不同灌溉模式對(duì)稻田節(jié)水減污效果的影響

周庭全，李圓圓，肖夢(mèng)華，李彥彬

（1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），杭州 310020）

0 引 言

水稻作為我國(guó)主要糧食作物之一，其種植面積與產(chǎn)量分別占糧食作物種植面積與產(chǎn)量的25%與31%[1]。傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)模式作為農(nóng)業(yè)面源污染的主要途徑之一，影響水體質(zhì)量，波及各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)與正常生活。水稻傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中的“大肥大水”導(dǎo)致農(nóng)田氮磷過(guò)量[2]、氮磷通過(guò)排水滲漏及降雨沖刷等途徑進(jìn)入水體，從而造成面源污染。采用節(jié)水灌溉模式不僅能減少灌溉用水，提高水肥利用率[3-5]，還能減少污染物排放[6]。但已有研究中多數(shù)只對(duì)比了一種節(jié)水灌溉模式與常規(guī)灌溉之間的差異，對(duì)不同灌溉模式之間的差異研究較少。

目前水稻節(jié)水灌溉模式主要有“淺、濕、曬”灌溉、間歇灌溉（干濕交替灌溉）、控制灌溉、濕潤(rùn)灌溉、適雨灌溉、蓄雨型灌溉等[7,8]。蓄雨薄露灌溉與薄露灌溉不同之處在于蓄水上限的提高，對(duì)降雨的利用較為充分，適用于降雨較多且降雨和水稻生育期同步的地區(qū)。溝畦適雨灌溉是適雨灌溉的其中一種模式，適用于南方多雨的地區(qū)，地形低洼的地區(qū)最為合適。目前對(duì)蓄雨薄露灌溉及溝畦適雨灌溉的研究還不充分，需進(jìn)一步明確其對(duì)水分利用及產(chǎn)量的影響機(jī)理。同時(shí)，水分條件會(huì)對(duì)氮磷的排放產(chǎn)生影響，但具體影響機(jī)理還不甚明確。本文以常規(guī)灌溉模式及浙江地區(qū)推廣的灌溉模式為研究對(duì)象，研究不同水分條件下氮磷污染物的流失機(jī)理，為水稻科學(xué)灌溉提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于浙江省平湖市農(nóng)業(yè)排灌技術(shù)示范基地內(nèi)進(jìn)行。地理坐標(biāo)為121°16'N，30°36'E，屬于亞熱帶南部季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.7 ℃，年平均降雨量1 195.2 mm，年蒸發(fā)量1 248.6 mm，年日照時(shí)間2 075 h，年平均降雨時(shí)間140 d。土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏土，土壤體積質(zhì)量為1.39 g/cm3，飽和含水率為38.8%。試驗(yàn)小區(qū)面積為11 m×6 m，其進(jìn)水及排水全部采用鋼管，并安裝水表、過(guò)濾器及控制閘閥等。田埂為水泥砂漿磚砌，高出土壤表面約20 cm，中間設(shè)置深入田面以下1 m 的復(fù)合土工膜防滲，采用30%石灰土分層回填夯實(shí)。試驗(yàn)小區(qū)四周設(shè)有寬2～3 m的保護(hù)區(qū)。試驗(yàn)站配有小型氣象站，用于記錄氣象數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)供試品種為“甬優(yōu)（雜交）”，其生育期劃分返青期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期、黃熟期共6個(gè)生育階段。水稻于7 月25 日移栽，11 月11 日收獲，生育期共110 d。試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)不同處理，即常規(guī)灌溉（W0 處理）、薄露灌溉（W1 處理）、改進(jìn)蓄雨薄露灌溉（W2 處理）和溝畦適雨灌溉（W3 處理）。溝畦適雨灌溉溝寬0.2 m，溝深0.20～0.25 m，溝間畦寬2～4 m，本試驗(yàn)中溝畦規(guī)格見圖1，不同灌溉模式的田間水分控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。水稻全生育期施肥純氮約242.5 kg/hm2，磷肥約150 kg/hm2，鉀肥約60 kg/hm2，其中磷肥、鉀肥全部以基肥施入。氮肥按照基肥、分蘗肥、拔節(jié)肥5∶3∶2的比例施入。

