暴雨條件下不同灌排模式稻田排水中氮磷變化規(guī)律

孫亞亞俞雙恩陳 軍肖夢華王 寧

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;3.宿遷市宿城區(qū)水務(wù)局,江蘇宿遷 223800)

暴雨條件下不同灌排模式稻田排水中氮磷變化規(guī)律

孫亞亞1,2,俞雙恩1,2,陳 軍3,肖夢華1,2,王 寧1,2

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;3.宿遷市宿城區(qū)水務(wù)局,江蘇宿遷 223800)

為研究暴雨條件下不同灌排模式稻田排水中氮磷質(zhì)量濃度變化規(guī)律,減少農(nóng)田面源污染,提高氮肥的利用效率,在江蘇省宿遷市宿城區(qū)運南灌區(qū)開展田間試驗。試驗結(jié)果表明:與常規(guī)灌排模式(CK)相比,控制灌排模式節(jié)水18.7%,排水總量減少50.6%,水稻產(chǎn)量減少3.6%;控制灌排模式由于增加了稻田蓄水深度,減少了雨后排水量,延遲了雨后排水時間,稻田排水中NH+4-N、NO3--N、TN和TP流失總量分別比CK減少48.15%、49.09%、45.54%和49.10%,節(jié)水減排效果顯著。

稻田;暴雨;控制排水;控制灌溉;氮磷質(zhì)量濃度;氮磷流失

水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象是當(dāng)今世界水污染治理的難題,已成為全球最重要的環(huán)境問題之一,而農(nóng)業(yè)面源污染是引起水體富營養(yǎng)化的一個重要原因[1-3]。常規(guī)的灌排模式(CK)下,灌溉和降雨均可能導(dǎo)致較多攜帶大量農(nóng)田養(yǎng)分的排水直接進(jìn)入水體,導(dǎo)致河流和湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化。研究表明,單位面積稻田由于滲漏和徑流產(chǎn)生的氮磷流失量達(dá)旱田的4倍以上,傳統(tǒng)的灌排模式已不能應(yīng)對日益嚴(yán)重的水環(huán)境問題,因此,稻田控制灌排技術(shù)引起人們的關(guān)注[4]。在保證水稻產(chǎn)量的同時,控制灌溉模式可以提高作物水分利用效率,減輕灌溉和排水對環(huán)境的壓力[5-6];通過對農(nóng)田水位的調(diào)控,控制排水技術(shù)能減少稻田排水量,降低排水中氮磷質(zhì)量濃度,進(jìn)而有效減少農(nóng)田氮磷的流失[7-8]。

南方地區(qū)水稻生長期的降雨多以暴雨形式出現(xiàn),雨滴擊濺侵蝕效應(yīng)明顯,尤其是在水稻生長早期,稻田地表裸露,容易導(dǎo)致稻田土壤表層可溶性養(yǎng)分以及吸附和結(jié)合在地表水中泥沙顆粒表面的無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)養(yǎng)分隨泥沙流失[9-10]。筆者在以往成果的基礎(chǔ)上[11-13],研究了暴雨條件下不同灌排模式對稻田排水及氮磷質(zhì)量濃度變化的影響,為合理制定稻田排水方案和控制面源污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

試驗于2012年6—10月在江蘇省宿遷市宿城區(qū)運南灌區(qū)試驗基地進(jìn)行。試驗區(qū)(33°87′N,118°26′E)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候,年降雨量為892.3 mm,年均降雨天數(shù)為120 d,主汛期(6—9月)雨量占年降雨量的60%～70%,且多以暴雨形式出現(xiàn)。該區(qū)年均水面蒸發(fā)量約為900mm,年平均氣溫為14.1℃,最高月平均氣溫為27.2℃,日照時數(shù)為2 315 h,平均無霜期為211 d。耕層土壤為砂壤土,0～30 cm土壤密度為1.35 g/cm3,總孔隙度為45.32%,pH為7.5,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為22.31g/kg、全氮質(zhì)量比為0.9105g/kg、速效氮質(zhì)量比為0.02746 g/kg、土壤全磷質(zhì)量比為0.31 g/kg,土壤速效磷質(zhì)量比為0.0115 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

