稻田氮磷流失方式及時間分布研究

潘旭鳴， 丁 淼， 徐 萱， 劉遠康， 劉建國

(1.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164； 2.常州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 江蘇 常州 213000)

中國是農(nóng)業(yè)大國，人口數(shù)量大。隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展及國民生活水平的提高，對農(nóng)產(chǎn)品的需求量日益增加，而耕地面積卻在不斷減少。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是糧食生產(chǎn)承受著巨大的壓力，因此中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用化肥[1-2]?；实倪^量及不合理施用不但會造成肥料利用率低、經(jīng)濟效益下降等問題，還會造成一系列環(huán)境問題[3-4]。據(jù)研究，中國單季稻生產(chǎn)中的氮肥利用率只有27%～35%，磷肥利用率僅為10%～20%[5-7]，大量沒有被利用的氮、磷通過地表徑流等途徑流失,進入農(nóng)田周圍水環(huán)境，進而進入湖泊、河流甚至近海水體，造成水體富營養(yǎng)化[8]。

近30多年來，太湖流域地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟迅速發(fā)展，人口密度也大幅度增加，導(dǎo)致水污染問題不斷加劇。據(jù)研究，農(nóng)業(yè)面源污染物的排放已成為太湖水體的主要污染源，特別是氮、磷的排放是太湖流域水體富營養(yǎng)化的主要原因。種植業(yè)排放的氮、磷污染物占太湖水體中總氮、總磷的比例分別達29%，19%[9-11]。太湖流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥施用量高，大大高于中國平均水平。在太湖流域的典型種植體系中，稻麥輪作的種植體系通過地表徑流向周邊水體排放的氮、磷每年高達5.52～7.79 g/m2，0.149～0.286 g/m2[12-13]。

因此,對太湖流域水污染研究與治理，在控制工業(yè)點源污染達標(biāo)排放的同時,還需要重點加強對農(nóng)業(yè)面源污染的研究和治理,點源控制與面源治理相結(jié)合，才能持續(xù)、有效改進太湖流域的水體質(zhì)量[14-15]。常州市屬于太湖流域的核心地區(qū)，為研究常州市水稻生產(chǎn)中氮、磷排放現(xiàn)狀及其遷移分布規(guī)律,找出削減對策,在常州市水稻主產(chǎn)區(qū)設(shè)立監(jiān)測點,對水稻田的水分運動及氮、磷的遷移實行全程定位監(jiān)測和研究,研究結(jié)果將為太湖流域水稻田氮、磷排放控制對策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點土質(zhì)特征

監(jiān)測點位于常州市奔牛鎮(zhèn)水稻田，土壤類型為水稻土，土壤基礎(chǔ)肥力：土壤pH=6.2、土壤有機質(zhì)含量32.3 g/kg、總氮含量1.82 g/kg、總磷含量0.61 g/kg、堿解氮含量189 mg/kg、速效磷含量25.1 mg/kg、速效鉀含量 157 mg/kg。

1.2 監(jiān)測小區(qū)建設(shè)

選擇遠離居民區(qū)及其他污染源的水稻田塊建立4個監(jiān)測小區(qū)，每個監(jiān)測小區(qū)面積為 40 m2(長8 m，寬5 m)。監(jiān)測小區(qū)示意圖，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測小區(qū)示意圖Fig.1 The sketch map of monitoring site

每個監(jiān)測小區(qū)四周建設(shè)水泥墻體結(jié)構(gòu)，防止監(jiān)測小區(qū)之間及與周邊地塊間發(fā)生串水現(xiàn)象，水泥墻體高80 cm，地面以下埋設(shè)30 cm，露出地面以上高度50 cm。針對每個監(jiān)測小區(qū)設(shè)置1個徑流池，徑流池長5 m，寬、高均為1 m。徑流池用水泥建造，四面池壁及池底都進行防滲處理，防止徑流水流失，在池壁上設(shè)置刻度線標(biāo)記，以便觀察徑流水積存量。每個徑流池表面鋪設(shè)防護設(shè)施，用于防止雨水、異物、灰塵等落入徑流池，也能防止人和動物等不慎跌落徑流池。

1.3 稻田監(jiān)測小區(qū)的管理

說明：施肥量相當(dāng)于每平方米施氮23.75 g，施磷3.75 g。

稻田監(jiān)測時間為2019年6月1日—10月31日，覆蓋整個水稻大田生長期。監(jiān)測小區(qū)于6月10日整地并灌水浸泡，6月20日栽秧，10月30日收割。稻田監(jiān)測小區(qū)施肥管理依據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)常用技術(shù)方案，具體見表1。

