稻田排水及農藥雙脈沖輸出特征及對策

陳 誠， 馬 勇， 羅 紈*， 張志秀， 鄒家榮

(1.揚州大學 水利科學與工程學院， 江蘇 揚州 225009； 2.揚州市江都區(qū)農田水利科學研究站， 江蘇 揚州 225261)

水稻是我國主要的糧食作物之一，其穩(wěn)產、高產是糧食安全的重要保證。而病蟲害是影響水稻產量的一個重要因素，近年來在全球氣候變化的影響下，氣溫升高和極端天氣的增加導致了蟲害發(fā)生時間提早、持續(xù)時間增長，危害性加重的趨勢[1]。目前，抵御害蟲的主要方法一般是在爆發(fā)區(qū)內統(tǒng)一進行防治，包括同步進行的集中灌溉和農藥噴灑[2]。其中，集中灌溉是指在治蟲時段內通過灌溉在田面形成3～5 cm的水層并維持4～5 d，以防止害蟲逃逸，提高治蟲效果。由于灌溉時間集中，且與稻田水中農藥濃度較高時期重疊，稻田在短時間內可形成濃度相對較高的排水脈沖過程[3]。如此大量的排水與農藥輸出過程可能對流域的生態(tài)環(huán)境造成重大危害?，F(xiàn)有研究表明，受到農藥特性的影響，脈沖過程差別很大。在較早研究中，樊德方等[4]發(fā)現(xiàn)排水溝塘中出現(xiàn)六六六峰值濃度的時間短暫，一般不會超過2～7 d；張曉群等[5]發(fā)現(xiàn)殺滅菊酯在稻田排水中的濃度高峰一般在1～2 d左右。隨著監(jiān)測技術的發(fā)展，人們對于農藥脈沖輸出形式有了更深的了解。Sangchan等[6]采用1 h的采樣間隔進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)積水狀態(tài)最容易導致農藥在較短時間內集中流失。Rothstei等[7]研究發(fā)現(xiàn)，施用農藥阿特拉金后，排水中農藥的濃度與排水流量同步增加；一次農藥集中輸出事件中，農藥濃度在3 d內降低了近100倍。Phong等[8]也觀察到農藥濃度在4 d內下降了10倍。Wieczorek等[3]發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)農藥輸出發(fā)生在施藥后的6 h這一很短的時段內。

近年來，關于農藥面源污染高頻監(jiān)測的研究在國外逐漸興起，成為研究熱點，但多關注流域性水體中的農藥污染[9-10]，田間尺度研究相對較少；國內相關研究起步較晚，更鮮見關于稻田治蟲灌溉殺蟲劑的脈沖式輸出特征研究。毒死蜱(chlorpyrifos)是一種廣譜性有機磷殺蟲劑，為水稻最常用的殺蟲劑之一。目前有關毒死蜱在農田土壤中的歸趨和降解的研究較多[11-13]，而關于其與農田排水的關系研究較少。本文以毒死蜱為例，通過大田監(jiān)測試驗確定治蟲灌溉后的農田排水和農藥輸出脈沖過程，以期為農藥面源污染的控制提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

研究區(qū)為揚州市江都區(qū)農田水利科學研究站的試驗田，采用稻麥輪作制，試驗田如圖1所示，總面積為1 ha (100 m×100 m)，分為12個小田塊，南北分別6個田塊，除去田埂部分，南邊田塊的長均為46.3 m，各田塊的寬共94.6 m；北邊田塊長為47.3 m，寬合計94.8 m，實際種植面積總計8 864 m2。12個田塊在南北兩側與排水農溝毗鄰處設有小的排水出口，可人工手動控制其開閉，西側農溝不設排水出口。治蟲灌溉期間，一般提前將出口關閉以滿足泡田治蟲需要。若遇強降雨天氣致田間發(fā)生嚴重內澇，則適時打開出口，將田面水排入臨近的排水農溝中。農溝采用目前江蘇地區(qū)正在推廣使用的無砂混凝土作為材質，透水性好。由于泡田期稻田的田間水位高于農溝水位，且農溝具有一定的透水性，故部分稻田水可通過淺層地下排水進入農溝。同時，在施藥期間及施藥后的一定時期內，空氣中的農藥物質在風力飄移和大氣沉降作用下直接進入農溝的這一運移路徑亦不容忽視。2018年和2019年種植的水稻品種分別為南粳505和南粳3908，2個稻作期的重要農事活動具體見表1。

