控制排水對油菜/黃豆農田土壤肥力及減排的影響
——以漳河灌區為例

何 軍，張 藝，杜發興，趙樹君，李趙琴，甘學華

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學三峽庫區生態環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 荊門 448200）

0 引 言

農田排水可減少澇漬脅迫、控制土壤鹽堿化，是保證農作物正常生長并獲得高產的關鍵措施[1,2]。我國傳統排水系統設計和建設以提高農業生產為主要目標，對環境的負面影響不予考慮[3]，隨著對氣候變化與環境問題的關注，這種傳統排水技術（又稱自由排水）逐漸暴露出過度排水的問題，造成農田水分和氮磷流失等不利影響。農田排水中的氮、磷等養分流失又是造成下游河流、湖泊富營養化的主要因素[4]，減少并控制農田的氮、磷污染排放，對維系健康的農田生態系統具有重要意義[5]?？刂婆潘哂醒泳徍蛢Υ媾潘淖饔?，使排水得到重復利用，從而提高灌溉水或降雨利用效率，相應提高氮磷的吸收利用率，使作物生長和產量顯著提高[2,6]。瞿思堯等[7]、袁念念等[8]研究表明控制排水措施極大的減少了排水量進而減少氮素排放，促進肥料的轉化，提高肥料利用效率。我國北方干旱、半干旱及西北地區的旱作物玉米、棉花等控制排水研究側重于土壤水鹽運移及分布規律[9,10]；沿海地區多著重在鹽堿地改良及氮磷流失[11]；中部地區多為降雨較多的半濕潤地區，控制排水主要集中在水稻的節水減排等方面[12]，而對旱作尤其種植面積較大的油菜、黃豆等研究并不多見。

本文選取位于長江中游的湖北省漳河灌區為研究區域，對代表性旱作油菜、黃豆開展實驗，采集控制排水處理下不同深度的剖面土樣，測定其氮磷含量，監測典型時段排水水量及其氮磷濃度，分析氮磷排放負荷，以期為當地及類似區域旱作物種植節水減排策略提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗地概況

試驗于2018-2020年在湖北省漳河灌區總干渠附近的湖北省灌溉試驗中心站（112°05'16″E，30°54'15″N）開展，位置如圖1所示。試驗區常年氣候溫暖，年無霜期260 d，年平均氣溫16 ℃，最高月平均氣溫27.7 ℃，最低月平均氣溫3.9 ℃，年降雨量700～1 100 mm，多年平均年降雨量947 mm，年蒸發量1 300～1 800 mm，為典型的南方丘陵地帶氣候條件[13]，代表性旱作為油菜和黃豆。土壤基本理化性質：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。

圖1 試驗區位置示意圖Fig.1 Location of the test district

1.2 小區布置

根據規范[14,15]，小區尺寸設計為6.0 m×12.5 m，四周設立2.0 m深的磚混結構的防水墻，沿小區長邊及正中埋設Φ50 mm的PVC排水暗管，暗管埋設深度均為距地表1.2 m，在排水暗管臨小區短邊的出口處安裝水位調控裝置，以實現小區不同地下水位埋深的控制排水處理，如圖2所示。

根據袁念念等[8]研究，控制地下水位埋深在0.3～0.5 m可以同時減小排水量和氮素流失量，因此本文控制地下水位埋深最淺為0.4 m?？紤]到當地地下水位的情況及作物根系隨生育期的生長變化，結合柏菊等[16]的研究結論，地下水位埋深控制為0.4、0.6、0.8 m時，更加有利于旱作吸收水分，提高水分利用效率。本文參考當地實際情況，設置暗管埋深1.2 m為自由排水（Free Drainage，FD），暗管出口處不加設控制設施，即傳統的排水技術，為對照處理；暗管出口控制設施的排水口距地表0.6 m為定高程控制排水（Fixed Level，FL）；根據作物不同生育期設定暗管出口控制設施的排水口距地表0.4～0.8 m為變高程控制排水（Changed Level，CL），如表1所示。每個處理重復3次并隨機布置到9個試驗小區。

