典型降雨-稻田排水过程中氮素流失规律

李玖颖，卫琦，王海渝，陈鹏，程衡，徐俊增

（1.黑龙江省灌溉排水与节约用水技术中心，哈尔滨 150040； 2.河海大学农业科学与工程学院，南京 210098）

0 引言

【研究意义】农田面源污染是影响地表水环境的重要因素。稻田排水是氮、磷等养分流失的主要途径[1]，不仅会造成土壤肥力和化肥利用效率的降低，还会引发河湖等地表水体富营养化[2-3]。因此，掌握稻田排水中的养分流失规律，对于从农田水肥管理角度减少氮素损失、控制农业面源污染排放具有重要指导意义。

【研究进展】关于稻田排水过程中氮素流失特征，相关学者已经开展了大量的研究[2-5]。例如，尹娟等[4]研究了控制和非控制排水稻田氮素流失规律，结果表明不同处理稻田排水中的NH4+-N和NO3--N质量浓度均呈先迅速增加后逐渐减小趋势，且稻田排水中NH4+-N和NO3--N质量浓度与施肥量呈正比。姜萍等[5]研究了3种灌溉方式（淹灌、间歇灌溉和湿润灌溉）下稻田氮素流失特征，发现间歇灌溉和湿润灌溉处理能够有效控制稻田氮素流失并提高水稻产量。降雨作为农田氮素向水体迁移的主要外界因子，一方面雨滴的击溅作用能够使表土颗粒分散，造成其中的氮素易于溶解；另一方面降雨产生的地表积水能够溶解和浸提土壤中氮素，使土壤可溶性氮素向地表积水迁移，且当产生降雨径流时，降雨产流将携带氮素流失。以往关于降雨对稻田排水及其氮素流失规律等方面的研究很少，且主要围绕降雨或模拟降雨后不同灌排模式的稻田排水及其氮素变化差异进行展开[2,6]。例如，和玉璞等[6]研究了常规和控制灌排模式对降雨后稻田排水过程的影响，结果表明控制灌排模式改变了降雨后“稻田-农沟”系统排水过程，减少了系统排水量，降低了排水流量峰值，减缓了由降雨导致的稻田氮磷流失。王宁等[2]采用DRAINMOD-N II模型模拟了常规与控制灌排模式下暴雨后稻田排水过程及其氮素变化规律，结果表明控制灌排稻田排水量较常规灌排稻田的排水量减少了43.6%，NH4+-N和NO3--N负荷降低了30.0%～63.3%和39.9%～62.9%，提高了雨水、氮素利用效率。【切入点】综上，以往研究重点关注了不同灌排方式、模拟降雨等条件下稻田排水过程及其氮素流失变化规律，而针对不同降雨特征的连续降雨过程，开展稻田排水过程中氮素流失特征等方面的研究鲜有报道。

【拟解决的关键问题】因此，以黑龙江省庆安灌溉试验站2019年水稻主要生育期（7—9月）内3次典型降雨过程为研究对象，旨在揭示典型降雨-稻田排水-氮素流失变化规律，研究结果对于认识降雨过程中农田实际排水与氮素排放规律、准确评估农田源污染排放以及制定减排对策具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在黑龙江省庆安灌溉试验站进行，该试验站（127°40'45″E，46°57'28″N）位于庆安县和平镇，属于典型的寒温带大陆性季风气候，多年平均水面蒸发量750 mm，作物水热生长期为156～171 d，全年无霜期128 d。供试土壤为白浆型水稻土，种植水稻时间20 a以上，土壤耕层厚度11.3 cm。土壤质地为砂黏土，0～20 cm土层pH值为6.6，有机质量为43.1g/kg，碱解氮量为175.2 g/kg，有效磷量为30.7g/kg，速效钾量为98.6 g/kg。降雨量通过雨量筒监测，水稻全生育期（2019年5月18日—9月21日）的总降雨量为622.7 mm，其日降雨量变化如图1所示。

