南方典型水稻種植區(qū)氮、磷排放及遷移規(guī)律研究

廖偉

摘要：研究了贛撫平原灌區(qū)灌溉水渠、雙季稻高標(biāo)準(zhǔn)種植示范區(qū)排水、單季稻為主農(nóng)民種植區(qū)排水水質(zhì)氮、磷遷移時(shí)空變化規(guī)律。研究結(jié)果得出，灌溉期間灌溉用水、示范區(qū)溝、示范區(qū)塘、農(nóng)民種植區(qū)溝、農(nóng)民種植區(qū)塘總氮平均值分別為（1.35±0.33）、（1.21±0.67）、（0.62±0.25）、（2.62±1.57）、（2.52±1.43） mg/L，總磷平均值分別為（0.04±001）、（0.06±0.05）、（0.02±0.01）、（0.25±0.11）、（0.26±0.14） mg/L。灌溉水渠總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月，總磷峰值分別出現(xiàn)在4月和8月;示范區(qū)總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月，總磷峰值分別出現(xiàn)在4月和8月;農(nóng)民種植區(qū)總氮峰值出現(xiàn)在6月，總磷峰值出現(xiàn)在4月。稻田排水總氮、總磷與水稻種植農(nóng)事活動(dòng)相關(guān)，排水中總氮遷移速度和消除速度高于總磷。研究結(jié)果可以為水稻種植區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化防治提供參考。

關(guān)鍵詞：面源污染;富營(yíng)養(yǎng)化;水稻種植;氮磷遷移

中圖分類(lèi)號(hào)： X712文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）05-0216-05

2010年環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、農(nóng)業(yè)部公布的全國(guó)污染物普查公報(bào)指出：農(nóng)業(yè)污染中種植業(yè)總氮流失量1.60×109 kg，總磷流失量1.09×108 kg，占農(nóng)業(yè)污染源的59.1%和38.2%[1]。水稻是我國(guó)種植最廣的糧食作物之一，雖然單產(chǎn)量高于玉米、小麥等糧食作物，但其耗水量也高于其他糧食作物。水稻生產(chǎn)過(guò)程中需要大量灌溉用水，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量排水，化學(xué)肥料伴隨排水流入環(huán)境中，使得水稻種植業(yè)成為農(nóng)業(yè)面源污染氮磷排放的重要來(lái)源。

鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)是我國(guó)重要的水稻產(chǎn)地之一[2]。根據(jù)江西省水資源公報(bào)提供的數(shù)據(jù)，2017年全省總用水量2.48×1010 m3，其中農(nóng)田灌溉用水占59.5%，達(dá)1.48×1010 m3[3]，稻田排水在鄱陽(yáng)湖水環(huán)境的改變中扮演了重要角色。隨著鄱陽(yáng)湖流域人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中化肥用量和耕作強(qiáng)度的不斷增加，農(nóng)田土壤中的氮磷含量和農(nóng)田氮磷的流失量也在不斷增加，受納地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)不斷加劇，地下水的硝酸鹽含量增加，給環(huán)境管理帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。面源污染成為全球水環(huán)境的重要污染源，是造成江河湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要推手。近期鄱陽(yáng)湖水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，鄱陽(yáng)湖水量持續(xù)減少，水質(zhì)狀況持續(xù)變差，鄱陽(yáng)湖環(huán)湖流域農(nóng)業(yè)面源污染越來(lái)越受到人們關(guān)注。

鄱陽(yáng)湖流域的水環(huán)境健康狀況將不僅關(guān)系到周?chē)貐^(qū)每一個(gè)老百姓的切身利益，還與鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展密不可分。選取南方鄱陽(yáng)湖平原典型水稻種植區(qū)——贛撫平原灌區(qū)作為研究區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)灌溉用水、雙季稻高標(biāo)準(zhǔn)種植區(qū)（示范區(qū)）稻田排水、單季稻為主農(nóng)民種植區(qū)（農(nóng)民種植區(qū)）排水水質(zhì)氮、磷的時(shí)空變化，進(jìn)一步分析典型水稻種植區(qū)氮、磷排放規(guī)律，研究結(jié)果可以為水稻種植區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化防治提供參考。

1 研究區(qū)域概況

贛撫平原灌區(qū)位于江西省中部偏北的贛江和撫河下游三角洲平原地帶，為江南最大的引水灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積8.0萬(wàn)hm2，有效灌溉面積667萬(wàn)hm2。贛撫平原灌區(qū)以水稻種植為主，是江西省的糧食主要產(chǎn)區(qū)。研究區(qū)域多年平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、多年平均降水量、蒸發(fā)量等氣候特征見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。盡管南方地區(qū)降水量充沛，但受季風(fēng)氣候的影響，降雨的時(shí)間和空間分布并不均勻。因此，在南方水稻種植區(qū)域修筑了大量的灌溉水渠，用于水稻等需水作物灌溉，必要時(shí)還可以排澇，以保障農(nóng)業(yè)和農(nóng)村用水需求。

