水稻再生水灌溉下的節(jié)水減排效果

韓煥豪，劉鑫焱，高 蓉，崔遠來，顧世祥

（1.昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明650559；2.云南省水利水電勘測設計研究院，昆明650021；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072）

0 引 言

伴隨著農(nóng)業(yè)領域水資源供需矛盾的不斷加劇，將由養(yǎng)殖廢水處理優(yōu)化得來的再生水運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植逐漸獲得廣泛重視[1-3]。再生水替代常規(guī)水資源灌溉同當前水資源需求量的快速增長相適應，通過減少排入地表的水體的污染物質(zhì)降低廢棄污水的處理成本[4]。然而隨著農(nóng)業(yè)再生水運用規(guī)模的擴大，再生水灌溉的安全性日益引起人們的重視[5]。相對于天然淡水，再生水通常具有更高的氮素及有機質(zhì)等養(yǎng)分含量，其用于農(nóng)業(yè)灌溉一方面可以減少化肥的使用，提高農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益[6]，但另一方面其污染物流失可能會對環(huán)境造成潛在影響[7,8]。因此，探究適當比例再生水混合灌溉[9]對合理利用非常規(guī)水資源和緩解面源污染具有重要意義。

水稻是中國耗水耗肥最多的作物之一[10]，而稻田過量施肥及不合理灌溉不僅造成了嚴重面源污染問題，還顯著降低了水肥利用效率[11]。為探究水稻種植過程中對環(huán)境的影響，采用化肥、有機肥及緩控釋肥等肥料[12,13]，以及間歇灌溉、干濕交替、控制灌溉等節(jié)水灌溉模式的水肥綜合調(diào)控試驗研究[14-17]已較多。而采用再生水代替稻田施肥及灌水的研究還較少，稻田再生水灌溉過程中的環(huán)境影響效應還不清楚。為此，本試驗根據(jù)試驗區(qū)所在的洱海流域稻田種植廣布且養(yǎng)殖廢水體量大[18,19]的現(xiàn)實條件，結合稻田濕地生態(tài)系統(tǒng)中水稻生產(chǎn)需水、需氮磷量大的特點，研究分析稻田不同灌溉模式下，再生水代替清水灌溉后的氮磷流失規(guī)律、氮磷消納能力，探求再生水利用過程中的水肥替代率及環(huán)境影響效應，為水稻種植過程中高效、生態(tài)地利用再生水提供了一定的理論依據(jù)及技術支持。

1 試驗材料與設計

1.1 試驗區(qū)概述

試驗在大理洱海西側(cè)喜洲鎮(zhèn)作邑村的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理綜合環(huán)境監(jiān)測站（100°07′43″E， 25°49′59″N，海拔1 975 m）水稻田中進行。試驗區(qū)土壤容重為1.14 g/cm3，容積田間持水率為47.2%，容積飽和含水率為55%。土壤為粉砂質(zhì)壤土，平均粒徑為19.26 μm。試驗區(qū)屬低緯高原，屬于典型的低緯度高原季風氣候，干濕季度分明，降雨豐沛，主要集中于5-10月，占全年降雨量的85%～95%，年均降雨量為1 078.9 mm，另四季溫差不大，年平均氣溫為15.1 ℃，最近15年的年平均日照時間為2 439 h。田間試驗初始土壤總氮（TN），總磷（TP），總鉀，銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝酸鹽氮（NO3--N）含量分別為4.1 g/kg、1.56 g/kg、15.4 g/kg、4.2 mg/kg和5.88 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2020年在田間小區(qū)中進行，每個小區(qū)面積為54 m2（12 m×4.5 m），各小區(qū)用高和寬均為40 cm 的田埂隔開，田埂使用埋深40 cm 的塑料薄膜包裹以防止不同試驗區(qū)側(cè)向水分養(yǎng)分運移。其他田間管理措施均相同。試驗設置淹水灌溉FI 及間歇灌溉AWD 兩種灌溉模式，通過控制水層深度以確定灌水量，具體各生育期水層控制標準如表1 所示。3 種施肥方式：F1（全生育期清水灌溉+施全部化肥）、F2（分蘗期、拔節(jié)孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）及F3（返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）。共計取5 個處理（FIF1、FIF2、FIF3、AWDF1、AWDF2），未設置AWDF3 處理的原因是考慮到AWD 模式下灌水量較少，隨再生水水體帶入氮素不足，后期需施大量化肥以滿足水稻正常養(yǎng)分需求，與AWDF1處理差異不大。每個處理設置3 個重復，共15 個小區(qū)。清水取自站內(nèi)溝渠，水源主要來自蒼山溪水，其輸入氮磷含量較小，可忽略不計。