供試油菜品種為德油6號，黃豆品種為中黃36，種植行距50 cm，株距30 cm。參考當地群眾習慣，黃豆油菜旱作為雨養種植，即不予灌溉。施肥及除蟲、除草等農事活動與當地群眾模式一致，肥料均采用總養分（N∶P2O5∶K2O=14∶16∶15）≥45%的復合肥，在各作物播種前以750 kg∕hm2的水平一次性作底肥施入耕作層。

1.3 數據采集及方法

土樣采樣時間為黃豆收割后，分別為2019年9月24日和2020年9月28日，采用土鉆分上層（0～20 cm）、中層（20～40 cm）、下層（40～60 cm）取土樣，在各小區中間部位取3鉆，經風干、混合、過0.15 mm篩化驗全氮（TN）、全磷（TP）。土樣全氮測定參考《土壤質量全氮的測定凱氏法》（HJ 717-2014）；全磷參考《土壤總磷的測定堿溶-鉬銻抗分光光度法》（HJ 632-2011）。

選取兩個典型時段監測水量并化驗水質：時段一為2019年7月12日19時至2019年7月13日6時，共計11 h，累計降雨27.3 mm，期間FD、FL、CL處理的平均流量分別為17.507 m3∕s、6.464 m3∕s和21.097 m3∕s；時段二為2020年7月11日8時至2020年7月13日15時，共計55 h，累計降雨45.6 mm，期間FD、FL、CL處理的平均流量分別為27.235 m3∕s、2.961 m3∕s和15.053 m3∕s。水樣總氮測定參考《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636-2012）；總磷參考《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（GB 11893-89）。

氮磷排放負荷采用公式L=C×Q×T÷A計算，其中：L為氮磷排放負荷，g∕hm2；C為排水中氮磷質量濃度，mg∕L；Q為取樣點在時段內的排水流量，m3∕s；T為排水時間段，s；A為取樣點控制面積，即為每個小區面積，hm2。

1.4 數據處理

采用EXCEL 2010、SPSS 26.0、Origin64軟件對數據進行統計和制圖。

2 結果與分析

2.1 不同控制排水處理對土壤全氮含量的影響

不同控制排水處理下土壤全氮的剖面分布如圖3所示。全氮在0～20 cm土壤的含量均以FD處理最高，油菜黃豆種植第1年和第2年分別達到0.950 g∕kg、1.052 g∕kg，而FL和CL處理在0～20 cm的全氮含量低于自由排水FD，說明控制排水會造成0～20 cm土壤全氮流失。對于FL處理而言，0～20 cm土壤全氮在油菜黃豆種植第1年時要高于CL處理，第2年時相差不大。20～40 cm土壤全氮含量在油菜黃豆種植第1年時仍以FD處理為最高，達0.628 g∕kg，但FL和CL處理全氮含量相差不大；第2年時則是CL處理為最高，達0.679 g∕kg，而FL和FD處理全氮含量相差不大。40～60 cm全氮含量在油菜黃豆種植2年期間均以FL處理最高，第1年、第2年分別達0.595 g∕kg、0.512 g∕kg，而CL次之，FD最低，第1年為0.398 g∕kg，第2年為0.418 g∕kg，說明控制排水對0～20 cm土壤全氮向深層次土壤遷移的影響顯著，采用控制排水存在氮流失風險，相比FL處理，CL處理更易造成土壤全氮流失，這與侯毛毛等[17]的研究結果一致，分析原因可能是控制排水使土壤水位升高，形成嫌氣土壤環境，有利于增加反硝化作用，氮素一方面轉變為氮氣逸出[4]，另一方面土壤溶液持續深層下滲損失。

