模擬稻田中氮磷的變化特征及其降污潛力分析

馮國祿，楊仁斌，丁孟，蔡可兵

1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 4101281；2.吉首大學(xué)生態(tài)旅游重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張家界 427000

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)今世界的水污染難題，并已成為世人關(guān)注的主要環(huán)境問題之一。基于此，世界各國在控制氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的來源方面投入了大量的人力和財(cái)力。然而，水體富營養(yǎng)化的影響因素很多，其營養(yǎng)物質(zhì)的來源也十分復(fù)雜。在發(fā)達(dá)國家，最初的治理重點(diǎn)是放在城市污水等點(diǎn)源污染上，但取得的成效卻非常有限，水體因營養(yǎng)物質(zhì)而引起的富營養(yǎng)化現(xiàn)象卻并未因此而有顯著的減少。大量的研究業(yè)已證實(shí)，富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生與農(nóng)田土壤中的氮、磷等養(yǎng)分的流失有著十分密切的關(guān)系[1-4]。因此，控制農(nóng)田氮、磷流失已日益受到人們的重視。

水稻是我國最主要的糧食作物，種植面積大，氮磷肥施用水平高。同時(shí)水稻也是農(nóng)業(yè)灌溉用水大戶，其灌溉用水量占總灌溉用水量的60%以上[5]。我國南方是主要的水稻產(chǎn)區(qū)，每年4月中下旬是我國南方水稻—早稻的種植時(shí)期，傳統(tǒng)的春耕生產(chǎn)是施足基肥灌水進(jìn)行耕整（犁田耙田）后排干稻田水（農(nóng)田退水），再進(jìn)行播種水稻或移栽水稻。大面積的農(nóng)田排水（退水）造成了農(nóng)田氮磷養(yǎng)分隨水進(jìn)入水體（塘、庫、湖、河），成為我國南方春季農(nóng)業(yè)面源污染和河流水質(zhì)富營養(yǎng)物質(zhì)春季污染嚴(yán)重的主要來源。

國內(nèi)外在節(jié)水灌溉方面[6,7]以及施肥后水稻田的氮磷素動(dòng)態(tài)和流失機(jī)制[8-10]已有研究，但基于面源污染控制來研究蓄水條件下稻田中氮磷含量的變化動(dòng)態(tài)特征及原因的報(bào)道較少。筆者于2009年4—5月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，通過微區(qū)模擬春耕稻田施肥耕整蓄水處理試驗(yàn)，取樣測定了稻田土壤、田面水中氮磷素的含量變化，分析了田面水和土壤氮磷含量的變化特征及原因，測算了不同蓄水深度和退排水時(shí)期的降污潛力，以期為稻田面源污染的控制提供新的思路與方法。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤取自于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)“耘園”的資源與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地的紅潮土，其基本理化性狀為：w(有機(jī)質(zhì))=11.8 g·kg-1，w(全氮)= 1.12 g·kg-1，w(全磷)= 1.38 g·kg-1，w(全鉀)= 27.6 g·kg-1，w(水解氮)=96.6 mg·kg-1，w(速效磷)= 70.8 mg·kg-1，w(速效鉀)=142.6 mg·kg-1，pH 5.5。灌溉水取自實(shí)驗(yàn)基地附近井水經(jīng)蓄水池放置一周自然氧化后的備用水。復(fù)合肥的成分是氯化銨、磷酸銨和氯化鉀，其 N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21%、8%、11%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地，設(shè)計(jì)磚混墻圍成的模擬試驗(yàn)田，田內(nèi)共4個(gè)試驗(yàn)區(qū)(長4 m×寬1.5 m)，各試驗(yàn)區(qū)呈兩排對稱排列，中間設(shè)有灌水渠。區(qū)內(nèi)再用PVC板隔成3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為1.5 m2。為防止淋溶將試驗(yàn)田底做成水泥地面，上鋪充分混勻后的紅潮土，土層厚45 cm左右。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)外側(cè)設(shè)有離表土層不同高度的帶橡膠塞的 PVC排水管，管口水平朝外。試驗(yàn)時(shí)小區(qū)各處理保持相應(yīng)深度的水，通過打開橡膠塞使小區(qū)內(nèi)田面水剛好從排水管中流出。

