丘陵地區(qū)水稻種植型農(nóng)田尾水對地表水環(huán)境不利影響研究

楊圣廣

摘要? ? 為明確丘陵地區(qū)水稻種植型農(nóng)田尾水對地表水環(huán)境的影響，選擇在安徽省肥西縣山南鎮(zhèn)地處江淮丘陵地區(qū)的水稻田開展試驗，對農(nóng)田尾水及附近河道取樣分析，并驗證水質模型。結果表明，田間浸水CODCr值較高，對水質影響最大;NH3-N、TP數(shù)值不高，對水質影響較小。CODCr值與留茬高度、浸水時間成正相關，其對楊灣河地表水環(huán)境的影響極大。模型驗證情況表明，水質模型預測灌溉退水營養(yǎng)物質濃度可行，與試驗結果一致。本文結合水質污染情況，分析了其成因，并提出防治建議，以期為農(nóng)業(yè)水資源的合理利用和農(nóng)業(yè)面源污染的控制提供參考。

關鍵詞? ? 農(nóng)田尾水;水稻田;地表水環(huán)境;污染;丘陵地區(qū)

中圖分類號? ? X52? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）14-0168-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染對地表水環(huán)境的影響是明顯的，尤其是農(nóng)田尾水（秸稈浸水）富含高濃度有機物質，化學需氧量（COD）高達77 mg/L。農(nóng)田尾水是農(nóng)田中流出的地表徑流水，其來源包括降雨、灌溉、地下水等，含有鹽、農(nóng)藥等。目前，全國大部分地區(qū)未有效處理農(nóng)田尾水，其在未進行二次利用的情況下直接排放到地表水體，不僅導致地表水源污染嚴重，還因滲漏污染地下水，而且使農(nóng)田中的無機鹽、氮等營養(yǎng)成分流失，同時造成水資源大量浪費。

肥西縣地處江淮丘陵地區(qū)，崗沖交錯，是國家種糧大縣，以水稻種植為主，2018年全縣水稻種植面積達5.67萬hm2，農(nóng)田尾水總產(chǎn)生量大;肥西屬于長江巢湖水系，境內豐樂河是巢湖一條重要入湖清水河道，占總入湖水量的65%以上[1]，很大程度上影響巢湖水質。因此，研究該區(qū)域農(nóng)田尾水對地表水環(huán)境的影響具有積極和重要的現(xiàn)實意義。

1? ? 研究方法

1.1? ? 試驗地概況

豐樂河是肥西縣和舒城縣的界河，左右岸二級支流共14條，試驗選擇了其左支楊灣河流域作為本項目考察試驗場所;楊灣河地處肥西縣山南鎮(zhèn)，其源頭是托山水庫，上游有3條小型支流匯集而成，全長31 km，流域面積97.9 km2，枯水期流量不足1.5 m3/s;山南鎮(zhèn)小井莊是中國農(nóng)村包產(chǎn)到戶發(fā)源地，當?shù)剞r(nóng)民有悠久的農(nóng)業(yè)種植歷史，稻—油—稻為主要種植模式，全鎮(zhèn)耕地面積5 030.8 hm2，以機耕機收為主要耕作方式[2]。

為取得代表性樣本，建立樣本區(qū)與監(jiān)控水系間的關系，選擇了不同地理位置（村莊）的水稻種植田共4塊，分別位于張大郢、張小郢、王大郢、楊大郢4個自然村莊。

1.2? ? 取樣時間與方法

本文研究的農(nóng)業(yè)區(qū)域肥西縣山南鎮(zhèn)地處江淮丘陵地區(qū)，以早、晚雙季水稻或稻—油—稻為主要種植模式。早稻一般于3月底至4月初播種，7月中下旬收獲;中稻一般于4月初至5月底播種，9月中下旬收獲;晚稻一般于6月中下旬播種，10月上中旬收獲[3]。本次試驗分別選擇晚稻收割后歇田2個月和4個月后取水樣檢測分析。根據(jù)當?shù)剞r(nóng)民水稻收割方式的不同，選擇了低稻茬、中、高稻茬和倒伏高稻茬4種收割模式田塊[4]。使用塑料樣品瓶直接灌取田間浸水（農(nóng)田尾水）帶回實驗室，10 h內完成檢測分析。

1.3? ? 檢測內容與方法

針對田塊中水樣，主要檢測水質中的CODCr、NH3-N、TP、pH值等4項指標，均采用國家標準檢測分析方法和質量控制方法[5];另采集了2條匯流排水渠、入楊灣河處上下游各1 000 m河道斷面水樣，同步進行檢測分析。

