控制排水对油菜/黄豆农田土壤肥力及减排的影响——以漳河灌区为例

何 军，张 艺，杜发兴，赵树君，李赵琴，甘学华

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；3.湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448200）

0 引 言

农田排水可减少涝渍胁迫、控制土壤盐碱化，是保证农作物正常生长并获得高产的关键措施[1,2]。我国传统排水系统设计和建设以提高农业生产为主要目标，对环境的负面影响不予考虑[3]，随着对气候变化与环境问题的关注，这种传统排水技术（又称自由排水）逐渐暴露出过度排水的问题，造成农田水分和氮磷流失等不利影响。农田排水中的氮、磷等养分流失又是造成下游河流、湖泊富营养化的主要因素[4]，减少并控制农田的氮、磷污染排放，对维系健康的农田生态系统具有重要意义[5]。控制排水具有延缓和储存排水的作用，使排水得到重复利用，从而提高灌溉水或降雨利用效率，相应提高氮磷的吸收利用率，使作物生长和产量显著提高[2,6]。瞿思尧等[7]、袁念念等[8]研究表明控制排水措施极大的减少了排水量进而减少氮素排放，促进肥料的转化，提高肥料利用效率。我国北方干旱、半干旱及西北地区的旱作物玉米、棉花等控制排水研究侧重于土壤水盐运移及分布规律[9,10]；沿海地区多着重在盐碱地改良及氮磷流失[11]；中部地区多为降雨较多的半湿润地区，控制排水主要集中在水稻的节水减排等方面[12]，而对旱作尤其种植面积较大的油菜、黄豆等研究并不多见。

本文选取位于长江中游的湖北省漳河灌区为研究区域，对代表性旱作油菜、黄豆开展实验，采集控制排水处理下不同深度的剖面土样，测定其氮磷含量，监测典型时段排水水量及其氮磷浓度，分析氮磷排放负荷，以期为当地及类似区域旱作物种植节水减排策略提供参考。

1 试验设计

1.1 试验地概况

试验于2018-2020年在湖北省漳河灌区总干渠附近的湖北省灌溉试验中心站（112°05'16″E，30°54'15″N）开展，位置如图1所示。试验区常年气候温暖，年无霜期260 d，年平均气温16 ℃，最高月平均气温27.7 ℃，最低月平均气温3.9 ℃，年降雨量700～1 100 mm，多年平均年降雨量947 mm，年蒸发量1 300～1 800 mm，为典型的南方丘陵地带气候条件[13]，代表性旱作为油菜和黄豆。土壤基本理化性质：平均容重1.45 g∕cm3，平均土壤孔隙率45.5%，全氮0.03～0.17 g∕kg，全磷0.24～0.60 g∕kg，速效磷6.45～13.96 mg∕kg。

图1 试验区位置示意图Fig.1 Location of the test district

1.2 小区布置

根据规范[14,15]，小区尺寸设计为6.0 m×12.5 m，四周设立2.0 m深的砖混结构的防水墙，沿小区长边及正中埋设Φ50 mm的PVC排水暗管，暗管埋设深度均为距地表1.2 m，在排水暗管临小区短边的出口处安装水位调控装置，以实现小区不同地下水位埋深的控制排水处理，如图2所示。

根据袁念念等[8]研究，控制地下水位埋深在0.3～0.5 m可以同时减小排水量和氮素流失量，因此本文控制地下水位埋深最浅为0.4 m。考虑到当地地下水位的情况及作物根系随生育期的生长变化，结合柏菊等[16]的研究结论，地下水位埋深控制为0.4、0.6、0.8 m时，更加有利于旱作吸收水分，提高水分利用效率。本文参考当地实际情况，设置暗管埋深1.2 m为自由排水（Free Drainage，FD），暗管出口处不加设控制设施，即传统的排水技术，为对照处理；暗管出口控制设施的排水口距地表0.6 m为定高程控制排水（Fixed Level，FL）；根据作物不同生育期设定暗管出口控制设施的排水口距地表0.4～0.8 m为变高程控制排水（Changed Level，CL），如表1所示。每个处理重复3次并随机布置到9个试验小区。

