稻田排水曬田及降雨徑流的氮素流失特征

鄧秋宏，樊 敏，朱靜平

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院/低成本廢水處理技術(shù)四川省國(guó)際科技合作基地，四川 綿陽(yáng) 621010）

隨著點(diǎn)源污染逐步得到有效控制，目前，農(nóng)業(yè)面源污染已逐漸成為影響全球水環(huán)境質(zhì)量的主要因素［1］。中國(guó)2019年生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，在107個(gè)監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖泊（水庫(kù)）中，90.7%的湖泊存在不同程度的營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題［2］。而據(jù)估計(jì)，中國(guó)流入河、湖中的氮素約有60%來(lái)自化肥［3］。化肥有效成分的流失是水體污染的主要來(lái)源，而造成農(nóng)田面源污染的主要原因之一就是稻田徑流氮素流失［4］。近年來(lái)，關(guān)于稻田徑流氮素流失規(guī)律的研究受到廣泛關(guān)注。王小治等［5］的研究發(fā)現(xiàn)，稻田氮磷流失量與其施用量呈顯著正相關(guān)，合理地減量施肥能有效降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)。黃滿湘等［6］的研究顯示，在模擬降雨的試驗(yàn)中，施氮肥后若遇暴雨，以水溶態(tài)流失的氮可以占所有流失氮總量的50%～60%。張鴻睿［7］研究了稻田田面水氮素動(dòng)態(tài)變化以及徑流流失情況，發(fā)現(xiàn)施氮后若發(fā)生降雨，則氮素的流失程度與徑流發(fā)生時(shí)距離施肥日期的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，時(shí)間越近流失程度越大。段然等［8］的研究證實(shí)降雨徑流對(duì)稻田氮素?fù)p失的影響主要與施肥時(shí)間間隔有關(guān)。

由于農(nóng)業(yè)面源污染過(guò)程受氣象、水文、土壤等諸多復(fù)雜因素的影響，具有較強(qiáng)的區(qū)域性特點(diǎn)［9］，因此，針對(duì)不同地域的種植習(xí)慣和環(huán)境條件進(jìn)行農(nóng)田面源污染研究具有重要意義。然而，目前關(guān)于農(nóng)田面源污染的研究大部分是針對(duì)長(zhǎng)三角、洱海、太湖周圍的農(nóng)田，關(guān)于四川省稻田徑流氮素流失特征的研究卻鮮有報(bào)道。四川受地形地貌影響，水稻常臨河、湖種植，農(nóng)田退水及雨水徑流增加了氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)周圍水環(huán)境存在潛在的污染影響。本研究以四川某水稻田試驗(yàn)基地為依托，采用不同施肥量的大田為研究對(duì)象，考察排水曬田及雨季徑流引起的氮素流失特征，以期為該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的防控提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基地概況

試驗(yàn)基地位于四川綿陽(yáng)涪城區(qū)，該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒降貪駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，受地貌影響，降水豐沛，年均降水量為825.8～1 417 mm，暴雨以及連續(xù)降雨時(shí)期多集中在7、8月，極易引起稻田徑流。試驗(yàn)區(qū)土壤為紫色土，土壤有機(jī)質(zhì)含量24.51 g/kg、全氮1.02 g/kg、全磷0.71 g/kg、速效氮76.30 mg/kg、速效磷35.20 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

在水稻生長(zhǎng)的整個(gè)周期中（2020年5月10日至9月19日），通過(guò)監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)期間的田面水位、日降雨量和降雨后徑流液中三氮濃度的變化，探明不同施肥方式下稻田氮素流失規(guī)律，并估算氮素流失量。

1）試驗(yàn)稻田設(shè)計(jì)。采用田間小區(qū)試驗(yàn)方式，每個(gè)小區(qū)面積15 m×9 m，設(shè)單獨(dú)的排水口和灌水口。每種處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)之間用高10 cm、寬20 cm的水泥埂隔開(kāi)，以減少田塊間水的串流。田面水深超出田埂高度時(shí)即視為形成徑流。

