芳溪湖流域稻田排水氮磷濃度時空變化特征研究

姜佩華，池澤涌，熊玉江，徐保坤，袁念念

（1.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 武漢 430100；2.長江水利委員會長江科學(xué)院農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 430010）

0 引 言

氮磷是作物生長和產(chǎn)量形成的重要營養(yǎng)元素，同時也是河湖水體富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化的主要誘因[1]。水稻是我國南方地區(qū)最主要的糧食作物，稻田排水是氮磷流失的主要驅(qū)動力和重要載體[2,3]。由于平原地區(qū)水網(wǎng)密布，水系復(fù)雜，河流坡降較緩、流速較小[4]，氮磷隨農(nóng)田排水在流域內(nèi)遷移轉(zhuǎn)化過程極其復(fù)雜，因此對于氮磷遷移轉(zhuǎn)化過程的研究首先要弄清氮磷濃度在流域內(nèi)的時空變化特征，這也是研究農(nóng)業(yè)面源污染防控對策的重要基礎(chǔ)。目前學(xué)者針對流域內(nèi)農(nóng)田排水氮磷污染時空變化特征的研究方法主要為現(xiàn)場原位試驗監(jiān)測[5]及模型模擬分析[6,7]?，F(xiàn)場原位試驗監(jiān)測主要集中于田間尺度，模型模擬分析主要關(guān)注流域整體。然而，由于氮磷污染具有很強(qiáng)的時空變異性且遷移過程復(fù)雜，若將田間尺度氮磷的變化特征應(yīng)用于流域尺度將會造成流域不同層級尺度單元間的認(rèn)知缺失[8]，且無法準(zhǔn)確揭示農(nóng)田氮磷在不同尺度的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制[9]。因此，本文以芳溪湖流域為平原圩區(qū)研究代表，于2021年和2022年稻季（每年5-0月）開展稻田排水氮磷沿“田間-灌排單元-流域”遷移的時空變化特征試驗研究，以期揭示芳溪湖流域稻田排水氮磷的濃度時空變化特征，為研究區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

芳溪湖流域位于江西省南昌縣，涉及幽藍(lán)鎮(zhèn)、武陽鎮(zhèn)和塔城鄉(xiāng)三鎮(zhèn)（鄉(xiāng)），流域面積約33.2 km2，79.3%的耕地面積種植水稻，水稻以雙季稻為主，同時種植有油菜、蓮藕等經(jīng)濟(jì)作物。流域處于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫21.7 ℃，年平均日照1 216.94 h，平均蒸發(fā)量945.21 mm，年平均降水量1 316.03 mm。流域主要灌溉水源為贛撫平原灌區(qū)二干渠與二干三分渠（見圖1），區(qū)域內(nèi)排水水系清晰，降雨徑流和農(nóng)田排水經(jīng)內(nèi)河匯至芳溪湖后由芳溪湖排水閘排至下游。

圖1 芳溪湖試驗區(qū)域概況Fig.1 Overview of the Lake of Fang-xi pilot area

1.2 試驗監(jiān)測布局

基于河網(wǎng)水系分析，在芳溪湖流域內(nèi)選擇了封閉性較好、具有水力聯(lián)系且逐級嵌套的“田間-斗溝-干溝-流域”4 個尺度開展稻田排水氮磷濃度監(jiān)測試驗。

（1）田間尺度：田間尺度以3 塊試驗田（合計0.44 hm2）作為典型田塊和田間尺度采樣點。田塊的日常水管理和農(nóng)業(yè)耕作措施以農(nóng)民的習(xí)慣為準(zhǔn)。

（2）斗溝尺度：斗溝尺度主要通過2條灌排兩用的農(nóng)渠灌溉，1條農(nóng)溝排水，在尺度內(nèi)布設(shè)了1個取樣點（P08）和1處自動式雨量筒雨量記錄儀（RG3-M, America）獲取試驗期內(nèi)降雨數(shù)據(jù)。

