明溝-暗管組合控排下稻田水氮流失特征

李亞威，徐俊增,2，劉文豪，繳錫云,2，周姣艷，張 堅(jiān)

明溝-暗管組合控排下稻田水氮流失特征

李亞威1，徐俊增1,2※，劉文豪1，繳錫云1,2，周姣艷3，張 堅(jiān)3

（1. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.昆山市城市水系調(diào)度與信息管理處，蘇州 215300）

準(zhǔn)確認(rèn)識稻田灌溉或降雨引起的排水發(fā)生規(guī)律及面源污染物排放特征，有助于優(yōu)化控制灌排措施，實(shí)現(xiàn)稻田高效控污減排。該研究通過在稻田暗管和明溝排水出口處設(shè)置水位控制裝置，組成了稻田明溝-暗管組合控排系統(tǒng)，針對6次典型灌溉引起的排水事件，監(jiān)測了暗管出口和明溝出口處的排水強(qiáng)度和氮素濃度，開展了水氮流失規(guī)律研究。結(jié)果表明，在僅明溝控制排水（OD）下，灌溉引起的明溝排水量占總灌水量的44.0 %，灌溉導(dǎo)致的排水占比較大，應(yīng)引起重視；對于明溝-暗管組合控制排水（CD），暗管和明溝控排的兩級銜接改變了稻田和明溝的排水過程，使CD明溝出口排水峰值、強(qiáng)度及排水持續(xù)時間均低于OD，排水量降低了51.6%，CD明溝排水量占灌水量的比例降至24.4%；灌溉伴隨施肥的排水事件（F1、F2和F3）中銨氮（NH4+）、硝氮（NO3-）和全氮（TN）的濃度遠(yuǎn)高于單純灌溉的排水事件（D1、D2和D3），應(yīng)注意施肥關(guān)鍵期的排水管理以減少氮素流失；CD明溝控排對暗管排水中的NH4+、NO3-和TN的消減比例分別為52.2%、54.2%和54.9%，同時CD明溝排水NH4+、NO3-和TN負(fù)荷相比OD明溝排水降低了42.6%、70.7%和39.3%，明暗組合控排系統(tǒng)的控污減排效果明顯。因此，明暗組合控排措施具有較好的減排控污效果，對提高南方稻作區(qū)農(nóng)田水氮利用效率和減輕面源污染具有一定借鑒意義。

灌溉；排水；暗管；氮素流失；稻田

0 引 言

水稻是主要的糧食作物之一。中國第三次全國國土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報顯示，水稻種植面積約占中國耕地面積的25%。由于水稻的半水生特性，其生育期對水分的需求量較高，全生育期耗水量大，稻田灌水量占中國農(nóng)業(yè)用水量的65%以上[1]。近些年，稻田節(jié)水灌溉的推廣使稻田的用水量在一定程度上有所降低[2]。但由于過量施肥，加之降雨和不合理灌排引起的徑流、側(cè)滲、和滲漏等排水?dāng)y帶大量農(nóng)田氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入周邊水體，由此引起的面源污染仍然十分嚴(yán)峻[3-4]。因此，通過稻田控制灌排措施協(xié)調(diào)降雨、灌溉和排水對于提高水分利用效率、緩解面源污染具有重要意義。

明溝排水系統(tǒng)是稻田排澇的有效措施，在當(dāng)下由農(nóng)田引起的面源污染加重的背景下，明溝作為稻田徑流和側(cè)滲排水的承接者，在其排水系統(tǒng)中增加控制排水設(shè)施已成為減少農(nóng)田排水和氮磷污染物排放的有效措施[5-7]。高煥芝等[8]針對稻作區(qū)控制灌排的研究表明，控制灌排相比常規(guī)灌排，排水總量減少約54%，銨氮、硝氮和總磷流失量分別減少38.07%、82.29%和52.15%。而從田塊尺度來講，設(shè)置田埂高度的控排措施主要是為了攔蓄強(qiáng)降雨產(chǎn)生的排水[9]，地表排水中的氮磷等物質(zhì)濃度通常較高，不利于面源污染的控制。暗管排水作為旱地除澇治漬的有效手段，通過對田間水位的調(diào)控可有效提高水肥利用效率并減少污染[10]。在旱地棉田，袁念念等[11]研究發(fā)現(xiàn)，出口安裝控制排水裝置的暗管較自由排水可減少排水量61.3%～86.9%。將暗管排水用于稻田，可將稻田表水下滲至暗管，從而最大程度地降低地表排水的風(fēng)險[12]，通過暗管水位調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對灌溉來水的控制，減少排水。Darzi-Naftchali等[3,13-14]在伊朗北部展開了一系列稻田暗管排水試驗(yàn)，初步證明了暗管排水技術(shù)在提高產(chǎn)量和水氮利用效率的益處。然而目前國內(nèi)暗管控制排水技術(shù)在稻田的應(yīng)用還較少[15]，仍然需要更多研究探索其在稻田節(jié)水減排中的應(yīng)用價值。