圖1 治蟲灌溉期間殺蟲劑水質監(jiān)測取樣點

試驗區(qū)于2018—2019年共計進行了4次治蟲灌溉。農藥于施藥當天現(xiàn)配現(xiàn)用，藥液灌入農藥噴霧器中待施。對2018年和2019年第1次治蟲灌溉期間稻田田面水、地下水和農溝水3類水體中的毒死蜱濃度進行監(jiān)測，2次施用量均為1 200 g/hm2，有效成分含量均為40%，劑型為乳油。施藥結束后以最短0.5 h間隔在稻田田面水、地下水(2018年取水井深90 cm，2019年取水井深120 cm)和農溝水中取水樣，立刻放置到冰箱中以-18 ℃進行保存，并于3 d內送至實驗室進行分析。在稻田農溝末端設置三角堰，2018年和2019年控制排水深度分別為17.2 cm和24.3 cm。農溝發(fā)生出流期間直接取三角堰后的出流水樣；未發(fā)生出流期間，則在三角堰前的農溝末端取表面水。在農溝末端放置水位計(HOBO，U20-001-04 Onset)測試農溝水位，并根據(jù)三角堰堰流公式計算農溝排水流量，進而結合毒死蜱濃度監(jiān)測結果計算稻田農溝排水中的毒死蜱輸出負荷和負荷強度。在稻田西側不到100 m處安置自動氣象站(高度約為3 m)，對風速、風向、降水量、氣溫、氣壓、濕度、太陽輻射等多個氣象要素以15 min間隔進行監(jiān)測，用于分析氣象條件對殺蟲劑田間環(huán)境行為的影響，對研究區(qū)取樣點示意圖，見圖1(數(shù)字1、2分別代表2018年、2019年采用的取樣點)。毒死蜱分析方法可見參考文獻[14]。

2 結果與分析

2.1 治蟲灌溉后排水特征及地表排水的影響

圖2顯示了2018—2019年生長期內近200 d的排水情況。排水過程，尤其是高流量過程具有鮮明的低頻次脈沖特征，其中排水流量達到5 L/s僅有13次，且每次持續(xù)時間一般不超過1 h。同時需要特別指出的是，如果按照當?shù)?0～80 cm的明溝排水計算，在積水狀態(tài)，農溝排水量不高于1 L/s[15]，那么可以推出上述排水脈沖主要是地表排水造成的。

表1 研究區(qū)2018—2019年水稻種植期重要農事活動

圖2 2018—2019年稻作期農溝排水過程

參照表1的施藥時間可以看出，2018年和2019年大的排水脈沖均沒有發(fā)生在治蟲期間。其中2019年治蟲期間幾乎沒有發(fā)生排水。2018年降雨高達1 156 mm，兩次治蟲期間都發(fā)生了排水。兩次排水的排水量差別很大，分別為15.8 m3和2.1 m3，分別占年總排水量的0.49%和0.06%。7月22日之前，農溝水位較為穩(wěn)定，且一直有出流。7月23日早首次出現(xiàn)三角堰斷流的情況，在此之后農溝水位變化迅速且變幅明顯增大。說明7月22日之前，田間灌溉較為頻繁，但灌溉量相對恒定。在7月22日之后，由于水稻進入拔節(jié)孕穗期，同時也是水稻治蟲期的開始。出于其生長的需要，開始采用大灌大排的灌排方式，使得農溝水位起伏一直較大，呈現(xiàn)出脈沖式的農田排水輸出方式。7月23日之后，不論長短共計出現(xiàn)20次出流，最長的1次持續(xù)了2 d以上，最短的1次僅持續(xù)幾個小時。其中，8月11日治蟲灌溉出流持續(xù)了近6.8 h，而9月2日治蟲灌溉出流則僅持續(xù)2.5 h。綜上，稻田治蟲期的排水脈沖特征可以概括為：歷時短(一般<1 d)、流量大(1～4 L/s)、發(fā)生頻(40幾天發(fā)生20次)、間隔長(最長可達5 d)。上述脈沖式排水特征將對治蟲灌溉期間的殺蟲劑田間輸出特征造成很大的影響。2019年降水量僅為662 mm，大約是平均年份的60%；治蟲灌溉沒有產生可記錄的排水，其中的一個重要因素是溝道采用了控制排水措施，在田間排水量較小的情況下，排水滯留在排水溝中，沒有形成有效排水。