1.4? ? 農(nóng)田灌溉退水（尾水）水量—水質模型驗證

在農(nóng)田灌溉過程中，水以雨水或者灌溉水的形式進入土壤表層，以地表徑流的形式流到河道或者其他水域，中間還有一部分下滲和蒸發(fā)損失，模型主要研究農(nóng)田灌溉退水的營養(yǎng)物質濃度，地表水水量的變化是模型研究的核心。

1.4.1? ? 水量平衡模型[6]。公式如下：

ΔV/Δt=QI+PhS-ES-L-Q0（1）

式（1）中：ΔV—農(nóng)田時段蓄水量增量（m3）;QI—時段平均灌溉流量（m3/s）;Q0—時段平均退水流量（m3/s）;Ph—時段降雨強度（mm/s）;E—時段蒸發(fā)強度（mm/s）;S—灌區(qū)灌溉面積（km2）;L—時段平均下滲量（m3/s）。其中：E=kp E0—時段水面蒸發(fā)強度（mm/s），kp—折算系數(shù)，與地表植被類型有關的常數(shù)。

1.4.2? ? 營養(yǎng)物質模型。公式如下：

ΔCpV/Δt=CIQI+F+RPPS-KlCPL+GP+C0Q0（2）

式（2）中：ΔCp—灌區(qū)營養(yǎng)物質濃度的增量（mg/L）;V—時段蓄水量（m3）;CI—灌區(qū)入流營養(yǎng)物質濃度（mg/L）;C0—灌區(qū)出流營養(yǎng)物質濃度（mg/L）;RP—降雨水質營養(yǎng)物質濃度（mg/L）;F—為使用化肥或肥料對營養(yǎng)物質濃度貢獻量;GP—單位面積作物生長吸收營養(yǎng)物質的總量（t/s）。其中：F=kcs，kc—化肥施用系數(shù)[t/（km2·s）];GP=Gf Per，Gf—時段糧食產(chǎn)量（t/s），Per—糧食中營養(yǎng)物質含量（%）。其他符號同水量平衡模型。

1.5? ? 數(shù)據(jù)來源和邊界條件的設定

本文選擇一個灌溉周期作為計算時段，農(nóng)田蓄水量得凈增量取0，降雨采用豐樂河水文站實測資料，由式（1）推求灌溉退水流量如下：50%保證率下，枯水期為106.7 m3/s、平水期為88.1 m3/s、豐水期為69.3 m3/s;85%保證率下，枯水期為123.9 m3/s、平水期為106.9 m3/s、豐水期為62.1 m3/s;95%保證率下，枯水期為154.1 m3/s、平水期為143.6 m3/s、豐水期為83.7 m3/s?；手械⒘椎氖褂昧扛鶕?jù)投入系數(shù)kc和農(nóng)田面積來計算。按肥西縣統(tǒng)計局提供的2017年統(tǒng)計年鑒估算農(nóng)田化肥投入中總氮和總磷投入系數(shù)kc為TN=0.88、TP=0.32;氮、磷吸收量通過試驗區(qū)糧食產(chǎn)量和作物氮、磷含量來估算，山南鎮(zhèn)稻谷為主要作物，氮含量為0.63%，磷含量為0.11%[8]。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 農(nóng)田尾水水質檢測情況

樣本田塊統(tǒng)計情況如表1所示。歇田2個月和4個月后取水樣檢測分析結果分別如表2、表3所示?？梢钥闯?，田間浸水呈弱酸性，符合水稻秸稈浸漚特性。田間浸水CODCr值較高，遠遠超過地表水Ⅲ類標準，為主要水質污染項目，浸水中NH3-N、TP數(shù)值不高，對水質影響較小。農(nóng)田尾水（秸稈浸水）中CODCr值與收割方式（留茬高度）成正相關，即茬越高，CODCr數(shù)值越大。農(nóng)田尾水（秸稈浸水）中CODCr值與收割后時間長短成正相關，浸水時間越長，CODCr數(shù)值越大。農(nóng)田尾水（秸稈浸水）對楊灣河地表水環(huán)境的影響極大，為明顯的正輸入，因CODCr的貢獻，使楊灣河從上游的Ⅲ類水質至下游接受農(nóng)田尾水（秸稈浸水）后變差到Ⅴ類水。

