春耕稻田滯水減排控制面源污染效果研究

廖海玉

(四川久遠環保安全咨詢有限公司，四川 綿陽 621000)

水稻是我國南方最主要的糧食作物，播種面積大，氮磷肥和農藥施用水平高，農田排水造成氮磷等營養物質流失已成為南方農業面源污染的主要來源之一。根據第一次全國污染源普查公報[1]顯示，種植業總氮、總磷流失量分別為159.78萬t·a-1、10.87萬t·a-1，分別占農業面源污染的59.08%和38.18%，稻田中的營養物質一部分為農作物利用，其余大部分被農田排水和地表徑流攜帶至地表水體，造成水體富營養化等問題[2-5]，而延長灌溉水在田間的滯留時間，有利于凈化稻田水質。南方水稻春耕時期，耕作后立即排水，引起農田氮、磷等污染物大量轉移到水體，造成水體面源污染。因此，研究稻田春耕后田面水中氮磷時空分布特性以及氮磷滯水減排效率，對于控制農田面源污染和保護水環境具有重要意義[6,7]。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為湖南農業大學“耘園”試驗基地的紅壤稻田土，土壤的基本理化性質為有機質約0.4%、全氮約0.02%、速效磷約5mg·kg-1。

1.2 試驗設計

于湖南農業大學“耘園”試驗基地，選用6個模擬稻田試驗小區(每個小區長3m、寬1.5m、高0.7m)，對稱排成2列，模擬稻田中間為1條灌水渠，兩邊各有1條排水溝渠，試驗小區內稻田土深約50cm，小區外側用PVC板做成排水堰，排水堰上距離土壤表層設置不同高度(3cm、6cm和9cm)的PVC排水管(管外口帶塞)，管口水平朝外，試驗取樣時，打開PVC管塞，小區內田面水從排水管中流出。

根據湖南長沙水稻栽培狀況設計模擬試驗，供試土壤為湖南農業大學試驗基地的紅壤稻田土，灌溉水為地下水，經蓄水池放置7d后使用。根據天氣預報選擇無雨天氣，對模擬稻田進行灌水，保持模擬稻田土壤濕潤，灌水3d后在稻田內模擬耕作稻田土壤，試驗期間，未對稻田土進行施肥，耕作結束后保持模擬稻田蓄水深度10cm以上。于耕作結束后1h、1d、2d、3d、4d從排水堰的排水管定時取水樣測定田面水中氮、磷等含量。

1.3 水樣采集與測定

模擬稻田耕作后，在各試驗小區，按不同時間段、不同采樣深度采集田面水水樣，注入1L塑料瓶中混合。水樣分析前混勻，并分成5份，分別用于測定水中氮磷等含量。水樣總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；硝氮(NO3--N)采用酚二磺酸分光光度法；氨氮(NH4+-N)采用納氏試劑比色法；水樣總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法[8]。

2 結果與分析

2.1 稻田田面水中氮素的時空分布特性及減排效果分析

2.1.1 稻田田面水中氮素的時空分布特性

稻田耕作后，田面水中氮素的時空分布特性見圖1A～C，田面水中總氮、氨氮、硝酸鹽氮的含量隨時間的延長呈逐漸降低趨勢，稻田耕作后田面水中氮素在1h后濃度最高，總氮、氨氮、硝酸鹽氮在第1天內下降較快，隨后減慢，其中田面水中氨氮下降速度最快，氨氮濃度降至第1天開始平穩，總氮、硝酸鹽氮濃度降至第2天開始平穩，其原因可能是土壤中原有的氮素在土層擾動下，迅速釋放到田面水中，同時田面水中富含氮磷的懸浮物增多，隨著時間推移，水中部分氮素被懸浮物吸附，隨后逐漸沉淀下來。

從排水堰6cm高排水口取水樣，測定總氮含量隨時間的變化呈指數模型變化趨勢(y=5.9004e-0.2571x，R2=0.9161)，表明總氮的時間分布與蓄水時間呈明顯相關關系。從排水堰3cm高排水口取水樣和9cm高排水口取水樣，總氮含量也呈相似的分布趨勢。

在取樣第1天，田面水中總氮含量隨田面水高度(取水口高度3cm、6cm、9cm)呈指數變化趨勢(y=7.7112e-0.3302x，R2=0.8526)，在其它取樣時間段，總氮的空間分布也呈相似變化趨勢。

2.1.2 稻田田面水中氮素減排效果分析

在試驗條件下，稻田耕作后如果要排水，相對于排干田面水，若田面水排水至3cm深，總氮濃度可減排約45.2%。

稻田耕作后同一蓄水高度內，田面水中氮素濃度隨時間的延長呈降低趨勢。若田面水排水至3cm深，相對于耕作1h后排水，延遲1d排水可減少總氮、氨氮、硝酸鹽氮排放濃度分別約65.5%、88.7%、15.4%；延遲2d排水可減少總氮、氨氮、硝酸鹽氮排放濃度分別約86.2%、94.6%、71.2%。

