控制排水對油菜/黃豆農(nóng)田土壤肥力及減排的影響
——以漳河灌區(qū)為例

何 軍，張 藝，杜發(fā)興，趙樹君，李趙琴，甘學(xué)華

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；3.湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448200）

0 引 言

農(nóng)田排水可減少澇漬脅迫、控制土壤鹽堿化，是保證農(nóng)作物正常生長并獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵措施[1,2]。我國傳統(tǒng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主要目標(biāo)，對環(huán)境的負(fù)面影響不予考慮[3]，隨著對氣候變化與環(huán)境問題的關(guān)注，這種傳統(tǒng)排水技術(shù)（又稱自由排水）逐漸暴露出過度排水的問題，造成農(nóng)田水分和氮磷流失等不利影響。農(nóng)田排水中的氮、磷等養(yǎng)分流失又是造成下游河流、湖泊富營養(yǎng)化的主要因素[4]，減少并控制農(nóng)田的氮、磷污染排放，對維系健康的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[5]?？刂婆潘哂醒泳徍蛢Υ媾潘淖饔?，使排水得到重復(fù)利用，從而提高灌溉水或降雨利用效率，相應(yīng)提高氮磷的吸收利用率，使作物生長和產(chǎn)量顯著提高[2,6]。瞿思堯等[7]、袁念念等[8]研究表明控制排水措施極大的減少了排水量進(jìn)而減少氮素排放，促進(jìn)肥料的轉(zhuǎn)化，提高肥料利用效率。我國北方干旱、半干旱及西北地區(qū)的旱作物玉米、棉花等控制排水研究側(cè)重于土壤水鹽運(yùn)移及分布規(guī)律[9,10]；沿海地區(qū)多著重在鹽堿地改良及氮磷流失[11]；中部地區(qū)多為降雨較多的半濕潤地區(qū)，控制排水主要集中在水稻的節(jié)水減排等方面[12]，而對旱作尤其種植面積較大的油菜、黃豆等研究并不多見。

本文選取位于長江中游的湖北省漳河灌區(qū)為研究區(qū)域，對代表性旱作油菜、黃豆開展實(shí)驗(yàn)，采集控制排水處理下不同深度的剖面土樣，測定其氮磷含量，監(jiān)測典型時(shí)段排水水量及其氮磷濃度，分析氮磷排放負(fù)荷，以期為當(dāng)?shù)丶邦愃茀^(qū)域旱作物種植節(jié)水減排策略提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018-2020年在湖北省漳河灌區(qū)總干渠附近的湖北省灌溉試驗(yàn)中心站（112°05'16″E，30°54'15″N）開展，位置如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)常年氣候溫暖，年無霜期260 d，年平均氣溫16 ℃，最高月平均氣溫27.7 ℃，最低月平均氣溫3.9 ℃，年降雨量700～1 100 mm，多年平均年降雨量947 mm，年蒸發(fā)量1 300～1 800 mm，為典型的南方丘陵地帶氣候條件[13]，代表性旱作為油菜和黃豆。土壤基本理化性質(zhì)：平均容重1.45 g∕cm3，平均土壤孔隙率45.5%，全氮0.03～0.17 g∕kg，全磷0.24～0.60 g∕kg，速效磷6.45～13.96 mg∕kg。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the test district

1.2 小區(qū)布置

根據(jù)規(guī)范[14,15]，小區(qū)尺寸設(shè)計(jì)為6.0 m×12.5 m，四周設(shè)立2.0 m深的磚混結(jié)構(gòu)的防水墻，沿小區(qū)長邊及正中埋設(shè)Φ50 mm的PVC排水暗管，暗管埋設(shè)深度均為距地表1.2 m，在排水暗管臨小區(qū)短邊的出口處安裝水位調(diào)控裝置，以實(shí)現(xiàn)小區(qū)不同地下水位埋深的控制排水處理，如圖2所示。

根據(jù)袁念念等[8]研究，控制地下水位埋深在0.3～0.5 m可以同時(shí)減小排水量和氮素流失量，因此本文控制地下水位埋深最淺為0.4 m。考慮到當(dāng)?shù)氐叵滤坏那闆r及作物根系隨生育期的生長變化，結(jié)合柏菊等[16]的研究結(jié)論，地下水位埋深控制為0.4、0.6、0.8 m時(shí)，更加有利于旱作吸收水分，提高水分利用效率。本文參考當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，設(shè)置暗管埋深1.2 m為自由排水（Free Drainage，F(xiàn)D），暗管出口處不加設(shè)控制設(shè)施，即傳統(tǒng)的排水技術(shù)，為對照處理；暗管出口控制設(shè)施的排水口距地表0.6 m為定高程控制排水（Fixed Level，F(xiàn)L）；根據(jù)作物不同生育期設(shè)定暗管出口控制設(shè)施的排水口距地表0.4～0.8 m為變高程控制排水（Changed Level，CL），如表1所示。每個(gè)處理重復(fù)3次并隨機(jī)布置到9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。

