長江流域典型單季稻田間水文及氮素流失特征

耿芳，劉連華*，歐陽威，2，朱建強(qiáng)

（1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境與生態(tài)前沿交叉研究院，廣東 珠海 519087；3.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025）

水稻是全球最主要的糧食作物，全世界50%以上的人口以水稻為主食[1]。我國是世界上主要的水稻生產(chǎn)國，其水稻種植面積和產(chǎn)量分別占全球種植面積和產(chǎn)量的19%和32%[2]。因此，我國水稻的可持續(xù)生產(chǎn)對(duì)確保全球糧食安全具有重要意義。為保證水稻產(chǎn)量，過量化肥和水分被投入到水稻生產(chǎn)中，導(dǎo)致稻田水肥利用率低、氮素流失嚴(yán)重，從而引發(fā)了稻作區(qū)水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題。因此，如何在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)，提高水肥利用率并減少稻田面源污染，已成為我國流域水環(huán)境管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

稻田氮素隨水分流失主要為通過地表徑流到達(dá)受納水體的地表徑流流失和通過土壤水分運(yùn)動(dòng)滲漏到地下水的滲漏流失兩種途徑[3-4]。降雨、灌溉、田面水和土壤含水量等稻田水文因素，為氮素運(yùn)輸和遷移提供了動(dòng)力和載體，對(duì)稻田氮素流失產(chǎn)生重要影響[5]。這些水文因素通過影響田面水位，進(jìn)而影響稻田水容量和氮素遷移轉(zhuǎn)化[6]。已有研究多集中于降雨和灌溉對(duì)稻田氮素流失的影響，例如：Qi 等[7]在湖北荊州的研究表明，降低灌溉頻率和減少灌溉水量可以減少稻田氮素流失；Zhao 等[8]在長江中游地區(qū)的研究表明，降雨量、強(qiáng)度和頻率對(duì)滲漏水中氮素濃度具有重要影響。針對(duì)降雨、灌溉、田面水位和土壤含水量等多因子水分動(dòng)態(tài)變化與氮素流失的相關(guān)關(guān)系仍需繼續(xù)開展系統(tǒng)研究。

長江流域稻作區(qū)是我國三大水稻主產(chǎn)區(qū)之一，其水稻播種面積和產(chǎn)量分別占全國總量的64%和66%[9]。目前學(xué)界關(guān)于長江流域單季稻田間氮素隨水分流失主要途徑的研究結(jié)果不一。Zhou 等[10]在太湖地區(qū)的研究表明，地表徑流流失是稻田氮素流失的主要途徑；而Fu等[11]和Shi等[12]在江漢平原的研究表明，滲漏流失是稻田氮素流失的主要形式。因此，有必要繼續(xù)在田間尺度開展稻田氮素流失動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的系統(tǒng)研究，識(shí)別稻田氮素流失的主要途徑和關(guān)鍵期，以便有效防控稻田氮素流失。由于取樣條件和取樣成本的限制，已有研究對(duì)田面水位動(dòng)態(tài)變化的高頻率監(jiān)測較少，而且田面水和土壤水的采樣頻率有限，田面水質(zhì)的監(jiān)測多集中于施肥后一周，土壤水質(zhì)的監(jiān)測多集中于水稻移栽后，取樣間隔較長（每周一次或每兩周一次）[11，13]。因此，本研究通過對(duì)長江流域典型單季稻田開展高頻率的多因子水分動(dòng)態(tài)與氮素流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測，分析田面水及土壤水中氮素濃度動(dòng)態(tài)變化特征，揭示稻田氮素流失的主要途徑和關(guān)鍵生育期，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展和水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖北省安陸市車站村（113°39′E，31°19′N），該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，光能充足，熱量豐富，年平均無霜期為261 d，多年平均降雨量為1 068 mm，多年平均氣溫為16.66 ℃。土壤類型為水稻土，土壤質(zhì)地為黏土（黏土含量為29.7%），土壤容重為1.22 g·cm-3，土壤有機(jī)質(zhì)含量為23.60 g·kg-1，總氮含量為1.15 g·kg-1，土壤pH為6.60。田間試驗(yàn)點(diǎn)照片見圖1。

