淹水條件下滲漏強度對稻田TP濃度的影響

邵園園,俞雙恩,孫雪梅

(1.河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇南京 210001;3.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098)

淹水條件下滲漏強度對稻田TP濃度的影響

邵園園1,2,俞雙恩1,3,孫雪梅1,3

(1.河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇南京 210001;3.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098)

通過蒸滲測坑進行淹水稻田不同滲漏強度控制試驗,研究水稻各生育階段中不同滲漏強度下地表水及地下水TP濃度變化。結果表明:稻田灌水擾動田表土壤顆粒,加速了土壤磷的釋放,是淹水過程中地表水TP濃度升高的主要原因,尤其在田表面沒有形成板結層之前,灌水或降雨會使土壤磷顆粒大量析出;淹水3—5d后,由于沉淀作用,地表水TP濃度明顯降低;滲漏強度對淹水前期稻田地表水TP濃度影響較為顯著,對地下水TP濃度影響不顯著。

水稻;滲漏強度;TP濃度;顯著性

隨著化肥農藥的大量施用,農田排水使農田特征污染物進入水體,導致水體富營養化程度加劇。磷是水體富營養化的主要限制因子[1],在非點源污染中,來自農田系統的磷高達24.7%[2],農田排水造成的磷損失已成為南方地區農業面源污染的主要來源[3]。因此,開展淹水條件下不同滲漏強度對地表水、地下水TP濃度的影響研究,對合理制定稻田水位調控方案,最大限度地減少磷素對水體環境的污染具有重要意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2008年5月至10月在河海大學節水園區節水與農業生態試驗場內進行。該試驗場共有32個固定式蒸滲測坑(有底28個,無底4個),每個蒸滲測坑的規格為2.5m×2m×2m(長×寬×高)。地面設有移動式雨棚,地下設有廊道及設備間,每個有底的蒸滲測坑都與地下設備間內對應的水柱連通,可以實現地下水位自動控制。在每個測坑中部埋設地下水觀測井,觀測井由一根直徑為4cm,長2.0m的PVC管制成,在下端1.5m長度內用電鉆打間隔約3 cm、均勻交錯分布的小孔,然后用土工布包裹,埋入測坑中已用土鉆鉆好的孔內,管口距地面約25cm,高出測坑上沿3～5cm。從地表向下20cm內PVC管外壁與土壤緊密接觸,防止地表水沿外壁下滲。

蒸滲測坑內土壤為黏壤土,由當地土2002年分層回填密實。0～30cm土壤肥力均勻,田間持水率為25.28%,總孔隙度為44.97%,pH值為7.78,土壤有機質質量分數2.40%,全氮質量比0.90g/kg,全磷質量比0.32g/kg,速效磷質量比12.50mg/kg。

1.2 試驗設計及試驗方法

1.2.1 試驗方案設計

試驗種植的水稻品種為鎮稻99,5月4日泡種,5月6日育秧,6月26日移栽,10月7日收割。試驗期間共施肥兩次,基肥(復合肥)在移栽前一天施入水中,每個蒸滲測坑施入600g,其中N 、P2O5、K2O 所占比例分別為15%、15%、15%;分蘗肥(尿素)于7月10日施入,每個蒸滲測坑施入65g。

試驗在蒸滲測坑內進行,分別在水稻分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期和乳熟期4個生育階段進行淹水及不同滲漏強度控制試驗(表1)。灌溉水源為試驗場內的地下水,控水結束后將水層降至適宜水層上限。每個方案安排2個測坑試驗。

1.2.2 水位控制、采樣及測定方法

淹水試驗中,每天上午8:00觀測農田水位深度,若觀測值低于設計淹水深度,則計算所需灌水量,由電磁閥自動灌溉系統進行灌溉,使不同方案間的水位深度保持一致。在量測水位前,先標定各測坑的地下水觀測井的管口到地表的高度,測定時用鋼尺測量管口到地下水面的距離,該距離減去相應的管口高度即為該測坑的地下水深度。由于試驗是在封閉的測坑中進行,為了更好地模擬田間環境,各方案按設定的滲漏強度控制,通過測坑面積與滲漏強度的乘積來計算排水量,并由蒸滲測坑底部的排水管進行控制排水。

