生态沟渠中水稻生长特性及对农田排水中氮去除效应研究

晏娟等

摘要[目的]了解生态沟渠中水稻生长特性及对农田排水中氮的去除效应。[方法]对稻田和生态沟渠各段水稻干物质量、生育特性、氮素吸收及水体总氮动态变化进行比较研究。[结果]研究表明，各段沟渠顺水流方向水体总氮浓度逐渐降低， 且均显著低于田面水。沟渠水稻植株体氮浓度较田间水稻高，但生物量较田间显著降低。整段沟渠水稻吸收氮素234.1 g，这部分氮素将随水稻的收割被带离水体，极大地消减了水体的氮浓度，减少了田间径流水入河及最终入湖的氮素。[结论] 研究可为生态沟渠的建设和推广提供理论依据。

关键词生态沟渠；水稻；生长特性；农田排水；氮

中图分类号S511；X17文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）29-115-03

近年来，巢湖水体富营养化加剧，蓝藻、水华频繁爆发，成为全国富营养化最为严重的淡水湖泊之一。有关湖泊污染资料表明，湖泊污染负荷的50%来自于流域内非点源污染。在非点源污染中，来自农田系统的氮达35.7%，磷达24.7%。目前控制农田 N、P 非点源污染的措施主要由两方面入手：一是减少源头排放量，即减少化肥施用量；二是减少污水入湖量和入湖浓度，即减少农田排水量和排水浓度，而减少农田排水量和排水中 N、P 浓度的主要途径之一就是充分利用和发挥现有农田排水沟渠的功能。王岩等的研究表明，溝渠在不同水力停留时间下的N、P 去除率大小顺序为：生态沟渠、土质沟渠和混凝土沟渠。 对现有的生态沟渠研究表明，沟渠作为水生态系统，在正常发挥输水配水功能的前提下，利用沟渠内水生植物截留农业面源污染，能够增强沟渠水体的自净能力。杨林章的研究表明，生态沟渠对总氮、总磷的多次平均去除率分别为48.36%和40.53%。陈海生等研究设置生态沟渠后的第15天测定，盘培多花黑麦的生态沟渠600 m处的总氮含量为1.8 mg/L，比水稻田排水口的总氮含量4.3 mg/L降低5814%121-124）。

但是目前各种研究报道中的生态沟渠植物多以“沟壁狗牙根、沟底空心菜”或“沟壁黑麦草、沟底水芹”为主，也有沟渠内种有挺水植物芦苇和狭叶香蒲等，前者需要人为管理，如定期收割等需耗费大量劳动力及经费支持，而后者可能会由于植被过密过大而影响沟渠排水性能。因此，该试验中沟渠内种植水稻，与田间同步种植，但无需管理，方便又能起到消减营养物质作用，还能增收。笔者对田间与生态沟渠各段水稻干物质量、生育特性、氮素吸收以及稻田和沟渠各段水体总氮变化动态进行了研究，以了解生态沟渠中水稻生长特性及对农田排水中氮去除效应，为生态沟渠的建设和推广提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地点

试验于2013年在安徽省合肥市农科院试验田排水沟渠进行。该地地势平坦，田地成块，沟渠呈网状分布，在夏天水稻生长季节，降雨会产生大量地表径流流入沟渠，再由沟渠汇入河道，最终流向巢湖。

1.2试验设计生态沟渠总长90 m，横切面呈等腰梯形，沟体深约1.0 m，上、下宽分别为1.2、0.6 m。沟壁与沟底均由蜂窝状水泥板构成，水泥板的规格为60.0 cm×50.0 cm×50 cm（长×宽×厚），蜂窝状水泥板孔直径为10.0 cm，相邻两孔中心之间距离为20.0 cm。在稻季沟壁孔中种植多年生狗牙根植物，沟底与稻田同步种植水稻。沟渠间隔30 m构建一个高度为35 cm的拦截坝，中间和底部分别设有一个排水孔以减缓水流，控制拦截段的水位。整个沟渠顺水流方向设有3个拦截段，分别为渠1、渠2和渠3。稻季植物生长旺盛，形成良好的生态景观。

1.3取样与分析

在水稻成熟时分别对稻田和沟渠各段居中位置进行取样拷种，分茎叶穗，70 ℃烘干至恒重，称量并测定含氮量。对稻田和沟渠各段的水体中的氮含量进行了不定期检测。植物样品总氮测定采用凯氏定氮法，水样总氮测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。

2结果与分析

2.1水稻干物质量比较研究由图1可见，无论是叶、茎，还是穗， 稻田中水稻的干物质量要高出沟渠中水稻很多，尤其表现在水稻穗上。渠1、渠2和渠3水稻穗的重量依次是14.1、8.1和3.8 g/穴，远远小于稻田水稻穗的35.7 g/穴。稻田水稻总干物质量为60.2 g/穴，是渠1水稻总干物质量的近3倍。 沟渠水稻总干物质量变化为渠1>渠2>渠3， 但是渠3种水稻茎的干物质量却出现了上升趋势，可能是较低的氮浓度不利于水稻营养体中的养分向稻穗转移。