供試水稻品種為粳稻,施肥量根據(jù)當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣確定。試驗期間共施肥3次,于6月25日、7月9日和8月10日分別施基肥、分蘗肥及穗肥,施肥量以純氮計算,分別為120 kg/hm2、60 kg/hm2和60 kg/hm2。此外,各處理基肥中均施用50 kg/hm2的磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)。

各試驗小區(qū)長30 m,寬20 m,試驗小區(qū)之間從田埂邊向地下內(nèi)嵌50 cm深的塑料防滲膜,防止小區(qū)間的水分交換。常規(guī)灌排格田按照原有農(nóng)田規(guī)格布置;控制灌排格田田埂高30 cm,頂部寬30 cm,逐層壓實后修坡。試驗區(qū)排水溝出口處設(shè)水位調(diào)控閘門和三角量水堰,可以實現(xiàn)排水溝水位的控制和排水計量。

試驗設(shè)計常規(guī)灌排和控制灌排2種處理,每種處理3個重復(fù),共6個小區(qū),總計0.6hm2。田間小區(qū)布置如圖1所示。

常規(guī)灌排模式:按照當(dāng)?shù)厮居盟?xí)慣管理(淺濕灌溉),各生育階段稻田水位控制指標(biāo)見表1,低于適宜水位下限時灌水至適宜水位上限,降雨時超過允許蓄水深度時及時排水至允許蓄水深度,排水溝自由排水,不進(jìn)行溝水位調(diào)節(jié)。

控制灌排模式:各生育階段稻田水位控制指標(biāo)見表1,稻田水位低于適宜水位下限時灌水至適宜水位上限,稻田水位超過允許最大蓄水深度時,排水至允許最大蓄水深度,但蓄水不超過5d取(本文的淹水天數(shù)為5d),5d后將稻田水層深度降至適宜水位上限,排水溝的排水口有控制閘,可以進(jìn)行溝水位調(diào)節(jié)。

1.3 分析項目與方法

2012年水稻生長期24 h降雨量達(dá)到暴雨級別(＞50 mm)的次數(shù)有4次,分別出現(xiàn)在7月24日(102.6 mm)、8月15日(169.1 mm)、9月3日(74.2 mm)和9月17日(59.5 mm)。

a.以8月15日暴雨為例分析不同灌排模式稻田排水的氮磷質(zhì)量濃度變化,取水間隔為暴雨后控水開始第1天、第2天、第3天、第4天、第5天。水樣取后保存于低溫冰箱內(nèi),在24 h內(nèi)進(jìn)行分析。取樣點為各排水農(nóng)溝出口。

b.水質(zhì)分析。水樣測TN、NH-N、NO-N、TP共4項指標(biāo),依照《水和廢水監(jiān)測分析方法》分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、絮凝沉淀納氏試劑光度法、紫外分光光度法、過硫酸鉀消解法進(jìn)行測定。測定儀器為UV2800島津紫外分光光度儀。

2 結(jié)果分析

2.1 不同灌排模式稻田灌排水量及產(chǎn)量

2012年不同灌排模式下水稻全生育期灌排水量及產(chǎn)量見表2。由表2可知,控制灌排模式全生育期地表排水總量比CK減少50.6%,提高了降雨利用率。運南灌區(qū)耕層土壤為砂壤土,稻田水入滲較快,有利于稻田控制排水,提高降雨利用率。

控制灌排模式下水稻全生育期灌 水 量 507.6 mm,產(chǎn) 量 為6416.83 kg/hm2,比 CK 節(jié) 水18.7%。由于深蓄指標(biāo)略深且蓄水時間長,導(dǎo)致水稻生長受滯輕微減產(chǎn)3.6%。控制灌排模式合理調(diào)控了土壤水分,保證了水稻的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,實現(xiàn)了田間水資源的高效利用,基本達(dá)到節(jié)水、高產(chǎn)的目標(biāo)。

