芳溪湖流域稻田排水氮磷濃度時空變化特征研究

姜佩華，池澤涌，熊玉江，徐保坤，袁念念

（1.長江大學資源與環境學院， 武漢 430100；2.長江水利委員會長江科學院農業水利研究所，武漢 430010）

0 引 言

氮磷是作物生長和產量形成的重要營養元素，同時也是河湖水體富營養化、水質惡化的主要誘因[1]。水稻是我國南方地區最主要的糧食作物，稻田排水是氮磷流失的主要驅動力和重要載體[2,3]。由于平原地區水網密布，水系復雜，河流坡降較緩、流速較小[4]，氮磷隨農田排水在流域內遷移轉化過程極其復雜，因此對于氮磷遷移轉化過程的研究首先要弄清氮磷濃度在流域內的時空變化特征，這也是研究農業面源污染防控對策的重要基礎。目前學者針對流域內農田排水氮磷污染時空變化特征的研究方法主要為現場原位試驗監測[5]及模型模擬分析[6,7]。現場原位試驗監測主要集中于田間尺度，模型模擬分析主要關注流域整體。然而，由于氮磷污染具有很強的時空變異性且遷移過程復雜，若將田間尺度氮磷的變化特征應用于流域尺度將會造成流域不同層級尺度單元間的認知缺失[8]，且無法準確揭示農田氮磷在不同尺度的遷移轉化機制[9]。因此，本文以芳溪湖流域為平原圩區研究代表，于2021年和2022年稻季（每年5-0月）開展稻田排水氮磷沿“田間-灌排單元-流域”遷移的時空變化特征試驗研究，以期揭示芳溪湖流域稻田排水氮磷的濃度時空變化特征，為研究區的農業面源污染防控提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

芳溪湖流域位于江西省南昌縣，涉及幽藍鎮、武陽鎮和塔城鄉三鎮（鄉），流域面積約33.2 km2，79.3%的耕地面積種植水稻，水稻以雙季稻為主，同時種植有油菜、蓮藕等經濟作物。流域處于亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫21.7 ℃，年平均日照1 216.94 h，平均蒸發量945.21 mm，年平均降水量1 316.03 mm。流域主要灌溉水源為贛撫平原灌區二干渠與二干三分渠（見圖1），區域內排水水系清晰，降雨徑流和農田排水經內河匯至芳溪湖后由芳溪湖排水閘排至下游。

圖1 芳溪湖試驗區域概況Fig.1 Overview of the Lake of Fang-xi pilot area

1.2 試驗監測布局

基于河網水系分析，在芳溪湖流域內選擇了封閉性較好、具有水力聯系且逐級嵌套的“田間-斗溝-干溝-流域”4 個尺度開展稻田排水氮磷濃度監測試驗。

（1）田間尺度：田間尺度以3 塊試驗田（合計0.44 hm2）作為典型田塊和田間尺度采樣點。田塊的日常水管理和農業耕作措施以農民的習慣為準。

（2）斗溝尺度：斗溝尺度主要通過2條灌排兩用的農渠灌溉，1條農溝排水，在尺度內布設了1個取樣點（P08）和1處自動式雨量筒雨量記錄儀（RG3-M, America）獲取試驗期內降雨數據。

（3）干溝尺度：在芳溪湖流域上游農業種植密集地區，選擇一封閉區域作為干溝尺度研究區，于尺度內布設了1個取樣點（P02）。

（4）流域尺度：以贛撫平原灌區二干渠及二干三分渠作為流域邊界形成的封閉區域作為流域尺度研究區，區域農田排水通過干溝進入芳溪湖，在流域尺度內布設了8 個取樣點（P01-P08）。

1.3 樣品采集與分析

田間尺度排水樣品采用田面水，斗溝尺度、干溝尺度和流域尺度排水從排水溝中采取，樣品通過地表水取樣器每次裝取100 mL 于PE 樣品瓶中，每個采樣點采集3 次混合為1 個樣品，于4 ℃下避光冷藏保存，并在24 h內完成測試。在水稻生育期內水質常規取樣為每10 d 采取一次；若遇施肥、降雨及灌溉則隔日取樣，持續7 d。尺度水樣采集詳細情況統計見表1。

表1 不同尺度試驗區控制面積及排水水樣采樣情況Tab.1 Area and water sample collection conditions of different scales

水樣測試指標包括總氮、氨氮、硝氮和總磷濃度，分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）、 納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）、紫外分光光度法（HJ/T 346-2007）和鉬酸銨分光光度法（GB 11893-1989）測定。

