江漢平原稻蝦輪作模式地表徑流氮、磷流失特征

陳玲，范先鵬，黃敏，劉冬碧，吳茂前，夏穎，張富林，張志毅，倪承凡，程子珍

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430064；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥所，國家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測實驗站，湖北省農(nóng)業(yè)面源污染工程技術(shù)中心，武漢 430064）

江漢平原位于長江中游，長江與漢江之間，該區(qū)域水網(wǎng)密布，是全國最重要的水稻種植基地，常年水稻種植面積66.7萬hm，也是全國最重要的淡水養(yǎng)殖區(qū)，區(qū)域水質(zhì)關(guān)系到長江水環(huán)境安全。近年來，區(qū)域內(nèi)稻蝦綜合種養(yǎng)模式由于小龍蝦良好的經(jīng)濟效益而快速發(fā)展，2019年全國小龍蝦產(chǎn)量排名前30的縣（市、區(qū)）中，江漢平原占9個，稻蝦模式面積達到40萬hm，為地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大貢獻。但是，稻蝦綜合種養(yǎng)模式的生態(tài)環(huán)境效益尚存爭議。一方面，稻田引入小龍蝦促進了物質(zhì)在稻田內(nèi)的就地循環(huán)和能量運轉(zhuǎn)，具有良好的生態(tài)效益。小龍蝦養(yǎng)殖的殘餌和糞便為水稻生長提供了有機養(yǎng)分，相較于池塘養(yǎng)殖，實現(xiàn)了水資源的節(jié)約和氮、磷的循環(huán)利用。另一方面，相較于其他稻作模式，稻蝦模式對水資源消耗嚴(yán)重；同時由于秸稈還田和飼料投入，稻蝦綜合種養(yǎng)模式田面水硝態(tài)氮、氨氮含量高于單季稻田，增加了水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險。傳統(tǒng)稻田的地表徑流主要受到降雨和灌溉的驅(qū)動，優(yōu)化施肥可以有效控制農(nóng)田地表徑流氮、磷流失，有機肥替代措施、控釋氮肥和添加生物炭均能減少氮、磷徑流流失，肥料深施和穴施能有效降低徑流總氮、總磷濃度，有效控制農(nóng)田氮、磷流失，錯期施肥和優(yōu)化施肥量也是減控農(nóng)田氮、磷流失的方法。稻蝦輪作模式巧妙地將養(yǎng)殖和種植相結(jié)合，同時還改變了水分管理與養(yǎng)分投入的方式，因此具有與傳統(tǒng)稻田不同的氮、磷流失特征。本研究選擇江漢平原地區(qū)最有代表性的稻蝦輪作模式稻田，進行連續(xù)3 a（2018年9月至2021年9月）的原位監(jiān)測，明確農(nóng)田地表徑流氮、磷流失特征與規(guī)律，為精準(zhǔn)減控稻蝦綜合種養(yǎng)模式氮、磷污染提供依據(jù)，助力稻蝦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測區(qū)域概況

監(jiān)測區(qū)域位于湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)柳洲村（112°37'E，30°22'N），處于江漢平原腹地，屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤型氣候，年均氣溫16.1℃，無霜期250 d，年均降水量1 100 mm。土壤類型為長江沖積物母質(zhì)發(fā)育而成的潮土型水稻土，是典型的南方水網(wǎng)農(nóng)區(qū)。

監(jiān)測田塊位于連片稻蝦綜合種養(yǎng)區(qū)域內(nèi)，為“日”字型結(jié)構(gòu)，寬61.50 m，長195.10 m，總面積1.19 hm，其中稻田凈面積0.84 hm，養(yǎng)殖溝面積0.25 hm，養(yǎng)殖溝占比約20%。養(yǎng)殖環(huán)溝均寬6.00 m、深2.00 m，田間養(yǎng)殖溝寬4.00 m、深1.00 m（圖1）。該監(jiān)測田塊2015年由稻麥輪作改造為稻蝦綜合種養(yǎng)模式。

