文 濤,邵孝侯,李圓圓,徐 征,江培福,邱 艷,王金蘭

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,江蘇南京 210006;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.水利部綜合事業(yè)局,北京 100053;4.南京高淳縣水務(wù)局,江蘇 南京 211300)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),人口眾多,人均耕地面積較少,必須通過(guò)增施化肥來(lái)增加糧食產(chǎn)量以滿足人民對(duì)糧食的基本需求。由于增施化肥,我國(guó)的化肥使用量已嚴(yán)重超標(biāo)。據(jù)調(diào)查,我國(guó)化肥平均施用水平(折純量)約達(dá)400 kg/hm2,大大超出了發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)置的225kg/hm2的安全上限[1]。施肥雖然對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量起到了重要的作用,但有研究[2]表明,氮肥大量使用導(dǎo)致了氮素大量流失,流失的氮素導(dǎo)致的面源污染不僅使湖泊和海灣富營(yíng)養(yǎng)化,而且造成了多數(shù)地區(qū)地下水硝酸鹽和亞硝酸鹽嚴(yán)重超標(biāo)。農(nóng)業(yè)面源污染由于時(shí)空范圍廣,隨機(jī)性大,較難治理,目前還沒(méi)有一種有效的技術(shù)治理面源污染。針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染控制這一世界性難題,美國(guó)俄亥俄州州立大學(xué)研究出一種集灌溉、排水、濕地凈化和排水再利用為一體的小型農(nóng)田水利工程:地下灌溉-排水-濕地綜合管理系統(tǒng)(WRSIS系統(tǒng)),該系統(tǒng)可有效提高水資源利用效率和控制面源污染[3-4]。我國(guó)南方主要糧食作物為水稻,研究WRSIS系統(tǒng)中稻田氮素的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)控制農(nóng)田面源污染以及WRSIS系統(tǒng)在我國(guó)南方水稻種植區(qū)的推廣和應(yīng)用具有重大意義。

WRSIS系統(tǒng)由灌溉、排水和濕地3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,各個(gè)系統(tǒng)通過(guò)一定的灌溉排水設(shè)施連接成為一個(gè)整體。其工作原理是將農(nóng)田排水通過(guò)溝渠輸送到濕地,經(jīng)過(guò)濕地的凈化,再將濕地凈化過(guò)的水輸送到水塘儲(chǔ)存,需要灌溉時(shí)再由灌溉設(shè)施供水到田間。該系統(tǒng)是為了控制、減少乃至解決農(nóng)田面源污染問(wèn)題而采取的以水利技術(shù)為主的綜合管理系統(tǒng)[4-5]。WRSIS系統(tǒng)在我國(guó)示范應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng),和國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)和肥料運(yùn)籌技術(shù)結(jié)合不多,在WRSIS系統(tǒng)中關(guān)于不同施肥量條件下稻田田面水和地下水中氮素動(dòng)態(tài)變化的研究更少。相對(duì)于旱地土壤氮肥淋溶損失,稻田氮肥淋溶損失及通過(guò)地下水排出的氮素形態(tài)目前沒(méi)有得到人們足夠的重視。研究WRSIS系統(tǒng)中地下暗管排水技術(shù)對(duì)控制農(nóng)田地下排水中的TN含量、減少地下氮素滲漏量具有重要的作用。筆者利用WRSIS系統(tǒng)試驗(yàn)研究水稻不同施氮量條件下稻田田面水和地下排水中氮素動(dòng)態(tài)特性,旨在防止稻田氮素流失污染地表和地下水,為WRSIS系統(tǒng)在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于江蘇省高淳縣椏溪鎮(zhèn)瑤宕村,屬于長(zhǎng)江三角洲的太湖地區(qū),亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候性氣候,水稻是該地區(qū)的主要糧食作物。該地土壤為黃棕壤發(fā)育而成,土壤質(zhì)地為黏壤土。土壤有機(jī)質(zhì)、TN和TP 質(zhì)量比分別為18.5g/kg、1.3g/kg、1.5g/kg;速效氮和速效磷質(zhì)量比分別為121.5mg/kg,25.5mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)用地總面積約為0.6hm2,共3塊試驗(yàn)小區(qū),每塊試驗(yàn)小區(qū)面積為 0.2 hm2(長(zhǎng) 100 m,寬20m)。小區(qū)間設(shè)保護(hù)區(qū),小區(qū)田埂筑高20cm,小區(qū)四周用塑料薄膜防滲,以減少側(cè)滲和串流。按照WRSIS設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)小區(qū)內(nèi)埋設(shè)2條地下暗管,地下暗管埋深0.8m,間距8m。采用直徑為5cm的塑料波紋管,將小區(qū)內(nèi)地下排水波紋管橫向連接起來(lái),并與排水溝一側(cè)的農(nóng)田水位控制柜相連,控制柜的排水口通向田間農(nóng)溝。水位控制柜(圖1)是一個(gè)控制農(nóng)田水位的簡(jiǎn)易裝置,用來(lái)控制地下排水。

