洱海流域水稻再生水灌溉節(jié)水減污能力淺析

李 瑩，高 蓉，黃 英，崔遠(yuǎn)來，張 雷

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.云南省水利水電科學(xué)研究院，昆明 650228)

洱海位于大理白族自治州境內(nèi)，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)面源污染成為影響洱海水質(zhì)最突出的因素[1,2]。農(nóng)田排水、畜禽養(yǎng)殖廢水、農(nóng)村居民生活廢水、旅游餐飲住宿廢水等是流域最重要的污染源[3]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)洱海的保護(hù)治理，當(dāng)?shù)卣巡扇∠盗信e措。正在進(jìn)行的洱海環(huán)湖截污PPP工程有望實(shí)現(xiàn)全面截污，且使出水達(dá)到一級(jí)A類城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。但對(duì)比《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》可知，污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的再生水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)洱海而言仍屬污染源[5]。農(nóng)業(yè)灌溉用水量大，若將再生水回用于灌溉，可減少清潔淡水資源的取用和化肥的施用，在提高作物產(chǎn)量同時(shí)可進(jìn)一步減少進(jìn)入洱海的污染負(fù)荷[6]。

再生水是指廢水或雨水經(jīng)適當(dāng)處理后，達(dá)到一定的水質(zhì)指標(biāo)，滿足某種使用要求，可以進(jìn)行有益使用的水。通過污水處理系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)的農(nóng)田排水、畜禽養(yǎng)殖廢水及農(nóng)村居民生活廢水等是洱海流域主要的再生水資源。目前關(guān)于再生水灌溉的研究，主要集中于灌溉技術(shù)及其對(duì)作物以及土壤、生態(tài)的影響[7]，但鮮見分析再生水灌溉的節(jié)水減污效益。就水稻而言，已有研究均與水稻污水灌溉相關(guān)[8,9]。水稻污水灌溉是指對(duì)污水進(jìn)行處理，使之達(dá)到允許的標(biāo)準(zhǔn)后用于水稻灌溉[9]。再生水是污水經(jīng)處理后的再利用，水稻再生水灌溉即水稻污水灌溉。氮污染負(fù)荷占洱海流域農(nóng)田面源污染比例最高[2]，故本文主要討論再生水灌溉總氮的相關(guān)問題。

1 材料與方法

1.1 再生水灌溉合理灌溉施肥制度分析

研究表明，污水灌溉可實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)[10]，還可使稻米加工和外觀品質(zhì)更好，但會(huì)使蒸煮食味品質(zhì)有所下降[11]。由于再生水含有大量有機(jī)和無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，灌溉水稻需加以控制，以防止因營(yíng)養(yǎng)過剩造成水稻生長(zhǎng)過旺、貪青倒伏，對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。水稻不同生育階段對(duì)再生水灌溉的反映存在差異。研究表明，高濃度的氮、磷(試驗(yàn)總氮濃度超過30 mg/L)通過影響水稻苗內(nèi)酶的活性從而抑制水稻苗的生長(zhǎng)[12]；移栽后的水稻苗根系受損，對(duì)水、肥敏感，故插秧至返青結(jié)束宜用清水養(yǎng)苗。分蘗期是秧苗生長(zhǎng)的旺盛階段，需要養(yǎng)分較多，再生水集中在此時(shí)灌入，可充分利用再生水中的氮減少分蘗肥的施用。通過比較清水灌溉和稀釋不同倍數(shù)的污水灌溉可知，污水灌溉會(huì)降低水稻分蘗率但對(duì)有效分蘗率影響不大[8]。因此嚴(yán)控污水處理標(biāo)準(zhǔn)，最大程度避免降低分蘗率。拔節(jié)孕穗期是水稻的另一個(gè)吸氮高峰期，用再生水灌溉可充分發(fā)揮其肥效性，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)目的。孕穗期以后，要嚴(yán)格控制氮肥施用量，防止水稻貪青徒長(zhǎng)，故不灌含氮再生水，改灌清水以養(yǎng)根保葉、促進(jìn)成熟。此外，在灌溉技術(shù)方面，應(yīng)采用淺、濕灌或淺、濕、干灌，對(duì)減少有毒物質(zhì)對(duì)水稻的毒害、減輕對(duì)土壤的污染均有一定作用[9]。

