稻田水肥管理對不同尺度區域農業面源污染排放規律影響分析

劉方平

(江西省灌溉試驗中心站，江西 南昌 330201)

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稻田水肥管理對不同尺度區域農業面源污染排放規律影響分析

劉方平

(江西省灌溉試驗中心站，江西 南昌 330201)

采用SWAT數學模型來模擬稻田水肥管理制度對不同尺度區域農業面源污染排放規律，可為制訂科學的農業面源污染防治技術措施提供依據。通過在江西省贛撫平原灌區選取封閉小流域——芳溪湖小流域，進行不同尺度區域農業面源污染排放規律分析模擬，結果表明：節水灌溉模式間歇灌溉較當地傳統淹水灌溉模式對削減氮、磷排放負荷具有明顯優勢；同時，農業面源污染田間尺度較流域尺度削減作用更大，表明從源頭改善田間灌溉模式，將起到更好的減污效果。隨著施氮肥量的減少及施肥次數的增加，稻田尺度和流域尺度總氮排放負荷均相應減少，但總磷排放負荷變化均很小；隨著施磷肥量的減少，稻田尺度和流域尺度總磷排放負荷均相應減少，但總氮排放負荷變化均很小。

贛撫平原灌區；稻田；不同尺度；面源污染；模擬

農業面源污染是一種分布最廣泛的污染，是指以降雨為載體并在降雨的沖擊和淋溶作用下，通過地表徑流和地下滲漏過程將污染物質(包括土壤顆粒、土壤有機物、化肥、有機肥和農藥等)攜入受納水體而引起的水質污染[1-2]。目前，許多發達國家的研究已經證實，農業面源污染是導致水環境惡化的主要原因之一。

研究農業面源污染需要同步監測降雨、徑流和水量水質變化過程，費用昂貴，并且短期監測資料也不可能滿足水質控制和管理工作的需要，所以數學模型是研究農業面源污染的最常用方法[3-5]。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)被認為是應用較為廣泛的研究面源污染的模型之一。國內外很多學者探討了SWAT模型研究農業面源污染的適用性，模型模擬效果令人滿意[6-9]。本文通過考慮稻田水分循環、灌溉排水模式以及灌區塘堰供水和渠道滲漏損失等灌區特有的水文過程，對SWAT模型進行改進，構建研究區的分布式水文模擬模型[10-12]。利用改進后的SWAT模型對不同水肥管理制度下不同尺度區域稻田農業面源污染排放負荷進行模擬，以期為制定合理的農田水肥管理和農田排水控制措施，提高流域水肥資源利用效率、減少農業面源污染排放提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本文選取的研究對象位于江西省贛撫平原灌區內的芳溪湖小流域，該小流域位于南昌市南昌縣境內，地理位置為北緯28°33′～28°29′，東經116°05′～116°0′，面積約為3080 hm2，多年平均氣溫17.8 ℃，多年平均日照1603.4 h，多年平均降水量為166.25 cm，無霜期276 d。該區域的灌溉水源為贛撫平原灌區二干三分渠和二干五分渠，區域產流和排水流向芳溪湖內，是一個相對閉合的區域[13]。區域內主要種植作物為雙季稻。研究區域空間位置見圖1。

圖1 研究區空間位置

由于本文所選研究區域為平原灌區，地勢平坦，沒有明確的坡面產匯流特征；且研究區域分布著很多人工修建的渠堤，阻礙了徑流自排進入干流水體，使得區域內和干流的水力聯系發生改變，利用DEM圖提取的河網跟研究區域的實際河網有一定的出入，因此本文采用李碩等[14]提出的方法進行研究區域的河網提取，從而構建研究區域的分布式水文模型，所得研究區域河網分布及子流域劃分情況見圖2。