（3）干溝尺度：在芳溪湖流域上游農(nóng)業(yè)種植密集地區(qū)，選擇一封閉區(qū)域作為干溝尺度研究區(qū)，于尺度內(nèi)布設(shè)了1個取樣點（P02）。

（4）流域尺度：以贛撫平原灌區(qū)二干渠及二干三分渠作為流域邊界形成的封閉區(qū)域作為流域尺度研究區(qū)，區(qū)域農(nóng)田排水通過干溝進(jìn)入芳溪湖，在流域尺度內(nèi)布設(shè)了8 個取樣點（P01-P08）。

1.3 樣品采集與分析

田間尺度排水樣品采用田面水，斗溝尺度、干溝尺度和流域尺度排水從排水溝中采取，樣品通過地表水取樣器每次裝取100 mL 于PE 樣品瓶中，每個采樣點采集3 次混合為1 個樣品，于4 ℃下避光冷藏保存，并在24 h內(nèi)完成測試。在水稻生育期內(nèi)水質(zhì)常規(guī)取樣為每10 d 采取一次；若遇施肥、降雨及灌溉則隔日取樣，持續(xù)7 d。尺度水樣采集詳細(xì)情況統(tǒng)計見表1。

表1 不同尺度試驗區(qū)控制面積及排水水樣采樣情況Tab.1 Area and water sample collection conditions of different scales

水樣測試指標(biāo)包括總氮、氨氮、硝氮和總磷濃度，分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）、 納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）、紫外分光光度法（HJ/T 346-2007）和鉬酸銨分光光度法（GB 11893-1989）測定。

研究區(qū)2021年-2022年施肥情況如表2所示。

表2 研究區(qū)施肥情況Tab.2 Fertilizer application in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田排水氮磷濃度頻率分布特征

由表3可知，研究區(qū)稻季不同尺度排水平均總氮、氨氮及總磷濃度總體的變化趨勢較為一致，均呈現(xiàn)先下降后上升隨后下降的趨勢，硝氮濃度的變化趨勢為先上升后下降。各氮磷濃度均在干溝尺度最高。從形態(tài)上看，田間尺度、干溝尺度和流域尺度排水中氨氮占總氮的比例都高于50%，表明研究區(qū)排水氮素遷移的主要形態(tài)為氨氮。從氮磷濃度變幅看，田間尺度的氮磷濃度變化比其他尺度劇烈。

表3 研究區(qū)稻季氮磷濃度全年平均值及變化范圍mg/LTab.3 Annual mean and range of variation of nitrogen and phosphorus index concentrations in the rice season in the study area

從圖2的氮磷濃度分布頻率看，兩年排水總氮濃度主要分布在0～2.5 mg/L 之間，累積頻率達(dá)49.74%；硝氮濃度主要分布在0～0.5 mg/L 之間，累積頻率達(dá)60.03%；氨氮濃度主要分布在0～2.5 mg/L 之間，累積頻率達(dá)67.14%；總磷頻率分布主要在0～0.25 mg/L之間，累積頻率達(dá)58.38%。

圖2 研究區(qū)氮磷濃度頻率分布直方圖Fig.2 Histogram of frequency distribution of each nitrogen and phosphorus concentration

研究區(qū)兩年的排水氮磷濃度雖然在數(shù)值上主要集中在低濃度區(qū)間，氮磷流失風(fēng)險相對較小，但流域少量的高濃度值說明仍需要加強(qiáng)排水管理，才能降低氮磷流失風(fēng)險，減少農(nóng)業(yè)面源污染排放。

2.2 農(nóng)田排水氮磷時間分布特征

圖3為研究區(qū)農(nóng)田排水氮磷濃度的月變化，從濃度整體變化趨勢看，2021年研究區(qū)排水中總氮、氨氮及總磷的濃度變化趨勢均為先上升后下降隨后再上升，2022年研究區(qū)排水總氮、氨氮濃度變化趨勢與2021年變化趨勢相反，但兩年稻季內(nèi)總氮與氨氮的增降變化同步，表明研究區(qū)氨氮是農(nóng)田排水氮素流失的主要形態(tài)。硝氮濃度變化趨勢一致，表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢，并在8月達(dá)到最低濃度。

