俞雙恩，李 偲，高世凱，王 梅，孟佳佳，湯樹海

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水稻控制灌排模式的節(jié)水高產(chǎn)減排控污效果

俞雙恩1,2，李 偲1,2，高世凱1,2，王 梅1,2，孟佳佳1,3，湯樹海4

（1. 河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京 210098； 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098； 3. 淮安市水利局，淮安 223001； 4. 漣水水利科學(xué)研究站，淮安 223001）

為合理地集成控制灌溉和控制排水技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)水、高產(chǎn)、減污目標(biāo)的統(tǒng)一，該文應(yīng)用控制灌排技術(shù)于2015-2016年在漣水縣水利試驗站開展大田小區(qū)試驗，對稻田灌溉用水量、產(chǎn)量及氮磷流失情況進(jìn)行監(jiān)測和分析。2 a研究結(jié)果表明：與對照處理（控制灌溉）相比，采用輕旱控制灌排技術(shù)并不導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，且稻田灌溉定額能夠降低11.89%(<0.05)，同時由于排水峰值和排水次數(shù)明顯減少，總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮稻田表面徑流流失負(fù)荷分別降低54.58%、36.29%和60.10% (<0.05)，但在雨量較多的年份會增加滲漏量，從而造成總磷、銨態(tài)氮淋失負(fù)荷升高；采用重旱控制灌排技術(shù)時，水稻減產(chǎn)不顯著，稻田灌溉定額減少29.88%，排水定額減少58.95%，總磷、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮地表徑流流失負(fù)荷分別降低59.23%、38.88%和62.97%，但淋失負(fù)荷分別增加了24.57%、30.17%和15.88%，可能造成地下水污染。應(yīng)用基于序關(guān)系分析法和熵值法組合權(quán)重的TOPSIS理想解法對水稻灌排方案進(jìn)行優(yōu)選決策，結(jié)果表明輕旱控制灌排在保證糧食生產(chǎn)量的前提下具有良好的節(jié)水減排控污效果。

氮；磷；排水；稻田；控制灌排模式；優(yōu)選

0 引 言

水稻作為中國主要的糧食作物之一，其種植規(guī)模及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，對中國糧食安全和稻農(nóng)增收起著重要作用。南方稻作區(qū)，水稻生長期與汛期同季，經(jīng)常性的暴雨產(chǎn)生農(nóng)田排水使稻田水肥流失成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源[1-2]。水稻具有一定的抗旱能力和較強(qiáng)的耐漬澇能力[3]，輕度干旱脅迫的節(jié)水灌溉技術(shù)不僅在一定程度上降低了稻田氮素的滲漏淋溶作用[4]，提高水稻水肥利用率[5-6]，實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而且能提升稻米整精米率，降低堊白度[7]；適當(dāng)增加雨后蓄水深度，可在水稻保持高產(chǎn)的前提下，降低防洪除澇壓力，提高雨水和灌溉水利用效率，具有良好的節(jié)水減排效果[8-9]。

已有研究表明，將水稻節(jié)水灌溉技術(shù)與控制排水相結(jié)合，可高效利用養(yǎng)分和水分，充分發(fā)揮稻田的濕地效應(yīng)，減少灌排定額和稻田氮磷污染物負(fù)荷，實現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)、減排控污的目標(biāo)[10-13]。但將水稻控制灌溉與稻田控制排水[13-14]技術(shù)進(jìn)行合理耦合，形成水稻全生育期的水稻控制灌排技術(shù)，進(jìn)行節(jié)水減排控污效果的研究卻鮮見報道。筆者以稻田水位[15]為灌排調(diào)控技術(shù)指標(biāo)，基于大田小區(qū)觀測試驗資料，分析水稻生長期間控制灌排技術(shù)對灌排水量和氮磷流失量的影響，并進(jìn)一步分析在適當(dāng)提高雨后允許蓄水深度下，保持或者甚至低于現(xiàn)有節(jié)水灌溉模式的灌溉下限對節(jié)水減污效果的影響，以期為制定水稻高效控制灌排技術(shù)模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年和2016年6—10月的水稻大田生長期在漣水水利科學(xué)研究站試驗田內(nèi)進(jìn)行。試驗區(qū)位于江蘇省淮安市漣水縣朱碼鎮(zhèn)境內(nèi)（119°16′E，33°50′N），屬于亞熱帶濕潤性氣候，年平均氣溫14.4 °C，降雨量時間分布不均，年內(nèi)變化和年際變化較大，多年平均降雨量979.1 mm，年蒸發(fā)量1 385.4 mm，日照時數(shù)2 280 h，平均無霜期240 d。供試區(qū)耕層土壤質(zhì)地為壤土，0～30 cm土層土壤田間持水率為27.9%（質(zhì)量含水率），土壤容重為1.42 g/cm3，pH值為6.82，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.19%，全氮為0.98 g/kg，全磷為1.12 g/kg。