表1 不同灌溉模式下田間水層控制標準 mmTab.1 Field water layer control standards under different irrigation modes

各處理總施氮量均為193 kg/hm2（以純氮記），施磷（P2O5）、鉀（K2O）量均為62.5 kg/hm2。清水灌溉處理（F1）的氮肥施肥比例為蘗肥：穗肥為7∶3，磷肥和鉀肥在施加蘗肥時一次性全部施入。對于再生水灌溉下的F2和F3處理，鉀肥同樣于蘗肥施加時一次性施入。氮肥和磷肥的施加量則以50%水平年（1980年）稻季降雨資料為依據(jù)，結合試驗再生水基礎氮、磷濃度，設計出施肥制度，扣除預估的再生水灌溉帶入的氮、磷量，即為蘗肥及穗肥所需補充的化肥氮、磷量。又參照2020年稻季降雨情況與設計施肥制度所用50%水平年存在的差異，再生水灌溉下小區(qū)實際施肥狀況如表2 所示。再生水的氮、磷含量于試驗前到現(xiàn)場調(diào)研化驗，多次取樣測得含氮量在30 mg/L 左右，含磷量在2 mg/L 左右。施入的化肥中氮肥種類為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。試驗采用水稻品種為03鑒44。

表2 再生水灌溉處理小區(qū)實際施肥制度Tab.2 Actual fertilization system for reclaimed water irrigation treatment plot

1.3 觀測內(nèi)容及方法

（1）田面水在水稻各生育期末、產(chǎn)生排水以及施肥后第1、3、5、7、9天分別進行取樣，水樣用聚乙烯瓶采取，低溫保存。

（2）在各處理田塊植入深度分別為20 cm、40 cm、60 cm的地下水溶液提取器對地下水進行取樣化驗。

（3）水樣TN 觀測采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[20]，TP觀測采用鉬酸銨分光光度法[21]，銨態(tài)氮觀測采用納氏試劑比色法[22]，硝態(tài)氮觀測采用紫外分光光度法[23]，COD 觀測采用重鉻酸鹽法[24]。

（4）排水量：根據(jù)灌、排水前后田間水層深度的差值進行計算。

淋溶量：在田間安裝鋼板測滲筒（有蓋），每日早8∶00用水尺觀測測滲筒水深變化，筒內(nèi)每日水深之差即為淋溶量。注意保持測滲筒中水層深度與田間水層深度基本持平，避免側(cè)滲。

（5）田間TN、TP流失及淋溶負荷按式（1）計算：

式中：T為N、P損失總量，kg/hm2；i、n分別為水稻生育期日序號和全生育期天數(shù)；Ci為第i日所取田面水、地下水中N、P濃度，mg/L；Qi為第i日田間排水量或淋溶量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同處理下稻田田面水氮磷濃度變化及徑流損失負荷量

2.1.1 田面水氮磷濃度變化

不同處理下稻田田面水氮素濃度變化如圖1 所示。由圖1可知，NH4+-N 峰值與TN峰值同步出現(xiàn)，一般出現(xiàn)在施肥或灌再生水的第2 天，而NO3--N 的峰值出現(xiàn)的時間位于NH4+-N 之后，這主要是因為NO3--N 是由NH4+-N經(jīng)硝化反應所得，而硝化過程需要一定的時間[25,26]。因此有研究人員認為NH4+-N 是施肥初期田面水的主要監(jiān)測因子，NO3--N 是后期主要監(jiān)測因子[27]。清水灌溉F1 處理下，施分蘗肥和穗肥之后稻田田面水TN 濃度迅速增加后迅速下降。再生水灌溉與清水相比，施肥次數(shù)較多，氮素濃度隨著灌水而增加，后又降低；與F1 處理相比，氮素濃度峰值出現(xiàn)次數(shù)較多但峰值較小。F1 處理下，兩種灌溉模式下的氮素濃度峰值差異較小，主要是因為施肥時水層差異較小。而在F2、F3 處理下，再生水的含氮量差異較小，兩種灌溉模式下的田面水氮素濃度峰值與再生水灌水量有關，灌水量越大，氮素濃度峰值越高。