圖1 水位控制柜示意圖

水稻品種采用當(dāng)?shù)厮酒贩N86優(yōu)8。在水稻的生長(zhǎng)周期內(nèi),按照當(dāng)?shù)氐乃痉N植模式,播種前施基肥,基肥施用碳銨,而后再進(jìn)行2次追肥,追肥施用尿素。灌溉排水各個(gè)處理方式一致,除了施肥量不同外其他所有的管理與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作習(xí)慣相同。試驗(yàn)于2010年進(jìn)行,6月7日施基肥,6月8日進(jìn)行移栽,6月29日追施分蘗肥,8月2日追施穗肥。3個(gè)田塊設(shè)置的3個(gè)氮肥處理方式如表1所示。

表1 大田施肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 取樣及分析方法

在每次施氮后的第 1、3、5、7天取田面水樣,試驗(yàn)開(kāi)始后進(jìn)行10d一周期的常規(guī)取樣監(jiān)測(cè)。每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采取3個(gè)點(diǎn)的田面水,每個(gè)小區(qū)的地下排水從農(nóng)田水位控制柜內(nèi)取樣,分析水樣中的TN、NH4+-N、NO3--N質(zhì)量濃度。TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法,NH4+-N采用納氏試劑比色法,NO-3-N采用紫外分光光度法。

2 結(jié)果分析

2.1 田面水氮素動(dòng)態(tài)變化特征

2.1.1 田面水TN動(dòng)態(tài)變化特征

田面水TN質(zhì)量濃度反映了稻田氮素地表徑流流失的潛能。由圖2可見(jiàn),施肥1 d后,TN質(zhì)量濃度迅速升高,且隨著施氮量的增加而增加,但隨著時(shí)間的推移,TN質(zhì)量濃度逐漸降低,最終將下降到施肥前的水平。在施基肥7 d后,3種施氮處理的TN質(zhì)量濃度分別降到施肥 1 d后的 24.1%、30.0%、24.0%。TN質(zhì)量濃度迅速下降主要是由地下滲漏、NH3-N揮發(fā)和土壤吸附等原因造成的。另兩次施追肥引起田面水TN質(zhì)量濃度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化與施基肥時(shí)所表現(xiàn)出的特征相似?？梢?jiàn),施氮能較大地提高田面水氮素的流失潛能,且隨著施氮量的增加逐漸增大;施氮后如稻田不發(fā)生排水,經(jīng)過(guò)一周以上的時(shí)間后,田面水氮素質(zhì)量濃度將大幅度下降,此后若遇降雨或灌溉需要排水,因田面水氮素流失引起的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)將得到明顯降低。