1.2 試驗方案設(shè)計

供試水稻品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種兩優(yōu)9 918。2015年水稻于5月23日泡種，5月25日育秧，6月23日移植于各試驗小區(qū)田塊，10月28日收割。2016年水稻于5月27日泡種，5月30日育秧，6月27日移植，10月30日收割。水稻移植密度皆為15 cm×22 cm，每穴3根籽苗。水稻生長期共施3次肥，基肥為復(fù)合肥（N:P:K為15:15:15），施肥量為900 kg/hm2，基肥在泡田后均勻散入施入田間，隨即用田耙將它與表土拌勻。追肥2次均為尿素（含氮量為46.4%），其中分蘗肥施肥量為50 kg/hm2（2015年在移栽后23 d撒施，2016年在移栽后18 d撒施），穗肥施肥量為50 kg/hm2（2015年在移栽后42 d撒施，2016年在移栽后39 d撒施）。2a生育期劃分見表1。

試驗各處理水位調(diào)控方案設(shè)計詳見表2。常規(guī)灌排（CK）采用控制灌溉（農(nóng)田水位低于–200 mm灌水到30 mm）和傳統(tǒng)排水模式（農(nóng)田水位超過60 mm排水至允許蓄水農(nóng)田水位60 mm）?？刂乒嗯挪捎每刂乒喔群涂刂婆潘夹g(shù)，且控制灌溉中采用2種不同的灌水下限試驗處理，即輕旱控排（LCID）以及重旱控排（HCID）。2種控制灌排處理其雨后允許蓄水深度均大于CK。每個處理布置在1個格田內(nèi)，格田規(guī)格為90 m×27 m，每個格田長邊相鄰布置供水渠和排水溝，短邊有農(nóng)渠和農(nóng)溝，格田四周嵌入35 cm的薄膜并覆蓋到田埂，消除了各處理之間的水位影響。每個格田設(shè)3個重復(fù)。所有處理，除水位調(diào)控嚴(yán)格按照設(shè)計指標(biāo)執(zhí)行外，其他農(nóng)技措施一致。

表1 水稻各生育期起止時間

Table 1 Beginning and ending date of each growing stage of rice

表2 各處理農(nóng)田水位調(diào)控方案

注：農(nóng)田水位以田面為“0”，正值表示田面水層深度，負(fù)值表示農(nóng)田地下水的埋深。

Note: Water level in field is considered as 0 at soil surface, water layer depth above soil surface and groundwater depth below soil surface are positive and negative values.

1.3 測定指標(biāo)與方法

1）降雨量。由漣水縣水利試驗點自動氣象站安裝的雨量計收集降雨數(shù)據(jù)。

2）農(nóng)田水位：當(dāng)田面有水層時，指田面水深；當(dāng)田面無水層時，指地下水埋深。每天09:00對田間水位進(jìn)行觀測。當(dāng)田面有水層時，通過豎尺在固定觀測點測量田面水層深度。無水層時，通過在試驗田塊中間等距離安裝的3個地下水位觀測井記錄各小區(qū)淺層地下水的埋深。

3）農(nóng)田灌排水量。農(nóng)田灌水量通過水表測量，地表排水量采用水位差法，通過水尺定點觀測排水前后田間水層深度差，排水遇雨時地表排水總量需要加上該排水時段內(nèi)降雨總量。

4）田間耗水量、作物需水量及滲漏量。在各試驗小區(qū)中央設(shè)置鐵皮有底測筒，測筒內(nèi)種植水稻，測筒水管理措施與試驗小區(qū)保持一致。試驗小區(qū)消耗水量為田間耗水量，有底測筒的耗水量作為水稻需水量[16]，滲漏量為兩者之差。消耗水量皆采用水量平衡原理計算，需同步監(jiān)測小區(qū)及測筒的水位、降雨量、灌排水量。其中測筒水位于每日09:00監(jiān)測，有水層時量測水面到筒口的距離，無水層時利用與測筒底部連接的地下水觀測管量測水面到筒口的高度。

