廖 雅， 蘇保林， 豆俊峰， 徐云強(qiáng)， 李麗芬

北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院， 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100875

我國是水稻種植大國，種植面積占世界水稻總面積的20%[1]. 為了提高水稻產(chǎn)量，水稻種植區(qū)往往會(huì)施用過量的化肥，化肥中的氮磷等營養(yǎng)元素會(huì)隨著農(nóng)田徑流產(chǎn)生非點(diǎn)源污染[2-4]. 有研究表明，徑流和排水是氮磷污染從農(nóng)田向其他水體轉(zhuǎn)移的主要途徑[5-6]，這使得農(nóng)業(yè)徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷成為了湖泊、河流等水體富營養(yǎng)化以及水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能喪失的主要原因[7]，說明來自農(nóng)田的氮磷等污染物不僅污染地表水，而且會(huì)對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響[8]. 因此減少徑流污染成為控制非點(diǎn)源污染的必要措施[9]，準(zhǔn)確核定水稻田的非點(diǎn)源污染負(fù)荷對減少化肥使用、制定污染總量控制體系有著十分重要的意義[10-11].

水稻田污染負(fù)荷定量研究的田間試驗(yàn)方法主要有徑流池法[12-14]、同步觀測法[15]和基于降雨-水深的原位觀測法[16]. 徑流池法在田間應(yīng)用廣泛，具有較高的準(zhǔn)確度[17]，缺點(diǎn)是需要建造一定容積的徑流池并且要求出水口唯一，對于野外試驗(yàn)有一定的局限性，故多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)站或試驗(yàn)小區(qū)的徑流觀測；同步觀測法需同時(shí)觀測進(jìn)出水口處的水量和水質(zhì)，通過水量平衡關(guān)系扣除由進(jìn)水口流入的污染物負(fù)荷，得出水稻田出流造成的污染[18]，該方法同樣需要保證進(jìn)出水口唯一；原位觀測方法無需明確水稻田的最低田埂高度以及徑流出口數(shù)量，僅需通過監(jiān)測田面水水深變化和降雨信息就可計(jì)算出水稻生長期的蒸散發(fā)和滲漏損失量，推求水稻田產(chǎn)生的徑流量，結(jié)合定期采集的田面水水質(zhì)數(shù)據(jù)估算由降雨徑流、人工排水和灌溉回歸造成的氮磷流失負(fù)荷. 該方法目前雖在江蘇常州[19]、宜興太湖流域[20]、北京海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)[21]的水稻田非點(diǎn)源污染試驗(yàn)研究中得到了較好地應(yīng)用，但其準(zhǔn)確性和適應(yīng)性并未得到有效驗(yàn)證，需要進(jìn)一步開展深入研究.

應(yīng)用原位觀測方法研究水稻田污染時(shí)，通常在田塊內(nèi)任意位置安裝水位計(jì)進(jìn)行非點(diǎn)源污染試驗(yàn)研究，并未考慮水位計(jì)安裝位置對該方法的影響. 鑒于此，該文以北京市海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)某水稻田為例，在試驗(yàn)水稻田進(jìn)水口附近(4#觀測點(diǎn))和出水口附近(2#觀測點(diǎn))安裝水位計(jì)觀測水稻田的水深數(shù)據(jù)，利用同步觀測的降雨數(shù)據(jù)以及田內(nèi)5個(gè)采樣點(diǎn)定期采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行非點(diǎn)源污染試驗(yàn)研究；探究基于同一塊水稻田不同位置的2組水深觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用原位觀測方法估算的蒸散發(fā)和滲漏損失、徑流量、灌溉量以及污染物輸出系數(shù)是否有明顯差異，以此驗(yàn)證該方法在水稻田非點(diǎn)源污染研究中的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，以期為水稻田非點(diǎn)源污染的野外試驗(yàn)方法提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)田位于北京市海淀區(qū)西北部上莊鎮(zhèn)的京西稻種植示范基地(116°09′35.71″E～116°14′06.18″E、40°04′46.99″N～40°09′34.34″N)，屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候. 年均氣溫12.5 ℃，平均風(fēng)速2.3 ms. 降雨季節(jié)分配不均勻，全年降雨集中在7—10月，多年平均降水量為619 mm. 該試驗(yàn)選取面積約為 5 000 m2(25 m×200 m)的水稻田作為試驗(yàn)田塊. 田埂一側(cè)分布著3個(gè)排水出口，屬于多徑流出口的水稻田.