本研究基于田間布置的稻田暗管排水控制系統(tǒng)和明溝排水控制系統(tǒng)，組成明溝-暗管組合控制排水系統(tǒng)，通過對6次典型灌溉排水事件的排水過程和氮素流失變化特征的高頻監(jiān)測，討論明暗組合控排措施在控制稻田灌溉引起的排水和氮素流失的作用及機(jī)制，以期為推行合理的稻田控排組合模式來提高灌溉水分利用率、緩解稻田氮素流失的環(huán)境負(fù)效應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年6—10月在河海大學(xué)水文水資源與水利科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山排灌試驗(yàn)基地（34°63′21″ N，121°05′22″ E）進(jìn)行。試驗(yàn)基地位于江蘇省昆山市千燈鎮(zhèn)，屬于太湖流域平原，為亞熱帶南部季風(fēng)氣候。該地區(qū)多年平均氣溫15.5 ℃，降水量1 097 mm，蒸發(fā)量1 366 mm，日照時數(shù)2 086 h, 無霜期234 d。試驗(yàn)地已執(zhí)行多年稻麥輪作，土壤類型為潴育型黃泥土，土壤耕層質(zhì)地為黏土（砂粒3.7%，粉粒7.3%，黏粒89.0%），0～18 cm土層土壤容重為1.32 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為21.88 g/kg，全氮1.1 g/kg，全磷1.4 g/kg，全鉀20.9 g/kg，pH值為7.4。水稻從插秧到收獲生育期（6月25日—10月27日）總降雨量為414.8 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在試驗(yàn)基地6個標(biāo)準(zhǔn)防滲試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行，小區(qū)面積均為150 m2（10 m×15 m），四周建有鋼筋混凝土隔水墻（高1.0 m，厚0.4 m，內(nèi)側(cè)涂裝防滲涂層）。試驗(yàn)小區(qū)和排水明溝布置見圖1。

試驗(yàn)有兩種不同的排水控制組合方式：明溝控制排水（田間側(cè)滲自由排水+明溝控制排水，OD）和明溝-暗管組合控制排水（田間暗管控制排水+明溝控制排水，CD），OD和CD各自的明溝分別承接3個試驗(yàn)小區(qū)排水。對于OD的3個試驗(yàn)小區(qū)（分別命名為OD1、OD2和OD3），為了模擬田間側(cè)向排水進(jìn)入明溝，在每個小區(qū)挨著明溝的混凝土隔水墻內(nèi)側(cè)，于田面以下30和60 cm深度設(shè)置透水管（DN110，管直徑110 mm），通過三通轉(zhuǎn)接垂直穿過混凝土隔水墻，向OD明溝自由排水。在OD明溝出口處布置兼具排水水位控制和排水計(jì)量功能的量水堰，以控制明溝水位和監(jiān)測排水流量。CD的3個試驗(yàn)小區(qū)（分別命名為CD1、CD2和CD3）沿田塊中線與明溝垂直布置排水暗管（DN110），埋深均為田面下60 cm。