表1 稻田監(jiān)測小區(qū)施肥投入的氮、磷量Table 1 The quantities of nitrogen and phosphorus imported via fertilization in the paddy field

1.4 樣品取樣及測定

每次監(jiān)測小區(qū)產(chǎn)生徑流后，對徑流水量進行測定，然后采集徑流水樣，帶回實驗室測定總氮、總磷含量。徑流水體積測定并取樣后用抽水機抽干徑流池內(nèi)存水，并將池中泥土沖洗出來，晾干后測定總氮、總磷含量。同時，計量進入稻田監(jiān)測小區(qū)的雨水、灌溉水水量及排水水量，采集雨水、灌溉、排水樣品，對采集的所有樣品，測定總氮和總磷的含量。水樣中總氮含量的測定采用國標(biāo)水質(zhì)凱氏氮測定方法，總磷含量的測定采用國標(biāo)鉬酸銨分光光度法。土壤中總氮含量的測定采用農(nóng)業(yè)部推薦的半微量凱氏法(NY/T 53—1987)、總磷含量的測定采用農(nóng)業(yè)部推薦方法(NY/T 88—1988)。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測小區(qū)通過雨水及灌溉水輸入的氮、磷量

稻田監(jiān)測小區(qū)通過雨水輸入的氮、磷量見表2。試驗期間，每個監(jiān)測小區(qū)接收的降雨量為28.90 m3，其中7月降雨量最高，6月與8月相當(dāng)，9月降雨量較小。不同月份降雨的氮質(zhì)量濃度為1.62～1.83 mg/L，磷質(zhì)量濃度為0.11～0.14 mg/L，月份之間差異不大。小區(qū)通過雨水輸入的氮為49.41 g，折合每平方米輸入量為1.235 3 g。其中7月最高，占42.72%；6月與8月相當(dāng)，分別占21.78%，22.97%；9月僅占12.53%。小區(qū)通過雨水輸入的磷為3.46 g，折合每平方米輸入量為0.086 5 g，各月份磷輸入量的占比與氮基本相當(dāng)。

表2 稻田監(jiān)測小區(qū)通過雨水輸入的氮、磷量Table 2 The quantities of nitrogen and phosphorus imported via rainfall in the paddy field

監(jiān)測小區(qū)通過灌溉水輸入的氮、磷量見表3。試驗期間，監(jiān)測小區(qū)通過灌溉水輸入的氮為57.14 g，折合每平方米輸入量為1.428 5 g；輸入的磷為2.71 g，折合每平方米輸入量為0.067 8 g。不同月份通過灌溉水輸入氮、磷的比例，以6月為最高，分別占66.45%，66.05%；7月、8月、9月占比較小，且不同月份之間差異不大。

表3 稻田監(jiān)測小區(qū)通過灌溉水輸入的氮、磷量Table 3 The quantities of nitrogen and phosphorus imported via irrigation in the paddy field

通過表2和表3計算，試驗期間，監(jiān)測小區(qū)通過降雨和灌溉水輸入的氮為106.55 g，折合每平方米輸入量為2.663 8 g；輸入的磷為6.17 g，折合每平方米輸入量為0.154 3 g。不同月份輸入氮的比例，以6月為最高，占45.73%；7月其次，占26.53%；8月和9月占比較小，分別為15.77%和11.97%。不同月份輸入磷的比例，也以6月為最高，占41.98%；7月其次，占29.01%；8月和9月占比較小，分別為16.21%和12.80%。

2.2 監(jiān)測小區(qū)通過地表徑流及排水流失的氮、磷量

監(jiān)測小區(qū)通過徑流水流失的氮、磷量見表4。試驗期間，監(jiān)測小區(qū)通過徑流水流失的氮為23.98 g，折合每平方米流失量為0.599 5 g；流失的磷為0.76 g，折合每平方米流失量為0.019 0 g。7月通過徑流水流失的氮、磷量為最高，分別占43.49%，44.74%；6月次之，分別占36.86%，30.26%；8月占比最低，分別為19.65%，25.00%。

表4 稻田監(jiān)測小區(qū)隨徑流水流失的氮、磷量Table 4 The quantities of nitrogen and phosphorus lost via runoff water in the paddy field

監(jiān)測小區(qū)通過排水流失的氮、磷量見表5。試驗期間，監(jiān)測小區(qū)通過排水流失的氮、磷量比通過徑流水流失的氮、磷量要高得多。監(jiān)測小區(qū)通過排水流失的氮高達161.77 g，折合每平方米流失量為4.044 3 g；流失的磷為10.19 g，折合每平方米流失量為0.254 8 g。通過排水流失的氮、磷主要分布在7月，分別占總流失量的66.44%，65.26%；6月和8月的占比較低，都在20%以下，且這2個月份間差別不大。