試驗(yàn)田的水肥管理措施如下：2014年5月下旬插秧，10月上旬收割，生長期為150 d左右，觀測期為6月4日—8月31日，共計(jì)89 d；水稻田灌溉方式為地表水間歇性灌溉，8月25日之后停止灌溉，水稻田進(jìn)行落干；5月25日施基肥，采用撒施方式施用復(fù)合肥375 kghm2和尿素45 kghm2; 6月25日和7月10日均施尿素追肥112.5 kghm2.

1.2 數(shù)據(jù)收集

水稻生長期間需采集水深和降雨數(shù)據(jù). 在試驗(yàn)水稻田田埂邊緣進(jìn)水口附近的4#觀測點(diǎn)和出水口附近的2#觀測點(diǎn)分別安裝水位計(jì)(L99-WL，杭州路格科技有限公司)記錄水稻田水深，儀器探頭距離底部淤泥約20 mm處，定期檢查以防探頭被阻塞影響記錄，儀器記錄間隔為30 min；在試驗(yàn)田附近安裝雨量計(jì)1臺(tái)，采集降雨數(shù)據(jù)，儀器記錄間隔為10 min.

在試驗(yàn)田田埂附近隨機(jī)設(shè)置1#～5#采樣點(diǎn)采集水樣(2#、4#同時(shí)為水深觀測點(diǎn)). 水稻插秧后，每隔2～3 d采集一次水樣，到9月18日為止共采集了29組水樣. 水樣采集后進(jìn)行酸化，按要求進(jìn)行樣品保存，1 h內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODCr)、硝態(tài)氮(NO3--N)和氨氮(NH4+-N)濃度檢測[22].

1.3 分析方法

在水稻田中，降雨和灌溉補(bǔ)給田間水分，蒸散發(fā)、滲漏和地表徑流消耗田間水分，形成入流、產(chǎn)流和田間蓄水三者之間的水量平衡(見圖1). 原位觀測方法通過這種水量平衡關(guān)系計(jì)算蒸散發(fā)和滲漏損失(以EF表示)、徑流量和灌溉量.

圖1 試驗(yàn)水稻田示意及水量平衡組分

1.3.1水稻田的蒸散發(fā)和滲漏損失

在無降雨、灌溉產(chǎn)流的情況下，田間的EF等于稻田水深的下降值，即生長期的EF值為第i+1天與第i天的水深值之差：

EFi=Hi+1-Hi

(1)

式中：EFi為第i天的蒸散發(fā)和滲漏損失，mm；Hi+1為第i+1天的水深，mm；Hi為第i天的水深，mm.

在有灌溉的情況下，通過研究水位計(jì)0.5 h水深變化發(fā)現(xiàn)，稻田水深仍然存在穩(wěn)定下降的階段，通常在00：00—06：00或20：00—24：00之間，這期間幾乎不進(jìn)行灌溉和排水. 根據(jù)水深穩(wěn)定下降階段的斜率擬合0.5 h得到的水深變化量來估算每日EF. 降雨日取所在生長期內(nèi)EF的最低值，若連續(xù)幾天有降雨，則以降雨量最大日的EF作為最低值，其他時(shí)間的EF通過線性插值得到.

