劉方平

(江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西 南昌 330201)

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稻田水肥管理對(duì)不同尺度區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染排放規(guī)律影響分析

劉方平

(江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西 南昌 330201)

采用SWAT數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬稻田水肥管理制度對(duì)不同尺度區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染排放規(guī)律，可為制訂科學(xué)的農(nóng)業(yè)面源污染防治技術(shù)措施提供依據(jù)。通過(guò)在江西省贛撫平原灌區(qū)選取封閉小流域——芳溪湖小流域，進(jìn)行不同尺度區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染排放規(guī)律分析模擬，結(jié)果表明：節(jié)水灌溉模式間歇灌溉較當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)淹水灌溉模式對(duì)削減氮、磷排放負(fù)荷具有明顯優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，農(nóng)業(yè)面源污染田間尺度較流域尺度削減作用更大，表明從源頭改善田間灌溉模式，將起到更好的減污效果。隨著施氮肥量的減少及施肥次數(shù)的增加，稻田尺度和流域尺度總氮排放負(fù)荷均相應(yīng)減少，但總磷排放負(fù)荷變化均很??；隨著施磷肥量的減少，稻田尺度和流域尺度總磷排放負(fù)荷均相應(yīng)減少，但總氮排放負(fù)荷變化均很小。

贛撫平原灌區(qū)；稻田；不同尺度；面源污染；模擬

農(nóng)業(yè)面源污染是一種分布最廣泛的污染，是指以降雨為載體并在降雨的沖擊和淋溶作用下，通過(guò)地表徑流和地下滲漏過(guò)程將污染物質(zhì)(包括土壤顆粒、土壤有機(jī)物、化肥、有機(jī)肥和農(nóng)藥等)攜入受納水體而引起的水質(zhì)污染[1-2]。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家的研究已經(jīng)證實(shí)，農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致水環(huán)境惡化的主要原因之一。

研究農(nóng)業(yè)面源污染需要同步監(jiān)測(cè)降雨、徑流和水量水質(zhì)變化過(guò)程，費(fèi)用昂貴，并且短期監(jiān)測(cè)資料也不可能滿足水質(zhì)控制和管理工作的需要，所以數(shù)學(xué)模型是研究農(nóng)業(yè)面源污染的最常用方法[3-5]。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)被認(rèn)為是應(yīng)用較為廣泛的研究面源污染的模型之一。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者探討了SWAT模型研究農(nóng)業(yè)面源污染的適用性，模型模擬效果令人滿意[6-9]。本文通過(guò)考慮稻田水分循環(huán)、灌溉排水模式以及灌區(qū)塘堰供水和渠道滲漏損失等灌區(qū)特有的水文過(guò)程，對(duì)SWAT模型進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建研究區(qū)的分布式水文模擬模型[10-12]。利用改進(jìn)后的SWAT模型對(duì)不同水肥管理制度下不同尺度區(qū)域稻田農(nóng)業(yè)面源污染排放負(fù)荷進(jìn)行模擬，以期為制定合理的農(nóng)田水肥管理和農(nóng)田排水控制措施，提高流域水肥資源利用效率、減少農(nóng)業(yè)面源污染排放提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取的研究對(duì)象位于江西省贛撫平原灌區(qū)內(nèi)的芳溪湖小流域，該小流域位于南昌市南昌縣境內(nèi)，地理位置為北緯28°33′～28°29′，東經(jīng)116°05′～116°0′，面積約為3080 hm2，多年平均氣溫17.8 ℃，多年平均日照1603.4 h，多年平均降水量為166.25 cm，無(wú)霜期276 d。該區(qū)域的灌溉水源為贛撫平原灌區(qū)二干三分渠和二干五分渠，區(qū)域產(chǎn)流和排水流向芳溪湖內(nèi)，是一個(gè)相對(duì)閉合的區(qū)域[13]。區(qū)域內(nèi)主要種植作物為雙季稻。研究區(qū)域空間位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)空間位置

由于本文所選研究區(qū)域?yàn)槠皆鄥^(qū)，地勢(shì)平坦，沒(méi)有明確的坡面產(chǎn)匯流特征；且研究區(qū)域分布著很多人工修建的渠堤，阻礙了徑流自排進(jìn)入干流水體，使得區(qū)域內(nèi)和干流的水力聯(lián)系發(fā)生改變，利用DEM圖提取的河網(wǎng)跟研究區(qū)域的實(shí)際河網(wǎng)有一定的出入，因此本文采用李碩等[14]提出的方法進(jìn)行研究區(qū)域的河網(wǎng)提取，從而構(gòu)建研究區(qū)域的分布式水文模型，所得研究區(qū)域河網(wǎng)分布及子流域劃分情況見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)河網(wǎng)分布及子流域劃分

