稻田梯級生態(tài)排水試驗研究

卑 志 鋼

(上海市青浦區(qū)水務局，上海 201700)

我國是化肥使用大國，但農(nóng)田化肥的利用效率相對不高，一般氮的利用率在30%左右，磷的利用率在15%左右[1]。上海市青浦地區(qū)水稻每年施肥量高于全國平均水平，受區(qū)域內(nèi)雨季集中降水對稻田的淋溶沖刷影響，大量氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)隨徑流進入附近水體，已經(jīng)逐漸成為青西地區(qū)水體富營養(yǎng)化的重要因素之一。對于農(nóng)田面源污染的防控，包括源頭控制、過程攔截和末端治理3個方面，具體包括節(jié)水減排、減量施肥、生態(tài)排水溝攔截、人工濕地凈化等。但對青浦地區(qū)而言，水量充沛的灌溉條件和追求高產(chǎn)的基本心理，使節(jié)水減排和減量施肥尚不能得到當?shù)胤N植戶的普遍接受和采納，而生態(tài)排水溝和人工濕地的建設和養(yǎng)護又需要很大的成本，因此研究一種既能夠使種植戶少減產(chǎn)，又能成本較低，便于廣泛推廣應用的農(nóng)田面源污染控制技術很有必要。

稻田梯級生態(tài)排水是基于河岸緩沖帶技術[2]的一種探索。主要設想為：對稻田進行梯級改造，分割出靠近排水溝的小塊稻田作為攔截區(qū)，隔絕其他稻田與排水溝的直接水力聯(lián)系。構(gòu)建的攔截區(qū)低于其他稻田15 cm左右，以便排水時更好發(fā)揮攔蓄作用。攔截區(qū)內(nèi)的水稻采用濕潤灌溉，且不施化肥。排水時，大田(高田)排水先進入攔截區(qū)的低田內(nèi)，由攔截區(qū)內(nèi)的水稻攔截吸收排水中的氮、磷元素，過量的排水再由攔截區(qū)進入排水溝。為了驗證稻田梯級生態(tài)排水技術的可行性，通過測桶試驗的手段，于2015年對稻田氮、磷梯級排水流失過程進行研究。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于上海市青浦區(qū)水利技術推廣站香花試驗基地內(nèi)，該地屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫16.1℃，多年平均降雨量1104 mm，雨日134 d，主要集中在6-10月。試驗土壤為青紫泥水稻土(屬重壤土)，測桶采用原狀土回填，理化性質(zhì)本底值為：總氮(TN)1.59 mg/kg，總磷(TP)2.32 mg/kg，當?shù)毓喔人|(zhì)指標為：總氮(TN)2.5 mg/L，總磷(TP)1.4 mg/L；雨水水質(zhì)指標為：總氮(TN)1.7 mg/L，總磷(TP)0.8 mg/L。

1.2 試驗設計

供試水稻品種為“花優(yōu)14”。試驗共設計5個處理和1個對照，5個處理攔截區(qū)和大田面積比分別為1/10、1/8、1/6、1/5和1/4，對照處理不設攔截區(qū)。施肥水平按照青浦地區(qū)常規(guī)施N量300 kg/hm2，施P量60 kg/hm2設計，主要采用尿素和BB肥。

試驗裝置主體部分包括：代表大田(高田)的大測桶面積0.36 m2，代表攔截區(qū)(低田)的小測桶面積依次為0.036、0.045、0.06、0.72、0.09 m2，小測桶土體表層低于大測桶15 cm。大測桶溢流排水閥值設置為20 cm，小測桶溢流排水閥值設置為35 cm。大測桶按照當?shù)爻Ｒ?guī)淹水灌溉，即幼苗期田面保持10～20 mm水層厚度，分蘗后期落干烤田期間田面無水層，其他生育期保持20～60 mm水層，收割前20 d起不再灌水。小測桶按照濕潤灌溉，即幼苗、孕穗、抽穗期田面都保持10 mm水層，落干烤田期間田面無水層，其余生育期按照干濕交替進行灌水，以土壤飽和含水量作為灌水上限，以田間持水量作為灌水下限，充分利用大測桶排水減少灌溉水。對照處理大測桶面積為0.36 m2，不設小測桶，溢流閥值、灌溉和施肥方式與5個處理的大測桶保持一致。