圖2 2#、4#觀測點(diǎn)水深及降雨量變化

在拔節(jié)孕穗初期，即7月13—21日(期間降下一場大雨)進(jìn)行了排水曬田，期間水深降至水位計(jì)安裝高度以下，水位記錄為0，無法計(jì)算其EF值，綜合相關(guān)研究結(jié)果[23-25]認(rèn)為，曬田前后的EF在5～8 mm之間，假定曬田期間EF逐日遞減至5 mm. 曬田前期的EF通過線性插值近似估算，得到整個(gè)生長觀測期的EF.

1.3.2田面水產(chǎn)流和灌溉識別

水稻田的產(chǎn)流分為降雨徑流、人工排水和過量灌溉引起的回歸流. 存在降雨和灌溉時(shí)，水深迅速上升，出現(xiàn)上升拐點(diǎn). 當(dāng)水深超過最低田埂高度時(shí)，田面水開始產(chǎn)流，水深變化曲線出現(xiàn)下降拐點(diǎn). 進(jìn)行人工排水時(shí)，水深變化曲線出現(xiàn)明顯下降拐點(diǎn)，水深快速降低. 水深的變化量為水稻田入流量與出流量之差，建立如下水量平衡公式：

ΔRi=(Hi+1-Hi)+EFi-Pi

(2)

式中：Pi為第i天的降雨量，mm；ΔRi為第i天的水深變化量，mm.

當(dāng)水深變化量為正值時(shí)表示水稻田有灌溉入流，當(dāng)水深變化量為負(fù)值表示有徑流出流，由此來判斷水稻田的徑流量和灌溉量：

(3)

式中：Rout,i為第i天的徑流量，mm；Rin,i為第i天的灌溉量，mm.

1.4 水稻田出流負(fù)荷及輸出系數(shù)

采集5個(gè)采樣點(diǎn)田面水水樣測定水質(zhì)指標(biāo)，取其平均值，通過線性插值得到生長期CODCr、TN、TP、NH4+-N、NO3--N的濃度變化曲線. 結(jié)合水稻田出流日期及出流量來估算出流負(fù)荷，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：L為水稻生長期所產(chǎn)生的污染負(fù)荷量，mg；Cq為第q場出流所對應(yīng)的污染物濃度，mgL；n為出流次數(shù)；S為試驗(yàn)田面積，m2.

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸散發(fā)與滲漏損失比較

4#觀測點(diǎn)處于相對低洼的位置使得其水深略大于2#觀測點(diǎn)(見圖2). 除曬田期間2個(gè)觀測點(diǎn)的水深值和水深高差為0外，其他時(shí)期的水深高差均在30 mm左右波動(dòng)，平均值為30.05 mm. 9月1日以后水稻進(jìn)入成熟期，不再灌溉，田內(nèi)基本無水，沒有發(fā)生產(chǎn)流.

由EF的變化過程(見圖3)可以看出，2個(gè)觀測點(diǎn)的EF變化趨勢一致，拔節(jié)孕穗初期EF相差最大，分析原因認(rèn)為，該時(shí)期受曬田的影響，2#觀測點(diǎn)的水深在7月11—16日、7月19—21日共10 d記錄為0，4#觀測點(diǎn)水深在7月13—16日僅4 d記錄為0，與實(shí)際曬田時(shí)間相符. 無水深數(shù)據(jù)時(shí)主要通過線性插值對EF進(jìn)行估算，EF作為水量平衡的一部分會(huì)直接影響徑流識別，因此水深數(shù)據(jù)是應(yīng)用原位觀測方法進(jìn)行EF估算以及徑流識別的關(guān)鍵. 綜上，建議將水位計(jì)安裝在水稻田相對低洼處，確保能完整地監(jiān)測水稻生長季的水深變化.

觀測期內(nèi)，2#觀測點(diǎn)的平均EF為7.71 mm，略小于4#觀測點(diǎn)的7.91 mm；中位數(shù)為7.5 mm，略大于 4# 觀測點(diǎn)中位數(shù)(7.4 mm). 非參數(shù)Mann-Whitney U檢驗(yàn)結(jié)果顯示，P=0.81(>0.05)，2#、4#觀測點(diǎn)的EF在0.05水平下無顯著性差異.