為達(dá)到排除稻田地表積水的目的，CD的3個田塊排水暗管布置借鑒改進(jìn)的暗管安裝設(shè)計(jì)[16]，選用大石子（粒徑范圍＞20～40 mm）、中石子（＞10～20 mm）、瓜子片（3～10 mm）及素土組成反濾體，構(gòu)造如圖2所示。CD的3個試驗(yàn)小區(qū)暗管排水出口設(shè)置水位控制管、水位指示管、排水箱及量水堰，通過調(diào)節(jié)水位控制管出水口高度控制田間水位和暗管排水過程，通過量水堰堰上水頭的自動監(jiān)測實(shí)現(xiàn)排水過程的高頻監(jiān)測，布置如圖3所示。CD明溝出口布置控制排水設(shè)施同OD明溝，兩明溝中間設(shè)置隔斷，互不連通。同時在6個小區(qū)田表擋墻外分別布置田面徑流排水測量與控制裝置，當(dāng)田面水深超過三角堰堰口時發(fā)生地表徑流排水，此時通過堰上水頭的自動測量監(jiān)測田表排水過程。為了防止田塊內(nèi)水分沿混凝土擋墻形成優(yōu)先流進(jìn)入濾管，沿田塊四周布置斜田埂至擋墻頂部（圖3）。

1.2.2 試驗(yàn)方案

OD的3個試驗(yàn)小區(qū)（OD1、OD2和OD3）布置透水管模擬田間自由側(cè)滲排水，僅在明溝出口設(shè)置控制排水設(shè)施。明溝出口設(shè)有45°薄壁三角堰，堰口水位零點(diǎn)設(shè)置為田面以下40 cm，實(shí)現(xiàn)對OD明溝的排水調(diào)控和排水過程監(jiān)測。CD采用暗管-明溝兩級控制排水措施。CD1、CD2和CD3試驗(yàn)小區(qū)暗管排水出口水箱設(shè)有30°薄壁三角堰，堰口水位零點(diǎn)設(shè)置為田面以下30 cm。暗管出口水位控制管排水出口高度設(shè)置為田面以下20 cm。CD明溝出口三角堰設(shè)置同OD明溝出口，實(shí)現(xiàn)暗管與明溝兩級控制排水。各小區(qū)田表排水出口設(shè)有30°薄壁三角堰，堰口水位零點(diǎn)設(shè)置為田面以上5 cm，用于監(jiān)測可能的強(qiáng)降雨產(chǎn)生的田面排水。

所有試驗(yàn)小區(qū)采用同一施肥方案，即基肥（復(fù)合肥，16-12-17，施純氮84 kg/hm2）、返青肥（尿素，69.6 kg/hm2）、分蘗肥（尿素，69.6 kg/hm2）和穗肥（尿素，55.7 kg/hm2）。試驗(yàn)期間降雨分布如圖4所示。試驗(yàn)田塊灌溉均施行當(dāng)?shù)仄毡橥菩械墓?jié)水灌溉，6個試驗(yàn)小區(qū)執(zhí)行相同的灌溉標(biāo)準(zhǔn)，水稻各生育階段灌溉使用的耕層土壤水分控制上下限閾值見參考文獻(xiàn)[17]，每個試驗(yàn)小區(qū)單獨(dú)配備電磁流量計(jì)記錄灌水量，水稻全生育期各小區(qū)實(shí)際灌水量如表1所示。

表1 各試驗(yàn)小區(qū)水稻不同生育階段灌水量

考慮到灌水和施肥時機(jī)對排水量和氮素?fù)p失量的交互影響，研究分別選取3次施肥后灌水引起的排水事件（6月30日施返青肥、7月12日施分蘗肥和8月6日施穗肥，分別命名為F1、F2和F3）和3次單純灌水后的排水事件（7月19日、8月10日和9月13日，分別命名為D1、D2和D3）作為典型灌溉排水過程，以詳細(xì)描繪明暗組合控排措施下灌溉引起的排水過程和氮素?fù)p失特征。雖然6個試驗(yàn)小區(qū)灌水技術(shù)參數(shù)設(shè)置相同，但由于田塊滲漏差異，各試驗(yàn)小區(qū)灌溉制度出現(xiàn)了較大不同（表1），而本研究所關(guān)注的排水過程只針對6次具體的灌排事件，與灌溉制度關(guān)系不大。6次灌排事件中僅F3事件當(dāng)天灌水開始前發(fā)生5.6 mm降雨，其余事件灌水前2 d及排水過程中均無降雨發(fā)生，選擇的6次灌排事件受降雨的影響均較小。

