生態(tài)溝渠中水稻生長(zhǎng)特性及對(duì)農(nóng)田排水中氮去除效應(yīng)研究

晏娟等

摘要[目的]了解生態(tài)溝渠中水稻生長(zhǎng)特性及對(duì)農(nóng)田排水中氮的去除效應(yīng)。[方法]對(duì)稻田和生態(tài)溝渠各段水稻干物質(zhì)量、生育特性、氮素吸收及水體總氮?jiǎng)討B(tài)變化進(jìn)行比較研究。[結(jié)果]研究表明，各段溝渠順?biāo)鞣较蛩w總氮濃度逐漸降低， 且均顯著低于田面水。溝渠水稻植株體氮濃度較田間水稻高，但生物量較田間顯著降低。整段溝渠水稻吸收氮素234.1 g，這部分氮素將隨水稻的收割被帶離水體，極大地消減了水體的氮濃度，減少了田間徑流水入河及最終入湖的氮素。[結(jié)論] 研究可為生態(tài)溝渠的建設(shè)和推廣提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞生態(tài)溝渠；水稻；生長(zhǎng)特性；農(nóng)田排水；氮

中圖分類號(hào)S511；X17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）29-115-03

近年來(lái)，巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇，藍(lán)藻、水華頻繁爆發(fā)，成為全國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化最為嚴(yán)重的淡水湖泊之一。有關(guān)湖泊污染資料表明，湖泊污染負(fù)荷的50%來(lái)自于流域內(nèi)非點(diǎn)源污染。在非點(diǎn)源污染中，來(lái)自農(nóng)田系統(tǒng)的氮達(dá)35.7%，磷達(dá)24.7%。目前控制農(nóng)田 N、P 非點(diǎn)源污染的措施主要由兩方面入手：一是減少源頭排放量，即減少化肥施用量；二是減少污水入湖量和入湖濃度，即減少農(nóng)田排水量和排水濃度，而減少農(nóng)田排水量和排水中 N、P 濃度的主要途徑之一就是充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有農(nóng)田排水溝渠的功能。王巖等的研究表明，溝渠在不同水力停留時(shí)間下的N、P 去除率大小順序?yàn)椋荷鷳B(tài)溝渠、土質(zhì)溝渠和混凝土溝渠。 對(duì)現(xiàn)有的生態(tài)溝渠研究表明，溝渠作為水生態(tài)系統(tǒng)，在正常發(fā)揮輸水配水功能的前提下，利用溝渠內(nèi)水生植物截留農(nóng)業(yè)面源污染，能夠增強(qiáng)溝渠水體的自凈能力。楊林章的研究表明，生態(tài)溝渠對(duì)總氮、總磷的多次平均去除率分別為48.36%和40.53%。陳海生等研究設(shè)置生態(tài)溝渠后的第15天測(cè)定，盤培多花黑麥的生態(tài)溝渠600 m處的總氮含量為1.8 mg/L，比水稻田排水口的總氮含量4.3 mg/L降低5814%121-124）。

但是目前各種研究報(bào)道中的生態(tài)溝渠植物多以“溝壁狗牙根、溝底空心菜”或“溝壁黑麥草、溝底水芹”為主，也有溝渠內(nèi)種有挺水植物蘆葦和狹葉香蒲等，前者需要人為管理，如定期收割等需耗費(fèi)大量勞動(dòng)力及經(jīng)費(fèi)支持，而后者可能會(huì)由于植被過(guò)密過(guò)大而影響溝渠排水性能。因此，該試驗(yàn)中溝渠內(nèi)種植水稻，與田間同步種植，但無(wú)需管理，方便又能起到消減營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作用，還能增收。筆者對(duì)田間與生態(tài)溝渠各段水稻干物質(zhì)量、生育特性、氮素吸收以及稻田和溝渠各段水體總氮變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，以了解生態(tài)溝渠中水稻生長(zhǎng)特性及對(duì)農(nóng)田排水中氮去除效應(yīng)，為生態(tài)溝渠的建設(shè)和推廣提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2013年在安徽省合肥市農(nóng)科院試驗(yàn)田排水溝渠進(jìn)行。該地地勢(shì)平坦，田地成塊，溝渠呈網(wǎng)狀分布，在夏天水稻生長(zhǎng)季節(jié)，降雨會(huì)產(chǎn)生大量地表徑流流入溝渠，再由溝渠匯入河道，最終流向巢湖。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)生態(tài)溝渠總長(zhǎng)90 m，橫切面呈等腰梯形，溝體深約1.0 m，上、下寬分別為1.2、0.6 m。溝壁與溝底均由蜂窩狀水泥板構(gòu)成，水泥板的規(guī)格為60.0 cm×50.0 cm×50 cm（長(zhǎng)×寬×厚），蜂窩狀水泥板孔直徑為10.0 cm，相鄰兩孔中心之間距離為20.0 cm。在稻季溝壁孔中種植多年生狗牙根植物，溝底與稻田同步種植水稻。溝渠間隔30 m構(gòu)建一個(gè)高度為35 cm的攔截壩，中間和底部分別設(shè)有一個(gè)排水孔以減緩水流，控制攔截段的水位。整個(gè)溝渠順?biāo)鞣较蛟O(shè)有3個(gè)攔截段，分別為渠1、渠2和渠3。稻季植物生長(zhǎng)旺盛，形成良好的生態(tài)景觀。