圖1 田間試驗(yàn)點(diǎn)Figure 1 The field experimental site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)期為2017年和2018年水稻生長季，水稻種植模式為單季中稻，具體生育期劃分見表1。5月上旬育秧苗，5月下旬上水泡田整地，施用基肥后移栽插秧，在分蘗期和拔節(jié)孕穗期追施氮肥，9月下旬收獲。每公頃均勻撒施氮肥72 kg（以N計(jì)）、磷肥75 kg（以P2O5計(jì)）、鉀肥60 kg（以K2O計(jì)）作為基肥；每次追肥每公頃均勻撒施氮肥54 kg（以N計(jì)）。試驗(yàn)所用的氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素（46% N）、過磷酸鈣（12% P2O5）和氯化鉀（60%KCl）。2017年5月24日施用基肥，5月31日追施分蘗肥，7月10日追施穗肥。2018年5月30日施用基肥，6月6日追施分蘗肥，7月21日追施穗肥。水稻中期（2017年7月1—9日、2018年7月9—20日）和收獲前一周（2017年9月19—25日、2018年9月21—27日）曬田。

表1 水稻生育期劃分Table 1 Detailed information of rice growing stages

1.3 樣品采集與分析

氣象數(shù)據(jù)由安裝在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的ZENO 氣象站（Coastal，Seattle，WA，美國）提供，土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化由安裝在不同土層深度（15、30、60 cm 和90 cm）的土壤濕度傳感器（TDR type，Coastal，Seattle，WA，美國）實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每30 min 一次。水稻生長期間，于早上8：00—10：00 用直尺人工測量田面水位高度，同時(shí)在不擾動(dòng)水層的情況下，用自制取樣器按照對(duì)角線取樣法，采集5 個(gè)田面水混合水樣。4 個(gè)土壤水采樣器（MacroRhizon，Rhizosphere，荷蘭，長90 cm，直徑4.5 cm，孔徑0.2 μm）分別與地面呈不同角度置入土壤，對(duì)稻田15、30、60 cm 和90 cm 深處的土壤水樣進(jìn)行采集，土壤水采樣器置入時(shí)先用土鉆取土壤，在土鉆孔洞中放置采樣器，并將原位取出的土壤回填到土鉆孔洞中，土壤溶液會(huì)緩慢從管路流進(jìn)注射器，實(shí)現(xiàn)土壤水樣的采集。田面水及土壤水在每次施肥后5 d 內(nèi)每日連續(xù)取樣，之后每2 d 取樣一次，直至水質(zhì)無明顯波動(dòng)。每次灌溉、降雨和人為排水時(shí)，記錄相應(yīng)的水量并取水樣。所有水樣均儲(chǔ)存在聚乙烯瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室立即冷凍，并盡快測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 稻田水量平衡計(jì)算

稻田各水分因子間的動(dòng)態(tài)平衡見公式（1）。其中，水分輸入包括灌溉和降雨，水分輸出包括蒸散發(fā)、地表徑流和地下滲漏，儲(chǔ)存在稻田的水分包括土壤儲(chǔ)水量和田面水量[11]。

式中：P為降雨量，mm；I為灌溉量，mm；ETc為蒸散發(fā)量，mm；R為地表徑流量，包括降雨徑流及人為排水，mm；L為地下滲漏量，mm；ΔS為土壤儲(chǔ)水量變化，mm；ΔH為田面水位高度差，mm。

田面水位變化量由時(shí)間段內(nèi)田面水位高度前后的差值計(jì)算得出，土壤儲(chǔ)水量變化由時(shí)間段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量前后的差值計(jì)算得出。稻田蒸散發(fā)量采用FAO-56 推薦的單作物系數(shù)計(jì)算獲得[14]，具體算法見公式（2）和公式（3）。根據(jù)稻田水量平衡公式（1）可計(jì)算得到稻田滲漏量。