圖3 研究區(qū)氮磷濃度月變化Fig.3 Monthly variation of nitrogen and phosphorus concentration in the study area

從濃度峰值看，2021年研究區(qū)排水氮素濃度在6-8月份達(dá)到峰值。田間尺度排水總氮和氨氮濃度在8月出現(xiàn)峰值，峰值濃度分別為9.56 mg/L 和 8.65 mg/L；斗溝及干溝尺度排水總氮和氨氮濃度在6月出現(xiàn)峰值，斗溝尺度總氮和氨氮濃度峰值濃度分別為2.24 mg/L 和0.69 mg/L，干溝尺度總氮和氨氮峰值濃度分別為12.31 mg/L 和10.92 mg/L；流域尺度排水總氮及氨氮濃度則在7月出現(xiàn)峰值，峰值濃度分別為5.94 mg/L 和 4.83 mg/L。在2022年，各尺度氮素濃度均在5月達(dá)到峰值。

稻季研究區(qū)排水中氨氮/硝氮比例隨時間整體表現(xiàn)出先升高后降低的變化特征，各尺度最大比例時間集中于7-8月份。

2.3 稻田排水氮磷空間分布特征

由圖4可以看出，兩年排水總氮、氨氮以及總磷濃度隨尺度的變化趨勢基本一致，農(nóng)田排水氮磷濃度中位數(shù)均隨著尺度增大表現(xiàn)出先降低后增加再降低的趨勢，且最高濃度均在干溝尺度達(dá)到，并在流域尺度下降；從最大值看，2021年干溝尺度氮磷濃度最大，2022年總氮、氨氮濃度最高值出現(xiàn)在田間尺度，總磷濃度最高值出現(xiàn)在干溝尺度。

圖4 研究區(qū)氮磷濃度尺度變化箱線圖Fig.4 Box line diagram of the scale variation of nitrogen and phosphorus concentration in the study area

2021年稻田排水中氨氮/硝氮的比例在田間和干溝尺度較大，而在斗溝和流域尺度較小。其變化趨勢與總氮和氨氮濃度基本一致，表明排水氨氮/硝氮比例從小尺度到大尺度的變化主要由氨氮濃度影響。但在2022年斗溝尺度氨氮/硝氮的比例最大，說明斗溝尺度排水的氨氮濃度相較于2021年有了較大提高，結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)，斗溝尺度的氨氮濃度在2022年8月有大幅提升，導(dǎo)致這一變化的主要原因是研究區(qū)田間在晚稻施蘗肥后排水。

3 討 論

3.1 施肥過程氮磷濃度時空變化特征

施肥活動對排水氮素具有直接的影響，施用肥料的數(shù)量和類型直接決定了排水中氮素的濃度和形態(tài)[10,11]。芳溪湖流域2022年8月25日施肥后（圖5），研究區(qū)氮素濃度快速增加，總氮、氨氮在第6 天（8月31日）達(dá)到峰值，硝氮濃度于第9天（9月3日）達(dá)到峰值，隨后下降，總氮、氨氮在施肥后第16 天（9月10日）達(dá)到施肥前濃度水平?？偭诐舛仍谑┓屎蟮? 天（8月31日）達(dá)到峰值，在施肥后第10 天（9月4日）達(dá)到施肥前濃度水平。因此，在施肥后16 d 內(nèi)是控制氮磷流失的關(guān)鍵時期，最好避免田間灌水及排水，做好田間水層管理，以防止氮磷隨水流失。

圖5 研究區(qū)施肥過程氮磷濃度變化趨勢Fig.5 Trends in nitrogen and phosphorus concentrations during fertilizer applications in the study area

