昆山市稻田氮素污染風(fēng)險(xiǎn)分析

朱培淼 張俊韜 李 杰

（昆山市耕地質(zhì)量與植物保護(hù)站，江蘇省蘇州市 215300）

水環(huán)境污染是由點(diǎn)源和面源兩種不同類型的污染源排放引起的[1]。有研究表明，湖泊、河流富營(yíng)養(yǎng)化的養(yǎng)分分別有50%和60%來(lái)源于農(nóng)業(yè)地表徑流水[2]，這是因?yàn)槲覈?guó)農(nóng)藥化肥的平均利用率僅為30%～35%，而剩余的農(nóng)藥化肥約有一半通過(guò)地表徑流流入江河湖海[3]。農(nóng)業(yè)面源污染又被稱作農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染或農(nóng)業(yè)擴(kuò)散性污染，具有隨機(jī)性、潛在性、季節(jié)性、滯后性和面廣量大等特點(diǎn)，其控制難度大、涉及面廣、投入多、見(jiàn)效慢[4]。

相關(guān)研究與實(shí)踐表明，控制農(nóng)業(yè)面源污染，污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警體系建設(shè)是關(guān)鍵，污染負(fù)荷評(píng)估與污染源解析是基礎(chǔ)，污染治理技術(shù)與工程實(shí)施是根本。而江蘇省昆山市在農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)體系、負(fù)荷估算與源解析、精準(zhǔn)減控技術(shù)與工程等方面，均有較大的提升空間。因此，筆者擬通過(guò)建設(shè)典型的稻麥農(nóng)田面源污染監(jiān)測(cè)體系，估算面源污染輸移過(guò)程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)污染負(fù)荷總量，解析農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生源與風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空點(diǎn)，評(píng)估稻麥生產(chǎn)對(duì)周邊水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化的作用，對(duì)昆山市稻田氮素污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，以期推進(jìn)適合昆山市的農(nóng)業(yè)面源污染管控技術(shù)與工程體系的形成，進(jìn)而有效控制昆山市農(nóng)業(yè)面源污染。

1 材料與方法

1.1 昆山市區(qū)域概況

昆山市地處江蘇省東南部，北至東北與常熟市、太倉(cāng)市相連，南至東南與上海市嘉定區(qū)、青浦區(qū)接壤，西與蘇州市相城區(qū)、吳江區(qū)、蘇州工業(yè)園區(qū)交界；區(qū)域總面積為931 km2，其中水域面積占比為24%。

昆山市位于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為17.6 ℃，年均降水量為1 200.4 mm，年均日照時(shí)間為1 789.2 h，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良，每年有300 d以上空氣質(zhì)量達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

1.2.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

以昆山市主體種植模式——稻麥復(fù)種輪作的農(nóng)田為監(jiān)測(cè)對(duì)象。

1.2.2 監(jiān)測(cè)位置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于千燈大唐生態(tài)園，監(jiān)測(cè)面積為3.33 hm2，灌排獨(dú)立，農(nóng)田、溝渠、匯水區(qū)、外河的排水路徑清晰、不串水，排水溝渠的一端封閉。

1.2.3 取樣點(diǎn)位

分別采集灌溉水、田面水、溝渠水、內(nèi)河（匯水區(qū)）水、外河水的水樣。

1.2.4 取樣時(shí)間

（1）在每次施肥作業(yè)后第2天、第5天和第8天采集水樣；（2）在每次下大雨后采集水樣；（3）每隔15 d采集1次水樣，若與下雨天或施肥時(shí)間重合，則并做1次取樣。