2009年4月26日開始在試驗(yàn)小區(qū)對土壤進(jìn)行保水濕潤。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)選擇無雨天氣，從5月4日開始試驗(yàn)，設(shè)3、6 cm和9 cm等3個(gè)蓄水深度處理，并分別以t-3、t-6和t-9表示，每蓄水深度設(shè)3個(gè)重復(fù)。小區(qū)灌水后，基肥撒施水面，隨即模擬春耕耙田用耙子把基肥與5～10 cm的表土混勻。基肥為復(fù)合肥，施肥量為750 kg·hm-2，折合各試驗(yàn)小區(qū)施肥112.5 g。在勿擾動(dòng)土層的情況下，于施肥后的第1/24、1、2、3、5、7 d從試驗(yàn)小區(qū)取水樣和土樣進(jìn)行測驗(yàn)。試驗(yàn)于5月11日結(jié)束，試驗(yàn)期間一直保持各處理的蓄水深度不變。

1.3 樣品分析項(xiàng)目與方法

參照文獻(xiàn)[11]的方法測定水樣樣品中各養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。總氮(TN)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；原水樣經(jīng)過濾后采用納氏試劑光度法測定水樣氨氮(NH4+-N)；水樣硝酸鹽(NO3--N)氮采用酚二磺酸光度法；水樣總磷(TP)測定為過硫酸鉀氧化法；經(jīng)微孔濾膜過濾后測定水樣的溶解磷；磷的測定均采用鉬藍(lán)比色法；將被水樣過濾后的微孔濾膜放在稱至恒質(zhì)量的鋁盒內(nèi)，再將該鋁盒置于103～105 ℃的烘箱烘至恒質(zhì)量，增加的質(zhì)量為不可濾殘?jiān)?SS)。所有水樣在12 h內(nèi)預(yù)處理完畢。

參照文獻(xiàn)[12]的方法測定土壤樣品中的銨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、總氮（TN）和總磷（TP）。鮮樣中的NH4+-N和NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別采用KCl提取分光光度法和酚二磺酸光度法；干樣中的總氮（TN）采用濃硫酸消解分光光度法；總磷（TP）采用高氯酸-硫酸消解鉬銻抗分光光度法；速效磷采用鉬藍(lán)比色法。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田水和土壤中氮素的動(dòng)態(tài)特征

施肥后稻田水和土壤中氮素的變化動(dòng)態(tài)曲線見圖1～3。由圖1可見，稻田水中NH4+-N質(zhì)量濃度和土壤中NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出不同的變化趨勢。前者在施肥處理后先是迅速上升，2 d時(shí)達(dá)到最大值，隨后逐漸下降。而土壤中NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)在施肥后一周內(nèi)表現(xiàn)為升-降-緩慢上升的趨勢。這是因?yàn)閺?fù)合肥施入土壤后，氯化銨和磷酸銨在土壤微生物等的作用下迅速溶解進(jìn)入土壤，一部分NH4+被土壤膠粒吸附，另一部分則進(jìn)入田面水中，使田面水的NH4+-N質(zhì)量濃度在第2 d達(dá)到峰值；隨后田水中的一部分 NH4+又隨固體顆粒物沉降或被土水界面的土壤粘粒吸附而進(jìn)入土中，以致田面水NH4+-N質(zhì)量濃度呈緩慢降低的趨勢。在施肥后的5 d內(nèi)，3個(gè)不同蓄水處理下田面水NH4+-N質(zhì)量濃度從大到小的順序?yàn)?t-3，t-6，t-9，且田面水質(zhì)量濃度與蓄水處理呈顯著的負(fù)相關(guān)（y=-0.974x+4.516,R2=0.926）。