本文所采用的農(nóng)田灌溉排水水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省灌溉試驗(yàn)中心站2011～2013年田間灌溉、排水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)作物為早、晚稻，試驗(yàn)測(cè)定時(shí)間早稻為4月下旬至7月中旬，晚稻為7月下旬至10月中旬；其間農(nóng)田有灌溉、排水時(shí)進(jìn)行取樣測(cè)定。

1.2 不同灌溉模式情景設(shè)置

為了探明研究區(qū)內(nèi)水稻田不同灌溉模式對(duì)氮、磷污染負(fù)荷排放的影響，設(shè)置了2種灌溉模式，分別為節(jié)水灌溉模式間歇灌溉和傳統(tǒng)的長(zhǎng)期淹水灌溉模式，對(duì)面源污染進(jìn)行排放模擬對(duì)比分析。2種灌溉模式下其施肥模式相同，均為農(nóng)民習(xí)慣施肥模式。2種灌溉模式各生育期田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.3 不同施肥模式情景設(shè)置

1.3.1 不同施氮肥情景設(shè)置 為了定量研究農(nóng)田施氮肥對(duì)研究區(qū)域出口污染負(fù)荷的影響，設(shè)置了5種不同的施氮肥情景進(jìn)行模擬計(jì)算。按照施氮肥量、次數(shù)以及時(shí)間的不同，設(shè)置不同施肥情景見(jiàn)表2。N0：不施氮肥；N1F2：2次施氮肥，施氮肥量為N2F2的80%，即144 kg/hm2，施肥時(shí)間與N2F2相同；N1F3：3次施氮肥，施氮肥量為N2F3的80%，施肥時(shí)間與N2F3相同；N2F2：農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)(現(xiàn)狀模式)，早、晚稻施氮肥總量均為N 180 kg/hm2，分2次施肥，早、晚稻施基肥N 90 kg/hm2，追施分蘗肥N 90 kg/hm2；N2F3：3次施氮肥，施肥總量N 180 kg/hm2，氮肥施肥比為5∶3∶2，早、晚稻施基肥N 90 kg/hm2，追施分蘗肥N 54 kg/hm2，追施穗肥N 36 kg/hm2。以上不同施氮肥情景其施磷肥均相同，作為基肥一次性施下，施肥量P 67.5 kg/hm2。

1.3.2 不同施磷肥情景設(shè)置 按照施磷肥量的不同，設(shè)置3種施肥情景：P0：不施磷肥；P1：施磷肥量為P2的80%；P2：農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)，早、晚稻施磷肥總量均為N 67.5 kg/hm2。以上不同施磷肥情景其磷肥均作為基肥一次性施下，其施氮肥如前述N2F2。

以上施肥模式下其灌溉模式均相同，均采用傳統(tǒng)的淹水灌溉模式。

1.4 農(nóng)田排水水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

農(nóng)田排水中水質(zhì)測(cè)定指標(biāo)包括總氮(TN)和總磷(TP)。水質(zhì)測(cè)試方法如下：總氮(TN)測(cè)定采用《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測(cè)定；總磷(TP)測(cè)定采用《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式下不同尺度區(qū)域氮、磷排放規(guī)律分析

2.1.1 不同灌溉模式下稻田尺度氮、磷排放負(fù)荷分析 通過(guò)從2011～2013年水稻田的3年平均產(chǎn)污量及最后進(jìn)入芳溪湖水體(流域出口)的排污量2個(gè)角度，對(duì)水稻生育期內(nèi)稻田排放的氮、磷污染負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到2種灌溉模式下水稻田單位面積氮、磷排放負(fù)荷。

從表3可以看出，間歇灌溉水稻田總氮、總磷單位面積排放負(fù)荷分別為25.40 kg/hm2和4.13 kg/hm2，分別比淹水灌溉模式下減少14.52%和10.32%。

表1 2種灌溉模式各生育期田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)

注：灌前下限為田間土壤含水量占飽和含水量的比率。淹水灌溉模式的灌前下限中帶*的為田間土壤含水量占飽和含水量的比率，單位為%。

表2 不同施肥模式情景下施氮肥制度

注：施氮肥比為基肥、分蘗肥、穗肥施肥量的比例，2次施肥為基肥與分蘗肥的比例。

表3 稻田間歇灌溉和淹水灌溉氮、磷排放負(fù)荷對(duì)比

2.1.2 不同灌溉模式下流域尺度氮、磷排放負(fù)荷分析 通過(guò)利用改進(jìn)的SWAT模型對(duì)2種灌溉模式下水稻生育期內(nèi)芳溪湖流域出口氮、磷排放負(fù)荷進(jìn)行模擬分析。從表4可以看出，間歇灌溉模式流域出口總氮、總磷總負(fù)荷分別為60.21和14.29 t，分別比淹水灌溉模式減少8.41%和8.61%。

