洱海流域水稻再生水灌溉節水減污能力淺析

李 瑩，高 蓉，黃 英，崔遠來，張 雷

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.云南省水利水電科學研究院，昆明 650228)

洱海位于大理白族自治州境內，湖泊富營養化問題日趨嚴重，農業面源污染成為影響洱海水質最突出的因素[1,2]。農田排水、畜禽養殖廢水、農村居民生活廢水、旅游餐飲住宿廢水等是流域最重要的污染源[3]。為實現對洱海的保護治理，當地政府已采取系列舉措。正在進行的洱海環湖截污PPP工程有望實現全面截污，且使出水達到一級A類城鎮污水排放標準[4]。但對比《城鎮污水處理廠污染物排放標準》和《地表水環境質量標準》可知，污水處理廠達標排放的再生水中的營養物質對洱海而言仍屬污染源[5]。農業灌溉用水量大，若將再生水回用于灌溉，可減少清潔淡水資源的取用和化肥的施用，在提高作物產量同時可進一步減少進入洱海的污染負荷[6]。

再生水是指廢水或雨水經適當處理后，達到一定的水質指標，滿足某種使用要求，可以進行有益使用的水。通過污水處理系統處理達標的農田排水、畜禽養殖廢水及農村居民生活廢水等是洱海流域主要的再生水資源。目前關于再生水灌溉的研究，主要集中于灌溉技術及其對作物以及土壤、生態的影響[7]，但鮮見分析再生水灌溉的節水減污效益。就水稻而言，已有研究均與水稻污水灌溉相關[8,9]。水稻污水灌溉是指對污水進行處理，使之達到允許的標準后用于水稻灌溉[9]。再生水是污水經處理后的再利用，水稻再生水灌溉即水稻污水灌溉。氮污染負荷占洱海流域農田面源污染比例最高[2]，故本文主要討論再生水灌溉總氮的相關問題。

1 材料與方法

1.1 再生水灌溉合理灌溉施肥制度分析

研究表明，污水灌溉可實現水稻增產[10]，還可使稻米加工和外觀品質更好，但會使蒸煮食味品質有所下降[11]。由于再生水含有大量有機和無機營養物，灌溉水稻需加以控制，以防止因營養過剩造成水稻生長過旺、貪青倒伏，對水稻生長產生不利影響。水稻不同生育階段對再生水灌溉的反映存在差異。研究表明，高濃度的氮、磷(試驗總氮濃度超過30 mg/L)通過影響水稻苗內酶的活性從而抑制水稻苗的生長[12]；移栽后的水稻苗根系受損，對水、肥敏感，故插秧至返青結束宜用清水養苗。分蘗期是秧苗生長的旺盛階段，需要養分較多，再生水集中在此時灌入，可充分利用再生水中的氮減少分蘗肥的施用。通過比較清水灌溉和稀釋不同倍數的污水灌溉可知，污水灌溉會降低水稻分蘗率但對有效分蘗率影響不大[8]。因此嚴控污水處理標準，最大程度避免降低分蘗率。拔節孕穗期是水稻的另一個吸氮高峰期，用再生水灌溉可充分發揮其肥效性，進而達到增產目的。孕穗期以后，要嚴格控制氮肥施用量，防止水稻貪青徒長，故不灌含氮再生水，改灌清水以養根保葉、促進成熟。此外，在灌溉技術方面，應采用淺、濕灌或淺、濕、干灌，對減少有毒物質對水稻的毒害、減輕對土壤的污染均有一定作用[9]。

根據以上總結，綜合考慮洱海流域再生水來源及水質狀況，確定以下水稻再生水灌溉規則：清水泡田育秧，分蘗期、拔節孕穗期灌入再生水，孕穗期之后灌溉清水。

根據再生水中總氮的含量標準和生育期灌再生水量，計算出由再生水帶入稻田純氮的數量，對比正常施肥制度下水稻在不同生育期的需氮量，若再生水帶入純氮量大于水稻在該生育期的需氮量，則需要按照水稻正常需氮量和再生水中氮的含量標準反推該生育期的再生水灌溉量；若小于，則按照水稻在此生育期最大灌水量灌入再生水，不夠的純氮量由化肥補充施入。

1.2 田面水總氮濃度變化公式擬合

田面水中氮磷濃度和排水量是影響地表排水過程中氮磷流失量和潛在污染風險的主控因子。由于天然降雨或不合理灌溉導致的氮徑流損失是氮損失的主要途徑[13,14]。研究表明，灌溉再生水的濃度與發生排水的時間間隔對徑流總氮的影響最大[15,16]。田面水總氮濃度隨時間動態下降特征的最佳擬合模式為指數型[17,18]。