由圖3可知，土壤全氮含量總體上隨土層深度呈下降趨勢，而上層土壤的全氮含量隨著種植年限的增加而增加，分析原因可能是油菜黃豆可促使土壤中有機質的礦質化，這與VIRGINIA等[18]研究結論一致，蔬菜與豆科作物輪作可提高土壤有機碳和全氮含量，說明油菜、黃豆通過大量的葉片腐爛落地，給土壤留下更多富含氮素的有機殘體，有效的增加土壤中的有機質和氮素，同時豆科植物不僅可固定空氣中氮素為本身所需，還對土壤中氮素具有富集作用[19,20]。

2.2 不同控制排水處理對土壤全磷含量的影響

不同控制排水處理下土壤全磷的剖面分布如圖4所示。0～20 cm土壤全磷含量在油菜黃豆種植第1年以FD處理最高，達0.586 g∕kg，CL處理最低，為0.340 g∕kg；油菜黃豆種植第2年以FL處理最高，達0.879 g∕kg，CL處理最低，為0.461 g∕kg。而20～40 cm土壤中，全磷含量在油菜黃豆種植2年期間均以控制排水CL處理最高，第1年、第2年分別達0.384 g∕kg、0.276 g∕kg。對于40～60 cm土壤而言，油菜黃豆種植第1年以FL處理最高，達0.259 g∕kg，油菜黃豆種植第2年則是FD處理最高，達0.461 g∕kg?？傮w上看，自由排水FD處理在0～20 cm土壤的保磷能力要強于控制排水FL、CL處理，而在其他土層恰恰相反，控制排水保磷能力更強，分析原因可能是隨土壤水位的升高造成缺氧環境，土壤供氧不足，Eh值降低，pH值升高，磷酸金屬化合物的三價Fe被還原為二價可溶性Fe離子，導致釋放更多的可溶性磷[21]，控制排水處理下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，磷素在農田水力停留時間延長，促進吸收吸附[22]，在20～60 cm土壤表現出較強的保磷能力，而在0～20 cm土壤保磷能力不如自由排水。

圖4 不同控制排水處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

由圖4可知，全磷在土壤上層的富集趨勢比較明顯，在其他土層變化差異不大，分析原因可能是磷在土壤中以吸附為主[23]，磷隨下滲水向下遷移過程中，水流中顆粒狀磷量由于土壤吸附而逐漸降低[24]，使磷素縱向遷移不明顯，這與李順江等[25]的研究一致。

2.3 不同控制排水處理對氮磷排放濃度的影響

兩個典型時段中不同控制排水處理下水樣中總氮、硝態氮和總磷濃度如表2所示。FL、CL處理下的總氮、硝態氮和總磷平均濃度在不同時段中均要小于FD處理，這與喬欣等[22]研究結論一致，控制排水使排水流速減小，水流攜帶氮磷的能力降低，使排水在農田中的水力停留時間延長，促使氮磷進一步吸收吸附，流失濃度相應減少。相比FD處理，時段一期間FL處理的總氮、硝態氮和總磷平均濃度分別降低29.39%、15.99%、12.07%，CL處理則分別降低25.52%、18.70%和40.80%。而時段二期間FL和CL處理較FD處理相比，總氮平均濃度降低40.21%和31.68%，硝態氮降低80.22%和68.99%，總磷則降低72.41%和55.17%?？傮w上看，相比自由排水FD，變高程控制排水CL處理可有效削減排水中的氮磷濃度，而定高程控制排水FL處理削減氮磷濃度效果更顯著。

由表2可知，典型時段總氮的流失濃度最大，而總磷的流失濃度最小。在總氮流失中硝態氮占據絕大部分，這是因為硝態氮在土壤中更活躍，比總氮更易流失[26]；而總磷的流失濃度最小，其原因可能在于磷在土壤中隨下滲水向下遷移過程中，水流中顆粒狀磷量由于土壤吸附而逐漸降低，到達暗管排水口時磷量明顯減少，同時控制排水降低了徑流水力梯度、排水速度和載磷能力，增加了水力停留時間，使得總磷流失濃度減小[22,24]。

