水稻田渗漏对农田生态环境的影响及监测、调控方法研究

周艳文等

摘 要：水稻田的渗漏对水稻的产量有显著影响，同时还会引发土壤养分淋失，造成水体的污染，因此，在农业生产过程中，应加强对水稻田渗漏的调控。该文分析了水稻田渗漏对农田生态系统的影响，介绍了水稻田渗漏量的常用测定方法，并对水稻田渗漏的改善措施提出了合理化建议，以期达到水稻田增产、节肥、控污的目的。

关键词：水稻田渗漏；养分流失；调控；农田生态系统

中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）11-70-04

Abstract：Leakage of paddy field which has significant effect on rice yield caused water pollution through soil nutrient leaching. Therefore，we should strengthen the control of leakage of paddy field in the process of agricultural production. Firstly，this paper discusses the influence of paddies leakage in farmland ecosystems. Secondly，introduces the regulation control measures and the commonly detection methods of paddies leakage. Finally，puts forward the rationalization proposal for improving the characteristics of paddies leakage in this paper in order to improve yield，economize fertilizer，and decrease water pollution.

Key words：Paddy leakage；Nutrient leaching；Regulation control measures；Farmland ecosystems

水稻田土壤一般都具有渗漏特性，它主要受土壤条件、耕作施肥和田间管理措施等多重因素的影响[1]。丰产水稻研究表明，适宜的渗漏量，为灌一次水能保持3～5d，这样不仅不会造成过多的养分流失，还能使土壤环境得到有效更新，有利于水稻的生长发育[2]。此外，水稻田渗漏量的大小还直接影响农田氮磷养分的淋溶损失[3]。因此，水稻田渗漏量的监测、研究具有重要的生态和经济意义。监测水稻田的渗漏量，是制订合理水肥管理措施的前提，对于土壤养分的保持和水体环境质量的保护均具有十分重要的意义。本文主要分析了水稻田渗漏对农田生态系统的影响，并提出了几种水稻田渗漏量的测定方法及调控措施，以期对我国的水稻生产和农田生态环境保护提供参考。

1 渗漏对农田生态系统的影响

1.1 渗漏对土壤氧化还原电位的影响 土壤Eh值是指土壤中物质之间进行氧化还原反应时所产生的电位值，可以作为水稻土壤通气性的衡量指标，能够在一定程度上反映土壤水分状况及其肥力水平。适宜的Eh值表明土壤具有良好的通气状态，土壤中氧含量适中，有利于水稻的生长发育。周明耀[4]等研究表明，水稻田的渗漏作用可将水中的溶解氧带入土壤中，水稻田土壤的氧含量与其渗漏能力呈正相关，因此，水稻田渗漏量越大，其土壤Eh值越高。烤田是水稻生产中一项重要的农业措施，通过烤田措施可使水稻田土壤通透性加强，增加水稻田的排水量，提高稻田土壤Eh值，有利于土壤中还原性物质的氧化，优化土壤的氧化还原状态，有利于水稻的生长发育[4-6]。

1.2 渗漏对土壤肥力流失的影响 施用氮肥是提高农作物产量的重要措施，但我国水稻田的氮肥利用率普遍较低，一般仅为20%～40%[7]。施入农田的氮肥通过各种途径损失，其中氮素的渗漏淋失是土壤氮素损失的重要原因[8]。土壤无机态氮包括铵态氮和硝态氮，其中铵态氮由于容易被土壤吸附固定，不易向下层土壤迁移，而主要分布在0～30cm，在土壤底层渗漏水中浓度较低；而硝态氮易随土壤水淋溶，在土壤底层渗漏水中的浓度是铵态氮的3～6倍，是氮素渗漏淋失的主要形态[9-10]。金洁[11]等研究发现，土壤渗漏水中氮含量随施氮量的增加而增加，施用过量氮肥可显著增加氮素的淋溶损失；氮素的渗漏高峰主要发生在每次施肥后的7d内，因此施肥期应避开暴雨期以减轻氮肥的淋溶损失。

