水稻蓄雨控灌技术的环境效应

刘敏昊，任瑞英，朱振荣，张 健

(1.江苏省农村水利科技发展中心，南京210029；2. 河海大学设计研究院有限公司，南京 210098)

水稻是我国最主要的粮食作物，播种面积大，氮磷肥施用水平高。在高施肥量下，雨季排水使稻田成为氮磷等面源污染物的主要来源[1]。稻田又是良好的人工湿地，若管理得当，对削减氮磷污染具有正面作用。水田磷、氮流失主要是通过地表径流流失。控制地面排水，发挥沟田湿地系统的作用，是减少稻田氮磷污染物负荷的有效手段。控制排水减少农田氮磷损失主要有两条途径：减少农田排水量[2]和降低排水中氮磷浓度[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，适当减少了灌排次数，又能有效减少农田氮磷面源污染。本文采用小区试验，研究了不同蓄雨控灌模式对农田排水量与氮磷排放的影响规律，以期为江苏省水稻节水技术推广提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验区简介

试验于2013年5-10月在南京市河海大学节水园区进行。试验区地理位置为北纬31°86′，东经118°60′，属于亚热带湿润气候。年平均温度15.7 ℃，最高月平均气温28.1 ℃，最低气温为16.9 ℃；平均相对湿度34.98%，最大平均湿度81%；无霜期237 d；年均日照量2 212.8 h；年均降雨量1 021.3 mm，多年平均蒸发量在900 mm左右。试区内地下水埋深大于50 cm，土壤类型为黏壤土，饱和含水率38.2%(重量含水率)，田间持水率29.3%(重量含水量)。试验区土壤理化性质如表1 所示。

表1 试验区土壤理化性质

1.2 试验方案设计

水稻试验品种为当地高产品种K优818，移栽密度为16.67 万穴/hm2，每穴2株。移栽前施菜籽饼600 kg/hm2，过磷酸钙1 000 kg/hm2，复合肥400 kg/hm2，尿素48 kg/hm2做底肥，拔节初期追施尿素160 kg/hm2。各试验小区长×宽为10 m×2.5 m，田埂高40 cm。小区间及外围的田埂用塑料薄膜包被，两侧入土50 cm，以减少侧渗。

试验处理方案采取2个旱涝交替胁迫处理，即轻旱低蓄(T1)以及轻旱高蓄(T2)，处理考虑了传统淹灌分蘖期的允许最大淹水深度、江淮地区、太湖流域20年一遇暴雨后可能的蓄水深度。每个处理重复 3次，共6个小区，各小区随机布置。试验方案如表2所示。

排水沟深度0.8 m，底宽0.5 m，口宽2.1 m。自然草皮护坡。T2沟道口设置水闸，保持40 cm水深，多余部分排除。T1处理，对应的农沟不加控制，日常水深保持在10 cm左右。

表2 不同处理稻田水分控制指标

注：表中百分数为灌水控制下限，即土壤含水率占饱和含水率的百分数。其余数值为田面水深。黄熟期采用自然排水，不再保留水层。

试验期间降雨量较大，各处理均达到了设计灌水下限和雨后排水上限，达到了设计的干旱和淹水交替胁迫要求。不同处理的灌排记录如表3所示。

表3 不同旱涝交替处理的排/灌次数统计 次

注：表中1/3表示该生育阶段内排水1次，灌水3次。

1.3 测定指标与方法

(1)土壤理化指标。耕作前，各小区取5个点，分别采集0～20 cm土样，置于室内阴凉通风处风干，然后碾碎过筛(1 mm筛)。土壤全磷(TP)采用酸溶-钼锑抗比色法，土壤速效磷(Olsen-P)采用0.5 M NaHCO3浸提-钼锑抗比色法。

(2)土壤含水率。利用土壤水分仪(TDR)于上午9时测定0～20 cm土壤含水率分布，每2d测定一次，灌水前加测。测管布置在小区的中部。

(3)田间水位。在排水堰附近立竖直量测水位的标尺，每天上午9时，读取田间水位。

(4)排水量。根据排水前后水位差法测定。

(5)田面水氮、磷测定。田间排水后每天从格田的首、尾、中间部位各区3个断面，采用胶头吸管抽取水样100 mL，各断面水样混合，测定水样中总磷(TP)、可溶磷(DP)，颗粒态磷(PP)浓度、总氮(TN)和氨氮浓度。水样采集后，保存在事先标有标签的水样瓶中，对每个水样瓶都能清晰识别水样的来源，样品编号、采样时间等，并能对这种标识加以记录。水样保存在低温冰箱，在48h内进行测量完毕。

水样的预处理采用过硫酸钾消解法，水样总磷(TP)的测定参照钼锑抗分光光度法。可溶磷(DP)是将摇匀后的水样抽气经过0.45μm滤膜过滤，消解后采用钼锑抗分光光度法比色；颗粒态磷(PP)由总磷减可溶磷获得，即PP=TP-DP。全氮的测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，氨氮的测定方法采用于分光光度法的纳氏试剂光度法。

(6)农沟排水中氮、磷浓度在农沟的排水沟口、中部和沟头分3个断面取样。取水时间为雨后0、1、2、3、5 d；每个断面分上、中、下3个断面，分别在水面、1/2水深、底部取水测定。农沟排水时，每隔1 h在排水口水深1/2处取水，每次取样次数不少于2次。每次取样500 mL，混匀后取用。

