WRSIS系統(tǒng)中稻田田面水和地下排水中氮素的動態(tài)變化特征

文 濤,邵孝侯,李圓圓,徐 征,江培福,邱 艷,王金蘭

(1.南京市水利規(guī)劃設計院有限責任公司,江蘇南京 210006;2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098;3.水利部綜合事業(yè)局,北京 100053;4.南京高淳縣水務局,江蘇 南京 211300)

我國是農業(yè)大國,人口眾多,人均耕地面積較少,必須通過增施化肥來增加糧食產量以滿足人民對糧食的基本需求。由于增施化肥,我國的化肥使用量已嚴重超標。據調查,我國化肥平均施用水平(折純量)約達400 kg/hm2,大大超出了發(fā)達國家設置的225kg/hm2的安全上限[1]。施肥雖然對提高農作物產量起到了重要的作用,但有研究[2]表明,氮肥大量使用導致了氮素大量流失,流失的氮素導致的面源污染不僅使湖泊和海灣富營養(yǎng)化,而且造成了多數(shù)地區(qū)地下水硝酸鹽和亞硝酸鹽嚴重超標。農業(yè)面源污染由于時空范圍廣,隨機性大,較難治理,目前還沒有一種有效的技術治理面源污染。針對農業(yè)面源污染控制這一世界性難題,美國俄亥俄州州立大學研究出一種集灌溉、排水、濕地凈化和排水再利用為一體的小型農田水利工程:地下灌溉-排水-濕地綜合管理系統(tǒng)(WRSIS系統(tǒng)),該系統(tǒng)可有效提高水資源利用效率和控制面源污染[3-4]。我國南方主要糧食作物為水稻,研究WRSIS系統(tǒng)中稻田氮素的動態(tài)變化,對控制農田面源污染以及WRSIS系統(tǒng)在我國南方水稻種植區(qū)的推廣和應用具有重大意義。

WRSIS系統(tǒng)由灌溉、排水和濕地3個子系統(tǒng)構成,各個系統(tǒng)通過一定的灌溉排水設施連接成為一個整體。其工作原理是將農田排水通過溝渠輸送到濕地,經過濕地的凈化,再將濕地凈化過的水輸送到水塘儲存,需要灌溉時再由灌溉設施供水到田間。該系統(tǒng)是為了控制、減少乃至解決農田面源污染問題而采取的以水利技術為主的綜合管理系統(tǒng)[4-5]。WRSIS系統(tǒng)在我國示范應用的時間不長,和國內推廣應用的水稻節(jié)水灌溉技術和肥料運籌技術結合不多,在WRSIS系統(tǒng)中關于不同施肥量條件下稻田田面水和地下水中氮素動態(tài)變化的研究更少。相對于旱地土壤氮肥淋溶損失,稻田氮肥淋溶損失及通過地下水排出的氮素形態(tài)目前沒有得到人們足夠的重視。研究WRSIS系統(tǒng)中地下暗管排水技術對控制農田地下排水中的TN含量、減少地下氮素滲漏量具有重要的作用。筆者利用WRSIS系統(tǒng)試驗研究水稻不同施氮量條件下稻田田面水和地下排水中氮素動態(tài)特性,旨在防止稻田氮素流失污染地表和地下水,為WRSIS系統(tǒng)在我國的推廣應用提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于江蘇省高淳縣椏溪鎮(zhèn)瑤宕村,屬于長江三角洲的太湖地區(qū),亞熱帶濕潤季風氣候性氣候,水稻是該地區(qū)的主要糧食作物。該地土壤為黃棕壤發(fā)育而成,土壤質地為黏壤土。土壤有機質、TN和TP 質量比分別為18.5g/kg、1.3g/kg、1.5g/kg;速效氮和速效磷質量比分別為121.5mg/kg,25.5mg/kg。