图1 水稻生育期内日降雨量变化过程Fig.1 Daily variation process of rainfall in rice growth period

黑龙江省2019年降雨次数较多，且在水稻主要生育期（7—9月）内出现了几次强降雨。因此，本研究选择以其中3次典型降雨过程为例展开分析，其降雨时段分别为7月7—15日、7月16—25日和7月28日—8月14日，降雨量依次为56.2、104.4 和147.6mm，降雨历时分别为9、10 和18 d，平均降雨强度依次为5.1、10.4 和8.2 mm/d。

供试水稻品种为龙庆稻3号，水稻移栽和收割时间分别为2019年5月19日和2019年9月21日。全生育期共施加1次基肥+2次追肥，其中于2019年5月4日施用300 kg/hm2复合肥作为基肥，于2019年6月10日施用50 kg/hm2尿素+ 50 kg/hm2硫酸铵作为蘖肥，于2019年6月23日施用100 kg/hm2尿素作为穗肥。

1.2 水样采集与分析

试验区内排水沟控制上游水稻种植面积为13.2 hm2。试验开始前，在排水沟中布设流量自动监测-等比例连续取样装置。该装置的工作原理是：水位传感器将每5min测量的水位数据传输至单片机，单片机根据水位-流量关系计算该时段的断面流量，并进一步按照设定的断面流量-水样采集量比（1/105）计算该5min内的水样采集量，最后单片机将计算的水样采集量转换为脉冲频率控制蠕动泵进行水样采集。水样采集过程中，当第1 天的水样采集量不足一个集水瓶（容量为1L）时，蠕动泵上的取水管将在次日08:00 自动切换到下一个集水瓶，以保证每天的水样能够储存于同一个集水瓶中。当遇到强降雨导致排水沟水位过高、流量过大时，集水瓶中的水样存满后会自动切换到下一个集水瓶。该装置最大的特点是：所采集的水样量与对应时间段内的断面流量成稳定的正比例关系，能够准确地反映过流水体中相关营养指标的情况。

排水沟断面流量监测-水样采集时段为2019年6月1日—9月20日。在水样采集过程中，每天对自动取样装置中的集水瓶储水情况进行检查，并在降雨后每间隔3～6 h检查1次。当取样装置内的24个集水瓶均完成水样采集或装满后，把集水瓶中的水样转移至100 mL容量瓶，带回实验室进行氮素质量浓度分析。水样中的TN、NH4+-N和NO3--N质量浓度分别采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、氯化钾溶液提取-分光光度法和紫外光分光光度计法进行测定[7]。

1.3 统计分析

采用MicrosoftExcel2013 软件对典型降雨过程中的稻田排水量及其中的氮素质量浓度进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 典型降雨下稻田排水量变化特征

通过对3次典型降雨-稻田排水过程进行分析，发现稻田排水量在降雨后均呈先迅速增大后逐渐减小趋势（图2）。3次典型降雨过程的降雨量分别为56.2、104.4 和147.6mm，但其相应的稻田排水量却分别减少了49.8%、49.8%和51.4%。总体上，最大降雨强度和排水量峰值个数均保持一致，但稻田排水量峰值较最大降雨强度出现时间滞后了7～9 h。3次典型降雨过程中的最大降雨强度分别为30.4、13.2 和37.4mm/h，其相应的排水速率峰值分别依次为14.4、11.6 和21.2 mm/h。通常情况下，降雨主要在地表径流和入渗之间进行分配，降雨开始时地表入渗速率较大，地表径流量较小，而随着降雨的持续进行，地表径流量也随之增大，从而导致稻田排水量也逐渐增大。