通過(guò)對(duì)表3、表4對(duì)比分析來(lái)看，稻田尺度和流域尺度不同灌溉模式對(duì)氮、磷排放負(fù)荷削減率存在較大差異，表現(xiàn)出稻田尺度有著更高的削減率，較流域尺度的氮削減率提高了6.11個(gè)百分點(diǎn)，磷的削減率提高了1.61個(gè)百分點(diǎn)。這表明間歇灌溉模式較淹水灌溉模式下田間尺度的削減作用更大，在氮、磷污染負(fù)荷流出稻田經(jīng)過(guò)溝塘濕地時(shí)，其徑流過(guò)程削減作用相對(duì)較小。因此，改善田間灌溉模式，從源頭進(jìn)行控制，在贛撫平原灌區(qū)所具有的水文、氣象條件下可以起到更好的減污效果。

2.2 不同施肥模式下不同尺度區(qū)域氮、磷排放規(guī)律分析

2.2.1 不同施氮模式下稻田尺度氮、磷排放負(fù)荷分析 通過(guò)從2011～2013年水稻田的3年平均產(chǎn)污量及最后進(jìn)入芳溪湖水體(流域出口)的排污量2個(gè)角度，對(duì)5種施氮肥模式水稻生育期內(nèi)稻田排放的氮、磷污染負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同施肥模式下稻田單位面積氮、磷排放負(fù)荷變化圖及削減情況表(圖3、表5)。

表4 稻田間歇灌溉和淹水灌溉模式芳溪湖 流域出口氮、磷排放負(fù)荷對(duì)比

從圖3、表5可以看出，隨著施氮肥量的減少，稻田排放的總氮負(fù)荷相應(yīng)減少。與現(xiàn)狀模式N2F2相比，當(dāng)施氮肥量較現(xiàn)狀模式減少20%時(shí)，2次施肥模式下總氮排放負(fù)荷削減4.89%，總磷排放負(fù)荷幾乎不變。同等施肥量情況下(現(xiàn)狀施氮水平)，3次施肥較2次施肥總氮排放負(fù)荷削減4.18%，總磷排放負(fù)荷變化很小。同時(shí)，減少施氮肥量20%并采用3次施肥模式，總氮排放負(fù)荷削減7.91%，總磷排放負(fù)荷變化很小。從上述分析可知，總磷排放負(fù)荷沒(méi)有隨施氮肥量的減少和施肥次數(shù)的增加而變化，說(shuō)明總磷排放和施氮肥模式?jīng)]有明顯的交互作用?？梢?jiàn)，適當(dāng)減少施氮量及增加施肥次數(shù)對(duì)削減稻田氮負(fù)荷排放具有明顯的效果。

2.2.2 不同施氮模式下流域尺度氮、磷排放負(fù)荷量分析 通過(guò)利用改進(jìn)的SWAT模型，對(duì)5種不同施氮模式下水稻生育期內(nèi)芳溪湖流域出口氮、磷排放負(fù)荷進(jìn)行模擬分析，得到流域出口2011～2013年3年平均氮、磷排放負(fù)荷變化圖及削減情況表(圖4、表6)。

從圖4可以看出，隨著水稻田施氮肥量的減少流域出口總氮排放負(fù)荷相應(yīng)減少，但總磷排放負(fù)荷變化很??；并且在施肥總量相等的情況下，3次施肥較2次施肥總氮排放負(fù)荷有所減少，但改變施氮肥次數(shù)對(duì)總磷并沒(méi)有影響。

從圖4、表6可以看出，同等施氮肥量情況下(現(xiàn)狀施氮水平)，3次施肥比兩次施肥的總氮排放負(fù)荷削減1.62%，但總磷排放負(fù)荷變化很小。當(dāng)施肥量減少20%時(shí)，2次施肥模式下總氮排放負(fù)荷削減2.63%，3次施肥模式下總氮排放負(fù)荷削減4%，而總磷排放負(fù)荷變化均很小。因此，減少施氮量及增加施肥次數(shù)能在一定程度上削減流域出口氮排放負(fù)荷。