供試油菜品種為德油6號，黃豆品種為中黃36，種植行距50 cm，株距30 cm。參考當(dāng)?shù)厝罕娏?xí)慣，黃豆油菜旱作為雨養(yǎng)種植，即不予灌溉。施肥及除蟲、除草等農(nóng)事活動與當(dāng)?shù)厝罕娔Ｊ揭恢?，肥料均采用總養(yǎng)分（N∶P2O5∶K2O=14∶16∶15）≥45%的復(fù)合肥，在各作物播種前以750 kg∕hm2的水平一次性作底肥施入耕作層。

1.3 數(shù)據(jù)采集及方法

土樣采樣時(shí)間為黃豆收割后，分別為2019年9月24日和2020年9月28日，采用土鉆分上層（0～20 cm）、中層（20～40 cm）、下層（40～60 cm）取土樣，在各小區(qū)中間部位取3鉆，經(jīng)風(fēng)干、混合、過0.15 mm篩化驗(yàn)全氮（TN）、全磷（TP）。土樣全氮測定參考《土壤質(zhì)量全氮的測定凱氏法》（HJ 717-2014）；全磷參考《土壤總磷的測定堿溶-鉬銻抗分光光度法》（HJ 632-2011）。

選取兩個(gè)典型時(shí)段監(jiān)測水量并化驗(yàn)水質(zhì)：時(shí)段一為2019年7月12日19時(shí)至2019年7月13日6時(shí)，共計(jì)11 h，累計(jì)降雨27.3 mm，期間FD、FL、CL處理的平均流量分別為17.507 m3∕s、6.464 m3∕s和21.097 m3∕s；時(shí)段二為2020年7月11日8時(shí)至2020年7月13日15時(shí)，共計(jì)55 h，累計(jì)降雨45.6 mm，期間FD、FL、CL處理的平均流量分別為27.235 m3∕s、2.961 m3∕s和15.053 m3∕s。水樣總氮測定參考《水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636-2012）；總磷參考《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（GB 11893-89）。

氮磷排放負(fù)荷采用公式L=C×Q×T÷A計(jì)算，其中：L為氮磷排放負(fù)荷，g∕hm2；C為排水中氮磷質(zhì)量濃度，mg∕L；Q為取樣點(diǎn)在時(shí)段內(nèi)的排水流量，m3∕s；T為排水時(shí)間段，s；A為取樣點(diǎn)控制面積，即為每個(gè)小區(qū)面積，hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2010、SPSS 26.0、Origin64軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同控制排水處理對土壤全氮含量的影響

不同控制排水處理下土壤全氮的剖面分布如圖3所示。全氮在0～20 cm土壤的含量均以FD處理最高，油菜黃豆種植第1年和第2年分別達(dá)到0.950 g∕kg、1.052 g∕kg，而FL和CL處理在0～20 cm的全氮含量低于自由排水FD，說明控制排水會造成0～20 cm土壤全氮流失。對于FL處理而言，0～20 cm土壤全氮在油菜黃豆種植第1年時(shí)要高于CL處理，第2年時(shí)相差不大。20～40 cm土壤全氮含量在油菜黃豆種植第1年時(shí)仍以FD處理為最高，達(dá)0.628 g∕kg，但FL和CL處理全氮含量相差不大；第2年時(shí)則是CL處理為最高，達(dá)0.679 g∕kg，而FL和FD處理全氮含量相差不大。40～60 cm全氮含量在油菜黃豆種植2年期間均以FL處理最高，第1年、第2年分別達(dá)0.595 g∕kg、0.512 g∕kg，而CL次之，F(xiàn)D最低，第1年為0.398 g∕kg，第2年為0.418 g∕kg，說明控制排水對0～20 cm土壤全氮向深層次土壤遷移的影響顯著，采用控制排水存在氮流失風(fēng)險(xiǎn)，相比FL處理，CL處理更易造成土壤全氮流失，這與侯毛毛等[17]的研究結(jié)果一致，分析原因可能是控制排水使土壤水位升高，形成嫌氣土壤環(huán)境，有利于增加反硝化作用，氮素一方面轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)庖莩鯷4]，另一方面土壤溶液持續(xù)深層下滲損失。