图2 3次典型降雨-稻田排水过程Fig.2 Three typical rainfall paddy drainage processes

对比3次典型降雨-稻田排水过程，发现稻田排水量随降雨量的增大而增加。与第1次降雨量相比，第2次和第3次的降雨量增大了48.2 和91.4 mm，其相应的排水量也增加了85.8%和154.3%。此外，研究还发现排水速率的增加幅度通常大于降雨强度的增加幅度，以第1次和第3次典型降雨过程为例，第3次的最大降雨强度（37.4mm/h）较第1次最大降雨强度（30.4mm/h）增大了23.0%，而其相应的排水速率最大值却增加了85.3%，说明强降雨更容易引起氮、磷等农田养分的流失。因此，避免在强降雨前施肥是一种降低农业面源污染排放的有效措施。

2.2 典型降雨-稻田排水中氮素质量浓度变化特征

3次典型降雨-稻田排水中的氮素质量浓度变化均较为相似，即其最大值通常出现在较大降雨后的较短时间内，随后由于径流稀释作用的影响其质量浓度逐渐降低并趋于稳定（图3）。

图3 典型降雨-稻田排水中氮素质量浓度变化规律Fig.3 Variation of nitrogen concentration in typical rainfall paddy drainage process

总体上，稻田排水中的NH4+-N、NO3--N和TN质量浓度范围分别为2.3～5.3、1.4～4.3 和3.3～14.4 mg/L。根据地表水水质相应指标控制标准[8]，3次典型降雨-稻田排水中的NH4+-N、NO3--N和TN质量浓度仍处于Ⅳ类标准以下。由此推测，稻田排水中过高的氮素所引起的农业面源污染排放可能是水稻主要生育期内（7—9月）地表水水质的主要风险污染源，且NH4+-N和NO3--N可能是稻田排水中氮素流失的主要形态。因此，基于气象预报对降雨的预测，调整水稻主要生育期的施肥时间有助于减缓农业面源污染排放。

对比3次典型降雨-稻田排水过程，可以发现，稻田排水量由第1次向第3次依次增大，而其相应的氮素浓度却逐渐减小。这主要是3次典型降雨均位于最后一次施肥（穗肥）之后，在无外源氮肥投入的条件下，随着水稻生长对氮素吸收的增加以及稻田排水过程中氮素的流失，稻田土壤中氮素量逐渐减小。此外，3次典型降雨-稻田排水中的NO3--N质量浓度变化幅度（1.8～3.2 mg/L）均略大于NH4+-N质量浓度（1.2～1.8 mg/L），其可能是由于NO3--N不容易被土壤颗粒吸附，淋失量大所导致。

2.3 典型降雨-稻田排水中氮素负荷变化特征

基于典型降雨过程中的稻田排水量及其中的氮素质量浓度分析结果，分别计算了3次典型降雨-稻田排水中的氮素负荷流失（如表1所示）。与第1次典型降雨-稻田排水中的TN、NH4+-N和NO3--N负荷分别相比，第2次和第3次稻田排水过程中的TN、NH4+-N和NO3--N负荷分别增加了1.7～4.6、0.7～1.9 kg/hm2和0.1～0.9 kg/hm2。在3次典型降雨-稻田排水中的氮素质量浓度变化不明显的情况下，分析认为氮素负荷的差异可能由降雨量增大所引起的排水量显著增加所导致的（第2次和第3次的排水量较第1次的排水量增大了77.6%和235.6%）。

表1 典型降雨-稻田排水过程中氮素负荷流失情况Table1 Nitrogen load loss in typical rainfall paddy drainage process

3 讨论

3.1 降雨对稻田排水过程的影响

降雨作为稻田氮素向水体迁移的主要驱动因子，降雨量的大小通常会引起稻田排水量的差异[2]。例如，王宁等[2]通过DRAINMOD-NII模型模拟了4次暴雨（59.5、74.2、102.6 和169.1 mm）条件下常规灌排和控制灌排稻田排水过程，结果表明2种灌排模式下稻田排水量均随降雨量的增大而增加，但与降雨量相比，不同灌排模式的稻田排水量均有不同程度的减少，其降低幅度依次为41.5%～72.6%（常规灌排）和65.6%～77.9%（控制灌排）。本研究中，随着3次典型降雨过程中降雨量的依次增大（56.2、104.4 和147.6mm），稻田排水量也依次增加，但较降雨量的降低幅度（49.8%～51.4%）略小于上述文献结果，可能是由于降雨前稻田土壤初始含水率或水层高度的差异所导致的。此外，降雨强度等因子的改变也会引起稻田排水过程的差异。本研究表明，第3次典型降雨过程中的最大降雨强度（37.4 mm/h）较第1次典型降雨过程的值（30.4 mm/h）增大了23.0%，但其相应的排水速率最大值却增加了85.3%，这说明强降雨显著增加了稻田排水的速率，提高了稻田氮磷等养分流失率。

