固定，分蘖肥氮素43.08-69.06％被0-7cm土层吸收固定；施用分蘖肥后，0-21cm土壤全氮含量第2天达到最大值，第7天土壤全氮含量低于施肥前水平。
施用分蘖肥之前，有秸秆处理具有较低的土壤速效磷含量，秸秆显著增强追肥后土壤对磷的吸收，秸秆分布在0-7cm土层最为明显；施用追肥后，有秸秆处理土壤速效磷含量增加量明显大于无秸秆处理，但有秸秆处理土壤速效磷含量下降较快，追肥15天以后有秸秆处理又具有较低的土壤速效磷含量；基肥磷主要被主要分布层土壤吸收，土壤耕作方式通过影响基肥的施用深度，显著影响速效磷的垂直分布；追肥磷60.56-69.38％被0-7cm土层吸收固定，施用追肥对0-7cm土层土壤速效磷含量的影响最为显著；施用追肥后，土壤速效磷含量大部分处理和土层第2天达到最大值。
3、秸秆和土壤耕作水层氮磷动态效应及其流失几率评价
施肥后0-7天是N、P流失的关键时期，秸秆可以显著降低施肥初期稻田全氮、全磷、氨态氮和硝态氮含量，基肥、分蘖肥和穗肥施用后1-7天，有秸秆各处理水层全氮含量比无秸秆各处理平均降低37.48％、28.17％和23.39％；施用基肥和分蘖肥后1-7天，有秸秆各处理水层全磷含量比无秸秆各处理平均降低106.10％和194.50％；施用分蘖肥后7天内有秸秆处理免耕、旋耕、浅翻耕和深翻耕稻田水氨态氮含量分别比无秸秆处理低8.74％、27.55％、15.10％和19.98％，硝态氮含量分别降低56.04％、42.59％、44.66％和30.43％。土壤耕作方式对稻田水层全氮和全磷含量产生较为明显的影响，基肥后耕作深度对水层全氮、全磷含量的影响占主导因素，水层全氮、全磷含量与耕作深度呈负相关；追肥后秸秆的分布对水层全氮、全磷含量的影响占主导因素，秸秆掩埋的越深对水层全氮全磷含量的影响越小。施肥后7天内水层全氮含量的可用一级反应方程(y=C_0×e~(-kt))进行拟合表征，水层全磷含量符合乘幂方程(y=C_0×t~(-k))，拟合结果均达到极显著水平，在此基础上构建出施肥7天N、P流失几率评价模型，氮流失量(kg·ha~(-1))=∑(C0×e~(-kt))×AR×10~(-2) t∈[1，7]，磷流失量(kg·ha~(-1))=∑(C0×t~(-k))×AR×10~(-2) t∈[1，7]；N、P流失对环境的影响系数分别采用0.17和0.83，对不同处理进行评价，可以得出从N、P流失对环境的影响角度，有秸秆处理N、P流失对环境污染的影响比无秸秆处理减少42.25％(Ns)、41.82％(Rs)、43.12％(Ls)、38.31％(Ds)；浅翻耕+秸秆处理对环境N、P污染的影响最小，是较为理想的处理组合。
Straw is the extreme resource in nature. As a big agricultural country, ourcountry's straw output amount to 700 million ton. At present there was low useefficiency in straw resource and that caused huge waste and environment pollution. Atthe same time along with the improvement of the agriculture, especially the excessiveuse of nitrogen and phosphorus fertilizer, the nitrogen and phosphorus in fertilizerthrough the rainfall and drainage to water, which could cause water bodyeutrophication had become an important rural plane source pollution.
This experiment, which was conducted in Nanjing and Nantong from 2005 to2006, by adopting field experiment, did research on the paddy soil physico-chemicalproperties and the yield under straws and tillage, and, by adopting potted simulatingexperiment, did research on the influence of straws and tillage on nitrogen andphosphorus dynamic. The purposes of this research were to supply the scientific basisfor the sustainable development of the crops high yield, high efficiency and safety andprovide the theoretical references to the protection of the rural ecologicalenvironment.
The results were as follows:
1 The study of straw returning and soil tillage on soil physieochemieal propertiesand yield
Straw returning significantly decreased the bulk density and increased the totalporosity and non capillary porosity, but had relatively effects on capillary porosity.After two years straw rettming soil bulk density reduced 2.27-4.45%, total porosityand non capillary porosity increased 1.39-6.49% and 22.77-54.76% respectively. Inthe meanwhile, straw retuning also significantly increased the soil organic matter,total nitrogen content and available phosphorus content, which increased11.52-17.47%, 2.83-7.21% and 12.9-31.6% after two years straw retuning. Theavailable potassium was increased too. The straw retuning increased the yield, number of available panicles, 1000-grain weight and the yield, however, it had a negative butinapparent effect on the increasing of the kernel number.
