黃志強(qiáng),袁念念

(1.廣西水利科學(xué)研究院水資源與節(jié)水灌溉技術(shù)研究所,廣西南寧 530023;

2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖北武漢 430072)

近年來,隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥使用量逐漸增多,超量和超標(biāo)的農(nóng)田排水使河流、湖泊、土壤遭受嚴(yán)重的污染。2009年農(nóng)田灌溉耗水量占全國(guó)年耗水總量的66.4%,排水率高達(dá)37%[1]。李鳳華等[1]研究發(fā)現(xiàn),廣西海洋入海污染負(fù)荷中70%以上來自入海河流,而河流中90%以上的污染負(fù)荷來自農(nóng)業(yè)面源污染。我國(guó)很多學(xué)者對(duì)農(nóng)田氮素流失規(guī)律進(jìn)行了研究。張福珠等[2]的試驗(yàn)表明：通過土壤-植物系統(tǒng)流失的氮素以NO-3-N為主,NO-2-N次之,NH+4-N只占很小部分。黃滿湘等[3]的研究表明：農(nóng)田暴雨徑流氮養(yǎng)分的流失量和累積徑流量成正相關(guān)。張展羽等[4]對(duì)南方紅壤地區(qū)果園氮、磷流失的研究結(jié)果表明：水土流失是氮、磷流失的主要原因,采用草皮覆蓋措施能有效減少氮磷流失。國(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果表明[5-10],通過在田間排水系統(tǒng)設(shè)置控制設(shè)施來調(diào)節(jié)田間地下水位,能起到實(shí)現(xiàn)排水再利用、治理漬害、減少排水對(duì)承泄區(qū)污染的作用。羅紈等[11]以寧夏銀北灌區(qū)為例,探討了控制排水對(duì)于減少灌溉用水量及合理調(diào)節(jié)控制水位對(duì)于控制鹽堿化的作用。殷國(guó)璽等[12]在南方丘陵地區(qū)通過多目標(biāo)控制排水模型探求了非劣控制排水時(shí)間。袁念念等[13]也通過試驗(yàn)得出結(jié)論：實(shí)施控制排水可以減少排水量,從而減少氮素流失。本文通過對(duì)照試驗(yàn),對(duì)水氮流失過程和流失量進(jìn)行分析,探討大田中水氮流失與地下水控制水位的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

荊州丫角排灌試驗(yàn)站位于四湖水系中部,東經(jīng)112°31′,北緯30°21′,海拔高程29.4m。試驗(yàn)場(chǎng)地傍靠四湖總干渠,地下水位常年較高。地勢(shì)平坦,土壤肥沃,土質(zhì)為中壤黏土,孔隙率為65%,田間持水量0～15cm內(nèi)為47.3%,16～40cm內(nèi)為30.7%。耕作層氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.5,1.5,15mg/kg。多年平均氣溫16.5℃,多年平均降雨量1122.0mm,多年平均水面蒸發(fā)量977.4mm,多年平均日照時(shí)數(shù)為1552.0h,無霜期280d左右。站址在平原湖區(qū)具有一定的代表性。

圖1 試驗(yàn)田布置(單位：m)Fig.1 Layout of experimental plots(Unit：m)

1.2 試驗(yàn)田布置

試驗(yàn)田總面積3800m2,長(zhǎng)76m,寬50m,沿長(zhǎng)度方向被分成5塊相鄰的田塊,相鄰田塊之間用深1.2m、寬0.2m的硬化水泥田埂加防滲膜分隔開,在田塊的南端有一條1.5m深的排水溝。試驗(yàn)田塊由東向西依次編號(hào)為E,A,B,C,D,其中E無地下暗管排水,可近似處理成控制水位為0的地下暗管排水,A,B,C,D田塊為地下暗管控制排水?？刂婆潘飰K埋設(shè)有1m深的暗管,田塊中間布置有地下水位觀測(cè)井,具體布置見圖1。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)將A,B,C,D田塊的暗管排水水位分別控制在地面高程以下30cm,50cm,80cm,100cm。為了控制不同田塊的暗管出水水位,在控制排水田塊暗管出口處安裝本試驗(yàn)專門設(shè)計(jì)的水位控制器(見圖2)。該水位控制器由多個(gè)三通管連接而成,控制某一水位出流時(shí),只需將相應(yīng)高程的三通管出口打開,其余出口堵死即可。暗管出口及水位控制器用水池砌起來,水池內(nèi)壁進(jìn)行防滲處理,池頂安設(shè)一混凝土蓋板,可以阻絕雨水的降落以及雜物進(jìn)入,確保試驗(yàn)的精度和設(shè)施的完好。池子底部接大表和小表2個(gè)水表。排水量大時(shí)2個(gè)表全開,流量小時(shí)只開小表。水表進(jìn)水口設(shè)過濾網(wǎng),防止雜物進(jìn)入堵住水表。地表排水口同樣用水池砌起并安裝2個(gè)水表,用于測(cè)定地表出水流量。