2.2 治蟲灌溉后稻田水體中農藥濃度變化

圖3顯示了2次農藥監(jiān)測結果。以農溝末端毒死蜱監(jiān)測結果為例，治蟲灌溉之后，毒死蜱表現(xiàn)出類似的脈沖式輸出特征，毒死蜱質量濃度上升期僅持續(xù)了0.5～2 h，于施藥后1～2 h出峰(最大峰值濃度329 μg/L)，其上升速率達30.3～133.9 μg/(L·h)，2018年毒死蜱在高濃度水平維持了3 h后(此時農溝出流剛剛結束)，濃度開始迅速下降，而2019年毒死蜱質量濃度則在出峰后立刻下降，下降速率達21.8～78.3 μg/(L·h)，較上升速率相對更慢。之后毒死蜱質量濃度出現(xiàn)一定的波動，以2019年更為明顯，甚至于施藥后5、7 h出現(xiàn)了2個小的峰值(約為主峰濃度的50%不到)。至施藥后24 h，毒死蜱質量濃度均下降至與施藥剛剛結束時相當?shù)乃?，表明施藥? d內是毒死蜱脈沖式輸出的主要階段，期間其流失風險最大。劉慧云等[16]測得稻田施藥1 d后田面水中的毒死蜱質量濃度約為8.4 μg/L，該濃度值介于本文2次施藥后1 d的田面水毒死蜱質量濃度之間。本文2次高頻監(jiān)測測得的田面水毒死蜱峰值濃度分別為施藥后1 d毒死蜱濃度的4.2倍和10.5倍，表明施藥后1 d田面水的毒死蜱濃度可能會低于實際的峰值濃度，毒死蜱施用后1 d內進行高頻監(jiān)測是有必要的。

圖3 2018—2019年治蟲灌溉后稻田水體中毒死蜱質量濃度動態(tài)變化

治蟲灌溉過程中，稻田水體中毒死蜱質量濃度從高到低的地方分別為農溝末端、農溝中游、田面水和地下水。由于毒死蜱具有較強的揮發(fā)性，在風力漂移和大氣沉降作用下，毒死蜱在施用后短期內會從田面上方的空氣中直接進入農溝水體，造成了農溝水體中毒死蜱質量濃度沿程增加的現(xiàn)象；同時，相比于稻田田面水，農溝水的水體體積相對要小得多，在毒死蜱沉降量一定的情況下，農溝水中毒死蜱濃度容易變得更高，這使得農溝水濃度大于田面水成為了可能。2018年施藥后12 h內農溝末端和田面水的毒死蜱平均質量濃度分別為197.1 μg/L和27 μg/L，前者是后者的7.3倍；而2019年施藥后12 h內農溝末端和田面水的平均質量濃度分別為4.90 μg/L和3.57 μg/L，前者僅為后者的1.4倍。根據(jù)氣象觀測結果，2018年監(jiān)測期間風向以東北風和東風為主，風主要由稻田向農溝吹；而2019年監(jiān)測期間風向以西南風和西風為主，風主要由農溝向稻田吹。上述氣象條件的差別導致2018年毒死蜱的飄移沉降量相對更大，因而2018年農溝末端毒死蜱的濃度比田面水要高得多。治蟲灌溉后地下水的毒死蜱濃度一直很低，這是由于土壤對毒死蜱的吸附性較強，使得毒死蜱在土壤中的遷移能力較低[8]。

因此，毒死蜱于施藥后1～2 h內出現(xiàn)峰值(329 μg/L)，但持續(xù)時間不超過3 h。建議在施藥后1 d內采取控制排水措施防止其輸出造成面源污染。治蟲灌溉后，各類稻田水體中毒死蜱質量濃度從高到低分別為農溝末端、農溝中游、田面水和地下水，受風向影響的漂移和沉降作用對農溝中毒死蜱面源污染的發(fā)生影響較大，這為治蟲灌溉導致的殺蟲劑面源污染的發(fā)生帶來了較大的不確定性因素，今后應考慮風向對治蟲措施的不利影響。

3 結 論

農田排水與農藥輸出都具有鮮明的脈沖特征，而高濃度持續(xù)時間很短，高流量脈沖過程很少，且兩者同時發(fā)生的概率很小。田間的干濕狀況對于治蟲期間排水發(fā)生有著顯著的影響，干旱年份的溝塘和土壤都有著一定的儲水能力，可以有效減少或是避免排水的發(fā)生。而濕潤年份無論是從降雨發(fā)生還是田間情況都可能會發(fā)生較大的排水。這對農藥控制帶來了挑戰(zhàn)和機遇，挑戰(zhàn)在于這些過程濃度較大，會對接納水系統(tǒng)帶來一定的威脅，同時持續(xù)時間較短的特征也為應對這些脈沖過程帶來機會?？紤]風力作用對溝道水的影響，在平原河網地區(qū)利用溝塘系統(tǒng)、結合控制排水措施可以有效滯留、稀釋和降解濃度較高的農藥。此外，目前的排水脈沖主要是由于地表排水造成的，應該加強田間管理，避免田間跑冒，形成較大的排水脈沖，造成農藥流失。