Soil tillage significantly influenced the vertical diversity of soil physicalproperties. The deeper the soil tillage was, the more remarkable the effect was. At thesame time it impacted the vertical distribution of soil chemical properties. No-tillagecaused nutrient enrichment on the soil surface-layer, while deep plowing urgeddifferent layers approaching average level. DD, LL and RR may increase paniclenumber, seed setting rate and 1000-grain weight and promote the yield. NN was goodfor the increasing of panicle number.
DS and DNs significantly enhanced soil capillary porosity. The deep plowinginfluenced bulk density, total porosity and non capillary porosity two years at least;meanwhile weakened its effect on soil chemical property. But its influence was stillsignificant and its effects to yield between NN and DD.
2 The research on straw and soil tillage to the dynamic effect of soil nitrogen andphosphorus
Straws markedly enhanced the content of soil total nitrogen, and assimilation andsequestration of soil to nitrogen at the same time. In the straws treatments, tillagemethods had an evident impact on soil total nitrogen dynamic content mainly by theway of affecting the vertical distribution of straws, while, in the non-strawstreatments, tillage methods influenced the total nitrogen content in different soil layersby affecting the vertical distribution of basal fertilizer. N of basal fertilizer mainly beabsorbed and fixed by major soil distribution, 43.08-69.06% of the nitrogen offilleting fertilizer was absorbed and fLxed by 0-7cm soil layer; after applying tilleringfertilizer, soil total nitrogen content in 0-21 cm soil layer achieved the maximum valueon the 2nd day, and on the 7th day it would be lower than the level before fertilizerapplication.
Before applying filleting fertilizer, treatments with straws had a lower availablephosphorus content in the soil, and straws significantly enhanced the absorbing of soilto phosphorus after topdressing fertilizer, and this phenomena was most evident in0-7cm soil layer. After applying top-dressing fertilizer, in straws treatments, theincrease of soil available P content was evidently more than those without straws, butsoil available P content in straws treatments decreases more rapidly and 15 days aftertop-dressing fertilizer straws treatment soil would have a lower content of soil available P. P of basal fertilizer mainly be absorbed by major soil distribution layer.Tillage methods markedly affected vertical distributions of available P by affecting theapplying depth of basal fertilizer. 60.56-69.38% of the P of top-dressing fertilizer wasabsorbed and fixed by 0-7era soil layer. The top-dressing fertilizer had most evidentimpact on soil available P of 0-7cm soil layer. After applying top-dressing fertilizer,soil available P content of most treatments and soil layers would achieve maximumvalue on 2nd day.
3 The dynamic effects and loss rate evaluation of nitrogen and phosphorus instraw and soil tillage water layer
The results showed: 1-7 days after fertilization were the key periods of the lossof nitrogen and phosphorus. The straw returning could significantly decrease totalnitrogen (TN), total phosphorus (TP), ammoniacal nitrogen(NH_4~+-N) and nitratenitrogen(NO_3~--N) contents at initial fertilization periods. After 1-7 days of basicfertilizer, tiller fertilizer and panicle fertilizer, the aquatic TN content under strawtreatment reduced 37.48%、28.17% and 23.39% compared with the non-strawtreatment. After 1-7 days of basic fertilizer and tiller fertilizer, the aquatic TP contentunder straw treatment reduced 106.10% and 194.50% compared with the non-strawtreatment. In 7 days after applying tillering fertilizer, the no-tillage, rotary tillage, lowtillage and deep tillage of straws treatments, ammonium nitrogen content in the waterof paddy-field were respectively 8.74%, 27.55%, 15.10% and 19.98% less than thoseof non-straw treatment and the nitrate-nitrogen decreased 56.04%, 42.59%, 44.66%and 30.43% respectively. Tilling methods had obviously influence on the aquatic TNand TP content in paddy field. The tilling depth after the basic fertilizer was the mainfactor on the aquatic TN and TP and the aquatic TN and TP had negative correlationwith the tilling depth. The distribution of straw after topdressing fertilization had themain effect on the aquatic TN and TP. The deeper the straw buried, the less effects onthe aquatic TN and TP.
The aquatic total nitrogen content within 7 days applying fertilizer could befigured by the fitting according with the one stage reaction equation (y=C0×e~(kt)), andthe aquatic total nitrogen content accorded with exponentiation (y=C0×t~(-k)), and theresults of fitting achieved a significant level. Based on that we set up the NP drainmodel within 7 days applying fertilizer, the nitrogen loss amount (kg·ha-1)=∑(C0×e~(kt))×AR×10~(-2) t∈[1, 7], the phosphorus loss amount (kg·ha-1)=∑(C0×t ~(-k))×AR×10~(-2) t∈[1,7]. The affect coefficient of the nitrogen and phosphorus loss toenvironment adopts respectively 0.17 and 0.83. By evaluating different treatments andfrom the point of nitrogen and phosphorus loss to environment pollution we can drawa conclusion that the effects of the N, P loss to environment pollution decreased42.25%(Ns), 41.82%(Rs), 43.12%(Ls), 38.31%(Ds) each in the straws treatments thannon-straw treatment. The shallow tillage+straw disposal had least influence toenvironment N, P pollution and it is a comparative ideal combination.
引文
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