5）水樣提取及分析方法。地表水：在每個小區(qū)隨機(jī)選擇3～5個取樣點，用50 mL醫(yī)用注射器，不擾動土層抽取，取好后將地表水樣進(jìn)行混合裝入樣品瓶并做好標(biāo)記。滲漏水：土壤滲濾液取樣管為90 cm的PVC管，其中地上部分為20 cm，在離底部管口5～15 cm處打孔，用尼龍紗網(wǎng)將開孔處包緊，用鐵絲扎好，防止土壤將孔堵塞，底部用塞子密封，以此取樣管用來收集60 cm土層處的土壤滲濾液。并用腳踏吸引器提取滲漏液，裝入塑料瓶并做好標(biāo)記。各水樣采集后低溫保存于冰箱中，進(jìn)行冷藏（3 ℃）處理，并在24 h內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)分析。地表水7 d取1次水樣，地下水10 d取1次水樣，遇雨和施肥加測。監(jiān)測指標(biāo)有銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3–-N）和總磷（TP）。水樣測定分別采用納氏試劑光度法，紫外分光光度法和鉬銻抗分光光度法，測定儀器為島津 UV2800紫外分光光度儀。

6）考種與測產(chǎn)。每小區(qū)調(diào)查3處平方米收獲穗數(shù)，并從中隨機(jī)采集5穴作為水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的測定，調(diào)查每穗粒數(shù)、結(jié)實率以及千粒質(zhì)量等指標(biāo)。各小區(qū)選取5 m2的測產(chǎn)區(qū)實際測產(chǎn)。

1.4 灌排方案優(yōu)選評價方法

1）確定指標(biāo)體系及指標(biāo)值。以節(jié)水減污高產(chǎn)綜合效果評價為目標(biāo)建立評價指標(biāo)體系，并根據(jù)試驗2015—2016年試驗結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)賦值。

2）確定指標(biāo)權(quán)重?；谥饔^賦權(quán)的序關(guān)系分析法和客觀賦權(quán)的熵值法[17-19]確定指標(biāo)綜合權(quán)重值，2種權(quán)重計算方法具體步驟詳見文獻(xiàn)[17]?；谧钚⌒畔㈧卦恚美窭嗜粘俗臃▋?yōu)化后可得綜合權(quán)重計算式為[20]：

式中為綜合權(quán)重向量，為序關(guān)系法得到的權(quán)重向量，為熵值法得到的權(quán)重向量，為指標(biāo)序號。

3）采用TOPSIS法計算各灌排方案指標(biāo)值與理想值的貼近度，計算方法參考文獻(xiàn)[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

表格繪制采用Microsoft Excel 2003，數(shù)據(jù)利用SPSS19.0軟件依據(jù)最小極差法（least significant difference，LSD）進(jìn)行顯著性分析（=0.05），作圖采用OriginPro9.1軟件，灌排方案優(yōu)選利用Matlab編寫算法實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 控制灌排對灌水量、排水量和滲漏量的影響

2a各處理降雨量、灌排情況和農(nóng)田水位變化如圖1所示。試驗區(qū)2015年、2016年水稻大田期降雨總量分別為831.0 mm和561.0 mm，其中暴雨發(fā)生次數(shù)分別為4次和3次，大暴雨僅2015年發(fā)生1次，日雨量達(dá)181 mm。各處理灌排水量、灌排水次數(shù)和滲漏量見表3。2015年LCID、HCID與CK相比，灌水量分別減少了16.13%和37.10%，地表排水量分別減少了68.59%和72.62%，稻田滲漏量分別增加了28.39%和15.77%；2016年LCID、HCID與CK相比，灌水量分別減少了9.72%和26.19%，地表排水量分別減少了32.97%和41.94%，稻田滲漏量僅HCID減少8.57%。LCID、HCID處理2 a平均稻田灌水量減少了11.89%和29.88%，排水量減少了52.72%和58.95%，均達(dá)到顯著水平(<0.05)。以上結(jié)果表明控制灌排可有效減少稻田的排水次數(shù)和排水量，進(jìn)而減少灌溉定額，尤其是HCID處理能夠延長灌水周期，減少灌水次數(shù)，其節(jié)水省工效果更加顯著。同時在2015年水稻生長期降雨量較大的年份稻田控制灌排抬高了雨后積水深度，延長了稻田淹水時間，引起滲漏量的增加。而2016年由于降雨量較少，HCID處理田面無水層的時間累積較長滲漏量反而顯著減少。

