模擬稻田中氮磷的變化特征及其降污潛力分析

馮國祿，楊仁斌，丁孟，蔡可兵

1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 4101281；2.吉首大學生態旅游重點實驗室，張家界 427000

水體富營養化是當今世界的水污染難題，并已成為世人關注的主要環境問題之一?；诖?，世界各國在控制氮、磷等營養物質的來源方面投入了大量的人力和財力。然而，水體富營養化的影響因素很多，其營養物質的來源也十分復雜。在發達國家，最初的治理重點是放在城市污水等點源污染上，但取得的成效卻非常有限，水體因營養物質而引起的富營養化現象卻并未因此而有顯著的減少。大量的研究業已證實，富營養化現象的發生與農田土壤中的氮、磷等養分的流失有著十分密切的關系[1-4]。因此，控制農田氮、磷流失已日益受到人們的重視。

水稻是我國最主要的糧食作物，種植面積大，氮磷肥施用水平高。同時水稻也是農業灌溉用水大戶，其灌溉用水量占總灌溉用水量的60%以上[5]。我國南方是主要的水稻產區，每年4月中下旬是我國南方水稻—早稻的種植時期，傳統的春耕生產是施足基肥灌水進行耕整（犁田耙田）后排干稻田水（農田退水），再進行播種水稻或移栽水稻。大面積的農田排水（退水）造成了農田氮磷養分隨水進入水體（塘、庫、湖、河），成為我國南方春季農業面源污染和河流水質富營養物質春季污染嚴重的主要來源。

國內外在節水灌溉方面[6,7]以及施肥后水稻田的氮磷素動態和流失機制[8-10]已有研究，但基于面源污染控制來研究蓄水條件下稻田中氮磷含量的變化動態特征及原因的報道較少。筆者于2009年4—5月在湖南農業大學實驗基地，通過微區模擬春耕稻田施肥耕整蓄水處理試驗，取樣測定了稻田土壤、田面水中氮磷素的含量變化，分析了田面水和土壤氮磷含量的變化特征及原因，測算了不同蓄水深度和退排水時期的降污潛力，以期為稻田面源污染的控制提供新的思路與方法。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤取自于湖南農業大學“耘園”的資源與環境學院實驗基地的紅潮土，其基本理化性狀為：w(有機質)=11.8 g·kg-1，w(全氮)= 1.12 g·kg-1，w(全磷)= 1.38 g·kg-1，w(全鉀)= 27.6 g·kg-1，w(水解氮)=96.6 mg·kg-1，w(速效磷)= 70.8 mg·kg-1，w(速效鉀)=142.6 mg·kg-1，pH 5.5。灌溉水取自實驗基地附近井水經蓄水池放置一周自然氧化后的備用水。復合肥的成分是氯化銨、磷酸銨和氯化鉀，其 N、P、K質量分數分別為21%、8%、11%。

1.2 試驗設計

于湖南農業大學試驗基地，設計磚混墻圍成的模擬試驗田，田內共4個試驗區(長4 m×寬1.5 m)，各試驗區呈兩排對稱排列，中間設有灌水渠。區內再用PVC板隔成3個小區，每個小區面積為1.5 m2。為防止淋溶將試驗田底做成水泥地面，上鋪充分混勻后的紅潮土，土層厚45 cm左右。在每個試驗小區外側設有離表土層不同高度的帶橡膠塞的 PVC排水管，管口水平朝外。試驗時小區各處理保持相應深度的水，通過打開橡膠塞使小區內田面水剛好從排水管中流出。

2009年4月26日開始在試驗小區對土壤進行保水濕潤。根據天氣預報選擇無雨天氣，從5月4日開始試驗，設3、6 cm和9 cm等3個蓄水深度處理，并分別以t-3、t-6和t-9表示，每蓄水深度設3個重復。小區灌水后，基肥撒施水面，隨即模擬春耕耙田用耙子把基肥與5～10 cm的表土混勻。基肥為復合肥，施肥量為750 kg·hm-2，折合各試驗小區施肥112.5 g。在勿擾動土層的情況下，于施肥后的第1/24、1、2、3、5、7 d從試驗小區取水樣和土樣進行測驗。試驗于5月11日結束，試驗期間一直保持各處理的蓄水深度不變。