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

水中氮磷浓度测定方法同田面水。

2 结果与分析

2.1 蓄雨控灌技术对农田排水中氮磷浓度的影响

节水灌溉模式下，田面经常处于浅水层或无水层状态。遭遇暴雨时，直接的雨滴击溅侵蚀，或者浅水层条件下(小于20 mm)雨滴击溅导致的水层紊动，使得田面表土颗粒及其富集的氮磷更容易进入水中，导致降雨初期田面水中氮磷浓度较高。尤其是T2处理，在降雨初期(8 h)田面水中TP和TN的浓度均显著高于T1处理(见表4)。但由于T2田间采用轻旱高蓄模式，雨后蓄水深度较大，击溅侵蚀和水面紊动随田面水深的增加逐渐减小，进入水中的泥沙和氮磷浓度降低。更重要的是，蓄水深度增加使格田排水时间滞后约6 h，延长了雨水在格田的滞留时间。由于泥沙沉淀、土壤吸附，加上降雨的稀释作用，发生排水时，T2处理水中氮磷浓度显著低于T1。

表4 雨后田面水TN和TP浓度变化 mg/L

注：①时间为降雨开始后的时间，T1、T2处理分别在降雨8、14 h后排水；②不同小写字母表示同一列数值在P0.05水平上的显著性差异(下同)。

图1 农沟中TP和TN浓度变化

从表4和图1可以看出，降雨初期两个处理的格田地面水中TP和TN的浓度较高，且下降均较快，其中T2处理下降幅度高于T1，表明稻田具有良好的氮磷去除效果。相同时间，格田水中氮磷浓度高于农沟。因此，通过蓄雨控灌技术，尽可能蓄雨于田，尤其是拦蓄初期降雨形成的径流，能有效减少由农田进入农沟的排水量，并降低排水中氮磷浓度，为沟道控制排水创造良好条件。沟道水中TN和TP浓度在雨后最初的24 h下降速率较快，其后趋于稳定。考虑到沟道长期蓄水可能对作物的不利影响，沟道拦蓄时间以不超过48～72 h为宜。

排水结束后，由于沟道的湿地效应，沟道中的TN和TP浓度逐渐降低。在排水结束后30 h，T2处理的TN和TP浓度分别下降了18.1%和10.5%，小于T1处理的33.5%和31.6%。其原因可能和T1处理沟道水深过大，水温较低，影响硝化-反硝化反应有关。

一般认为，拦蓄于沟田中的雨水，由于水深增加，可能会增加沟田入渗，增加氮磷污染物的淋洗损失。但试验发现，田间渗漏量并未显著增加。通过监测农田地下水的水质，发现渗漏水中TN和TP的浓度较为稳定，且不足地表排水浓度的10%。因此采用蓄雨控灌技术控制排水模式，由于渗漏水量增加而导致的氮磷负荷有限。控制地表排水仍是减少氮磷负荷的有效手段。

2.2 蓄雨控灌技术对农田排水量及氮磷负荷的影响

蓄雨控灌技术模式下，降雨和径流经过格田和沟道的两次拦截，雨水在农田和农沟的滞留量增加，排水量减少。与T1相比，农田尺度上排水量减少51.5%，农沟尺度上减少61.1%。T1处理农沟尺度排水大于农田尺度，与农田侧向渗漏以及沟道产流有关。而T2处理由于沟口被控制，在不超过农沟控制水位时，侧渗和沟坡产流被蒸发和入渗所消耗。同时由于滞留时间的增加，有利于沟、田湿地效应的发挥，使得农田和农沟尺度上氮磷负荷均有所降低，如表5所示。

表5 不同尺度地表径流导致的氮磷流失负荷

在农沟尺度上，单位面积的TN负荷低于农田尺度，降幅为19.5%(T1)～21.7%(T2)，TP负荷低于农田尺度35.3%(T1)～47.4%(T2)。这表明稻田沟道系统对氮、磷具有良好的去除效果，尤其对TP的去除效果优于TN。此外，由于农沟还承担了格田外非耕地的径流和氮磷负荷，农沟控制排水的实际氮磷减排效果更好。

3 结 语

蓄雨控灌技术模式具有良好节水减排效果。该模式可减少灌排水量，并充分发挥稻田和农沟的湿地效应，使氮磷负荷大幅降低。尽管田、沟渗漏量有所增加，但渗漏水中氮磷浓度远低于地表水，水体氮磷负荷总体减少。

降雨初期农田和农沟水中氮磷的浓度较高，拦截初期降雨和农沟排水对降低氮磷负荷更为有利。降雨开始后的最初24 h内，格田氮磷浓度下降较快，尤其是最初的8～14 h，应尽可能不排或少排。即使达到设计雨水深度，也可以临时增加雨水深度，使之在格田中滞留14 h以上。因此，适当增加格田田埂高度至15～20 cm是必要的，这样可拦截南方大部分地区10 a一遇的暴雨。

沟道具有良好的湿地效应。在实施蓄雨控灌的同时，若能同时控制农沟排水，其减排效果更佳，有待于继续研究。

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[1] 郭相平, 张展羽．稻田控制排水对减少氮磷损失的影响[J]．上海交通大学报，2006，24(3)：307-310．

[2] Ingrid wesstrm，Ingmar Messing，Harry Linner，et al. Controlled drainage-effects on drain outflow and water quality[J]. AgricuTural Water Management，2001，47:85-100.

[3] 殷国玺，张展羽，郭相平，等． 地表控制排水对氮质量浓度和排放量影响的试验研究[J]．河海大学学报，2006，34(1)： 21-24．

[4] 张蔚榛，张瑜芳．麦田在降雨入渗和排水条件下化肥流失的试验研究[J]．灌溉排水学报，1999，18(3)：4-11．

[5] 郭相平，袁 静，郭 枫，等．水稻蓄水-控灌技术初探[J]．农业工程学报，2009，25(4)：70-73．

[6] 郭以明，郭相平，樊峻江，等．蓄水控灌模式对水稻产量和水分生产效率的影响[J]．灌溉排水学报，2010，29(3)：61-63，73．