1.3 測定項目與方法

(1)降雨。利用試驗站內(nèi)的氣象場地面雨量資料。

(2)水質(zhì)。分別測定不同處理下排水流失的總氮、總磷含量，采用堿式過硫酸鉀消解后測定。

(3)產(chǎn)量。分別測定不同處理下自然風干條件下水稻平均產(chǎn)量。

(4)試驗中的數(shù)據(jù)分析和圖表制作采用Excel 2010進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 對TN攔截效果

試驗結(jié)果表明，降雨產(chǎn)生徑流對稻田氮、磷流失具有重要影響[3]。試驗過程中共產(chǎn)生6次徑流，根據(jù)每次徑流量和水樣中的TN濃度計算流失量，試驗結(jié)果見圖1?；实氖褂脮r機和降雨量是影響稻田TN流失的2個重要因素。5種處理均在6月12日第1次施肥，并灌水100 mm。 6月15日至6月17日 連續(xù)降雨，日降雨量分別為60.3、74.0和17.6 mm，監(jiān)測5個處理在6月15日和16日連續(xù)2 d都發(fā)生徑流，其中6月15日徑流量均小于6月16日，徑流水中TN濃度均高于6月16日，TN流失量見表1。

圖1 不同攔截面積總氮排放量變化

表1 第1次施肥后降雨徑流TN流失量 kg/hm2

可以看出，5種處理和對照6月15日TN流失量小于6月16日，且攔截區(qū)能夠有效攔截TN的排放，隨著攔截區(qū)的增加，攔截效果在徑流量越大時相對越好。一般在施肥后第3 d，稻田水層內(nèi)氮素濃度達到最大值，施肥后10 d左右降到正常水平[4]。

第2次施肥為7月16日，隨后未發(fā)生大規(guī)模降雨，直到8月20日發(fā)生連續(xù)降雨，8月24日降雨結(jié)束，期間日降雨量為1.6、19.7、30.0、54.5和108.8 mm，8月24日5種處理和對照均監(jiān)測到大量徑流，徑流中TN含量小于6月15日和6月16日，見表2。

表2 第2次施肥后降雨徑流TN流失量 kg/hm2

可以看出攔截區(qū)對TN起到較好的攔截作用，攔截效果隨著攔截區(qū)面積的增加而增強。

從水稻全生育期來看，不同處理和對照的TN流失量見表3。

表3 不同面積攔截區(qū)水稻生育期TN流失量

5種處理中，1/4處理TN流失量最低，攔截率最高為58.9%。1/10處理TN流失量最高，攔截率最低為44.7%?？梢钥闯鲈O置攔截區(qū)能夠有效攔截水稻全生育期內(nèi)的稻田排水TN的流失，且攔截效果隨攔截區(qū)面積的增大而增強。在攔截區(qū)面積比小于1/8時，TN的攔截效果隨攔截區(qū)面積的增加而快速增加，攔截區(qū)面積比大于1/8后，繼續(xù)增大攔截區(qū)面積，對TN的攔截效果提升相對較小。

2.2 對TP攔截效果

降雨徑流對稻田TP流失的影響與TN相似，化肥的使用時機和降雨量也是影響稻田TP流失的2個重要因素，見圖2。5種處理均在6月12日第1次施肥并灌水， 6月15日至6月17日連續(xù)降雨并產(chǎn)生徑流排水，其中TP濃度6月15日高于6月16日。TP流失量見表4。

圖2 不同攔截面積總磷排放量變化

kg/hm2

可以看出，5種處理和對照6月15日TN流失量小于6月16日，且攔截區(qū)能夠有效攔截TN的排放，但攔截區(qū)面積的大小與攔截效果未發(fā)現(xiàn)顯著相關性。

7月16日第2次施肥后，到8月20日至8月24日發(fā)生連續(xù)降雨，5種處理和對照均產(chǎn)生大量徑流，徑流中TP含量小于6月15日和6月16日。TP流失量見表5。