表5 稻田監(jiān)測小區(qū)隨排水流失的氮、磷量Table 5 The quantities of nitrogen and phosphorus lost via drainage water in the paddy field

監(jiān)測小區(qū)通過徑流水泥沙流失的氮、磷量見表6。試驗期間，監(jiān)測小區(qū)通過徑流水泥沙流失的氮很少，僅3.55 g、折合每平方米流失量僅為0.088 8 g；但通過徑流水泥沙流失的磷為2.75 g，折合每平方米流失量為0.068 8 g，比通過徑流水流失的磷還要多。監(jiān)測小區(qū)通過徑流水泥沙流失的氮、磷以7月為最多， 6月次之，8月最少，但不同月份間差異較小。

表6 稻田監(jiān)測小區(qū)隨徑流水泥沙流失的氮、磷量Table 6 The quantities of nitrogen and phosphorus lost via runoff sediment in the paddy field

2.3 監(jiān)測小區(qū)氮、磷表觀排放量及氮、磷流失的方式和時間分布

稻田監(jiān)測小區(qū)氮、磷輸入量、流失量統(tǒng)計及表觀排放量見表7。監(jiān)測小區(qū)通過雨水和灌溉水輸入的氮、磷分別為106.55，6.17 g，折合每平方米輸入量分別為2.663 8，0.154 3 g；通過徑流水、排水和徑流水泥沙流失的氮、磷分別為189.30，13.70 g，折合每平方米流失量分別為4.732 5，0.342 5 g。表觀排放量 = 流失量-輸入量，可視為肥料及土壤養(yǎng)分的流失量。根據(jù)該公式計算，監(jiān)測小區(qū)的氮、磷表觀排放量分別為82.75，7.53 g，折合每平方米排放量分別為2.068 7，0.188 2 g。

表7 稻田監(jiān)測小區(qū)氮、磷輸入量、流失量統(tǒng)計及表觀排放量Table 7 The imports, losses and net exports of nitrogen and phosphorus in the paddy field g

稻田監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失方式的分布，如圖2所示?？梢钥闯觯耘潘绞搅魇У牡?、磷占絕對優(yōu)勢。通過排水方式流失的氮高達161.77 g，占總流失量的85.46%；通過徑流水方式流失的氮只有23.98 g，僅占總流失量的12.67%；而通過徑流水泥沙方式流失的氮很少，不到總流失量的2%。在磷的流失量中，通過排水方式流失的磷為10.19 g，占總流失量的74.38%；通過徑流水泥沙方式流失的占比約20%，而通過徑流水方式流失的占比僅有5.55%。

圖2 稻田監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失方式分布Fig.2 The ways of nitrogen and phosphorus losses in the paddy field

稻田監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失的時間分布，如圖3所示。試驗期間，監(jiān)測小區(qū)的氮、磷流失分布在6月、7月、8月，其中主要流失月是7月，該月流失的氮、磷占總流失量的60%左右；其次在6月，該月流失的氮、磷占總流失量的20%以上；8月氮、磷流失量占比較低，不到20%。但6月與8月之間的差異不大。

圖3 稻田監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失時間分布Fig.3 The times of nitrogen and phosphorus losses in the paddy field

3 討 論

氮、磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中通過施肥大量輸入農(nóng)田的主要元素，但這些大量施入的營養(yǎng)元素在降雨等因素的作用下，會以地表徑流、排水、泥沙等形式進入周圍水體，甚至流入較遠的湖泊、河流及近海水體，引起水體富營養(yǎng)化[16-18]。因此，對農(nóng)田氮、磷隨地表徑流的流失規(guī)律進行研究，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進行肥、水科學(xué)管理，減少農(nóng)業(yè)面源污染物排放及保護水環(huán)境都具有非常重要的意義。

本研究通過對稻田氮、磷輸入的監(jiān)測表明，在試驗期間(6月—9月)，稻田通過降雨和灌溉水輸入了一定量的氮、磷，輸入的氮為2.663 8 g/m2，輸入的磷為0.154 3 g/m2。在氮、磷的輸入量方面，降雨與灌溉水差異不大，通過降雨輸入的氮、磷占總輸入量的46.37%，56.08%，通過灌溉水輸入的氮、磷占總輸入量的53.63%，43.92%。關(guān)于不同月份輸入氮、磷的比例，以6月最高，占40%以上；7月其次，占25%以上；8月和9月占比較小，都在10%～20%。不同月份氮、磷輸入量的差異與降雨量及灌水量的差異有關(guān)，6月氮、磷輸入量高與灌水量高有關(guān)，6月的稻田灌水量占試驗期總灌水量的66.37%；7月氮、磷輸入量較高與降雨量高有關(guān)，7月的降雨量占試驗期總降雨量的45.09%。