根據作者等在云南省大理洱海灌區開展的試驗觀測數據，用y=C0e-kt分別擬合了不同施氮量處理下分蘗期和拔節孕穗期田面水總氮濃度隨時間的消減公式，擬合效果佳。分析可得，擬合表達式中的C0與施氮量正相關；k與水稻生育階段有關，拔節孕穗期k值約為分蘗期兩倍，可能是由于水稻不同生育階段對氮素吸收能力的差異。

設定再生水灌入田間的初始濃度為15 mg/L的條件下，得出水稻分蘗期和拔節孕穗期田面水氮濃度消減公式分別為y=25.255e0.22t和y=25.255e-0.42t。

1.3 滲漏水總氮濃度變化公式擬合

用再生水灌溉水稻需考慮通過淋溶損失的總氮量以及造成地下水污染的風險[19,20]。研究表明，滲漏水中總氮濃度隨著施肥量的增加而增加[21,22]，施肥后滲漏水中總氮濃度表現出先上升后下降的趨勢[22]。

作者等在洱海灌區開展的試驗中對稻田滲漏總氮濃度測量設置了20、40和60 cm三個深度，分析不同處理的試驗數據可得：不同深度土壤溶液總氮濃度都是先上升后下降的趨勢；總氮濃度的峰值一般出現在施肥后7d左右；增加施肥次數可以提高氮肥的利用率；指數型y=C0e-kt為最佳擬合模式。本文擬合了“施氮量135 kg/hm2，施肥方式為蘗肥∶穗肥=70%∶30%”條件下淹灌和間歇灌兩種模式下滲漏水總氮濃度的變化公式，見表1。

表1 淹灌和間歇灌模式下稻田滲漏水總氮濃度變化公式

注：y為滲漏水總氮濃度，t為施肥后的天數；系數C0與施氮量有關，表中施氮水平為94.5 kg/hm2，若施氮量減小則C0對應減小。

2 結果與分析

2.1 不同典型年水稻再生水灌溉制度和施肥制度

洱海流域再生水的來源為污水處理系統達標排放的尾水，出水水質為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級A標，亦滿足《農田灌溉水質標準》[23]。本文中將灌入田間的再生水的總氮濃度設定為15 mg/L(一級A標中總氮濃度上限值)，以進行下一步的計算分析。

水稻不同灌溉模式的水層控制標準和施肥制度均是根據作者等在洱海灌區開展水稻試驗成果制定，在此基礎上，分蘗期和拔節孕穗期的灌溉均用再生水，再根據再生水帶入肥量和優化施肥制度(施氮總量135 kg/hm2，施肥方式為蘗肥∶穗肥=70%∶30%)下水稻的需氮量來計算需補施的化肥量，即可得出洱海流域水稻再生水灌溉的灌溉制度和施肥制度。

由于降雨對灌溉制度的影響，水稻再生水灌溉制度和施肥制度與水文年型密切相關。按照該地區水稻生育期降雨總量由大到小排頻，選出5個不同頻率(10%、25%、50%、75%、90%)的典型年擬定其不同灌溉模式下再生水灌溉制度和施肥制度。由于降雨的不確定性，某一年份的再生水灌入量及施肥量無法準確預測，但補施的化肥量往往需要在再生水灌入之前確定。通過計算比較，50%典型年(1993年)可代表多年平均水平，用以指導施肥。具體見表2、表3。

表2 洱海流域水稻50%典型年淹灌再生水灌溉制度和施肥制度

表3 洱海流域水稻50%典型年間歇灌再生水灌溉制度和施肥制度

綜合表2和表3可知，再生水灌溉條件下，洱海流域水稻淹灌模式下分蘗期應補施化肥74 kg/hm2，拔節孕穗期應補施化肥32 kg/hm2；間歇灌模式下，分蘗期應補施化肥85 kg/hm2，拔節孕穗期應補施化肥25 kg/hm2。

洱海流域水稻灌水主要集中在返青期、分蘗期和拔節孕穗期，由于分蘗期和拔節孕穗期灌水所占比重較大，因此再生水對清水的替代量較大。淹灌模式下，再生水替代了199.0 mm的清水，只需再灌入106.4 mm清水便可滿足水稻整個生育期的需水，替代比例約占2/3；間歇灌溉模式下，再生水替代了153.0 mm的清水，替代比例超過2/3。淹灌所需的清水及再生水量均大于間歇灌，因此由再生水帶入田間的總氮也比間歇灌要多。淹灌和間歇灌溉用再生水灌溉可減少化肥施氮量超過20 kg/hm2。

