鄧秋宏，樊 敏，朱靜平

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院/低成本廢水處理技術(shù)四川省國際科技合作基地，四川 綿陽 621010）

隨著點源污染逐步得到有效控制，目前，農(nóng)業(yè)面源污染已逐漸成為影響全球水環(huán)境質(zhì)量的主要因素［1］。中國2019年生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示，在107個監(jiān)測營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊（水庫）中，90.7%的湖泊存在不同程度的營養(yǎng)化問題［2］。而據(jù)估計，中國流入河、湖中的氮素約有60%來自化肥［3］?；视行С煞值牧魇撬w污染的主要來源，而造成農(nóng)田面源污染的主要原因之一就是稻田徑流氮素流失［4］。近年來，關(guān)于稻田徑流氮素流失規(guī)律的研究受到廣泛關(guān)注。王小治等［5］的研究發(fā)現(xiàn)，稻田氮磷流失量與其施用量呈顯著正相關(guān)，合理地減量施肥能有效降低氮磷流失風(fēng)險。黃滿湘等［6］的研究顯示，在模擬降雨的試驗中，施氮肥后若遇暴雨，以水溶態(tài)流失的氮可以占所有流失氮總量的50%～60%。張鴻睿［7］研究了稻田田面水氮素動態(tài)變化以及徑流流失情況，發(fā)現(xiàn)施氮后若發(fā)生降雨，則氮素的流失程度與徑流發(fā)生時距離施肥日期的時間長短有關(guān)，時間越近流失程度越大。段然等［8］的研究證實降雨徑流對稻田氮素?fù)p失的影響主要與施肥時間間隔有關(guān)。

由于農(nóng)業(yè)面源污染過程受氣象、水文、土壤等諸多復(fù)雜因素的影響，具有較強的區(qū)域性特點［9］，因此，針對不同地域的種植習(xí)慣和環(huán)境條件進(jìn)行農(nóng)田面源污染研究具有重要意義。然而，目前關(guān)于農(nóng)田面源污染的研究大部分是針對長三角、洱海、太湖周圍的農(nóng)田，關(guān)于四川省稻田徑流氮素流失特征的研究卻鮮有報道。四川受地形地貌影響，水稻常臨河、湖種植，農(nóng)田退水及雨水徑流增加了氮素流失的風(fēng)險，對周圍水環(huán)境存在潛在的污染影響。本研究以四川某水稻田試驗基地為依托，采用不同施肥量的大田為研究對象，考察排水曬田及雨季徑流引起的氮素流失特征，以期為該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的防控提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗基地概況

試驗基地位于四川綿陽涪城區(qū)，該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒降貪駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，受地貌影響，降水豐沛，年均降水量為825.8～1 417 mm，暴雨以及連續(xù)降雨時期多集中在7、8月，極易引起稻田徑流。試驗區(qū)土壤為紫色土，土壤有機質(zhì)含量24.51 g/kg、全氮1.02 g/kg、全磷0.71 g/kg、速效氮76.30 mg/kg、速效磷35.20 mg/kg。

1.2 試驗方法與設(shè)計

在水稻生長的整個周期中（2020年5月10日至9月19日），通過監(jiān)測水稻生長期間的田面水位、日降雨量和降雨后徑流液中三氮濃度的變化，探明不同施肥方式下稻田氮素流失規(guī)律，并估算氮素流失量。

1）試驗稻田設(shè)計。采用田間小區(qū)試驗方式，每個小區(qū)面積15 m×9 m，設(shè)單獨的排水口和灌水口。每種處理設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計。小區(qū)之間用高10 cm、寬20 cm的水泥埂隔開，以減少田塊間水的串流。田面水深超出田埂高度時即視為形成徑流。

2）施肥管理。試驗所采用的氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。其中基肥施肥方式為均勻撒施后翻耕，施肥時間5月10日；追肥施肥方式為撒施表面，追肥分2次進(jìn)行，第1次追肥時間為拔節(jié)抽穗前期（7月26日），第2次追肥時間為拔節(jié)抽穗后期（8月6日），2次追肥施肥量相等。