圖3 不同生長時(shí)期內(nèi)2#、4#觀測點(diǎn)EF變化過程

2.2 徑流識別比較

根據(jù)日降水量(Pi)、EFi、日水深變化量(Hi+1-Hi)和日徑流量(Rout,i)之間的水量平衡關(guān)系得到水稻田整個(gè)觀測過程中的出流情況(見表1). 基于2#、4#觀測點(diǎn)水深數(shù)據(jù)均識別出6場降雨徑流、1場人工排水和3場過量灌溉導(dǎo)致的回歸流，最大出流均發(fā)生在第6 場次. 由于使用的水位計(jì)采用壓力傳感器測定水深，監(jiān)測結(jié)果會(huì)受到氣壓、水生物活動(dòng)等的影響，同時(shí)曬田期間EF存在估值誤差，使得基于2個(gè)觀測點(diǎn)的水深經(jīng)水量平衡關(guān)系得到的10次徑流量相差在0～7.5 mm之間，總徑流量相差2.7 mm. 徑流量計(jì)算結(jié)果相近.

表1 基于2#、4#觀測點(diǎn)水深的水稻田出流估計(jì)

計(jì)算得到2個(gè)觀測點(diǎn)在整個(gè)水稻田觀測期的EF、總徑流量(Rout)、灌溉量(Rin)、總獲得水量(Qin)和總損失量(Qout)見表2. 結(jié)果顯示:2個(gè)觀測點(diǎn)的EF相差18 mm，相對偏差為1.3%；Rout相差2.7 mm，相對偏差為1.0%；水量平衡關(guān)系估算的Rin相差18.7 mm，相對偏差為1.8%；Qin與Qout相差均為15.7 mm,相對偏差為1.0%. 基于2個(gè)觀測點(diǎn)水深數(shù)據(jù)得到的EF、Rout、Rin、Qin、Qout均相差不大，相對偏差都在2%以內(nèi). 使用原位觀測方法估算出該試驗(yàn)水稻田的Rin在 2 620～2 710 m3之間，表明該方法不僅能識別徑流量，還能有效估算灌溉量.

2.3 污染物輸出負(fù)荷比較

試驗(yàn)水稻田田面水CODCr、TP、TN、NH4+-N、NO3--N濃度的變化情況見圖4. 水稻插秧后在基肥的作用下，污染物濃度呈陡增、驟降的趨勢，且在施肥1～3 d內(nèi)達(dá)到峰值，1周之內(nèi)TP、TN、NH4+-N、NO3--N濃度降至穩(wěn)定值，與張剛等[26-27]的研究一致，主要原因是此期間降下一場大雨，加速了污染物的損失. QIAO等[28]分析太湖流域水稻田氮肥損失情況，同樣認(rèn)為施氮后不久的暴雨是造成氮肥損失較大的主要原因. 由此可見，在施肥后1周內(nèi)控制農(nóng)田徑流能有效降低農(nóng)田徑流污染[29]. 尿素追肥后，TN、NH4+-N、NO3--N濃度呈明顯上升趨勢，TP濃度始終保持在較低水平. 停止施肥后，各污染物濃度隨時(shí)間的推移逐漸降低至趨于穩(wěn)定.