在贛撫平原灌區(qū)選取灌溉水渠、示范區(qū)和農(nóng)民種植區(qū)等3種不同灌（排）水為研究區(qū)域，監(jiān)測(cè)不同區(qū)域灌（排）水中氮、磷含量變化情況。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與取樣

選取贛撫平原灌區(qū)西總干渠為灌溉水渠代表，其水源為江西第二大河流撫河引水，其中灌溉期為3月至10月，水位較高，用以滿(mǎn)足灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水，11月至次年2月為非灌溉期，水位較低，僅維持適當(dāng)?shù)木坝^(guān)用水。灌溉水渠上游以雙季稻種植為主，接納部分農(nóng)業(yè)排水，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)從上游往下游分別設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。雙季稻高標(biāo)準(zhǔn)種植示范區(qū)位于江西省灌溉試驗(yàn)中心站高田試驗(yàn)基地，其排水溝和水塘于2016年3月改造完畢，主要承接水肥高效利用雙季稻種植為主的排水，改造內(nèi)容有排水溝、水塘疏浚，種植濕地植物，構(gòu)成簡(jiǎn)單的生態(tài)溝和生態(tài)塘，設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中生態(tài)排水溝6個(gè)點(diǎn)，生態(tài)塘3個(gè)點(diǎn)。農(nóng)民種植區(qū)位于江西省南昌市向塘鎮(zhèn)高田村委禮坊自然村，于2016年4月改造完畢，改造內(nèi)容有排水溝疏浚，部分護(hù)坡處理，在農(nóng)民種植區(qū)構(gòu)成簡(jiǎn)單的生態(tài)溝和生態(tài)塘。由于該區(qū)域農(nóng)民離縣城近，外出打工較多，務(wù)農(nóng)勞動(dòng)力缺乏，以單季稻種植為主，設(shè)置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中排水生態(tài)溝7個(gè)點(diǎn)，生態(tài)塘6個(gè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖1，命名見(jiàn)表1。

灌溉水渠取樣點(diǎn)每個(gè)斷面布置1條水樣垂線(xiàn)，在垂線(xiàn)水面1/3處取樣，每個(gè)水樣1 000 mL;示范區(qū)取樣點(diǎn)為每個(gè)生態(tài)溝斷面中心位置和生態(tài)塘中心位置;農(nóng)民種植區(qū)取樣點(diǎn)為每個(gè)生態(tài)溝斷面中心位置和生態(tài)塘進(jìn)出口處中心位置。取樣時(shí)間均為2017年1—12月，每月中旬取樣1次。

2.2 樣品測(cè)試

總氮含量測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[14]，總磷含量測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法[15]，每個(gè)樣品測(cè)試2次，取平均值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用谷歌地圖軟件對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)位標(biāo)識(shí);利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并采用單因素方差分析兩兩比較對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性比較;應(yīng)用Origin 9.1 Pro軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 灌溉水渠水質(zhì)氮磷含量變化規(guī)律

如圖2所示，灌溉水渠總氮、總磷的平均值分別為（1.35±0.33） mg/L和（0.04±0.01） mg/L。總氮在3月、4月持續(xù)升高，5月出現(xiàn)峰值后，6月、7月明顯降低，進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值，9月、10月總氮達(dá)到較低水平;總磷在3、4月持續(xù)升高，并在4月達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，降低速度慢于總氮，進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值，9、10月逐漸降低，降低速度慢于總氮。綜合上看，灌溉期間灌溉水渠總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月，而總磷為4月和8月，水質(zhì)總磷的遷移消減速度低于總氮。

3.2 示范區(qū)排水水質(zhì)氮磷含量變化規(guī)律

如圖3所示，示范區(qū)生態(tài)溝總氮、總磷分別為（1.21±0.67）、（0.06±0.05） mg/L;生態(tài)塘總氮、總磷分別為（0.62±0.25）、（0.02±001） mg/L。生態(tài)溝總氮在3、4月持續(xù)升高，5月出現(xiàn)峰值后，6、7月明顯降低，進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值，9、10月再次到較低水平;總磷在4月達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值，9、10月逐漸降低，降低速度慢于總氮。受生態(tài)溝來(lái)水的影響，生態(tài)塘氮、磷含量變化規(guī)律與生態(tài)溝接近，總氮峰值均出現(xiàn)在5月和8月，但總磷峰值出現(xiàn)在5月和8月;受水流速度的影響，水質(zhì)總磷、總氮變化范圍低于生態(tài)溝;受氮、磷遷移速度的影響，生態(tài)塘中總磷在4月迅速升高后，在5月達(dá)到峰值。

