丘陵地區水稻種植型農田尾水對地表水環境不利影響研究

楊圣廣

摘要? ? 為明確丘陵地區水稻種植型農田尾水對地表水環境的影響，選擇在安徽省肥西縣山南鎮地處江淮丘陵地區的水稻田開展試驗，對農田尾水及附近河道取樣分析，并驗證水質模型。結果表明，田間浸水CODCr值較高，對水質影響最大;NH3-N、TP數值不高，對水質影響較小。CODCr值與留茬高度、浸水時間成正相關，其對楊灣河地表水環境的影響極大。模型驗證情況表明，水質模型預測灌溉退水營養物質濃度可行，與試驗結果一致。本文結合水質污染情況，分析了其成因，并提出防治建議，以期為農業水資源的合理利用和農業面源污染的控制提供參考。

關鍵詞? ? 農田尾水;水稻田;地表水環境;污染;丘陵地區

中圖分類號? ? X52? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）14-0168-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

農業農村面源污染對地表水環境的影響是明顯的，尤其是農田尾水（秸稈浸水）富含高濃度有機物質，化學需氧量（COD）高達77 mg/L。農田尾水是農田中流出的地表徑流水，其來源包括降雨、灌溉、地下水等，含有鹽、農藥等。目前，全國大部分地區未有效處理農田尾水，其在未進行二次利用的情況下直接排放到地表水體，不僅導致地表水源污染嚴重，還因滲漏污染地下水，而且使農田中的無機鹽、氮等營養成分流失，同時造成水資源大量浪費。

肥西縣地處江淮丘陵地區，崗沖交錯，是國家種糧大縣，以水稻種植為主，2018年全縣水稻種植面積達5.67萬hm2，農田尾水總產生量大;肥西屬于長江巢湖水系，境內豐樂河是巢湖一條重要入湖清水河道，占總入湖水量的65%以上[1]，很大程度上影響巢湖水質。因此，研究該區域農田尾水對地表水環境的影響具有積極和重要的現實意義。

1? ? 研究方法

1.1? ? 試驗地概況

豐樂河是肥西縣和舒城縣的界河，左右岸二級支流共14條，試驗選擇了其左支楊灣河流域作為本項目考察試驗場所;楊灣河地處肥西縣山南鎮，其源頭是托山水庫，上游有3條小型支流匯集而成，全長31 km，流域面積97.9 km2，枯水期流量不足1.5 m3/s;山南鎮小井莊是中國農村包產到戶發源地，當地農民有悠久的農業種植歷史，稻—油—稻為主要種植模式，全鎮耕地面積5 030.8 hm2，以機耕機收為主要耕作方式[2]。

為取得代表性樣本，建立樣本區與監控水系間的關系，選擇了不同地理位置（村莊）的水稻種植田共4塊，分別位于張大郢、張小郢、王大郢、楊大郢4個自然村莊。

1.2? ? 取樣時間與方法

本文研究的農業區域肥西縣山南鎮地處江淮丘陵地區，以早、晚雙季水稻或稻—油—稻為主要種植模式。早稻一般于3月底至4月初播種，7月中下旬收獲;中稻一般于4月初至5月底播種，9月中下旬收獲;晚稻一般于6月中下旬播種，10月上中旬收獲[3]。本次試驗分別選擇晚稻收割后歇田2個月和4個月后取水樣檢測分析。根據當地農民水稻收割方式的不同，選擇了低稻茬、中、高稻茬和倒伏高稻茬4種收割模式田塊[4]。使用塑料樣品瓶直接灌取田間浸水（農田尾水）帶回實驗室，10 h內完成檢測分析。

1.3? ? 檢測內容與方法

針對田塊中水樣，主要檢測水質中的CODCr、NH3-N、TP、pH值等4項指標，均采用國家標準檢測分析方法和質量控制方法[5];另采集了2條匯流排水渠、入楊灣河處上下游各1 000 m河道斷面水樣，同步進行檢測分析。

1.4? ? 農田灌溉退水（尾水）水量—水質模型驗證

在農田灌溉過程中，水以雨水或者灌溉水的形式進入土壤表層，以地表徑流的形式流到河道或者其他水域，中間還有一部分下滲和蒸發損失，模型主要研究農田灌溉退水的營養物質濃度，地表水水量的變化是模型研究的核心。

1.4.1? ? 水量平衡模型[6]。公式如下：

ΔV/Δt=QI+PhS-ES-L-Q0（1）

式（1）中：ΔV—農田時段蓄水量增量（m3）;QI—時段平均灌溉流量（m3/s）;Q0—時段平均退水流量（m3/s）;Ph—時段降雨強度（mm/s）;E—時段蒸發強度（mm/s）;S—灌區灌溉面積（km2）;L—時段平均下滲量（m3/s）。其中：E=kp E0—時段水面蒸發強度（mm/s），kp—折算系數，與地表植被類型有關的常數。

1.4.2? ? 營養物質模型。公式如下：

ΔCpV/Δt=CIQI+F+RPPS-KlCPL+GP+C0Q0（2）

式（2）中：ΔCp—灌區營養物質濃度的增量（mg/L）;V—時段蓄水量（m3）;CI—灌區入流營養物質濃度（mg/L）;C0—灌區出流營養物質濃度（mg/L）;RP—降雨水質營養物質濃度（mg/L）;F—為使用化肥或肥料對營養物質濃度貢獻量;GP—單位面積作物生長吸收營養物質的總量（t/s）。其中：F=kcs，kc—化肥施用系數[t/（km2·s）];GP=Gf Per，Gf—時段糧食產量（t/s），Per—糧食中營養物質含量（%）。其他符號同水量平衡模型。

