稻田排水及農(nóng)藥雙脈沖輸出特征及對(duì)策

陳 誠(chéng)， 馬 勇， 羅 紈*， 張志秀， 鄒家榮

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.揚(yáng)州市江都區(qū)農(nóng)田水利科學(xué)研究站， 江蘇 揚(yáng)州 225261)

水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一，其穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)是糧食安全的重要保證。而病蟲(chóng)害是影響水稻產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，近年來(lái)在全球氣候變化的影響下，氣溫升高和極端天氣的增加導(dǎo)致了蟲(chóng)害發(fā)生時(shí)間提早、持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，危害性加重的趨勢(shì)[1]。目前，抵御害蟲(chóng)的主要方法一般是在爆發(fā)區(qū)內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行防治，包括同步進(jìn)行的集中灌溉和農(nóng)藥噴灑[2]。其中，集中灌溉是指在治蟲(chóng)時(shí)段內(nèi)通過(guò)灌溉在田面形成3～5 cm的水層并維持4～5 d，以防止害蟲(chóng)逃逸，提高治蟲(chóng)效果。由于灌溉時(shí)間集中，且與稻田水中農(nóng)藥濃度較高時(shí)期重疊，稻田在短時(shí)間內(nèi)可形成濃度相對(duì)較高的排水脈沖過(guò)程[3]。如此大量的排水與農(nóng)藥輸出過(guò)程可能對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境造成重大危害。現(xiàn)有研究表明，受到農(nóng)藥特性的影響，脈沖過(guò)程差別很大。在較早研究中，樊德方等[4]發(fā)現(xiàn)排水溝塘中出現(xiàn)六六六峰值濃度的時(shí)間短暫，一般不會(huì)超過(guò)2～7 d；張曉群等[5]發(fā)現(xiàn)殺滅菊酯在稻田排水中的濃度高峰一般在1～2 d左右。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于農(nóng)藥脈沖輸出形式有了更深的了解。Sangchan等[6]采用1 h的采樣間隔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)積水狀態(tài)最容易導(dǎo)致農(nóng)藥在較短時(shí)間內(nèi)集中流失。Rothstei等[7]研究發(fā)現(xiàn)，施用農(nóng)藥阿特拉金后，排水中農(nóng)藥的濃度與排水流量同步增加；一次農(nóng)藥集中輸出事件中，農(nóng)藥濃度在3 d內(nèi)降低了近100倍。Phong等[8]也觀察到農(nóng)藥濃度在4 d內(nèi)下降了10倍。Wieczorek等[3]發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)農(nóng)藥輸出發(fā)生在施藥后的6 h這一很短的時(shí)段內(nèi)。

近年來(lái)，關(guān)于農(nóng)藥面源污染高頻監(jiān)測(cè)的研究在國(guó)外逐漸興起，成為研究熱點(diǎn)，但多關(guān)注流域性水體中的農(nóng)藥污染[9-10]，田間尺度研究相對(duì)較少；國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，更鮮見(jiàn)關(guān)于稻田治蟲(chóng)灌溉殺蟲(chóng)劑的脈沖式輸出特征研究。毒死蜱(chlorpyrifos)是一種廣譜性有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑，為水稻最常用的殺蟲(chóng)劑之一。目前有關(guān)毒死蜱在農(nóng)田土壤中的歸趨和降解的研究較多[11-13]，而關(guān)于其與農(nóng)田排水的關(guān)系研究較少。本文以毒死蜱為例，通過(guò)大田監(jiān)測(cè)試驗(yàn)確定治蟲(chóng)灌溉后的農(nóng)田排水和農(nóng)藥輸出脈沖過(guò)程，以期為農(nóng)藥面源污染的控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