研究區2021年-2022年施肥情況如表2所示。

表2 研究區施肥情況Tab.2 Fertilizer application in the study area

2 結果與分析

2.1 農田排水氮磷濃度頻率分布特征

由表3可知，研究區稻季不同尺度排水平均總氮、氨氮及總磷濃度總體的變化趨勢較為一致，均呈現先下降后上升隨后下降的趨勢，硝氮濃度的變化趨勢為先上升后下降。各氮磷濃度均在干溝尺度最高。從形態上看，田間尺度、干溝尺度和流域尺度排水中氨氮占總氮的比例都高于50%，表明研究區排水氮素遷移的主要形態為氨氮。從氮磷濃度變幅看，田間尺度的氮磷濃度變化比其他尺度劇烈。

表3 研究區稻季氮磷濃度全年平均值及變化范圍mg/LTab.3 Annual mean and range of variation of nitrogen and phosphorus index concentrations in the rice season in the study area

從圖2的氮磷濃度分布頻率看，兩年排水總氮濃度主要分布在0～2.5 mg/L 之間，累積頻率達49.74%；硝氮濃度主要分布在0～0.5 mg/L 之間，累積頻率達60.03%；氨氮濃度主要分布在0～2.5 mg/L 之間，累積頻率達67.14%；總磷頻率分布主要在0～0.25 mg/L之間，累積頻率達58.38%。

圖2 研究區氮磷濃度頻率分布直方圖Fig.2 Histogram of frequency distribution of each nitrogen and phosphorus concentration

研究區兩年的排水氮磷濃度雖然在數值上主要集中在低濃度區間，氮磷流失風險相對較小，但流域少量的高濃度值說明仍需要加強排水管理，才能降低氮磷流失風險，減少農業面源污染排放。

2.2 農田排水氮磷時間分布特征

圖3為研究區農田排水氮磷濃度的月變化，從濃度整體變化趨勢看，2021年研究區排水中總氮、氨氮及總磷的濃度變化趨勢均為先上升后下降隨后再上升，2022年研究區排水總氮、氨氮濃度變化趨勢與2021年變化趨勢相反，但兩年稻季內總氮與氨氮的增降變化同步，表明研究區氨氮是農田排水氮素流失的主要形態。硝氮濃度變化趨勢一致，表現為先下降后上升的趨勢，并在8月達到最低濃度。

圖3 研究區氮磷濃度月變化Fig.3 Monthly variation of nitrogen and phosphorus concentration in the study area

從濃度峰值看，2021年研究區排水氮素濃度在6-8月份達到峰值。田間尺度排水總氮和氨氮濃度在8月出現峰值，峰值濃度分別為9.56 mg/L 和 8.65 mg/L；斗溝及干溝尺度排水總氮和氨氮濃度在6月出現峰值，斗溝尺度總氮和氨氮濃度峰值濃度分別為2.24 mg/L 和0.69 mg/L，干溝尺度總氮和氨氮峰值濃度分別為12.31 mg/L 和10.92 mg/L；流域尺度排水總氮及氨氮濃度則在7月出現峰值，峰值濃度分別為5.94 mg/L 和 4.83 mg/L。在2022年，各尺度氮素濃度均在5月達到峰值。

稻季研究區排水中氨氮/硝氮比例隨時間整體表現出先升高后降低的變化特征，各尺度最大比例時間集中于7-8月份。

2.3 稻田排水氮磷空間分布特征

由圖4可以看出，兩年排水總氮、氨氮以及總磷濃度隨尺度的變化趨勢基本一致，農田排水氮磷濃度中位數均隨著尺度增大表現出先降低后增加再降低的趨勢，且最高濃度均在干溝尺度達到，并在流域尺度下降；從最大值看，2021年干溝尺度氮磷濃度最大，2022年總氮、氨氮濃度最高值出現在田間尺度，總磷濃度最高值出現在干溝尺度。

圖4 研究區氮磷濃度尺度變化箱線圖Fig.4 Box line diagram of the scale variation of nitrogen and phosphorus concentration in the study area

2021年稻田排水中氨氮/硝氮的比例在田間和干溝尺度較大，而在斗溝和流域尺度較小。其變化趨勢與總氮和氨氮濃度基本一致，表明排水氨氮/硝氮比例從小尺度到大尺度的變化主要由氨氮濃度影響。但在2022年斗溝尺度氨氮/硝氮的比例最大，說明斗溝尺度排水的氨氮濃度相較于2021年有了較大提高，結合圖3發現，斗溝尺度的氨氮濃度在2022年8月有大幅提升，導致這一變化的主要原因是研究區田間在晚稻施蘗肥后排水。