圖2 不同施肥區(qū)(量)田面水ρ(TN)變化

2.1.2 田面水NH4+-N動(dòng)態(tài)變化

圖3 不同施肥區(qū)(量)田面水ρ(NH4+-N)變化

整個(gè)水稻生育期田面水NH4+-N的變化特征如圖3所示。由圖3可見(jiàn),基肥施入1 d后,3個(gè)處理的NH4+-N質(zhì)量濃度均達(dá)到了峰值,分別為68.1mg/L、94.8mg/L、49.7mg/L,2區(qū)質(zhì)量濃度最高,3區(qū)質(zhì)量濃度最低,這與基肥的施氮量呈正相關(guān)關(guān)系。由圖3明顯可見(jiàn),NH4+-N質(zhì)量濃度大約在施肥1 d后達(dá)到峰值,隨之質(zhì)量濃度迅速下降,以施基肥為例,3 d后3個(gè)小區(qū)處理的NH4+-N質(zhì)量濃度與施氮1 d后相比分別下降了68.0%、65.6%、64.8%,7 d后分別下降了85.5%、83.5%、83.9%。施肥后在土壤吸附、水稻植株吸收和淋溶的綜合作用下NH+4-N質(zhì)量濃度迅速降低,3個(gè)小區(qū)均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。試驗(yàn)研究結(jié)果充分說(shuō)明施肥后7 d內(nèi)實(shí)施控制排水是減少農(nóng)田氮素外排引起面源污染的最佳時(shí)期,這與張志劍等[6]得出的結(jié)論相符。由圖3還可見(jiàn),在基肥施入后,增量施肥的處理NH4+-N質(zhì)量濃度始終最高,減量施肥質(zhì)量濃度最低,表明施肥量也是影響稻田田面水NH+4-N質(zhì)量濃度的關(guān)鍵因素。

田面水中 ρ(NH+4-N)/ρ(TN)水平是反映氮素轉(zhuǎn)化與流失潛能相對(duì)水平的重要指標(biāo)[7]。由圖4可見(jiàn),施肥約 1～2 d后 ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值達(dá)到最大,表明施肥后田面水以NH4+-N為形態(tài)的相對(duì)流失潛能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大。隨著時(shí)間的推移,在水稻吸收、氨揮發(fā)、硝化、反硝化以及土壤吸附等過(guò)程的共同作用下,ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢(shì),說(shuō)明田面水以NH4+-N為形態(tài)的相對(duì)流失潛能隨時(shí)間的推移迅速下降。試驗(yàn)表明施肥后NH+4-N是田面水氮素流失的主要形態(tài),減少NH+4-N的徑流流失量即是減少稻田徑流氮素流失量。

圖4 不同施肥區(qū)(量)田面水 ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值變化

2.1.3 田面水NO3--N動(dòng)態(tài)變化

水稻生育期各處理的NO3--N的變化特征如圖5所示。由圖5可見(jiàn),NO-3-N的質(zhì)量濃度在施肥后沒(méi)有迅速升高,而是在3～4 d后達(dá)到相對(duì)峰值,3個(gè)小區(qū)的NO3--N質(zhì)量濃度峰值分別為9.89 mg/L、15.42mg/L、7.77mg/L。小區(qū)內(nèi)施肥后,肥料水解產(chǎn)生大量的NH+4-N,在硝化細(xì)菌的作用下,發(fā)生硝化作用產(chǎn)生NO-3-N。施肥后NO-3-N質(zhì)量濃度和NH+4-N質(zhì)量濃度比不高,且上升緩慢,可能是由于稻田長(zhǎng)期使用無(wú)機(jī)肥料,田間硝化細(xì)菌相對(duì)不活躍,硝化過(guò)程緩慢造成的[8]。NO3--N在質(zhì)量濃度值達(dá)到最大后,由于稻田滲濾、硝化作用減弱、反硝化作用增強(qiáng)以及作物吸收利用等原因,其質(zhì)量濃度值逐漸降低,最終回到施肥前的水平。增量施肥小區(qū)內(nèi)的NO3--N質(zhì)量濃度值一直高于其他2個(gè)小區(qū),表明高施肥量對(duì)田面水中NO3--N質(zhì)量濃度起到了正相關(guān)的作用。

圖5 不同施肥區(qū)(量)田面水 ρ(NO3--N)的變化

圖6中 ρ(NO3--N)/ρ(TN)值在施肥后 3～4 d達(dá)到相對(duì)峰值,隨后下降到較低水平。由于NO3--N在雨水或灌溉條件下,易隨著水下滲向下移動(dòng)至根系活動(dòng)層以下,所以田面水中NO3--N含量較小。在施肥后,NO3--N所占比例相對(duì)較低,ρ(NO3--N)/ρ(TN)都在0.25以下,表明NO3--N不是施氮后地表徑流氮素流失的主要形態(tài),這與顧佳等[9]得出的結(jié)論相符。