1.3 排水監(jiān)測與水樣采集分析

本研究主要關(guān)注典型灌溉引起的排水過程及其氮素流失特征。從灌溉開始至田間暗管產(chǎn)生排水時，在CD1、CD2和CD3暗管排水出口下游水舌處取水樣。針對OD和CD的明溝排水出口，當(dāng)水位到達(dá)堰口水位零點(diǎn)開始排水時，在三角堰下游水舌處取水樣。暗管和明溝排水初期采樣頻率為1次/h，后期根據(jù)排水強(qiáng)度變化酌情調(diào)整，直至排水結(jié)束。每次采樣在10分鐘內(nèi)采集3個15 mL水樣，混合得到45 mL混合水樣，以降低偶然因素影響。

水樣采集后帶回室內(nèi)至于4 ℃冷藏箱保存，并在24 h內(nèi)完成水質(zhì)化驗(yàn)，測定指標(biāo)包含銨態(tài)氮（NH4+）、硝態(tài)氮（NO3-）和全氮（TN）。NH4+濃度測定采用1 mol/L KCl溶液浸提-分光光度法，NO3-濃度測定采用紫外光分光光度法，TN濃度測定采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法[18]。每次灌溉排水過程的氮素總流失量根據(jù)下式計(jì)算：

式中為一次灌溉排水過程氮素總流失量，kg/hm2；為單次灌排事件的取樣次數(shù)；D+1為第次至+1次取樣間的排水量，mm；C+1為第+1次水樣的氮素濃度，mg/L。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2016軟件對典型灌溉排水過程中的排水量和氮素?fù)p失量進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，使用SigmaPlot 12.5 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型暗管-明溝排水過程

本研究選取的6次灌水引起的排水過程如圖5所示。所有6次灌排事件中，灌水延續(xù)時長均為2.5或3 h，實(shí)際灌水量見表1。由于灌水量和田塊邊界的限制，6次灌水均未產(chǎn)生地表排水，但均有暗管排水和明溝排水發(fā)生（圖5）。對于暗管控制小區(qū)（CD1、CD2和CD3），暗管排水過程變化趨勢較為一致，排水強(qiáng)度均隨著時間先增大后減小，且有明顯的排水峰。在6次排水事件中各小區(qū)暗管排水開始時間和峰值出現(xiàn)時間有明顯的差異。暗管排水開始時間主要受灌水前小區(qū)土壤水分狀況影響。F1灌水發(fā)生在返青期，田間水分充足，在灌水1 h即發(fā)生排水，排水峰值出現(xiàn)在灌水結(jié)束時（3 h）；D2和D3灌水發(fā)生在拔節(jié)和乳熟期，水分調(diào)控下限低，灌水前土壤含水率較低，在灌水開始后1.5～2.5 h發(fā)生排水，峰值出現(xiàn)在第3.5～4.5 h；而在D1、F2和F3灌水事件發(fā)生在分蘗和拔節(jié)孕穗期，此時期在灌水鄰近結(jié)束時才發(fā)生排水，峰值出現(xiàn)在第3.5～4.5 h。除了排水開始時間的差異外，各小區(qū)暗管排水強(qiáng)度峰值大小在6次灌水事件中也有明顯差異，峰值范圍為2.1～5.5 mm/h，這主要受灌水量的影響。

承接田塊排水的CD和OD明溝在6次灌水事件中也均產(chǎn)生了排水。在時間上，兩個明溝的排水強(qiáng)度均表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，且基本為單峰（圖5）。CD明溝排水開始的時間除F1和F3灌水事件發(fā)生在灌水即將結(jié)束時外，其余均發(fā)生在灌水結(jié)束后，這主要受排水溝前期水位影響，F(xiàn)1、F3和D2灌水事件前排水溝承接的降雨和灌水排水較多，溝水位較高，故容蓄田塊排水能力有限。各次排水的排水峰值范圍為0.5～6.5 mm/h，差異較大，這主要受溝水位和暗管排水強(qiáng)度影響。從3個小區(qū)暗管排水和CD明溝排水的銜接上來講，除了F3排水事件外，明溝排水開始的時間均晚于暗管排水，明溝排水的峰值出現(xiàn)時間與暗管排水同步或明顯晚于暗管排水。OD明溝的排水強(qiáng)度在6次灌水事件中均明顯大于CD明溝，其平均排水強(qiáng)度為CD明溝的1.5～4.4倍，排水峰值為1.3～8.2倍。OD的3個小區(qū)側(cè)滲排水出口未設(shè)置控制排水裝置，OD明溝出口控制水位相當(dāng)于田塊控制水位，這是其與CD的明暗兩級控制的最大區(qū)別。從排水開始時間上看，除了F2和F3排水事件，OD明溝排水也明顯早于CD。