1.2 監(jiān)測方法

監(jiān)測并記錄監(jiān)測田塊每次發(fā)生的降雨、灌溉、排水以及其他所有農(nóng)事操作和投入品。降雨量采用雨量器（JQR-Ⅰ型，JB·T 9458—1999）計量；灌溉量采用水表計量；排水量采用田間水位法計量；在稻田田面和養(yǎng)殖溝分別安裝水位尺，記錄單次灌排和降雨前后水位，其他時期每2～3 d記錄一次水位。監(jiān)測設(shè)施安放位置見圖1。

圖1 監(jiān)測區(qū)域所在位置及監(jiān)測田塊示意圖Figure 1 Location of monitoring area and schematic diagram of monitoring field

監(jiān)測田塊的農(nóng)事操作均按農(nóng)戶習(xí)慣（表1）進行。養(yǎng)蝦季為水稻收獲后（9月底10月初）至次年水稻插秧之前（6月初），開始復(fù)水時田面水深為10～20 cm，后逐漸加深至50～60 cm，2月中下旬或3月初開始投放蝦飼料，4—5月捕撈成蝦。稻季分兩次施肥，第一次施復(fù)合肥，第二次施尿素（表2）。稻季田面不養(yǎng)蝦，水稻收割后秸稈全量還田。

表1 定位監(jiān)測田塊主要農(nóng)事操作記錄Table 1 Record form of main farming operations in the field

表2 監(jiān)測年度不同投入品養(yǎng)分施用量（kg·hm-2）Table 2 Nutrients application rate in different year（kg·hm-2）

1.3 樣品采集與檢測方法

1.3.1 采樣方法及檢測指標(biāo)

本研究采集降雨樣、灌溉水樣、排水樣和田面水樣，具體檢測指標(biāo)及采樣方法等見表3。

表3 采樣方法及檢測指標(biāo)Table 3 Sampling methods and detection indexes

1.3.2 檢測方法

1.3.3 計算方法

（1）徑流量

稻蝦輪作模式田塊四周堤壩高出田面約1.05 m，幾乎不產(chǎn)生溢流，排水均由人為控制，每開放排水管排水一次，記為一次徑流。

水位高于田面時（≥1.05 m），全田排水：

水位低于田面時（1.05 m≥h≥0 m），僅養(yǎng)殖溝排水：

故有，

式中：為徑流量，mm；為排水體積，m；為田間多個水位尺讀數(shù)的均值，均為相對于溝底的水位，m；為水位為時的水面面積，m；187.1和53.5分別為稻蝦田最底部的長和寬，m；489.2為環(huán)溝長度，m；59.5為田中溝長度，m；11 900為田塊面積，m。

（2）產(chǎn)流系數(shù)

產(chǎn)流系數(shù)為一段時間內(nèi)，田塊徑流量與降雨量和灌溉量的比值。

式中：為產(chǎn)流系數(shù)，%；為降雨量，mm；為灌溉量，mm。

（3）氮、磷流失量

氮、磷流失量計算公式為：

式中：為氮、磷流失量，kg·hm；為第次徑流；c為第次徑流的濃度，mg·L；V為第次徑流量，m；1.19為田塊總面積，hm。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 2020繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流發(fā)生特征

3年共發(fā)生29次徑流，第1年和第2年各產(chǎn)流9次，第3年產(chǎn)流11次（表4）。3個年度內(nèi)，蝦季的產(chǎn)流次數(shù)分別是5、5、4次，稻季的產(chǎn)流次數(shù)分別是4、4、7次。3個年度年平均產(chǎn)流量為（1 270±287）mm，蝦季平均產(chǎn)流量為（710±25）mm，高于稻季平均產(chǎn)流量（560±307）mm，年均產(chǎn)流系數(shù)為44.7%，其中蝦季為38.8%，稻季為55.3%，蝦季明顯低于稻季。年際間蝦季產(chǎn)流量差異較小，變異系數(shù)為4.35%，但稻季產(chǎn)流量差異較大，變異系數(shù)高達67.0%，這主要與蝦季和稻季的需水、排水特征明顯不同有關(guān)。