1.5? ? 數據來源和邊界條件的設定

本文選擇一個灌溉周期作為計算時段，農田蓄水量得凈增量取0，降雨采用豐樂河水文站實測資料，由式（1）推求灌溉退水流量如下：50%保證率下，枯水期為106.7 m3/s、平水期為88.1 m3/s、豐水期為69.3 m3/s;85%保證率下，枯水期為123.9 m3/s、平水期為106.9 m3/s、豐水期為62.1 m3/s;95%保證率下，枯水期為154.1 m3/s、平水期為143.6 m3/s、豐水期為83.7 m3/s。化肥中氮、磷的使用量根據投入系數kc和農田面積來計算。按肥西縣統計局提供的2017年統計年鑒估算農田化肥投入中總氮和總磷投入系數kc為TN=0.88、TP=0.32;氮、磷吸收量通過試驗區糧食產量和作物氮、磷含量來估算，山南鎮稻谷為主要作物，氮含量為0.63%，磷含量為0.11%[8]。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 農田尾水水質檢測情況

樣本田塊統計情況如表1所示。歇田2個月和4個月后取水樣檢測分析結果分別如表2、表3所示。可以看出，田間浸水呈弱酸性，符合水稻秸稈浸漚特性。田間浸水CODCr值較高，遠遠超過地表水Ⅲ類標準，為主要水質污染項目，浸水中NH3-N、TP數值不高，對水質影響較小。農田尾水（秸稈浸水）中CODCr值與收割方式（留茬高度）成正相關，即茬越高，CODCr數值越大。農田尾水（秸稈浸水）中CODCr值與收割后時間長短成正相關，浸水時間越長，CODCr數值越大。農田尾水（秸稈浸水）對楊灣河地表水環境的影響極大，為明顯的正輸入，因CODCr的貢獻，使楊灣河從上游的Ⅲ類水質至下游接受農田尾水（秸稈浸水）后變差到Ⅴ類水。

2.2? ? 模型推演情況

根據2019年1—4月楊灣河河道水質的監測資料，結合照枯水期情況對磷濃度按（2）式進行驗證：枯水期實測入流濃度為0.162、0.201，實測出流濃度為0.108、0.172;3種保證率情況，出流濃度分別為0.257、0.245、0.195，相對誤差絕對值<20%，基本達到模型精度要求，這說明采用農田灌溉退水水量水質平衡模型預測灌溉退水營養物質濃度是可行的，從模型上驗證了本文試驗結果。

3? ? 討論

分析農田尾水污染源成因：一是農村農民生活模式發生改變，近年來，政府大力推進農村聯片整治和美麗鄉村建設，農村農民由過去的單居平房轉變為樓房集中式居住，采用煤氣或電力作為主要生活燃料，農田秸稈不再被農民收割作為生活燃料;二是農業種植模式發生了改變，農民采用機械化作業，收割機只割稻頭，在農田把稻谷收上來，留茬高度超過50 cm，導致大量秸稈由旋耕機直接翻覆回田，秸稈量遠超過土地實際處理能力，尤其是在雙季稻田表現明顯，帶來極其不利影響，包括農田尾水、農田病蟲害防治等，這些存積在農田的秸稈經漚爛后其浸出液隨雨水或灌溉退水成為農田尾水，匯入河流形成農業面源污染，而且隨著這種耕作模式的延續，污染負荷將逐步加大，且呈周期性變化;三是政府實施秸稈焚燒進一步加劇了作物秸稈被棄之田間地頭，甚至直接推入溝渠、塘壩，造成水體污染。

根據試驗結果，綜合水質污染成因，提出以下秸稈型農田尾水防治建議：一是加大秸稈綜合利用能力建設，減少秸稈返田數量至合理的平衡點，從源頭上減少高濃度農田尾水的產生;二是調整農業產業結構，實施旱作水作輪休輪耕，提高土壤容量和緩沖能力;三是水稻田尾水水質碳氮比嚴重失調，呈現明顯酸性，不合適微生物降解，不宜采用工程方法去除其化學需氧量，應充分發揮溝塘壩渠的攔截、沉淀、過濾作用[7]，降低入河量;四是探索利用生態水渠，種植常綠水生植物，選擇吸收COD優勢品種，在農田尾水匯流和集聚過程中，階層化降低COD濃度，提高水體自凈能力;五是發展精細灌溉體系，控制入田徑流量，通過對水源、輸送、分配、灌溉、耗散各環節的合理、精準控制，利用計算機模擬、反饋，實現整個灌溉的自動化控制，最大限度地減少過剩水的輸入，可以提高水資源的利用效率，防止在田間產生過量尾水，灌溉效率可達到85%以上[8]。

4? ? 參考文獻

[1] 殷福才，張之源.巢湖富營養化研究進展[J].湖泊科學，2003（4）：37-39.

[2] 何穎，張斌.小井莊改革先行者發展領頭雁[J].鄉村經濟，2007（6）：51-52.

[3] 張鈺馳.優質水稻栽培技術及病蟲害防治措施[J].農村實用科技信息，2011（8）：53-54.

[4] 羅德強.水稻栽培生理研究[J].貴州農業科學，2019（1）：37.

[5] 文澤東.質量控制在水質分析化驗中的應用分析[J].中國石油和化工標準與質量，2018（8）：61-62.

[6] 劉洪飛，王偉，魏歡.農田灌溉退水水量及水質平衡模型分析[J].河南水利與南水北調，2015（5）：44-45.

[7] 李云龍.農田尾水生態攔截與修復的工程技術[J].中國科技信息，2014（19/20）：84-85.

[8] 張萬順，喬飛，彭虹，等.灌溉退水對河流水質影響研究[C]//中國水利學會2005學術年會論文集—水環境保護及生態修復的研究與實踐.南昌：中國水利學會2005學術年會，2005.