劉敏昊，任瑞英，朱振榮，張 健

(1.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，南京210029；2. 河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210098)

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，播種面積大，氮磷肥施用水平高。在高施肥量下，雨季排水使稻田成為氮磷等面源污染物的主要來(lái)源[1]。稻田又是良好的人工濕地，若管理得當(dāng)，對(duì)削減氮磷污染具有正面作用。水田磷、氮流失主要是通過(guò)地表徑流流失?？刂频孛媾潘l(fā)揮溝田濕地系統(tǒng)的作用，是減少稻田氮磷污染物負(fù)荷的有效手段?？刂婆潘疁p少農(nóng)田氮磷損失主要有兩條途徑：減少農(nóng)田排水量[2]和降低排水中氮磷濃度[3,4]。目前，已有研究者提出了水稻“蓄雨控灌”理念[5,6]，可提高雨水利用率，適當(dāng)減少了灌排次數(shù)，又能有效減少農(nóng)田氮磷面源污染。本文采用小區(qū)試驗(yàn)，研究了不同蓄雨控灌模式對(duì)農(nóng)田排水量與氮磷排放的影響規(guī)律，以期為江蘇省水稻節(jié)水技術(shù)推廣提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)于2013年5-10月在南京市河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地理位置為北緯31°86′，東經(jīng)118°60′，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候。年平均溫度15.7 ℃，最高月平均氣溫28.1 ℃，最低氣溫為16.9 ℃；平均相對(duì)濕度34.98%，最大平均濕度81%；無(wú)霜期237 d；年均日照量2 212.8 h；年均降雨量1 021.3 mm，多年平均蒸發(fā)量在900 mm左右。試區(qū)內(nèi)地下水埋深大于50 cm，土壤類(lèi)型為黏壤土，飽和含水率38.2%(重量含水率)，田間持水率29.3%(重量含水量)。試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

水稻試驗(yàn)品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種K優(yōu)818，移栽密度為16.67 萬(wàn)穴/hm2，每穴2株。移栽前施菜籽餅600 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣1 000 kg/hm2，復(fù)合肥400 kg/hm2，尿素48 kg/hm2做底肥，拔節(jié)初期追施尿素160 kg/hm2。各試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)×寬為10 m×2.5 m，田埂高40 cm。小區(qū)間及外圍的田埂用塑料薄膜包被，兩側(cè)入土50 cm，以減少側(cè)滲。

試驗(yàn)處理方案采取2個(gè)旱澇交替脅迫處理，即輕旱低蓄(T1)以及輕旱高蓄(T2)，處理考慮了傳統(tǒng)淹灌分蘗期的允許最大淹水深度、江淮地區(qū)、太湖流域20年一遇暴雨后可能的蓄水深度。每個(gè)處理重復(fù) 3次，共6個(gè)小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)布置。試驗(yàn)方案如表2所示。

排水溝深度0.8 m，底寬0.5 m，口寬2.1 m。自然草皮護(hù)坡。T2溝道口設(shè)置水閘，保持40 cm水深，多余部分排除。T1處理，對(duì)應(yīng)的農(nóng)溝不加控制，日常水深保持在10 cm左右。

表2 不同處理稻田水分控制指標(biāo)

注：表中百分?jǐn)?shù)為灌水控制下限，即土壤含水率占飽和含水率的百分?jǐn)?shù)。其余數(shù)值為田面水深。黃熟期采用自然排水，不再保留水層。

試驗(yàn)期間降雨量較大，各處理均達(dá)到了設(shè)計(jì)灌水下限和雨后排水上限，達(dá)到了設(shè)計(jì)的干旱和淹水交替脅迫要求。不同處理的灌排記錄如表3所示。

表3 不同旱澇交替處理的排/灌次數(shù)統(tǒng)計(jì) 次

注：表中1/3表示該生育階段內(nèi)排水1次，灌水3次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

(1)土壤理化指標(biāo)。耕作前，各小區(qū)取5個(gè)點(diǎn)，分別采集0～20 cm土樣，置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，然后碾碎過(guò)篩(1 mm篩)。土壤全磷(TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法，土壤速效磷(Olsen-P)采用0.5 M NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法。

(2)土壤含水率。利用土壤水分儀(TDR)于上午9時(shí)測(cè)定0～20 cm土壤含水率分布，每2d測(cè)定一次，灌水前加測(cè)。測(cè)管布置在小區(qū)的中部。