2.2水稻生育特性比较研究

图2显示稻田水稻的株高要高于沟渠水稻，水稻株高从渠1到渠3呈递减趋势。但渠1和渠2水稻的穗长却超过了稻田，究其原因可能是稻田因施肥使得水稻分蘖较多，平均约有16.0根，而沟渠顺水流方向渠1、渠2、渠3平均依次为4.0、3.5和3.0根，由于沟渠养分浓度较低，水稻几乎没怎么分蘖，较少的有效穗使得养分聚集，因而穗长反而超过了稻田中的水稻。渠3养分过少使得穗长较低。

稻田水稻每穴稻实粒数为84.7，实粒率为94.2%，远远高于沟渠。可见施肥能够有效促进水稻实粒数和实粒率的提高。渠1、渠2、渠3的实粒数为依次为65.7、40.9、26.1，实粒率依次为77.8%、80.1%、55.7%。

2.3水稻氮素吸收量比较研究

由图3明显可见，水稻叶的含氮量从稻田到渠1、渠2、渠3依次呈明显上升的趋势，茎和穗的含氮量也呈类似趋势，但到渠3又降低。其变化原因可能是沟渠水稻几乎没怎么分蘖，较少的有效穗使得养分聚集，尽管沟渠养分浓度较低，但到渠3，过低的养分使得茎和穗的含氮量回落。

虽然含氮量呈上述变化趋势，但由于干物质量的差异，

水稻各部位氮素吸收量如图3所示。稻田水稻穗、叶和茎的

吸氮量远远高于沟渠水稻，渠1、渠2、渠3水稻穗的吸氮量依次递减，但叶和茎的吸氮量却表现出上升的趋势，可能是较低的氮浓度不利于水稻营养体中的养分向稻穗转移。

2.4生态沟渠中水稻对氮素的去除

稻田水稻植株总吸氮量为509.7 mg/穴，渠1、渠2和渠3水稻植株总吸氮量分别为稻田的43.2%、33.5%和25.3%，可见，虽然沟渠水体氮素含量较低，但水稻也能吸收相当一部分氮素。根据生态沟渠的设计，沟渠各段长30 m，约种水稻450穴，则渠1、渠2和渠3水稻分别吸收氮素为99.1 g、76.9 g和58.1 g，整段沟渠水稻吸收氮素234.1 g。随着水稻收割，这部分氮素将被带离水体。如果加上壁孔中种植的狗牙根植物，生态沟渠中植物对水体中氮素的去除将更多。

2.5稻田和沟渠各段水体总氮变化动态

稻季期间分别于7月18日、7月30日、8月9日、8月21日、8月29日、9月10日和9月22日对稻田和沟渠各段水体进行了7次取样，不同水体检测结果总氮浓度一般以稻田水较高，而生态沟渠含量较稻田水低，且顺水流方向依次呈递减趋势（图4）。以田面水氮浓度为参照，生态沟渠对总氮去除率在21.3%～59.7%，平均为40.2%，可见生态沟渠对田间径流水中氮素有着较好的消减作用。

3讨论

各段沟渠顺水流方向水体总氮浓度逐渐降低，显然，生态沟渠对田间径流水中氮素有着较好的消减作用。但是，由于沟渠水中的氮浓度显著低于田面水， 使得沟渠内水稻几乎不发生分蘖，由此导致其植株体较高的氮浓度和较低的生物量。盡管如此，整段沟渠水稻吸收氮素234.1 g，这部分氮素将随水稻的收割被带离水体，极大地消减了水体的氮浓度，减少了田间径流水入河及最终入湖的氮素。

巢湖流域是著名的“鱼米之乡”，水稻为汇水区的主要农作物。流域农田总面积达6.48×105 hm2，占汇水区陆地总面积的61.12%。环湖稻田含氮化肥施用量从20 世纪60 年代的75 kg/hm2，80 年代的750 kg/hm2，上升到现在的960 kg/hm2水平，有些地方甚至达到1 200 kg/hm2 。研究[14]表明，施入农田的氮肥，当季利用率仅为30%～40%，更多的氮素则是通过氨挥发、硝化-反硝化、渗漏和径流等多种途径流失[15]。王桂苓等的研究表明，巢湖流域麦稻轮作种植

条件下农田径流总氮流失量为45.27～101.38 kg/hm2[16]，另有报道[17]，通过农田输入湖泊的氮量占输入湖泊总氮量的7%～35%。可见，地表径流是农田养分和肥料流失的主要途径。控制巢湖富营养化的关键是控制污染源头，其中控制入湖面源污染是重中之重。而入湖河流是巢湖污染的主要来源，因此通过田间生态沟渠可以有效消减从田间流入河流中水体的氮素浓度，极大地控制了河流流域的农田面源污染。

该试验中沟渠内种植水稻，与田间同步种植，但无需管理，方便又能起到消减营养物质作用，还能增收和景观作用，因此具有较大的推广潜力。

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