1.2.5 取樣方法

具體為：（1）灌溉水樣。在灌溉溝渠或灌溉水源地，選3～5個(gè)點(diǎn)取水樣，混合之后，裝800 mL水樣于1 000 mL的塑料瓶。（2）田面水樣或旱地徑流水樣。在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，挖面積為0.11 m2、深為30 cm的小坑，內(nèi)置塑料薄膜防止?jié)B漏損失，產(chǎn)生徑流會(huì)自動(dòng)蓄水，每個(gè)測(cè)定區(qū)域設(shè)3個(gè)小坑，將3個(gè)蓄水小坑里的水取樣后，混合均勻，裝800 mL水樣于1 000 mL的塑料瓶。（3）排水溝渠、內(nèi)河水樣。使用水樣采集器選3點(diǎn)采樣，混合均勻后，裝800 mL水樣于1 000 mL的塑料瓶。（4）外河水樣。使用水樣采集器選3點(diǎn)采樣，并混合均勻后，裝800 mL水樣于1 000 mL的塑料瓶。

1.2.6 水樣保存

取樣后貼好標(biāo)簽，每個(gè)取樣日期為1個(gè)批次，包裝好后，在包裝袋上注明日期，貯存于-18℃的冰柜中。同時(shí)，要及時(shí)送檢水樣，樣品從取樣到檢測(cè)的間隔時(shí)間不超過(guò)4周。

1.2.7 測(cè)定方法

按照《GB 3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法進(jìn)行水樣測(cè)定[5]。

1.3 監(jiān)測(cè)區(qū)域施肥情況

根據(jù)需求，記錄施肥的時(shí)間、品種、數(shù)量，并計(jì)算出氮、磷、鉀的折純量，見(jiàn)表1。

表1 大唐生態(tài)園農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)和施肥情況 （單位：kg/hm2）

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生長(zhǎng)季水質(zhì)變化情況

2.1.1 氨氮含量變化情況

由圖1可知，稻田施肥對(duì)內(nèi)河水、外河水的氨氮含量具有一定的影響。其中，施用兩次分蘗肥及長(zhǎng)粗肥后，內(nèi)河水、外河水的氨氮含量均有所增加，且在施用第2次分蘗肥后，7月4日灌溉水的氨氮含量達(dá)到了11 mg/L，遠(yuǎn)超內(nèi)河水和外河水的氨氮含量；施用基肥和穗肥對(duì)內(nèi)河水和外河水的氨氮含量影響不大。因此，按照地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，6月中下旬到7月中旬為關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)防控點(diǎn)。

2.1.2 總氮含量變化情況

由圖2可知，稻田施肥對(duì)內(nèi)河水、外河水的總氮含量具有一定的影響，且對(duì)內(nèi)河水水質(zhì)的影響要大于對(duì)外河水水質(zhì)的影響，但自8月5日施用穗肥后，內(nèi)河水、外河水的總氮含量一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。因此，按照地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，6月中下旬到7月中旬為關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)防控點(diǎn)。

2.2 施肥后水質(zhì)變化情況

2.2.1 施用基肥后水質(zhì)變化情況

由圖3可知，施用基肥后第2天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為7.13、8.32 mg/L，施用基肥后第8天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為0.74、1.04 mg/L，分別下降89.7%、87.5%；而內(nèi)河水、外河水的氨氮含量分別從0.27、0.25 mg/L上升到1.02、0.855 mg/L，分別上升277.8%、242.0%，但內(nèi)河水和外河水的水質(zhì)分別為IV類和III類水質(zhì)。

由圖3還可知，施用基肥后第2天，田面水、溝渠水的總氮含量分別在8.4、11.4 mg/L，施用基肥后第8天，田面水、溝渠水的總氮含量分別為5.8、3.7 mg/L，分別下降31.0%、67.5%；而內(nèi)河水和外河水的總氮含量分別從2.5、1.7 mg/L上升到3.0、2.4 mg/L，分別上升20.0%、41.2%，上升幅度不大，但內(nèi)河水和外河水的水質(zhì)均為劣V類水質(zhì)。

