典型降雨-稻田排水過程中氮素流失規(guī)律

李玖穎，衛(wèi)琦，王海渝，陳鵬，程衡，徐俊增

（1.黑龍江省灌溉排水與節(jié)約用水技術(shù)中心，哈爾濱 150040； 2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

0 引言

【研究意義】農(nóng)田面源污染是影響地表水環(huán)境的重要因素。稻田排水是氮、磷等養(yǎng)分流失的主要途徑[1]，不僅會造成土壤肥力和化肥利用效率的降低，還會引發(fā)河湖等地表水體富營養(yǎng)化[2-3]。因此，掌握稻田排水中的養(yǎng)分流失規(guī)律，對于從農(nóng)田水肥管理角度減少氮素損失、控制農(nóng)業(yè)面源污染排放具有重要指導(dǎo)意義。

【研究進展】關(guān)于稻田排水過程中氮素流失特征，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究[2-5]。例如，尹娟等[4]研究了控制和非控制排水稻田氮素流失規(guī)律，結(jié)果表明不同處理稻田排水中的NH4+-N和NO3--N質(zhì)量濃度均呈先迅速增加后逐漸減小趨勢，且稻田排水中NH4+-N和NO3--N質(zhì)量濃度與施肥量呈正比。姜萍等[5]研究了3種灌溉方式（淹灌、間歇灌溉和濕潤灌溉）下稻田氮素流失特征，發(fā)現(xiàn)間歇灌溉和濕潤灌溉處理能夠有效控制稻田氮素流失并提高水稻產(chǎn)量。降雨作為農(nóng)田氮素向水體遷移的主要外界因子，一方面雨滴的擊濺作用能夠使表土顆粒分散，造成其中的氮素易于溶解；另一方面降雨產(chǎn)生的地表積水能夠溶解和浸提土壤中氮素，使土壤可溶性氮素向地表積水遷移，且當(dāng)產(chǎn)生降雨徑流時，降雨產(chǎn)流將攜帶氮素流失。以往關(guān)于降雨對稻田排水及其氮素流失規(guī)律等方面的研究很少，且主要圍繞降雨或模擬降雨后不同灌排模式的稻田排水及其氮素變化差異進行展開[2,6]。例如，和玉璞等[6]研究了常規(guī)和控制灌排模式對降雨后稻田排水過程的影響，結(jié)果表明控制灌排模式改變了降雨后“稻田-農(nóng)溝”系統(tǒng)排水過程，減少了系統(tǒng)排水量，降低了排水流量峰值，減緩了由降雨導(dǎo)致的稻田氮磷流失。王寧等[2]采用DRAINMOD-N II模型模擬了常規(guī)與控制灌排模式下暴雨后稻田排水過程及其氮素變化規(guī)律，結(jié)果表明控制灌排稻田排水量較常規(guī)灌排稻田的排水量減少了43.6%，NH4+-N和NO3--N負荷降低了30.0%～63.3%和39.9%～62.9%，提高了雨水、氮素利用效率?！厩腥朦c】綜上，以往研究重點關(guān)注了不同灌排方式、模擬降雨等條件下稻田排水過程及其氮素流失變化規(guī)律，而針對不同降雨特征的連續(xù)降雨過程，開展稻田排水過程中氮素流失特征等方面的研究鮮有報道。

【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，以黑龍江省慶安灌溉試驗站2019年水稻主要生育期（7—9月）內(nèi)3次典型降雨過程為研究對象，旨在揭示典型降雨-稻田排水-氮素流失變化規(guī)律，研究結(jié)果對于認識降雨過程中農(nóng)田實際排水與氮素排放規(guī)律、準確評估農(nóng)田源污染排放以及制定減排對策具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年在黑龍江省慶安灌溉試驗站進行，該試驗站（127°40'45″E，46°57'28″N）位于慶安縣和平鎮(zhèn)，屬于典型的寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均水面蒸發(fā)量750 mm，作物水熱生長期為156～171 d，全年無霜期128 d。供試土壤為白漿型水稻土，種植水稻時間20 a以上，土壤耕層厚度11.3 cm。土壤質(zhì)地為砂黏土，0～20 cm土層pH值為6.6，有機質(zhì)量為43.1g/kg，堿解氮量為175.2 g/kg，有效磷量為30.7g/kg，速效鉀量為98.6 g/kg。降雨量通過雨量筒監(jiān)測，水稻全生育期（2019年5月18日—9月21日）的總降雨量為622.7 mm，其日降雨量變化如圖1所示。

圖1 水稻生育期內(nèi)日降雨量變化過程Fig.1 Daily variation process of rainfall in rice growth period

