南方丘陵區(qū)稻田節(jié)水增效減污灌溉技術(shù)探析

茅和平，高 叢，郭金福

(三和農(nóng)業(yè)灌排工程設(shè)計有限公司，江蘇 無錫 214072)

1 實驗背景

水稻是我國南方的主要農(nóng)作物，它以耗水、耗肥為主要特點，占我國農(nóng)業(yè)總耗水量的65%以上。水稻內(nèi)水分中含有大量氮元素，水稻種植排水容易導(dǎo)致農(nóng)作物氮肥流失，引起農(nóng)業(yè)面源污染。因此，如何有效避免水稻農(nóng)業(yè)面源污染，提高水稻的水肥利用率，是水稻高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的主要研究課題。目前，我國對水稻節(jié)水增效、減污灌溉實驗研究較多，但對南方降雨量較多情況下，稻田作為一個微生態(tài)系統(tǒng)兼顧節(jié)水、增效、減污、灌溉的綜合技術(shù)分析較少。因此在總結(jié)間接灌溉的基礎(chǔ)上，開展水稻旱澇交替脅迫實驗，對原有灌溉節(jié)水技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，嚴(yán)格控制田間水層指標(biāo)，使灌溉方式更適用于南方的氣候條件，提高我國南方水肥利用率等方面的研究工作具有十分重要的意義。本文以南方典型丘陵地區(qū)的水稻田區(qū)作為實驗研究對象，針對節(jié)水增效減污灌溉技術(shù)改進(jìn)后的水肥利用率、雨水利用率、面源污染控制水平等進(jìn)行研究。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗時間在2018年7-11月期間，試驗研究田區(qū)選擇南方典型丘陵地區(qū)的水稻田區(qū)。一塊田區(qū)長寬分別為12和6 m，在試驗周圍布設(shè)側(cè)向防滲(磚砌體+2布1膜)，實驗水稻選擇單季種植水稻，水稻種植土壤選擇當(dāng)?shù)仞ね?，地下水的埋深設(shè)置為0.8 m。試驗期間，水稻生產(chǎn)期的降雨量在459～513 mm之間，降雨量較多。

試驗的灌溉技術(shù)和施肥方式分別為：

1) 灌溉技術(shù)。設(shè)置3個灌溉方式，常規(guī)灌溉用A1代表，間歇灌溉用A2代表，蓄雨間歇灌溉用A3代表。常規(guī)灌溉即為淹灌方式灌溉，具體的田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按照當(dāng)?shù)鼐用袼痉N植習(xí)慣操作，蓄雨間接灌溉應(yīng)根據(jù)南方當(dāng)?shù)貧夂驐l件和水稻的種植特性，改變原有間歇灌溉方式，提高間歇灌溉泥層蓄雨深度，降低灌溉次數(shù)，提高水資源利用率，具體試驗田區(qū)灌溉技術(shù)控制見表1。

2) 施肥方式。設(shè)置4種施肥方式，B1施肥方式為50%基肥+50%分蘗肥(2次施肥)，B2施肥方式為50%基肥+30%分蘗肥+20%拔節(jié)肥(3次施肥)，B3施肥方式為40%基肥+30%分蘗肥+20%拔節(jié)肥+10%穗肥(4次施肥)，B4施肥方式為50%基肥，其他肥料配比按照SPAD葉綠素儀實地觀測結(jié)果為肥料配比依據(jù)。施肥量標(biāo)準(zhǔn)采用浙江省的測土配方，純氮肥用量為225 kg/hm2，P2O5用量為100 kg/hm2，K2O用量為120 kg/hm2。實驗按照自由組合方式，并設(shè)置對照組(常規(guī)灌溉+2次施肥)，共組合7個灌溉+施肥處理方式，每個處理方式重復(fù)3次，具體組合方式見表2。

表2 灌溉+施肥試驗處理方式

2.2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析方法

1) 水稻灌溉情況定額測定。在試驗田區(qū)進(jìn)口位置安裝測量水表，對每次灌溉水量進(jìn)行測量，計算水稻生長階段的實際灌溉總用水量。試驗田區(qū)滲漏水的測量使用稻田滲漏儀監(jiān)測，試驗田區(qū)土壤含水率使用土壤水分測定儀監(jiān)測。