圖1 各處理農(nóng)田水位及降雨量、灌排量動態(tài)變化

表3 不同處理灌排水量、灌排次數(shù)和滲漏量

注：同一年份同一列不同小寫字母分別表示處理間差異達(dá)到5%顯著性水平，下同。灌水包含移栽前的泡田灌水。

Note: In same year, values in the same column followed by different letters show significant difference among treatments (＜0.05),same as below. Irrigation includes steeping field before transplanting.

2.2 控制灌排對地表水氮磷流失負(fù)荷的影響

2.2.1 地表水NH4+-N、NO3–-N濃度動態(tài)變化

2 a地表水NH4+-N、NO3–-N濃度動態(tài)變化如圖2所示。

圖2 地表水中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度動態(tài)變化

總體趨勢是隨著生育進(jìn)程的發(fā)展氮素濃度逐漸降低。生育初期基肥施入田間，此時水稻根系不發(fā)達(dá)，對氮素吸收能力較差，NH4+-N和NO3–-N濃度偏高。水稻進(jìn)入分蘗期生長旺盛對氨態(tài)氮的需求量增大，NH4+-N濃度迅速降低，追施分蘗肥和穗肥后，地表水中的NH4+-N和NO3–-N濃度會有短暫的升高，大暴雨或旱后灌水也會使地表水NH4+-N和NO3–-N濃度有所上升。2015年移栽后第38天發(fā)生大暴雨，日降雨量達(dá)到181 mm，各處理氮素濃度有較大幅度的增加。降雨后HCID處理地表水NH4+-N和NO3–-N濃度比CK分別高56.25%和42.86%，比LCID分別高44.23%和17.65%，達(dá)顯著水平(<0.05)。各處理全生育期內(nèi)地表水NH4+-N和NO3–-N的平均濃度如表4所示。2015年LCID處理與CK相比地表水NO3–-N平均濃度降低23.60%，HCID處理地表水NH4+-N平均濃度與CK相比增加了21.29%。2016年LCID處理與CK相比氮素濃度變化不顯著，而HCID處理地表水NH4+-N、NO3–-N平均濃度與CK相比分別增加了26.26%和23.14%。不同處理對地表水氮素平均濃度的影響在2 a間存在差異主要受到年降雨變化的強(qiáng)烈作用。

表4 不同處理地表水氮磷平均濃度和氮磷徑流流失量

2.2.2 地表水TP濃度動態(tài)變化

如圖3所示，稻田地表水TP濃度變化波動較大，但整體趨勢也是隨著作物生長TP濃度逐漸降低。肥料的施加、降雨、灌溉造成的水層紊動和擊濺侵蝕都會擾動表土層，使得稻田表土顆粒及富集的磷素容易進(jìn)入地表水中，引起TP濃度出現(xiàn)短暫高峰。在2015年大暴雨前（移栽后35 d）各處理濃度相當(dāng)，但暴雨后第1 d（移栽后38 d）HCID處理TP濃度達(dá)到3 mg/L，比CK、LCID濃度分別高56.67%和46.67%，達(dá)到顯著性水平。各處理全生育期內(nèi)地表水TP平均濃度見表4，與CK相比，2015年LCID、HCID地表水TP平均濃度分別升高22.22%、44.44%，2016年僅HCID處理高11.65%。

圖3 地表水TP質(zhì)量濃度動態(tài)變化

2.2.3 地表排水氮磷流失負(fù)荷分析

各處理將每次地表排水的水量與該次排水時氮磷濃度的乘積進(jìn)行累加可得到2a不同處理稻田排水的氮磷負(fù)荷流失量，如表4所示。與CK相比，2015年LCID和HCID處理NH4+-N負(fù)荷減少了51.48%、53.29%，NO3–-N負(fù)荷減少了77.60%、81.60%，TP負(fù)荷減少了61.58%、67.24%；2016年LCID和HCID處理NH4+-N負(fù)荷減少了16.26%、19.88%，NO3–-N負(fù)荷減少了27.34%、28.09%，TP負(fù)荷減少了45.85%、49.23%。LCID處理2 a平均NH4+-N、NO3–-N、TP排水流失負(fù)荷量分別為36.29%、60.10%和54.58%，HCID分別為38.88%、62.97%和59.23%，控制灌排兩處理氮磷負(fù)荷削減效果均達(dá)到顯著性水平(<0.05)，但控制灌排兩處理間的削減效果差異不顯著。