在水稻各生育階段控水期間,每隔1天采集1次稻田地表及地下水樣,控水前、后各加測1次。取地表水水樣時,用50mL醫用注射器,隨機抽取蒸滲測坑內4處表層水樣,注入塑料瓶;取地下水樣時,從地下廊道排出的滲漏水中采集水樣,注入塑料瓶。水樣取后24h內在實驗室進行水質分析,水樣中TP濃度采用過硫酸鉀消解法、鉬銻抗分光光度法測定[4],測定儀器為島津紫外分光光度儀UV2800。

表1 淹水條件下不同滲漏強度方案

2 試驗結果分析

2.1 各生育階段地表水TP濃度的變化

分蘗期地表水TP濃度變化見圖1。隨著控水歷時的延長,TP濃度先上升后下降,在控水后期又有所回升。7月15日灌水至設計淹水深度,因灌水對田面土壤的擾動,引起土壤顆粒懸浮于水中[5],同時淹水使土壤氧化還原電位降低,與磷酸根離子結合的高價鐵被還原為低價鐵,磷酸亞鐵的溶解度較高,增加了磷的有效性,因此方案1,2的地表水TP濃度均有所上升,在控水3d后,方案1和方案2的TP濃度達到一個峰值。控水中期,田表水層穩定,被擾動程度較小,懸浮于水中的泥顆粒逐漸沉入田表,地表水TP濃度持續下降。控水后期,田表水位有所降低,為滿足設計淹水深度要求,需要進行補水,因而擾動了水層,使一部分附著在土壤表層的磷釋放地表水中[6],導致地表水TP濃度回升。在整個淹水過程中,方案2的地表水TP濃度均大于方案1,造成這種現象的原因是,地表水進入土壤強度較大,將土壤中的氣體強行排出,而帶出更多的土壤顆粒,使TP濃度提高。

圖1 分蘗期地表水總磷質量濃度

拔節孕穗期淹水期間,方案3,4的地表水TP濃度變化見圖2,其變化趨勢是先上升后下降。控水前稻田表面沒有水層,8月6日灌水至設計淹水深度,雖然分蘗后期曬田使田表土壤板結,但灌水仍會擾動田表土壤,顆粒態磷懸浮于水中,同時由曬田到灌水的過程,使土壤與水層之間形成了一個干濕交替的環境,這種環境有利于促使難溶性磷轉化為可利用態磷[7-8],引起地表水TP濃度上升。控水3d后,TP濃度達到峰值,控水中后期,地表水層基本處于靜止狀態,懸浮的顆粒逐漸下沉,加之拔節孕穗期是營養生長和生殖生長同時進行的時期,水稻生長發育旺盛,對水分、養分的吸收都進入最高峰,穗分化需要充足的養分,對磷的吸收明顯增多,所以地表水TP濃度迅速降低。在整個淹水過程中,方案4的地表水TP濃度大于方案3,造成這種現象的原因與分蘗期相似,主要是地表水進入土壤強度大,將土壤中的微小顆粒交換出來,使TP濃度偏高。

圖2 拔節孕穗期地表水總磷質量濃度

抽穗開花期淹水期間地表水TP濃度變化見圖3,其變化趨勢也是先上升后下降。8月21日,根據控水水位要求,灌水至田面水層為250mm,雖然該階段田表土層更加板結,加之水稻植株茂盛,灌水對土壤的擾動相對較小,但仍然會使土壤表面微小顆粒懸浮于水中,使地表水TP濃度有所增加,控水2—3 d后濃度達到峰值,只是濃度相對較低。控水中后期,地表水層基本處于靜止狀態,懸浮的顆粒逐漸下沉,地表水TP濃度逐漸降低并趨于穩定。在整個淹水過程中,方案6的地表水TP濃度大于方案5,造成這種現象的原因與前兩個生育階段相似。