研究區(qū)為揚(yáng)州市江都區(qū)農(nóng)田水利科學(xué)研究站的試驗(yàn)田，采用稻麥輪作制，試驗(yàn)田如圖1所示，總面積為1 ha (100 m×100 m)，分為12個(gè)小田塊，南北分別6個(gè)田塊，除去田埂部分，南邊田塊的長(zhǎng)均為46.3 m，各田塊的寬共94.6 m；北邊田塊長(zhǎng)為47.3 m，寬合計(jì)94.8 m，實(shí)際種植面積總計(jì)8 864 m2。12個(gè)田塊在南北兩側(cè)與排水農(nóng)溝毗鄰處設(shè)有小的排水出口，可人工手動(dòng)控制其開(kāi)閉，西側(cè)農(nóng)溝不設(shè)排水出口。治蟲(chóng)灌溉期間，一般提前將出口關(guān)閉以滿(mǎn)足泡田治蟲(chóng)需要。若遇強(qiáng)降雨天氣致田間發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，則適時(shí)打開(kāi)出口，將田面水排入臨近的排水農(nóng)溝中。農(nóng)溝采用目前江蘇地區(qū)正在推廣使用的無(wú)砂混凝土作為材質(zhì)，透水性好。由于泡田期稻田的田間水位高于農(nóng)溝水位，且農(nóng)溝具有一定的透水性，故部分稻田水可通過(guò)淺層地下排水進(jìn)入農(nóng)溝。同時(shí)，在施藥期間及施藥后的一定時(shí)期內(nèi)，空氣中的農(nóng)藥物質(zhì)在風(fēng)力飄移和大氣沉降作用下直接進(jìn)入農(nóng)溝的這一運(yùn)移路徑亦不容忽視。2018年和2019年種植的水稻品種分別為南粳505和南粳3908，2個(gè)稻作期的重要農(nóng)事活動(dòng)具體見(jiàn)表1。

圖1 治蟲(chóng)灌溉期間殺蟲(chóng)劑水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)

試驗(yàn)區(qū)于2018—2019年共計(jì)進(jìn)行了4次治蟲(chóng)灌溉。農(nóng)藥于施藥當(dāng)天現(xiàn)配現(xiàn)用，藥液灌入農(nóng)藥噴霧器中待施。對(duì)2018年和2019年第1次治蟲(chóng)灌溉期間稻田田面水、地下水和農(nóng)溝水3類(lèi)水體中的毒死蜱濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，2次施用量均為1 200 g/hm2，有效成分含量均為40%，劑型為乳油。施藥結(jié)束后以最短0.5 h間隔在稻田田面水、地下水(2018年取水井深90 cm，2019年取水井深120 cm)和農(nóng)溝水中取水樣，立刻放置到冰箱中以-18 ℃進(jìn)行保存，并于3 d內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。在稻田農(nóng)溝末端設(shè)置三角堰，2018年和2019年控制排水深度分別為17.2 cm和24.3 cm。農(nóng)溝發(fā)生出流期間直接取三角堰后的出流水樣；未發(fā)生出流期間，則在三角堰前的農(nóng)溝末端取表面水。在農(nóng)溝末端放置水位計(jì)(HOBO，U20-001-04 Onset)測(cè)試農(nóng)溝水位，并根據(jù)三角堰堰流公式計(jì)算農(nóng)溝排水流量，進(jìn)而結(jié)合毒死蜱濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算稻田農(nóng)溝排水中的毒死蜱輸出負(fù)荷和負(fù)荷強(qiáng)度。在稻田西側(cè)不到100 m處安置自動(dòng)氣象站(高度約為3 m)，對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、氣溫、氣壓、濕度、太陽(yáng)輻射等多個(gè)氣象要素以15 min間隔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用于分析氣象條件對(duì)殺蟲(chóng)劑田間環(huán)境行為的影響，對(duì)研究區(qū)取樣點(diǎn)示意圖，見(jiàn)圖1(數(shù)字1、2分別代表2018年、2019年采用的取樣點(diǎn))。毒死蜱分析方法可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 治蟲(chóng)灌溉后排水特征及地表排水的影響

圖2顯示了2018—2019年生長(zhǎng)期內(nèi)近200 d的排水情況。排水過(guò)程，尤其是高流量過(guò)程具有鮮明的低頻次脈沖特征，其中排水流量達(dá)到5 L/s僅有13次，且每次持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)1 h。同時(shí)需要特別指出的是，如果按照當(dāng)?shù)?0～80 cm的明溝排水計(jì)算，在積水狀態(tài)，農(nóng)溝排水量不高于1 L/s[15]，那么可以推出上述排水脈沖主要是地表排水造成的。

表1 研究區(qū)2018—2019年水稻種植期重要農(nóng)事活動(dòng)