圖1 不同處理下稻田田面水氮素濃度變化Fig.1 Changes of nitrogen concentration in paddy field surface water under different treatments

田面水TP 濃度變化規(guī)律與TN 一致，田面水TP 濃度峰值也出現(xiàn)在灌再生水或施肥以后（圖2）。清水灌溉處理的峰值只有一個，約為4.5 mg/L。與清水灌溉相比，再生水灌溉TP濃度峰值出現(xiàn)次數(shù)較多且數(shù)值小，約為2 mg/L。磷素不易移動，兩種灌溉模式下的TP濃度整體差異不大。

圖2 不同處理下稻田田面水TP濃度變化Fig.2 Changes of TP concentration in paddy field surface water under different treatments

2.1.2 氮磷徑流損失負荷量

由表3 可知，整個稻季7月份排水次數(shù)較多，9月份則單次降雨量較大，導致9月份單次排水量較大，但此時水稻已接近收割，田面水中氮磷較少，造成的氮磷損失相對較少。AWD 模式比FI 模式平均減少排水30.9%。AWD 下TN、TP 平均徑流負荷分別為1.34 和0.32 kg/hm2，F(xiàn)I 模式下TN、TP 平均徑流負荷分別為3.42 和0.81 kg/hm2，AWD 比FI 分別減排了60.8%和60.4%。由圖1 和圖2 可知，AWD 下田面水氮磷濃度較FI 大，但因其排水量較FI 小，且差距顯著，使得AWD 下TN、TP徑流負荷小于FI處理。

表3 稻田排水氮磷負荷統(tǒng)計表 kg/hm2Tab.3 Statistical table of nitrogen and phosphorus load in paddy field drainage

由于每次再生水灌溉均帶入氮磷元素，田面水層的深度難以得到有效控制，無法有效地通過保持施肥前后田面水處于較低水平的方法避免排水的發(fā)生從而減少氮磷流失，導致其氮磷徑流負荷較清水灌溉高，再生水灌溉的氮磷流失量平均值分別為2.65 和0.62 kg/hm2，比清水灌溉平均高0.55 和0.14 kg/hm2，分別增加26%和28.6%?？梢姡偕喔葧蚱鋷敕柿系姆稚⑿?，使排水氮磷濃度無法得到控制而增加氮磷流失風險，這與化肥施加總量一定的情況下增加施肥次數(shù)可以減少氮素損失的研究結果[28]不一致，主要是因為多次灌再生水帶入肥料與傳統(tǒng)意義上的增加施肥次數(shù)不同。

2.2 不同處理下稻田地下水氮磷濃度變化及淋溶損失負荷量

2.2.1 地下水氮磷濃度變化

由圖3知，各深度地下水TN 濃度變化規(guī)律與田面水相似，都是在施肥或灌再生水后增大，隨后逐漸減小。隨著深度的加深，地下水TN 濃度大體上呈降低的趨勢。從20 cm 到40 cm降低的趨勢較為明顯，20 cm 處地下水的TN 濃度變化范圍為0.77～18.76 mg/L，40 cm 處的變化范圍為0.53～8.09 mg/L，60 cm 處TN 濃度變化范圍為0.11～7.83 mg/L；40 cm 到60 cm 地下水TN濃度降低幅度較小。

圖3 不同處理下各深度地下水TN、TP濃度變化Fig.3 Changes of TN and TP concentrations in groundwater at various depths under different treatments

20 cm 處地下水TP 濃度的變化范圍為0.02～1.84 mg/L，40 cm 處為0.06～0.9 mg/L，60 cm 處為0.01～0.96 mg/L，也是從20 cm 到40 cm 降低較快，40 cm 到60 cm 濃度降低不明顯。主要原因是20～40 cm 深土壤為稻田犁底層，質(zhì)地比較致密，對地下水中氮磷有較大攔截凈化作用。