由圖3可知，土壤全氮含量總體上隨土層深度呈下降趨勢，而上層土壤的全氮含量隨著種植年限的增加而增加，分析原因可能是油菜黃豆可促使土壤中有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化，這與VIRGINIA等[18]研究結(jié)論一致，蔬菜與豆科作物輪作可提高土壤有機(jī)碳和全氮含量，說明油菜、黃豆通過大量的葉片腐爛落地，給土壤留下更多富含氮素的有機(jī)殘?bào)w，有效的增加土壤中的有機(jī)質(zhì)和氮素，同時(shí)豆科植物不僅可固定空氣中氮素為本身所需，還對土壤中氮素具有富集作用[19,20]。

2.2 不同控制排水處理對土壤全磷含量的影響

不同控制排水處理下土壤全磷的剖面分布如圖4所示。0～20 cm土壤全磷含量在油菜黃豆種植第1年以FD處理最高，達(dá)0.586 g∕kg，CL處理最低，為0.340 g∕kg；油菜黃豆種植第2年以FL處理最高，達(dá)0.879 g∕kg，CL處理最低，為0.461 g∕kg。而20～40 cm土壤中，全磷含量在油菜黃豆種植2年期間均以控制排水CL處理最高，第1年、第2年分別達(dá)0.384 g∕kg、0.276 g∕kg。對于40～60 cm土壤而言，油菜黃豆種植第1年以FL處理最高，達(dá)0.259 g∕kg，油菜黃豆種植第2年則是FD處理最高，達(dá)0.461 g∕kg。總體上看，自由排水FD處理在0～20 cm土壤的保磷能力要強(qiáng)于控制排水FL、CL處理，而在其他土層恰恰相反，控制排水保磷能力更強(qiáng)，分析原因可能是隨土壤水位的升高造成缺氧環(huán)境，土壤供氧不足，Eh值降低，pH值升高，磷酸金屬化合物的三價(jià)Fe被還原為二價(jià)可溶性Fe離子，導(dǎo)致釋放更多的可溶性磷[21]，控制排水處理下0～20 cm土壤全磷淋失量增高，而磷素下移程度有限，控制排水又使排水流速降低，磷素在農(nóng)田水力停留時(shí)間延長，促進(jìn)吸收吸附[22]，在20～60 cm土壤表現(xiàn)出較強(qiáng)的保磷能力，而在0～20 cm土壤保磷能力不如自由排水。

圖4 不同控制排水處理土壤全磷含量的剖面分布Fig.4 Profile distributions of soil total phosphorus of different controlled drainage treatments

由圖4可知，全磷在土壤上層的富集趨勢比較明顯，在其他土層變化差異不大，分析原因可能是磷在土壤中以吸附為主[23]，磷隨下滲水向下遷移過程中，水流中顆粒狀磷量由于土壤吸附而逐漸降低[24]，使磷素縱向遷移不明顯，這與李順江等[25]的研究一致。

2.3 不同控制排水處理對氮磷排放濃度的影響

兩個(gè)典型時(shí)段中不同控制排水處理下水樣中總氮、硝態(tài)氮和總磷濃度如表2所示。FL、CL處理下的總氮、硝態(tài)氮和總磷平均濃度在不同時(shí)段中均要小于FD處理，這與喬欣等[22]研究結(jié)論一致，控制排水使排水流速減小，水流攜帶氮磷的能力降低，使排水在農(nóng)田中的水力停留時(shí)間延長，促使氮磷進(jìn)一步吸收吸附，流失濃度相應(yīng)減少。相比FD處理，時(shí)段一期間FL處理的總氮、硝態(tài)氮和總磷平均濃度分別降低29.39%、15.99%、12.07%，CL處理則分別降低25.52%、18.70%和40.80%。而時(shí)段二期間FL和CL處理較FD處理相比，總氮平均濃度降低40.21%和31.68%，硝態(tài)氮降低80.22%和68.99%，總磷則降低72.41%和55.17%?？傮w上看，相比自由排水FD，變高程控制排水CL處理可有效削減排水中的氮磷濃度，而定高程控制排水FL處理削減氮磷濃度效果更顯著。

由表2可知，典型時(shí)段總氮的流失濃度最大，而總磷的流失濃度最小。在總氮流失中硝態(tài)氮占據(jù)絕大部分，這是因?yàn)橄鯌B(tài)氮在土壤中更活躍，比總氮更易流失[26]；而總磷的流失濃度最小，其原因可能在于磷在土壤中隨下滲水向下遷移過程中，水流中顆粒狀磷量由于土壤吸附而逐漸降低，到達(dá)暗管排水口時(shí)磷量明顯減少，同時(shí)控制排水降低了徑流水力梯度、排水速度和載磷能力，增加了水力停留時(shí)間，使得總磷流失濃度減小[22,24]。