2.3 控制灌排對氮磷淋失負(fù)荷的影響

根據(jù)水稻全生育期田間滲漏水氮磷實測資料，不同灌排模式氮磷淋溶液平均濃度如表5所示。與CK相比，2015年僅LCID處理中NO3–-N濃度顯著減少了27.15%，而2016年HCID處理NH4+-N、NO3–-N、TP較CK分別增加了20.36%、30.53%、21.04%。根據(jù)取樣測得的滲漏水中氮磷濃度，結(jié)合小區(qū)和測筒耗水量之差所得到的滲漏量，可分別計算出各處理氮磷淋失量。2a全生育期氮磷淋失量如表5所示，與CK相比，在2015年水稻全生育期內(nèi)LCID與HCID處理TP淋失量分別增加了25.56%、29.32%，NH4+-N淋失負(fù)荷增加了30.07%、40.03%。而2016年水稻全生育期內(nèi)僅HCID處理TP、NH4+-N、NO3–-N淋失量分別增加了20.63%、40.03%和27.45%。在生育期降雨較多時LCID、HCID處理均存在TP、NH4+-N淋失負(fù)荷總量明顯升高，但在降雨較少時LCID處理與CK差異不大，而HCID會顯著增加氮磷淋失負(fù)荷，存在地下水污染風(fēng)險。LCID處理2 a平均TP、NH4+-N淋失負(fù)荷量較CK分別升高了15.36%和17.79% (<0.05)，NO3–-N差異不顯著(＞0.05)，HCID處理TP、NH4+-N、NO3–-N分別高24.57%、30.17%和15.88% (<0.05)。

2.4 水稻控制灌排對產(chǎn)量的影響

2 a試驗各處理考產(chǎn)結(jié)果見表6，結(jié)果表明不同處理對水稻產(chǎn)量的影響未達(dá)到顯著水平。在產(chǎn)量構(gòu)成因子方面，LCID、HCID除單位面積有效穗數(shù)和每穗實粒數(shù)有顯著影響外，其余均與對照之間差異不顯著。2015年LCID、HCID處理的平米有效穗數(shù)較CK分別降低了21.68%和17.80% (<0.05)，而每穗實粒數(shù)增加了21.85%和13.45%(<0.05)。2016年LCID、HCID處理的平米有效穗數(shù)較CK分別降低了9.31%和9.91%。

2.5 水稻灌排方案優(yōu)選

為指導(dǎo)南方稻作區(qū)灌排實踐，科學(xué)制定水稻灌排制度，本文應(yīng)用基于組合權(quán)重的TOPSIS理想解法[20]進(jìn)行水稻灌排方案優(yōu)選決策，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，篩選出節(jié)水、減污、高產(chǎn)效果趨向于最優(yōu)化的灌排模式。評價指標(biāo)層及各控制灌排方案對應(yīng)的評價指標(biāo)賦值如表7所示。在評價指標(biāo)層中，一級指標(biāo)層選擇了產(chǎn)量、節(jié)水、控污3個指標(biāo)，二級指標(biāo)層在產(chǎn)量方面以提高籽粒產(chǎn)量為目標(biāo)；節(jié)水方面考慮到實現(xiàn)水資源合理利用及滿足水稻節(jié)水要求，針對南方地區(qū)降雨頻繁情況，選擇雨水利用率（生育期內(nèi)降雨量與排水量之差占降雨量的百分?jǐn)?shù)）和灌水量二個指標(biāo)；減排控污方面，考慮緩解氮磷污染的問題，選擇TP和水體中主要的2種氮素NH4+-N和NO3–-N地表流失量和淋溶量作為指標(biāo)。

表5 不同處理滲漏水氮磷的平均濃度及氮磷淋失量

表6 不同灌排模式對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響

表7 評價指標(biāo)層及各指標(biāo)賦值

注：正向表示指標(biāo)值越大越優(yōu)指標(biāo)，逆向表示指標(biāo)值越小越優(yōu)指標(biāo)。

Note: Positive type represents the bigger index value is better and reverse type represents the smaller index value is better.