2.2 典型排水過程中的氮素流失特征

6次灌溉引起排水過程的氮素濃度動態(tài)有明顯差異（圖6、圖7和圖8）。首先，在3次灌溉和施肥同天進(jìn)行的灌水事件（F1、F2和F3）中，CD1、CD2和CD3暗管排水的NH4+和TN濃度隨著排水逐漸增大，NH4+平均濃度分別為2.7、4.9和4.8 mg/L，TN平均濃度分別為4.2、7.8和7.4 mg/L，而NO3-濃度除初期排水出現(xiàn)濃度波動外，整體上則表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，平均濃度明顯低于NH4+，分別為0.5、0.5和0.3 mg/L，排水中的氮素形態(tài)主要以NH4+和可溶性有機(jī)氮為主，NO3-的濃度處于較低水平。而在施肥之后一周內(nèi)的D1和D2灌水事件中，NH4+、NO3-和TN濃度均隨著排水進(jìn)行逐漸降低，NH4+平均濃度在0.6和2.3 mg/L，NO3-為0.1和0.2 mg/L，TN為1.2和3.9 mg/L。對于離施肥時間較遠(yuǎn)的D3灌水事件，其排水中的NH4+和NO3-平均濃度在0.1 mg/L左右，TN平均濃度為0.7 mg/L，均處于較低水平。3個小區(qū)暗管排水開始時排水中的氮素濃度有一定差異，在一定程度上體現(xiàn)了各小區(qū)灌水前土壤氮水平差異。但對于暗管控制排水來說，單次排水的氮素濃度主要由灌溉時間距施肥時間長短決定。

明溝CD承接了CD1、CD2和CD3的暗管排水，其排水中的氮素濃度與3個小區(qū)排水的氮素濃度關(guān)系密切。CD明溝排水過程中NH4+、NO3-和TN濃度的變化趨勢在6次灌水事件中與3個小區(qū)暗管排水整體上較為一致，但CD明溝排水的平均氮素濃度在大部分排水事件中要明顯低于小區(qū)的暗管排水氮素濃度。OD明溝排水NH4+、NO3-和TN濃度變化趨勢與CD也基本相一致，但OD明溝NH4+和TN在F1、F2、F3以及D1、D2排水事件中的平均濃度范圍為0.3～2.6和1.1～4.9 mg/L，略低于CD明溝的0.4～3.2和1.1～5.4 mg/L，而對于NO3-來說，則是OD明溝略高于CD明溝。

2.3 典型排水的水氮流失量

單次排水量及排水強(qiáng)度在不同的排水控制中有明顯不同。控制灌溉制度生育期灌水上下限引起了6個小區(qū)單次灌水量的差異。圖9給出了排水強(qiáng)度峰值和排水量與單次灌水量的相關(guān)關(guān)系。CD明溝控制的3個小區(qū)暗管排水量和排水峰值與灌水量均呈顯著正相關(guān)（<0.05），3個小區(qū)在6次灌排事件中的平均排水量占灌水量的比例為28.8%～39.3%（表2）。CD明溝的排水量和排水峰值與灌水量相關(guān)性不顯著，其6次事件平均排水量占灌水量的比例為24.4%。而OD明溝排水量和排水峰值與3個小區(qū)灌水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05），6次灌排事件平均排水量占灌水量的比例為44.0%，相比OD明溝，CD明溝的排水量降低了51.6%。CD田塊暗管控制排水在一定程度上改變了CD明溝的排水特征，相比OD僅明溝出口控制排水，CD暗管加明溝兩級控制排水大大減小了灌溉引起的排水比例。

表2 典型灌溉排水過程暗管-明溝累積水氮流失量

注：F1+F2+F3和D1+D2+D3分別表示施肥后灌水（F）和僅灌水（D）各3次灌排事件的和; D/I表示排水量占灌水量的比例。

Note: F1+F2+F3 and D1+D2+D3 represent the sum of three irrigation-drainage events after fertilization (F) and irrigation only (D), respectively; D/I represents the ratio of drainage amount to irrigation amount.