圖1 溝畦規(guī)格示意圖（單位：m）Fig.1 Furrow and furrow specification diagram

表1 不同灌溉模式的田間水分控制標(biāo)準(zhǔn) mmTab.1 Field water control standards for different irrigation modes

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目

試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有小型氣象站，可自動(dòng)獲取氣象數(shù)據(jù)。

（1）田間水分?jǐn)?shù)據(jù)。灌溉水量和排水量通過(guò)灌水管上的水表和出水口處的水表進(jìn)行計(jì)量。每天08:00 根據(jù)田間固定位置的水尺讀取田間水位，灌水、降雨及排水前后加測(cè)；田面無(wú)水層時(shí)，取水稻根系層（0～20 cm）土壤采用烘干法測(cè)定土壤含水率；試驗(yàn)中采用測(cè)針測(cè)定每天的水層變化。田間埋設(shè)無(wú)底測(cè)桶，每天測(cè)取田間水位時(shí)同步觀測(cè)測(cè)桶內(nèi)水位變化，記錄滲漏量；除排水外每天田間水層高度變化減去滲漏量，即為蒸發(fā)蒸騰量。

（2）水樣污染物。水樣主要包括排水水樣和滲漏水樣。每次排水時(shí)均采樣；從返青期到乳熟期，每個(gè)生育期用真空泵采集1 次土壤滲漏水樣，水樣主要檢測(cè)TN、TP、NH4+-N、NO3--N和COD等5個(gè)指標(biāo)。

（3）水分生產(chǎn)率及灌溉水分生產(chǎn)率。水分生產(chǎn)率（WP）能反映單位水量的產(chǎn)出效率，表示為：

式中：WP為水分生產(chǎn)率，kg/m3；Y代表水稻產(chǎn)量，kg/hm2；ΔW為0～20 cm 土壤貯水變化量，m3/hm2；I為灌溉水量，m3/hm2；P為天然降雨量，m3/hm2；D為排水量，m3/hm2；L為滲漏量，m3/hm2。

灌溉水分生產(chǎn)率（IWP）反映了單位灌溉水的產(chǎn)出效率，表示為：

式中：IWP為灌溉水分生產(chǎn)率，kg/m3；Y代表水稻產(chǎn)量，kg/hm2；I為灌溉水量，m3/hm2。

（4）產(chǎn)量。水稻產(chǎn)量的觀測(cè)以試驗(yàn)小區(qū)為單元，分別測(cè)定各試驗(yàn)小區(qū)的產(chǎn)量，并根據(jù)試驗(yàn)小區(qū)的面積最終換算為單位面積產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)水效果分析

2.1.1 不同灌溉模式對(duì)灌水量、排水量、滲漏量和騰發(fā)量的影響

田間各項(xiàng)水量數(shù)據(jù)見圖2，可以看出灌溉模式對(duì)水量有較大影響，不同處理之間存在顯著差異。水稻生育期內(nèi)降雨較少，由于分布略微集中，因此灌水量受蓄水上限影響較大。W0 灌水量最大，W1、W2、W3 依次降低，分別比W0 減少38.6%、73.4%、91.4%，其中W3 由于蓄水上限最大，能存蓄較多雨水，使得灌水量大幅減少。各處理排水量由大到小依次為W1、W0、W2、W3，其中W1 排水量最大，較W0 增加15.9%，是由于W1 蓄水上限較低導(dǎo)致。W1、W2、W3 與W0相比，滲漏量分別減少50.9%、44.3%、47.1%。影響滲漏量的主要因素為水層深度，W1 水層深度最小，滲漏量最小；W3水面面積較小，但蓄水深度遠(yuǎn)大于其他處理，其滲漏量略有減少，與W2 較為接近。騰發(fā)量在耗水中占比均在92.6%以上，即蒸騰蒸發(fā)是稻田水分消耗的主要途徑。W1 水層較淺且部分時(shí)間田間無(wú)水層，騰發(fā)量最低；W2灌水上限與W1相同，但其蓄水上限高于W1，降雨過(guò)后蓄雨導(dǎo)致水層稍深，騰發(fā)量大于W1；W0 灌水上限大于W2，蓄水上限小于W2，降雨天數(shù)在整個(gè)生育期內(nèi)占比不大，田間水層較長(zhǎng)時(shí)間保持在灌水上限與下限之間，水深大于W2，騰發(fā)量也大于W2；W3 與其他處理不同之處在于正常情況下僅溝中有水層，水面面積顯著減少，但蓄水深度較大，其騰發(fā)量介于W1 與W2 之間。僅從灌水量來(lái)看，W3對(duì)雨水利用較為充分，節(jié)水效果最好。