圖2 水位控制設(shè)施示意圖Fig.2 Schematic map of water level control device

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

旱地在降雨之后產(chǎn)生徑流的次數(shù)較少,而且試驗(yàn)地區(qū)大的降雨一般發(fā)生在6—8月,所以本試驗(yàn)對(duì)氮素徑流流失的測(cè)定主要在7—8月,其他時(shí)間發(fā)生大降雨引起的氮素徑流流失量可以根據(jù)觀測(cè)期間的規(guī)律做出一般性推斷。

本試驗(yàn)觀測(cè)的主要有4次排水過程,分別是2008年7月23日(記為D723)、2008年8月15日(記為D815)、2008年8月30日(記為D830)、2009年9月10日(記為D910)(日期均為主要排水發(fā)生的時(shí)間),4次排水過程對(duì)應(yīng)的分別為2008年7月22日降雨(持續(xù)7d,最大日降雨量49.7mm,總降雨量58.8mm)、2008年8月15日降雨(持續(xù)4d,最大日降雨量113.6mm,總降雨量127.4mm)、2008年8月29日降雨(持續(xù)4d,最大日降雨量76.6mm,總降雨量118.4mm)、2009年9月10日灌水(持續(xù)1d,灌水量為90mm)。分別對(duì)4次排水過程引起的地表、地下排水量,排水中氮素含量以及氮素徑流流失量進(jìn)行測(cè)定分析。

排水量由各個(gè)排水口的水表讀出;水樣硝氮質(zhì)量濃度測(cè)定采用雙波長(zhǎng)比色法,銨氮質(zhì)量濃度測(cè)定采用納氏試劑比色法,全氮質(zhì)量濃度測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消煮法。降雨開始后,密切關(guān)注各處理田塊地表地下排水口出水情況,一般大的降雨后會(huì)較快產(chǎn)生排水;排水口出現(xiàn)排水時(shí),記錄下出水時(shí)刻,并讀取水表的讀數(shù),同時(shí)取排水水樣測(cè)定其硝氮、銨氮和全氮的含量;之后,每2～3h讀取排水口流量讀數(shù)和取樣,一直到排水口無排水為止。

2 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

2.1 雨后控制排水量分析

根據(jù)各個(gè)田塊排水口水表讀數(shù),統(tǒng)計(jì)不同田塊4次排水過程的排水量,結(jié)果如表1所示。由表1可知,D723,D815,D830,D910 4次排水過程中最大排水量均由D田塊產(chǎn)生,排水總量所占降雨量的比例分別達(dá)到65.84%,48.90%,55.42%,10.95%;最小排水量均由A田塊產(chǎn)生,占降雨量的比例為15.27%,8.46%,19.16%,0。由此可知,對(duì)于旱作地而言,總排水量占降雨量或灌水量的比例是很可觀的,平均比例最大為30.65%(D830);排水量相差較大,控制排水和自由排水的排水量占降雨量比例之差最大可達(dá)50%。因?yàn)榻涤昊蚬嗨械暮艽蟛糠謸p失在田面入滲,當(dāng)降雨強(qiáng)度或灌水強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生地表徑流;當(dāng)旱地有效土層達(dá)到田間持水量時(shí),就會(huì)發(fā)生深層滲漏和地下暗管排水,即排水量的大小也取決于降雨或灌溉前的土壤水分狀況。如D910,此次灌水之前,試驗(yàn)站地區(qū)經(jīng)歷了罕見的干旱少雨情況：1個(gè)多月不見明顯降雨,70多天僅有73.4mm的降雨量,所以,D910雖然有90mm的灌水量,但是各田塊平均排水量?jī)H為2.53mm(占降雨量的比例為2.81%),最大排水量?jī)H為95.84mm(占降雨量的比例為10.95%),甚至有2個(gè)處理田塊沒有出水,這與其余3次排水有很大的差異。