2）施肥管理。試驗(yàn)所采用的氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。其中基肥施肥方式為均勻撒施后翻耕，施肥時(shí)間5月10日；追肥施肥方式為撒施表面，追肥分2次進(jìn)行，第1次追肥時(shí)間為拔節(jié)抽穗前期（7月26日），第2次追肥時(shí)間為拔節(jié)抽穗后期（8月6日），2次追肥施肥量相等。

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)不同氮肥施用量水平，具體施肥情況如表1所示。

表1 不同田間試驗(yàn)小區(qū)的施肥方案

3）水分管理。水稻種植期間采用間歇灌溉的方式，田面水一般維持在2 cm以上，曬田后灌水以及田面無(wú)明水時(shí)通過(guò)管道灌溉自來(lái)水。

1.3 采樣和測(cè)量方法

1）田面水樣。水稻返青期及拔節(jié)孕穗期施肥后，連續(xù)7 d每天采集田面水樣1次，此后每3～5 d取1次樣，并在降雨徑流產(chǎn)生前后采集田面水樣。采樣方法為多點(diǎn)混合采樣，采用醫(yī)用注射器吸取中上層稻田水，不擾動(dòng)土層。

2）徑流水樣。在田邊固定徑流收集桶，通過(guò)徑流桶對(duì)徑流液進(jìn)行收集。

3）降雨量測(cè)量。將雨量筒固定放置在試驗(yàn)田邊，測(cè)量每天降雨量。

4）田面水深測(cè)量。采用刻度尺測(cè)量多處田面水深，取平均值。

1.4 水樣測(cè)定方法

TN：堿性過(guò)硫酸鉀分光光度法；NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法。

1.5 徑流流失量計(jì)算方法

式中，C為徑流水氮素濃度（mg/L）；Q為氮素徑流流失量（kg/hm2）；S為田塊面積，均為0.013 5（hm2）；V為徑流量體積（m3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流易發(fā)期降雨場(chǎng)次統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)期間降雨徑流共3次，產(chǎn)流日期分別為7月30日（第1次追肥后第3天）、8月12日（第2次追肥后第5天）以及8月16日（第2次追肥后第9天）。排水曬田以及降雨產(chǎn)流情況見(jiàn)表2。

降雨是產(chǎn)生地表徑流的主要原因［10］，降雨量和田面水深是影響徑流發(fā)生次數(shù)和徑流量大小的重要因素。由表2分析可知，第1、第3次徑流前的田面水深分別為90、95 mm，但因第3次降雨量較第1次降雨量小，第3次徑流量?jī)H為4.06 m3，為第1次徑流量的66.78%。由此可見(jiàn)，田面水深接近的情況下，產(chǎn)生的徑流量隨降雨量的增加而增加。

表2 試驗(yàn)期間降雨產(chǎn)流情況

第3次徑流產(chǎn)生時(shí)的日降雨量最小，僅為35.1 mm，但由于其降雨前田面水深為3次徑流中最高，達(dá)到95 mm，因此，稻田產(chǎn)生了徑流且徑流量高于第2次，達(dá)到4.06 m3。由此說(shuō)明，田面水深對(duì)于徑流產(chǎn)生與否以及徑流量大小的影響不可忽視。

綜上分析，控制灌溉頻次及水量、加深田埂高度可控制田面水深，從而有效減少稻田產(chǎn)流發(fā)生次數(shù)及產(chǎn)流量。

2.2 降雨后徑流水中氮素流失濃度分析

排水曬田及3次降雨產(chǎn)生的徑流液中NH4+-N、NO3--N、TN的濃度如表3所示。在3次降雨徑流中，同一降雨條件下，徑流液中NH4+-N、NO3--N、TN的平均濃度均隨不同試驗(yàn)小區(qū)間施肥量的增加而增加；同一試驗(yàn)小區(qū)施肥量相同的情況下，不同降雨時(shí)期也會(huì)對(duì)徑流液中-N、NO3--N、TN濃度變化產(chǎn)生影響。在3次降雨徑流產(chǎn)生后，第1次徑流（施肥后第3天）時(shí)各施肥小區(qū)徑流液中TN平均濃度維持在9.450～13.520 mg/L，第2次徑流（施肥后第5天）時(shí)各施肥小區(qū)徑流液中TN平均濃度降至4.300～6.170 mg/L，而第3次徑流（施肥后第9天）時(shí)各施肥小區(qū)徑流液中TN平均濃度僅為1.920～2.810 mg/L。相關(guān)研究結(jié)果表明［11-13］，尿素施入稻田水體后，TN和NH4+-N濃度均在施肥后第1天達(dá)到峰值，NO3--N濃度在第2～3天達(dá)到峰值，之后逐漸下降并趨于穩(wěn)定，由此說(shuō)明越接近施肥日期，田面水氮素濃度越高，徑流液中氮素濃度也越高。由表3可知，各施肥小區(qū)降雨徑流液中氮素濃度隨施肥后時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，與上述研究結(jié)論相符合。