田面水中 NO3--N 質(zhì)量濃度表現(xiàn)為升-微降-峰值-下降-反彈的動(dòng)態(tài)特征。究其原因，一是由于土壤微生物的反硝化作用，土壤中NH4+一部分轉(zhuǎn)化為NO3-；二是不易被土壤吸附的 NO3--N進(jìn)入田面水中，使田面水NO3--N質(zhì)量濃度在1～2 d內(nèi)達(dá)到峰值。田面水的NO3--N質(zhì)量濃度第5 d后出現(xiàn)略微反彈上升現(xiàn)象，說明稻田的硝化-反硝化作用、田面水侵蝕以及過濾滲透等綜合因素的影響，致使田面水和土壤之間的 NO3--N含量趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在蓄水處理的5 d內(nèi)NO3--N質(zhì)量濃度與蓄水處理呈顯著的負(fù)相關(guān)（y=-0.17x+0.866，R2=0.946）。

圖3顯示，田面水TN質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化呈升-峰值-下降趨勢，t-3處理的TN質(zhì)量濃度較t-6和t-9處理要高，且TN質(zhì)量濃度峰值也較早出現(xiàn)。由于施入稻田的基肥屬于緩釋肥，在土-水系統(tǒng)中經(jīng)過物理、化學(xué)和微生物的作用，氮素緩慢釋放，一部分無機(jī)態(tài)氮（NH4+-N等）直接被土壤吸附，使得土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢；另一部分（NH4+-N、NO3--N）進(jìn)入田水，加上春耕時(shí)對土壤的擾動(dòng)而導(dǎo)致土壤中的氮素（有機(jī)氮等）進(jìn)入田水中，是直接引起田面水中TN質(zhì)量濃度升高的直接原因。田面水中TN于第2 d達(dá)到峰值，而土壤中TN于第2～3 d趨于平穩(wěn)，說明此時(shí)復(fù)合肥的養(yǎng)分基本釋放完全。爾后田面水中TN動(dòng)態(tài)下降的原因，首先是由于土壤的吸附和過濾作用，約占7%的氮被淋溶損失掉[13]；其次是與氨氮揮發(fā)有關(guān)。氨揮發(fā)過程十分復(fù)雜，且受許多因素的影響，是稻田氮素?fù)p失的主要途徑之一。Adamson等認(rèn)為，培養(yǎng)14 d后，污泥與耕層土壤表施處理的氨揮發(fā)為施氨質(zhì)量的40.3%[14]。另外，稻田的硝化-反硝化作用其中引起的氣態(tài)氮(N2或N20)的排放也能造成一定的氮損失。數(shù)據(jù)分析顯示，在施肥后的5 d內(nèi)，不同蓄水深度條件下3個(gè)處理間田面水TN質(zhì)量濃度從大到小的順序依次為t-3，t-6，t-9。

2.2 田面水和土壤中磷素的動(dòng)態(tài)特征

圖1 施肥后田水NH4+-N質(zhì)量濃度和土壤中NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化動(dòng)態(tài)Fig.1 changes of NH4+-N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

圖2 施肥后田面水NO3-N質(zhì)量濃度和土壤中NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化動(dòng)態(tài)Fig.2 Changes of NO3--N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

圖3 施肥后田面水TN質(zhì)量濃度和土壤中TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化動(dòng)態(tài)Fig.3 Changes of T-N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

從農(nóng)田流失的磷素主要以非溶解態(tài)磷（DRP）和顆粒結(jié)合態(tài)磷（PP）形式存在，其中80%以上的部分是PP，這部分磷可以隨水流運(yùn)輸至較遠(yuǎn)的地區(qū)而輸出農(nóng)田[15]。一些研究證實(shí)，在垂直方向上DRP有滲漏和積累的現(xiàn)象，97%滲漏是DRP[16,17]。本蓄水試驗(yàn)的微區(qū)模擬田底是水泥地面，滲漏現(xiàn)象可以忽略不計(jì)。