圖2 研究區河網分布及子流域劃分

本文所采用的農田灌溉排水水質、水量數據來源于江西省灌溉試驗中心站2011～2013年田間灌溉、排水試驗數據。試驗作物為早、晚稻，試驗測定時間早稻為4月下旬至7月中旬，晚稻為7月下旬至10月中旬；其間農田有灌溉、排水時進行取樣測定。

1.2 不同灌溉模式情景設置

為了探明研究區內水稻田不同灌溉模式對氮、磷污染負荷排放的影響，設置了2種灌溉模式，分別為節水灌溉模式間歇灌溉和傳統的長期淹水灌溉模式，對面源污染進行排放模擬對比分析。2種灌溉模式下其施肥模式相同，均為農民習慣施肥模式。2種灌溉模式各生育期田間水層控制標準見表1。

1.3 不同施肥模式情景設置

1.3.1 不同施氮肥情景設置 為了定量研究農田施氮肥對研究區域出口污染負荷的影響，設置了5種不同的施氮肥情景進行模擬計算。按照施氮肥量、次數以及時間的不同，設置不同施肥情景見表2。N0：不施氮肥；N1F2：2次施氮肥，施氮肥量為N2F2的80%，即144 kg/hm2，施肥時間與N2F2相同；N1F3：3次施氮肥，施氮肥量為N2F3的80%，施肥時間與N2F3相同；N2F2：農民經驗(現狀模式)，早、晚稻施氮肥總量均為N 180 kg/hm2，分2次施肥，早、晚稻施基肥N 90 kg/hm2，追施分蘗肥N 90 kg/hm2；N2F3：3次施氮肥，施肥總量N 180 kg/hm2，氮肥施肥比為5∶3∶2，早、晚稻施基肥N 90 kg/hm2，追施分蘗肥N 54 kg/hm2，追施穗肥N 36 kg/hm2。以上不同施氮肥情景其施磷肥均相同，作為基肥一次性施下，施肥量P 67.5 kg/hm2。

1.3.2 不同施磷肥情景設置 按照施磷肥量的不同，設置3種施肥情景：P0：不施磷肥；P1：施磷肥量為P2的80%；P2：農民經驗，早、晚稻施磷肥總量均為N 67.5 kg/hm2。以上不同施磷肥情景其磷肥均作為基肥一次性施下，其施氮肥如前述N2F2。

以上施肥模式下其灌溉模式均相同，均采用傳統的淹水灌溉模式。

1.4 農田排水水質指標測定方法

農田排水中水質測定指標包括總氮(TN)和總磷(TP)。水質測試方法如下：總氮(TN)測定采用《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定；總磷(TP)測定采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測定。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉模式下不同尺度區域氮、磷排放規律分析

2.1.1 不同灌溉模式下稻田尺度氮、磷排放負荷分析 通過從2011～2013年水稻田的3年平均產污量及最后進入芳溪湖水體(流域出口)的排污量2個角度，對水稻生育期內稻田排放的氮、磷污染負荷進行統計分析，得到2種灌溉模式下水稻田單位面積氮、磷排放負荷。

從表3可以看出，間歇灌溉水稻田總氮、總磷單位面積排放負荷分別為25.40 kg/hm2和4.13 kg/hm2，分別比淹水灌溉模式下減少14.52%和10.32%。

表1 2種灌溉模式各生育期田間水層控制標準

注：灌前下限為田間土壤含水量占飽和含水量的比率。淹水灌溉模式的灌前下限中帶*的為田間土壤含水量占飽和含水量的比率，單位為%。

表2 不同施肥模式情景下施氮肥制度

注：施氮肥比為基肥、分蘗肥、穗肥施肥量的比例，2次施肥為基肥與分蘗肥的比例。

表3 稻田間歇灌溉和淹水灌溉氮、磷排放負荷對比

2.1.2 不同灌溉模式下流域尺度氮、磷排放負荷分析 通過利用改進的SWAT模型對2種灌溉模式下水稻生育期內芳溪湖流域出口氮、磷排放負荷進行模擬分析。從表4可以看出，間歇灌溉模式流域出口總氮、總磷總負荷分別為60.21和14.29 t，分別比淹水灌溉模式減少8.41%和8.61%。