2.4 不同控制排水處理對氮磷排放負(fù)荷的影響

典型時(shí)段不同控制排水條件下總氮、硝態(tài)氮和總磷排放負(fù)荷對比如圖5所示。相比FD處理，時(shí)段一期間FL、CL處理下的總氮排放負(fù)荷減少73.93%、10.25%，硝態(tài)氮排放負(fù)荷減少68.98%、2.03%，總磷排放負(fù)荷減少67.54%、28.61%。相比CL處理，時(shí)段一期間FL處理下的總氮排放負(fù)荷減少70.95%，硝態(tài)氮排放負(fù)荷減少69.34%，總磷排放負(fù)荷減少54.53%。就FL處理而言，時(shí)段二期間總氮、硝態(tài)氮、總磷排放負(fù)荷相比FD處理分別減少93.50%、97.85%和97.03%，相比CL處理分別減少82.78%、87.45%和87.98%。

由圖5可知，兩個(gè)時(shí)段期間的排水負(fù)荷均為FD＞CL＞FL，表明相比自由排水FD處理，變高程控制排水CL處理可有效削減氮磷排放負(fù)荷，而定高程控制排水FL處理對于控制氮磷排放負(fù)荷效果更顯著，這與晏維金等[27]研究結(jié)果一致，控制排水抬高了出水口的水位，排水流速減小，氮磷對流運(yùn)移和水動力彌散作用減弱，水流攜帶氮磷的能力降低。

圖5 氮磷排放負(fù)荷Fig.5 Nitrogen and phosphorus emission loads

結(jié)合表2和圖5可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)段一期間，相較自由排水FD，F(xiàn)L處理下的總排水量降低31.50%，總氮濃度削減29.39%，總氮排放負(fù)荷減少73.93%；時(shí)段二期間，F(xiàn)L處理下總排水量比自由排水FD降低56.53%，總氮濃度削減40.21%，總氮排放負(fù)荷減少93.50%，表明總氮排放負(fù)荷的顯著降低與排水量和總氮濃度的顯著降低相一致，這與Wang等[21]、Dou等[28]研究發(fā)現(xiàn)一致，分析原因是控制排水使排水流速減小，增加排水水中氮素與沉積物和農(nóng)作物接觸的時(shí)間，以致更多氮素被吸收吸附，導(dǎo)致排水中氮素濃度大幅度降低[29]。

3 結(jié) 論

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）相較于傳統(tǒng)的自由排水FD，0.6 m的定出口高程FL和0.4～0.8 m的變出口高程CL均會造成0～20 cm土壤全氮向深層次土壤遷移，相比CL，F(xiàn)L處理可在一定程度上抑制土壤全氮流失；控制排水FL、CL處理對20～60 cm土壤的保磷能力要優(yōu)于自由排水FD處理，使土壤全磷向深層次土壤遷移不明顯。

（2）0.6 m的定出口高程FL處理在削減排水中的氮磷濃度和氮磷排放負(fù)荷上的效果要顯著優(yōu)于0.4～0.8 m的變出口高程CL，相較暗管埋深1.2 m的自由排水FD，總氮、硝態(tài)氮、總磷濃度降低29.39%、15.99%、12.07%，負(fù)荷減排達(dá)73.93%、68.98%、67.54%。

綜合考慮3種排水處理對農(nóng)田土壤肥力及減排的影響，采用土壤全氮全磷、水樣氮磷濃度及排放負(fù)荷3類指標(biāo)進(jìn)行排水模式優(yōu)選，然而根據(jù)作物不同生育期地下水位情況及根系生長變化而設(shè)定的0.4～0.8 m變出口高程控制排水CL未能達(dá)到預(yù)期良好效果，可能地下水水情復(fù)雜，農(nóng)田排水與剖面土壤和作物根系接觸時(shí)間難以調(diào)控，有待進(jìn)一步研究，但其保磷、削減氮磷濃度和減排能力仍優(yōu)于傳統(tǒng)暗管埋深1.2 m的自由排水FD處理，對環(huán)境產(chǎn)生良好的影響。相較而言，不同生育期暗管出口控制高程均為0.6 m控制排水FL處理在各方面要顯著優(yōu)于變出口高程CL處理。因此，出口控制深度0.6 m的控制排水處理（FL）是漳河灌區(qū)油菜∕黃豆種植更優(yōu)的排水模式。