供试油菜品种为德油6号，黄豆品种为中黄36，种植行距50 cm，株距30 cm。参考当地群众习惯，黄豆油菜旱作为雨养种植，即不予灌溉。施肥及除虫、除草等农事活动与当地群众模式一致，肥料均采用总养分（N∶P2O5∶K2O=14∶16∶15）≥45%的复合肥，在各作物播种前以750 kg∕hm2的水平一次性作底肥施入耕作层。

1.3 数据采集及方法

土样采样时间为黄豆收割后，分别为2019年9月24日和2020年9月28日，采用土钻分上层（0～20 cm）、中层（20～40 cm）、下层（40～60 cm）取土样，在各小区中间部位取3钻，经风干、混合、过0.15 mm筛化验全氮（TN）、全磷（TP）。土样全氮测定参考《土壤质量全氮的测定凯氏法》（HJ 717-2014）；全磷参考《土壤总磷的测定碱溶-钼锑抗分光光度法》（HJ 632-2011）。

选取两个典型时段监测水量并化验水质：时段一为2019年7月12日19时至2019年7月13日6时，共计11 h，累计降雨27.3 mm，期间FD、FL、CL处理的平均流量分别为17.507 m³∕s、6.464 m³∕s和21.097 m³∕s；时段二为2020年7月11日8时至2020年7月13日15时，共计55 h，累计降雨45.6 mm，期间FD、FL、CL处理的平均流量分别为27.235 m³∕s、2.961 m³∕s和15.053 m³∕s。水样总氮测定参考《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ 636-2012）；总磷参考《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》（GB 11893-89）。

氮磷排放负荷采用公式L=C×Q×T÷A计算，其中：L为氮磷排放负荷，g∕hm²；C为排水中氮磷质量浓度，mg∕L；Q为取样点在时段内的排水流量，m³∕s；T为排水时间段，s；A为取样点控制面积，即为每个小区面积，hm²。

1.4 数据处理

采用EXCEL 2010、SPSS 26.0、Origin64软件对数据进行统计和制图。

2 结果与分析

2.1 不同控制排水处理对土壤全氮含量的影响

不同控制排水处理下土壤全氮的剖面分布如图3所示。全氮在0～20 cm土壤的含量均以FD处理最高，油菜黄豆种植第1年和第2年分别达到0.950 g∕kg、1.052 g∕kg，而FL和CL处理在0～20 cm的全氮含量低于自由排水FD，说明控制排水会造成0～20 cm土壤全氮流失。对于FL处理而言，0～20 cm土壤全氮在油菜黄豆种植第1年时要高于CL处理，第2年时相差不大。20～40 cm土壤全氮含量在油菜黄豆种植第1年时仍以FD处理为最高，达0.628 g∕kg，但FL和CL处理全氮含量相差不大；第2年时则是CL处理为最高，达0.679 g∕kg，而FL和FD处理全氮含量相差不大。40～60 cm全氮含量在油菜黄豆种植2年期间均以FL处理最高，第1年、第2年分别达0.595 g∕kg、0.512 g∕kg，而CL次之，FD最低，第1年为0.398 g∕kg，第2年为0.418 g∕kg，说明控制排水对0～20 cm土壤全氮向深层次土壤迁移的影响显著，采用控制排水存在氮流失风险，相比FL处理，CL处理更易造成土壤全氮流失，这与侯毛毛等[17]的研究结果一致，分析原因可能是控制排水使土壤水位升高，形成嫌气土壤环境，有利于增加反硝化作用，氮素一方面转变为氮气逸出[4]，另一方面土壤溶液持续深层下渗损失。