黑龍江省2019年降雨次數(shù)較多，且在水稻主要生育期（7—9月）內(nèi)出現(xiàn)了幾次強降雨。因此，本研究選擇以其中3次典型降雨過程為例展開分析，其降雨時段分別為7月7—15日、7月16—25日和7月28日—8月14日，降雨量依次為56.2、104.4 和147.6mm，降雨歷時分別為9、10 和18 d，平均降雨強度依次為5.1、10.4 和8.2 mm/d。

供試水稻品種為龍慶稻3號，水稻移栽和收割時間分別為2019年5月19日和2019年9月21日。全生育期共施加1次基肥+2次追肥，其中于2019年5月4日施用300 kg/hm2復(fù)合肥作為基肥，于2019年6月10日施用50 kg/hm2尿素+ 50 kg/hm2硫酸銨作為蘗肥，于2019年6月23日施用100 kg/hm2尿素作為穗肥。

1.2 水樣采集與分析

試驗區(qū)內(nèi)排水溝控制上游水稻種植面積為13.2 hm2。試驗開始前，在排水溝中布設(shè)流量自動監(jiān)測-等比例連續(xù)取樣裝置。該裝置的工作原理是：水位傳感器將每5min測量的水位數(shù)據(jù)傳輸至單片機，單片機根據(jù)水位-流量關(guān)系計算該時段的斷面流量，并進一步按照設(shè)定的斷面流量-水樣采集量比（1/105）計算該5min內(nèi)的水樣采集量，最后單片機將計算的水樣采集量轉(zhuǎn)換為脈沖頻率控制蠕動泵進行水樣采集。水樣采集過程中，當(dāng)?shù)? 天的水樣采集量不足一個集水瓶（容量為1L）時，蠕動泵上的取水管將在次日08:00 自動切換到下一個集水瓶，以保證每天的水樣能夠儲存于同一個集水瓶中。當(dāng)遇到強降雨導(dǎo)致排水溝水位過高、流量過大時，集水瓶中的水樣存滿后會自動切換到下一個集水瓶。該裝置最大的特點是：所采集的水樣量與對應(yīng)時間段內(nèi)的斷面流量成穩(wěn)定的正比例關(guān)系，能夠準確地反映過流水體中相關(guān)營養(yǎng)指標(biāo)的情況。

排水溝斷面流量監(jiān)測-水樣采集時段為2019年6月1日—9月20日。在水樣采集過程中，每天對自動取樣裝置中的集水瓶儲水情況進行檢查，并在降雨后每間隔3～6 h檢查1次。當(dāng)取樣裝置內(nèi)的24個集水瓶均完成水樣采集或裝滿后，把集水瓶中的水樣轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶，帶回實驗室進行氮素質(zhì)量濃度分析。水樣中的TN、NH4+-N和NO3--N質(zhì)量濃度分別采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、氯化鉀溶液提取-分光光度法和紫外光分光光度計法進行測定[7]。

1.3 統(tǒng)計分析

采用MicrosoftExcel2013 軟件對典型降雨過程中的稻田排水量及其中的氮素質(zhì)量濃度進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型降雨下稻田排水量變化特征

通過對3次典型降雨-稻田排水過程進行分析，發(fā)現(xiàn)稻田排水量在降雨后均呈先迅速增大后逐漸減小趨勢（圖2）。3次典型降雨過程的降雨量分別為56.2、104.4 和147.6mm，但其相應(yīng)的稻田排水量卻分別減少了49.8%、49.8%和51.4%?？傮w上，最大降雨強度和排水量峰值個數(shù)均保持一致，但稻田排水量峰值較最大降雨強度出現(xiàn)時間滯后了7～9 h。3次典型降雨過程中的最大降雨強度分別為30.4、13.2 和37.4mm/h，其相應(yīng)的排水速率峰值分別依次為14.4、11.6 和21.2 mm/h。通常情況下，降雨主要在地表徑流和入滲之間進行分配，降雨開始時地表入滲速率較大，地表徑流量較小，而隨著降雨的持續(xù)進行，地表徑流量也隨之增大，從而導(dǎo)致稻田排水量也逐漸增大。