2.2.2 施用第1次分蘗肥后水質(zhì)變化情況

由圖4可知，施用第1次分蘗肥后第2天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為34.7、24.6 mg/L，施用第1次分蘗肥后第8天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為3.92、6.47 mg/L，分別下降88.7%、73.7%；而內(nèi)河水、外河水的氨氮含量分別從0.36、0.26 mg/L上升到2.91、0.27 mg/L，上升幅度分別為708.3%、3.8%，且內(nèi)河水水質(zhì)為劣V類水質(zhì)，較施肥后第2天上升幅度較大，而外河水水質(zhì)為II類水質(zhì)，與施肥后第2天相差無(wú)幾。

由圖4可知，施用第1次分蘗肥后第2天，田面水、溝渠水的總氮含量均較高，分別為59.9、53.7 mg/L，施用第1次分蘗肥后第8天，田面水、溝渠水的總氮含量分別為7.1、9.0 mg/L，分別下降88.1%、83.2%；而內(nèi)河水、外河水的總氮含量分別從2.2、1.4 mg/L上升到6.0、1.8 mg/L，上升幅度分別為172.0%、28.6%，內(nèi)河水水質(zhì)為劣V類水質(zhì)，外河水水質(zhì)為V類水質(zhì)。

2.2.3 施用第2次分蘗肥后水質(zhì)變化情況

由圖5可知，施用第2次分蘗肥后第2天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為55.6、14.1 mg/L，施用第2次分蘗肥后第8天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為5.39、6.84 mg/L，分別下降90.3%、51.5%；而內(nèi)河水、外河水的氨氮含量分別從1.39、0.25 mg/L上升到4.2、0.7 mg/L，上升幅度分別為202.2%、180.0%，內(nèi)河水水質(zhì)為劣V類水質(zhì)，較施肥后第2天增幅較大，而外河水水質(zhì)為III類水質(zhì)。

由圖5可知，施用第2次分蘗肥后第2天，田面水、溝渠水的總氮含量較高，分別為57.5、38.6 mg/L，施用第2次分蘗肥后第8天，田面水、溝渠水的總氮含量分別為7.2、8.7 mg/L，分別下降87.5%、77.5%；而內(nèi)河水、外河水的總氮含量分別從3.4、1.3 mg/L上升到6.3、2.1 mg/L，上升幅度分別為85.3%、61.5%，內(nèi)河水和外河水水質(zhì)均為劣V類水質(zhì)。

2.2.4 施用長(zhǎng)粗肥后水質(zhì)變化情況

由圖6可知，施用長(zhǎng)粗肥后第2天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為17.3、13.2 mg/L，施用長(zhǎng)粗肥后第8天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為3.7、3.8 mg/L，分別下降78.6%、71.2%；而內(nèi)河水、外河水的氨氮含量分別從1.39、0.25 mg/L上升到3.5、0.5 mg/L，上升幅度分別為151.8%、100.0%，內(nèi)河水水質(zhì)為劣V類水質(zhì)，較施肥后第2天增幅較大，而外河水水質(zhì)為II類水質(zhì)。

由圖6可知，施用長(zhǎng)粗肥后第2天，田面水、溝渠水的總氮含量較高，分別為17.8、13.8 mg/L，施用長(zhǎng)粗肥后第8天，田面水、溝渠水的總氮含量分別為4.2 、4.3 mg/L，分別下降76.4%、68.8%；而內(nèi)河水、外河水的總氮含量分別從3.4、1.3 mg/L上升到5.3、1.8 mg/L，上升幅度分別為55.9%、38.5%，內(nèi)河水水質(zhì)為劣V類水質(zhì)，外河水水質(zhì)為V類水質(zhì)。

2.2.5 施用穗肥后水質(zhì)變化情況

由圖7可知，施用穗肥后第2天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為18.3、1.81 mg/L，施用穗肥后第8天，田面水、溝渠水的氨氮含量分別為1.4、1.5 mg/L，分別下降92.3%、17.1%；而內(nèi)河水、外河水的氨氮含量分別從0.15、0.16 mg/L上升到0.88、0.37 mg/L，上升幅度分別為486.7%、131.3%，內(nèi)河水水質(zhì)為劣III類水質(zhì)，外河水水質(zhì)為II類水質(zhì)。