通過對表3、表4對比分析來看，稻田尺度和流域尺度不同灌溉模式對氮、磷排放負荷削減率存在較大差異，表現出稻田尺度有著更高的削減率，較流域尺度的氮削減率提高了6.11個百分點，磷的削減率提高了1.61個百分點。這表明間歇灌溉模式較淹水灌溉模式下田間尺度的削減作用更大，在氮、磷污染負荷流出稻田經過溝塘濕地時，其徑流過程削減作用相對較小。因此，改善田間灌溉模式，從源頭進行控制，在贛撫平原灌區所具有的水文、氣象條件下可以起到更好的減污效果。

2.2 不同施肥模式下不同尺度區域氮、磷排放規律分析

2.2.1 不同施氮模式下稻田尺度氮、磷排放負荷分析 通過從2011～2013年水稻田的3年平均產污量及最后進入芳溪湖水體(流域出口)的排污量2個角度，對5種施氮肥模式水稻生育期內稻田排放的氮、磷污染負荷進行統計分析，得到不同施肥模式下稻田單位面積氮、磷排放負荷變化圖及削減情況表(圖3、表5)。

表4 稻田間歇灌溉和淹水灌溉模式芳溪湖 流域出口氮、磷排放負荷對比

從圖3、表5可以看出，隨著施氮肥量的減少，稻田排放的總氮負荷相應減少。與現狀模式N2F2相比，當施氮肥量較現狀模式減少20%時，2次施肥模式下總氮排放負荷削減4.89%，總磷排放負荷幾乎不變。同等施肥量情況下(現狀施氮水平)，3次施肥較2次施肥總氮排放負荷削減4.18%，總磷排放負荷變化很小。同時，減少施氮肥量20%并采用3次施肥模式，總氮排放負荷削減7.91%，總磷排放負荷變化很小。從上述分析可知，總磷排放負荷沒有隨施氮肥量的減少和施肥次數的增加而變化，說明總磷排放和施氮肥模式沒有明顯的交互作用。可見，適當減少施氮量及增加施肥次數對削減稻田氮負荷排放具有明顯的效果。

2.2.2 不同施氮模式下流域尺度氮、磷排放負荷量分析 通過利用改進的SWAT模型，對5種不同施氮模式下水稻生育期內芳溪湖流域出口氮、磷排放負荷進行模擬分析，得到流域出口2011～2013年3年平均氮、磷排放負荷變化圖及削減情況表(圖4、表6)。

從圖4可以看出，隨著水稻田施氮肥量的減少流域出口總氮排放負荷相應減少，但總磷排放負荷變化很小；并且在施肥總量相等的情況下，3次施肥較2次施肥總氮排放負荷有所減少，但改變施氮肥次數對總磷并沒有影響。

從圖4、表6可以看出，同等施氮肥量情況下(現狀施氮水平)，3次施肥比兩次施肥的總氮排放負荷削減1.62%，但總磷排放負荷變化很小。當施肥量減少20%時，2次施肥模式下總氮排放負荷削減2.63%，3次施肥模式下總氮排放負荷削減4%，而總磷排放負荷變化均很小。因此，減少施氮量及增加施肥次數能在一定程度上削減流域出口氮排放負荷。

圖3 不同氮肥水平下稻田總氮和總磷排放負荷變化

圖4 不同氮肥水平下流域出口總氮和總磷排放負荷變化

表5 不同施肥模式較現狀模式稻田氮、磷排放負荷削減率 %

表6 不同施肥模式較現狀模式流域出口氮、磷排放負荷削減率 %

2.2.3 不同施磷模式下稻田尺度氮、磷排放負荷分析 通過對3種施磷肥模式水稻生育期內稻田排放的氮、磷污染負荷進行統計分析，得到不同施磷肥模式下稻田單位面積氮、磷排放負荷量變化圖。從圖5可以看出，隨著施磷肥量的減少稻田總磷排放負荷相應減少，磷肥減少20%，總磷排放負荷減少4%左右，而總氮排放負荷并沒有隨施磷肥量的減少而變化，說明總氮排放和施磷肥量之間沒有明顯的交互作用。