6次典型灌排事件中，排水中的氮素總負(fù)荷與施肥與否存在聯(lián)系。在灌水與施肥耦合的3次灌排事件中，CD兩級排水和OD排水中的無機(jī)氮以NH4+為主，NO3-比例很低，二者分別占TN負(fù)荷的58.1%～64.0%和7.2%～15.9%，對于僅灌水的3次灌排事件，這一占比為50.2%～58.5%和7.2%～16.3%，排水中NH4+比例降低的原因是D3灌排事件距離施肥時間較遠(yuǎn)，施肥帶來的NH4+已基本被利用或轉(zhuǎn)化，因此其排水中的NH4+濃度處于很低的水平。F1、F2和F3事件中，CD明溝承接CD1、CD2 和CD3小區(qū)3次總排水的NH4+、NO3-和TN負(fù)荷分別為1.59、0.19和2.54 kg/hm2，遠(yuǎn)高于僅灌水的3次灌排事件（NH4+、NO3-和TN負(fù)荷分別為0.44、0.07和0.85 kg/hm2）。在施肥后灌水的3次灌排事件，CD明溝對暗管排水中的NH4+、NO3-和TN的消減比例分別為55.2%、61.7%和59.1%；在僅灌水的3次灌排事件，三者的消減比例分別為49.2%、46.6%和50.6%，6次灌排事件的平均消減比例為52.2%、54.2%和54.9%。CD明溝排水氮負(fù)荷明顯低于OD明溝排水，前者NH4+、NO3-和TN負(fù)荷在灌水和施肥耦合事件中僅為后者的71.7%、35.7%和71.4%，在僅灌水的排水事件中為后者的43.2%、22.9%和50.3%，6次灌排事件CD明溝排水NH4+、NO3-和TN負(fù)荷相比OD明溝分別降低42.6%、70.7%和39.3%。

3 討 論

在稻田排水中，以往研究主要集中在強(qiáng)降雨引起的地表徑流排水和側(cè)滲排水[19-21]，或者從全生育期總體評判灌溉和降雨的排水損失量[22-23]，而較少單獨(dú)關(guān)注灌溉引起的排水。本研究提取并詳細(xì)描繪了水稻主要生育階段6次典型灌溉引起的排水過程，在模擬側(cè)滲自由排水的OD中，6次排水事件的明溝總排水量占灌溉量的比例達(dá)到44.0%，考慮到OD明溝控制排水容蓄了部分水量，從田間損失的水量占總灌水量的比例將會更高。因此，稻田由灌溉引起的排水可能在整個水稻生育期中占有很大的比例，不容忽視。OD的明溝排水量以及排水峰值均與灌水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖9，<0.05），這與由降雨引起的排水特征具有一致性[19,24]。考慮到稻田施肥常常與灌溉疊加，在本研究選取的3次灌水疊加施肥的排水事件中，其在整個排水過程的NH4+、NO3-和TN濃度明顯高于僅灌溉的排水事件（圖6、圖7和圖8）。因此，控制施肥關(guān)鍵期的稻田排水，可能是降低稻田氮素流失的關(guān)鍵。

從田塊角度，減少排水主要有兩個手段，一個是減少稻田水層存在天數(shù)，在稻田灌溉中使用節(jié)水灌溉模式，使稻田在大多數(shù)時間處于無水層狀態(tài)，可明顯降低稻田排水風(fēng)險[25]。本研究使用控制灌溉節(jié)水模式，通過測量土壤含水率計(jì)算灌水量，不同小區(qū)灌水量的差異證明排水量與灌水定額呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖9b）。因此，在推行節(jié)水灌溉時應(yīng)充分考慮單次灌水量從而減少排水量。另一個減少排水的方法是提高稻田排水控制水位限，通過提高地表允許積水深度或地下排水水位限來減少排水量。朱成立等[9]通過提高田埂高度顯著減少了60.6%的地表排水量，和玉璞等[26]通過提高稻田控制排水水位進(jìn)行灌排耦合調(diào)控，結(jié)果較常規(guī)灌排稻田減少了地下排水量49.9%。從排水溝角度，控制排水裝置可以在明溝內(nèi)容蓄部分排水，降低產(chǎn)生側(cè)向排水的水頭值，起到減少排水的作用[9,27]。本研究中，CD的3個試驗(yàn)小區(qū)增加了暗管控制排水裝置，提升了田間的排水水位限，6次排水事件的暗管排出水量占灌水量的比例為28.8%～39.3%，加之明溝控制排水的攔蓄，排水比例降至24.4%（表2），明溝-暗管組合的控排措施明顯降低了灌溉引起的排水量。明暗組合控排措施下，排水過程發(fā)生了明顯改變，在明溝排水中，灌水量與排水指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系不顯著（圖9）。暗管和明溝控排的兩級銜接，使CD明溝出口的排水峰值和排水事件均低于OD，排水量因此明顯下降。