由圖7可知，施用穗肥后第2天，田面水、溝渠水的總氮含量較高，分別為27.8、5.7 mg/L，施用穗肥后第8天，田面水、溝渠水的總氮含量分別為1.9、1.4 mg/L，分別下降93.2%、75.4%；內(nèi)河水的總氮含量從0.9 mg/L上升到2.0 mg/L然后又下降到0.8 mg/L，外河水的總氮含量則從1.0 mg/L上升到1.5 mg/L，內(nèi)河水水質(zhì)為III類水質(zhì)，外河水水質(zhì)為IV類水質(zhì)。

3 小結(jié)與討論

3.1 施肥后水質(zhì)氮素變化情況

本研究結(jié)果表明，在施用基肥和追肥后第2天，田面水和溝渠水的氨氮、總氮含量均處于較高水平，但隨著時(shí)間推移，氨氮含量和總氮含量逐漸下降，并在施肥后第8天處于較低水平，比施肥后第2天，田面水、溝渠水氨氮含量分別下降87.9%、60.2%，內(nèi)河水、外河水氨氮含量分別上升365.3%、131.4%，田面水、溝渠水總氮含量分別下降75.2%、74.5%，內(nèi)河水、外河水總氮含量分別上升64.6%、43.9%。由此可知，施肥后的第2天至第8天是控制稻田氮素徑流流失的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)間段內(nèi)應(yīng)盡量避免田間排水，這與金潔等[6]的研究結(jié)論基本一致。

3.2 總結(jié)與建議

從研究結(jié)果看，在水稻生長(zhǎng)期間，首先要嚴(yán)格控制施肥后的田面水徑流，施肥期間應(yīng)盡量避免田面水受降雨沖洗，施肥后的第2天至第8天是控制農(nóng)業(yè)面源污染的最佳時(shí)期；其次，烤田前期應(yīng)盡量減少灌溉，降低田面水量，減少主動(dòng)排水流失量。除此之外，應(yīng)采取必要的技術(shù)措施減少農(nóng)業(yè)面源污染，楊林章等[7]認(rèn)為，農(nóng)業(yè)面源污染具有排放路徑的隨機(jī)性、排放區(qū)域的廣泛性和排放量大面廣等特點(diǎn)，其治理要取得實(shí)效，必須實(shí)施基于“源頭減量（Reduce）、過(guò)程阻斷（Retain）、養(yǎng)分再利用（Reuse）和生態(tài)修復(fù)（Restore）”這一完整的技術(shù)體系鏈。筆者認(rèn)為“源頭減量”是關(guān)鍵，做好“源頭減量”工作，可減少或者不采用后續(xù)的工程技術(shù)措施。

近年來(lái)，“源頭減量”的新技術(shù)、新裝備、新產(chǎn)品不斷更新。例如，機(jī)插秧同步側(cè)深施用控釋肥技術(shù)。懷燕等[8]研究結(jié)果表明，采用側(cè)深施用控釋肥技術(shù)可在比常規(guī)施肥減少20%氮肥用量的條件下，早稻和晚稻產(chǎn)量差異不顯著，但氮肥的表觀利用率顯著提高；劉愛(ài)云等[9]的研究結(jié)果也印證了使用水稻插秧同步側(cè)深施用控釋肥技術(shù)可減少氮肥用量，提高氮肥利用率，減少施肥次數(shù)。同樣，開(kāi)展有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)也可從源頭上減少化肥使用量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響。馬凡凡等[10]研究結(jié)果表明，50%豬糞有機(jī)肥替代化肥處理可在兼顧水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，能有效降低水稻生長(zhǎng)季農(nóng)田氮素徑流流失量和流失率，且能維持較低水平的磷素徑流流失量和流失率。