1.2 試驗設計

大田試驗用地總面積約為0.6hm2,共3塊試驗小區(qū),每塊試驗小區(qū)面積為 0.2 hm2(長 100 m,寬20m)。小區(qū)間設保護區(qū),小區(qū)田埂筑高20cm,小區(qū)四周用塑料薄膜防滲,以減少側滲和串流。按照WRSIS設計標準,每個小區(qū)內埋設2條地下暗管,地下暗管埋深0.8m,間距8m。采用直徑為5cm的塑料波紋管,將小區(qū)內地下排水波紋管橫向連接起來,并與排水溝一側的農田水位控制柜相連,控制柜的排水口通向田間農溝。水位控制柜(圖1)是一個控制農田水位的簡易裝置,用來控制地下排水。

圖1 水位控制柜示意圖

水稻品種采用當?shù)厮酒贩N86優(yōu)8。在水稻的生長周期內,按照當?shù)氐乃痉N植模式,播種前施基肥,基肥施用碳銨,而后再進行2次追肥,追肥施用尿素。灌溉排水各個處理方式一致,除了施肥量不同外其他所有的管理與當?shù)氐霓r作習慣相同。試驗于2010年進行,6月7日施基肥,6月8日進行移栽,6月29日追施分蘗肥,8月2日追施穗肥。3個田塊設置的3個氮肥處理方式如表1所示。

表1 大田施肥試驗設計

1.3 取樣及分析方法

在每次施氮后的第 1、3、5、7天取田面水樣,試驗開始后進行10d一周期的常規(guī)取樣監(jiān)測。每個小區(qū)內隨機采取3個點的田面水,每個小區(qū)的地下排水從農田水位控制柜內取樣,分析水樣中的TN、NH4+-N、NO3--N質量濃度。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,NH4+-N采用納氏試劑比色法,NO-3-N采用紫外分光光度法。

2 結果分析

2.1 田面水氮素動態(tài)變化特征

2.1.1 田面水TN動態(tài)變化特征

田面水TN質量濃度反映了稻田氮素地表徑流流失的潛能。由圖2可見,施肥1 d后,TN質量濃度迅速升高,且隨著施氮量的增加而增加,但隨著時間的推移,TN質量濃度逐漸降低,最終將下降到施肥前的水平。在施基肥7 d后,3種施氮處理的TN質量濃度分別降到施肥 1 d后的 24.1%、30.0%、24.0%。TN質量濃度迅速下降主要是由地下滲漏、NH3-N揮發(fā)和土壤吸附等原因造成的。另兩次施追肥引起田面水TN質量濃度隨時間的動態(tài)變化與施基肥時所表現(xiàn)出的特征相似?？梢?施氮能較大地提高田面水氮素的流失潛能,且隨著施氮量的增加逐漸增大;施氮后如稻田不發(fā)生排水,經過一周以上的時間后,田面水氮素質量濃度將大幅度下降,此后若遇降雨或灌溉需要排水,因田面水氮素流失引起的農業(yè)面源污染風險將得到明顯降低。

圖2 不同施肥區(qū)(量)田面水ρ(TN)變化

2.1.2 田面水NH4+-N動態(tài)變化

圖3 不同施肥區(qū)(量)田面水ρ(NH4+-N)變化

整個水稻生育期田面水NH4+-N的變化特征如圖3所示。由圖3可見,基肥施入1 d后,3個處理的NH4+-N質量濃度均達到了峰值,分別為68.1mg/L、94.8mg/L、49.7mg/L,2區(qū)質量濃度最高,3區(qū)質量濃度最低,這與基肥的施氮量呈正相關關系。由圖3明顯可見,NH4+-N質量濃度大約在施肥1 d后達到峰值,隨之質量濃度迅速下降,以施基肥為例,3 d后3個小區(qū)處理的NH4+-N質量濃度與施氮1 d后相比分別下降了68.0%、65.6%、64.8%,7 d后分別下降了85.5%、83.5%、83.9%。施肥后在土壤吸附、水稻植株吸收和淋溶的綜合作用下NH+4-N質量濃度迅速降低,3個小區(qū)均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。試驗研究結果充分說明施肥后7 d內實施控制排水是減少農田氮素外排引起面源污染的最佳時期,這與張志劍等[6]得出的結論相符。由圖3還可見,在基肥施入后,增量施肥的處理NH4+-N質量濃度始終最高,減量施肥質量濃度最低,表明施肥量也是影響稻田田面水NH+4-N質量濃度的關鍵因素。