圖6 不同施肥區(qū)(量)田面水ρ(NO3--N)/ρ(TN)值

2.2 地下排水氮素動(dòng)態(tài)變化特征

2.2.1 地下排水NO3--N動(dòng)態(tài)變化

圖7為不同施肥區(qū)(量)地下排水中NO3--N質(zhì)量濃度的變化圖,從圖7可以看出,施入基肥1 d后,3個(gè)小區(qū)內(nèi)地下排水NO-3-N質(zhì)量濃度達(dá)到了8.52mg/L、10.71mg/L、6.09mg/L,在 5 d 后達(dá)到峰值,隨后逐漸下降,施肥顯著增加了稻田地下排水中NO3--N質(zhì)量濃度。因?yàn)镹O3--N隨著下滲而向較深土層移動(dòng),且土壤吸附的NH4+-N經(jīng)過(guò)硝化細(xì)菌的作用后亦轉(zhuǎn)化成NO-3-N,從而增加了地下排水中NO-3-N的含量。顯著增加的NO-3-N含量增加了NO-3-N通過(guò)地下排水對(duì)水體的污染風(fēng)險(xiǎn)。從圖7可見(jiàn),3個(gè)小區(qū)內(nèi)減量施肥處理地下排水NO3--N質(zhì)量濃度要明顯低于正常施肥處理和增施氮肥處理,表明減少氮肥使用量能夠有效減少氮素的滲漏損失,減輕對(duì)水體環(huán)境的危害。

圖7 不同施肥區(qū)(量)地下排水 ρ(NO3--N)的變化

2.2.2 地下排水NH+4-N動(dòng)態(tài)變化

圖8為不同施肥區(qū)(量)地下排水中NH4+-N質(zhì)量濃度的變化曲線,從圖8可見(jiàn),施肥3～4 d后,地下排水中NH+4-N質(zhì)量濃度達(dá)到峰值,但增量并不大,表明施肥對(duì)地下排水NH4+-N質(zhì)量濃度變化雖有一定影響,但影響不大。3次施肥過(guò)程,3個(gè)處理地下排水NH4+-N質(zhì)量濃度均出現(xiàn)峰值,增量施肥峰值最大,減量施肥最小。和NO3--N相比,地下排水NH4+-N質(zhì)量濃度較低,在非施肥階段大都在0.8 mg/L以下。試驗(yàn)結(jié)果表明施肥量能夠增加NH+4-N的地下滲漏損失,但是NH4+-N不是稻田氮素地下滲漏損失的主要形態(tài)。這主要是由于NH+4-N帶正電,易被土壤中的有機(jī)物組分和膠體粒子吸附,不易下滲,導(dǎo)致其含量隨著土層深度增加而逐漸減小。

圖8 不同施肥區(qū)(量)地下排水 ρ(NH4+-N)的變化

2.2.3 地下排水TN動(dòng)態(tài)變化

地下排水中TN質(zhì)量濃度反映了稻田氮素地下滲漏流失量的潛能,從圖9中可以看出施肥對(duì)地下排水中TN質(zhì)量濃度影響顯著。施入基肥后地下排水中TN質(zhì)量濃度逐漸增加,5 d左右達(dá)到峰值,這與NO3--N的變化規(guī)律相同,這是因?yàn)镹O3--N占到了TN的90%以上,是稻田氮素地下滲漏損失的主要形態(tài)。達(dá)到峰值后,隨著地下排水以及反硝化作用,TN質(zhì)量濃度亦逐漸降低。總體上看,3個(gè)處理小區(qū)中減量施肥小區(qū)地下排水TN質(zhì)量濃度低于正常施肥和增量施肥小區(qū),表明減量施肥能夠減少氮素的地下滲漏量。

