水稻田滲漏對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響及監(jiān)測、調(diào)控方法研究

周艷文等

摘 要：水稻田的滲漏對水稻的產(chǎn)量有顯著影響，同時還會引發(fā)土壤養(yǎng)分淋失，造成水體的污染，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，應加強對水稻田滲漏的調(diào)控。該文分析了水稻田滲漏對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，介紹了水稻田滲漏量的常用測定方法，并對水稻田滲漏的改善措施提出了合理化建議，以期達到水稻田增產(chǎn)、節(jié)肥、控污的目的。

關(guān)鍵詞：水稻田滲漏；養(yǎng)分流失；調(diào)控；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)

中圖分類號 S181 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）11-70-04

Abstract：Leakage of paddy field which has significant effect on rice yield caused water pollution through soil nutrient leaching. Therefore，we should strengthen the control of leakage of paddy field in the process of agricultural production. Firstly，this paper discusses the influence of paddies leakage in farmland ecosystems. Secondly，introduces the regulation control measures and the commonly detection methods of paddies leakage. Finally，puts forward the rationalization proposal for improving the characteristics of paddies leakage in this paper in order to improve yield，economize fertilizer，and decrease water pollution.

Key words：Paddy leakage；Nutrient leaching；Regulation control measures；Farmland ecosystems

水稻田土壤一般都具有滲漏特性，它主要受土壤條件、耕作施肥和田間管理措施等多重因素的影響[1]。豐產(chǎn)水稻研究表明，適宜的滲漏量，為灌一次水能保持3～5d，這樣不僅不會造成過多的養(yǎng)分流失，還能使土壤環(huán)境得到有效更新，有利于水稻的生長發(fā)育[2]。此外，水稻田滲漏量的大小還直接影響農(nóng)田氮磷養(yǎng)分的淋溶損失[3]。因此，水稻田滲漏量的監(jiān)測、研究具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟意義。監(jiān)測水稻田的滲漏量，是制訂合理水肥管理措施的前提，對于土壤養(yǎng)分的保持和水體環(huán)境質(zhì)量的保護均具有十分重要的意義。本文主要分析了水稻田滲漏對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，并提出了幾種水稻田滲漏量的測定方法及調(diào)控措施，以期對我國的水稻生產(chǎn)和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1 滲漏對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響

1.1 滲漏對土壤氧化還原電位的影響 土壤Eh值是指土壤中物質(zhì)之間進行氧化還原反應時所產(chǎn)生的電位值，可以作為水稻土壤通氣性的衡量指標，能夠在一定程度上反映土壤水分狀況及其肥力水平。適宜的Eh值表明土壤具有良好的通氣狀態(tài)，土壤中氧含量適中，有利于水稻的生長發(fā)育。周明耀[4]等研究表明，水稻田的滲漏作用可將水中的溶解氧帶入土壤中，水稻田土壤的氧含量與其滲漏能力呈正相關(guān)，因此，水稻田滲漏量越大，其土壤Eh值越高。烤田是水稻生產(chǎn)中一項重要的農(nóng)業(yè)措施，通過烤田措施可使水稻田土壤通透性加強，增加水稻田的排水量，提高稻田土壤Eh值，有利于土壤中還原性物質(zhì)的氧化，優(yōu)化土壤的氧化還原狀態(tài)，有利于水稻的生長發(fā)育[4-6]。

1.2 滲漏對土壤肥力流失的影響 施用氮肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要措施，但我國水稻田的氮肥利用率普遍較低，一般僅為20%～40%[7]。施入農(nóng)田的氮肥通過各種途徑損失，其中氮素的滲漏淋失是土壤氮素損失的重要原因[8]。土壤無機態(tài)氮包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，其中銨態(tài)氮由于容易被土壤吸附固定，不易向下層土壤遷移，而主要分布在0～30cm，在土壤底層滲漏水中濃度較低；而硝態(tài)氮易隨土壤水淋溶，在土壤底層滲漏水中的濃度是銨態(tài)氮的3～6倍，是氮素滲漏淋失的主要形態(tài)[9-10]。金潔[11]等研究發(fā)現(xiàn)，土壤滲漏水中氮含量隨施氮量的增加而增加，施用過量氮肥可顯著增加氮素的淋溶損失；氮素的滲漏高峰主要發(fā)生在每次施肥后的7d內(nèi)，因此施肥期應避開暴雨期以減輕氮肥的淋溶損失。