2.4 不同控制排水處理對氮磷排放負荷的影響

典型時段不同控制排水條件下總氮、硝態氮和總磷排放負荷對比如圖5所示。相比FD處理，時段一期間FL、CL處理下的總氮排放負荷減少73.93%、10.25%，硝態氮排放負荷減少68.98%、2.03%，總磷排放負荷減少67.54%、28.61%。相比CL處理，時段一期間FL處理下的總氮排放負荷減少70.95%，硝態氮排放負荷減少69.34%，總磷排放負荷減少54.53%。就FL處理而言，時段二期間總氮、硝態氮、總磷排放負荷相比FD處理分別減少93.50%、97.85%和97.03%，相比CL處理分別減少82.78%、87.45%和87.98%。

由圖5可知，兩個時段期間的排水負荷均為FD＞CL＞FL，表明相比自由排水FD處理，變高程控制排水CL處理可有效削減氮磷排放負荷，而定高程控制排水FL處理對于控制氮磷排放負荷效果更顯著，這與晏維金等[27]研究結果一致，控制排水抬高了出水口的水位，排水流速減小，氮磷對流運移和水動力彌散作用減弱，水流攜帶氮磷的能力降低。

圖5 氮磷排放負荷Fig.5 Nitrogen and phosphorus emission loads

結合表2和圖5可以發現，時段一期間，相較自由排水FD，FL處理下的總排水量降低31.50%，總氮濃度削減29.39%，總氮排放負荷減少73.93%；時段二期間，FL處理下總排水量比自由排水FD降低56.53%，總氮濃度削減40.21%，總氮排放負荷減少93.50%，表明總氮排放負荷的顯著降低與排水量和總氮濃度的顯著降低相一致，這與Wang等[21]、Dou等[28]研究發現一致，分析原因是控制排水使排水流速減小，增加排水水中氮素與沉積物和農作物接觸的時間，以致更多氮素被吸收吸附，導致排水中氮素濃度大幅度降低[29]。

3 結 論

根據以上分析，可以得出以下結論：

（1）相較于傳統的自由排水FD，0.6 m的定出口高程FL和0.4～0.8 m的變出口高程CL均會造成0～20 cm土壤全氮向深層次土壤遷移，相比CL，FL處理可在一定程度上抑制土壤全氮流失；控制排水FL、CL處理對20～60 cm土壤的保磷能力要優于自由排水FD處理，使土壤全磷向深層次土壤遷移不明顯。

（2）0.6 m的定出口高程FL處理在削減排水中的氮磷濃度和氮磷排放負荷上的效果要顯著優于0.4～0.8 m的變出口高程CL，相較暗管埋深1.2 m的自由排水FD，總氮、硝態氮、總磷濃度降低29.39%、15.99%、12.07%，負荷減排達73.93%、68.98%、67.54%。

綜合考慮3種排水處理對農田土壤肥力及減排的影響，采用土壤全氮全磷、水樣氮磷濃度及排放負荷3類指標進行排水模式優選，然而根據作物不同生育期地下水位情況及根系生長變化而設定的0.4～0.8 m變出口高程控制排水CL未能達到預期良好效果，可能地下水水情復雜，農田排水與剖面土壤和作物根系接觸時間難以調控，有待進一步研究，但其保磷、削減氮磷濃度和減排能力仍優于傳統暗管埋深1.2 m的自由排水FD處理，對環境產生良好的影響。相較而言，不同生育期暗管出口控制高程均為0.6 m控制排水FL處理在各方面要顯著優于變出口高程CL處理。因此，出口控制深度0.6 m的控制排水處理（FL）是漳河灌區油菜∕黃豆種植更優的排水模式。