圖9 不同施肥區(qū)(量)對(duì)地下排水 ρ(TN)的影響

3 結(jié)果與討論

a.稻田田面水中TN、NH+4-N質(zhì)量濃度在施用氮肥后1 d左右即達(dá)到峰值,NO3--N質(zhì)量濃度要在3～4 d后達(dá)到相對(duì)峰值。田面水氮素的質(zhì)量濃度與施肥量呈正相關(guān),即隨著施肥量增大而增大。田面水 ρ(NH4+-N)/ρ(TN)和 ρ(NO3--N)/ρ(TN)施肥后先增后降,在水稻整個(gè)生育期,ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值大多介于0.2～0.7之間,而 ρ(NO3--N)/ρ(TN)值大都低于0.2,說(shuō)明NH4+-N是田面水氮素流失的主要形態(tài)。

b.施肥后稻田各形態(tài)氮素濃度迅速升高到峰值,隨著時(shí)間推移其濃度逐漸下降,7 d左右均下降到較低水平。3個(gè)處理小區(qū)3次施肥均表現(xiàn)出相似的變化特征,如施基肥7 d后TN質(zhì)量濃度下降70.0%～76.0%,NH4+-N質(zhì)量濃度下降了83.9%～85.5%,說(shuō)明施氮7 d內(nèi)實(shí)施控制排水是控制稻田地表徑流、防止氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期。

c.稻田地下排水中的氮素以NO-3-N為主,主要因?yàn)镹H4+-N易較多地被土壤所固持,而NO3--N不易被土壤吸持造成了NO3--N的大量下滲。地下排水中NH4+-N質(zhì)量濃度受氮肥施用量影響較小,NO3--N質(zhì)量濃度隨施氮量增加而增大。控制氮肥施用量能減少氮素深層滲漏量,這對(duì)保護(hù)農(nóng)村水環(huán)境意義重大。

d.化肥在田表面施用以后,水層中以NH4+-N為主,隨著時(shí)間推移,一部分NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N,一部分揮發(fā)了,一部分隨入滲水進(jìn)入土層中。由于土壤膠體呈負(fù)電性,入滲水中的NH4+-N大部分被土壤吸附,而入滲水中的NO3--N向更深土層入滲。稻田中氮素在生物固持作用和硝化-反硝化作用等各種作用的共同作用下,NH4+-N 、NO3--N、NO2--N 、N2等氮素形態(tài)相互轉(zhuǎn)化,有必要進(jìn)一步開(kāi)展WRSIS系統(tǒng)中氮素相互轉(zhuǎn)化和損失的機(jī)理研究。

e.從稻田氮素面源污染控制的角度看,除了示范推廣WRSIS系統(tǒng)外,有必要結(jié)合產(chǎn)量提出適合當(dāng)?shù)氐腤RSIS系統(tǒng)水稻氮肥最佳施用量及施用技術(shù),以減少稻田中氮素的地表徑流損失和深層滲漏損失,從源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染。

[1] 劉蕾,姜靈彥,?？×?農(nóng)業(yè)面源污染及環(huán)境生物防治技術(shù)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(20):9608-9610.

[2] 呂耀.氮素?fù)p失在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的非點(diǎn)源污染[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),1998,17(1):35-39.

[3] 王修貴,魏小華.一種新型的現(xiàn)代小型農(nóng)田水利工程介紹[J].水利水電科技進(jìn)展,2010,30(1):91-94.

[4] ALLRED B J,BROWN L C,FAUSEY N R.Water table management to enhance crop yields in a wetland reservoir subirrigation system[J].Applied Engineering in Agriculture,2003,19(4):407-421.

[5] 邱艷.淺談WRSIS對(duì)減少排水中氮、磷等污染成分的作用[J].中國(guó)水利,2010(5):31-32.

[6] 張志劍,董亮,朱蔭湄.水稻田面水氮素的動(dòng)態(tài)特征、模式表征及排水流失研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(4):475-480.

[7] 王強(qiáng),楊京平,沈建國(guó),等.稻田田面水三氮濃度動(dòng)態(tài)變化特征研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(3):51-55.

[8] 高效江,胡雪峰,王少平,等.淹水稻田中氮素?fù)p失及對(duì)水環(huán)境影響的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2001,20(4):196-198.

[9] 顧佳,李勇,楊林章,等.直播水稻田田面水氨氮?jiǎng)討B(tài)變化及徑流損失研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(8):3626-3628.