(3)田間水位。在排水堰附近立豎直量測(cè)水位的標(biāo)尺，每天上午9時(shí)，讀取田間水位。

(4)排水量。根據(jù)排水前后水位差法測(cè)定。

(5)田面水氮、磷測(cè)定。田間排水后每天從格田的首、尾、中間部位各區(qū)3個(gè)斷面，采用膠頭吸管抽取水樣100 mL，各斷面水樣混合，測(cè)定水樣中總磷(TP)、可溶磷(DP)，顆粒態(tài)磷(PP)濃度、總氮(TN)和氨氮濃度。水樣采集后，保存在事先標(biāo)有標(biāo)簽的水樣瓶中，對(duì)每個(gè)水樣瓶都能清晰識(shí)別水樣的來(lái)源，樣品編號(hào)、采樣時(shí)間等，并能對(duì)這種標(biāo)識(shí)加以記錄。水樣保存在低溫冰箱，在48h內(nèi)進(jìn)行測(cè)量完畢。

水樣的預(yù)處理采用過(guò)硫酸鉀消解法，水樣總磷(TP)的測(cè)定參照鉬銻抗分光光度法?？扇芰?DP)是將搖勻后的水樣抽氣經(jīng)過(guò)0.45μm濾膜過(guò)濾，消解后采用鉬銻抗分光光度法比色；顆粒態(tài)磷(PP)由總磷減可溶磷獲得，即PP=TP-DP。全氮的測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法，氨氮的測(cè)定方法采用于分光光度法的納氏試劑光度法。

(6)農(nóng)溝排水中氮、磷濃度在農(nóng)溝的排水溝口、中部和溝頭分3個(gè)斷面取樣。取水時(shí)間為雨后0、1、2、3、5 d；每個(gè)斷面分上、中、下3個(gè)斷面，分別在水面、1/2水深、底部取水測(cè)定。農(nóng)溝排水時(shí)，每隔1 h在排水口水深1/2處取水，每次取樣次數(shù)不少于2次。每次取樣500 mL，混勻后取用。

1297 Practice on integrated traditional Chinese and Western medicine of phlegm syndrome theory in gastric cancer

水中氮磷濃度測(cè)定方法同田面水。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓄雨控灌技術(shù)對(duì)農(nóng)田排水中氮磷濃度的影響

節(jié)水灌溉模式下，田面經(jīng)常處于淺水層或無(wú)水層狀態(tài)。遭遇暴雨時(shí)，直接的雨滴擊濺侵蝕，或者淺水層條件下(小于20 mm)雨滴擊濺導(dǎo)致的水層紊動(dòng)，使得田面表土顆粒及其富集的氮磷更容易進(jìn)入水中，導(dǎo)致降雨初期田面水中氮磷濃度較高。尤其是T2處理，在降雨初期(8 h)田面水中TP和TN的濃度均顯著高于T1處理(見(jiàn)表4)。但由于T2田間采用輕旱高蓄模式，雨后蓄水深度較大，擊濺侵蝕和水面紊動(dòng)隨田面水深的增加逐漸減小，進(jìn)入水中的泥沙和氮磷濃度降低。更重要的是，蓄水深度增加使格田排水時(shí)間滯后約6 h，延長(zhǎng)了雨水在格田的滯留時(shí)間。由于泥沙沉淀、土壤吸附，加上降雨的稀釋作用，發(fā)生排水時(shí)，T2處理水中氮磷濃度顯著低于T1。

表4 雨后田面水TN和TP濃度變化 mg/L

注：①時(shí)間為降雨開(kāi)始后的時(shí)間，T1、T2處理分別在降雨8、14 h后排水；②不同小寫(xiě)字母表示同一列數(shù)值在P0.05水平上的顯著性差異(下同)。

圖1 農(nóng)溝中TP和TN濃度變化

從表4和圖1可以看出，降雨初期兩個(gè)處理的格田地面水中TP和TN的濃度較高，且下降均較快，其中T2處理下降幅度高于T1，表明稻田具有良好的氮磷去除效果。相同時(shí)間，格田水中氮磷濃度高于農(nóng)溝。因此，通過(guò)蓄雨控灌技術(shù)，盡可能蓄雨于田，尤其是攔蓄初期降雨形成的徑流，能有效減少由農(nóng)田進(jìn)入農(nóng)溝的排水量，并降低排水中氮磷濃度，為溝道控制排水創(chuàng)造良好條件。溝道水中TN和TP濃度在雨后最初的24 h下降速率較快，其后趨于穩(wěn)定?？紤]到溝道長(zhǎng)期蓄水可能對(duì)作物的不利影響，溝道攔蓄時(shí)間以不超過(guò)48～72 h為宜。