1.3取樣與分析

在水稻成熟時(shí)分別對(duì)稻田和溝渠各段居中位置進(jìn)行取樣拷種，分莖葉穗，70 ℃烘干至恒重，稱量并測(cè)定含氮量。對(duì)稻田和溝渠各段的水體中的氮含量進(jìn)行了不定期檢測(cè)。植物樣品總氮測(cè)定采用凱氏定氮法，水樣總氮測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法。

2結(jié)果與分析

2.1水稻干物質(zhì)量比較研究由圖1可見，無(wú)論是葉、莖，還是穗， 稻田中水稻的干物質(zhì)量要高出溝渠中水稻很多，尤其表現(xiàn)在水稻穗上。渠1、渠2和渠3水稻穗的重量依次是14.1、8.1和3.8 g/穴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于稻田水稻穗的35.7 g/穴。稻田水稻總干物質(zhì)量為60.2 g/穴，是渠1水稻總干物質(zhì)量的近3倍。 溝渠水稻總干物質(zhì)量變化為渠1>渠2>渠3， 但是渠3種水稻莖的干物質(zhì)量卻出現(xiàn)了上升趨勢(shì)，可能是較低的氮濃度不利于水稻營(yíng)養(yǎng)體中的養(yǎng)分向稻穗轉(zhuǎn)移。

2.2水稻生育特性比較研究

圖2顯示稻田水稻的株高要高于溝渠水稻，水稻株高從渠1到渠3呈遞減趨勢(shì)。但渠1和渠2水稻的穗長(zhǎng)卻超過(guò)了稻田，究其原因可能是稻田因施肥使得水稻分蘗較多，平均約有16.0根，而溝渠順?biāo)鞣较蚯?、渠2、渠3平均依次為4.0、3.5和3.0根，由于溝渠養(yǎng)分濃度較低，水稻幾乎沒怎么分蘗，較少的有效穗使得養(yǎng)分聚集，因而穗長(zhǎng)反而超過(guò)了稻田中的水稻。渠3養(yǎng)分過(guò)少使得穗長(zhǎng)較低。

稻田水稻每穴稻實(shí)粒數(shù)為84.7，實(shí)粒率為94.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溝渠?？梢娛┓誓軌蛴行Т龠M(jìn)水稻實(shí)粒數(shù)和實(shí)粒率的提高。渠1、渠2、渠3的實(shí)粒數(shù)為依次為65.7、40.9、26.1，實(shí)粒率依次為77.8%、80.1%、55.7%。

2.3水稻氮素吸收量比較研究

由圖3明顯可見，水稻葉的含氮量從稻田到渠1、渠2、渠3依次呈明顯上升的趨勢(shì)，莖和穗的含氮量也呈類似趨勢(shì)，但到渠3又降低。其變化原因可能是溝渠水稻幾乎沒怎么分蘗，較少的有效穗使得養(yǎng)分聚集，盡管溝渠養(yǎng)分濃度較低，但到渠3，過(guò)低的養(yǎng)分使得莖和穗的含氮量回落。