由图3可知，土壤全氮含量总体上随土层深度呈下降趋势，而上层土壤的全氮含量随着种植年限的增加而增加，分析原因可能是油菜黄豆可促使土壤中有机质的矿质化，这与VIRGINIA等[18]研究结论一致，蔬菜与豆科作物轮作可提高土壤有机碳和全氮含量，说明油菜、黄豆通过大量的叶片腐烂落地，给土壤留下更多富含氮素的有机残体，有效的增加土壤中的有机质和氮素，同时豆科植物不仅可固定空气中氮素为本身所需，还对土壤中氮素具有富集作用[19,20]。

2.2 不同控制排水处理对土壤全磷含量的影响

不同控制排水处理下土壤全磷的剖面分布如图4所示。0～20 cm土壤全磷含量在油菜黄豆种植第1年以FD处理最高，达0.586 g∕kg，CL处理最低，为0.340 g∕kg；油菜黄豆种植第2年以FL处理最高，达0.879 g∕kg，CL处理最低，为0.461 g∕kg。而20～40 cm土壤中，全磷含量在油菜黄豆种植2年期间均以控制排水CL处理最高，第1年、第2年分别达0.384 g∕kg、0.276 g∕kg。对于40～60 cm土壤而言，油菜黄豆种植第1年以FL处理最高，达0.259 g∕kg，油菜黄豆种植第2年则是FD处理最高，达0.461 g∕kg。总体上看，自由排水FD处理在0～20 cm土壤的保磷能力要强于控制排水FL、CL处理，而在其他土层恰恰相反，控制排水保磷能力更强，分析原因可能是随土壤水位的升高造成缺氧环境，土壤供氧不足，Eh值降低，pH值升高，磷酸金属化合物的三价Fe被还原为二价可溶性Fe离子，导致释放更多的可溶性磷[21]，控制排水处理下0～20 cm土壤全磷淋失量增高，而磷素下移程度有限，控制排水又使排水流速降低，磷素在农田水力停留时间延长，促进吸收吸附[22]，在20～60 cm土壤表现出较强的保磷能力，而在0～20 cm土壤保磷能力不如自由排水。

图4 不同控制排水处理土壤全磷含量的剖面分布Fig.4 Profile distributions of soil total phosphorus of different controlled drainage treatments

由图4可知，全磷在土壤上层的富集趋势比较明显，在其他土层变化差异不大，分析原因可能是磷在土壤中以吸附为主[23]，磷随下渗水向下迁移过程中，水流中颗粒状磷量由于土壤吸附而逐渐降低[24]，使磷素纵向迁移不明显，这与李顺江等[25]的研究一致。

2.3 不同控制排水处理对氮磷排放浓度的影响

两个典型时段中不同控制排水处理下水样中总氮、硝态氮和总磷浓度如表2所示。FL、CL处理下的总氮、硝态氮和总磷平均浓度在不同时段中均要小于FD处理，这与乔欣等[22]研究结论一致，控制排水使排水流速减小，水流携带氮磷的能力降低，使排水在农田中的水力停留时间延长，促使氮磷进一步吸收吸附，流失浓度相应减少。相比FD处理，时段一期间FL处理的总氮、硝态氮和总磷平均浓度分别降低29.39%、15.99%、12.07%，CL处理则分别降低25.52%、18.70%和40.80%。而时段二期间FL和CL处理较FD处理相比，总氮平均浓度降低40.21%和31.68%，硝态氮降低80.22%和68.99%，总磷则降低72.41%和55.17%。总体上看，相比自由排水FD，变高程控制排水CL处理可有效削减排水中的氮磷浓度，而定高程控制排水FL处理削减氮磷浓度效果更显著。

由表2可知，典型时段总氮的流失浓度最大，而总磷的流失浓度最小。在总氮流失中硝态氮占据绝大部分，这是因为硝态氮在土壤中更活跃，比总氮更易流失[26]；而总磷的流失浓度最小，其原因可能在于磷在土壤中随下渗水向下迁移过程中，水流中颗粒状磷量由于土壤吸附而逐渐降低，到达暗管排水口时磷量明显减少，同时控制排水降低了径流水力梯度、排水速度和载磷能力，增加了水力停留时间，使得总磷流失浓度减小[22,24]。