表1 各田塊單位面積排水量Table1 Drainage discharge from plots per unit area

控制排水田塊中,除D830的A田塊和D910的A田塊,其他田塊暗管排水量均大于地表排水量。由此可知,暗管排水條件下,暗管排水是排水的主要形式。通常情況下,當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí),地表會(huì)很快形成徑流,此時(shí)地表排水口可以及時(shí)排除地表積水,這對(duì)于旱作物來說是很必要的。但地表排水持續(xù)的時(shí)間一般較短,排水總量不大;暗管排水則持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng),一般有3～7d。

表2 控制排水田塊相對(duì)自由排水田塊減排率Table 2 Relative reduction rates of drainage discharge in controlled drainage plots compared with freedrainage plots

表2為不同暗管控制水位田塊相對(duì)自由排水田塊總排水量的減少值與自由排水總排水量的比值。從表2可知,暗管控制水位田塊的總排水量相對(duì)自由排水田塊明顯減少;暗管控制水位田塊相對(duì)減排率不低于40%;對(duì)ABC 3塊暗管控制水位田塊,控制水位越高(即控制地下水位埋深越淺),減排效果越明顯。如D723從C田塊的61.5%增加到A田塊的76.8%,D815從C田塊的54.1%增至A田塊的82.7%。但是,除了D910外,其余3次排水都出現(xiàn)E田塊總排水量逆勢(shì)增加的情況。具體分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),E田塊的地表排水量一直居高不下,這可以理解為暗管排水對(duì)地表排水的反饋?zhàn)饔?當(dāng)暗管控制水位高到一定程度以致影響降雨的穩(wěn)定入滲時(shí),地表排水量必然相應(yīng)增加。E田塊無暗管控制排水(即暗管控制水位為0cm),導(dǎo)致地下排水嚴(yán)重滯后,從而出現(xiàn)地表排水量居高不下的現(xiàn)象。

從表1可知,暗管排水量有明顯的隨暗管控制水位升高而減少的規(guī)律,說明暗管排水水位控制有效地控制了暗管排水量。從表1還可看出,暗管控制排水顯著減少了暗管排水量,4次排水中D田塊的暗管排水量是C田塊的2～4倍,是A田塊的5～8倍。各處理田塊的地表排水量沒有表現(xiàn)出明顯的與暗管控制水位的相關(guān)性。ABCD田塊的地表排水量都比較接近,只有E田塊的地表排水量為其他田塊排水量的4～5倍,其原因可能是由于E田塊沒有地下排水通道,田間積水都經(jīng)過地表排出。從這一現(xiàn)象可以看出,暗管控制水位在地表以下30 cm及以下不會(huì)對(duì)地表排水量產(chǎn)生明顯影響,而如果再抬高的話,就會(huì)嚴(yán)重影響降水和灌溉的入滲,阻礙水流的地下排放,從而增加地表排水壓力,不僅不能減少總排水量,而且還會(huì)增加地表土壤中養(yǎng)分及氮素的流失。

2.2 氮素徑流流失過程分析

對(duì)于氮素徑流流失過程的分析,選取D723,D815,D830排水過程(D910排水由于持續(xù)時(shí)間較短、取樣較少,不進(jìn)行過程分析)為代表來進(jìn)行分析。3次排水過程排水中硝氮、銨氮和全氮3個(gè)氮素水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見圖3和圖4。