表5 第2次施肥后降雨徑流TN流失量 kg/hm2

可以看出降雨徑流中TP的濃度比TN低，攔截區(qū)對TP有攔截作用，但攔截效果與攔截面積的大小關系不大，TP流失隨著降雨徑流量的增大而增加。

從水稻全生育期來看，不同處理和對照的水稻生育期TP流失量見表6。

表6 不同面積攔截區(qū)水稻生育期TN流失量

5種處理稻田排水TP的攔截率平均為48%，且攔截區(qū)面積與對TP的攔截效果未發(fā)現(xiàn)顯著相關性。

2.3 攔截區(qū)內(nèi)水稻產(chǎn)量變化

攔截區(qū)內(nèi)水稻不施化肥，主要N、P營養(yǎng)元素來源是大田排水，產(chǎn)量比大田低。5種處理的攔截區(qū)和對照測桶內(nèi)水稻產(chǎn)量見表7。

可以看出，隨著攔截區(qū)面積的增加，攔截區(qū)水稻的產(chǎn)量逐漸降低。1/10處理，攔截區(qū)水稻產(chǎn)量與對照相比減產(chǎn)24.2%；1/4處理，攔截區(qū)水稻產(chǎn)量與對照相比減產(chǎn)63.4%。此外，研究發(fā)現(xiàn)：一是攔截區(qū)內(nèi)的水稻營養(yǎng)N、P主要來自于排水攔截，攔截區(qū)面積越大，單位面積上水稻攔截吸收的養(yǎng)分越小。二是經(jīng)過對水稻穗粒進行結(jié)構(gòu)分析，影響攔截區(qū)內(nèi)水稻產(chǎn)量的因素是水稻穗粒數(shù)減小，水稻千粒重沒有明顯變化，水稻減產(chǎn)并未影響到水稻品質(zhì)。

表7 不同面積攔截區(qū)水稻產(chǎn)量

攔截區(qū)大小對TN、TP的攔截效果和對攔截區(qū)內(nèi)水稻產(chǎn)量的綜合影響見圖3。

圖3 不同攔截區(qū)大小對TN、TP攔截效果和攔截區(qū)水稻產(chǎn)量的綜合影響

可以看出，隨著攔截區(qū)面積的增大，TN的攔截率逐漸增加，在攔截區(qū)面積比小于1/8前直線上升，在攔截區(qū)面積大于1/8后逐漸趨于平緩；TP攔截率隨攔截區(qū)面積增加上下浮動，總體呈上升趨勢；攔截區(qū)內(nèi)水稻產(chǎn)量隨著攔截區(qū)面積增大直線下降，且在攔截區(qū)面積大于1/8后下降幅度增加。綜合攔截效果和產(chǎn)量因素，攔截區(qū)面積取大田的1/10～1/8為宜，兼顧稻田生態(tài)排水技術的實際推廣應用等因素，可將攔截區(qū)面積取大田面積的1/10。

3 討 論

(1)試驗結(jié)果表明，利用小塊稻田作為攔截區(qū)進行大田降雨徑流排水中的N、P攔截的稻田梯級生態(tài)排水設計具有可行性。綜合考慮攔截效果、產(chǎn)量、推廣應用等多種因素，可將攔截區(qū)的面積大小取作大田面積的1/10，布置在大田和排水溝之間的位置，攔截區(qū)田塊高度低于大田15 cm，攔截區(qū)TN攔截率44.7%，TP攔截率50.4%，水稻減產(chǎn)率24.2%。

(2)本試驗中的大田和攔截區(qū)的水稻灌溉設計與傳統(tǒng)意義上串灌的出發(fā)點和形式都不同，但是不排除在大田推廣時，可能出現(xiàn)的水稻病蟲害傳播等不利影響，在推廣應用前還應開展更大尺度的大田試驗研究。

(3)本實驗中稻田排水中TP的濃度較小，檢測難度相對較高。不排除因試驗取樣和指標檢測過程中的誤差，影響關于攔截區(qū)面積和TP攔截效果的相關性分析，需要進一步深入研究。

□

[1] 張 翼，岳玉波，趙 崢，等.不同施肥方式下稻田氮磷流失特征[J].上海交通大學學報(農(nóng)業(yè)科學版)，2015,33(1)：1-7.

[2] 曾立雄，黃志霖，肖文發(fā)，等.河岸植被緩沖帶的功能及其設計與管理[J].林業(yè)科學，2010，46(2)：128-131.

[3] L B Owens， R W V Keuren ， W M Edwards. Non-nitrogen nutrient inputs and outputs for fertilized pastures in silt loam soils in four small Ohio watersheds[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2003，97(1-3)：117-130.

[4] 陳林興，胡志華，孫建國.稻田灌水量與化肥流失關系的研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2008，(3)：51-54.