序關(guān)系分析法需要確定評價指標(biāo)相對重要程度r的理性賦值，再根據(jù)公式計算出權(quán)重向量{W}（=1…9）。其中r=W/W，體現(xiàn)與2指標(biāo)之間的相對重要性，當(dāng)同等重要時r=1，而前一項指標(biāo)比后一項稍微重要取1.2，明顯重要取1.4，強(qiáng)烈重要取1.6，極端重要取1.8[17]。一級指標(biāo)層中，一般認(rèn)為產(chǎn)量與減污指標(biāo)同等重要，而這2項相對節(jié)水指標(biāo)稍微重要。二級指標(biāo)層在節(jié)水指標(biāo)中灌水量比雨水利用率強(qiáng)烈重要，而在減污指標(biāo)中，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中基本分類指標(biāo)，可將TP、NH4+-N地表流失量及NH4+-N、NO3–-N地下淋失量作為相對稍微重要指標(biāo)。熵值法則依據(jù)表7中各指標(biāo)賦值分別計算出2 a對應(yīng)的權(quán)重向量。基于2種方法得到的指標(biāo)權(quán)重可計算出2a對應(yīng)的綜合權(quán)重，如表8所示。

表8 指標(biāo)權(quán)重值

利用TOPSIS法可知3種灌排方案2015年貼近度為=(0.487,0.589,0.505)，2016年=(0.485,0.738,0.507)。2 a稻田灌排方案優(yōu)劣排序均為：方案2＞方案3＞方案1。評價結(jié)果表明雖然不同年型其產(chǎn)量和節(jié)水減污效果存在一定差異，但LCID控制灌排模式明顯優(yōu)于HCID、CK，且LCID始終為最理想灌排模式，CK始終為最不理想灌排模式。

3 討 論

3.1 控制灌排對地表水中氮磷濃度變化的影響機(jī)理

LCID會影響暴雨后的田面水氮磷濃度，主要由于攔蓄雨水后水層偏高，有近50 d左右處于淹水狀態(tài)下，強(qiáng)烈的厭氧環(huán)境抑制了氮素的硝化反應(yīng)，促進(jìn)了反硝化微生物和反硝化酶的活性[21]，NO3–-N濃度降低達(dá)到顯著性水平，也使雨后的NH4+-N濃度有所提高，同時由于土壤供氧不足，Eh值降低，pH值升高，磷酸金屬化合物三價Fe被還原轉(zhuǎn)化為二價可溶解性Fe離子，釋放出更多的可溶性磷[22]，TP濃度顯著增加。HCID處理暴雨后及旱后復(fù)水時的田面水氮磷濃度波動較大。2015年發(fā)生大暴雨時可能由于田面不同水深而導(dǎo)致濃度存在明顯差異，CK、LCID處理中田面具有5 mm左右的水層，而HCID處理在降雨時田面無水層，被土壤吸附的NH4+-N及TP在雨滴對土壤造成的擊濺侵蝕下迅速懸浮于水中[23]，且前期干旱有氧條件利于有機(jī)氮的礦化及銨態(tài)氮的硝化作用，NO3–-N在土壤中逐漸累積，使NO3–-N濃度在降雨擾動時發(fā)生“脈沖”現(xiàn)象。從旱后復(fù)水情況來看，HCID處理田面落干時間較長，有機(jī)碳和有機(jī)氮礦化能力加強(qiáng)[24]，但隨著有機(jī)質(zhì)逐步減少，土壤對NH4+-N吸附能力降低[25]，且硝化作用也更強(qiáng)烈，使得2016年最初幾次旱后復(fù)水時NH4+-N濃度差異不明顯，NO3–-N濃度偏高，但經(jīng)歷過幾次水分脅迫后可能降低了水稻對氨氮的吸收能力[26]，而在移栽后60～90 d 時NH4+-N濃度較高。HCID處理旱后復(fù)水引起TP濃度偏高可能是由于在干旱初期好氧微生物快速生長，致使磷遷移至微生物群落中，而后期干燥條件下，會引起微生物的死亡，復(fù)水時被微生物所吸收利用的磷即被逐步釋放出來[27]。