2.2.2 氮磷淋溶損失負荷量

試驗區(qū)地下水埋深較淺，加上田埂防滲深度僅為40 cm，60 cm 層淋溶水TN、TP 濃度受外水影響較大，僅以20 cm 和40 cm 層的TN、TP 平均濃度來計算各處理各生育期的TN、TP淋溶負荷，計算得TN、TP淋溶負荷如表4所示。

由表4 可知，F(xiàn)I 下TN、TP 平均淋溶負荷為3.93 和0.5 kg/hm2，分別比AWD 高28.4%和55.1%。李榮剛等[29]對稻田的研究也證實了節(jié)水灌溉相比常規(guī)灌溉可減少氮素淋溶損失量，提高氮肥當季利用率。再生水灌溉下TN、TP 平均淋溶負荷分別為3.35 和0.39 kg/hm2，分別比清水灌溉減少11%和3%。FI模式下，返青期灌再生水處理FIF3與FIF2相比，TN、TP淋溶負荷相差均不足5%，可見返青期灌再生水在淋溶損失方面與其他再生水灌溉處理相比沒有明顯差異。

表4 不同處理下各生育期淋溶水TN、TP淋失量 kg/hm2Tab.4 Leaching loss of TN and TP in each growth period under different treatments

2.3 不同處理下稻田COD去除效果

不同處理下稻田田面水COD 動態(tài)變化如圖4 所示。由圖4可知，不同灌溉模式下田面水COD 動態(tài)變化差異不明顯。清水灌溉處理下田面水COD 濃度在水稻生育期內(nèi)處于上下波動狀態(tài)，波動范圍為17.7～39.6 mg/L。再生水灌溉處理田面水COD 濃度隨著再生水的灌入而變化，灌再生水后田面水COD峰值約120 mg/L，明顯高于清水灌溉。灌再生水后4～5 d，田面水COD 濃度降低到與清水灌溉相當?shù)乃?，約25 mg/L，去除率達78.2%。停灌再生水后，再生水灌溉處理田面水COD濃度平均濃度為33.8 mg/L，僅比清水灌溉處理平均增加6.5 mg/L，可見稻田生態(tài)系統(tǒng)對再生水COD 具有較強的去除能力，再生水灌溉對水稻生育后期田面水COD 濃度影響不大，只使其略微增加。

圖4 不同處理下稻田田面水COD濃度動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of COD concentration in paddy field surface water under different treatments

不同處理下各深度淋溶水COD 動態(tài)變化如圖5 所示。由圖5 可知，不同灌溉模式下的淋溶水COD 濃度差異較小，多數(shù)情況下AWD 下的COD 濃度略低于FI 模式。淋溶水中COD濃度從20 cm 層到40 cm 層明顯減小，20 cm 層COD 濃度的變化范圍為11.9～97.6 mg/L，40 cm 層COD 濃度變化范圍為8.7～46.4 mg/L，40 cm 層到60 cm 層COD 濃度在13 mg/L 上下小幅度波動。結合圖4田面水COD 濃度來看，20 cm 層COD 濃度變化規(guī)律與田面水COD 濃度變化規(guī)律類似，40 cm 層和60 cm 層COD 濃度變化則未表現(xiàn)出隨田面水COD 濃度變化而變化的規(guī)律。隨著深度的加深，各處理間COD 的濃度的差異減小?？梢?，稻田生態(tài)系統(tǒng)對再生水中有機物的有明顯的消解截留作用，具有較好的凈化效果。

圖5 不同處理下稻田地下滲漏水COD濃度動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of COD concentration in rice field groundwater under different treatments

2.4 稻田對再生水氮磷消納能力

以再生水灌溉及施肥帶入氮磷量為基礎，僅考慮徑流與淋溶損失兩種重要途徑流入環(huán)境的氮磷量，忽略氨揮發(fā)及其他負荷，計算稻田對再生水氮磷的消納能力[30]。不同再生水灌溉處理下稻田對再生水氮磷的消納量和消納能力如表5 所示。由表5 可知，再生水灌溉下，F(xiàn)I 模式對氮磷的消納量大于AWD，這與FI 模式灌入的再生水量較大有關。表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)，增加再生水的灌入量可以增大稻田對再生水氮磷的消納量。不同處理對再生水氮、磷的消納能力差別不大，對氮的平均消納能力為92%，對磷的平均消納能力為81%。由此知，灌入氮、磷濃度在合理范圍之內(nèi)的再生水，其氮磷絕大部分能被稻田消納。