2.4 不同控制排水处理对氮磷排放负荷的影响

典型时段不同控制排水条件下总氮、硝态氮和总磷排放负荷对比如图5所示。相比FD处理，时段一期间FL、CL处理下的总氮排放负荷减少73.93%、10.25%，硝态氮排放负荷减少68.98%、2.03%，总磷排放负荷减少67.54%、28.61%。相比CL处理，时段一期间FL处理下的总氮排放负荷减少70.95%，硝态氮排放负荷减少69.34%，总磷排放负荷减少54.53%。就FL处理而言，时段二期间总氮、硝态氮、总磷排放负荷相比FD处理分别减少93.50%、97.85%和97.03%，相比CL处理分别减少82.78%、87.45%和87.98%。

由图5可知，两个时段期间的排水负荷均为FD＞CL＞FL，表明相比自由排水FD处理，变高程控制排水CL处理可有效削减氮磷排放负荷，而定高程控制排水FL处理对于控制氮磷排放负荷效果更显著，这与晏维金等[27]研究结果一致，控制排水抬高了出水口的水位，排水流速减小，氮磷对流运移和水动力弥散作用减弱，水流携带氮磷的能力降低。

图5 氮磷排放负荷Fig.5 Nitrogen and phosphorus emission loads

结合表2和图5可以发现，时段一期间，相较自由排水FD，FL处理下的总排水量降低31.50%，总氮浓度削减29.39%，总氮排放负荷减少73.93%；时段二期间，FL处理下总排水量比自由排水FD降低56.53%，总氮浓度削减40.21%，总氮排放负荷减少93.50%，表明总氮排放负荷的显著降低与排水量和总氮浓度的显著降低相一致，这与Wang等[21]、Dou等[28]研究发现一致，分析原因是控制排水使排水流速减小，增加排水水中氮素与沉积物和农作物接触的时间，以致更多氮素被吸收吸附，导致排水中氮素浓度大幅度降低[29]。

3 结 论

根据以上分析，可以得出以下结论：

（1）相较于传统的自由排水FD，0.6 m的定出口高程FL和0.4～0.8 m的变出口高程CL均会造成0～20 cm土壤全氮向深层次土壤迁移，相比CL，FL处理可在一定程度上抑制土壤全氮流失；控制排水FL、CL处理对20～60 cm土壤的保磷能力要优于自由排水FD处理，使土壤全磷向深层次土壤迁移不明显。

（2）0.6 m的定出口高程FL处理在削减排水中的氮磷浓度和氮磷排放负荷上的效果要显著优于0.4～0.8 m的变出口高程CL，相较暗管埋深1.2 m的自由排水FD，总氮、硝态氮、总磷浓度降低29.39%、15.99%、12.07%，负荷减排达73.93%、68.98%、67.54%。

综合考虑3种排水处理对农田土壤肥力及减排的影响，采用土壤全氮全磷、水样氮磷浓度及排放负荷3类指标进行排水模式优选，然而根据作物不同生育期地下水位情况及根系生长变化而设定的0.4～0.8 m变出口高程控制排水CL未能达到预期良好效果，可能地下水水情复杂，农田排水与剖面土壤和作物根系接触时间难以调控，有待进一步研究，但其保磷、削减氮磷浓度和减排能力仍优于传统暗管埋深1.2 m的自由排水FD处理，对环境产生良好的影响。相较而言，不同生育期暗管出口控制高程均为0.6 m控制排水FL处理在各方面要显著优于变出口高程CL处理。因此，出口控制深度0.6 m的控制排水处理（FL）是漳河灌区油菜∕黄豆种植更优的排水模式。