表3 排水曬田及3次徑流液中NH4+-N、NO3--N、TN的濃度

在排水曬田和3次降雨徑流中，排水曬田由于距離施肥時(shí)間較長(zhǎng)，各施肥小區(qū)田面水中NH4+-N、NO3--N、TN濃度均與對(duì)照組接近，且TN濃度低于中國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）》Ⅴ類水中TN的標(biāo)準(zhǔn)限值（2 mg/L），NH4+-N濃度低于Ⅲ類水中NH4+-N標(biāo)準(zhǔn)限值（1 mg/L）。3次徑流發(fā)生時(shí)由于接近施肥日期，第1、第2次徑流時(shí)施肥小區(qū)徑流液中NH4+-N、TN濃度均超過(guò)Ⅴ類水中NH4+-N、TN的標(biāo)準(zhǔn)限值，其中NH4+-N最高濃度為12.000 mg/L、TN最高濃度為13.520 mg/L。由此說(shuō)明產(chǎn)流時(shí)間接近施肥日期，將會(huì)大大增加氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)受納水體水質(zhì)造成一定的威脅。

2.3 排水曬田及降雨徑流氮素流失形態(tài)分析

不同的降雨時(shí)期以及施肥量差異會(huì)對(duì)出流液中氮素流失形態(tài)變化產(chǎn)生影響。排水曬田及3次降雨徑流中NH4+-N、NO3--N與TN的濃度比如圖1所示。

由圖1分析可知，各施肥小區(qū)產(chǎn)流液中TN的氮素流失形態(tài)主要以NH4+-N、NO3--N為主，且（NH4+-N+NO3--N）/TN的值隨著施肥量的增加而增大。各施肥小區(qū)3次徑流中NH4+-N為最主要的氮素流失形態(tài)，占TN的20%～90%，而NO3--N僅 占TN的5%～20%。3次徑流中以第1次徑流時(shí)NH4+-N占TN的比值最大，為70%～90%，隨著降雨時(shí)間與施肥時(shí)間間隔的增加，第2、第3次徑流時(shí)NH4+-N占TN的 比值大幅降低。排水曬田產(chǎn)流中NO3--N占TN的比值均大于NH4+-N，為20%～50%，而NH4+-N僅 占TN的10%～20%。從表3中排水曬田前以及徑流前后田面水氮素濃度可以看出，排水曬田時(shí)由于距離施肥時(shí)間較長(zhǎng)，水體中大部分NH4+-N發(fā)生硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N，導(dǎo)致田面水中NO3--N濃度高于NH4+-N。而3次徑流發(fā)生時(shí)接近施肥日期，施入水中的尿素除以氨揮發(fā)、地下淋溶等方式損失或被作物吸收外，尿素施入水體后大部分以NH4+-N的形式存在于田面水中，田面水NH4+-N濃度均顯著高于NO3--N，因而徑流液中NH4+-N占TN的比值更大。石麗紅等［14］關(guān)于稻田氮磷徑流損失的研究結(jié)果表明，NH4+-N和NO3--N是TN徑流損失的主要形態(tài)，水稻生長(zhǎng)前期以NH4+-N為主，后期以NO3--N為主，與本試驗(yàn)研究結(jié)果相符。