表5 不同再生水灌溉處理下稻田再生水氮磷的消納量和消納能力Tab.5 Nitrogen and phosphorus absorption and absorption capacity of paddy field reclaimed water under different reclaimed water irrigation treatments

2.5 不同水文典型年再生水灌溉水量及肥料替代率

以不同典型水文年再生水灌溉制度為依據(jù)，分析各水文典型年再生水灌溉替代清水效果如表6 所示。由表6 可知，75%水平年與90%水平年再生水灌溉條件下所需灌水量相同，這與大理地區(qū)降雨集中在稻季，75%水平年和90%水平年稻季降雨量接近有關。不同灌溉模式下，AWD 的節(jié)水效率高于FI，且在枯水年和特旱年表現(xiàn)更加明顯，節(jié)水效率的平均值分別為74.8%和73.5%，可見水稻再生水灌溉具有較大節(jié)水潛力。

表6 不同典型水文年所需灌清水量及節(jié)水效率Tab.6 The amount of fresh water needed for irrigation and water saving efficiency in different typical hydrological years

以不同典型水文年再生水灌溉制度為依據(jù)，計算各水文典型年再生水灌溉帶入的氮、磷肥量及其對化肥的代替率如表7所示。由表7可知，枯水年和平水年，水稻再生水FI模式帶入的肥量與AWD 相同，肥量替代率也相同。這是因為在這兩類水文年下，AWD 與FI 在水稻灌再生水的生育階段，所需的灌水量相同。氮肥的最大帶入量為69 kg/hm2，代替效率為35.8%，發(fā)生在75%水平年，灌溉模式為FI。從總體上看，水稻再生水FI模式下由再生水帶入的肥量較AWD 大，F(xiàn)I帶入氮肥量的各水平年均值為51.75 kg/hm2，AWD 的平均值為22.52 kg/hm2。磷肥的帶入量和替代率都較小，若再生水TP 濃度較小，可在再生水灌溉過程中不考慮磷的帶入量。

表7 不同水文典型年再生水灌溉帶入肥量及肥料替代率Tab.7 Fertilizer intake and fertilizer replacement rate brought by reclaimed water irrigation in different hydrological typical years

3 結 論

本文通過對再生水灌溉條件下稻田氮磷流失規(guī)律、氮磷消納能力及COD 去除效果的試驗分析，研究再生水灌溉下的節(jié)水減排效果，主要得到以下結論：

（1）再生水灌溉下NH4+-N 濃度峰值出現(xiàn)次數(shù)多、峰值小且峰值大小與灌入的再生水TN濃度相當，田面水NO3--N的峰值存在延后的現(xiàn)象。AWD 下TN、TP 徑流負荷比FI 分別減少60.8%和60.4%，再生水灌溉氮磷徑流流失平均值分別為2.65和0.62 kg/hm2，分別比清水增加了26%和28.6%。（2）地下水TN、TP 濃度整體上呈隨深度的增加而減小的趨勢，20 cm 層到40 cm 層減小較為明顯。AWD 因其淋溶量較小使得平均淋溶負荷較小。再生水灌溉平均TN、TP 淋溶負荷分別為3.35 和0.39 kg/hm2，分別比清水灌溉少11%和3%，具有一定降低淋溶損失的效果。（3）稻田對再生水灌溉處理氮的平均消納能力為92%，磷為81%，灌再生水4～5 d 之后COD 的去除率達78.2%。在合理范圍內(nèi)由再生水灌溉帶入稻田的氮磷營養(yǎng)元素，絕大部分能被稻田生態(tài)系統(tǒng)消納去除，幾乎不會對環(huán)境造成負面影響。（4）再生水灌溉可節(jié)約75%左右的清水，F(xiàn)I 模式下由再生水帶入的肥量較AWD 大。75%水平年且FI下再生水氮素帶入量最大（69 kg/hm2），氮肥的代替效率為35.8%，而磷肥的帶入量和替代率都較小。