試驗共設(shè)4個不同氮肥施用量水平，具體施肥情況如表1所示。

表1 不同田間試驗小區(qū)的施肥方案

3）水分管理。水稻種植期間采用間歇灌溉的方式，田面水一般維持在2 cm以上，曬田后灌水以及田面無明水時通過管道灌溉自來水。

1.3 采樣和測量方法

1）田面水樣。水稻返青期及拔節(jié)孕穗期施肥后，連續(xù)7 d每天采集田面水樣1次，此后每3～5 d取1次樣，并在降雨徑流產(chǎn)生前后采集田面水樣。采樣方法為多點混合采樣，采用醫(yī)用注射器吸取中上層稻田水，不擾動土層。

2）徑流水樣。在田邊固定徑流收集桶，通過徑流桶對徑流液進(jìn)行收集。

3）降雨量測量。將雨量筒固定放置在試驗田邊，測量每天降雨量。

4）田面水深測量。采用刻度尺測量多處田面水深，取平均值。

1.4 水樣測定方法

TN：堿性過硫酸鉀分光光度法；NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法。

1.5 徑流流失量計算方法

式中，C為徑流水氮素濃度（mg/L）；Q為氮素徑流流失量（kg/hm2）；S為田塊面積，均為0.013 5（hm2）；V為徑流量體積（m3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流易發(fā)期降雨場次統(tǒng)計

試驗期間降雨徑流共3次，產(chǎn)流日期分別為7月30日（第1次追肥后第3天）、8月12日（第2次追肥后第5天）以及8月16日（第2次追肥后第9天）。排水曬田以及降雨產(chǎn)流情況見表2。

降雨是產(chǎn)生地表徑流的主要原因［10］，降雨量和田面水深是影響徑流發(fā)生次數(shù)和徑流量大小的重要因素。由表2分析可知，第1、第3次徑流前的田面水深分別為90、95 mm，但因第3次降雨量較第1次降雨量小，第3次徑流量僅為4.06 m3，為第1次徑流量的66.78%。由此可見，田面水深接近的情況下，產(chǎn)生的徑流量隨降雨量的增加而增加。

表2 試驗期間降雨產(chǎn)流情況

第3次徑流產(chǎn)生時的日降雨量最小，僅為35.1 mm，但由于其降雨前田面水深為3次徑流中最高，達(dá)到95 mm，因此，稻田產(chǎn)生了徑流且徑流量高于第2次，達(dá)到4.06 m3。由此說明，田面水深對于徑流產(chǎn)生與否以及徑流量大小的影響不可忽視。

綜上分析，控制灌溉頻次及水量、加深田埂高度可控制田面水深，從而有效減少稻田產(chǎn)流發(fā)生次數(shù)及產(chǎn)流量。

2.2 降雨后徑流水中氮素流失濃度分析

排水曬田及3次降雨產(chǎn)生的徑流液中NH4+-N、NO3--N、TN的濃度如表3所示。在3次降雨徑流中，同一降雨條件下，徑流液中NH4+-N、NO3--N、TN的平均濃度均隨不同試驗小區(qū)間施肥量的增加而增加；同一試驗小區(qū)施肥量相同的情況下，不同降雨時期也會對徑流液中-N、NO3--N、TN濃度變化產(chǎn)生影響。在3次降雨徑流產(chǎn)生后，第1次徑流（施肥后第3天）時各施肥小區(qū)徑流液中TN平均濃度維持在9.450～13.520 mg/L，第2次徑流（施肥后第5天）時各施肥小區(qū)徑流液中TN平均濃度降至4.300～6.170 mg/L，而第3次徑流（施肥后第9天）時各施肥小區(qū)徑流液中TN平均濃度僅為1.920～2.810 mg/L。相關(guān)研究結(jié)果表明［11-13］，尿素施入稻田水體后，TN和NH4+-N濃度均在施肥后第1天達(dá)到峰值，NO3--N濃度在第2～3天達(dá)到峰值，之后逐漸下降并趨于穩(wěn)定，由此說明越接近施肥日期，田面水氮素濃度越高，徑流液中氮素濃度也越高。由表3可知，各施肥小區(qū)降雨徑流液中氮素濃度隨施肥后時間的延長呈下降趨勢，與上述研究結(jié)論相符合。

