農(nóng)村生活再生水灌溉調(diào)控對稻田養(yǎng)分的影響

陳蘇春，胡靜博，肖夢華，胡秀君

(1. 永康市水資源供水管理中心，浙江 永康321300； 2. 杭州蕭山水利水電勘察設(shè)計有限公司，浙江 杭州311200； 3. 浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院)，浙江 杭州310020；4. 浙江水利水電學(xué)院浙江水利與海洋工程研究院，浙江 杭州310018)

目前，發(fā)達(dá)國家和中國北方地區(qū)圍繞城市污水利用豐富經(jīng)驗，將城鎮(zhèn)生活用水、工業(yè)廢水用于農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)雜用、工業(yè)以及景觀用水等，較少涉及農(nóng)村生活污水資源化利用.PEREIRA 等[9]對再生水和地下水分別灌溉柑橘引起土壤氮素的變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)再生水灌溉有效提高了土壤礦質(zhì)氮含量(NH4+-N，NO3--N).LU等[10]研究了滴灌條件下灌溉水質(zhì)對土壤氮素分布的影響，發(fā)現(xiàn)再生水灌溉提高了0～40 cm土壤NH4+-N濃度，但40 cm以下土壤沒有發(fā)生NH4+-N累積，NO3--N濃度隨深度有增大趨勢.CHEN等[11]研究發(fā)現(xiàn)再生水灌溉增加了土壤養(yǎng)分含量，且隨再生水灌溉時間的增長，土壤質(zhì)量的改善效果越明顯.大部分研究表明再生水灌溉可以促進(jìn)作物生長[12-13]，且未顯著影響作物品質(zhì)[14-15]，保障了作物安全.

已有研究主要通過比較不同水質(zhì)灌溉調(diào)控對作物生長特性的影響，間接確定不同來源氮素對作物生長有效性的影響，但對農(nóng)村生活污水灌溉利用研究較少.文中以耗水需求較大的南方水稻作為研究對象，研究農(nóng)村生活污水灌溉調(diào)控對稻田養(yǎng)分的影響，研究成果對于深刻認(rèn)識農(nóng)村生活污水灌溉調(diào)控影響稻田氮素利用效率、土壤供氮能力的微觀機(jī)制及高效安全的灌排調(diào)控機(jī)制等關(guān)鍵理論和技術(shù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義.

1 研究區(qū)域與試驗方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2020年5月至2020年11月在浙江省金華節(jié)水型試點(diǎn)試驗基地開展，試驗地位于金華市永康市舟山鎮(zhèn)集鎮(zhèn)區(qū)舟三村(120°10′E，28°48′N)，屬低山丘陵，雨量充沛，年內(nèi)降雨分布不均勻，年平均降水量為1 787 mm.研究區(qū)域共建有27個水稻標(biāo)準(zhǔn)試驗小區(qū)(規(guī)格20 m×5 m)，采用管道輸水灌溉，試驗區(qū)域已建有一座收集人數(shù)為4 500人、設(shè)計規(guī)模為400 m3/d的生活污水處理站.本研究采用的農(nóng)村生活污水水源，處理工藝采用二級生物處理工藝(一級處理為常規(guī)工藝，二級處理采用改良A2O工藝)，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn).試驗小區(qū)土壤理化性質(zhì)如表1所示，表中h為土層深度，EC為土壤電導(dǎo)率；w(TN)，w(TP)分別為全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(OM),w(NH4+-N),w(NO3--N)分別為有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量.

表1 試驗小區(qū)土壤基本物理性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

1) 灌溉水源：試驗小區(qū)設(shè)置3種灌溉水源，分別來自污水處理站一級出水R1、二級出水R2、舟山溪水(河道清水)R3，通過3座簡易潛水泵提水灌溉.試驗期間水質(zhì)指標(biāo)狀況統(tǒng)計見表2，各指標(biāo)均達(dá)到灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084—2005).農(nóng)村生活污水(R1，R2)污染物含量以COD，NH4+-N為主，且濃度明顯高于河道清水R3.

表2 試區(qū)灌溉水源水質(zhì)描述統(tǒng)計

2) 水位調(diào)控模式：文中共設(shè)置3種水位調(diào)控方式，分別為低水位調(diào)控W1、中水位調(diào)控W2和高水位調(diào)控W3，每個處理3個重復(fù)，各個生育期嚴(yán)格按照田間水位控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灌溉調(diào)控，W1，W2，W3水位調(diào)控灌溉水量分為200，220，400 mm.田間水位控制標(biāo)準(zhǔn)見表3.