施肥后田面水TP質(zhì)量濃度和土壤中TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化動(dòng)態(tài)如圖4所示。可見，田面水中磷素的質(zhì)量濃度在施肥1 h后較低，此后隨著時(shí)間推移呈急速上升態(tài)勢，在第1 d達(dá)到峰值。而土壤中磷素質(zhì)量分?jǐn)?shù)施肥1 h后處于較低水平，此后呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，在施肥后第1～2 d趨于平穩(wěn)。其原因有二：首先是施肥后第1 d左右復(fù)合肥中磷素已基本釋放完全；其次是春耕耙田的人為擾動(dòng)使附積于土壤內(nèi)的DRP和PP迅速釋放而進(jìn)入田面水。爾后田面水中DRP和PP，由于物理沉降等作用逐漸下沉而重新進(jìn)入土壤內(nèi)，致使土壤中TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第 2 d后繼續(xù)上升并處于較高水平，而田面水 TP質(zhì)量濃度迅速下降到較低水平。此外，通過對田面水約 1周的磷質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在蓄水處理約1周內(nèi)TP質(zhì)量濃度與蓄水深度呈極顯著的負(fù)相關(guān)（y=-0.115x+0.61，R2=0.994），即蓄水高度越大，田面水磷質(zhì)量濃度就越小。

圖4 施肥后田面水TP質(zhì)量濃度和土壤中TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化動(dòng)態(tài)Fig.4 Changes of the total phosphorus content in the paddy water and soil after fertilizer application

2.3 減排降污潛力分析

施肥后田面水TN和TP的動(dòng)態(tài)變化見圖5。可見，在處理后的同一時(shí)間段，田面水中各處理的氮磷質(zhì)量濃度大小順序?yàn)棣裻-3＞ρt-6＞ρt-9。通過對田面水約 1周的氮磷質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析表明，TN、TP質(zhì)量濃度與蓄水深度呈極顯著的負(fù)相關(guān)（TN：Y=-33.97x+133.4，R2=0.999；TP：Y=-0.115x+0.61，R2=0.994），即蓄水高度越大，田面水氮磷質(zhì)量濃度就越小。

在各蓄水處理的氮磷質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)中，t-9和t-6處理的總氮質(zhì)量濃度分別為 t-3的13.1%～54.4%和27.9%～64.2%，總磷質(zhì)量濃度分別為t-3的50%～90.1%和37.2%～67%。因此，相對于蓄水3 cm深度的常規(guī)水分管理，若能蓄水9 cm后再排放，可減少排放總氮 45.57%～86.88%、總磷33.02%～62.79%；若蓄水6 cm再排放，可減少排放總氮35.76%～72.13%、總磷9.88%～50%。顯然，蓄水6 cm或9 cm對于減少氮磷素排放具有顯著效果，但結(jié)合春插時(shí)的農(nóng)田水分管理“淺水活苗”之實(shí)際，筆者認(rèn)為“蓄水5～6 cm”是較為適宜的農(nóng)藝措施。

圖6 施肥后田面水中SS的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 change of SS concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

雖然施肥后1 h TN質(zhì)量濃度較低，但從圖6可以看出，此時(shí)水中總懸浮顆粒物(SS)質(zhì)量濃度非常高；施肥后2～3 d內(nèi)，3種蓄水處理總氮質(zhì)量濃度達(dá)到最大，因此，施肥后3 d內(nèi)應(yīng)控制排水。

進(jìn)一步分析可以看出，蓄水6 cm，若在第5 d排水，相比第 3 d將水排干，可減少排放總氮32.59%～75.87%、總磷53.42%～90.44%；相比蓄水3 cm在第 3 d排水時(shí)的情況，可減少排放總氮21.22%～55.41%、總磷75.78%～95.03%。若蓄水6 cm在第7 d排水時(shí)，與在第3d將水排干相比，可減少排放總氮48.61%～81.8%、總磷83.19%～91.52%；相比蓄水 3 cm在第 3 d排水，可減少排放總氮39.94%～66.01%、總磷 83.19%～91.52%。顯然，蓄水6 cm或9 cm處理，與蓄水3 cm處理相比較，在第5 d或第7 d排水，有顯著的減排降污效果。但結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需要，春季施肥耕作后第5 d左右排水是稻田排水較為適宜的時(shí)段。

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