2) 試驗田區(qū)水樣采集和分析。按照試驗標(biāo)準(zhǔn)在水稻生長期田區(qū)灌溉時，采取灌溉水樣、排水水樣、滲漏水樣(滲漏液取樣器)，標(biāo)記時間和編號。試驗所得水樣送至專業(yè)水質(zhì)檢測機構(gòu)檢驗，總氮、氨氮、硝氮含量檢驗方法采用氣相分子吸收光譜法檢測，COD水平檢驗方法用重鉻酸鹽法檢測，總磷檢驗方法采用鉬酸銨分光光度法測定。

3) 水稻產(chǎn)量測定和植株分析。試驗田區(qū)水稻成熟以后，進(jìn)行植株采樣分析，采樣方法采用五點采集法，測量試驗田區(qū)水稻產(chǎn)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水肥處理方式對水稻灌溉定額影響

試驗田區(qū)水稻灌溉定額按生長階段分為水稻泡田定額階段和水稻本田灌溉定額階段。據(jù)分析，水稻泡田定額階段的主要影響因素是泡田前土壤含水量、泡田階段的氣候條件、泡田時間等，水稻泡田定額階段基本不受水肥處理方式影響。在水稻本田灌溉定額階段主要影響因素為灌溉方式，CK對照組在水稻本田灌溉定額階段的灌溉量為1 801.8 m3/hm2，水肥處理在水稻本田灌溉定額階段的平均灌溉量為1 091.0 m3/hm2，采用水肥處理后灌溉量降低了39.44%，水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)的平均灌溉量為1 085.5 m3/hm2，水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)的平均灌溉量為1 096.5 m3/hm2，不同的灌溉方式對水稻本田灌溉定額差異不明顯(P>0.05)。不同水肥處理方式下的灌溉定額見表3。

3.2 不同水肥處理方式對水稻產(chǎn)量影響

對不同水肥處理方式下水稻產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表4。從表4顯示的結(jié)果可以看出，CK對照組水稻實際產(chǎn)量為8 239.8 kg/hm2，和其他水肥處理后水稻產(chǎn)量相比較低(P<0.05)；水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)的水稻實際產(chǎn)量為9 140.2 kg/hm2，水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)的水稻實際產(chǎn)量為9 040.9 kg/hm2，兩種不同灌溉方式對比差異較小(P>0.05)。 不同施肥方式對比，CK施肥方式的水稻實際產(chǎn)量明顯低于其他3種施肥方式，對比差異明顯(P<0.05)，4種施肥方式對比處理2、處理5(B3施肥方式)水稻實際平均產(chǎn)量最高，處理3、處理6(B4施肥方式)水稻實際平均產(chǎn)量次之，處理1、處理4(B2施肥方式)水稻實際平均產(chǎn)量靠后，但高于CK(B1施肥方式)水稻實際產(chǎn)量，但三者水稻實際產(chǎn)量對比差異不明顯(P>0.05)。通過采取一定水肥控制技術(shù)可以有效提高水稻小穗分化和增加結(jié)實率，增加水稻的實粒數(shù)和比重，最終增加水稻的實際產(chǎn)量，但對水稻的有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量影響較小。

表3 不同水肥處理方式下灌溉定額 /m3·(hm2)-1

表4 不同水肥處理方式下水稻產(chǎn)量

注：*,#,&等符號代表同一列數(shù)據(jù)對比，對比差異明顯(P<0.05)。

3.3 不同水肥處理方式對水稻田區(qū)水資源利用率影響

不同水肥處理方式對水稻田區(qū)水資源利用率影響分析以水稻田區(qū)雨水資源利用率和水稻田區(qū)灌溉水分生產(chǎn)率這兩項指標(biāo)進(jìn)行分析，水稻田區(qū)雨水資源利用率是通過水稻生長階段蓄積利用雨水的總量/總降雨量計算得出，水稻田區(qū)灌溉水分生產(chǎn)率是通過單位灌溉用水量/單位水稻產(chǎn)量計算得出，兩項指標(biāo)具體分析結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)的雨水利用率平均值為0.533%，水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)的雨水利用率平均值為0.566%，兩種灌溉方式的雨水利用率均高于CK雨水利用率(0.496%)，對比差異明顯(P<0.05)，水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)的雨水利用率高于水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)的雨水利用率，對比差異明顯(P<0.05)。

