春耕稻田滯水減排控制面源污染效果研究

廖海玉

(四川久遠(yuǎn)環(huán)保安全咨詢有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

水稻是我國(guó)南方最主要的糧食作物，播種面積大，氮磷肥和農(nóng)藥施用水平高，農(nóng)田排水造成氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失已成為南方農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源之一。根據(jù)第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)[1]顯示，種植業(yè)總氮、總磷流失量分別為159.78萬(wàn)t·a-1、10.87萬(wàn)t·a-1，分別占農(nóng)業(yè)面源污染的59.08%和38.18%，稻田中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一部分為農(nóng)作物利用，其余大部分被農(nóng)田排水和地表徑流攜帶至地表水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題[2-5]，而延長(zhǎng)灌溉水在田間的滯留時(shí)間，有利于凈化稻田水質(zhì)。南方水稻春耕時(shí)期，耕作后立即排水，引起農(nóng)田氮、磷等污染物大量轉(zhuǎn)移到水體，造成水體面源污染。因此，研究稻田春耕后田面水中氮磷時(shí)空分布特性以及氮磷滯水減排效率，對(duì)于控制農(nóng)田面源污染和保護(hù)水環(huán)境具有重要意義[6,7]。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)“耘園”試驗(yàn)基地的紅壤稻田土，土壤的基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)約0.4%、全氮約0.02%、速效磷約5mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)“耘園”試驗(yàn)基地，選用6個(gè)模擬稻田試驗(yàn)小區(qū)(每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)3m、寬1.5m、高0.7m)，對(duì)稱(chēng)排成2列，模擬稻田中間為1條灌水渠，兩邊各有1條排水溝渠，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)稻田土深約50cm，小區(qū)外側(cè)用PVC板做成排水堰，排水堰上距離土壤表層設(shè)置不同高度(3cm、6cm和9cm)的PVC排水管(管外口帶塞)，管口水平朝外，試驗(yàn)取樣時(shí)，打開(kāi)PVC管塞，小區(qū)內(nèi)田面水從排水管中流出。

根據(jù)湖南長(zhǎng)沙水稻栽培狀況設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)，供試土壤為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地的紅壤稻田土，灌溉水為地下水，經(jīng)蓄水池放置7d后使用。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)選擇無(wú)雨天氣，對(duì)模擬稻田進(jìn)行灌水，保持模擬稻田土壤濕潤(rùn)，灌水3d后在稻田內(nèi)模擬耕作稻田土壤，試驗(yàn)期間，未對(duì)稻田土進(jìn)行施肥，耕作結(jié)束后保持模擬稻田蓄水深度10cm以上。于耕作結(jié)束后1h、1d、2d、3d、4d從排水堰的排水管定時(shí)取水樣測(cè)定田面水中氮、磷等含量。

1.3 水樣采集與測(cè)定

模擬稻田耕作后，在各試驗(yàn)小區(qū)，按不同時(shí)間段、不同采樣深度采集田面水水樣，注入1L塑料瓶中混合。水樣分析前混勻，并分成5份，分別用于測(cè)定水中氮磷等含量。水樣總氮(TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法；硝氮(NO3--N)采用酚二磺酸分光光度法；氨氮(NH4+-N)采用納氏試劑比色法；水樣總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田田面水中氮素的時(shí)空分布特性及減排效果分析

2.1.1 稻田田面水中氮素的時(shí)空分布特性

稻田耕作后，田面水中氮素的時(shí)空分布特性見(jiàn)圖1A～C，田面水中總氮、氨氮、硝酸鹽氮的含量隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸降低趨勢(shì)，稻田耕作后田面水中氮素在1h后濃度最高，總氮、氨氮、硝酸鹽氮在第1天內(nèi)下降較快，隨后減慢，其中田面水中氨氮下降速度最快，氨氮濃度降至第1天開(kāi)始平穩(wěn)，總氮、硝酸鹽氮濃度降至第2天開(kāi)始平穩(wěn)，其原因可能是土壤中原有的氮素在土層擾動(dòng)下，迅速釋放到田面水中，同時(shí)田面水中富含氮磷的懸浮物增多，隨著時(shí)間推移，水中部分氮素被懸浮物吸附，隨后逐漸沉淀下來(lái)。

從排水堰6cm高排水口取水樣，測(cè)定總氮含量隨時(shí)間的變化呈指數(shù)模型變化趨勢(shì)(y=5.9004e-0.2571x，R2=0.9161)，表明總氮的時(shí)間分布與蓄水時(shí)間呈明顯相關(guān)關(guān)系。從排水堰3cm高排水口取水樣和9cm高排水口取水樣，總氮含量也呈相似的分布趨勢(shì)。

在取樣第1天，田面水中總氮含量隨田面水高度(取水口高度3cm、6cm、9cm)呈指數(shù)變化趨勢(shì)(y=7.7112e-0.3302x，R2=0.8526)，在其它取樣時(shí)間段，總氮的空間分布也呈相似變化趨勢(shì)。

2.1.2 稻田田面水中氮素減排效果分析

在試驗(yàn)條件下，稻田耕作后如果要排水，相對(duì)于排干田面水，若田面水排水至3cm深，總氮濃度可減排約45.2%。

稻田耕作后同一蓄水高度內(nèi)，田面水中氮素濃度隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。若田面水排水至3cm深，相對(duì)于耕作1h后排水，延遲1d排水可減少總氮、氨氮、硝酸鹽氮排放濃度分別約65.5%、88.7%、15.4%；延遲2d排水可減少總氮、氨氮、硝酸鹽氮排放濃度分別約86.2%、94.6%、71.2%。