圖1 排水曬田及3次降雨徑流中NH4+-N、NO3--N與TN的占比

2.4 排水曬田及降雨徑流的三氮徑流流失量估算和比較

排水曬田及3次降雨徑流所產(chǎn)生的三氮徑流流失量見(jiàn)表4。由表4分析可知，不同施肥量試驗(yàn)小區(qū)徑流所產(chǎn)生的NH4+-N、NO3--N、TN流失量均隨施肥量的增加而增加，且隨著降雨徑流時(shí)間距離施肥日期的推移，3次徑流中各施肥小區(qū)所產(chǎn)生的NH4+-N、NO3--N、TN流失量大小均為第1次徑流＞第2次徑流＞第3次徑流。宋婭麗等［15］研究表明，施氮后1周是防止氮素大量流失的關(guān)鍵時(shí)期，這也從本研究中得到證實(shí)。相較3次徑流而言，第1次徑流時(shí)T0、T1、T2、T3 4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)生的NH4+-N、NO3--N、TN流失總量最大，由于該次徑流產(chǎn)生時(shí)降雨量達(dá)到55 mm，產(chǎn)生了6.08 m3的徑流水量，且第1次徑流最接近施肥日期，田面水中各氮素濃度較高，因此，T0、T1、T2、T3 4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)生的TN流失量之和達(dá)到16.280 kg/hm2，顯著高于后2次徑流。隨著降雨徑流距離施肥的時(shí)間間隔增加，氮素徑流流失量逐漸減少。第2次徑流發(fā)生于施肥后第5天，降雨量達(dá)到53 mm，盡管降雨時(shí)間與降雨量均接近于第1次徑流，但由于降雨前田面水深的差異，導(dǎo)致徑流量最小，僅3.11 m3。因此第2次徑流時(shí)，T0、T1、T2、T3 4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)生的TN流失量之和僅為3.990 kg/hm2，遠(yuǎn)低于第1次徑流時(shí)的對(duì)應(yīng)值。第3次徑流發(fā)生于施肥后第9天，雖然產(chǎn)流量達(dá)到4.06 m3，但由于此時(shí)田面水中氮素濃度均大大降低，因此，4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)徑流液中TN流失總量為3次徑流中最小的。由此說(shuō)明，施肥量、降雨徑流量和降雨徑流距離施肥日期的時(shí)間間隔是影響氮素徑流損失的主要因素。

表4 排水曬田及3次徑流液中三氮的徑流流失量

本研究中排水曬田和降雨徑流所產(chǎn)生的TN流失量之和為24.380 kg/hm2。其中T0、T1、T2、T3 4個(gè)小區(qū)排水曬田引起的TN總流失量為1.550 kg/hm2，占TN流失量之和的6.36%；3次降雨徑流引起的TN總流失量為22.830 kg/hm2，占TN流失量之和的93.64%。可見(jiàn)，降雨徑流是導(dǎo)致氮素地表流失的主要途徑，因此，在防控面源污染時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注自然降雨條件下稻田徑流情況。

3 小結(jié)

1）降雨量和田面水深是影響徑流量大小的重要因素。田面水深接近的條件下，徑流量隨降雨量的增加而增加。降雨量一定的條件下，降雨前田面水越深，徑流量越大。

2）降雨量相同的條件下，徑流水中三氮濃度均隨施肥量的增加而增加。施肥量相同的條件下，徑流時(shí)距離施肥時(shí)間越短，徑流液中三氮濃度越高。降雨徑流中NH4+-N最高濃度為12.000 mg/L、TN最高濃度為13.520 mg/L，均高于中國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）》Ⅲ類水中NH4+-N、TN的標(biāo)準(zhǔn)限值（1 mg/L），對(duì)受納水體水質(zhì)安全造成一定的威脅。

3）各施肥小區(qū)產(chǎn)流液中TN的氮素流失形態(tài)主要以NH4+-N、NO3--N為主。其中，排水曬田TN流失以NO3--N為主，為20%～50%；3次降雨徑流中TN流失以NH4+-N為主，占TN的20%～90%。4）本研究4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的排水曬田和降雨徑流所產(chǎn)生的TN流失量之和為24.380 kg/hm2，降雨徑流是主要的氮素流失途徑，其中，由降雨徑流引起的TN流失量為22.830 kg/hm2，占TN流失量之和的93.64%。