3.4 不同水肥處理方式對水稻田區(qū)面源污染物排放影響

稻田在生長過程中通過排水帶出的污染物是農(nóng)業(yè)面源重要污染源之一，水稻田區(qū)面源污染物排放量主要受總排水量和排水質(zhì)量濃度這兩方面因素影響。據(jù)統(tǒng)計，水稻在整個生長周期共排水5次。試驗計算得出，水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)的總排水量為198 mm，水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)的總排水量為196 mm，這兩種灌溉方式的總排水量明顯低于CK的總排水量(207 mm),對比差異明顯(P<0.05)。分析不同水肥處理方式污染物含量(TN、COD、NO3-N、NH3-N、TP)見圖2。

圖1 不同水肥處理方式稻田水資源利用率

圖2 不同水肥處理方式稻田地表排水污染物流失量

圖2結(jié)果顯示，水肥處理1-6的TN、COD、NH3-N各平均含量低于CK(TN、COD、NH3-N)含量，分別為47.9%，18.5%和53.3%，對比差異明顯(P<0.05)，其污染物減少的主要原因是水肥處理后污染物質(zhì)量濃度降低；水肥處理1-6的NO3-N平均含量和CK對比不明顯(P>0.05)，其主要原因是氮肥主要采用尿素，尿素的主要成分是NH3-N，NH3-N轉(zhuǎn)化成NO3-N需要較長時間，水中的氮肥多以NH3-N形式存在，所以其排出的含量比較大，NH3-N含量主要來自土壤，水中含量較少；水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)和水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)對比，蓄雨間歇灌溉方式除TP外，其他污染物排放量均降低，主要原因是增加了田區(qū)蓄雨深度和蓄雨時間，肥料利用率增加；4種施肥方式的污染物排放量對比，B1施肥方式(2次施肥)污染物排放量最大，B2施肥方式(3次施肥)污染物排放量最小。

水稻生長期隨滲漏水流出的污染物也是農(nóng)業(yè)面源重要污染源之一，水肥處理1-6的滲漏水中TN，COD，NO3-N，NH3-N，TP各平均量相對于CK分別減排40.9%，50.1%，51.4%，59.3%和51.5%，對比差異明顯(P<0.05)。水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)滲漏水中TN，COD，NO3-N，NH3-N，TP各平均量相對于水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)分別減排12.3%，21.5%，15.1%，11.3%和33.9%，對比差異明顯(P<0.05)，結(jié)果見圖3。

圖3 不同水肥處理方式稻田滲漏水污染物流失量

圖4 不同水肥處理方式稻田各污染物排放總量

水稻田區(qū)面源污染各污染物的排放總量見圖4。除TP總含量外，水肥處理1-6的TN，COD，NO3-N，NH3-N的各平均總排放量相對于CK減少47.8%，21.7%，4.5%和54.6%，差異明顯(P<0.05)；水肥處理4，5，6(蓄雨間歇灌溉方式)的TN，COD，NO3-N，NH3-N各平均量相對于水肥處理1，2，3(間接灌溉方式)分別減排43.3%，12.8%，4.9%和65.8%，對比差異明顯(P<0.05)；4種施肥方式的污染物排放量對比，B1施肥方式(2次施肥)污染物減排效果最差，B2施肥方式(3次施肥)污染物減排效果最好；實驗田區(qū)水稻的TP排放主要受灌溉水量影響，受水肥處理方式影響較?。?5%以上TN，92%以上COD，89%以上NO3-N，76%以上NH3-N，98%以上TP均來自地表排水。

4 結(jié) 語

通過上述試驗分析，95%以上TN，92%以上COD，89%以上NO3-N，76%以上NH3-N，98%以上TP均來自地表排水；采用蓄雨間歇灌溉方式+三次施肥可以有效減少水稻種植灌溉用水，增加水稻產(chǎn)量、提高雨水的利用率，降低農(nóng)業(yè)面源污染。