根據(jù)以上總結(jié)，綜合考慮洱海流域再生水來源及水質(zhì)狀況，確定以下水稻再生水灌溉規(guī)則：清水泡田育秧，分蘗期、拔節(jié)孕穗期灌入再生水，孕穗期之后灌溉清水。

根據(jù)再生水中總氮的含量標(biāo)準(zhǔn)和生育期灌再生水量，計(jì)算出由再生水帶入稻田純氮的數(shù)量，對(duì)比正常施肥制度下水稻在不同生育期的需氮量，若再生水帶入純氮量大于水稻在該生育期的需氮量，則需要按照水稻正常需氮量和再生水中氮的含量標(biāo)準(zhǔn)反推該生育期的再生水灌溉量；若小于，則按照水稻在此生育期最大灌水量灌入再生水，不夠的純氮量由化肥補(bǔ)充施入。

1.2 田面水總氮濃度變化公式擬合

田面水中氮磷濃度和排水量是影響地表排水過程中氮磷流失量和潛在污染風(fēng)險(xiǎn)的主控因子。由于天然降雨或不合理灌溉導(dǎo)致的氮徑流損失是氮損失的主要途徑[13,14]。研究表明，灌溉再生水的濃度與發(fā)生排水的時(shí)間間隔對(duì)徑流總氮的影響最大[15,16]。田面水總氮濃度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)下降特征的最佳擬合模式為指數(shù)型[17,18]。

根據(jù)作者等在云南省大理洱海灌區(qū)開展的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，用y=C0e-kt分別擬合了不同施氮量處理下分蘗期和拔節(jié)孕穗期田面水總氮濃度隨時(shí)間的消減公式，擬合效果佳。分析可得，擬合表達(dá)式中的C0與施氮量正相關(guān)；k與水稻生育階段有關(guān)，拔節(jié)孕穗期k值約為分蘗期兩倍，可能是由于水稻不同生育階段對(duì)氮素吸收能力的差異。

設(shè)定再生水灌入田間的初始濃度為15 mg/L的條件下，得出水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期田面水氮濃度消減公式分別為y=25.255e0.22t和y=25.255e-0.42t。

1.3 滲漏水總氮濃度變化公式擬合

用再生水灌溉水稻需考慮通過淋溶損失的總氮量以及造成地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)[19,20]。研究表明，滲漏水中總氮濃度隨著施肥量的增加而增加[21,22]，施肥后滲漏水中總氮濃度表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)[22]。

作者等在洱海灌區(qū)開展的試驗(yàn)中對(duì)稻田滲漏總氮濃度測(cè)量設(shè)置了20、40和60 cm三個(gè)深度，分析不同處理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：不同深度土壤溶液總氮濃度都是先上升后下降的趨勢(shì)；總氮濃度的峰值一般出現(xiàn)在施肥后7d左右；增加施肥次數(shù)可以提高氮肥的利用率；指數(shù)型y=C0e-kt為最佳擬合模式。本文擬合了“施氮量135 kg/hm2，施肥方式為蘗肥∶穗肥=70%∶30%”條件下淹灌和間歇灌兩種模式下滲漏水總氮濃度的變化公式，見表1。

表1 淹灌和間歇灌模式下稻田滲漏水總氮濃度變化公式

注：y為滲漏水總氮濃度，t為施肥后的天數(shù)；系數(shù)C0與施氮量有關(guān)，表中施氮水平為94.5 kg/hm2，若施氮量減小則C0對(duì)應(yīng)減小。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同典型年水稻再生水灌溉制度和施肥制度

洱海流域再生水的來源為污水處理系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放的尾水，出水水質(zhì)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)，亦滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[23]。本文中將灌入田間的再生水的總氮濃度設(shè)定為15 mg/L(一級(jí)A標(biāo)中總氮濃度上限值)，以進(jìn)行下一步的計(jì)算分析。

水稻不同灌溉模式的水層控制標(biāo)準(zhǔn)和施肥制度均是根據(jù)作者等在洱海灌區(qū)開展水稻試驗(yàn)成果制定，在此基礎(chǔ)上，分蘗期和拔節(jié)孕穗期的灌溉均用再生水，再根據(jù)再生水帶入肥量和優(yōu)化施肥制度(施氮總量135 kg/hm2，施肥方式為蘗肥∶穗肥=70%∶30%)下水稻的需氮量來計(jì)算需補(bǔ)施的化肥量，即可得出洱海流域水稻再生水灌溉的灌溉制度和施肥制度。