表4 江漢平原稻蝦輪作模式徑流發(fā)生特征Table 4 Runoff characteristics of rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain

2.2 稻蝦輪作模式氮、磷流失特征

2.2.1 農(nóng)田氮、磷流失量

3個年度監(jiān)測結(jié)果表明（表5）：稻蝦輪作模式農(nóng)田TN年均流失量為（24.59±4.70）kg·hm，其中蝦季流失量為（12.49±2.50）kg·hm，占全年度的50.8%，稻季流失量為（12.10±4.41）kg·hm，占全年度的49.2%。TP年均流失量為（3.28±1.03）kg·hm，其中蝦季流失量為（1.52±0.50）kg·hm，占全年度的46.3%，稻季流失量為（1.76±1.21）kg·hm，占全年度的53.7%。

表5 江漢平原稻蝦輪作模式氮、磷流失量（kg·hm-2）Table 5 Nitrogen and phosphorus loss in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（kg·hm-2）

2019—2020年度氮、磷流失量較其他兩個年度偏高，因為該年度稻季降雨量大而且集中，所以導(dǎo)致稻季的氮、磷流失量顯著增加。不同年度稻、蝦兩季氮、磷流失量占比略有不同，這與當(dāng)年的降雨特征和田間措施（投食、施肥、灌排）等相關(guān)。平均來看，蝦、稻兩季的氮、磷流失量均相差較小。

2.2.2 農(nóng)田氮、磷流失形態(tài)

圖2 稻蝦輪作模式徑流流失各形態(tài)氮、磷占比Figure 2 Proportions of nitrogen and phosphorus in runoff loss of rice-crawfish rotation system

蝦季磷素流失主要以DTP為主，占全部磷流失量的62.2%，PP占37.8%。而稻季略有不同，DTP和PP流失量相當(dāng)，分別占48.4%和51.6%。

2.3 稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流氮、磷濃度特征

2.3.1 農(nóng)田徑流氮素濃度特征

表6 江漢平原稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流不同形態(tài)氮的濃度（mg·L-1）Table 6 Different forms nitrogen concentrations in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（mg·L-1）

2.3.2 農(nóng)田徑流磷素濃度特征

3個年度監(jiān)測結(jié)果表明（表7）：稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流TP濃度為（0.25±0.14）mg·L，DTP濃度為（0.14±0.06）mg·L，PP濃度為（0.11±0.11）mg·L。稻季農(nóng)田徑流TP濃度為（0.29±0.17）mg·L，高于蝦季的（0.21±0.09）mg·L；DTP濃度種養(yǎng)兩季差異較小，分別為（0.14±0.06）mg·L和（0.13±0.06）mg·L；PP濃度稻季為（0.15±0.14）mg·L，明顯高于蝦季的（0.08±0.04）mg·L。

表7 江漢平原稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流不同形態(tài)磷的濃度（mg·L-1）Table 7 Different forms phosphorus concentrations in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（mg·L-1）

分析同一種養(yǎng)季內(nèi)各次徑流磷濃度變化（圖3）可知，稻季變化幅度明顯高于蝦季。

圖3 江漢平原稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流不同形態(tài)氮、磷濃度變化特征Figure 3 Characteristics of nitrogen and phosphorus concentrations in different forms in runoff under rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain

2.4 稻蝦輪作模式田面水氮、磷濃度

2.4.1 田面水氮素濃度變化

圖4 江漢平原稻蝦模式農(nóng)田田面水不同時期氮、磷濃度變化Figure 4 Changes of nitrogen and phosphorus concentrations in surface water of rice-crawfish system at different periods in Jianghan Plain