綜上所述，稻田耕作后，同一時間田面水中氮磷濃度隨田面水水深高度從上到下依次升高，隨滯水時間延長濃度降低。因此，春季稻田耕作后滯水緩排可以明顯控制農田氮、磷隨排水流失，減輕農田面源污染，結合農業生產的實際要求，稻田耕作后，如果蓄水2～3d，保持稻田3cm左右田面水，可減排春耕稻田隨排水遷移流失的氮素污染物86.2%，有效減輕春季農業面源污染。

2.2 稻田田面水中磷素的時空分布特性及減排效果分析

2.2.1 稻田田面水中磷素的時空分布特性

稻田耕作后，田面水中磷素的時空分布特性見圖1D，總磷含量隨時間的變化呈降低趨勢，田面水中磷素濃度1h達到最大，田面水中3種不同水深高度(排水堰3cm、6cm、9cm)的磷素濃度分別為1.86mg·L-1、1.82mg·L-1、1.69mg·L-1。2d后田面水磷含量降低趨勢開始平穩，其原因可能是春耕對模擬稻田耕作層的擾動，使得田面水中含磷懸浮物增加和土壤中的磷素進入田面水中，導致田面水中磷素濃度1h達到最大，隨著時間延長，水中磷素被懸浮顆粒吸附，隨之懸浮顆粒逐漸沉降，田面水中磷含量降低。

田面水6cm深，水中總磷含量隨時間的變化呈指數模型趨勢(y=2.3636e-0.692x，R2=0.9062)，表明總磷含量的時間分布與蓄水時間呈明顯相關關系。

稻田耕作后第1天，田面水中總磷含量隨3種不同高度水深(排水堰3cm、6cm、9cm)呈指數模型變化趨勢(y=1.3233e-0.5294x，R2=0.95)，從圖1中可以看出，稻田耕作后的其它時間(耕作后2d、3d、4d)，田面水中總磷含量的空間分布也呈相似變化趨勢。

在耕作后，同一時間(耕作后2d、3d、4d)，田面水中磷素濃度隨水深高度(排水堰3cm、6cm、9cm)從上到下依次升高，即ρ(TP)3cm>ρ(TP)6cm>ρ(TP)9cm。

2.2.2 稻田田面水中磷素減排效果分析

在試驗條件下，稻田耕作后如果要排水，相對于排干田面水，若田面水排水至3cm深，總磷濃度可減排約38.7%；相對于耕作1h后排水，延遲1d排水可減少總磷濃度排放約71.5%，延遲2d排水可減少總磷排放約85.3%。由試驗可見，延長稻田排水時間可顯著減少磷素排放。

綜上所述，春季稻田耕作后滯水緩排可以明顯控制農田磷素流失，減輕農田面源污染。結合農業生產的實際要求，稻田耕作后，如果蓄水1d，保持稻田3cm左右深的田面水，可以減排春耕稻田隨排水遷移流失的磷素污染物71.5%，有效減輕春季農業面源污染。

3 結論

春耕時期模擬稻田進行耕作后，在不同時間段，不同采樣深度采集田面水水樣，分析氮磷時空分布特性和氮磷等隨排水遷移轉化規律可知，稻田耕作后，田面水中氮、磷等污染物在1h濃度達到最大，之后隨排水時間延長而降低，春耕造成土層擾動，土壤中的氮磷釋放進入水中而使氮、磷等污染物濃度升高，延長排水時間，氮磷沉降，從而減少田面水中氮磷含量；稻田耕作后，田面水中氮、磷等污染物隨排放時間的變化呈降低趨勢，控制排水高度，即抬高出水口水位，排水流速減小，水中氮磷濃度降低，由于水位抬高，土壤的厭氧條件也隨之加強，微生物反硝化作用加強。隨著排水時間延長，氮素濃度迅速降低；稻田耕作后，田面水若延遲1d排水，可減少總氮、總磷排放濃度分別約65.5%、71.5%，延遲2d排水，可減少總氮、總磷排放濃度分別約86.2%、85.3%；稻田耕作后，因田面水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮濃度隨田面水滯水時間的延長逐漸降低，所以稻田耕作后滯水緩排可以明顯控制農田氮素流失，減輕農田面源污染。結合農業生產實際，稻田耕作后，若蓄水2～3d，保持稻田3cm左右深的田面水，可減排氮磷污染物，有效減輕春季農業面源污染。