田面水中 ρ(NH+4-N)/ρ(TN)水平是反映氮素轉化與流失潛能相對水平的重要指標[7]。由圖4可見,施肥約 1～2 d后 ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值達到最大,表明施肥后田面水以NH4+-N為形態(tài)的相對流失潛能在較短的時間內達到最大。隨著時間的推移,在水稻吸收、氨揮發(fā)、硝化、反硝化以及土壤吸附等過程的共同作用下,ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢,說明田面水以NH4+-N為形態(tài)的相對流失潛能隨時間的推移迅速下降。試驗表明施肥后NH+4-N是田面水氮素流失的主要形態(tài),減少NH+4-N的徑流流失量即是減少稻田徑流氮素流失量。

圖4 不同施肥區(qū)(量)田面水 ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值變化

2.1.3 田面水NO3--N動態(tài)變化

水稻生育期各處理的NO3--N的變化特征如圖5所示。由圖5可見,NO-3-N的質量濃度在施肥后沒有迅速升高,而是在3～4 d后達到相對峰值,3個小區(qū)的NO3--N質量濃度峰值分別為9.89 mg/L、15.42mg/L、7.77mg/L。小區(qū)內施肥后,肥料水解產生大量的NH+4-N,在硝化細菌的作用下,發(fā)生硝化作用產生NO-3-N。施肥后NO-3-N質量濃度和NH+4-N質量濃度比不高,且上升緩慢,可能是由于稻田長期使用無機肥料,田間硝化細菌相對不活躍,硝化過程緩慢造成的[8]。NO3--N在質量濃度值達到最大后,由于稻田滲濾、硝化作用減弱、反硝化作用增強以及作物吸收利用等原因,其質量濃度值逐漸降低,最終回到施肥前的水平。增量施肥小區(qū)內的NO3--N質量濃度值一直高于其他2個小區(qū),表明高施肥量對田面水中NO3--N質量濃度起到了正相關的作用。

圖5 不同施肥區(qū)(量)田面水 ρ(NO3--N)的變化

圖6中 ρ(NO3--N)/ρ(TN)值在施肥后 3～4 d達到相對峰值,隨后下降到較低水平。由于NO3--N在雨水或灌溉條件下,易隨著水下滲向下移動至根系活動層以下,所以田面水中NO3--N含量較小。在施肥后,NO3--N所占比例相對較低,ρ(NO3--N)/ρ(TN)都在0.25以下,表明NO3--N不是施氮后地表徑流氮素流失的主要形態(tài),這與顧佳等[9]得出的結論相符。

圖6 不同施肥區(qū)(量)田面水ρ(NO3--N)/ρ(TN)值

2.2 地下排水氮素動態(tài)變化特征

2.2.1 地下排水NO3--N動態(tài)變化

圖7為不同施肥區(qū)(量)地下排水中NO3--N質量濃度的變化圖,從圖7可以看出,施入基肥1 d后,3個小區(qū)內地下排水NO-3-N質量濃度達到了8.52mg/L、10.71mg/L、6.09mg/L,在 5 d 后達到峰值,隨后逐漸下降,施肥顯著增加了稻田地下排水中NO3--N質量濃度。因為NO3--N隨著下滲而向較深土層移動,且土壤吸附的NH4+-N經過硝化細菌的作用后亦轉化成NO-3-N,從而增加了地下排水中NO-3-N的含量。顯著增加的NO-3-N含量增加了NO-3-N通過地下排水對水體的污染風險。從圖7可見,3個小區(qū)內減量施肥處理地下排水NO3--N質量濃度要明顯低于正常施肥處理和增施氮肥處理,表明減少氮肥使用量能夠有效減少氮素的滲漏損失,減輕對水體環(huán)境的危害。