2.4.2 田面水磷素濃度變化

2020—2021年度的田面水監(jiān)測結(jié)果表明：稻蝦輪作模式田面水TP、DTP和PP的平均濃度分別為（0.29±0.15）、（0.17±0.08）、（0.11±0.11）mg·L。稻季田面水TP濃度為（0.37±0.18）mg·L，高于蝦季的（0.23±0.09）mg·L，兩季DTP濃度差別較小，稻季為（0.18±0.09）mg·L，蝦季為（0.17±0.08）mg·L。

整個蝦季田面水磷濃度變化相對比較平穩(wěn)，只是在3月中旬開始投放餌料后，受投放餌料、捕撈等擾動的影響，田面水中磷濃度開始小幅上升（圖4）。而稻季，受施肥、水分管理等農(nóng)事活動的影響，田面水中磷濃度一直小幅波動，但無明顯峰值，且生長前期的變化大于后期。

3 討論

3.1 稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量

稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量與稻麥輪作、雙季稻等稻田輪作模式相比，雖然同樣年際間變化大，但并沒有明顯增加，其中稻季的流失量與單季稻的流失量相當(dāng)（表5）。本研究的3 a監(jiān)測中，蝦季氮、磷徑流流失量分別為9.21～15.26、1.13～2.22 kg·hm，稻季氮、磷徑流流失量分別為7.49～18.04、0.74～3.47 kg·hm。我國不同地區(qū)、不同模式稻田氮、磷流失量見表8。張子璐等基于文獻調(diào)研，研究了我國六大稻區(qū)的氮、磷徑流流失量，其中華中單雙季稻區(qū)的平均氮、磷流失量分別為16.59、0.89 kg·hm?？娊芙艿仍诎不粘埠谋O(jiān)測結(jié)果為單季稻氮、磷流失量分別為11.49～17.68、1.23～1.60 kg·hm。

表8 我國不同地區(qū)、不同模式稻田氮、磷流失通量Table 8 Nitrogen and phosphorus loss fluxes in paddy fields of different planting systems in different regions of China

稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流流失量與稻蝦共作模式相當(dāng)，蝦季的流失量也沒有明顯差異。在張丁月等的研究結(jié)果中，稻蝦共作模式農(nóng)田排水氮、磷輸出量分別為31.72、1.43 kg·hm。佀國涵等研究了稻蝦共作模式蝦季結(jié)束時的養(yǎng)殖廢水氮、磷排放通量，結(jié)果分別為9.6～10.7、2.0～2.5 kg·hm。

相比于高密度的池塘養(yǎng)殖蝦類，稻蝦綜合種養(yǎng)模式顯著降低了水產(chǎn)養(yǎng)殖的氮、磷排放通量。陳東興等研究了3種蝦類池塘養(yǎng)殖方式下氮、磷污染排放情況，青蝦、南美白對蝦和羅氏沼蝦TN排放強度分別為37.20、181.00 kg·hm和148.00 kg·hm，TP排放強度分別為7.78、46.80 kg·hm和34.50 kg·hm，遠高于稻蝦輪作中蝦季的氮、磷流失量。

3.2 稻蝦輪作模式氮、磷流失風(fēng)險期與影響因素

農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量與徑流發(fā)生量和徑流中氮、磷濃度有關(guān)。雖然稻蝦綜合種養(yǎng)對稻田的養(yǎng)殖溝和田埂進行了田間工程改造，增加了田間容量，但從監(jiān)測結(jié)果看，稻蝦輪作模式產(chǎn)流系數(shù)（44.7%）仍高于同地區(qū)稻作模式（34.7%），主要是由于蝦季一直處于高水位運行，同時養(yǎng)蝦過程還需要進行水質(zhì)性換水和補水；而稻季出于機械栽種和收獲的需要，排水量比其他稻作模式更大。從地表徑流發(fā)生量來看，稻蝦輪作模式一年有兩次發(fā)生風(fēng)險期：蝦季結(jié)束時的排水和稻季收獲前的排水。本研究監(jiān)測結(jié)果表明：蝦季結(jié)束時的氮、磷排放量分別占全年氮、磷排放量的29.9%、28.6%；水稻成熟期的氮、磷排放量分別占全年氮、磷排放量的9.3%、12.0%。