圖2 2018—2019年稻作期農(nóng)溝排水過(guò)程

參照表1的施藥時(shí)間可以看出，2018年和2019年大的排水脈沖均沒(méi)有發(fā)生在治蟲(chóng)期間。其中2019年治蟲(chóng)期間幾乎沒(méi)有發(fā)生排水。2018年降雨高達(dá)1 156 mm，兩次治蟲(chóng)期間都發(fā)生了排水。兩次排水的排水量差別很大，分別為15.8 m3和2.1 m3，分別占年總排水量的0.49%和0.06%。7月22日之前，農(nóng)溝水位較為穩(wěn)定，且一直有出流。7月23日早首次出現(xiàn)三角堰斷流的情況，在此之后農(nóng)溝水位變化迅速且變幅明顯增大。說(shuō)明7月22日之前，田間灌溉較為頻繁，但灌溉量相對(duì)恒定。在7月22日之后，由于水稻進(jìn)入拔節(jié)孕穗期，同時(shí)也是水稻治蟲(chóng)期的開(kāi)始。出于其生長(zhǎng)的需要，開(kāi)始采用大灌大排的灌排方式，使得農(nóng)溝水位起伏一直較大，呈現(xiàn)出脈沖式的農(nóng)田排水輸出方式。7月23日之后，不論長(zhǎng)短共計(jì)出現(xiàn)20次出流，最長(zhǎng)的1次持續(xù)了2 d以上，最短的1次僅持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。其中，8月11日治蟲(chóng)灌溉出流持續(xù)了近6.8 h，而9月2日治蟲(chóng)灌溉出流則僅持續(xù)2.5 h。綜上，稻田治蟲(chóng)期的排水脈沖特征可以概括為：歷時(shí)短(一般<1 d)、流量大(1～4 L/s)、發(fā)生頻(40幾天發(fā)生20次)、間隔長(zhǎng)(最長(zhǎng)可達(dá)5 d)。上述脈沖式排水特征將對(duì)治蟲(chóng)灌溉期間的殺蟲(chóng)劑田間輸出特征造成很大的影響。2019年降水量?jī)H為662 mm，大約是平均年份的60%；治蟲(chóng)灌溉沒(méi)有產(chǎn)生可記錄的排水，其中的一個(gè)重要因素是溝道采用了控制排水措施，在田間排水量較小的情況下，排水滯留在排水溝中，沒(méi)有形成有效排水。

2.2 治蟲(chóng)灌溉后稻田水體中農(nóng)藥濃度變化

圖3顯示了2次農(nóng)藥監(jiān)測(cè)結(jié)果。以農(nóng)溝末端毒死蜱監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，治蟲(chóng)灌溉之后，毒死蜱表現(xiàn)出類(lèi)似的脈沖式輸出特征，毒死蜱質(zhì)量濃度上升期僅持續(xù)了0.5～2 h，于施藥后1～2 h出峰(最大峰值濃度329 μg/L)，其上升速率達(dá)30.3～133.9 μg/(L·h)，2018年毒死蜱在高濃度水平維持了3 h后(此時(shí)農(nóng)溝出流剛剛結(jié)束)，濃度開(kāi)始迅速下降，而2019年毒死蜱質(zhì)量濃度則在出峰后立刻下降，下降速率達(dá)21.8～78.3 μg/(L·h)，較上升速率相對(duì)更慢。之后毒死蜱質(zhì)量濃度出現(xiàn)一定的波動(dòng)，以2019年更為明顯，甚至于施藥后5、7 h出現(xiàn)了2個(gè)小的峰值(約為主峰濃度的50%不到)。至施藥后24 h，毒死蜱質(zhì)量濃度均下降至與施藥剛剛結(jié)束時(shí)相當(dāng)?shù)乃?，表明施藥? d內(nèi)是毒死蜱脈沖式輸出的主要階段，期間其流失風(fēng)險(xiǎn)最大。劉慧云等[16]測(cè)得稻田施藥1 d后田面水中的毒死蜱質(zhì)量濃度約為8.4 μg/L，該濃度值介于本文2次施藥后1 d的田面水毒死蜱質(zhì)量濃度之間。本文2次高頻監(jiān)測(cè)測(cè)得的田面水毒死蜱峰值濃度分別為施藥后1 d毒死蜱濃度的4.2倍和10.5倍，表明施藥后1 d田面水的毒死蜱濃度可能會(huì)低于實(shí)際的峰值濃度，毒死蜱施用后1 d內(nèi)進(jìn)行高頻監(jiān)測(cè)是有必要的。

圖3 2018—2019年治蟲(chóng)灌溉后稻田水體中毒死蜱質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