式中：Kc為作物系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)科院調(diào)研獲得；ET0為水稻的參考需水量，mm；Rn為凈輻射，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；T為平均空氣氣溫，℃；u2為2 m 高處的風(fēng)速，m·s-1；es和ea分別為飽和水氣壓和實(shí)際水氣壓，kPa；Δ 為飽和水氣壓-溫度曲線上的斜率，kPa·℃-1；γ為濕度計(jì)算常數(shù)，kPa·℃-1。

利用土壤濕度傳感器監(jiān)測的土壤含水量計(jì)算土壤儲(chǔ)水量[15]。假定在15、30、60 cm 和90 cm 土層深度測定的土壤含水量代表的是0～15、15～30、30～60 cm和60～90 cm 4個(gè)土層的土壤含水量?；诿恳粚拥耐寥篮繛樯蠈油寥篮亢拖聦油寥篮康钠骄颠@一假設(shè)，0～30 cm 土體的平均土壤含水量和0～90 cm 土體的平均土壤含水量可由公式（4）和公式（5）計(jì)算得到，0～90 cm土體的平均儲(chǔ)水量可由公式（6）計(jì)算得到。

式中：θ15、θ30、θ60和θ90分別為15、30、60 cm 和90 cm 土層深度測定的土壤含水量，%；θ0～30、θ0～90分別為0～30 cm 和0～90 cm 土體的平均土壤含水量，%；S為0～90 cm土體的平均儲(chǔ)水量，mm。

1.4.2 稻田氮素流失量計(jì)算

利用水樣中氮素濃度乘以流失水量來計(jì)算氮素地表徑流流失量或滲漏流失量。該區(qū)地下水位約為1 m，因此采用90 cm 土壤水中的氮素濃度計(jì)算滲漏流失量。稻田氮素流失總量是地表徑流和滲漏流失量的總和。氮素地表徑流流失或滲漏流失的計(jì)算公式如下：

式中：Q為氮素地表徑流或滲漏流失總量，kg·hm-2；i為地表徑流或滲漏事件數(shù)，i=1，2，3，…，n；Qi為第i次氮素地表徑流或滲漏流失量，kg·hm-2；Ci為水樣中氮素濃度，mg·L-1；Vi為地表徑流或滲漏水量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田水文特征

2.1.1 田面水位變化特征

為了解田面水位變化特征以及影響因素，對(duì)水稻生長期間降雨量、灌溉量、田面水位高度變化情況進(jìn)行分析（圖2）。試驗(yàn)第一年生長季總降雨量（510 mm）高于第二年（246 mm），分別代表平水年和枯水年（試驗(yàn)點(diǎn)水稻生長季多年降雨量為246～911 mm，平均值為585 mm）。當(dāng)發(fā)生灌溉或降雨時(shí)，田面水位高度迅速增加，例如在平水年，移栽后第46 天降雨91.44 mm 時(shí)，田面水位由0提高到75.80 mm。平水年移栽38～46 d 和118 d 后，枯水年41～52 d 和114 d 后，田面水位高度為0，這是因?yàn)榉痔Y后期和收獲前排水曬田。抽穗揚(yáng)花期的田面水位平均值為68 mm，該時(shí)期水稻生長需水較多。灌溉是稻田的主要水分輸入，灌溉水量占稻田水分輸入的60%以上。

圖2 水稻移栽后降雨量、灌溉量和田面水位高度動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamics of rainfall，irrigation and field ponding water depth after rice transplanting