2.2 再生水總氮流失總量

已知各典型年水稻再生水灌溉制度，根據水稻分蘗期和拔節孕穗期田面水氮濃度消減公式y=25.255e-0.22 t和y=25.255e-0.42 t以及排水距灌水發生的天數，可推求出排水發生時田面水總氮濃度，結合排水量可計算出由于排水帶走的、再生水中未被水稻吸收的總氮量。根據不同灌溉模式下、不同深度處土壤水總氮濃度變化公式(表1)及對應的滲漏量，可計算再生水灌溉造成再生水中總氮滲漏流失量。結果見表4。

表4 再生水灌溉條件下的再生水總氮流失量 kg/hm2

從不同典型年再生水總氮流失量均值來看，因地表排水損失的再生水總氮量大于滲漏損失的，且淹灌比間歇灌的差異明顯；淹灌模式下再生水地表總氮流失量大于間歇灌，再生水滲漏總氮流失量比間歇灌小。淹灌模式下灌入再生水總量多，對降雨的利用率小于間歇灌，故發生地表排水造成再生水總氮損失的概率大；但淹灌模式下再生水分多次灌入田間，等效于多次追肥，間歇灌灌再生水次數少、單次灌水量大，等效于集中施肥，且由于當地稻季降雨較多，稻田落干天數少，間歇灌減小的滲漏量有限，故淹灌模式更有利于減少滲漏損失的再生水總氮量，再生水灌溉條件下間歇灌溉模式造成地下水總氮污染的風險更大。

年份越干旱發生排水的概率越小，淹灌模式下因地表排水損失的再生水總氮量越少；間歇灌模式下發生地表排水時帶走的再生水總氮量總體上要比淹灌小，但在有些年份比淹灌大，這與當年具體降雨分布關系密切。越干旱的年份灌入再生水量越大，間歇灌模式下因滲漏損失的再生水總氮量越大，對于淹灌此規律不明顯，主要因為淹灌灌再生水次數多，更有利于滲漏水總氮的消減。

2.3 再生水灌溉的節水減污效果

通過對不同典型年、不同灌溉模式下，水稻再生水灌溉制度的匯總，可直觀得出各典型年清潔水、再生水的取用比例以及再生水中總氮的利用效率和減少施用化肥氮的比例，見表5、表6。

表5 洱海流域不同典型年、不同灌溉方式下水稻再生水灌溉節水效果

表6 洱海流域不同典型年、不同灌溉模式下水稻再生水灌溉減污效果

表5可見，洱海流域水稻再生水灌溉節水效果顯著，平均情況下再生水灌溉減少清潔水用量的百分比分別為淹灌65.41%和間歇灌71.65%，間歇灌溉方式略優于淹水灌溉。其中特豐水年(1968年)間歇灌溉再生水灌溉節水效果差于淹灌，主要因為在特豐水年需要灌溉水量本身較少，再加上間歇灌溉制度更加充分利用了降雨，故水稻在分蘗期和拔節孕穗期灌入的再生水量有限。

由表6可知，再生水中實際被水稻利用的氮超過20 kg/hm2，減少化肥施用比例超過15%。若再生水含氮濃度更高(本文設定值為15 mg/L)，則水稻田可利用更多再生水中的總氮，從而直接減少施入環境的化肥量，進而減少對環境的污染，但同樣會面臨含氮濃度高的再生水因排水造成氮流失的問題。由于間歇灌溉較為節水，故此灌溉方式下再生水灌溉帶入肥量也會少于淹灌，但年份越干旱，間歇灌下再生水灌溉實際利用氮肥量會越多，間歇灌的優勢越明顯。

通過再生水灌溉，不僅減少了再生水直接排入環境帶來的污染，更充分利用了再生水中的氮，直接減少了施入環境的化肥量。淹灌條件下再生水灌溉實際減少化肥施用百分比大于間歇灌，這主要是由于淹灌灌水量大，帶入的氮肥更多。

再生水灌溉條件下由排水和滲漏帶走的總氮量不超過1 kg/hm2(此處未計入施用化肥的影響)，由排水和滲漏帶走的總氮量較少，再生水中氮的利用效率可達95%以上，間歇灌模式下再生水灌溉總氮的利用效率在雨水較多的年份優于淹灌，在干旱的年份劣于淹灌。再生水灌溉總氮的利用效率與水文年型有較顯著的關系：淹灌模式下越干旱的年份，發生無效排水的概率越低，再生水氮的利用效率也便越高；間歇灌模式下越干旱的年份，由滲漏帶走的再生水總氮量越多，再生水氮的利用效率反而變低。