綜上所述，稻田耕作后，同一時(shí)間田面水中氮磷濃度隨田面水水深高度從上到下依次升高，隨滯水時(shí)間延長(zhǎng)濃度降低。因此，春季稻田耕作后滯水緩排可以明顯控制農(nóng)田氮、磷隨排水流失，減輕農(nóng)田面源污染，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際要求，稻田耕作后，如果蓄水2～3d，保持稻田3cm左右田面水，可減排春耕稻田隨排水遷移流失的氮素污染物86.2%，有效減輕春季農(nóng)業(yè)面源污染。

2.2 稻田田面水中磷素的時(shí)空分布特性及減排效果分析

2.2.1 稻田田面水中磷素的時(shí)空分布特性

稻田耕作后，田面水中磷素的時(shí)空分布特性見(jiàn)圖1D，總磷含量隨時(shí)間的變化呈降低趨勢(shì)，田面水中磷素濃度1h達(dá)到最大，田面水中3種不同水深高度(排水堰3cm、6cm、9cm)的磷素濃度分別為1.86mg·L-1、1.82mg·L-1、1.69mg·L-1。2d后田面水磷含量降低趨勢(shì)開(kāi)始平穩(wěn)，其原因可能是春耕對(duì)模擬稻田耕作層的擾動(dòng)，使得田面水中含磷懸浮物增加和土壤中的磷素進(jìn)入田面水中，導(dǎo)致田面水中磷素濃度1h達(dá)到最大，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，水中磷素被懸浮顆粒吸附，隨之懸浮顆粒逐漸沉降，田面水中磷含量降低。

田面水6cm深，水中總磷含量隨時(shí)間的變化呈指數(shù)模型趨勢(shì)(y=2.3636e-0.692x，R2=0.9062)，表明總磷含量的時(shí)間分布與蓄水時(shí)間呈明顯相關(guān)關(guān)系。

稻田耕作后第1天，田面水中總磷含量隨3種不同高度水深(排水堰3cm、6cm、9cm)呈指數(shù)模型變化趨勢(shì)(y=1.3233e-0.5294x，R2=0.95)，從圖1中可以看出，稻田耕作后的其它時(shí)間(耕作后2d、3d、4d)，田面水中總磷含量的空間分布也呈相似變化趨勢(shì)。

在耕作后，同一時(shí)間(耕作后2d、3d、4d)，田面水中磷素濃度隨水深高度(排水堰3cm、6cm、9cm)從上到下依次升高，即ρ(TP)3cm>ρ(TP)6cm>ρ(TP)9cm。

2.2.2 稻田田面水中磷素減排效果分析

在試驗(yàn)條件下，稻田耕作后如果要排水，相對(duì)于排干田面水，若田面水排水至3cm深，總磷濃度可減排約38.7%；相對(duì)于耕作1h后排水，延遲1d排水可減少總磷濃度排放約71.5%，延遲2d排水可減少總磷排放約85.3%。由試驗(yàn)可見(jiàn)，延長(zhǎng)稻田排水時(shí)間可顯著減少磷素排放。

綜上所述，春季稻田耕作后滯水緩排可以明顯控制農(nóng)田磷素流失，減輕農(nóng)田面源污染。結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際要求，稻田耕作后，如果蓄水1d，保持稻田3cm左右深的田面水，可以減排春耕稻田隨排水遷移流失的磷素污染物71.5%，有效減輕春季農(nóng)業(yè)面源污染。

3 結(jié)論

春耕時(shí)期模擬稻田進(jìn)行耕作后，在不同時(shí)間段，不同采樣深度采集田面水水樣，分析氮磷時(shí)空分布特性和氮磷等隨排水遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律可知，稻田耕作后，田面水中氮、磷等污染物在1h濃度達(dá)到最大，之后隨排水時(shí)間延長(zhǎng)而降低，春耕造成土層擾動(dòng)，土壤中的氮磷釋放進(jìn)入水中而使氮、磷等污染物濃度升高，延長(zhǎng)排水時(shí)間，氮磷沉降，從而減少田面水中氮磷含量；稻田耕作后，田面水中氮、磷等污染物隨排放時(shí)間的變化呈降低趨勢(shì)，控制排水高度，即抬高出水口水位，排水流速減小，水中氮磷濃度降低，由于水位抬高，土壤的厭氧條件也隨之加強(qiáng)，微生物反硝化作用加強(qiáng)。隨著排水時(shí)間延長(zhǎng)，氮素濃度迅速降低；稻田耕作后，田面水若延遲1d排水，可減少總氮、總磷排放濃度分別約65.5%、71.5%，延遲2d排水，可減少總氮、總磷排放濃度分別約86.2%、85.3%；稻田耕作后，因田面水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮濃度隨田面水滯水時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，所以稻田耕作后滯水緩排可以明顯控制農(nóng)田氮素流失，減輕農(nóng)田面源污染。結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，稻田耕作后，若蓄水2～3d，保持稻田3cm左右深的田面水，可減排氮磷污染物，有效減輕春季農(nóng)業(yè)面源污染。