1.3 渗漏对生态环境的影响 土壤渗漏损失的氮是造成地下水氮素富集的重要原因之一。农田土壤氮素，尤其是硝态氮容易随土壤水渗漏进入地下水中导致地下水硝酸盐污染[12]。金洁[13]研究发现，当季硝态氮的渗漏量虽然没有诱发当季地下水中硝态氮浓度的超标，但氮素的淋失是一个持续的过程，并且地下水的流动性较弱，容易导致地下水中氮素随着时间的延长不断累积，从而导致地下水的硝酸盐含量超标，引发肥料对地下水的污染。袁新民[14]等的研究也表明，过量施用氮肥可显著增加土壤渗漏水中氮素的浓度，造成大量氮肥的淋溶损失，加剧地下水的硝态氮污染。据张维理[15]等研究报道，我国京、津、唐半数以上地区的地下水硝酸盐含量超过了饮用水标准（NO3--N≤10mg/L）。此外，如果水稻田灌溉量过大、灌溉方法和灌溉技术不当，同样会引起土壤灌溉水的大量渗漏，提高地下水位，引发土壤次生盐渍化，产生生态危害[16-17]。

1.4 渗漏对作物生长及产量的影响 水稻田渗漏情况可以间接影响水稻的生长发育状况。孟维忠[18]等研究发现，当水稻田的土壤渗漏量过大时，土壤就会发生漏水漏肥现象，使水稻正常生长所需要的养分随渗漏水大量淋失，导致水稻营养不良继而影响水稻产量；而稻田土壤渗漏量过小则会导致土壤中还原性有毒物质的累积，导致土壤环境恶化，同样造成水稻减产。因此，水稻田土壤渗漏量过大或过小均不利于作物生长，情况严重时可导致作物减产，甚至绝产。中国科学院南京土壤研究所在太湖流域开展的丰产水稻研究表明，丰产的水稻田应该有一个适宜的渗漏量，适宜的稻田渗漏量可以为稻田土壤提供充足的氧含量，有利于作物根系生长和土壤微生物的活动，从而促进水稻生长，获得较高的产量[19]。

2 渗漏量的有关调控措施

2.1 采用深松耕制度，增加稻田土壤渗漏量，改良土壤环境 长期进行麦、稻连作会导致土壤犁底层增厚、土壤板结等问题，从而导致土壤通气性变差，土壤的渗漏量减小，进而影响水稻的产量。针对这种板结的土壤，曹晓利[20]等认为可采用深松耕的方法改良土壤渗透性，增加稻田土壤的渗漏量，提高水稻根际土壤含氧量，从而为水稻根系发育创造良好的土壤环境。曹晓利等通过对比研究发现，深松耕作比常规耕作水稻增产7.5%，因此，采用深松耕制度可以增加稻田土壤渗漏量，改良土壤环境，从而提高水稻产量。然而，李志芳[21]等研究认为，耕作制度的改良只能在短期内提高土壤的渗透能力，因为土壤的渗漏量在作物生长期间呈明显的下降趋势，因此，要从根本上解决土壤板结问题，只能依靠长期保护性耕作，同时增施有机肥，改善土壤的理化性状，保护土壤生物的生存空间和活动通道，从而改善稻田土壤的渗漏性。

2.2 设置适宜排水沟，降低地下水位，增加稻田渗漏量 土壤质地粘重的水稻田，其渗漏能力一般较差，导致排水不畅，稻田土壤长期处于淹水或过湿状态，容易导致地表水与地下水相连形成内涝，严重影响作物的生长发育。降低地下水位，增加水田的渗漏量，是改变这些地区内涝现状的根本措施。因此，在农田管理措施中，可以挖掘适宜的沟渠来降低水稻田地下水位，增加水稻田的渗漏量，改善水稻田土壤过湿状况。例如，孟维忠[18]等在辽宁东港市灌区水稻田上设置了不同沟距的排水沟渠，发现沟距为40m时，田块的土壤水分状况最佳，能充分协调土壤水、肥、气、热，并在一定程度上减少土壤中有毒物质的生成，促进水稻的正常生长，从而获得了最佳产量。