圖2 不同灌溉模式灌排水量及滲漏騰發(fā)水量Fig.2 Irrigation and drainage of different irrigation modes and seepage and outflow

2.1.2 不同灌溉模式對(duì)水分生產(chǎn)率的影響

各處理的水分生產(chǎn)率見表2。各處理水分生產(chǎn)率差異顯著，由大到小依次為W1、W3、W2、W0。W1 灌水上限及蓄水上限較低，排水較多，田間留存的水量最少，水分生產(chǎn)率大于其他處理。W3 由于灌水最少，排除短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致的排水，本田期田間留存的水量?jī)H大于W1，水分生產(chǎn)率僅次于W1，達(dá)到2.78 kg/m3。W2與W1的灌水上下限相同，僅淹水上限大于W1，本田期田間留存的水量高出W1 31.9%，水分生產(chǎn)率為2.51 kg/m3。W0 灌水量最大，且可蓄雨量?jī)H大于W1 薄露灌溉，本田期田間留存的水量最大，水分生產(chǎn)率最小。由上述可知，本田期田間留存的水量越少，水分生產(chǎn)率越大，二者呈負(fù)相關(guān)。

表2 不同灌溉模式水分生產(chǎn)率Tab.2 Water productivity of different irrigation modes

灌溉水分生產(chǎn)率由大到小依次為W3、W2、W1、W0，且各處理存在顯著差異。灌溉水分生產(chǎn)率僅與產(chǎn)量、灌水量?jī)蓚€(gè)因素相關(guān)。由表2 可知，水稻產(chǎn)量在11 070.0～11 301.0 kg/hm2之間波動(dòng)，且各處理雖然存在差異，但仍處于同一水平，而灌溉水分生產(chǎn)率與灌水量成負(fù)相關(guān)，因此灌溉水分生產(chǎn)率受灌水量影響較大。同時(shí)灌水量隨灌溉模式而變化，因此灌溉模式對(duì)灌溉水分生產(chǎn)率有較大影響。

2.2 減污效果分析

2.2.1 稻田污染物的排水負(fù)荷量

各處理排水污染物平均濃度與負(fù)荷量見表3。其中稻田污染物排水負(fù)荷量由各次排水中污染物濃度與各次排水量相乘后累加得到。以常規(guī)灌溉W0 為對(duì)照，W1、W2、W3 排水中總氮濃度分別降低9.1%、18.3%、28.1%；硝氮濃度則分別增加了18.3%、減少了14.1%、增加了2.8%；氨氮濃度則分別減少了52%、30.1%、72.8%。其中W1 處理排水3 次，最后一次排水氮素濃度顯著大于前兩次及其他處理，導(dǎo)致平均濃度增加，且部分指標(biāo)大于W0。最后一次排水濃度陡增的原因可能是排水前土壤處于無(wú)水層狀態(tài)，土壤通氣得到改善，硝化作用增強(qiáng)所致。總磷平均濃度除W1外均小于0.1 mg/L。導(dǎo)致W1總磷平均濃度最大的主要原因是由于最后一次排水中總磷濃度最大，是各處理各次排水總磷濃度的2.2～4.6 倍。化學(xué)需氧量COD 平均濃度相對(duì)于W0，W1、W2、W3 分別減少16.2%、17%、35.2%。