圖3 不同氮肥水平下稻田總氮和總磷排放負(fù)荷變化

圖4 不同氮肥水平下流域出口總氮和總磷排放負(fù)荷變化

表5 不同施肥模式較現(xiàn)狀模式稻田氮、磷排放負(fù)荷削減率 %

表6 不同施肥模式較現(xiàn)狀模式流域出口氮、磷排放負(fù)荷削減率 %

2.2.3 不同施磷模式下稻田尺度氮、磷排放負(fù)荷分析 通過(guò)對(duì)3種施磷肥模式水稻生育期內(nèi)稻田排放的氮、磷污染負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同施磷肥模式下稻田單位面積氮、磷排放負(fù)荷量變化圖。從圖5可以看出，隨著施磷肥量的減少稻田總磷排放負(fù)荷相應(yīng)減少，磷肥減少20%，總磷排放負(fù)荷減少4%左右，而總氮排放負(fù)荷并沒(méi)有隨施磷肥量的減少而變化，說(shuō)明總氮排放和施磷肥量之間沒(méi)有明顯的交互作用。

2.2.4 不同施磷肥模式下流域尺度氮、磷排放負(fù)荷分析 通過(guò)利用改進(jìn)的SWAT模型對(duì)3種不同施磷模式下水稻生育期內(nèi)芳溪湖流域出口氮、磷排放負(fù)荷進(jìn)行模擬分析，得到流域出口2011～2013年3年平均氮、磷排放負(fù)荷變化圖。從圖6可以看出，隨著稻田施磷肥量的減少流域出口的總磷排放負(fù)荷相應(yīng)減少；磷肥減少20%，總磷排放負(fù)荷減少3%左右，但總氮排放負(fù)荷變化很小。

3 小結(jié)

(1)不同灌溉模式對(duì)氮、磷排放負(fù)荷削減率存在較大差異；同時(shí)，田間尺度較流域尺度削減作用更大。其中，在稻田尺度下，間歇灌溉模式總氮、總磷單位面積排放負(fù)荷分別為25.40和4.13 kg/hm2，分別比淹水灌溉模式下減少14.52%和10.32%。在流域尺度下，早晚稻生育期間間歇灌溉模式總氮、總磷總排放負(fù)荷分別為60.21和14.29 t，分別比淹水灌溉模式減少8.41%和8.61%。

(2)稻田尺度和流域尺度的總氮排放負(fù)荷均隨著施氮肥量的減少及施肥次數(shù)的增加而相應(yīng)減少，而總磷排放負(fù)荷變化均很小。減少施氮肥量20%并采用3次施肥模式，稻田尺度總氮排放負(fù)荷較現(xiàn)狀模式可減少7.91%；流域出口總氮排放負(fù)荷較現(xiàn)狀模式可減少4.18%。

圖5 不同磷肥水平下稻田總磷和總氮排放負(fù)荷變化

圖6 不同磷肥水平下流域出口總磷和總氮排放負(fù)荷變化

(3)稻田尺度和流域尺度總磷排放負(fù)荷均隨著施磷肥量的減少而相應(yīng)減少，而總氮排放負(fù)荷變化均很小。減少施磷肥量20%，稻田尺度總磷排放負(fù)荷較現(xiàn)狀模式可減少4%左右，流域出口總磷排放負(fù)荷較現(xiàn)狀模式可減少3%左右。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

Effects of Irrigation and Fertilization in Paddy Field on Discharge of Agricultural Non-point-source Pollution in Different-scale Districts

LIU Fang-ping

(Jiangxi Provincial Centre of Irrigation Experiment, Nanchang 330201, China)

In order to provide the basis for drawing up a scientific prevention technique measure of agricultural non-point-source pollution, this study used SWAT mathematic model to simulate and analyze the effects of different paddy field irrigation and fertilization systems on the discharge law of agricultural non-point-source pollution in different-scale districts in the Fangxi Lake basin, which is located in the Ganfu Plain Irrigation Area of Jiangxi Province. The results showed that the intermittent irrigation, a kind of water-saving irrigation mode, presented obvious advantages in the reduction of nitrogen and phosphorous discharge load as compared with the traditional flooding irrigation mode. In addition, the agricultural non-point-source pollution reduction effect was better in the field scale than in the basin scale, indicating that the pollution would be decreased more if the field irrigation mode was improved in the source of pollution. When the nitrogen fertilizer application rate decreased and the fertilization times increased, the discharge load of total nitrogen decreased in both the field scale and the basin scale, but the change in discharge load of total phosphorous was very small. When the phosphorous fertilizer application rate decreased, the discharge load of total phosphorous decreased at two different scales, but the change in discharge load of total nitrogen was very small.

Ganfu Plain Irrigation Area; Paddy field; Different scales; Non-point-source pollution; Simulation

2016-07-12

江西省水利科技中美合作項(xiàng)目(KT201116)。

劉方平(1977─)，男，江西南昌人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事農(nóng)田節(jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)面源污染防治研究。

X592

A

1001-8581(2016)12-0105-05