在空間尺度上，田間尺度和干溝尺度的總氮與氨氮濃度在施肥后快速上升，施肥對田間及干溝尺度影響較大，應(yīng)在這兩個尺度加強(qiáng)排水管理。相比之下，田間尺度、干溝尺度及流域尺度的硝氮濃度變化較小且在時間上存在延遲 ，主要是因為研究區(qū)化肥施用主要以氨肥為主，硝氮濃度的上升主要來源于氨氮的部分轉(zhuǎn)化，氨氮是排水中氮素的主要存在和流失形態(tài)，因此在施肥后的排水管理中需要特別注意控制氨氮的流失。

3.2 降雨過程對田間氮磷濃度變化的影響

降雨會擾動農(nóng)田土壤導(dǎo)致土壤中氮磷釋放至田面水[12]。在芳溪湖流域2021年7月18-25日（短暫型降雨）和2022年6月3-10日（持續(xù)型降雨）的降雨事件中（圖6），降雨過程氮磷濃度整體呈現(xiàn)早期濃度較高，后期快速降低的趨勢，短暫型降雨初期總氮濃度最高為7.87 mg/L，2 d 后濃度降至3.82 mg/L，濃度下降幅度達(dá)到41.75%；持續(xù)性降雨期間濃度變化過程比較平緩，初次降雨至終次降雨濃度總氮濃度下降0.11 mg/L，在降雨停止2日后開始快速衰減。水稻具有一定的耐淹能力，建議稻田澇水在降雨結(jié)束后2～4 d 內(nèi)排出，一方面可緩解下游防洪壓力，另一方面可以有效控制農(nóng)田氮磷流失風(fēng)險。

圖6 田間降雨過程氮磷濃度變化趨勢Fig.6 Trends in nitrogen and phosphorus concentrations during rainfall events in the study area

4 結(jié) 論

本文以芳溪湖流域為平原圩區(qū)典型代表，開展不同尺度農(nóng)田排水氮磷濃度監(jiān)測試驗，探究稻田排水氮磷濃度的時空變化特征。主要結(jié)論如下。

（1）芳溪湖流域稻季農(nóng)田排水總氮、氨氮的平均濃度最大值出現(xiàn)于5月和7月，總磷濃度最大值出現(xiàn)于8月，三者的總體變化趨勢皆為先上升后下降再上升，氨氮是芳溪湖流域農(nóng)田排水氮素流失的主要形態(tài)；流域稻季農(nóng)田排水中氨氮/硝氮比例隨時間總體呈現(xiàn)升高后降低的特征，最大比例集中在7-8月份。

（2）芳溪湖流域稻季農(nóng)田排水總氮、氨氮和總磷濃度隨尺度變化總體表現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢，在中位值大小上，干溝尺度＞田間尺度＞流域尺度＞斗溝尺度，干溝尺度氮磷濃度相較于其他尺度均保持較高水平。流域稻季農(nóng)田排水中氨氮/硝氮比例從小尺度到大尺度的變化主要受氨氮濃度影響。

（3）施肥事件會導(dǎo)致芳溪湖流域稻季農(nóng)田排水氮磷濃度顯著升高，為減少氮磷流失風(fēng)險，需要對施肥或降雨后的排水進(jìn)行合理規(guī)劃。施肥后，氮磷濃度在初期就開始急速上升，而下降至施肥前濃度水平需要16 d，因此建議在施肥16 d后進(jìn)行排水；降雨初期田間氮磷濃度處于最高值，此時應(yīng)避免排水，降雨后期氮磷濃度呈下降趨勢，建議稻田澇水在2～4 d 內(nèi)排出。

本次研究觀測了芳溪湖流域稻田排水氮磷時空變化的特征，并據(jù)此討論了施肥和降雨事件下流域氮磷濃度的時空變化。流域及灌區(qū)內(nèi)稻田排水氮磷經(jīng)歷的過程是極為復(fù)雜的，在后續(xù)研究中可針對該流域的水質(zhì)變化與污染負(fù)荷耦合開展專門的研究，以獲取更直接的、強(qiáng)有力的證據(jù)支持。