2.1.2 土壤水變化特征

稻田土壤水時(shí)空分布（圖3）表明，移栽后40 d 左右，表層15 cm 和30 cm 土層的土壤含水量均表現(xiàn)為下降趨勢（平水年由40.06%下降到37.96%，枯水年由39.12%下降到36.48%），而深層90 cm 土層的土壤含水量表現(xiàn)為增加趨勢（平水年由45.23% 上升到49.36%，枯水年由44.90%上升到50.90%）。這可能是由于排水后田面呈現(xiàn)無水狀態(tài)，稻田蒸散發(fā)使表層0～15 cm 的土壤含水量迅速下降，同時(shí)水稻根系吸水使30 cm 土層的土壤含水量顯著降低，90 cm 土層的土壤含水量增加可能是由地下水補(bǔ)給引起的。

圖3 水稻移栽后土壤含水量和0～90 cm土壤儲(chǔ)水量的動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Dynamics of soil water content and 0-90 cm soil water storage after rice transplanting

土壤儲(chǔ)水量整體處于較高水平，這與生長季稻田幾乎處于常淹狀態(tài)有關(guān)。平水年的平均土壤儲(chǔ)水量（368 mm）高于枯水年（331 mm）；水稻移栽后，土壤儲(chǔ)水量逐漸增大，并在移栽后第90 天和第70 天時(shí)達(dá)到最大值（平水年為381 mm，枯水年為347 mm）；在移栽后第40 天左右，土壤儲(chǔ)水量稍有下降，這是因?yàn)榉痔Y后期曬田時(shí)，稻田處于無水狀態(tài)；黃熟期收獲排水，移栽最后幾天土壤儲(chǔ)水量降到最低值（平水年為352 mm，枯水年為310 mm）。綜上，稻田土壤水含量及土壤儲(chǔ)水量動(dòng)態(tài)變化主要受不同生育期稻田水分管理及降雨條件的影響。

2.2 稻田氮素濃度特征

2.2.1 田面水中氮素濃度變化特征

水稻生長季，3次施肥后出現(xiàn)3次氮素濃度高峰，平水年移栽后第1、9、50 天，TN 濃度分別為39.51、35.70、27.05 mg·L-1，枯水年移栽后第1、9、56 天，TN濃度分別為51.71、53.99、31.05 mg·L-1（圖4）。施肥后第7 天，田面水中氮素濃度比第1 天降低80.88%，說明氮肥施用是影響田面水中氮素濃度的主要因素。在施肥后一周內(nèi)，氮素主要以-N 形式存在，其占TN 濃度的66.88%。隨著時(shí)間的推移，ON-N 成為氮素的主要形態(tài)。這是因?yàn)榈蔬M(jìn)入水體后首先轉(zhuǎn)化為-N，在植物吸收、土壤吸附、氨揮發(fā)、硝化和反硝化作用下TN和-N濃度迅速降低。

圖4 水稻移栽后田面水中不同形態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Dynamics of different nitrogen forms in the field ponding water after rice transplanting

2.2.2 土壤水中氮素濃度變化特征

圖5 水稻移栽后土壤水中不同形態(tài)氮素濃度的時(shí)空分布（平水年）Figure 5 Temporal and spatial variations of different nitrogen forms in the soil water after rice transplanting（Normal year）

2.3 稻田氮素流失特征

為識(shí)別稻田氮素流失的主要途徑和關(guān)鍵生育期，對(duì)不同生育期氮素滲漏流失量和地表徑流流失量進(jìn)行分析（表2）。在整個(gè)生育期，平水年和枯水年的地表徑流水量分別為143.57、78.90 mm，滲漏水量分別為525.03、633.00 mm；平水年和枯水年的氮素地表徑流流失量分別為8.70、1.26 kg·hm-2，滲漏流失量分別為3.94、4.86 kg·hm-2。這說明平水年稻田氮流失的主要途徑為地表徑流流失，枯水年稻田氮流失的主要途徑為滲漏流失。

表2 不同生育期氮素滲漏流失量和地表徑流流失量Table 2 Nitrogen leaching loss and runoff loss at different rice growing stages