3.2 控制灌排對氮磷減排的影響機(jī)理討論

針對地表排水造成的氮磷污染，試驗結(jié)果顯示LCID僅會增加雨后地表水中NH4+-N濃度和TP濃度，而HCID提高了全生育期的氮磷素平均濃度，但這2種控制灌排模式均攔蓄降雨，控制含高濃度氮素地表水的排放，有效實現(xiàn)地表控污的目標(biāo)。針對氮磷素犁地層淋溶對地下水造成的潛在不良影響，結(jié)果表明LCID、HCID在2015年引起TP和NH4+-N淋溶量的升高，但未對NO3–-N淋溶量造成差異。這是滲漏量及濃度因子的共同影響，一方面田間水層高，土壤水勢梯度增加，滲漏量顯著提升，另一方面由于TP和NH4+-N易被土壤吸附，并未造成田間滲漏水中濃度的升高，而NO3–-N雖極易隨水流失，但淹水條件促進(jìn)了土壤中反硝化作用，NO3–-N濃度反而有所降低。在2016年LCID與HCID對氮磷淋失的表現(xiàn)卻截然不同，其中HCID滲漏總量減少，而氮磷流失濃度顯著提高，總體而言增加了氮磷的淋溶損失。土壤落干程度的區(qū)別可能是導(dǎo)致控制灌排氮磷滲漏液中濃度差異的主要原因，但其具體影響機(jī)理需結(jié)合不同土層土壤中氮磷濃度變化分析，有待進(jìn)一步研究。

3.3 控制灌排對產(chǎn)量的影響機(jī)理討論

2015年造成產(chǎn)量構(gòu)成因子差異的原因可能為拔節(jié)-抽穗期稻田淹水深度過高會減少水稻植株的綠葉數(shù)，未形成根系的小分蘗在淹水時因光合作用和呼吸作用受阻而死亡，且在生育后期優(yōu)勢大穗對劣勢小穗起到明顯的抑制作用，雖每穗平均穗粒數(shù)有所增加，但有效穗數(shù)明顯減少。2016年造成產(chǎn)量構(gòu)成因子差異可能是由于在分蘗前中期保持淺水層有利于提高土壤營養(yǎng)元素的有效性[28]，增加分蘗總數(shù)和有效分蘗數(shù)，而LCID、HCID水層較高，分蘗較晚，成穗率偏低。卞金龍等[29]試驗研究表明土壤落干程度較重會顯著降低水稻有效穗數(shù)和結(jié)實率，且粒質(zhì)量的增加未能補(bǔ)償下降損失，從而造成減產(chǎn)，但在本研究中2016年HCID處理稻田經(jīng)歷4次重度干濕交替后較LCID僅結(jié)實率略微下降，這可能與干濕交替發(fā)生的時期[14,30]有關(guān)。

4 結(jié) 論

1）將控制排水與現(xiàn)有的控制灌溉技術(shù)相結(jié)合，能夠提高稻田的雨水有效利用效率，減少灌溉定額，而采用較低的灌水下限可以提高稻田蓄水能力，達(dá)到節(jié)水省工的目標(biāo)。與CK相比，2 a平均LCID灌溉水量減少11.89%，HCID灌溉水量減少29.88%。同時，控制灌排通過調(diào)控稻田水分狀況，有效平米穗數(shù)減少，但整體產(chǎn)量差異不顯著。

2）在不同水文年型下控制灌排都能夠有效控制農(nóng)田氮磷流失關(guān)鍵時期的地表排水，顯著削減了排水峰量和排水次數(shù)，降低地表排水中的氮磷濃度。2 a全生育期內(nèi)NH4+-N、NO3–-N、TP地表排放總負(fù)荷LCID較CK分別減少了36.29%、60.10%和54.58%，HCID分別減少了38.88%、62.97%和59.23%，不同灌水下限其地表減排效果差異不顯著，但地表水氮磷平均濃度存在明顯差異，當(dāng)灌水下限較低時，須嚴(yán)格控制田間排水。