表3 田間水位控制標(biāo)準(zhǔn)

3) 施肥方式采用常規(guī)施肥水平：各處理施肥方式與施肥量一致，采用基肥+追肥方式，其中基肥于6月25日施入，為200 kg/ha復(fù)合肥.100 kg/ha尿素，追肥于7月12日施入，為250 kg/ha復(fù)合肥.

4) 試驗設(shè)計：共設(shè)計9個處理，3個重復(fù)，共27個小區(qū)，水稻試驗區(qū)田間布置示意圖如圖1所示.

圖紙會審工作對工程質(zhì)量有著直接影響，要引起足夠的重視。在審查過程中，一定要注意細(xì)節(jié)方面，避免出現(xiàn)的錯誤，將所有問題都解決掉，真正意義上做到萬無一失。過程中要做好記錄，發(fā)現(xiàn)其中存在不足地方，便于后期的完善，從而提高圖紙的科學(xué)合理性，為施工提供正確的指導(dǎo)，確保在工期之內(nèi)完成。另外造價預(yù)算也是很重要的，制定一份詳細(xì)計劃，對資金進(jìn)行合理分配，保證發(fā)揮出有效的作用，防止前期投入過多，后期施工出現(xiàn)麻煩等問題。會審人員要認(rèn)真負(fù)責(zé)，樹立起求真務(wù)實(shí)的態(tài)度，再小的問題都要處理，為施工開展做好充足的準(zhǔn)備。

圖1 試驗區(qū)布置示意圖

1.3 測定指標(biāo)及方法

在施肥前后及水位調(diào)控期間每隔15～30 d分別對0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm土層進(jìn)行取樣，同時，在各生育期始末分別取樣.土壤氮素含量采用氯化鉀溶液提取-分光光度法測定0～20 cm，20～40 cm土層含量，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸法測定0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm土層含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2017系統(tǒng)軟件進(jìn)行整理，SPSS 19.0軟件統(tǒng)計分析差異性，LSD法進(jìn)行顯著性檢驗，顯著性水平為P<0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田養(yǎng)分變化

2.1.1 稻田NH4+-N含量變化

不同水源灌溉調(diào)控下稻田NH4+-N變化如圖2所示.可以看出，3種灌溉模式下，隨著調(diào)控水位增高，NH4+-N含量呈現(xiàn)遞增趨勢，這是由于隨著調(diào)控水位增加，灌溉水量增加，由再生水帶入稻田氮素增加，總體而言，各層土壤NH4+-N含量因植物吸收利用、土壤礦化、氮素硝化等各項損失隨時間遞減，但在8月16日出現(xiàn)最大值，這主要是因為8月7日出現(xiàn)特大暴雨，雨水將河流中雜物沖積到稻田，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量增多，在土壤微生物作用下，使得土壤NH4+-N含量增加，之后被植物吸收利用，NH4+-N含量隨之下降，3種灌溉模式下降幅度分別為47.1%，68.0%，55.2%.同一種灌溉模式，0～20 cm土層NH4+-N含量略大于20～40 cm土層，但差異并不明顯，原因可能是NH4+離子帶正電，易被土壤帶負(fù)電膠體吸附滯留土壤表層，難以隨水流下滲而向土壤深層移動.不同水源灌溉處理土壤NH4+-N含量差異明顯，0～20 cm土層，R1水源下NH4+-N峰值(最大值)與R2和R3灌溉水源相比分別高33.6%和8.3%，可見一級再生水灌溉對表層土壤NH4+-N含量增加較為明顯.

2.1.2 稻田NO3--N含量變化

不同水源灌溉調(diào)控下稻田NO3--N變化如圖3所示.

可以看出，不同灌溉模式下稻田NO3--N含量變化隨時間遞減，3種灌溉模式NO3--N含量下降幅度分別為90.7%，87.1%，91.4%.相同灌溉模式，20～40 cm土層NO3--N含量略大于0～20 cm土層，原因可能是NO3-離子帶負(fù)電，不易被土壤帶負(fù)電膠體吸附滯留土壤表層，容易隨水流下滲而向土壤深層移動，產(chǎn)生淋溶損失.