氮素滲漏流失主要發(fā)生在返青期，平水年和枯水年該時(shí)期滲漏流失量分別為1.73、2.14 kg·hm-2，占滲漏流失總量的43.85%、44.00%。氮素地表徑流流失主要發(fā)生在分蘗期和拔節(jié)孕穗期，平水年和枯水年這兩個(gè)時(shí)期地表徑流流失量分別為7.10、1.26 kg·hm-2，占地表徑流流失總量的81.61%、100.00%。不同形態(tài)氮素流失的關(guān)鍵生育期一致。因此，針對(duì)氮素滲漏流失要重點(diǎn)關(guān)注返青期，針對(duì)氮素地表徑流流失要重點(diǎn)關(guān)注分蘗期和拔節(jié)孕穗期。

2.4 水文因子對(duì)稻田氮素流失的影響

為探究水文因子與氮素滲漏流失的關(guān)系，在日尺度上，分別對(duì)滲漏量和水分輸入、田面水位高度差以及氮素滲漏流失量進(jìn)行相關(guān)分析（圖6）。滲漏量與水分輸入呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.35，P＜0.01），與田面水位高度差呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.38，P＜0.01），說明降雨量和灌溉量增加會(huì)促進(jìn)稻田滲漏流失。這是因?yàn)樘锩嫠桓叨炔钪饕芄喔群徒涤甑挠绊?，田面水位的變化又影響著稻田滲漏量。氮素滲漏流失量與滲漏量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.48，P＜0.01）。

圖6 滲漏量與水分輸入、田面水位高度差以及氮素滲漏流失量的相關(guān)分析Figure 6 Correlation analysis between leaching water and water input，changes of field ponding water depth，and leaching losses of nitrogen

為明確降雨量和稻田水容量（排水水位與降雨前田面水位的差值）對(duì)地表徑流量的影響，以及降雨量和施肥后天數(shù)對(duì)不同形態(tài)氮素濃度的影響，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)收集的數(shù)據(jù)[16-21]進(jìn)行分析（圖7）。在相同降雨條件下，稻田水容量越大，徑流量越小。低于25 mm 的降雨，徑流發(fā)生概率較低，超過50 mm 的降雨，徑流發(fā)生概率較高。施肥期（施肥后一周）和非施肥期地表徑流中總氮濃度分別為（7.78±6.35）mg·L-1和（2.75±2.99）mg·L-1，隨降雨量的增加，地表徑流水中氮濃度升高。

圖7 地表徑流量和地表徑流水中氮濃度隨降雨量、稻田水容量及施肥后天數(shù)的動(dòng)態(tài)變化Figure 7 Dynamic changes of runoff volume，nitrogen concentrations in runoff with rainfall amount，paddy field capacity and days after fertilization

3 討論

3.1 稻田氮素流失關(guān)鍵途徑及關(guān)鍵生育期

識(shí)別稻田氮素隨水分流失的關(guān)鍵途徑及關(guān)鍵期可以更好地對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行防控。本研究表明，在平水年稻田氮素以徑流流失為主，在枯水年以滲漏流失為主，這是因?yàn)榈咎镌谔锕〉谋Ｗo(hù)下形成相對(duì)封閉的體系，只有發(fā)生強(qiáng)降雨，稻田蓄水量超過稻田水容量時(shí)，田面水才會(huì)溢出田埂發(fā)生地表徑流[22]。而稻田滲漏是長期存在的現(xiàn)象，田面水的存在使田間水分不斷向地下垂直遷移。實(shí)際上，水稻生長季常與降雨同季，因此平水年或豐水年地表徑流流失量較大[11，23]。同時(shí)，氮素隨徑流橫向遷移的能力比隨土壤水縱向遷移的能力強(qiáng)，導(dǎo)致地表徑流水中氮素濃度遠(yuǎn)高于滲漏水。分蘗期和拔節(jié)孕穗期的降雨量占生育期總降雨量的60%以上，因此分蘗期和拔節(jié)孕穗期為稻田氮素徑流流失的關(guān)鍵生育期。肥料施入稻田后，田面水中氮素濃度迅速增加，隨著時(shí)間的推移濃度逐漸降低，并在施肥后一周趨于穩(wěn)定，如果在施肥后一周內(nèi)發(fā)生強(qiáng)降雨，則徑流水中氮素濃度較高，這與前人研究結(jié)果一致[8，21]。喬月等[24]在湖北的研究表明，播種前排水導(dǎo)致的氮素徑流流失約占總氮徑流流失的52%。因此，應(yīng)該避免播種前和水稻生育前期（返青期、分蘗期和拔節(jié)孕穗期），特別是施肥后一周內(nèi)田面水的外排[25-27]。