排水結(jié)束后，由于溝道的濕地效應(yīng)，溝道中的TN和TP濃度逐漸降低。在排水結(jié)束后30 h，T2處理的TN和TP濃度分別下降了18.1%和10.5%，小于T1處理的33.5%和31.6%。其原因可能和T1處理溝道水深過(guò)大，水溫較低，影響硝化-反硝化反應(yīng)有關(guān)。

一般認(rèn)為，攔蓄于溝田中的雨水，由于水深增加，可能會(huì)增加溝田入滲，增加氮磷污染物的淋洗損失。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，田間滲漏量并未顯著增加。通過(guò)監(jiān)測(cè)農(nóng)田地下水的水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)滲漏水中TN和TP的濃度較為穩(wěn)定，且不足地表排水濃度的10%。因此采用蓄雨控灌技術(shù)控制排水模式，由于滲漏水量增加而導(dǎo)致的氮磷負(fù)荷有限。控制地表排水仍是減少氮磷負(fù)荷的有效手段。

2.2 蓄雨控灌技術(shù)對(duì)農(nóng)田排水量及氮磷負(fù)荷的影響

蓄雨控灌技術(shù)模式下，降雨和徑流經(jīng)過(guò)格田和溝道的兩次攔截，雨水在農(nóng)田和農(nóng)溝的滯留量增加，排水量減少。與T1相比，農(nóng)田尺度上排水量減少51.5%，農(nóng)溝尺度上減少61.1%。T1處理農(nóng)溝尺度排水大于農(nóng)田尺度，與農(nóng)田側(cè)向滲漏以及溝道產(chǎn)流有關(guān)。而T2處理由于溝口被控制，在不超過(guò)農(nóng)溝控制水位時(shí)，側(cè)滲和溝坡產(chǎn)流被蒸發(fā)和入滲所消耗。同時(shí)由于滯留時(shí)間的增加，有利于溝、田濕地效應(yīng)的發(fā)揮，使得農(nóng)田和農(nóng)溝尺度上氮磷負(fù)荷均有所降低，如表5所示。

表5 不同尺度地表徑流導(dǎo)致的氮磷流失負(fù)荷

在農(nóng)溝尺度上，單位面積的TN負(fù)荷低于農(nóng)田尺度，降幅為19.5%(T1)～21.7%(T2)，TP負(fù)荷低于農(nóng)田尺度35.3%(T1)～47.4%(T2)。這表明稻田溝道系統(tǒng)對(duì)氮、磷具有良好的去除效果，尤其對(duì)TP的去除效果優(yōu)于TN。此外，由于農(nóng)溝還承擔(dān)了格田外非耕地的徑流和氮磷負(fù)荷，農(nóng)溝控制排水的實(shí)際氮磷減排效果更好。

3 結(jié) 語(yǔ)

蓄雨控灌技術(shù)模式具有良好節(jié)水減排效果。該模式可減少灌排水量，并充分發(fā)揮稻田和農(nóng)溝的濕地效應(yīng)，使氮磷負(fù)荷大幅降低。盡管田、溝滲漏量有所增加，但滲漏水中氮磷濃度遠(yuǎn)低于地表水，水體氮磷負(fù)荷總體減少。

降雨初期農(nóng)田和農(nóng)溝水中氮磷的濃度較高，攔截初期降雨和農(nóng)溝排水對(duì)降低氮磷負(fù)荷更為有利。降雨開(kāi)始后的最初24 h內(nèi)，格田氮磷濃度下降較快，尤其是最初的8～14 h，應(yīng)盡可能不排或少排。即使達(dá)到設(shè)計(jì)雨水深度，也可以臨時(shí)增加雨水深度，使之在格田中滯留14 h以上。因此，適當(dāng)增加格田田埂高度至15～20 cm是必要的，這樣可攔截南方大部分地區(qū)10 a一遇的暴雨。

溝道具有良好的濕地效應(yīng)。在實(shí)施蓄雨控灌的同時(shí)，若能同時(shí)控制農(nóng)溝排水，其減排效果更佳，有待于繼續(xù)研究。

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