3.3 農(nóng)民種植區(qū)水質(zhì)氮磷含量變化規(guī)律研究

如圖4所示，農(nóng)民種植區(qū)生態(tài)溝總氮、總磷分別為（2.62±1.57）、（0.25±0.11） mg/L;生態(tài)塘總氮、總磷分別為（2.52±1.42）、（0.26±0.14） mg/L。生態(tài)溝總氮在3、4月持續(xù)降低后，6月出現(xiàn)峰值，7月后明顯降低，9月達(dá)到最低水平;總磷在4月達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，6、7月稍微升高，但無(wú)明顯差異，總磷的遷移速度稍低于總氮。受生態(tài)溝來(lái)水的影響，生態(tài)塘氮、磷含量變化規(guī)律與生態(tài)溝接近，總氮峰值出現(xiàn)在6月，總磷峰值出現(xiàn)在4月，但是生態(tài)溝水質(zhì)總磷6月有1個(gè)小峰，而生態(tài)塘推遲到7月，說(shuō)明水體中總磷的遷移消減速度低于總氮。

4 討論與結(jié)論

化肥的施用在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，也增加了種植區(qū)氮磷污染的風(fēng)險(xiǎn)。示范區(qū)2017年雙季稻早稻在3月20—22日播種，4月19—21日移栽，7月18—20日收割;晚稻在6月19—21日播種，7月21—22日移栽，10月24—26日收割。以示范區(qū)早稻為例，水稻種植期間氮肥不僅施用強(qiáng)度高于磷肥，施用時(shí)間跨度也大于磷肥。一般來(lái)說(shuō)，磷肥全部在基肥，施肥時(shí)間約在4月中旬，氮肥則為基肥、移栽后 10 d 分蘗肥和移栽后35～40 d拔節(jié)孕穗肥，施肥時(shí)間為4月中旬至5月底。所以在4月施用基肥后，磷素隨著稻田排水，進(jìn)入生態(tài)溝和生態(tài)塘，導(dǎo)致總磷增加，而氮素雖然在施用基肥后有所升高，但是后面的追肥讓排水中總氮的含量進(jìn)一步增加，因此，水稻種植區(qū)排水中氮磷含量受水稻農(nóng)事活動(dòng)影響較大。示范區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明排水中總氮、總磷同時(shí)升高，但時(shí)間上總氮峰值在5月，晚于總磷（峰值在4月）。稻田排水總氮和總磷遷移速度表現(xiàn)為總氮遷移和消除速度高于總磷。唐國(guó)華等研究指出氮磷污染物入湖后，鄱陽(yáng)湖湖區(qū)總氮消減速度快于總磷[16]，與本研究結(jié)果一致。

目前農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)應(yīng)用較多的是排水溝和塘堰濕地凈化技術(shù)。潘樂(lè)等指出塘堰濕地能有效降低農(nóng)田面源污染的氮磷排放[17]，吳永紅等也將攔截作為減少面源污染的重要措施[18]。本研究通過(guò)構(gòu)建生態(tài)溝，保證充分的塘堰濕地面積，監(jiān)測(cè)得到稻田排水氮磷含量可達(dá)到地表Ⅲ類(lèi)水，與多數(shù)研究結(jié)論一致。另外，研究發(fā)現(xiàn)冬季非灌溉期間灌溉水渠和農(nóng)村排水水系氮、磷含量較高，主要是由于灌溉水渠引水減少導(dǎo)致水量不足以及冬季水體自?xún)裟芰Σ钜?，適當(dāng)增加冬季非灌溉期間農(nóng)村灌溉水系流量，有利于提升冬季農(nóng)村水系水環(huán)境質(zhì)量。

控制水體中氮、磷含量是農(nóng)業(yè)面源污染研究的重點(diǎn)，本研究以水稻種植區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，區(qū)分不同種植模式和不同過(guò)水方式，研究了排水中總氮、總磷在農(nóng)業(yè)溝塘中的隨時(shí)間變化的規(guī)律，得出以下結(jié)論和展望：（1）灌溉水渠和示范區(qū)總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月，總磷峰值分別出現(xiàn)在4月和8月;單季稻農(nóng)民種植區(qū)總氮峰值出現(xiàn)在6月，總磷峰值出現(xiàn)在4月。排水中總氮、總磷含量同水稻種植農(nóng)事活動(dòng)（施肥時(shí)間）相關(guān)，排水中總氮遷移速度和消除速度高于總磷。

（2）構(gòu)建生態(tài)溝，保證充分的塘堰濕地面積，可有效降低種植區(qū)排水氮磷的含量。

（3）進(jìn)一步研究排水氮磷差異規(guī)律的機(jī)理機(jī)制，充分利用氮磷遷移速度的差異，可為水體富營(yíng)養(yǎng)化治理提供新的發(fā)展思路。

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