由于降雨對(duì)灌溉制度的影響，水稻再生水灌溉制度和施肥制度與水文年型密切相關(guān)。按照該地區(qū)水稻生育期降雨總量由大到小排頻，選出5個(gè)不同頻率(10%、25%、50%、75%、90%)的典型年擬定其不同灌溉模式下再生水灌溉制度和施肥制度。由于降雨的不確定性，某一年份的再生水灌入量及施肥量無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但補(bǔ)施的化肥量往往需要在再生水灌入之前確定。通過計(jì)算比較，50%典型年(1993年)可代表多年平均水平，用以指導(dǎo)施肥。具體見表2、表3。

表2 洱海流域水稻50%典型年淹灌再生水灌溉制度和施肥制度

表3 洱海流域水稻50%典型年間歇灌再生水灌溉制度和施肥制度

綜合表2和表3可知，再生水灌溉條件下，洱海流域水稻淹灌模式下分蘗期應(yīng)補(bǔ)施化肥74 kg/hm2，拔節(jié)孕穗期應(yīng)補(bǔ)施化肥32 kg/hm2；間歇灌模式下，分蘗期應(yīng)補(bǔ)施化肥85 kg/hm2，拔節(jié)孕穗期應(yīng)補(bǔ)施化肥25 kg/hm2。

洱海流域水稻灌水主要集中在返青期、分蘗期和拔節(jié)孕穗期，由于分蘗期和拔節(jié)孕穗期灌水所占比重較大，因此再生水對(duì)清水的替代量較大。淹灌模式下，再生水替代了199.0 mm的清水，只需再灌入106.4 mm清水便可滿足水稻整個(gè)生育期的需水，替代比例約占2/3；間歇灌溉模式下，再生水替代了153.0 mm的清水，替代比例超過2/3。淹灌所需的清水及再生水量均大于間歇灌，因此由再生水帶入田間的總氮也比間歇灌要多。淹灌和間歇灌溉用再生水灌溉可減少化肥施氮量超過20 kg/hm2。

2.2 再生水總氮流失總量

已知各典型年水稻再生水灌溉制度，根據(jù)水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期田面水氮濃度消減公式y(tǒng)=25.255e-0.22 t和y=25.255e-0.42 t以及排水距灌水發(fā)生的天數(shù)，可推求出排水發(fā)生時(shí)田面水總氮濃度，結(jié)合排水量可計(jì)算出由于排水帶走的、再生水中未被水稻吸收的總氮量。根據(jù)不同灌溉模式下、不同深度處土壤水總氮濃度變化公式(表1)及對(duì)應(yīng)的滲漏量，可計(jì)算再生水灌溉造成再生水中總氮滲漏流失量。結(jié)果見表4。

表4 再生水灌溉條件下的再生水總氮流失量 kg/hm2

從不同典型年再生水總氮流失量均值來看，因地表排水損失的再生水總氮量大于滲漏損失的，且淹灌比間歇灌的差異明顯；淹灌模式下再生水地表總氮流失量大于間歇灌，再生水滲漏總氮流失量比間歇灌小。淹灌模式下灌入再生水總量多，對(duì)降雨的利用率小于間歇灌，故發(fā)生地表排水造成再生水總氮損失的概率大；但淹灌模式下再生水分多次灌入田間，等效于多次追肥，間歇灌灌再生水次數(shù)少、單次灌水量大，等效于集中施肥，且由于當(dāng)?shù)氐炯窘涤贻^多，稻田落干天數(shù)少，間歇灌減小的滲漏量有限，故淹灌模式更有利于減少滲漏損失的再生水總氮量，再生水灌溉條件下間歇灌溉模式造成地下水總氮污染的風(fēng)險(xiǎn)更大。

年份越干旱發(fā)生排水的概率越小，淹灌模式下因地表排水損失的再生水總氮量越少；間歇灌模式下發(fā)生地表排水時(shí)帶走的再生水總氮量總體上要比淹灌小，但在有些年份比淹灌大，這與當(dāng)年具體降雨分布關(guān)系密切。越干旱的年份灌入再生水量越大，間歇灌模式下因滲漏損失的再生水總氮量越大，對(duì)于淹灌此規(guī)律不明顯，主要因?yàn)檠凸喙嘣偕螖?shù)多，更有利于滲漏水總氮的消減。