圖7 不同施肥區(qū)(量)地下排水 ρ(NO3--N)的變化

2.2.2 地下排水NH+4-N動態(tài)變化

圖8為不同施肥區(qū)(量)地下排水中NH4+-N質量濃度的變化曲線,從圖8可見,施肥3～4 d后,地下排水中NH+4-N質量濃度達到峰值,但增量并不大,表明施肥對地下排水NH4+-N質量濃度變化雖有一定影響,但影響不大。3次施肥過程,3個處理地下排水NH4+-N質量濃度均出現(xiàn)峰值,增量施肥峰值最大,減量施肥最小。和NO3--N相比,地下排水NH4+-N質量濃度較低,在非施肥階段大都在0.8 mg/L以下。試驗結果表明施肥量能夠增加NH+4-N的地下滲漏損失,但是NH4+-N不是稻田氮素地下滲漏損失的主要形態(tài)。這主要是由于NH+4-N帶正電,易被土壤中的有機物組分和膠體粒子吸附,不易下滲,導致其含量隨著土層深度增加而逐漸減小。

圖8 不同施肥區(qū)(量)地下排水 ρ(NH4+-N)的變化

2.2.3 地下排水TN動態(tài)變化

地下排水中TN質量濃度反映了稻田氮素地下滲漏流失量的潛能,從圖9中可以看出施肥對地下排水中TN質量濃度影響顯著。施入基肥后地下排水中TN質量濃度逐漸增加,5 d左右達到峰值,這與NO3--N的變化規(guī)律相同,這是因為NO3--N占到了TN的90%以上,是稻田氮素地下滲漏損失的主要形態(tài)。達到峰值后,隨著地下排水以及反硝化作用,TN質量濃度亦逐漸降低?？傮w上看,3個處理小區(qū)中減量施肥小區(qū)地下排水TN質量濃度低于正常施肥和增量施肥小區(qū),表明減量施肥能夠減少氮素的地下滲漏量。

圖9 不同施肥區(qū)(量)對地下排水 ρ(TN)的影響

3 結果與討論

a.稻田田面水中TN、NH+4-N質量濃度在施用氮肥后1 d左右即達到峰值,NO3--N質量濃度要在3～4 d后達到相對峰值。田面水氮素的質量濃度與施肥量呈正相關,即隨著施肥量增大而增大。田面水 ρ(NH4+-N)/ρ(TN)和 ρ(NO3--N)/ρ(TN)施肥后先增后降,在水稻整個生育期,ρ(NH4+-N)/ρ(TN)值大多介于0.2～0.7之間,而 ρ(NO3--N)/ρ(TN)值大都低于0.2,說明NH4+-N是田面水氮素流失的主要形態(tài)。

b.施肥后稻田各形態(tài)氮素濃度迅速升高到峰值,隨著時間推移其濃度逐漸下降,7 d左右均下降到較低水平。3個處理小區(qū)3次施肥均表現(xiàn)出相似的變化特征,如施基肥7 d后TN質量濃度下降70.0%～76.0%,NH4+-N質量濃度下降了83.9%～85.5%,說明施氮7 d內實施控制排水是控制稻田地表徑流、防止氮素流失的關鍵時期。

c.稻田地下排水中的氮素以NO-3-N為主,主要因為NH4+-N易較多地被土壤所固持,而NO3--N不易被土壤吸持造成了NO3--N的大量下滲。地下排水中NH4+-N質量濃度受氮肥施用量影響較小,NO3--N質量濃度隨施氮量增加而增大。控制氮肥施用量能減少氮素深層滲漏量,這對保護農村水環(huán)境意義重大。

d.化肥在田表面施用以后,水層中以NH4+-N為主,隨著時間推移,一部分NH4+-N轉化為NO3--N,一部分揮發(fā)了,一部分隨入滲水進入土層中。由于土壤膠體呈負電性,入滲水中的NH4+-N大部分被土壤吸附,而入滲水中的NO3--N向更深土層入滲。稻田中氮素在生物固持作用和硝化-反硝化作用等各種作用的共同作用下,NH4+-N 、NO3--N、NO2--N 、N2等氮素形態(tài)相互轉化,有必要進一步開展WRSIS系統(tǒng)中氮素相互轉化和損失的機理研究。

e.從稻田氮素面源污染控制的角度看,除了示范推廣WRSIS系統(tǒng)外,有必要結合產量提出適合當?shù)氐腤RSIS系統(tǒng)水稻氮肥最佳施用量及施用技術,以減少稻田中氮素的地表徑流損失和深層滲漏損失,從源頭控制農業(yè)面源污染。

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