稻田梯級生態排水試驗研究

卑 志 鋼

(上海市青浦區水務局，上海 201700)

我國是化肥使用大國，但農田化肥的利用效率相對不高，一般氮的利用率在30%左右，磷的利用率在15%左右[1]。上海市青浦地區水稻每年施肥量高于全國平均水平，受區域內雨季集中降水對稻田的淋溶沖刷影響，大量氮、磷營養物質隨徑流進入附近水體，已經逐漸成為青西地區水體富營養化的重要因素之一。對于農田面源污染的防控，包括源頭控制、過程攔截和末端治理3個方面，具體包括節水減排、減量施肥、生態排水溝攔截、人工濕地凈化等。但對青浦地區而言，水量充沛的灌溉條件和追求高產的基本心理，使節水減排和減量施肥尚不能得到當地種植戶的普遍接受和采納，而生態排水溝和人工濕地的建設和養護又需要很大的成本，因此研究一種既能夠使種植戶少減產，又能成本較低，便于廣泛推廣應用的農田面源污染控制技術很有必要。

稻田梯級生態排水是基于河岸緩沖帶技術[2]的一種探索。主要設想為：對稻田進行梯級改造，分割出靠近排水溝的小塊稻田作為攔截區，隔絕其他稻田與排水溝的直接水力聯系。構建的攔截區低于其他稻田15 cm左右，以便排水時更好發揮攔蓄作用。攔截區內的水稻采用濕潤灌溉，且不施化肥。排水時，大田(高田)排水先進入攔截區的低田內，由攔截區內的水稻攔截吸收排水中的氮、磷元素，過量的排水再由攔截區進入排水溝。為了驗證稻田梯級生態排水技術的可行性，通過測桶試驗的手段，于2015年對稻田氮、磷梯級排水流失過程進行研究。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗區位于上海市青浦區水利技術推廣站香花試驗基地內，該地屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫16.1℃，多年平均降雨量1104 mm，雨日134 d，主要集中在6-10月。試驗土壤為青紫泥水稻土(屬重壤土)，測桶采用原狀土回填，理化性質本底值為：總氮(TN)1.59 mg/kg，總磷(TP)2.32 mg/kg，當地灌溉水質指標為：總氮(TN)2.5 mg/L，總磷(TP)1.4 mg/L；雨水水質指標為：總氮(TN)1.7 mg/L，總磷(TP)0.8 mg/L。

1.2 試驗設計

供試水稻品種為“花優14”。試驗共設計5個處理和1個對照，5個處理攔截區和大田面積比分別為1/10、1/8、1/6、1/5和1/4，對照處理不設攔截區。施肥水平按照青浦地區常規施N量300 kg/hm2，施P量60 kg/hm2設計，主要采用尿素和BB肥。

試驗裝置主體部分包括：代表大田(高田)的大測桶面積0.36 m2，代表攔截區(低田)的小測桶面積依次為0.036、0.045、0.06、0.72、0.09 m2，小測桶土體表層低于大測桶15 cm。大測桶溢流排水閥值設置為20 cm，小測桶溢流排水閥值設置為35 cm。大測桶按照當地常規淹水灌溉，即幼苗期田面保持10～20 mm水層厚度，分蘗后期落干烤田期間田面無水層，其他生育期保持20～60 mm水層，收割前20 d起不再灌水。小測桶按照濕潤灌溉，即幼苗、孕穗、抽穗期田面都保持10 mm水層，落干烤田期間田面無水層，其余生育期按照干濕交替進行灌水，以土壤飽和含水量作為灌水上限，以田間持水量作為灌水下限，充分利用大測桶排水減少灌溉水。對照處理大測桶面積為0.36 m2，不設小測桶，溢流閥值、灌溉和施肥方式與5個處理的大測桶保持一致。

1.3 測定項目與方法

(1)降雨。利用試驗站內的氣象場地面雨量資料。

(2)水質。分別測定不同處理下排水流失的總氮、總磷含量，采用堿式過硫酸鉀消解后測定。

(3)產量。分別測定不同處理下自然風干條件下水稻平均產量。

(4)試驗中的數據分析和圖表制作采用Excel 2010進行。

2 結果與分析

2.1 對TN攔截效果

試驗結果表明，降雨產生徑流對稻田氮、磷流失具有重要影響[3]。試驗過程中共產生6次徑流，根據每次徑流量和水樣中的TN濃度計算流失量，試驗結果見圖1。化肥的使用時機和降雨量是影響稻田TN流失的2個重要因素。5種處理均在6月12日第1次施肥，并灌水100 mm。 6月15日至6月17日 連續降雨，日降雨量分別為60.3、74.0和17.6 mm，監測5個處理在6月15日和16日連續2 d都發生徑流，其中6月15日徑流量均小于6月16日，徑流水中TN濃度均高于6月16日，TN流失量見表1。

圖1 不同攔截面積總氮排放量變化

表1 第1次施肥后降雨徑流TN流失量 kg/hm2

可以看出，5種處理和對照6月15日TN流失量小于6月16日，且攔截區能夠有效攔截TN的排放，隨著攔截區的增加，攔截效果在徑流量越大時相對越好。一般在施肥后第3 d，稻田水層內氮素濃度達到最大值，施肥后10 d左右降到正常水平[4]。

第2次施肥為7月16日，隨后未發生大規模降雨，直到8月20日發生連續降雨，8月24日降雨結束，期間日降雨量為1.6、19.7、30.0、54.5和108.8 mm，8月24日5種處理和對照均監測到大量徑流，徑流中TN含量小于6月15日和6月16日，見表2。