從圖3可以看出：(a)3次暗管排水銨氮質(zhì)量濃度很低,基本在1mg/L以下;硝氮質(zhì)量濃度一般在4mg/L以下;全氮質(zhì)量濃度較高,但也只有10mg/L左右。說明暗管排水氮素質(zhì)量濃度較低。(b)各田塊排水中硝氮質(zhì)量濃度變化規(guī)律明顯,初始時(shí)較小,逐漸增大到峰值后又逐漸減少;銨氮質(zhì)量濃度變化無明顯規(guī)律;全氮質(zhì)量濃度變化規(guī)律與硝氮相似。(c)初步發(fā)現(xiàn),A田塊暗管排水硝氮質(zhì)量濃度較其他田塊高,但各形態(tài)氮素質(zhì)量濃度與控制排水與否及控制排水水位高低無明顯關(guān)系。

從圖4可以看出：(a)排水一般持續(xù)時(shí)間較短,各形態(tài)氮素質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化較小。(b)各次排水全氮質(zhì)量濃度最高,硝氮和銨氮質(zhì)量濃度視雨量大小而異,但硝氮質(zhì)量濃度一般不超過4mg/L,而銨氮質(zhì)量濃度在8月15日降雨后超過10mg/L。

2.3 氮素徑流流失量分析

2.3.1 暗管氮素徑流流失

根據(jù)實(shí)測(cè)的暗管排水過程中排水流量和排水水質(zhì),得出每次排水過程中各個(gè)田塊暗管氮素徑流流失量,見表3。從表3可以看出,銨氮的排放量均隨著暗管控制水位的升高而減少,并且,通過分析發(fā)現(xiàn),銨氮排放量與暗管排水量的相關(guān)性似乎更明顯。對(duì)4次排水過程的銨氮排放量和暗管排水量進(jìn)行線性回歸,發(fā)現(xiàn)兩者擬合度達(dá)到0.9441,分析結(jié)果見圖5。

由圖5可見,銨氮的排放量和排水量呈正相關(guān)關(guān)系,分析原因可能為銨態(tài)氮鹽容易吸附于土壤顆粒上,在水中的溶解度很小,而暗管排水中土壤懸浮顆粒較少,所以總體上來說暗管排水中銨氮含量較低且較穩(wěn)定。從實(shí)測(cè)資料中可知,暗管排水量與暗管控制水位的相關(guān)性很強(qiáng),控制暗管排水水位可以有效地控制暗管排水量,從而有效地控制暗管中銨氮流失量。

暗管徑流硝氮和全氮排放量有隨暗管控制水位升高而減少的趨勢(shì),但是,除D910外(長(zhǎng)期缺水后灌溉,A田塊沒有出現(xiàn)排水排氮),其余3次排水中硝氮和全氮的排放量最小的均是B田塊,而不是控制水位最高的A田塊,即硝氮和全氮的排放量并不是嚴(yán)格隨控制水位升高、排水量的減少而減少。

對(duì)D723和D815進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),硝氮和全氮的排放量在這2次排水過程中有明顯的B田塊低于C田塊低于D田塊的規(guī)律,即在這3個(gè)處理田塊中,硝氮和全氮排放量隨控制水位提高、排水量減少而減少,而A田塊的硝氮和全氮排放量都呈現(xiàn)異常的增加,一般介于C和D之間(只有D815的全氮排放量介于B和C之間),具體原因仍有待進(jìn)一步的研究。由于D910中A田塊的排水、排氮量均為0,所以無法印證上述的規(guī)律,但是B田塊低于C田塊低于D田塊這一規(guī)律還是很明顯的。另外,在這3次排水過程中,控制排水田塊的硝氮和全氮排放量均顯著低于自由排水田塊,一般減少40%～60%。

圖3 D723,D815,D830暗管排水水質(zhì)Fig.3 Pipe drainage water quality of D723,D815,and D830