治蟲(chóng)灌溉過(guò)程中，稻田水體中毒死蜱質(zhì)量濃度從高到低的地方分別為農(nóng)溝末端、農(nóng)溝中游、田面水和地下水。由于毒死蜱具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，在風(fēng)力漂移和大氣沉降作用下，毒死蜱在施用后短期內(nèi)會(huì)從田面上方的空氣中直接進(jìn)入農(nóng)溝水體，造成了農(nóng)溝水體中毒死蜱質(zhì)量濃度沿程增加的現(xiàn)象；同時(shí)，相比于稻田田面水，農(nóng)溝水的水體體積相對(duì)要小得多，在毒死蜱沉降量一定的情況下，農(nóng)溝水中毒死蜱濃度容易變得更高，這使得農(nóng)溝水濃度大于田面水成為了可能。2018年施藥后12 h內(nèi)農(nóng)溝末端和田面水的毒死蜱平均質(zhì)量濃度分別為197.1 μg/L和27 μg/L，前者是后者的7.3倍；而2019年施藥后12 h內(nèi)農(nóng)溝末端和田面水的平均質(zhì)量濃度分別為4.90 μg/L和3.57 μg/L，前者僅為后者的1.4倍。根據(jù)氣象觀測(cè)結(jié)果，2018年監(jiān)測(cè)期間風(fēng)向以東北風(fēng)和東風(fēng)為主，風(fēng)主要由稻田向農(nóng)溝吹；而2019年監(jiān)測(cè)期間風(fēng)向以西南風(fēng)和西風(fēng)為主，風(fēng)主要由農(nóng)溝向稻田吹。上述氣象條件的差別導(dǎo)致2018年毒死蜱的飄移沉降量相對(duì)更大，因而2018年農(nóng)溝末端毒死蜱的濃度比田面水要高得多。治蟲(chóng)灌溉后地下水的毒死蜱濃度一直很低，這是由于土壤對(duì)毒死蜱的吸附性較強(qiáng)，使得毒死蜱在土壤中的遷移能力較低[8]。

因此，毒死蜱于施藥后1～2 h內(nèi)出現(xiàn)峰值(329 μg/L)，但持續(xù)時(shí)間不超過(guò)3 h。建議在施藥后1 d內(nèi)采取控制排水措施防止其輸出造成面源污染。治蟲(chóng)灌溉后，各類(lèi)稻田水體中毒死蜱質(zhì)量濃度從高到低分別為農(nóng)溝末端、農(nóng)溝中游、田面水和地下水，受風(fēng)向影響的漂移和沉降作用對(duì)農(nóng)溝中毒死蜱面源污染的發(fā)生影響較大，這為治蟲(chóng)灌溉導(dǎo)致的殺蟲(chóng)劑面源污染的發(fā)生帶來(lái)了較大的不確定性因素，今后應(yīng)考慮風(fēng)向?qū)χ蜗x(chóng)措施的不利影響。

3 結(jié) 論

農(nóng)田排水與農(nóng)藥輸出都具有鮮明的脈沖特征，而高濃度持續(xù)時(shí)間很短，高流量脈沖過(guò)程很少，且兩者同時(shí)發(fā)生的概率很小。田間的干濕狀況對(duì)于治蟲(chóng)期間排水發(fā)生有著顯著的影響，干旱年份的溝塘和土壤都有著一定的儲(chǔ)水能力，可以有效減少或是避免排水的發(fā)生。而濕潤(rùn)年份無(wú)論是從降雨發(fā)生還是田間情況都可能會(huì)發(fā)生較大的排水。這對(duì)農(nóng)藥控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)和機(jī)遇，挑戰(zhàn)在于這些過(guò)程濃度較大，會(huì)對(duì)接納水系統(tǒng)帶來(lái)一定的威脅，同時(shí)持續(xù)時(shí)間較短的特征也為應(yīng)對(duì)這些脈沖過(guò)程帶來(lái)機(jī)會(huì)?？紤]風(fēng)力作用對(duì)溝道水的影響，在平原河網(wǎng)地區(qū)利用溝塘系統(tǒng)、結(jié)合控制排水措施可以有效滯留、稀釋和降解濃度較高的農(nóng)藥。此外，目前的排水脈沖主要是由于地表排水造成的，應(yīng)該加強(qiáng)田間管理，避免田間跑冒，形成較大的排水脈沖，造成農(nóng)藥流失。