表3 排水曬田及3次徑流液中NH4+-N、NO3--N、TN的濃度

在排水曬田和3次降雨徑流中，排水曬田由于距離施肥時間較長，各施肥小區(qū)田面水中NH4+-N、NO3--N、TN濃度均與對照組接近，且TN濃度低于中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）》Ⅴ類水中TN的標(biāo)準(zhǔn)限值（2 mg/L），NH4+-N濃度低于Ⅲ類水中NH4+-N標(biāo)準(zhǔn)限值（1 mg/L）。3次徑流發(fā)生時由于接近施肥日期，第1、第2次徑流時施肥小區(qū)徑流液中NH4+-N、TN濃度均超過Ⅴ類水中NH4+-N、TN的標(biāo)準(zhǔn)限值，其中NH4+-N最高濃度為12.000 mg/L、TN最高濃度為13.520 mg/L。由此說明產(chǎn)流時間接近施肥日期，將會大大增加氮素流失的風(fēng)險，對受納水體水質(zhì)造成一定的威脅。

2.3 排水曬田及降雨徑流氮素流失形態(tài)分析

不同的降雨時期以及施肥量差異會對出流液中氮素流失形態(tài)變化產(chǎn)生影響。排水曬田及3次降雨徑流中NH4+-N、NO3--N與TN的濃度比如圖1所示。

由圖1分析可知，各施肥小區(qū)產(chǎn)流液中TN的氮素流失形態(tài)主要以NH4+-N、NO3--N為主，且（NH4+-N+NO3--N）/TN的值隨著施肥量的增加而增大。各施肥小區(qū)3次徑流中NH4+-N為最主要的氮素流失形態(tài)，占TN的20%～90%，而NO3--N僅 占TN的5%～20%。3次徑流中以第1次徑流時NH4+-N占TN的比值最大，為70%～90%，隨著降雨時間與施肥時間間隔的增加，第2、第3次徑流時NH4+-N占TN的 比值大幅降低。排水曬田產(chǎn)流中NO3--N占TN的比值均大于NH4+-N，為20%～50%，而NH4+-N僅 占TN的10%～20%。從表3中排水曬田前以及徑流前后田面水氮素濃度可以看出，排水曬田時由于距離施肥時間較長，水體中大部分NH4+-N發(fā)生硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N，導(dǎo)致田面水中NO3--N濃度高于NH4+-N。而3次徑流發(fā)生時接近施肥日期，施入水中的尿素除以氨揮發(fā)、地下淋溶等方式損失或被作物吸收外，尿素施入水體后大部分以NH4+-N的形式存在于田面水中，田面水NH4+-N濃度均顯著高于NO3--N，因而徑流液中NH4+-N占TN的比值更大。石麗紅等［14］關(guān)于稻田氮磷徑流損失的研究結(jié)果表明，NH4+-N和NO3--N是TN徑流損失的主要形態(tài)，水稻生長前期以NH4+-N為主，后期以NO3--N為主，與本試驗研究結(jié)果相符。