1.3 滲漏對生態(tài)環(huán)境的影響 土壤滲漏損失的氮是造成地下水氮素富集的重要原因之一。農(nóng)田土壤氮素，尤其是硝態(tài)氮容易隨土壤水滲漏進入地下水中導致地下水硝酸鹽污染[12]。金潔[13]研究發(fā)現(xiàn)，當季硝態(tài)氮的滲漏量雖然沒有誘發(fā)當季地下水中硝態(tài)氮濃度的超標，但氮素的淋失是一個持續(xù)的過程，并且地下水的流動性較弱，容易導致地下水中氮素隨著時間的延長不斷累積，從而導致地下水的硝酸鹽含量超標，引發(fā)肥料對地下水的污染。袁新民[14]等的研究也表明，過量施用氮肥可顯著增加土壤滲漏水中氮素的濃度，造成大量氮肥的淋溶損失，加劇地下水的硝態(tài)氮污染。據(jù)張維理[15]等研究報道，我國京、津、唐半數(shù)以上地區(qū)的地下水硝酸鹽含量超過了飲用水標準（NO3--N≤10mg/L）。此外，如果水稻田灌溉量過大、灌溉方法和灌溉技術(shù)不當，同樣會引起土壤灌溉水的大量滲漏，提高地下水位，引發(fā)土壤次生鹽漬化，產(chǎn)生生態(tài)危害[16-17]。

1.4 滲漏對作物生長及產(chǎn)量的影響 水稻田滲漏情況可以間接影響水稻的生長發(fā)育狀況。孟維忠[18]等研究發(fā)現(xiàn)，當水稻田的土壤滲漏量過大時，土壤就會發(fā)生漏水漏肥現(xiàn)象，使水稻正常生長所需要的養(yǎng)分隨滲漏水大量淋失，導致水稻營養(yǎng)不良繼而影響水稻產(chǎn)量；而稻田土壤滲漏量過小則會導致土壤中還原性有毒物質(zhì)的累積，導致土壤環(huán)境惡化，同樣造成水稻減產(chǎn)。因此，水稻田土壤滲漏量過大或過小均不利于作物生長，情況嚴重時可導致作物減產(chǎn)，甚至絕產(chǎn)。中國科學院南京土壤研究所在太湖流域開展的豐產(chǎn)水稻研究表明，豐產(chǎn)的水稻田應該有一個適宜的滲漏量，適宜的稻田滲漏量可以為稻田土壤提供充足的氧含量，有利于作物根系生長和土壤微生物的活動，從而促進水稻生長，獲得較高的產(chǎn)量[19]。

2 滲漏量的有關(guān)調(diào)控措施

2.1 采用深松耕制度，增加稻田土壤滲漏量，改良土壤環(huán)境 長期進行麥、稻連作會導致土壤犁底層增厚、土壤板結(jié)等問題，從而導致土壤通氣性變差，土壤的滲漏量減小，進而影響水稻的產(chǎn)量。針對這種板結(jié)的土壤，曹曉利[20]等認為可采用深松耕的方法改良土壤滲透性，增加稻田土壤的滲漏量，提高水稻根際土壤含氧量，從而為水稻根系發(fā)育創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。曹曉利等通過對比研究發(fā)現(xiàn)，深松耕作比常規(guī)耕作水稻增產(chǎn)7.5%，因此，采用深松耕制度可以增加稻田土壤滲漏量，改良土壤環(huán)境，從而提高水稻產(chǎn)量。然而，李志芳[21]等研究認為，耕作制度的改良只能在短期內(nèi)提高土壤的滲透能力，因為土壤的滲漏量在作物生長期間呈明顯的下降趨勢，因此，要從根本上解決土壤板結(jié)問題，只能依靠長期保護性耕作，同時增施有機肥，改善土壤的理化性狀，保護土壤生物的生存空間和活動通道，從而改善稻田土壤的滲漏性。