圖2 3次典型降雨-稻田排水過程Fig.2 Three typical rainfall paddy drainage processes

對比3次典型降雨-稻田排水過程，發(fā)現(xiàn)稻田排水量隨降雨量的增大而增加。與第1次降雨量相比，第2次和第3次的降雨量增大了48.2 和91.4 mm，其相應(yīng)的排水量也增加了85.8%和154.3%。此外，研究還發(fā)現(xiàn)排水速率的增加幅度通常大于降雨強度的增加幅度，以第1次和第3次典型降雨過程為例，第3次的最大降雨強度（37.4mm/h）較第1次最大降雨強度（30.4mm/h）增大了23.0%，而其相應(yīng)的排水速率最大值卻增加了85.3%，說明強降雨更容易引起氮、磷等農(nóng)田養(yǎng)分的流失。因此，避免在強降雨前施肥是一種降低農(nóng)業(yè)面源污染排放的有效措施。

2.2 典型降雨-稻田排水中氮素質(zhì)量濃度變化特征

3次典型降雨-稻田排水中的氮素質(zhì)量濃度變化均較為相似，即其最大值通常出現(xiàn)在較大降雨后的較短時間內(nèi)，隨后由于徑流稀釋作用的影響其質(zhì)量濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定（圖3）。

圖3 典型降雨-稻田排水中氮素質(zhì)量濃度變化規(guī)律Fig.3 Variation of nitrogen concentration in typical rainfall paddy drainage process

總體上，稻田排水中的NH4+-N、NO3--N和TN質(zhì)量濃度范圍分別為2.3～5.3、1.4～4.3 和3.3～14.4 mg/L。根據(jù)地表水水質(zhì)相應(yīng)指標(biāo)控制標(biāo)準[8]，3次典型降雨-稻田排水中的NH4+-N、NO3--N和TN質(zhì)量濃度仍處于Ⅳ類標(biāo)準以下。由此推測，稻田排水中過高的氮素所引起的農(nóng)業(yè)面源污染排放可能是水稻主要生育期內(nèi)（7—9月）地表水水質(zhì)的主要風(fēng)險污染源，且NH4+-N和NO3--N可能是稻田排水中氮素流失的主要形態(tài)。因此，基于氣象預(yù)報對降雨的預(yù)測，調(diào)整水稻主要生育期的施肥時間有助于減緩農(nóng)業(yè)面源污染排放。

對比3次典型降雨-稻田排水過程，可以發(fā)現(xiàn)，稻田排水量由第1次向第3次依次增大，而其相應(yīng)的氮素濃度卻逐漸減小。這主要是3次典型降雨均位于最后一次施肥（穗肥）之后，在無外源氮肥投入的條件下，隨著水稻生長對氮素吸收的增加以及稻田排水過程中氮素的流失，稻田土壤中氮素量逐漸減小。此外，3次典型降雨-稻田排水中的NO3--N質(zhì)量濃度變化幅度（1.8～3.2 mg/L）均略大于NH4+-N質(zhì)量濃度（1.2～1.8 mg/L），其可能是由于NO3--N不容易被土壤顆粒吸附，淋失量大所導(dǎo)致。

2.3 典型降雨-稻田排水中氮素負荷變化特征

基于典型降雨過程中的稻田排水量及其中的氮素質(zhì)量濃度分析結(jié)果，分別計算了3次典型降雨-稻田排水中的氮素負荷流失（如表1所示）。與第1次典型降雨-稻田排水中的TN、NH4+-N和NO3--N負荷分別相比，第2次和第3次稻田排水過程中的TN、NH4+-N和NO3--N負荷分別增加了1.7～4.6、0.7～1.9 kg/hm2和0.1～0.9 kg/hm2。在3次典型降雨-稻田排水中的氮素質(zhì)量濃度變化不明顯的情況下，分析認為氮素負荷的差異可能由降雨量增大所引起的排水量顯著增加所導(dǎo)致的（第2次和第3次的排水量較第1次的排水量增大了77.6%和235.6%）。

表1 典型降雨-稻田排水過程中氮素負荷流失情況Table1 Nitrogen load loss in typical rainfall paddy drainage process

3 討論

3.1 降雨對稻田排水過程的影響

降雨作為稻田氮素向水體遷移的主要驅(qū)動因子，降雨量的大小通常會引起稻田排水量的差異[2]。例如，王寧等[2]通過DRAINMOD-NII模型模擬了4次暴雨（59.5、74.2、102.6 和169.1 mm）條件下常規(guī)灌排和控制灌排稻田排水過程，結(jié)果表明2種灌排模式下稻田排水量均隨降雨量的增大而增加，但與降雨量相比，不同灌排模式的稻田排水量均有不同程度的減少，其降低幅度依次為41.5%～72.6%（常規(guī)灌排）和65.6%～77.9%（控制灌排）。本研究中，隨著3次典型降雨過程中降雨量的依次增大（56.2、104.4 和147.6mm），稻田排水量也依次增加，但較降雨量的降低幅度（49.8%～51.4%）略小于上述文獻結(jié)果，可能是由于降雨前稻田土壤初始含水率或水層高度的差異所導(dǎo)致的。此外，降雨強度等因子的改變也會引起稻田排水過程的差異。本研究表明，第3次典型降雨過程中的最大降雨強度（37.4 mm/h）較第1次典型降雨過程的值（30.4 mm/h）增大了23.0%，但其相應(yīng)的排水速率最大值卻增加了85.3%，這說明強降雨顯著增加了稻田排水的速率，提高了稻田氮磷等養(yǎng)分流失率。