2.2 不同灌排模式稻田田面水深變化

8月15日暴雨后不同灌排模式稻田田面水深變化見表3。降雨后第1天,按照水稻不同灌排模式各生育期水位控制指標(biāo),稻田水位超過允許最大蓄水深度,排水至允許最大蓄水深度。降雨后第2～4天,稻田不進(jìn)行地表排水,排水溝中的排水量主要是稻田側(cè)滲水量。降雨后第5天,控制灌排模式將多余的地表水排出,并達(dá)到適宜水位上限,CK無地表排水。

2.3 不同灌排模式稻田排水中氮質(zhì)量濃度變化

暴雨后不同灌排模式稻田排水中ρ(NH-N)、ρ(NO-N)、ρ(TN)變化規(guī)律為(表4):(a)NH-N、NO-N、TN主要集中在降雨后第1天的初次排水,后3次采樣的質(zhì)量濃度明顯要小于初次排水,主要是由于暴雨雨滴擊濺侵蝕稻田表層,使稻田地表水中懸浮物增多,導(dǎo)致氮隨稻田地表排水流失。(b)控制灌排模式允許蓄水深度大,懸浮物濃度相對較低,使得前期地表排水中ρ(NH-N)、ρ(NO-N)、ρ(TN)稍低于CK。(c)降雨后第2～4天,ρ(NH-N)呈下降趨勢,主要是由于第2～4天排水溝中的水主要是稻田側(cè)滲水,隨著時間的推移,硝化作用以及土壤的吸附作用使ρ(NH-N)下降;控制灌排模式排水中ρ(NH-N)稍低于CK,是因為控制灌排模式延長了降雨在稻田土壤中的滯蓄時間,使NH-N向NO-N轉(zhuǎn)化的時間增加;ρ(NO-N)、ρ(TN)亦呈下降趨勢,但控制灌排模式部分時段排水中ρ(NO-N)、ρ(TN)稍高于CK,主要是因為控制灌排模式田面水層深,側(cè)滲量稍大。(d)降雨后第5天控制灌排模式水樣的ρ(NH-N)、ρ(NO-N)、ρ(TN)稍高于CK,主要原因是控制灌排模式有多余地表水排出,且稻田地表水ρ(NH-N)、ρ(NO-N)、ρ(TN)比排水溝水體的高。

以上分析可知,暴雨后控制灌排模式稻田排水中平均ρ(NH-N)、ρ(NO-N)、ρ(TN)小于CK,說明控制灌排模式可以有效降低排水中的NH-N、NO-N、TN質(zhì)量濃度;降雨初期水稻排水中NH-N、NO-N、TN質(zhì)量濃度較高,此時應(yīng)盡量避免地表排水。

2.4 不同灌排模式稻田排水中總磷質(zhì)量濃度變化

暴雨后不同灌排模式稻田排水中ρ(TP)質(zhì)量濃度變化見表4,可以看出:(a)排水中ρ(TP)在雨后第1天最高,后3次采樣的ρ(TN)明顯要小于初次排水,這是因為磷肥施入土壤后只有小部分呈離子態(tài)的磷酸鹽能被作物吸收,大部分被土壤吸持轉(zhuǎn)化為難溶性磷酸鹽類[14],在降雨的沖刷、擊濺作用下以顆粒態(tài)磷[15]隨地表水排出。(b)控制灌排模式允許蓄水深度大,懸浮物濃度相對較低,進(jìn)而導(dǎo)致前期地表排水中ρ(TN)稍低于CK。(c)降雨后第2～4天,ρ(TN)均呈下降的趨勢,但控制灌排模式ρ(TP)部分時段稍高于CK,原因是此時排水溝中的排水主要是稻田側(cè)滲水,控制灌排模式田面水層深,側(cè)滲量稍大,導(dǎo)致部分時段ρ(TN)稍高于CK,但差異不大。(d)雨后第5天控制灌排模式水樣的ρ(TN)稍高于CK,原因是控制灌排模式將多余地表水排出至適宜水位上限,而CK沒有地表排水。

以上分析可知,暴雨后控制灌排模式稻田排水中平均ρ(TN)小于CK,說明控制灌排模式可以有效降低排水的TP質(zhì)量濃度。降雨初期稻田排水中TP質(zhì)量濃度較高,應(yīng)避免雨后立即排水。