3）控制灌排會影響氮磷淋溶，但在不同降雨水平年，其影響機(jī)理有所區(qū)別，在降雨較多的年份主要由于增加稻田滲漏量而使NH4+-N、TP淋失負(fù)荷有所增加，而在水稻生育期間雨量較少時，若灌水下限過低，會引起淋溶液中氮磷濃度增加，進(jìn)而提高氮磷淋溶負(fù)荷，可能造成土壤養(yǎng)分的流失和地下水的污染。

綜合考慮3種灌排模式下的水稻經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，采用產(chǎn)量、節(jié)水和減污3類指標(biāo)進(jìn)行灌排方案優(yōu)選，評價結(jié)果表明LCID為該地區(qū)最適宜灌排方案，HCID次之。

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Effect of controlled irrigation and drainage on water saving, nitrogen and phosphorus loss reduction with high yield in paddy field

Yu Shuangen1,2, Li Si1,2, Gao Shikai1,2, Wang Mei1,2, Meng Jiajia1,3, Tang Shuhai4

(1.210098; 2.210098,; 3.223001,; 4.223001,)

In order to integrate water-saving irrigation and controlled drainage technology reasonably and realize the multiple targets including water saving, high yield and pollution alleviation by scientific irrigation and drainage program, this paper carried out a field plot experiment in Lianshui Water Conservancy Research Institute from 2015 to 2016. In the field trial, the water level of paddy field was taken as the technical indicator of irrigation and drainage control, and the amount of irrigation, drainage, leakage, yield and loss of nitrogen and phosphorus in paddy field were monitored and analyzed. A total of 3 treatments were designed in the field test plot, including CK (controlled irrigation and traditional drainage), LCID (controlled irrigation and drainage that allowed mild water stress) and HCID (controlled irrigation and drainage that allowed severe water stress). These 2 kinds of controlled irrigation and drainage procedures both added the allowed flooding depth after rain but had different lower limits of irrigation, one of which was –200 mm and the other of which was –500 mm. The results showed that compared with CK, the utilization of LCID can reduce 11.89% of the irrigation quota and 52.72% of the drainage amount. At the same time, the runoff losses of the total phosphorus (TP), ammonia nitrogen (NH4+-N) and nitrate nitrogen (NO3–-N) were significantly decreased by 54.58%, 36.29% and 60.10% respectively owing to the drop of drainage peak value and drainage times during the critical periods, but the leaching losses of TP and NH4+-N increased on the account of higher seepage in the rain spell. Meanwhile, by comparison with CK, the irrigation times deducted, irrigation amount saved by 29.88% and drainage amount reduced by 58.95% under HCID. Besides, the runoff losses of TP, NH4+-N and NO3–-N were significantly decreased by 59.23%, 38.88% and 62.97% respectively, but the leaching losses of those were increased by 24.57%, 30.17% and 15.88% which would be likely to cause groundwater contamination and soil nutrients loss. In terms of rice yields and its components, LCID and HCID cut down the number of effective panicles per square meters, but the theoretical and actual rice yield showed no significant decline. On the basis of test results, this paper optimized the irrigation and drainage schemes so as to guide practice in southern China rice cultivable area. The evaluation index system was comprised of 3 first-class indexes as field, water-saving and pollution control and 9 second-class indexes. In addition, the combination weights method based on rank correlation analysis method and entropy method was used to obtain the weights of evaluation index, in addition, TOPSIS (technique for order preference by similarity to an ideal solution) served as decision-making method. The evaluation results revealed that LCID had great water conservation benefit and pollutant abatement effect on the premise of ensuring grain production.

nitrogen; phosphorus; drainage; rice field; controlled irrigation and drainage; optimization

俞雙恩，李 偲，高世凱，王 梅，孟佳佳，湯樹海. 水稻控制灌排模式的節(jié)水高產(chǎn)減排控污效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(7)：128－136. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.017 http://www.tcsae.org

Yu Shuangen, Li Si, Gao Shikai, Wang Mei, Meng Jiajia, Tang Shuhai. Effect of controlled irrigation and drainage on water saving, nitrogen and phosphorus loss reduction with high yield in paddy field [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 128－136. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.017 http://www.tcsae.org

2017-10-10

2018-01-10

國家自然科學(xué)基金（51479063、41401628）；江蘇省水利科技項目（2015087）

俞雙恩，安徽安慶人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水稻灌排理論與節(jié)水灌溉研究。Email：seyu@hhu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.017

S274.3; S276.7

A

1002-6819(2018)-07-0128-09