雖然含氮量呈上述變化趨勢(shì)，但由于干物質(zhì)量的差異，

水稻各部位氮素吸收量如圖3所示。稻田水稻穗、葉和莖的

吸氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溝渠水稻，渠1、渠2、渠3水稻穗的吸氮量依次遞減，但葉和莖的吸氮量卻表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，可能是較低的氮濃度不利于水稻營(yíng)養(yǎng)體中的養(yǎng)分向稻穗轉(zhuǎn)移。

2.4生態(tài)溝渠中水稻對(duì)氮素的去除

稻田水稻植株總吸氮量為509.7 mg/穴，渠1、渠2和渠3水稻植株總吸氮量分別為稻田的43.2%、33.5%和25.3%，可見，雖然溝渠水體氮素含量較低，但水稻也能吸收相當(dāng)一部分氮素。根據(jù)生態(tài)溝渠的設(shè)計(jì)，溝渠各段長(zhǎng)30 m，約種水稻450穴，則渠1、渠2和渠3水稻分別吸收氮素為99.1 g、76.9 g和58.1 g，整段溝渠水稻吸收氮素234.1 g。隨著水稻收割，這部分氮素將被帶離水體。如果加上壁孔中種植的狗牙根植物，生態(tài)溝渠中植物對(duì)水體中氮素的去除將更多。

2.5稻田和溝渠各段水體總氮變化動(dòng)態(tài)

稻季期間分別于7月18日、7月30日、8月9日、8月21日、8月29日、9月10日和9月22日對(duì)稻田和溝渠各段水體進(jìn)行了7次取樣，不同水體檢測(cè)結(jié)果總氮濃度一般以稻田水較高，而生態(tài)溝渠含量較稻田水低，且順?biāo)鞣较蛞来纬蔬f減趨勢(shì)（圖4）。以田面水氮濃度為參照，生態(tài)溝渠對(duì)總氮去除率在21.3%～59.7%，平均為40.2%，可見生態(tài)溝渠對(duì)田間徑流水中氮素有著較好的消減作用。

3討論

各段溝渠順?biāo)鞣较蛩w總氮濃度逐漸降低，顯然，生態(tài)溝渠對(duì)田間徑流水中氮素有著較好的消減作用。但是，由于溝渠水中的氮濃度顯著低于田面水， 使得溝渠內(nèi)水稻幾乎不發(fā)生分蘗，由此導(dǎo)致其植株體較高的氮濃度和較低的生物量。盡管如此，整段溝渠水稻吸收氮素234.1 g，這部分氮素將隨水稻的收割被帶離水體，極大地消減了水體的氮濃度，減少了田間徑流水入河及最終入湖的氮素。

巢湖流域是著名的“魚米之鄉(xiāng)”，水稻為匯水區(qū)的主要農(nóng)作物。流域農(nóng)田總面積達(dá)6.48×105 hm2，占匯水區(qū)陸地總面積的61.12%。環(huán)湖稻田含氮化肥施用量從20 世紀(jì)60 年代的75 kg/hm2，80 年代的750 kg/hm2，上升到現(xiàn)在的960 kg/hm2水平，有些地方甚至達(dá)到1 200 kg/hm2 。研究[14]表明，施入農(nóng)田的氮肥，當(dāng)季利用率僅為30%～40%，更多的氮素則是通過(guò)氨揮發(fā)、硝化-反硝化、滲漏和徑流等多種途徑流失[15]。王桂苓等的研究表明，巢湖流域麥稻輪作種植

條件下農(nóng)田徑流總氮流失量為45.27～101.38 kg/hm2[16]，另有報(bào)道[17]，通過(guò)農(nóng)田輸入湖泊的氮量占輸入湖泊總氮量的7%～35%?？梢?，地表徑流是農(nóng)田養(yǎng)分和肥料流失的主要途徑。控制巢湖富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵是控制污染源頭，其中控制入湖面源污染是重中之重。而入湖河流是巢湖污染的主要來(lái)源，因此通過(guò)田間生態(tài)溝渠可以有效消減從田間流入河流中水體的氮素濃度，極大地控制了河流流域的農(nóng)田面源污染。

該試驗(yàn)中溝渠內(nèi)種植水稻，與田間同步種植，但無(wú)需管理，方便又能起到消減營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作用，還能增收和景觀作用，因此具有較大的推廣潛力。

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