與D723和D815一致,D830中A田塊硝氮和全氮排放量反常增加(介于B和C之間)。但是,D830中自由排水的D田塊的硝氮和全氮排放量顯著減少,甚至比控制排水田塊的排放量還小,與次小的B田塊值較接近。對(duì)此,可能的原因是2008年7—8月連續(xù)有多場(chǎng)產(chǎn)生排水的暴雨出現(xiàn),而且密度較大(7月4日次降雨62.1mm,7月23日次降雨58.8mm,8月15日次降雨127.4mm,8月29日次降雨118.4mm),導(dǎo)致土壤中易溶的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等大量隨入滲水流淋失到有效土層以下或者隨暗管徑流流失到周圍環(huán)境水體中?？梢?短期內(nèi)后一次暴雨導(dǎo)致的暗管徑流硝氮、全氮流失量必然受到前一次大量氮素流失的影響。

D723和D815排水過程中,D田塊硝氮和全氮大量隨暗管徑流流失,而且顯著大于控制排水田塊,有效土層氮庫(kù)中的硝氮和全氮含量減少,導(dǎo)致后期暴雨后硝氮和全氮的排放量降低。由表4可見,D723中控制排水田塊的硝氮和全氮排放量相對(duì)D田塊減少35%～93%,而D815中硝氮和全氮排放量的相對(duì)減少率均降低,為23%～84%,所以從D723到D815,自由排水D田塊的硝氮和全氮排放量相對(duì)減少了。在這一趨勢(shì)下,D830中D田塊的硝氮和全氮排放量出現(xiàn)小于暗管控制排水田塊有其合理性。雖然在D830中出現(xiàn)自由排水田塊硝氮和全氮排放量小于暗管控制排水田塊的情況,但是暗管控制排水作為一種有效的控制排水和排氮的措施,減緩了土壤中氮素的徑流流失量,總體上減少了氮素的排放,減輕了對(duì)周圍水環(huán)境的污染。

圖4 D723,D815,D830地表排水水質(zhì)Fig.4 Surfacedrainagewater quality of D723,D815,and D830

圖5 暗管銨氮排放量與暗管排水量相關(guān)分析Fig.5 Correlation between discharge of ammonia nitrogen and pipe drainage discharge

2.3.2 地表氮素徑流流失量

本試驗(yàn)并未直接對(duì)地表排水進(jìn)行控制,但地下、地表排水本身是密切相關(guān)的。為了解暗管控制排水對(duì)地表水氮素流失的影響,對(duì)地表排水量和氮素流失量進(jìn)行分析,見表5。

分析表5可知,地表排水、排氮量并未表現(xiàn)出與暗管控制水位明顯的相關(guān)性。但是可以發(fā)現(xiàn),E田塊在D723和D815中的硝氮、銨氮和全氮排放量均明顯地大于其他田塊,而B田塊在3次排水過程中銨氮排放量均是各田塊中的最小值或近似最小值。在D830中,D田塊排水量、氮素流失量均顯著低于控制排水田塊。影響地表氮素徑流流失量的主要因素有田面的地形、地貌、氣候、土壤和植被情況等,對(duì)于地表徑流流失規(guī)律的研究需要進(jìn)一步研究探討。

表3 暗管氮素徑流流失量和排水量Table 3 Nitrogen loss and drainagedischarge from subsurface drain pipe

表4 控排田塊相對(duì)D(100cm)田塊水氮排放減少率Table4 Relative reduction rates of drainage discharge and nitrogen loss in controlled drainageplots compared with plot D

表5 地表排水量及氮素徑流流失量Table5 Surface drainage dischargeand nitrogen loss

3 結(jié) 論

a.暗管排水條件下,排水的主要形式是暗管排水,暗管總排水量有隨控制水位降低而增加的趨勢(shì),控制暗管排水水位能有效地控制降雨后旱地排水量。

b.各田塊暗管排水中硝氮質(zhì)量濃度變化規(guī)律明顯,初始時(shí)較小,逐漸增大到峰值后又逐漸減少;銨氮質(zhì)量濃度較低且變化無明顯規(guī)律;全氮質(zhì)量濃度變化規(guī)律與硝氮相似;地表排水各形態(tài)氮素質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化較小。

c.暗管銨氮排放量與暗管排水量呈明顯線性相關(guān),徑流氮素流失量總體上隨田塊暗管控制水位升高而減少。

d.地表氮素徑流流失量的影響因素較多,未能表現(xiàn)出與暗管控制水位明顯的相關(guān)關(guān)系。

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