3.2 降雨對稻田排水氮素流失的影響

降雨形成的地表徑流是化學(xué)肥料中氮素流失的重要途徑。通常情況下，降雨-稻田排水中的氮素的流失程度、流失形態(tài)與施肥種類、施肥時間、施肥量等因素密切相關(guān)[9-12]。例如，張繼宗等[13]研究了不同施肥水平（0、225、300 和375kg/hm2）和不同施肥時間（5 d和10 d）處理下模擬降雨（80mm/h）對稻田氮素徑流流失特征的影響，結(jié)果表明降雨徑流中氮素濃度和流失量均隨施肥量的增大而增加，且各處理施氮后5 d模擬降雨產(chǎn)生的氮素流失量之間存在顯著差異，施氮前期是氮素流失的主要風(fēng)險期，流失形態(tài)以NH4+-N和NO3--N為主。焦少俊等[14]研究了施肥條件下稻田降雨徑流水中氮素的流失特征，結(jié)果表明，初期施肥后的降雨流失使稻田排水中的氮素質(zhì)量濃度大幅度降低、氮素主要以水溶性NH4+-N流失。本研究表明，降雨后稻田排水中的氮素質(zhì)量濃度隨降雨過程的降低而減小，且NH4+-N和NO3--N可能是黑龍江省水稻主要生育期（7—9月）內(nèi)氮素流失的主要形態(tài)，這些研究結(jié)果均與上述文獻結(jié)果基本一致。此外，降雨量的差異也會引起稻田排水中氮素流失量的不同。例如，邱多生等[15]通過研究不同人工降雨量（40 mm和80 mm）對稻田氮素流失量的影響，結(jié)果表明施肥（基肥）第2 天后，模擬80 mm人工降雨量所引起的TN流失量（16.7～24.0 kg/hm2）顯著大于模擬40 mm雨量所引起的TN流失量（5.5～8.0 kg/hm2）。本研究中，隨著3次典型降雨過程中降雨量的依次增大，稻田排水過程中的TN負荷也依次增加，與上述文獻的結(jié)果較為相似。但本研究中3次稻田排水過程中的TN負荷的范圍（2.9～7.5 kg/hm2）略小于上述文獻中的結(jié)果。其原因可能是由于本研究中最后1次施肥（尿素，100 kg/hm2）時間處于3次典型降雨過程之前（典型降雨過程位于穗肥施用后的第14～33 天），在3次典型降雨之間無外源氮肥投入的條件下，隨著降雨過程的持續(xù)進行和水稻生長對氮素吸收的增加，其排水中氮素質(zhì)量濃度逐漸降低，導(dǎo)致其排水中負荷處于較低水平?？傊?，強降雨加速了稻田排水的速率，且排水中氮素質(zhì)量濃度的最大值通常出現(xiàn)在降雨后排水初期。因此，基于氣象預(yù)報對降雨的預(yù)測結(jié)果，避免在強降雨來臨前施肥、并合理調(diào)整降雨后初期排水時間，有助于減緩農(nóng)業(yè)面源污染排放。

4 結(jié)論

1）稻田排水量隨降雨量的增大而增加，且通常情況下排水速率的增加速率遠大于降雨強度的增加速率，強降雨增加了稻田氮、磷等農(nóng)田養(yǎng)分的流失率。

2）在典型降雨過程之間無氮肥投入的條件下，降雨后稻田排水中的氮素質(zhì)量濃度隨排水量的增大而減小。稻田排水中過高的氮素所引起的農(nóng)業(yè)面源污染排放可能是黑龍江省7—9月地表水水質(zhì)的主要風(fēng)險污染源。

3）稻田排水中的氮素質(zhì)量濃度最大值通常出現(xiàn)在降雨后排水初期，因此，根據(jù)氣象預(yù)報對降雨的預(yù)測結(jié)果，調(diào)整強降雨前施肥時間以及降雨后初期排水時間有助于減緩農(nóng)業(yè)面源污染減排放。