3 結 語

(1)洱海流域再生水灌溉條件下由田面排水和滲漏帶走的再生水總氮量平均不超過1 kg/hm2(此處未計入施用化肥的影響)，再生水中氮的利用效率可達95%以上，稻田對再生水中氮的消減作用明顯。

(2)淹灌和間歇灌模式下用再生水灌溉均可減少清潔水取用量65%以上，再生水中實際被水稻利用的氮超過20 kg/hm2，減少化肥施用比例超過15%。水稻再生水灌溉對洱海污染問題的有效控制意義重大。

(3)由于淹灌灌水量多于間歇灌，故由淹灌模式下再生水灌溉帶入田間的肥量比間歇灌多，減少化肥施用比例也比間歇灌高。再生水灌溉總氮的利用效率與水文年型有關，越濕潤的年份，間歇灌溉模式優勢越大。但從多年平均來看，間歇灌溉比淹灌節水，其次再生水灌溉總氮的利用效率比淹灌高，且間歇灌采用淺、濕、干灌技術有利于減少有毒物質對水稻的毒害和對土壤的污染。因此，洱海流域水稻再生水灌溉建議采用間歇灌溉模式。

□

[1] 彭文啟,王世巖,劉曉波. 洱海流域水污染防治措施評估[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2005,3(2):95-99.

[2] 程磊磊,尹昌斌,胡萬里,等. 云南省洱海北部地區農田面源污染現狀及控制的補償政策[J]. 農業資源與環境學報, 2011,28(4):471-474.

[3] 竇嘉順. 洱海流域村落污水類型及污染特征分析[J]. 環境科學導刊, 2016,35(3):59-63.

[4] GB 18918-2016,城鎮污水處理廠污染物排放標準[S].

[5] 白獻宇, 胡小貞, 龐 燕. 洱海流域低污染水類型、污染負荷及分布[J]. 湖泊科學, 2015,27(2):200-207.

[6] Chen W, Lu S, Jiao W, et al. Reclaimed water: A safe irrigation water source?[J]. Environmental Development, 2013,8(1):74-83.

[7] Jung K W, Yoon C G, Jang J H, et al. Characteristics of indicator microorganisms in paddy rice plots after reclaimed water irrigation[J]. Water Science & Technology, 2007,55(1-2):267.

[8] 黃俊友, 胡曉東, 俞青榮. 污水灌溉對水稻生長影響的實驗研究[J]. 農機化研究, 2006,(1):177-179.

[9] 付 紅, 付 強, 姜蕊云,等. 水稻污水灌溉技術與應用[J]. 農機化研究, 2002,(1):110-112.

[10] 朱庭蕓. 水稻灌溉的理論與技術[M]. 北京:中國水利水電出版社, 1998.

[11] 陸冬梅. 規模化養豬場處理污水的稻田利用研究[D]. 江蘇揚州：揚州大學, 2010.

[12] 崔克輝, 何之常, 張甲耀,等. 模擬N、P污水對水稻幼苗過氧化物酶和超氧化物歧化酶的影響[J]. 環境科學學報, 1995,15(4):447-453.

[13] Smith K A, Chalmers A G, Chambers B J, et al. Organic manure phosphorus accumulation, mobility and management[C]∥Soil Use and Management, 1998:154-159.

[14] 張愛平. 寧夏黃灌區稻田退水氮磷污染特征研究[D]. 北京:中國農業科學院, 2009.

[15] 李 松. 稻田濕地處理農村生活污水脫氮除磷及其徑流試驗研究[D]. 杭州:浙江大學環境與資源學院, 2009.

[16] Smith D R, Owens P R, Leytem A B, et al. Nutrient losses from manure and fertilizer applications as impacted by time to first runoff event.[J]. Environmental Pollution, 2007,147(1):131.

[17] 張志劍, 董 亮, 朱蔭湄. 水稻田面水氮素的動態特征、模式表征及排水流失研究[J]. 環境科學學報, 2001,21(4):475-480.

[18] 朱利群, 田一丹, 李 慧,等. 不同農藝措施條件下稻田田面水總氮動態變化特征研究[J]. 水土保持學報, 2009,23(6):85-89.

[19] 張玉良. 農業化學與生物圈[M]. 北京:農業出版社, 1987.

[20] 左海軍, 張 奇, 徐力剛. 農田氮素淋溶損失影響因素及防治對策研究[J]. 環境污染與防治, 2008,30(12):83-89.

[21] 張 剛. 太湖地區主要類型稻田氮磷面源污染通量的研究[D]. 南京：南京農業大學, 2007.

[22] 金 潔. 分次施氮對稻田水層及滲漏水氮素影響動態變化研究[D]. 杭州:浙江大學, 2005.

[23] GB 5084-2005,農田灌溉水質標準[S].