2.3 再生水灌溉的節(jié)水減污效果

通過對(duì)不同典型年、不同灌溉模式下，水稻再生水灌溉制度的匯總，可直觀得出各典型年清潔水、再生水的取用比例以及再生水中總氮的利用效率和減少施用化肥氮的比例，見表5、表6。

表5 洱海流域不同典型年、不同灌溉方式下水稻再生水灌溉節(jié)水效果

表6 洱海流域不同典型年、不同灌溉模式下水稻再生水灌溉減污效果

表5可見，洱海流域水稻再生水灌溉節(jié)水效果顯著，平均情況下再生水灌溉減少清潔水用量的百分比分別為淹灌65.41%和間歇灌71.65%，間歇灌溉方式略優(yōu)于淹水灌溉。其中特豐水年(1968年)間歇灌溉再生水灌溉節(jié)水效果差于淹灌，主要因?yàn)樵谔刎S水年需要灌溉水量本身較少，再加上間歇灌溉制度更加充分利用了降雨，故水稻在分蘗期和拔節(jié)孕穗期灌入的再生水量有限。

由表6可知，再生水中實(shí)際被水稻利用的氮超過20 kg/hm2，減少化肥施用比例超過15%。若再生水含氮濃度更高(本文設(shè)定值為15 mg/L)，則水稻田可利用更多再生水中的總氮，從而直接減少施入環(huán)境的化肥量，進(jìn)而減少對(duì)環(huán)境的污染，但同樣會(huì)面臨含氮濃度高的再生水因排水造成氮流失的問題。由于間歇灌溉較為節(jié)水，故此灌溉方式下再生水灌溉帶入肥量也會(huì)少于淹灌，但年份越干旱，間歇灌下再生水灌溉實(shí)際利用氮肥量會(huì)越多，間歇灌的優(yōu)勢(shì)越明顯。

通過再生水灌溉，不僅減少了再生水直接排入環(huán)境帶來的污染，更充分利用了再生水中的氮，直接減少了施入環(huán)境的化肥量。淹灌條件下再生水灌溉實(shí)際減少化肥施用百分比大于間歇灌，這主要是由于淹灌灌水量大，帶入的氮肥更多。

再生水灌溉條件下由排水和滲漏帶走的總氮量不超過1 kg/hm2(此處未計(jì)入施用化肥的影響)，由排水和滲漏帶走的總氮量較少，再生水中氮的利用效率可達(dá)95%以上，間歇灌模式下再生水灌溉總氮的利用效率在雨水較多的年份優(yōu)于淹灌，在干旱的年份劣于淹灌。再生水灌溉總氮的利用效率與水文年型有較顯著的關(guān)系：淹灌模式下越干旱的年份，發(fā)生無效排水的概率越低，再生水氮的利用效率也便越高；間歇灌模式下越干旱的年份，由滲漏帶走的再生水總氮量越多，再生水氮的利用效率反而變低。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)洱海流域再生水灌溉條件下由田面排水和滲漏帶走的再生水總氮量平均不超過1 kg/hm2(此處未計(jì)入施用化肥的影響)，再生水中氮的利用效率可達(dá)95%以上，稻田對(duì)再生水中氮的消減作用明顯。

(2)淹灌和間歇灌模式下用再生水灌溉均可減少清潔水取用量65%以上，再生水中實(shí)際被水稻利用的氮超過20 kg/hm2，減少化肥施用比例超過15%。水稻再生水灌溉對(duì)洱海污染問題的有效控制意義重大。

(3)由于淹灌灌水量多于間歇灌，故由淹灌模式下再生水灌溉帶入田間的肥量比間歇灌多，減少化肥施用比例也比間歇灌高。再生水灌溉總氮的利用效率與水文年型有關(guān)，越濕潤(rùn)的年份，間歇灌溉模式優(yōu)勢(shì)越大。但從多年平均來看，間歇灌溉比淹灌節(jié)水，其次再生水灌溉總氮的利用效率比淹灌高，且間歇灌采用淺、濕、干灌技術(shù)有利于減少有毒物質(zhì)對(duì)水稻的毒害和對(duì)土壤的污染。因此，洱海流域水稻再生水灌溉建議采用間歇灌溉模式。

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