3.2 降雨对稻田排水氮素流失的影响

降雨形成的地表径流是化学肥料中氮素流失的重要途径。通常情况下，降雨-稻田排水中的氮素的流失程度、流失形态与施肥种类、施肥时间、施肥量等因素密切相关[9-12]。例如，张继宗等[13]研究了不同施肥水平（0、225、300 和375kg/hm2）和不同施肥时间（5 d和10 d）处理下模拟降雨（80mm/h）对稻田氮素径流流失特征的影响，结果表明降雨径流中氮素浓度和流失量均随施肥量的增大而增加，且各处理施氮后5 d模拟降雨产生的氮素流失量之间存在显著差异，施氮前期是氮素流失的主要风险期，流失形态以NH4+-N和NO3--N为主。焦少俊等[14]研究了施肥条件下稻田降雨径流水中氮素的流失特征，结果表明，初期施肥后的降雨流失使稻田排水中的氮素质量浓度大幅度降低、氮素主要以水溶性NH4+-N流失。本研究表明，降雨后稻田排水中的氮素质量浓度随降雨过程的降低而减小，且NH4+-N和NO3--N可能是黑龙江省水稻主要生育期（7—9月）内氮素流失的主要形态，这些研究结果均与上述文献结果基本一致。此外，降雨量的差异也会引起稻田排水中氮素流失量的不同。例如，邱多生等[15]通过研究不同人工降雨量（40 mm和80 mm）对稻田氮素流失量的影响，结果表明施肥（基肥）第2 天后，模拟80 mm人工降雨量所引起的TN流失量（16.7～24.0 kg/hm2）显著大于模拟40 mm雨量所引起的TN流失量（5.5～8.0 kg/hm2）。本研究中，随着3次典型降雨过程中降雨量的依次增大，稻田排水过程中的TN负荷也依次增加，与上述文献的结果较为相似。但本研究中3次稻田排水过程中的TN负荷的范围（2.9～7.5 kg/hm2）略小于上述文献中的结果。其原因可能是由于本研究中最后1次施肥（尿素，100 kg/hm2）时间处于3次典型降雨过程之前（典型降雨过程位于穗肥施用后的第14～33 天），在3次典型降雨之间无外源氮肥投入的条件下，随着降雨过程的持续进行和水稻生长对氮素吸收的增加，其排水中氮素质量浓度逐渐降低，导致其排水中负荷处于较低水平。总之，强降雨加速了稻田排水的速率，且排水中氮素质量浓度的最大值通常出现在降雨后排水初期。因此，基于气象预报对降雨的预测结果，避免在强降雨来临前施肥、并合理调整降雨后初期排水时间，有助于减缓农业面源污染排放。

4 结论

1）稻田排水量随降雨量的增大而增加，且通常情况下排水速率的增加速率远大于降雨强度的增加速率，强降雨增加了稻田氮、磷等农田养分的流失率。

2）在典型降雨过程之间无氮肥投入的条件下，降雨后稻田排水中的氮素质量浓度随排水量的增大而减小。稻田排水中过高的氮素所引起的农业面源污染排放可能是黑龙江省7—9月地表水水质的主要风险污染源。

3）稻田排水中的氮素质量浓度最大值通常出现在降雨后排水初期，因此，根据气象预报对降雨的预测结果，调整强降雨前施肥时间以及降雨后初期排水时间有助于减缓农业面源污染减排放。