在短期排水中，田間控制排水措施主要通過減少排水量來減少氮磷的損失，這從一些研究具有相似的排水減排比和氮素減排比可以看出[5,9,20]。本研究CD組合控排相比OD的排水減少了51.6%，TN減少39.3%，氮素減排比低于排水減排比，這主要是因?yàn)镃D排水的NH4+濃度略高于OD，可能是由于CD田間水位的提高營造了厭氧環(huán)境，阻礙了硝化作用的進(jìn)行[28]。通常施肥之后的一段時間，地表排水的氮素濃度較高，對地表排水的控制可很大程度降低氮素?fù)p失。除了設(shè)置地表排水控制外，在稻田設(shè)置暗管排水設(shè)施可以將過量的田表水盡可能地轉(zhuǎn)移到地下，減少田表排水風(fēng)險，同時經(jīng)過土壤過濾，暗管排水的氮磷濃度將明顯低于地表水[29]。

決定明溝排水的因素主要有田間排水和溝初始水位，在本研究選取的6次排水中，有4次CD明溝排水滯后于OD明溝，F(xiàn)2和F3排水事件中，先于OD產(chǎn)生排水，這是因?yàn)樵谶@兩次事件中，CD明溝的初始水位高于OD，其調(diào)蓄能力較弱。因此，對于田塊和明溝組合控排來說，灌溉前的明溝初始水位是決定排水發(fā)生時間和排水量的關(guān)鍵。在灌溉疊加施肥的排水事件里，排水溝輸入濃度較高的污染物，在明暗兩級控制排水中保持較低的明溝水位有利于排水的容蓄，如在施肥期將明溝高濃度含氮水（尤其是早期排水）重新抽入田間進(jìn)行二次利用，土壤對氮的吸附能夠減少二次排水的污染物含量。于穎多等[30-31]的研究表明，排水循環(huán)灌溉不僅可以補(bǔ)充灌溉和減少排水，還能通過稻田過濾作用減少二次排水的氮磷含量，從而緩解面源污染。

4 結(jié) 論

1）在僅明溝控制排水條件下，稻田灌溉引起的明溝排水占總灌水量的44.0%，灌溉導(dǎo)致的側(cè)向排水應(yīng)引起重視，特別是在灌溉與施肥的耦合關(guān)鍵時期，應(yīng)采取措施降低排水。明溝-暗管組合控排相比單獨(dú)的明溝控排，排水占灌水的比例降至24.4%，有效減少了灌溉引起的排水量。

2）明暗組合排水措施改變了灌溉引起的明溝排水過程，暗管和明溝控排的兩級銜接，使明暗組合控排下的明溝出口排水峰值和排水持續(xù)時間均明顯低于僅明溝控排。明暗組合控排對暗管排水中的NH4+、NO3-和TN的消減比例分別為52.2%、54.2%和54.9%。同時明暗組合控排的NH4+、NO3-和TN排水氮負(fù)荷相比僅明溝控排降低42.6%、70.7%和39.3%，控污減排效果明顯。

3）灌溉和施肥耦合的灌排事件中，NH4+和TN隨著排水過程而逐漸增大，僅灌溉的排水事件中，NH4+、NO3-和TN隨著排水過程而逐漸降低，且灌溉和施肥耦合的灌排事件中的氮濃度遠(yuǎn)高于僅灌溉的排水事件，應(yīng)注意施肥期的排水管理，以減少氮素流失。