2.5 不同灌排模式稻田排水中氮磷負(fù)荷變化

用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,依據(jù)F-檢驗進(jìn)行顯著性分析(LSD),NH-N、NO-N、TN及TP的顯著性α值分別為0.041、0.022、0.037和0.045(α＜0.05時,差異為顯著)?？梢钥闯?控制灌排模式和CK不同處理間NH-N、NO-N、TN及TP質(zhì)量濃度差異均顯著。不同灌排模式稻田排水中氮磷負(fù)荷變化計算公式為

式中:L——不同灌排模式稻田氮磷指標(biāo)排放負(fù)荷,kg/hm2;Cdi——不同灌排模式試驗區(qū)水稻每日排水氮磷質(zhì)量濃度,mg/L;Qdi——不同灌排模式試驗區(qū)水稻每日排水水量,mm;i——水稻排水日序號;n——排水天數(shù),d,本次試驗n取5 d。

控制灌排模式稻田TP流失總量為0.85 kg/hm2,比CK減少49.10%,減排效果明顯?？刂乒嗯拍Ｊ娇刂屏吮┯旰罅赘哔|(zhì)量濃度時期的排水量,有效減少了磷流失。另外,控制閘降低了出水流速,使水流攜帶能力減小,減輕了顆粒態(tài)磷流失。

3 結(jié) 論

a.暴雨雨滴對稻田地表的擊濺以及沖刷產(chǎn)生的水力侵蝕,使稻田地表水懸浮物增加,造成了氮磷隨徑流流失,反映在降雨初期稻田水氮磷質(zhì)量濃度很高?？刂票┯瓿跗诘乇砼潘菧p少農(nóng)田養(yǎng)分排放的重要途徑。

b.控制灌排模式高效利用了水分和養(yǎng)分,有效控制了氮磷流失關(guān)鍵時期的排水,實現(xiàn)了節(jié)水高產(chǎn)、減排控污的目標(biāo)?？刂乒嗯拍Ｊ斤@著降低了地表排水總量,提高了降雨的利用率,有效減少灌水量,與常規(guī)灌排模式相比,全生育期稻田排水量減少50.6%,雨水利用率提高31.09%,節(jié)水18.7%,輕微減產(chǎn)3.6%;控制了暴雨初期稻田氮磷高質(zhì)量濃度時段的排水,NH-N、NO-N、TN和TP流失總量分別較CK減少48.15%、49.09%、45.54%和49.10%,減排效果顯著。

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Changes of nitrogen and phosphorus concentrations in surface drainage from paddy field under different irrigation and drainage modes

SUN Yaya1,2,YU Shuangen1,2,CHEN Jun3,XIAO Menghua1,2,WANG Ning1,2
(1.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.Sucheng District Water Authority,Suqian 223800,China)

A field experiment was conducted in the Sucheng District,in Suqian of Jiangsu Province,in order to study the changes of the concentrations of nitrogen and phosphorus in surface drainage from a paddy field after a rainstorm with different irrigation and drainage modes,and to reduce agricultural non-point source pollution and improve the utilization efficiency of nitrogen fertilizer.The experimental results show that,compared with conventional irrigation and drainage modes,the controlled irrigation and drainage mode caused an 18.7%reduction in total irrigation water,a 50.6%reduction in total drainage water,and a 3.6%reduction in rice yield.As the controlled irrigation and drainage mode increased the storage water depth in the paddy field,it caused drainage to decrease after the rainstorm,the drainage time to be delayed,and the total amounts of NH+4-N,NO-3-N,TN,and TP losses in the surface drainage from the paddy field to decrease by 48.15%,49.09%,45.54%,and 49.10%, respectively,indicating a significant effect in water conservation and drainage reduction.

paddy field;rainstorm;controlled drainage;controlled irrigation;concentrations of nitrogen and phosphorus;nitrogen and phosphorus losses

S511

:A

:1000-1980(2014)05-0455-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.015

2013-07 01

江蘇省水利科技項目(2011037);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(水利工程);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(2011B12214)

孫亞亞(1990—),男,江蘇宿遷人,碩士研究生,主要從事灌排理論與節(jié)水灌溉研究。E-mail:syyhhu@126.com

俞雙恩,教授。E-mail:seyu@hhu.edu.cn