監(jiān)測表明，稻田通過徑流水、排水和徑流水泥沙流失的氮達到4.732 5 g/m2，流失的磷為0.342 5 g/m2?？鄢ㄟ^降雨和灌溉水輸入的氮、磷后，試驗期間稻田氮、磷表觀排放量分別為2.068 7，0.188 2 g/m2，可視為肥料及土壤養(yǎng)分的流失量，主要為肥料的流失量。本研究稻田監(jiān)測小區(qū)施氮量為23.75 g/m2，施磷量為3.75 g/m2。因此，稻田氮、磷通過地表徑流的表觀排放量分別占稻田施氮量的8.71%、施磷量的5.02%?？娊芙艿萚19]研究表明，在常規(guī)施肥水平下，通過地表徑流流失的氮占當(dāng)季施氮量的8.6%，流失的磷占當(dāng)季施磷量的1.9%。其研究結(jié)果中氮的流失率與本研究相當(dāng)，但磷的流失率明顯低于本研究的結(jié)果。

楊坤宇等[20]研究表明，農(nóng)田地表徑流中氮、磷流失量取決于徑流水的氮、磷濃度及徑流水量，而降雨是影響徑流水量的主要因素。關(guān)于稻田的氮、磷流失方式，本研究表明，以排水方式流失的氮、磷占絕對優(yōu)勢。通過排水方式流失的氮、磷分別占總流失量的85.46%，74.38%，通過徑流水方式流失氮、磷的占比分別僅有12.67%，5.55%。其原因有2個方面：①稻田排水量大大高于徑流水量。試驗期間，監(jiān)測小區(qū)排水量達6.46 m3，而徑流水量為1.48 m3，排水量是徑流水量的4.36倍。②排水的氮、磷濃度也大大高于徑流水。根據(jù)表4和表5計算，排水的平均氮、磷質(zhì)量濃度分別為25.04，1.58 mg/L，而徑流水的平均氮、磷質(zhì)量濃度分別為16.20，0.51 mg/L，排水的氮、磷質(zhì)量濃度分別是徑流水氮、磷質(zhì)量濃度的1.55倍和3.10倍。因此，在水稻生產(chǎn)中，要減少氮、磷的流失量，最有效的方法是減少排水量。

關(guān)于稻田的氮、磷流失時間分布，研究表明，試驗期間氮、磷流失的主要月份是7月，該月流失的氮、磷量分別占總流失量的63.07%，59.49%；其次在6月，該月流失的氮、磷占比分別為21.05%，22.19%。其原因與主要降雨量的時間分布有關(guān)，與灌溉水的時間分布也有一定關(guān)系。從降雨量分布來說，試驗期間，7月的降雨量大大高于另3個月份，7月降雨量占試驗期總降雨量的45.09%，導(dǎo)致7月排水量、徑流水量及徑流水泥沙排放量都是最高的。6月氮、磷流失量比8月高，與6月灌水量高有關(guān)。雖然6月降雨量并不比8月高，但6月徑流水量和排水量比8月高，這是導(dǎo)致6月氮、磷流失量比8月高的原因。因此，要減少稻田氮、磷隨地表徑流的流失量，一方面要盡量減少排水量和徑流水量，而排水量和徑流水量與降雨量和灌水量有關(guān)，所以在下雨前特別是大雨前盡量不灌水或少灌水；另一方面，要盡量降低排水和徑流水的氮、磷濃度，這可以通過優(yōu)化施肥種類、配比及施肥時間進行控制。

4 結(jié) 論

在試驗期間(6月—9月)，稻田監(jiān)測小區(qū)輸入氮2.663 8 g/m2，輸入磷0.154 3 g/m2，降雨與灌溉水的輸入量差異不大，6月的輸入量最多，占總輸入量的40%以上。氮流失量4.732 5 g/m2，磷流失量0.342 5 g/m2；通過排水流失的氮、磷占絕對優(yōu)勢，分別占總流失量的85.46%，74.38%；7月為主要流失月份，其氮、磷流失量分別占總流失量的63.07%，59.49%；6月流失的氮、磷占比分別為21.05%，22.19%。流失量減去輸入量后，氮的表觀凈排放量為2.068 7 g/m2，占稻田施氮量的8.71%；磷的表觀凈排放量為0.188 2 g/m2，占施磷量的5.02%。