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Characteristics of water and nitrogen loss under subsurface pipe-open ditch controlled drainage in paddy fields

Li Yawei1, Xu Junzeng1,2※, Liu Wenhao1, Jiao Xiyun1,2, Zhou Jiaoyan3, Zhang Jian3

(1.211100,; 2.-210098,;3215300,)

Severe non-point source pollution has widely resulted from the nitrogen losses in paddy-field drainage in southern China, due mainly to excessive application of chemical fertilizers and unreasonable irrigation. The goal of this study was to improve the water use efficiency, while mitigating the reactive nitrogen losses in paddy fields. A controlled drainage system (CD) was designed to combine the subsurface pipe and open drainage ditches, with an open-ditch controlled drainage system (OD) as a control group. Specifically, the CD system consisted of a controlled drainage ditch and three field plots (CD1, CD2, and CD3) with a controlled subsurface pipe. By contrast, the three-field plots (OD1, OD2, and OD3) were free subsurface pipes in the OD system, where the field water freely drained into the drainage ditch through lateral infiltration. The drainage intensity and nitrogen concentration were monitored in various forms at the outlets of subsurface pipe and open ditch with a high frequency in six selected irrigation-induced drainage events, including three irrigation-drainage events with the fertilization (F1, F2, and F3) and three irrigation-drainage events without fertilization (D1, D2, and D3). The results showed that the drainage loss induced by six irrigation-drainage events accounted for 44.0% of the total amount of irrigation water in the OD system, indicating low water use efficiency. The combination of controlled drainage between the subsurface pipe and the open ditch greatly changed the drainage from the paddy field to the open ditch in the CD system. In all irrigation-drainage events except F3, the start time of open ditch drainage was later than that of subsurface pipe drainage, whereas, the peak of the intensity in the open ditch drainage was synchronized or significantly later than that of subsurface pipe drainage. Furthermore, the drainage peak and intensity of the open ditch in the CD system were much lower than those in the OD system among all six irrigation-drainage events. Specifically, the drainage peak of the latter was 1.3 to 8.2-fold that of the former, where the average drainage intensity was 1.5 to 4.4-fold. Compared with the OD, the CD decreased the drainage peak, intensity, duration time, as well as total drainage loss, where the proportion of drainage amount in the total amount of irrigation water dropped to 24.4%, indicating an effective role in drainage mitigation. In the irrigation-drainage event F1, F2, and F3, the concentrations of ammonium (NH4+) and total nitrogen (TN) in the drainage from the outlets of subsurface pipe (CD1, CD2, and CD3) and open ditches (CD and OD) gradually increased over time until the end of the drainage. Nevertheless, the concentrations of NH4+, nitrate (NO3-), and TN in the drainage from these same outlets gradually increased over time in the irrigation-drainage events D1, D2, and D3. Furthermore, the average concentrations of NH4+, NO3-and TN in the drainage from F1, F2, and F3 were much higher than those from D1, D2, and D3, indicating that the nitrogen loss was effectively reduced during the drainage management in a certain period after fertilization. As such, the open ditch in the CD system significantly intercepted a large number of nitrogen loads from subsurface pipe drainages. The nitrogen losses in the forms of NH4+, NO3-and TN from open ditch drainage in the CD system greatly decreased by 42.6%, 70.7%, and 39.3%, respectively, compared with the OD system. Consequently, the CD system can be expected to significantly reduce drainage loss and control non-point source pollution. This finding can also provide promising drainage control for the paddy field in southern China.

irrigation; drainage; subsurface pipe; nitrogen loss; paddy fields

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.013

S274

A

1002-6819(2021)-19-0113-09

李亞威，徐俊增，劉文豪，等. 明溝-暗管組合控排下稻田水氮流失特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(19)：113-121.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.013 http://www.tcsae.org

Li Yawei, Xu Junzeng, Liu Wenhao, et al. Characteristics of water and nitrogen loss under subsurface pipe-open ditch controlled drainage in paddy fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 113-121. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.013 http://www.tcsae.org

2021-08-02

2021-09-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018YFC1508303）

李亞威，博士，助理研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)田高效灌排及其環(huán)境效應(yīng)。Email：yaweizx@hhu.edu.cn

徐俊增，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與技術(shù)。Email：xjz481@hhu.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：徐俊增（E04000023A）