圖3 抽穗開花期地表水總磷質量濃度

乳熟期淹水期間地表水TP濃度變化見圖4,其變化趨勢是先下降后略有上升。灌水前,方案7,8的地表水濃度均在0.05mg/L左右,灌水后由于水層增加使得測坑內地表水量增加,稀釋了原地表水TP濃度,雖然灌水過程中擾動土壤有部分磷析出,但析出數量還不足以使地表水TP濃度超過灌水前的濃度。隨著地表水的逐漸平靜,顆粒態磷逐漸下沉,TP濃度逐漸下降并趨于穩定,到控水后期略有回升,是由于地表水消耗所導致。

圖4 乳熟期地表水總磷質量濃度

2.2 各生育階段地下水TP濃度的變化

分蘗期地下水TP濃度變化見圖5。隨著控水歷時的延長,地下水TP濃度呈現先下降后增加的趨勢。控水初期,部分磷素與土壤中的Al、Fe、Ca等元素形成沉淀物,導致向下淋失的磷素較少,當增大滲漏量時,由于起到稀釋的效果,地下水TP濃度開始時略微有所下降。控水中后期地下水TP濃度有所增加,這是由于在淹水條件下,土壤中有機陰離子代換了部分被吸附的磷,土壤的固磷能力下降,從而使與之相結合的磷被釋放出來,不斷向下淋失。由于方案2的日滲漏強度較大,促使磷素在垂直剖面的遷移,向下淋失的磷素多于方案1,所以方案2的地下水TP濃度偏高。

圖5 分蘗期地下水總磷質量濃度

圖6 拔節孕穗期地下水總磷質量濃度

拔節孕穗期地下水TP濃度變化見圖6。淹水前由于稻田處于烤田狀態,表面土層出現了一些收縮縫,灌水后稻田表面水層較深,地表水順著裂縫直接補充地下水,懸浮于水中或溶解在水中的磷不易被剖面土壤吸附,直接被縱向輸入到地下水中[9],導致地下水TP濃度持續增加。控水中后期,稻田表面的裂縫已經消失,磷素向下遷移量有所減少,加之作物對磷的吸收增加,地下水TP濃度迅速降低。由于方案4的日滲漏強度大,其下滲過程中夾帶土壤顆粒的能力大,增加了溶解態磷隨水流向下運移的幾率[10],所以方案4的地下水TP濃度始終高于方案3。

抽穗開花期地下水TP濃度變化見圖7。在控水開始時地下水TP濃度出現短暫上升,是由于設計的滲漏強度超過以前強度,突然增大的滲漏量會帶走土壤中更多的磷顆粒。隨著控水歷時的延長和滲漏量的穩定以及作物根系對磷素的充分吸收,地下水TP濃度逐漸下降并趨于穩定。由于方案6日滲漏強度較大,向下淋失的磷素量較多,導致方案6的地下水TP濃度略高于方案5。

圖7 抽穗開花期地下水總磷質量濃度

乳熟期地下水TP濃度變化見圖8。整個乳熟期控水期間,地下水TP濃度變化趨勢較為平緩。這是由于在水稻生長末期長勢已經基本穩定,對磷素吸收量減少的同時,磷素向下遷移量已基本穩定,所以,乳熟期地下水TP濃度變化比較平穩。

圖8 乳熟期地下水總磷質量濃度

2.3 滲漏強度對TP濃度影響分析

水稻各生育階段地表水TP濃度(控水期間TP濃度平均值)是分蘗期大于拔節孕穗期大于乳熟期大于抽穗開花期,由于分蘗期田間水層深度較淺,地表水總磷濃度偏高,隨著作物吸收的影響,其余生育階段地表水TP濃度均低于分蘗期;地下水TP濃度(控水期間TP濃度平均值)是拔節孕穗期大于抽穗開花期大于分蘗期大于乳熟期,由于拔節孕穗期控水前的烤田狀態使部分磷直接輸入地下水,導致拔節孕穗期地下水TP濃度偏高,抽穗開花期地下水TP濃度略高于分蘗期,兩者差別不大;各生育階段滲漏強度為4mm/d的方案,其地表水、地下水TP濃度均不同程度地高于滲漏強度為2mm/d的方案。