3.2 稻田水文對(duì)氮素流失的影響

稻田氮素流失量與稻田水文密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)滲漏水量與水分輸入呈極顯著正相關(guān)，與田面水位高度差呈極顯著負(fù)相關(guān)，與氮素滲漏流失呈顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)果一致[28-30]。因此，減少滲漏水量可顯著降低氮素滲漏流失[31]，可以通過降低水分輸入以及控制灌溉降低田面水位高度來減少稻田氮素滲漏流失[32]。稻田水容量是決定稻田容納降雨量的重要指標(biāo)，是影響稻田徑流量和氮素流失的重要因素[8]。本研究表明，施肥期（施肥后一周）隨降雨量的增加，地表徑流水中氮濃度升高，這與Zhang等[33]對(duì)長江流域的研究結(jié)果一致。在相同降雨條件下，稻田水容量越大，徑流量越小，這與前人研究結(jié)果一致[27]。因此，提高稻田水容量是有效減少稻田徑流流失的重要途徑。所以提高稻田排水水位是提高稻田水容量、減少氮素流失的重要途徑[34]。

稻田氮素滲漏損失作為氮素?fù)p失的重要組成部分，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的影響不容忽視。本研究中水稻生育期內(nèi)氮素滲漏流失量為3.94～4.86 kg·hm-2，稻季氮素滲漏流失量占當(dāng)季施肥量的2.19%～2.70%，這與朱兆良[35]與黃明蔚等[36]的研究認(rèn)為化肥氮素滲漏流失量約占化肥氮施用量2%左右的結(jié)果一致。但本研究中氮素滲漏流失量低于李娟[21]在浙江地區(qū)的滲漏流失量（18.86～40.39 kg·hm-2）。除氣候條件和施肥量不同以外，可能還與試驗(yàn)條件及土壤質(zhì)地不同等有關(guān)，本研究中土壤質(zhì)地為黏土，黏土與砂壤土相比更不易發(fā)生滲漏。雖然本研究開展了為期兩年的高頻率監(jiān)測，為了解稻田水文和氮素流失特征提供了較為可靠的數(shù)據(jù)支持，但為了更加準(zhǔn)確地掌握稻田水文與氮素流失之間的關(guān)系，仍有必要繼續(xù)開展多年監(jiān)測。

4 結(jié)論

（1）降雨和灌溉是田面水位變化的主要影響因素，其中灌溉是稻田主要的水分輸入。不同深度土壤含水量主要受田間水分管理的影響，施肥是田面水和土壤水中氮素濃度變化的重要影響因素。

（2）地表徑流流失是平水年稻田氮素流失的主要途徑，滲漏流失是枯水年稻田氮素流失的主要途徑。稻田氮素滲漏流失主要發(fā)生在返青期，氮素地表徑流流失主要發(fā)生在分蘗期和拔節(jié)孕穗期。應(yīng)避免水稻生育期前期，特別是施肥后一周內(nèi)的田面水外排。

（3）稻田滲漏流失與田面水位高度差呈負(fù)相關(guān)，與田間水分輸入呈正相關(guān)。稻田徑流流失取決于稻田水容量和降雨量。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以提高稻田排水水位，擴(kuò)大稻田水容量，從而減少稻田氮素流失。