2.2 設置適宜排水溝，降低地下水位，增加稻田滲漏量 土壤質(zhì)地粘重的水稻田，其滲漏能力一般較差，導致排水不暢，稻田土壤長期處于淹水或過濕狀態(tài)，容易導致地表水與地下水相連形成內(nèi)澇，嚴重影響作物的生長發(fā)育。降低地下水位，增加水田的滲漏量，是改變這些地區(qū)內(nèi)澇現(xiàn)狀的根本措施。因此，在農(nóng)田管理措施中，可以挖掘適宜的溝渠來降低水稻田地下水位，增加水稻田的滲漏量，改善水稻田土壤過濕狀況。例如，孟維忠[18]等在遼寧東港市灌區(qū)水稻田上設置了不同溝距的排水溝渠，發(fā)現(xiàn)溝距為40m時，田塊的土壤水分狀況最佳，能充分協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱，并在一定程度上減少土壤中有毒物質(zhì)的生成，促進水稻的正常生長，從而獲得了最佳產(chǎn)量。

2.3 采用水稻控制灌溉技術(shù)，減少滲漏量及肥力流失 水稻控制灌溉又稱水稻調(diào)虧灌溉，是指稻苗移栽后，田面保持5～25mm薄層水返青活苗，在返青以后的各個生育階段田面不再保留灌溉水層，具體灌水時間和灌溉定額由根層土壤的含水量決定[22]。此外，水稻節(jié)水灌溉技術(shù)還包括“薄、淺、濕、曬”灌溉技術(shù)、“淺濕”灌溉技術(shù)、“淺濕間歇”灌溉技術(shù)、“薄露”灌溉技術(shù)、間歇灌溉技術(shù)等[23]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，因地制宜地采用適合的節(jié)水灌溉技術(shù)，可以降低水稻田滲漏量，減少肥料和根層細顆粒土壤的流失，從而有效地保持土壤肥力，并減少氮素對地下水的污染[24-25]。因此，節(jié)水灌溉技術(shù)是一項既有生態(tài)環(huán)境效益，又有經(jīng)濟效益和社會效益的灌溉技術(shù)。

2.4 采用優(yōu)化施肥措施，降低肥料滲漏淋失，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境 目前，中國是世界上最大的化肥使用國，但我國化肥利用率過低，大量的氮素在土壤中富集并隨滲漏水淋失，引發(fā)地下水的硝酸鹽污染。減量化施肥等優(yōu)化施肥措施能有效提高養(yǎng)分利用效率，從根本上減少肥料的淋失，減輕養(yǎng)分滲漏對地下水的污染。例如，張剛[26]等在太湖地區(qū)進行了稻田化肥減量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮肥用量減少22%時，可減少32.3%的氮素滲漏損失，并且不影響作物的產(chǎn)量，是一種值得推廣的施肥方式。此外，施用有機肥是一種重要的優(yōu)化施肥措施。長期的土地耕作會大量分解土壤有機質(zhì)，造成土地質(zhì)量退化，影響耕作層“水-氣”平衡，繼而影響作物的生長，造成作物減產(chǎn)。熊國華[27]等研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥顯著增加了土壤有機質(zhì)含量和土壤團聚體結(jié)構(gòu)，提高了土壤的總孔隙度，增強了土壤必需的滲水和保水保肥能力，能夠有效降低肥料滲漏淋失，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。

3 滲漏量的測定

3.1 應用平衡模型和動力學模型測定水田滲漏量 目前，國內(nèi)外關(guān)于水稻田土壤水的滲漏模型有很多，其中較為常見的有平衡模型和動力學模型，前者相對簡單，后者較為復雜[3]。土壤中向上的水流和非飽和流在應用平衡模型測定土壤水滲漏量時一般不作考慮，而在動力學模型中則作為重要的模擬參數(shù)。平衡模型計算公式為：氮素淋失量=水分滲漏量×對應土層硝態(tài)氮濃度，這種方法一般用來驗證動力學模型和估算農(nóng)田氮素淋失，是一種比較簡單的稻田養(yǎng)分滲漏損失計算方法[28]。動力學模型計算結(jié)果相較平衡模型而言，雖然計算過程機理比較復雜，并且需要大量的田間實測數(shù)據(jù)驗證分析，在實際中應用較為困難，但是動力學模型計算的氮素淋失和水分滲漏更加符合實際情況，它在定量評價水氮資源利用效率和優(yōu)化水肥管理等方面具有不可替代的應用[29]。