表2 第2次施肥后降雨徑流TN流失量 kg/hm2

可以看出攔截區對TN起到較好的攔截作用，攔截效果隨著攔截區面積的增加而增強。

從水稻全生育期來看，不同處理和對照的TN流失量見表3。

表3 不同面積攔截區水稻生育期TN流失量

5種處理中，1/4處理TN流失量最低，攔截率最高為58.9%。1/10處理TN流失量最高，攔截率最低為44.7%。可以看出設置攔截區能夠有效攔截水稻全生育期內的稻田排水TN的流失，且攔截效果隨攔截區面積的增大而增強。在攔截區面積比小于1/8時，TN的攔截效果隨攔截區面積的增加而快速增加，攔截區面積比大于1/8后，繼續增大攔截區面積，對TN的攔截效果提升相對較小。

2.2 對TP攔截效果

降雨徑流對稻田TP流失的影響與TN相似，化肥的使用時機和降雨量也是影響稻田TP流失的2個重要因素，見圖2。5種處理均在6月12日第1次施肥并灌水， 6月15日至6月17日連續降雨并產生徑流排水，其中TP濃度6月15日高于6月16日。TP流失量見表4。

圖2 不同攔截面積總磷排放量變化

kg/hm2

可以看出，5種處理和對照6月15日TN流失量小于6月16日，且攔截區能夠有效攔截TN的排放，但攔截區面積的大小與攔截效果未發現顯著相關性。

7月16日第2次施肥后，到8月20日至8月24日發生連續降雨，5種處理和對照均產生大量徑流，徑流中TP含量小于6月15日和6月16日。TP流失量見表5。

表5 第2次施肥后降雨徑流TN流失量 kg/hm2

可以看出降雨徑流中TP的濃度比TN低，攔截區對TP有攔截作用，但攔截效果與攔截面積的大小關系不大，TP流失隨著降雨徑流量的增大而增加。

從水稻全生育期來看，不同處理和對照的水稻生育期TP流失量見表6。

表6 不同面積攔截區水稻生育期TN流失量

5種處理稻田排水TP的攔截率平均為48%，且攔截區面積與對TP的攔截效果未發現顯著相關性。

2.3 攔截區內水稻產量變化

攔截區內水稻不施化肥，主要N、P營養元素來源是大田排水，產量比大田低。5種處理的攔截區和對照測桶內水稻產量見表7。

可以看出，隨著攔截區面積的增加，攔截區水稻的產量逐漸降低。1/10處理，攔截區水稻產量與對照相比減產24.2%；1/4處理，攔截區水稻產量與對照相比減產63.4%。此外，研究發現：一是攔截區內的水稻營養N、P主要來自于排水攔截，攔截區面積越大，單位面積上水稻攔截吸收的養分越小。二是經過對水稻穗粒進行結構分析，影響攔截區內水稻產量的因素是水稻穗粒數減小，水稻千粒重沒有明顯變化，水稻減產并未影響到水稻品質。

表7 不同面積攔截區水稻產量

攔截區大小對TN、TP的攔截效果和對攔截區內水稻產量的綜合影響見圖3。

圖3 不同攔截區大小對TN、TP攔截效果和攔截區水稻產量的綜合影響

可以看出，隨著攔截區面積的增大，TN的攔截率逐漸增加，在攔截區面積比小于1/8前直線上升，在攔截區面積大于1/8后逐漸趨于平緩；TP攔截率隨攔截區面積增加上下浮動，總體呈上升趨勢；攔截區內水稻產量隨著攔截區面積增大直線下降，且在攔截區面積大于1/8后下降幅度增加。綜合攔截效果和產量因素，攔截區面積取大田的1/10～1/8為宜，兼顧稻田生態排水技術的實際推廣應用等因素，可將攔截區面積取大田面積的1/10。

3 討 論

(1)試驗結果表明，利用小塊稻田作為攔截區進行大田降雨徑流排水中的N、P攔截的稻田梯級生態排水設計具有可行性。綜合考慮攔截效果、產量、推廣應用等多種因素，可將攔截區的面積大小取作大田面積的1/10，布置在大田和排水溝之間的位置，攔截區田塊高度低于大田15 cm，攔截區TN攔截率44.7%，TP攔截率50.4%，水稻減產率24.2%。

(2)本試驗中的大田和攔截區的水稻灌溉設計與傳統意義上串灌的出發點和形式都不同，但是不排除在大田推廣時，可能出現的水稻病蟲害傳播等不利影響，在推廣應用前還應開展更大尺度的大田試驗研究。

(3)本實驗中稻田排水中TP的濃度較小，檢測難度相對較高。不排除因試驗取樣和指標檢測過程中的誤差，影響關于攔截區面積和TP攔截效果的相關性分析，需要進一步深入研究。

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[1] 張 翼，岳玉波，趙 崢，等.不同施肥方式下稻田氮磷流失特征[J].上海交通大學學報(農業科學版)，2015,33(1)：1-7.

[2] 曾立雄，黃志霖，肖文發，等.河岸植被緩沖帶的功能及其設計與管理[J].林業科學，2010，46(2)：128-131.

[3] L B Owens， R W V Keuren ， W M Edwards. Non-nitrogen nutrient inputs and outputs for fertilized pastures in silt loam soils in four small Ohio watersheds[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2003，97(1-3)：117-130.

[4] 陳林興，胡志華，孫建國.稻田灌水量與化肥流失關系的研究[J].中國農村水利水電，2008，(3)：51-54.