2.2? ? 模型推演情況

根據(jù)2019年1—4月楊灣河河道水質的監(jiān)測資料，結合照枯水期情況對磷濃度按（2）式進行驗證：枯水期實測入流濃度為0.162、0.201，實測出流濃度為0.108、0.172;3種保證率情況，出流濃度分別為0.257、0.245、0.195，相對誤差絕對值<20%，基本達到模型精度要求，這說明采用農(nóng)田灌溉退水水量水質平衡模型預測灌溉退水營養(yǎng)物質濃度是可行的，從模型上驗證了本文試驗結果。

3? ? 討論

分析農(nóng)田尾水污染源成因：一是農(nóng)村農(nóng)民生活模式發(fā)生改變，近年來，政府大力推進農(nóng)村聯(lián)片整治和美麗鄉(xiāng)村建設，農(nóng)村農(nóng)民由過去的單居平房轉變?yōu)闃欠考惺骄幼?，采用煤氣或電力作為主要生活燃料，農(nóng)田秸稈不再被農(nóng)民收割作為生活燃料;二是農(nóng)業(yè)種植模式發(fā)生了改變，農(nóng)民采用機械化作業(yè)，收割機只割稻頭，在農(nóng)田把稻谷收上來，留茬高度超過50 cm，導致大量秸稈由旋耕機直接翻覆回田，秸稈量遠超過土地實際處理能力，尤其是在雙季稻田表現(xiàn)明顯，帶來極其不利影響，包括農(nóng)田尾水、農(nóng)田病蟲害防治等，這些存積在農(nóng)田的秸稈經(jīng)漚爛后其浸出液隨雨水或灌溉退水成為農(nóng)田尾水，匯入河流形成農(nóng)業(yè)面源污染，而且隨著這種耕作模式的延續(xù)，污染負荷將逐步加大，且呈周期性變化;三是政府實施秸稈焚燒進一步加劇了作物秸稈被棄之田間地頭，甚至直接推入溝渠、塘壩，造成水體污染。

根據(jù)試驗結果，綜合水質污染成因，提出以下秸稈型農(nóng)田尾水防治建議：一是加大秸稈綜合利用能力建設，減少秸稈返田數(shù)量至合理的平衡點，從源頭上減少高濃度農(nóng)田尾水的產(chǎn)生;二是調整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構，實施旱作水作輪休輪耕，提高土壤容量和緩沖能力;三是水稻田尾水水質碳氮比嚴重失調，呈現(xiàn)明顯酸性，不合適微生物降解，不宜采用工程方法去除其化學需氧量，應充分發(fā)揮溝塘壩渠的攔截、沉淀、過濾作用[7]，降低入河量;四是探索利用生態(tài)水渠，種植常綠水生植物，選擇吸收COD優(yōu)勢品種，在農(nóng)田尾水匯流和集聚過程中，階層化降低COD濃度，提高水體自凈能力;五是發(fā)展精細灌溉體系，控制入田徑流量，通過對水源、輸送、分配、灌溉、耗散各環(huán)節(jié)的合理、精準控制，利用計算機模擬、反饋，實現(xiàn)整個灌溉的自動化控制，最大限度地減少過剩水的輸入，可以提高水資源的利用效率，防止在田間產(chǎn)生過量尾水，灌溉效率可達到85%以上[8]。

4? ? 參考文獻

[1] 殷福才，張之源.巢湖富營養(yǎng)化研究進展[J].湖泊科學，2003（4）：37-39.

[2] 何穎，張斌.小井莊改革先行者發(fā)展領頭雁[J].鄉(xiāng)村經(jīng)濟，2007（6）：51-52.

[3] 張鈺馳.優(yōu)質水稻栽培技術及病蟲害防治措施[J].農(nóng)村實用科技信息，2011（8）：53-54.

[4] 羅德強.水稻栽培生理研究[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2019（1）：37.

[5] 文澤東.質量控制在水質分析化驗中的應用分析[J].中國石油和化工標準與質量，2018（8）：61-62.

[6] 劉洪飛，王偉，魏歡.農(nóng)田灌溉退水水量及水質平衡模型分析[J].河南水利與南水北調，2015（5）：44-45.

[7] 李云龍.農(nóng)田尾水生態(tài)攔截與修復的工程技術[J].中國科技信息，2014（19/20）：84-85.

[8] 張萬順，喬飛，彭虹，等.灌溉退水對河流水質影響研究[C]//中國水利學會2005學術年會論文集—水環(huán)境保護及生態(tài)修復的研究與實踐.南昌：中國水利學會2005學術年會，2005.