3.2 利用大型稱重式蒸滲儀、時域反射儀和張力計測定水田滲漏量 田間蒸滲儀[30]是一種模擬大田生長環(huán)境的原位土壤滲漏量的大型測定裝置，一般置于地下，它能夠在給定三維邊界的情況下測定土體的水分轉(zhuǎn)化，用來測定正在生長著的作物的蒸發(fā)蒸騰量或裸土蒸發(fā)量（如圖1）。田間蒸滲儀所測土體為原狀土壤，土體的滲漏水經(jīng)蒸滲儀下部承接，借助精確的稱重設備來測定土體內(nèi)含水量的變化，通過定期讀取土體水分變化量、降水量及滲漏量等數(shù)據(jù)，即可獲得該段時期內(nèi)土壤水的滲漏量。

在蒸滲儀內(nèi)置的土體內(nèi)不同深度可以同時布設水銀柱讀數(shù)張力計和時域反射儀（TDR），用來每天定時測定1次各層土壤的土壤水吸力和體積含水量。這樣就可以通過式（1）計算某土層在一個較短時段內(nèi)的水分滲漏量。這種測定方法的主要問題是易受降雨的影響，但在降水次數(shù)少及降水量不大的情況下會取得令人滿意的監(jiān)測數(shù)據(jù)[31]。

3.3 水田滲漏儀和測筒法測定水田滲漏量 土壤水的垂直滲漏可使用水田滲漏儀（如圖2）進行測定[3]。該儀器的測定裝置部分為一無底的圓筒，測定時將其垂直壓入位于水面以下的土層，在不考慮側(cè)滲的條件下，圓筒內(nèi)水分垂直下滲，下滲的水量由浮在水面的測定管內(nèi)的水分補給，因此測定管內(nèi)水柱的移動量即等于圓筒內(nèi)水分的垂直下滲量。測定過程中保持測定管水平浮在水面，且一端連通大氣以保證圓筒外水層靜水壓與圓筒內(nèi)靜水壓相等，排除圓筒內(nèi)存在側(cè)滲的可能。采用本方法測定水稻田滲漏量時為保證測定結(jié)果的可靠性，必須要進行多次的重復測定，并且觀測點要均勻分布全田，一般667m2大小的田塊重復次數(shù)不應低于12～16次。

測筒法[4]，指將有底測筒與無底測筒同時垂直壓入土層中，兩者每天損耗水量之差值即為水稻田滲漏量。一般來講，采用測筒法測定水稻田滲漏量時會發(fā)生破損現(xiàn)象，出現(xiàn)側(cè)滲問題，導致所測得滲漏量普遍低于水田滲漏儀的測定值。因此，兩者測定方法一般以水田滲漏儀的測定結(jié)果為準。

土壤水滲漏量除上文介紹的幾種測定方法外，還有多種方法，如大型原狀土柱滲漏計法、室內(nèi)模擬法等，這些方法在監(jiān)測土壤滲漏量時各具有優(yōu)缺點，因此，在實際測定稻田土壤滲漏量過程中需要綜合考慮各方面的因素，選取最佳測定方法以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié)論

土壤肥力是土壤對作物生長的支持能力，土壤的滲水能力是構(gòu)成土壤肥力的一個重要因素。當土壤滲水能力較差時，稻田面水會在地面迅速積累并形成地表徑流，導致徑流損失，且容易引發(fā)澇害；當土壤滲水強烈時，土壤水滲漏加劇，既降低了灌溉水的利用率又會造成土壤養(yǎng)分的淋溶損失，同時污染地下水資源；當土壤滲水能力適宜時，土壤具有優(yōu)良的理化性質(zhì)，既可以提高灌溉水的利用效率，又能夠有效避免養(yǎng)分的滲漏損失，具有適宜的滲水能力，土壤保水保肥能力最佳，是作物營養(yǎng)元素得到有效利用的保障。

綜上所述，土壤滲漏水是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要參數(shù)之一，滲漏水中的養(yǎng)分含量、養(yǎng)分遷移及養(yǎng)分滯留對水稻產(chǎn)量、肥料淋溶損失、生態(tài)環(huán)境等具有重要意義。田間滲水能力受土壤表面植被、土壤耕作方式以及土壤質(zhì)地等多重因素的影響，是土壤肥力的一種重要構(gòu)成和表現(xiàn)形式。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或相關(guān)研究中，根據(jù)土壤類型選取合適的調(diào)控措施調(diào)節(jié)水稻田的滲透特性，配合優(yōu)化施肥，才能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益的統(tǒng)一。

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（責編：張宏民）