運用SPSS軟件進行滲漏強度對TP濃度影響的單因素方差分析,分析結果見表2。由于地表水TP濃度變化幅度較大,將地表水TP濃度分為控水前5d、控水后5d、控水全期(10 d)3種情況進行分析,分析結果顯示,控水前5 d,各生育階段滲漏強度對地表水TP濃度影響的顯著性水平均小于0.05,達到顯著水平;控水后5d,除乳熟期外,其他各生育階段滲漏強度對地表水TP濃度影響的顯著性水平均大于0.05,未達到顯著水平;控水全期,分蘗期和乳熟期滲漏強度對地表水TP濃度影響的顯著性水平小于0.05,達顯著水平,其他生育階段未達到顯著水平;各生育階段滲漏強度對地下水TP濃度影響的顯著性水平均大于0.05,未達到顯著水平。

由此可以說明,不同滲漏強度對地表水TP濃度的影響較為顯著,尤其是對控水前5d的地表水TP濃度影響較大;而由于磷素在土壤中移動速度很慢,向下淋失量較小[11],不同滲漏強度對地下水TP濃度沒有顯著的影響。

表2 不同滲漏強度對地表水、地下水TP濃度影響的顯著性水平

3 結 論

a.稻田灌水擾動田表土層,加速了土壤磷的釋放,是地表水TP濃度升高的主要原因,尤其是在田表面沒有形成板結層之前,灌水或降雨會使土壤磷顆粒大量析出。

b.淹水3—5d后,由于沉淀作用使地表水TP濃度明顯降低,因此在淹水不深的情況下,應盡量延遲地表排水時間,減少P的流失。

c.不同滲漏強度對淹水前期稻田地表水TP濃度影響較為顯著,對地下水TP濃度影響不顯著。

d.分蘗期和拔節孕穗期在淹水前期地表水TP濃度較大,地下水TP濃度較低;抽穗開花期和乳熟期地表水TP濃度較低,地下水TP濃度較高。因此,控制磷污染的水稻控制排水策略應是分蘗期和拔節孕穗期在淹水初期應盡量避免地表排水,抽穗開花期和乳熟期則應盡量避免地下排水。

e.本試驗是在有底測坑內進行的,不同強度的滲漏量都能實現,但是在大田條件下,由于犁底層的存在,往往較大的滲漏量很難實現,在生產實踐中可以通過降低農溝水位或劃破犁底層的辦法增加稻田滲漏量。

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Influence of seepage rate on TP concentration in paddy soil on condition of flooding

SHAO Yuan-yuan1,2,YU Shuang-en1,2,SUN Xue-mei1,2
(1.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment inSouthern China,Ministry of Education,Nanjing 210098,China;2.College of Water Conservancy and Hydropower,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Through the controlled experiment on seepage rate of the inundated rice paddy by the use of lysimeters,the changes of total phosphorus(TP)concentration of the surface and underground water caused by different seepage rate were studied at variousgrowth stages.The results showed that the main reason of the rising of TP concentration in surface water during irrigation was the disturbance of the topsoil caused by irrigation accelerating the release of soil phosphorus.Especially before the compaction layer was formed on the surface of the rice field,a large number of soil phosphorus particleswould be separated out by irrigation or rainfall.Due to precipitation,the TP concentration of the surface water was decreased apparently after 3-5 days inundation.The seepage rate had a significant influence on the TP concentration of surface water at earlier inundating stage,but no significant influence on that of underground water.

paddy rice;seepage rate;TP concentration;significance

S143.2,S274.3

A

1004-6933(2011)03-0024-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.006

“十一五”國家科技支撐計劃(2006BAD11B06);國家自然科學基金(50839002)

邵園園(1986—),女,江蘇泰州人,碩士研究生,研究方向為水資源規劃與環境保護。E-mail:shaoyy820@163.com

俞雙恩(1961—),教授。E-mail:seyu@hhu.edu.cn

(收稿日期:2010-04-01 編輯:高渭文)