此外，20～40 cm土層NO3--N含量下降幅度(96.1%)高于0～20 cm土層(86.2%).對比分析3種水源對水稻田NO3--N含量剖面變化，發(fā)現(xiàn)稻田NO3--N含量剖面變化因植物吸收利用及反硝化、淋溶等作用隨時間遞減，3種水源灌溉處理下降幅度分別為86.0%，84.8%，88.2%.同一種灌溉模式下，20～40 cm土層NO3--N平均含量為0.352 mg/kg，0～20 cm土層NO3--N平均含量為0.235 mg/kg，20～40 cm土層NO3--N含量明顯高于0～20 cm土層，幅度為33.2%，表明NO3--N具有向深層土層淋失的風(fēng)險.

2.1.3 稻田有機(jī)質(zhì)變化

不同水源灌溉調(diào)控下稻田有機(jī)質(zhì)(OM)變化如圖4所示.可以看出，3種灌溉模式水稻全生育期土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)波動變化.W1，W2，W3灌溉模式下稻田0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)平均含量分別為24.25，29.91，31.54 g/kg.相較于W1，W2增加23.3%，相較于W3增加30.1%；20～40 cm土層平均有機(jī)質(zhì)含量分別為19.68，23.34，24.29 g/kg，相較于W1，W2增加18.6%，相較于W3增加23.4%.3種水源模式下水稻整個生育期0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)平均含量分別為26.99，29.62，29.09 g/kg；20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)平均含量分別為21.63，22.02，23.66 g/kg，灌溉水源對土壤有機(jī)質(zhì)分布的差異性影響并不具有統(tǒng)計學(xué)意義.0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量大于20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量，主要原因是20～40 cm土層為水稻根系活動范圍，受植物生長發(fā)育需要，土壤微生物活動強(qiáng)烈，有機(jī)質(zhì)分解快.

圖4 不同水源灌溉調(diào)控下稻田有機(jī)質(zhì)變化

2.2 生育期前后稻田養(yǎng)分變化

2.2.1 生育期前后稻田氮素變化

不同水源灌溉調(diào)控下水稻生育期始末土壤氮素w(N)變化如圖5所示.中低水位下(W1和W2)一級再生水(R1)灌溉40～60 cm土層NH4+-N含量升高，其余土層均降低，且0～20 cm土層變化最大，分別下降了78.2%和61.3%，而高水位下(W3)各土層NH4+-N含量均略有升高.R2水源灌溉各土層NH4+-N含量均下降，W1和W2水位調(diào)控下0～20 cm土層變化最大，W3水位調(diào)控下60～80 cm土層下降最多，降幅為96.8%.R3水源灌溉0～60 cm內(nèi)各土層NH4+-N含量降低，60～80 cm土層W1時降低，W2和W3時增加.可見與河道水灌溉相比，再生水灌溉條件下土壤NH4+-N含量波動較大，而高水位調(diào)控一級再生水中污染物含量較高，導(dǎo)致各土層NH4+-N含量升高.與NH4+-N變化相比，土壤中NO3--N含量較低且波動較小，R1灌溉下0～20 cm土層NO3--N含量隨著水位升高而逐漸增加；20～40 cm土層均有升高，且與0～20 cm土層一致，隨水位升高增幅逐漸變大，40～60 cm土層，各水位下增幅相差不大，60～80 cm土層NO3--N含量均下降，可見一級再生水灌溉和水位調(diào)控對土壤上層NO3--N增加影響較大.R2水源灌溉，W1和W2各土層NO3--N含量下降，W3則增加，且40～60 cm土層含量增加幅度最大.R3灌溉條件，40～60 cm土層NO3--N含量變化最大且均有所增加，這是由于淋溶作用，NO3--N隨水分向下遷移，更易在土壤深層累積.

圖5 不同水源灌溉調(diào)控生育期前后稻田氮素變化

2.2.2 生育期前后稻田有機(jī)質(zhì)變化

不同灌溉水源和水位調(diào)控條件下水稻生育期始末稻田土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量w(OM)變化如圖6所示.