2.2.4 不同施磷肥模式下流域尺度氮、磷排放負荷分析 通過利用改進的SWAT模型對3種不同施磷模式下水稻生育期內芳溪湖流域出口氮、磷排放負荷進行模擬分析，得到流域出口2011～2013年3年平均氮、磷排放負荷變化圖。從圖6可以看出，隨著稻田施磷肥量的減少流域出口的總磷排放負荷相應減少；磷肥減少20%，總磷排放負荷減少3%左右，但總氮排放負荷變化很小。

3 小結

(1)不同灌溉模式對氮、磷排放負荷削減率存在較大差異；同時，田間尺度較流域尺度削減作用更大。其中，在稻田尺度下，間歇灌溉模式總氮、總磷單位面積排放負荷分別為25.40和4.13 kg/hm2，分別比淹水灌溉模式下減少14.52%和10.32%。在流域尺度下，早晚稻生育期間間歇灌溉模式總氮、總磷總排放負荷分別為60.21和14.29 t，分別比淹水灌溉模式減少8.41%和8.61%。

(2)稻田尺度和流域尺度的總氮排放負荷均隨著施氮肥量的減少及施肥次數的增加而相應減少，而總磷排放負荷變化均很小。減少施氮肥量20%并采用3次施肥模式，稻田尺度總氮排放負荷較現狀模式可減少7.91%；流域出口總氮排放負荷較現狀模式可減少4.18%。

圖5 不同磷肥水平下稻田總磷和總氮排放負荷變化

圖6 不同磷肥水平下流域出口總磷和總氮排放負荷變化

(3)稻田尺度和流域尺度總磷排放負荷均隨著施磷肥量的減少而相應減少，而總氮排放負荷變化均很小。減少施磷肥量20%，稻田尺度總磷排放負荷較現狀模式可減少4%左右，流域出口總磷排放負荷較現狀模式可減少3%左右。

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(責任編輯：曾小軍)

Effects of Irrigation and Fertilization in Paddy Field on Discharge of Agricultural Non-point-source Pollution in Different-scale Districts

LIU Fang-ping

(Jiangxi Provincial Centre of Irrigation Experiment, Nanchang 330201, China)

In order to provide the basis for drawing up a scientific prevention technique measure of agricultural non-point-source pollution, this study used SWAT mathematic model to simulate and analyze the effects of different paddy field irrigation and fertilization systems on the discharge law of agricultural non-point-source pollution in different-scale districts in the Fangxi Lake basin, which is located in the Ganfu Plain Irrigation Area of Jiangxi Province. The results showed that the intermittent irrigation, a kind of water-saving irrigation mode, presented obvious advantages in the reduction of nitrogen and phosphorous discharge load as compared with the traditional flooding irrigation mode. In addition, the agricultural non-point-source pollution reduction effect was better in the field scale than in the basin scale, indicating that the pollution would be decreased more if the field irrigation mode was improved in the source of pollution. When the nitrogen fertilizer application rate decreased and the fertilization times increased, the discharge load of total nitrogen decreased in both the field scale and the basin scale, but the change in discharge load of total phosphorous was very small. When the phosphorous fertilizer application rate decreased, the discharge load of total phosphorous decreased at two different scales, but the change in discharge load of total nitrogen was very small.

Ganfu Plain Irrigation Area; Paddy field; Different scales; Non-point-source pollution; Simulation

2016-07-12

江西省水利科技中美合作項目(KT201116)。

劉方平(1977─)，男，江西南昌人，高級工程師，碩士研究生，主要從事農田節水灌溉與農業面源污染防治研究。

X592

A

1001-8581(2016)12-0105-05