水稻蓄雨控灌技術的環境效應

劉敏昊，任瑞英，朱振榮，張 健

(1.江蘇省農村水利科技發展中心，南京210029；2. 河海大學設計研究院有限公司，南京 210098)

水稻是我國最主要的糧食作物，播種面積大，氮磷肥施用水平高。在高施肥量下，雨季排水使稻田成為氮磷等面源污染物的主要來源[1]。稻田又是良好的人工濕地，若管理得當，對削減氮磷污染具有正面作用。水田磷、氮流失主要是通過地表徑流流失。控制地面排水，發揮溝田濕地系統的作用，是減少稻田氮磷污染物負荷的有效手段。控制排水減少農田氮磷損失主要有兩條途徑：減少農田排水量[2]和降低排水中氮磷濃度[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，適當減少了灌排次數，又能有效減少農田氮磷面源污染。本文采用小區試驗，研究了不同蓄雨控灌模式對農田排水量與氮磷排放的影響規律，以期為江蘇省水稻節水技術推廣提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區簡介

試驗于2013年5-10月在南京市河海大學節水園區進行。試驗區地理位置為北緯31°86′，東經118°60′，屬于亞熱帶濕潤氣候。年平均溫度15.7 ℃，最高月平均氣溫28.1 ℃，最低氣溫為16.9 ℃；平均相對濕度34.98%，最大平均濕度81%；無霜期237 d；年均日照量2 212.8 h；年均降雨量1 021.3 mm，多年平均蒸發量在900 mm左右。試區內地下水埋深大于50 cm，土壤類型為黏壤土，飽和含水率38.2%(重量含水率)，田間持水率29.3%(重量含水量)。試驗區土壤理化性質如表1 所示。

表1 試驗區土壤理化性質

1.2 試驗方案設計

水稻試驗品種為當地高產品種K優818，移栽密度為16.67 萬穴/hm2，每穴2株。移栽前施菜籽餅600 kg/hm2，過磷酸鈣1 000 kg/hm2，復合肥400 kg/hm2，尿素48 kg/hm2做底肥，拔節初期追施尿素160 kg/hm2。各試驗小區長×寬為10 m×2.5 m，田埂高40 cm。小區間及外圍的田埂用塑料薄膜包被，兩側入土50 cm，以減少側滲。

試驗處理方案采取2個旱澇交替脅迫處理，即輕旱低蓄(T1)以及輕旱高蓄(T2)，處理考慮了傳統淹灌分蘗期的允許最大淹水深度、江淮地區、太湖流域20年一遇暴雨后可能的蓄水深度。每個處理重復 3次，共6個小區，各小區隨機布置。試驗方案如表2所示。

排水溝深度0.8 m，底寬0.5 m，口寬2.1 m。自然草皮護坡。T2溝道口設置水閘，保持40 cm水深，多余部分排除。T1處理，對應的農溝不加控制，日常水深保持在10 cm左右。

表2 不同處理稻田水分控制指標

注：表中百分數為灌水控制下限，即土壤含水率占飽和含水率的百分數。其余數值為田面水深。黃熟期采用自然排水，不再保留水層。

試驗期間降雨量較大，各處理均達到了設計灌水下限和雨后排水上限，達到了設計的干旱和淹水交替脅迫要求。不同處理的灌排記錄如表3所示。

表3 不同旱澇交替處理的排/灌次數統計 次

注：表中1/3表示該生育階段內排水1次，灌水3次。

1.3 測定指標與方法

(1)土壤理化指標。耕作前，各小區取5個點，分別采集0～20 cm土樣，置于室內陰涼通風處風干，然后碾碎過篩(1 mm篩)。土壤全磷(TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法，土壤速效磷(Olsen-P)采用0.5 M NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法。

(2)土壤含水率。利用土壤水分儀(TDR)于上午9時測定0～20 cm土壤含水率分布，每2d測定一次，灌水前加測。測管布置在小區的中部。

(3)田間水位。在排水堰附近立豎直量測水位的標尺，每天上午9時，讀取田間水位。

(4)排水量。根據排水前后水位差法測定。

(5)田面水氮、磷測定。田間排水后每天從格田的首、尾、中間部位各區3個斷面，采用膠頭吸管抽取水樣100 mL，各斷面水樣混合，測定水樣中總磷(TP)、可溶磷(DP)，顆粒態磷(PP)濃度、總氮(TN)和氨氮濃度。水樣采集后，保存在事先標有標簽的水樣瓶中，對每個水樣瓶都能清晰識別水樣的來源，樣品編號、采樣時間等，并能對這種標識加以記錄。水樣保存在低溫冰箱，在48h內進行測量完畢。

水樣的預處理采用過硫酸鉀消解法，水樣總磷(TP)的測定參照鉬銻抗分光光度法。可溶磷(DP)是將搖勻后的水樣抽氣經過0.45μm濾膜過濾，消解后采用鉬銻抗分光光度法比色；顆粒態磷(PP)由總磷減可溶磷獲得，即PP=TP-DP。全氮的測定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，氨氮的測定方法采用于分光光度法的納氏試劑光度法。

(6)農溝排水中氮、磷濃度在農溝的排水溝口、中部和溝頭分3個斷面取樣。取水時間為雨后0、1、2、3、5 d；每個斷面分上、中、下3個斷面，分別在水面、1/2水深、底部取水測定。農溝排水時，每隔1 h在排水口水深1/2處取水，每次取樣次數不少于2次。每次取樣500 mL，混勻后取用。