圖6 不同水源灌溉調(diào)控生育期前后稻田有機(jī)質(zhì)變化

對W1水位調(diào)控而言，灌溉后0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量均下降，20～40 cm土層除R2外，R1和R3灌溉下有機(jī)質(zhì)含量降低.40～60 cm土層有機(jī)質(zhì)含量R1明顯升高，R2和R3下降，60～80 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別升高了2.1倍、2.0倍、1.4倍，因此低水位下再生水灌溉明顯提高了深層土壤有機(jī)質(zhì)含量，R1比R2效果更顯著.W2水位調(diào)控下，灌溉后0～20 cm和60～80 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均升高，W3水位下灌溉后R1處理0～20 cm和60～80 cm土層有機(jī)質(zhì)含量升高，R2和R3則下降，其中60～80 cm土層R1灌溉后有機(jī)質(zhì)含量是灌溉前的2.1倍，增幅最明顯，因此各種不同水位調(diào)控下一級再生水灌溉對土壤深層有機(jī)質(zhì)含量增加最為有利，這可能與灌溉水中較高的COD含量有關(guān)，一級再生水灌溉土壤中的生物活性較大.對同一種灌溉水源，R1條件下0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨水位升高增幅逐漸增大，R2和R3條件下0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量只在W2水位條件下增加，其余則降低；R1灌溉條件下20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均降低，R2只在W2時降低，R3僅在W2時增加；R1灌溉條件下40～60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均增加，R2和R3在W3調(diào)控條件下降低.

2.2.3 稻田養(yǎng)分變化影響分析

不同灌溉水源和水位調(diào)控對稻田養(yǎng)分變化的影響分析見表4.方差分析結(jié)果表明，不同水位調(diào)控和灌溉水源對各土層內(nèi)NH4+-N含量變化影響均不具有統(tǒng)計學(xué)意義；不同水位調(diào)控對60～80 cm土層NO3--N變化影響具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其余土層內(nèi)水位和水源條件對NO3--N含量變化影響均不具有統(tǒng)計學(xué)意義.水源條件對0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量影響具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，水位影響及二者相互間作用不具有統(tǒng)計學(xué)意義.其余土層內(nèi)不同水位調(diào)控和水源對有機(jī)質(zhì)變化影響均不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

表4 不同水源和水位調(diào)控對稻田養(yǎng)分變化的影響分析

2.3 對水稻產(chǎn)量的影響

不同水源灌溉調(diào)控下水稻產(chǎn)量Y變化如圖7所示.各處理相比，W1調(diào)控下，R2實(shí)際產(chǎn)量最高，W2調(diào)控下，R1實(shí)際產(chǎn)量最高，W3調(diào)控下，R1實(shí)際產(chǎn)量最高，可見再生水灌溉能顯著提高水稻產(chǎn)量.3種水位調(diào)控下R1和R2平均實(shí)際產(chǎn)量分別比R3高14.3%和12.6%.對同一種水源而言，R1條件下隨著水位升高，產(chǎn)量明顯升高，R2和R3條件下則相反，均為低水位下產(chǎn)量最高.R1水源灌溉條件下水稻平均產(chǎn)量比R2和R3灌溉分別高1.5%和14.3%，可見再生水灌溉具有顯著的增產(chǎn)效益.再生水中含有豐富的氮、磷、有機(jī)物，可以有效提高土壤緩沖性能及土壤肥力，因此，再生水灌溉對作物生長有一定促進(jìn)作用.不同水位調(diào)控下水稻平均產(chǎn)量從大到小依次為W1，W2，W3，其中W1比W2和W3分別高2.9%和3.6%，因此過高的水位不利于水稻產(chǎn)量形成，這可能是由于高水位抑制了土壤和根系透氣性，進(jìn)而抑制水稻產(chǎn)量.

圖7 不同水源灌溉調(diào)控下水稻產(chǎn)量變化

3 結(jié) 論

研究了不同灌溉水源、不同灌溉調(diào)控對稻田養(yǎng)分(氮素、有機(jī)質(zhì))的影響，研究結(jié)果如下：

1) 農(nóng)村生活污水灌溉稻田0～40 cm土層土壤氮素以NH4+-N為主，NO3--N含量較低，NH4+-N相對比較穩(wěn)定，在不同土層中差異不明顯，NO3--N更易隨水分向下遷移和累積，且NO3--N與NH4+-N變化總體呈此消彼長的變化趨勢.

2) 淹水灌溉會增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，相較于W1，W2與W3土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加20.1%和26.8%，此外，一級再生水灌溉對土壤有機(jī)質(zhì)含量增加最為有利.

3) 不同水位調(diào)控和灌溉水源對各土層內(nèi)NH4+-N含量變化影響均不具有統(tǒng)計學(xué)意義，不同水位調(diào)控對60～80 cm土層NO3--N變化影響具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，水源條件對0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量影響具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).

4) 再生水灌溉能顯著提高水稻產(chǎn)量，且隨著田間水位升高，增產(chǎn)效果更為明顯，但是過高水位抑制了土壤和根系透氣性，進(jìn)而抑制水稻產(chǎn)量形成.