從地表徑流氮、磷濃度來看，餌料對蝦季田面水氮、磷濃度的影響明顯不及施肥對稻季田面水濃度的影響。主要原因有兩點：一是蝦季田面水水層深（＞40 cm），緩沖容量大，而稻季田面水水層淺（＜15 cm）；二是餌料中氮、磷多為有機態(tài)，養(yǎng)分的釋放過程較長，而肥料中氮、磷多為無機態(tài)，水溶性好。因此，稻蝦輪作模式稻季施肥期（播種栽插期至分蘗盛期）是氮、磷流失的高風(fēng)險期。這與張富林等、夏小江等、吳俊等對稻田施肥后田面水TN、TP濃度在施肥當(dāng)日達到最高，而后迅速下降，5～10 d趨于穩(wěn)定的研究結(jié)果一致。施肥后遇到降雨而產(chǎn)生地表徑流，極易發(fā)生氮、磷流失。稻蝦輪作模式稻季施肥后至少一周為流失風(fēng)險期。

監(jiān)測時段內(nèi)29次地表徑流中，TN濃度高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（以下稱Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)）的有26次，其中高于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的有10次。NH-N濃度高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的有5次，均為稻季施肥后不久發(fā)生的徑流。TP濃度高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的有16次，其中高于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的有10次。

因此，稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流氮、磷流失風(fēng)險期共有3個時間段：其一為蝦季結(jié)束后，排放田面水至水層適合水稻栽插時期。田面水自然落干，盡可能減少外排水量和減少對田面水的擾動可以有效減少這一時期氮、磷的流失；其二是稻季底肥施用至追肥施用后一周的施肥期，即水稻栽播至分蘗盛期，除改進施肥方法（養(yǎng)分總量控制、控釋肥替代、深施等）外，應(yīng)盡可能降低田面水水位，提高稻田庫容，減少降雨產(chǎn)流外排的風(fēng)險；其三為稻季水稻收獲前，排放田面水，使田面落干以利于機械收獲，應(yīng)控制好斷水時間，盡可能讓田面水自然落干，控制田面水的排放。

4 結(jié)論

（1）稻蝦輪作模式年徑流發(fā)生量為（1 270±287）mm，年均產(chǎn)流系數(shù)為44.7%；蝦季由于養(yǎng)殖需要，產(chǎn)流量為稻季的1.3倍。

（2）稻蝦輪作模式蝦、稻兩季的總氮、總磷流失量各占一半；受田面水層與投入品的影響，蝦季和稻季氮、磷流失形態(tài)、徑流水中各形態(tài)氮、磷濃度和田面水中各形態(tài)氮、磷濃度有所不同，蝦季以硝態(tài)氮和可溶態(tài)磷為主，稻季以銨態(tài)氮和顆粒態(tài)磷為主。

（3）識別稻蝦輪作模式氮、磷流失的風(fēng)險時段為：蝦季結(jié)束時的排水期（6月初）、稻季成熟期的排水期（9月初），以及強降雨和施肥后一周內(nèi)的耦合期（6—7月）。

（4）依據(jù)蝦、稻兩季田間管理和徑流特征的不同，以下途徑可有效減少氮、磷流失量：蝦季適當(dāng)降低養(yǎng)殖水位，在生產(chǎn)季節(jié)結(jié)束時，提前自然落干田面水；稻季減少排放施肥后泡田水，成熟期排水前控制斷水時間，使田面水自然落干。