1.3 樣品分析項目與方法

參照文獻[11]的方法測定水樣樣品中各養分的質量分數。總氮(TN)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；原水樣經過濾后采用納氏試劑光度法測定水樣氨氮(NH4+-N)；水樣硝酸鹽(NO3--N)氮采用酚二磺酸光度法；水樣總磷(TP)測定為過硫酸鉀氧化法；經微孔濾膜過濾后測定水樣的溶解磷；磷的測定均采用鉬藍比色法；將被水樣過濾后的微孔濾膜放在稱至恒質量的鋁盒內，再將該鋁盒置于103～105 ℃的烘箱烘至恒質量，增加的質量為不可濾殘渣(SS)。所有水樣在12 h內預處理完畢。

參照文獻[12]的方法測定土壤樣品中的銨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、總氮（TN）和總磷（TP）。鮮樣中的NH4+-N和NO3--N質量分數分別采用KCl提取分光光度法和酚二磺酸光度法；干樣中的總氮（TN）采用濃硫酸消解分光光度法；總磷（TP）采用高氯酸-硫酸消解鉬銻抗分光光度法；速效磷采用鉬藍比色法。

2 結果與分析

2.1 稻田水和土壤中氮素的動態特征

施肥后稻田水和土壤中氮素的變化動態曲線見圖1～3。由圖1可見，稻田水中NH4+-N質量濃度和土壤中NH4+-N質量分數表現出不同的變化趨勢。前者在施肥處理后先是迅速上升，2 d時達到最大值，隨后逐漸下降。而土壤中NH4+-N質量分數在施肥后一周內表現為升-降-緩慢上升的趨勢。這是因為復合肥施入土壤后，氯化銨和磷酸銨在土壤微生物等的作用下迅速溶解進入土壤，一部分NH4+被土壤膠粒吸附，另一部分則進入田面水中，使田面水的NH4+-N質量濃度在第2 d達到峰值；隨后田水中的一部分 NH4+又隨固體顆粒物沉降或被土水界面的土壤粘粒吸附而進入土中，以致田面水NH4+-N質量濃度呈緩慢降低的趨勢。在施肥后的5 d內，3個不同蓄水處理下田面水NH4+-N質量濃度從大到小的順序為 t-3，t-6，t-9，且田面水質量濃度與蓄水處理呈顯著的負相關（y=-0.974x+4.516,R2=0.926）。

田面水中 NO3--N 質量濃度表現為升-微降-峰值-下降-反彈的動態特征。究其原因，一是由于土壤微生物的反硝化作用，土壤中NH4+一部分轉化為NO3-；二是不易被土壤吸附的 NO3--N進入田面水中，使田面水NO3--N質量濃度在1～2 d內達到峰值。田面水的NO3--N質量濃度第5 d后出現略微反彈上升現象，說明稻田的硝化-反硝化作用、田面水侵蝕以及過濾滲透等綜合因素的影響，致使田面水和土壤之間的 NO3--N含量趨于動態平衡狀態。數據分析發現在蓄水處理的5 d內NO3--N質量濃度與蓄水處理呈顯著的負相關（y=-0.17x+0.866，R2=0.946）。

圖3顯示，田面水TN質量濃度隨時間變化呈升-峰值-下降趨勢，t-3處理的TN質量濃度較t-6和t-9處理要高，且TN質量濃度峰值也較早出現。由于施入稻田的基肥屬于緩釋肥，在土-水系統中經過物理、化學和微生物的作用，氮素緩慢釋放，一部分無機態氮（NH4+-N等）直接被土壤吸附，使得土壤TN質量分數呈上升趨勢；另一部分（NH4+-N、NO3--N）進入田水，加上春耕時對土壤的擾動而導致土壤中的氮素（有機氮等）進入田水中，是直接引起田面水中TN質量濃度升高的直接原因。田面水中TN于第2 d達到峰值，而土壤中TN于第2～3 d趨于平穩，說明此時復合肥的養分基本釋放完全。爾后田面水中TN動態下降的原因，首先是由于土壤的吸附和過濾作用，約占7%的氮被淋溶損失掉[13]；其次是與氨氮揮發有關。氨揮發過程十分復雜，且受許多因素的影響，是稻田氮素損失的主要途徑之一。Adamson等認為，培養14 d后，污泥與耕層土壤表施處理的氨揮發為施氨質量的40.3%[14]。另外，稻田的硝化-反硝化作用其中引起的氣態氮(N2或N20)的排放也能造成一定的氮損失。數據分析顯示，在施肥后的5 d內，不同蓄水深度條件下3個處理間田面水TN質量濃度從大到小的順序依次為t-3，t-6，t-9。

2.2 田面水和土壤中磷素的動態特征

圖1 施肥后田水NH4+-N質量濃度和土壤中NH4+-N質量分數的變化動態Fig.1 changes of NH4+-N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