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

水中氮磷濃度測定方法同田面水。

2 結果與分析

2.1 蓄雨控灌技術對農田排水中氮磷濃度的影響

節水灌溉模式下，田面經常處于淺水層或無水層狀態。遭遇暴雨時，直接的雨滴擊濺侵蝕，或者淺水層條件下(小于20 mm)雨滴擊濺導致的水層紊動，使得田面表土顆粒及其富集的氮磷更容易進入水中，導致降雨初期田面水中氮磷濃度較高。尤其是T2處理，在降雨初期(8 h)田面水中TP和TN的濃度均顯著高于T1處理(見表4)。但由于T2田間采用輕旱高蓄模式，雨后蓄水深度較大，擊濺侵蝕和水面紊動隨田面水深的增加逐漸減小，進入水中的泥沙和氮磷濃度降低。更重要的是，蓄水深度增加使格田排水時間滯后約6 h，延長了雨水在格田的滯留時間。由于泥沙沉淀、土壤吸附，加上降雨的稀釋作用，發生排水時，T2處理水中氮磷濃度顯著低于T1。

表4 雨后田面水TN和TP濃度變化 mg/L

注：①時間為降雨開始后的時間，T1、T2處理分別在降雨8、14 h后排水；②不同小寫字母表示同一列數值在P0.05水平上的顯著性差異(下同)。

圖1 農溝中TP和TN濃度變化

從表4和圖1可以看出，降雨初期兩個處理的格田地面水中TP和TN的濃度較高，且下降均較快，其中T2處理下降幅度高于T1，表明稻田具有良好的氮磷去除效果。相同時間，格田水中氮磷濃度高于農溝。因此，通過蓄雨控灌技術，盡可能蓄雨于田，尤其是攔蓄初期降雨形成的徑流，能有效減少由農田進入農溝的排水量，并降低排水中氮磷濃度，為溝道控制排水創造良好條件。溝道水中TN和TP濃度在雨后最初的24 h下降速率較快，其后趨于穩定。考慮到溝道長期蓄水可能對作物的不利影響，溝道攔蓄時間以不超過48～72 h為宜。

排水結束后，由于溝道的濕地效應，溝道中的TN和TP濃度逐漸降低。在排水結束后30 h，T2處理的TN和TP濃度分別下降了18.1%和10.5%，小于T1處理的33.5%和31.6%。其原因可能和T1處理溝道水深過大，水溫較低，影響硝化-反硝化反應有關。

一般認為，攔蓄于溝田中的雨水，由于水深增加，可能會增加溝田入滲，增加氮磷污染物的淋洗損失。但試驗發現，田間滲漏量并未顯著增加。通過監測農田地下水的水質，發現滲漏水中TN和TP的濃度較為穩定，且不足地表排水濃度的10%。因此采用蓄雨控灌技術控制排水模式，由于滲漏水量增加而導致的氮磷負荷有限。控制地表排水仍是減少氮磷負荷的有效手段。

2.2 蓄雨控灌技術對農田排水量及氮磷負荷的影響

蓄雨控灌技術模式下，降雨和徑流經過格田和溝道的兩次攔截，雨水在農田和農溝的滯留量增加，排水量減少。與T1相比，農田尺度上排水量減少51.5%，農溝尺度上減少61.1%。T1處理農溝尺度排水大于農田尺度，與農田側向滲漏以及溝道產流有關。而T2處理由于溝口被控制，在不超過農溝控制水位時，側滲和溝坡產流被蒸發和入滲所消耗。同時由于滯留時間的增加，有利于溝、田濕地效應的發揮，使得農田和農溝尺度上氮磷負荷均有所降低，如表5所示。

表5 不同尺度地表徑流導致的氮磷流失負荷

在農溝尺度上，單位面積的TN負荷低于農田尺度，降幅為19.5%(T1)～21.7%(T2)，TP負荷低于農田尺度35.3%(T1)～47.4%(T2)。這表明稻田溝道系統對氮、磷具有良好的去除效果，尤其對TP的去除效果優于TN。此外，由于農溝還承擔了格田外非耕地的徑流和氮磷負荷，農溝控制排水的實際氮磷減排效果更好。

3 結 語

蓄雨控灌技術模式具有良好節水減排效果。該模式可減少灌排水量，并充分發揮稻田和農溝的濕地效應，使氮磷負荷大幅降低。盡管田、溝滲漏量有所增加，但滲漏水中氮磷濃度遠低于地表水，水體氮磷負荷總體減少。

降雨初期農田和農溝水中氮磷的濃度較高，攔截初期降雨和農溝排水對降低氮磷負荷更為有利。降雨開始后的最初24 h內，格田氮磷濃度下降較快，尤其是最初的8～14 h，應盡可能不排或少排。即使達到設計雨水深度，也可以臨時增加雨水深度，使之在格田中滯留14 h以上。因此，適當增加格田田埂高度至15～20 cm是必要的，這樣可攔截南方大部分地區10 a一遇的暴雨。

溝道具有良好的濕地效應。在實施蓄雨控灌的同時，若能同時控制農溝排水，其減排效果更佳，有待于繼續研究。

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[1] 郭相平, 張展羽．稻田控制排水對減少氮磷損失的影響[J]．上海交通大學報，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] 殷國璽，張展羽，郭相平，等． 地表控制排水對氮質量濃度和排放量影響的試驗研究[J]．河海大學學報，2006，34(1)： 21-24．

[4] 張蔚榛，張瑜芳．麥田在降雨入滲和排水條件下化肥流失的試驗研究[J]．灌溉排水學報，1999，18(3)：4-11．

[5] 郭相平，袁 靜，郭 楓，等．水稻蓄水-控灌技術初探[J]．農業工程學報，2009，25(4)：70-73．

[6] 郭以明，郭相平，樊峻江，等．蓄水控灌模式對水稻產量和水分生產效率的影響[J]．灌溉排水學報，2010，29(3)：61-63，73．