表3 不同灌溉模式排水污染物平均濃度及負(fù)荷量Tab.3 Average concentration and load of pollutants in drainage under different irrigation modes

各處理排水總氮負(fù)荷量依次減小，常規(guī)灌溉W0 為對(duì)照，W1、W2、W3 分別減少17.2%、75.7%、84.2%；硝氮負(fù)荷量W1 最大，W0 次之，氨氮負(fù)荷量W0 最大，W1 次之。薄露灌溉改善了土壤通氣狀況，促進(jìn)了硝化作用。而氨氮作為硝化作用的底物被轉(zhuǎn)化為硝氮，導(dǎo)致W1氨氮排水負(fù)荷量降低。雖然W2的氨氮平均濃度大于W1，W3的硝氮平均濃度大于W0，但W2 與W3 的氮素排水負(fù)荷量遠(yuǎn)小于W1 與W2。且W2 和W3僅排水一次，說(shuō)明在不同量級(jí)下排水量的多少是污染物排水負(fù)荷量的主要影響因素?？偭着潘?fù)荷量較小，但蓄雨類灌溉與非蓄雨類灌溉間的差距較為明顯。COD 排水負(fù)荷量的變化與總氮類似，各處理相對(duì)W0 分別減少1.1%、74.6%、85.3%。

2.2.2 稻田污染物的滲漏負(fù)荷量

各處理滲漏水中污染物濃度見圖3。其中圖3（a）為總氮濃度變化，除常規(guī)灌溉外其他處理總體上隨生育期呈逐漸上升的變化趨勢(shì)。常規(guī)灌溉W0的變化趨勢(shì)為升-降-升，全生育期峰值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期，其他處理雖有波動(dòng)，但其變化幅度不大。硝氮作為氮素主要形態(tài)之一，其濃度變化趨勢(shì)與總氮基本一致，見圖3（b）。且75%的滲漏水樣品中硝氮濃度的占比在50%以上，說(shuō)明滲漏水中氮素的主要形態(tài)為硝氮，這也符合硝氮易溶于水且不易被土壤吸附[9-11]的特征。各處理氨氮濃度變化趨勢(shì)見圖3（c）。W1、W2 變化趨勢(shì)相似，W0 與W3 生育期前期（返青、分蘗及拔節(jié)孕穗期）變化趨勢(shì)一致。返青期各處理水層依次由深到淺，淋溶由強(qiáng)到弱，氨化作用由弱到強(qiáng)，淋溶作用與氨化作用共同作用導(dǎo)致返青期氨氮滲漏濃度W1、W2 大于W0、W3。分蘗期各處理水層由深到淺依次為W3、W0、W2、W1，淋溶作用由強(qiáng)到弱，滲漏水中氨氮濃度規(guī)律與水層深淺一致，說(shuō)明滲漏水中氨氮濃度主要受淋溶作用影響。拔節(jié)孕穗及抽穗開花期與返青期類似，滲漏水中氨氮濃度受氨化作用與淋溶作用二者共同影響。乳熟期與分蘗期相同，滲漏水中氨氮濃度主要受淋溶作用影響?？偭诐B漏濃度見圖3（d），各處理與各生育期均在0.02～0.10 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，僅W2返青期超出此范圍，可能是由于施用基肥時(shí)在取樣點(diǎn)周圍撒施不均勻?qū)е?。滲漏水中COD 濃度變化趨勢(shì)見圖3（e）。COD 濃度大體呈上升趨勢(shì)，雖在抽穗開花及乳熟期有一定程度下降但其下降幅度不大。整體呈增加趨勢(shì)可能是由于隨生育期進(jìn)行，田間水層中藻類及其他殘枝落葉等增多，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單分解后隨滲漏水下滲，導(dǎo)致滲漏水中有機(jī)物含量增加，進(jìn)而使COD濃度增加。