表2 水稻田水量收支平衡

圖4 水稻田田面水CODCr、TN、TP、NH4+-N、NO3--N濃度的變化

結(jié)合污染物濃度變化情況及式(4)得到2#和4#觀測點(diǎn)CODCr、TN、TP、NH4+-N、NO3--N的輸出系數(shù)分別為45.42、6.03、0.37、1.54、0.40 kghm2和46.17、7.08、0.39、1.80、0.43 kghm2. 基于4#觀測點(diǎn)水深得到的污染物輸出系數(shù)總體較2#觀測點(diǎn)大，其中TN的輸出系數(shù)相差最大，相對偏差為8.0%；其次是NH4+-N，相對偏差為7.8%；NO3--N和TP輸出系數(shù)相對偏差分別為3.6%和2.6%；CODCr相對偏差最小，為0.8%. 總體比較基于2個(gè)觀測點(diǎn)水深得到的污染物輸出系數(shù)相對偏差范圍均在0.8%～8.0%之間，在可接受的范圍內(nèi). 與已有的水稻田污染物輸出系數(shù)研究成果進(jìn)行對比可知，TN、TP輸出系數(shù)最高的研究區(qū)位于上海市青浦農(nóng)業(yè)園區(qū)[30]，分別達(dá)到23.91和2.67 kghm2，究其原因：①氮肥用量過高(436 kghm2)，遠(yuǎn)超上海市水稻田氮肥平均用量(300 kghm2)，使得TN的輸出系數(shù)很大；②施用了具有緩釋效應(yīng)的控釋肥，使得磷肥較長時(shí)間保持在田面水中，導(dǎo)致田面水的TP濃度偏高. 上海市奉賢區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)[31]的NH4+-N、NO3--N輸出系數(shù)與筆者試驗(yàn)結(jié)果相差不大. 受降雨量、田間水深和施肥量的影響，不同試驗(yàn)區(qū)水稻田的污染物輸出系數(shù)存在差異[32]，但與其他研究區(qū)的輸出系數(shù)研究結(jié)果[21,33-34]相比，該試驗(yàn)得出的輸出系數(shù)在合理范圍內(nèi). 具體如表3所示.

2.4 討論

2.4.1水稻田滲漏損失差異分析

結(jié)合2#、4#觀測點(diǎn)0.5 h、日尺度下的水深變化分析(見圖5)發(fā)現(xiàn)：在無入流和出流時(shí)段，4#觀測點(diǎn)的水深一直呈凹曲線下降趨勢，即EF值由大到小遞減，最后趨于穩(wěn)定，而2#觀測點(diǎn)水深相對呈現(xiàn)凸曲線下降趨勢. 這是因?yàn)樗咎镏車植贾钶^低的養(yǎng)魚溝，水稻田中較大的水深極易使水在側(cè)向水壓的作用下滲透田埂孔隙流向養(yǎng)魚溝，產(chǎn)生滲漏排水. Raul等[35]研究也得出，在水稻田灌溉結(jié)束后的短期內(nèi)水稻田中的水進(jìn)入溝槽的滲透速度會(huì)迅速增加然后減緩. 在同一塊水稻田中空氣濕度、溫度和風(fēng)速等氣候因素相同的情況下，EF的變化主要與水深有關(guān)，尤其是滲漏速率受水深的影響明顯[36-37]，表明除地表排水以外，滲漏排水也是影響非點(diǎn)源污染負(fù)荷的重要過程. 筆者僅探討了降雨徑流、人工排水及過量灌溉造成的非點(diǎn)源污染，尚未考慮滲漏對地下水造成的污染，需結(jié)合地下滲漏做進(jìn)一步深入研究.