3 討 論

3.1 施肥過程氮磷濃度時空變化特征

施肥活動對排水氮素具有直接的影響，施用肥料的數量和類型直接決定了排水中氮素的濃度和形態[10,11]。芳溪湖流域2022年8月25日施肥后（圖5），研究區氮素濃度快速增加，總氮、氨氮在第6 天（8月31日）達到峰值，硝氮濃度于第9天（9月3日）達到峰值，隨后下降，總氮、氨氮在施肥后第16 天（9月10日）達到施肥前濃度水平。總磷濃度在施肥后第6 天（8月31日）達到峰值，在施肥后第10 天（9月4日）達到施肥前濃度水平。因此，在施肥后16 d 內是控制氮磷流失的關鍵時期，最好避免田間灌水及排水，做好田間水層管理，以防止氮磷隨水流失。

圖5 研究區施肥過程氮磷濃度變化趨勢Fig.5 Trends in nitrogen and phosphorus concentrations during fertilizer applications in the study area

在空間尺度上，田間尺度和干溝尺度的總氮與氨氮濃度在施肥后快速上升，施肥對田間及干溝尺度影響較大，應在這兩個尺度加強排水管理。相比之下，田間尺度、干溝尺度及流域尺度的硝氮濃度變化較小且在時間上存在延遲 ，主要是因為研究區化肥施用主要以氨肥為主，硝氮濃度的上升主要來源于氨氮的部分轉化，氨氮是排水中氮素的主要存在和流失形態，因此在施肥后的排水管理中需要特別注意控制氨氮的流失。

3.2 降雨過程對田間氮磷濃度變化的影響

降雨會擾動農田土壤導致土壤中氮磷釋放至田面水[12]。在芳溪湖流域2021年7月18-25日（短暫型降雨）和2022年6月3-10日（持續型降雨）的降雨事件中（圖6），降雨過程氮磷濃度整體呈現早期濃度較高，后期快速降低的趨勢，短暫型降雨初期總氮濃度最高為7.87 mg/L，2 d 后濃度降至3.82 mg/L，濃度下降幅度達到41.75%；持續性降雨期間濃度變化過程比較平緩，初次降雨至終次降雨濃度總氮濃度下降0.11 mg/L，在降雨停止2日后開始快速衰減。水稻具有一定的耐淹能力，建議稻田澇水在降雨結束后2～4 d 內排出，一方面可緩解下游防洪壓力，另一方面可以有效控制農田氮磷流失風險。

圖6 田間降雨過程氮磷濃度變化趨勢Fig.6 Trends in nitrogen and phosphorus concentrations during rainfall events in the study area

4 結 論

本文以芳溪湖流域為平原圩區典型代表，開展不同尺度農田排水氮磷濃度監測試驗，探究稻田排水氮磷濃度的時空變化特征。主要結論如下。

（1）芳溪湖流域稻季農田排水總氮、氨氮的平均濃度最大值出現于5月和7月，總磷濃度最大值出現于8月，三者的總體變化趨勢皆為先上升后下降再上升，氨氮是芳溪湖流域農田排水氮素流失的主要形態；流域稻季農田排水中氨氮/硝氮比例隨時間總體呈現升高后降低的特征，最大比例集中在7-8月份。

（2）芳溪湖流域稻季農田排水總氮、氨氮和總磷濃度隨尺度變化總體表現出先降低后升高再降低的趨勢，在中位值大小上，干溝尺度＞田間尺度＞流域尺度＞斗溝尺度，干溝尺度氮磷濃度相較于其他尺度均保持較高水平。流域稻季農田排水中氨氮/硝氮比例從小尺度到大尺度的變化主要受氨氮濃度影響。

（3）施肥事件會導致芳溪湖流域稻季農田排水氮磷濃度顯著升高，為減少氮磷流失風險，需要對施肥或降雨后的排水進行合理規劃。施肥后，氮磷濃度在初期就開始急速上升，而下降至施肥前濃度水平需要16 d，因此建議在施肥16 d后進行排水；降雨初期田間氮磷濃度處于最高值，此時應避免排水，降雨后期氮磷濃度呈下降趨勢，建議稻田澇水在2～4 d 內排出。

本次研究觀測了芳溪湖流域稻田排水氮磷時空變化的特征，并據此討論了施肥和降雨事件下流域氮磷濃度的時空變化。流域及灌區內稻田排水氮磷經歷的過程是極為復雜的，在后續研究中可針對該流域的水質變化與污染負荷耦合開展專門的研究，以獲取更直接的、強有力的證據支持。