圖3 不同灌溉模式下滲漏水中各污染物濃度變化Fig.3 Changes of pollutant concentrations in seepage water under different irrigation modes

各處理本田期滲漏污染物平均濃度及負(fù)荷量見表4。各處理滲漏水中污染物平均濃度W0 與W2 相差不大，W3、W2 依次降低。說(shuō)明水層深度較深會(huì)增加淋溶強(qiáng)度，使得污染物濃度增加。W3處理小于W0與W2可能是由于其正常情況下僅溝中有水，淋溶作用較弱。W0 各項(xiàng)污染物指標(biāo)均大于其他處理，說(shuō)明節(jié)水灌溉模式能有效減少滲漏污染物排放。以W0處理的TN、TP、NO3--N、NH4+-N 和COD 的負(fù)荷量為對(duì)照，W1分別減少72.2%、87.0%、54.9%、56.2%、55.9%；W2 分別減少53.4%、63.3%、46.1%、49.1%、30.5%；W3 分別減少55.0%、62.1%、23.2%、69.2%、49.8%。各處理污染物滲漏負(fù)荷量受滲漏量與滲漏水中污染物濃度兩個(gè)因素影響。其中滲漏量由大到小依次為W0、W2、W3、W1，污染物滲漏負(fù)荷量的變化規(guī)律與其一致，二者呈正相關(guān)；另一方面滲漏污染物平均濃度僅總氮及硝氮兩項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律與負(fù)荷量一致，氨氮、總磷、COD則無(wú)明顯規(guī)律。

2.2.3 稻田污染物的負(fù)荷量

各處理污染物負(fù)荷量如表5所示。除總磷外，其他污染物指標(biāo)由大到小均為W0、W1、W2、W3。相對(duì)與W0 常規(guī)灌溉的總氮、硝氮、氨氮及COD 負(fù)荷量，薄露灌溉降低25.1%、6.2%、64.3%、7.5%，改進(jìn)蓄雨薄露灌溉降低72.5%、72.4%、77.2%、69.4%，溝畦適雨灌溉降低79.9%、74.6%、89.9%、81.1%?？偭棕?fù)荷量不同于其他污染物指標(biāo)主要原因在于W1薄露灌溉的灌溉模式，其灌水上下限設(shè)定較小，導(dǎo)致排水次數(shù)分別比常規(guī)灌溉、改進(jìn)蓄雨薄露灌溉、溝畦適雨灌溉多1～2次，且多出的一次排水中磷素濃度較高。W2 與W3 均蓄雨使得排水次數(shù)、排水量小于W0 與W1，造成污染物負(fù)荷量小于前兩者。后兩者雖由于蓄水較深，滲漏量較大，但其滲漏水中污染物濃度不高，不足以使?jié)B漏污染物負(fù)荷量有較大增加。

3 討 論

不同的節(jié)水灌溉模式均能有效減少灌溉用水，但在減污方面有著不同的表現(xiàn)。本試驗(yàn)結(jié)果表明節(jié)水灌溉模式能夠顯著降低灌溉水量，節(jié)水灌溉模式較常規(guī)灌溉減少38.6%～91.4%的灌溉水量。從產(chǎn)量來(lái)看，蓄水灌溉模式會(huì)造成一定程度的減產(chǎn)，但其減產(chǎn)幅度較?。ǜ倪M(jìn)蓄雨薄露減產(chǎn)0.47%、溝畦適雨減產(chǎn)0.62%），處于可接受水平；薄露灌溉則增產(chǎn)1.45%。這與前人研究結(jié)果[12-14]類似，但也與郭相平等人[15]研究結(jié)果存在差異。不同灌溉模式的節(jié)水效果不同，若以灌溉水分生產(chǎn)率作為判斷依據(jù)，溝畦適雨灌溉節(jié)水效果最好，是由于其只在溝內(nèi)灌水，田面不留水層，灌水量最少。若以水分生產(chǎn)率作為判斷依據(jù)，薄露灌溉節(jié)水效果最佳，是由于其田間留存的水量最少，大部分降雨被排出。本文計(jì)算水分生產(chǎn)率時(shí)參考李遠(yuǎn)華、楊曉慧[16,17]等人的研究結(jié)果，將滲漏量考慮在內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，與褚光、許怡等人[3,8]的計(jì)算方法不同。因此WP在數(shù)值上有一定差別，但對(duì)不同灌溉模式下的水分生產(chǎn)率的變化規(guī)律沒(méi)有影響。由于WP受降雨量影響，在不同水平年的變化則需要進(jìn)行多年試驗(yàn)以排除降雨影響。