圖1 排水曬田及3次降雨徑流中NH4+-N、NO3--N與TN的占比

2.4 排水曬田及降雨徑流的三氮徑流流失量估算和比較

排水曬田及3次降雨徑流所產(chǎn)生的三氮徑流流失量見表4。由表4分析可知，不同施肥量試驗小區(qū)徑流所產(chǎn)生的NH4+-N、NO3--N、TN流失量均隨施肥量的增加而增加，且隨著降雨徑流時間距離施肥日期的推移，3次徑流中各施肥小區(qū)所產(chǎn)生的NH4+-N、NO3--N、TN流失量大小均為第1次徑流＞第2次徑流＞第3次徑流。宋婭麗等［15］研究表明，施氮后1周是防止氮素大量流失的關(guān)鍵時期，這也從本研究中得到證實。相較3次徑流而言，第1次徑流時T0、T1、T2、T3 4個試驗小區(qū)產(chǎn)生的NH4+-N、NO3--N、TN流失總量最大，由于該次徑流產(chǎn)生時降雨量達(dá)到55 mm，產(chǎn)生了6.08 m3的徑流水量，且第1次徑流最接近施肥日期，田面水中各氮素濃度較高，因此，T0、T1、T2、T3 4個試驗小區(qū)產(chǎn)生的TN流失量之和達(dá)到16.280 kg/hm2，顯著高于后2次徑流。隨著降雨徑流距離施肥的時間間隔增加，氮素徑流流失量逐漸減少。第2次徑流發(fā)生于施肥后第5天，降雨量達(dá)到53 mm，盡管降雨時間與降雨量均接近于第1次徑流，但由于降雨前田面水深的差異，導(dǎo)致徑流量最小，僅3.11 m3。因此第2次徑流時，T0、T1、T2、T3 4個試驗小區(qū)產(chǎn)生的TN流失量之和僅為3.990 kg/hm2，遠(yuǎn)低于第1次徑流時的對應(yīng)值。第3次徑流發(fā)生于施肥后第9天，雖然產(chǎn)流量達(dá)到4.06 m3，但由于此時田面水中氮素濃度均大大降低，因此，4個試驗小區(qū)徑流液中TN流失總量為3次徑流中最小的。由此說明，施肥量、降雨徑流量和降雨徑流距離施肥日期的時間間隔是影響氮素徑流損失的主要因素。

表4 排水曬田及3次徑流液中三氮的徑流流失量

本研究中排水曬田和降雨徑流所產(chǎn)生的TN流失量之和為24.380 kg/hm2。其中T0、T1、T2、T3 4個小區(qū)排水曬田引起的TN總流失量為1.550 kg/hm2，占TN流失量之和的6.36%；3次降雨徑流引起的TN總流失量為22.830 kg/hm2，占TN流失量之和的93.64%?？梢姡涤陱搅魇菍?dǎo)致氮素地表流失的主要途徑，因此，在防控面源污染時應(yīng)重點關(guān)注自然降雨條件下稻田徑流情況。

3 小結(jié)

1）降雨量和田面水深是影響徑流量大小的重要因素。田面水深接近的條件下，徑流量隨降雨量的增加而增加。降雨量一定的條件下，降雨前田面水越深，徑流量越大。

2）降雨量相同的條件下，徑流水中三氮濃度均隨施肥量的增加而增加。施肥量相同的條件下，徑流時距離施肥時間越短，徑流液中三氮濃度越高。降雨徑流中NH4+-N最高濃度為12.000 mg/L、TN最高濃度為13.520 mg/L，均高于中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）》Ⅲ類水中NH4+-N、TN的標(biāo)準(zhǔn)限值（1 mg/L），對受納水體水質(zhì)安全造成一定的威脅。

3）各施肥小區(qū)產(chǎn)流液中TN的氮素流失形態(tài)主要以NH4+-N、NO3--N為主。其中，排水曬田TN流失以NO3--N為主，為20%～50%；3次降雨徑流中TN流失以NH4+-N為主，占TN的20%～90%。4）本研究4個試驗小區(qū)的排水曬田和降雨徑流所產(chǎn)生的TN流失量之和為24.380 kg/hm2，降雨徑流是主要的氮素流失途徑，其中，由降雨徑流引起的TN流失量為22.830 kg/hm2，占TN流失量之和的93.64%。