圖2 施肥后田面水NO3-N質量濃度和土壤中NO3--N質量分數的變化動態Fig.2 Changes of NO3--N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

圖3 施肥后田面水TN質量濃度和土壤中TN質量分數的變化動態Fig.3 Changes of T-N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

從農田流失的磷素主要以非溶解態磷（DRP）和顆粒結合態磷（PP）形式存在，其中80%以上的部分是PP，這部分磷可以隨水流運輸至較遠的地區而輸出農田[15]。一些研究證實，在垂直方向上DRP有滲漏和積累的現象，97%滲漏是DRP[16,17]。本蓄水試驗的微區模擬田底是水泥地面，滲漏現象可以忽略不計。

施肥后田面水TP質量濃度和土壤中TP質量分數的變化動態如圖4所示?？梢姡锩嫠辛姿氐馁|量濃度在施肥1 h后較低，此后隨著時間推移呈急速上升態勢，在第1 d達到峰值。而土壤中磷素質量分數施肥1 h后處于較低水平，此后呈現逐漸上升的趨勢，在施肥后第1～2 d趨于平穩。其原因有二：首先是施肥后第1 d左右復合肥中磷素已基本釋放完全；其次是春耕耙田的人為擾動使附積于土壤內的DRP和PP迅速釋放而進入田面水。爾后田面水中DRP和PP，由于物理沉降等作用逐漸下沉而重新進入土壤內，致使土壤中TP質量分數在第 2 d后繼續上升并處于較高水平，而田面水 TP質量濃度迅速下降到較低水平。此外，通過對田面水約 1周的磷質量濃度的數據進行相關性分析發現，在蓄水處理約1周內TP質量濃度與蓄水深度呈極顯著的負相關（y=-0.115x+0.61，R2=0.994），即蓄水高度越大，田面水磷質量濃度就越小。

圖4 施肥后田面水TP質量濃度和土壤中TP質量分數的變化動態Fig.4 Changes of the total phosphorus content in the paddy water and soil after fertilizer application

2.3 減排降污潛力分析

施肥后田面水TN和TP的動態變化見圖5?？梢?，在處理后的同一時間段，田面水中各處理的氮磷質量濃度大小順序為ρt-3＞ρt-6＞ρt-9。通過對田面水約 1周的氮磷質量濃度數據進行相關分析表明，TN、TP質量濃度與蓄水深度呈極顯著的負相關（TN：Y=-33.97x+133.4，R2=0.999；TP：Y=-0.115x+0.61，R2=0.994），即蓄水高度越大，田面水氮磷質量濃度就越小。

在各蓄水處理的氮磷質量濃度數據中，t-9和t-6處理的總氮質量濃度分別為 t-3的13.1%～54.4%和27.9%～64.2%，總磷質量濃度分別為t-3的50%～90.1%和37.2%～67%。因此，相對于蓄水3 cm深度的常規水分管理，若能蓄水9 cm后再排放，可減少排放總氮 45.57%～86.88%、總磷33.02%～62.79%；若蓄水6 cm再排放，可減少排放總氮35.76%～72.13%、總磷9.88%～50%。顯然，蓄水6 cm或9 cm對于減少氮磷素排放具有顯著效果，但結合春插時的農田水分管理“淺水活苗”之實際，筆者認為“蓄水5～6 cm”是較為適宜的農藝措施。

圖6 施肥后田面水中SS的動態變化Fig.6 change of SS concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

雖然施肥后1 h TN質量濃度較低，但從圖6可以看出，此時水中總懸浮顆粒物(SS)質量濃度非常高；施肥后2～3 d內，3種蓄水處理總氮質量濃度達到最大，因此，施肥后3 d內應控制排水。

進一步分析可以看出，蓄水6 cm，若在第5 d排水，相比第 3 d將水排干，可減少排放總氮32.59%～75.87%、總磷53.42%～90.44%；相比蓄水3 cm在第 3 d排水時的情況，可減少排放總氮21.22%～55.41%、總磷75.78%～95.03%。若蓄水6 cm在第7 d排水時，與在第3d將水排干相比，可減少排放總氮48.61%～81.8%、總磷83.19%～91.52%；相比蓄水 3 cm在第 3 d排水，可減少排放總氮39.94%～66.01%、總磷 83.19%～91.52%。顯然，蓄水6 cm或9 cm處理，與蓄水3 cm處理相比較，在第5 d或第7 d排水，有顯著的減排降污效果。但結合農業生產實際需要，春季施肥耕作后第5 d左右排水是稻田排水較為適宜的時段。

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