排水污染物負(fù)荷量受排水中污染物的濃度與排水量的影響，薄露灌溉能有效降低污染物濃度，但最后一次排水中污染物濃度陡增，總氮、硝氮、氨氮、總磷均為所有排水水樣中濃度最大值。一方面可能是由于排水間隔較長(zhǎng)，田間氮素磷素及有機(jī)物累積，且期間土壤反復(fù)落干促進(jìn)了有機(jī)物的礦化；另一方面可能是降雨擾動(dòng)了表層土壤顆粒，促進(jìn)了氮素溶于地表水和磷素的溶解和解吸[18,19]。改進(jìn)蓄雨薄露灌溉與溝畦適雨灌溉的排水量均小于常規(guī)灌溉與薄露灌溉，導(dǎo)致排水污染物負(fù)荷量也小于常規(guī)灌溉與薄露灌溉，這與許怡等[8]的研究結(jié)果一致。滲漏污染物負(fù)荷中，總氮、總磷及COD 的排放規(guī)律與排水污染物負(fù)荷相同，滲漏量起主導(dǎo)作用。但在改進(jìn)蓄雨薄露灌溉的滲漏量大于溝畦適雨灌溉的情況下，改進(jìn)蓄雨薄露灌溉的硝氮與氨氮滲漏負(fù)荷量反而小于溝畦適雨灌溉。這可能是由于改進(jìn)蓄雨薄露灌溉模式下反復(fù)落干，田間微生物活性及數(shù)量增大導(dǎo)致有機(jī)氮占比增加，硝氮和氨氮占比減少造成的。污染物總負(fù)荷中，絕大多數(shù)滲漏污染物負(fù)荷量占比在2.5%～32.5%之間，僅最大占比為44.1%。因此污染物總負(fù)荷排放規(guī)律與排水污染物負(fù)荷排放規(guī)律較為接近。薄露灌溉與蓄雨類灌溉（包括改進(jìn)蓄雨薄露灌溉與溝畦適雨灌溉）之間的差異較為明顯，但改進(jìn)蓄雨薄露灌溉與溝畦適雨灌溉之間的差異還不太明確，還需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

（1）4種灌溉模式中，溝畦適雨灌溉節(jié)水效果最好，其次是改進(jìn)蓄雨薄露灌溉和薄露灌溉，分別比常規(guī)灌溉節(jié)省91.4%、73.4%、38.6%的灌溉水量。

（2）溝畦適雨灌溉能夠大幅降低污染物排放，相對(duì)常規(guī)灌溉各項(xiàng)污染物降幅均在74.6%以上，減污效果顯著，改進(jìn)蓄雨薄露灌溉次之。但二者蓄水上限較高，相對(duì)于薄露灌溉地下水污染風(fēng)險(xiǎn)增大。

（3）薄露灌溉的減污效果相對(duì)溝畦適雨灌溉及改進(jìn)蓄雨薄露灌溉較差，但能夠提高產(chǎn)量，若采取薄露灌溉應(yīng)避免長(zhǎng)期不排水后突然排水。

（4）綜合節(jié)水減污效果來(lái)看，溝畦適雨灌溉最優(yōu)，能有效控制稻田的面源污染問(wèn)題。