表3 部分水稻田污染物輸出系數(shù)對比

圖5 2#、4#觀測點(diǎn)的0.5 h、日尺度的水深變化

2.4.2污染物濃度影響因素及水質(zhì)采樣點(diǎn)的布設(shè)分析

圖6 不同采樣點(diǎn)污染物濃度比較

該試驗(yàn)中農(nóng)田徑流污染物濃度隨時(shí)間的變化存在明顯的特征和規(guī)律(見圖6)，其中各采樣點(diǎn)CODCr、TN、NH4+-N、NO3--N濃度的變化趨勢一致. 隨著時(shí)間的推移，各采樣點(diǎn)CODCr濃度逐漸減小直至趨于穩(wěn)定. 水稻田追肥后，TN、NH4+-N、NO3--N濃度顯著增加，各采樣點(diǎn)的污染物濃度峰值存在較大差異，以TN為例，追肥后TN濃度最大值出現(xiàn)在1#采樣點(diǎn)，為77.42 mgL，最小值出現(xiàn)在3#采樣點(diǎn)，僅為24.3 mgL，這主要由施肥不均勻所致[34]，表明施肥能顯著提高TN、NH4+-N、NO3--N的濃度. 王麗娟等[38]則認(rèn)為，施肥能提高NH4+-N的濃度，但對NO3--N、TN濃度的影響有限. 產(chǎn)生這種差異的主要原因是施肥方式的不同，筆者使用表面撒施的方式來施用基肥和追肥，而王麗娟等[38]研究中采用穴施基肥，表面撒施追肥，這種方式有利于土壤顆粒吸附氮素，使得田面水中NO3--N、TN濃度較低，水稻生長所需的NH4+-N濃度高. 此外，不同的環(huán)境條件也是導(dǎo)致上述差異的原因之一[39]，因此減少農(nóng)業(yè)氮素徑流污染需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件減少氮肥的施用. 由于追肥后1周內(nèi)水稻田并未產(chǎn)流，可以認(rèn)為施肥不均勻并不影響原位觀測法計(jì)算得到的氮負(fù)荷量. 在污染物濃度隨時(shí)間的變化序列中，TP濃度在0.2～0.7 mgL之間變化，各采樣點(diǎn)TP濃度的變化趨勢呈現(xiàn)明顯的不規(guī)律性. 對各采樣點(diǎn)污染物濃度進(jìn)行方差分析得出5個(gè)采樣點(diǎn)污染物濃度的變化序列中僅TP濃度在P=0.05水平上具有顯著性差異，這是因?yàn)榈追适┯煤罅追手饕煌寥拦潭?，在雨水的沖刷作用下磷素以無機(jī)物的形式被釋放到水稻田中，導(dǎo)致TP濃度升高，徑流與水稻田田面水的混合過程使得TP濃度降低. 這表明試驗(yàn)中取樣位置不同會(huì)對部分污染物濃度造成一定影響. 因此建議在徑流出水口附近采樣，確保所測污染物濃度具有代表性.

3 結(jié)論

a) 曬田期間，由于4#觀測點(diǎn)位于水稻田中相對低洼的位置，其水深數(shù)據(jù)顯示的無水期與實(shí)際曬田時(shí)間相符. 水深數(shù)據(jù)是應(yīng)用原位觀測方法進(jìn)行EF(蒸散發(fā)和滲漏損失)估算以及徑流識別的關(guān)鍵，建議將水位計(jì)安裝在稻田相對低洼處，以確保能完整地監(jiān)測水稻生長季的水深變化.

b) 基于2#、4#觀測點(diǎn)水深數(shù)據(jù)得到的水稻田觀測期內(nèi)EF無顯著性差異；基于2#、4#觀測點(diǎn)水深得到水稻田總EF、總徑流量、灌溉量的相對偏差分別為1.3%、1.0%、1.8%，且識別出的徑流時(shí)間和徑流類型相同；應(yīng)用原位觀測方法估算出該水稻田的灌溉量在2 620～2 710 m3之間.

c) 徑流污染負(fù)荷計(jì)算中，基于2#、4#觀測點(diǎn)水深得到CODCr、TN、TP、NH4+-N、NO3--N的輸出系數(shù)相對偏差分別為8.0%、7.8%、3.6%、2.6%、0.8%，計(jì)算得到的污染物輸出系數(shù)在合理范圍內(nèi).

d) 施肥不均勻使得各采樣點(diǎn)TN、NH4+-N、NO3--N濃度峰值存在明顯差異，但施肥期間未產(chǎn)生徑流，因此對污染負(fù)荷計(jì)算影響不大；5個(gè)采樣點(diǎn)之間TP濃度存在顯著差異，建議在徑流出口附近采樣，以確保出流時(shí)所測污染物濃度具有代表性.