2.3 采用水稻控制灌溉技术，减少渗漏量及肥力流失 水稻控制灌溉又称水稻调亏灌溉，是指稻苗移栽后，田面保持5～25mm薄层水返青活苗，在返青以后的各个生育阶段田面不再保留灌溉水层，具体灌水时间和灌溉定额由根层土壤的含水量决定[22]。此外，水稻节水灌溉技术还包括“薄、浅、湿、晒”灌溉技术、“浅湿”灌溉技术、“浅湿间歇”灌溉技术、“薄露”灌溉技术、间歇灌溉技术等[23]。相关研究发现，因地制宜地采用适合的节水灌溉技术，可以降低水稻田渗漏量，减少肥料和根层细颗粒土壤的流失，从而有效地保持土壤肥力，并减少氮素对地下水的污染[24-25]。因此，节水灌溉技术是一项既有生态环境效益，又有经济效益和社会效益的灌溉技术。

2.4 采用优化施肥措施，降低肥料渗漏淋失，改善农田生态环境 目前，中国是世界上最大的化肥使用国，但我国化肥利用率过低，大量的氮素在土壤中富集并随渗漏水淋失，引发地下水的硝酸盐污染。减量化施肥等优化施肥措施能有效提高养分利用效率，从根本上减少肥料的淋失，减轻养分渗漏对地下水的污染。例如，张刚[26]等在太湖地区进行了稻田化肥减量研究，结果发现氮肥用量减少22%时，可减少32.3%的氮素渗漏损失，并且不影响作物的产量，是一种值得推广的施肥方式。此外，施用有机肥是一种重要的优化施肥措施。长期的土地耕作会大量分解土壤有机质，造成土地质量退化，影响耕作层“水-气”平衡，继而影响作物的生长，造成作物减产。熊国华[27]等研究发现，施用有机肥显著增加了土壤有机质含量和土壤团聚体结构，提高了土壤的总孔隙度，增强了土壤必需的渗水和保水保肥能力，能够有效降低肥料渗漏淋失，改善农田生态环境。

3 渗漏量的测定

3.1 应用平衡模型和动力学模型测定水田渗漏量 目前，国内外关于水稻田土壤水的渗漏模型有很多，其中较为常见的有平衡模型和动力学模型，前者相对简单，后者较为复杂[3]。土壤中向上的水流和非饱和流在应用平衡模型测定土壤水渗漏量时一般不作考虑，而在动力学模型中则作为重要的模拟参数。平衡模型计算公式为：氮素淋失量=水分渗漏量×对应土层硝态氮浓度，这种方法一般用来验证动力学模型和估算农田氮素淋失，是一种比较简单的稻田养分渗漏损失计算方法[28]。动力学模型计算结果相较平衡模型而言，虽然计算过程机理比较复杂，并且需要大量的田间实测数据验证分析，在实际中应用较为困难，但是动力学模型计算的氮素淋失和水分渗漏更加符合实际情况，它在定量评价水氮资源利用效率和优化水肥管理等方面具有不可替代的应用[29]。

3.2 利用大型称重式蒸渗仪、时域反射仪和张力计测定水田渗漏量 田间蒸渗仪[30]是一种模拟大田生长环境的原位土壤渗漏量的大型测定装置，一般置于地下，它能够在给定三维边界的情况下测定土体的水分转化，用来测定正在生长着的作物的蒸发蒸腾量或裸土蒸发量（如图1）。田间蒸渗仪所测土体为原状土壤，土体的渗漏水经蒸渗仪下部承接，借助精确的称重设备来测定土体内含水量的变化，通过定期读取土体水分变化量、降水量及渗漏量等数据，即可获得该段时期内土壤水的渗漏量。

在蒸渗仪内置的土体内不同深度可以同时布设水银柱读数张力计和时域反射仪（TDR），用来每天定时测定1次各层土壤的土壤水吸力和体积含水量。这样就可以通过式（1）计算某土层在一个较短时段内的水分渗漏量。这种测定方法的主要问题是易受降雨的影响，但在降水次数少及降水量不大的情况下会取得令人满意的监测数据[31]。

3.3 水田渗漏仪和测筒法测定水田渗漏量 土壤水的垂直渗漏可使用水田渗漏仪（如图2）进行测定[3]。该仪器的测定装置部分为一无底的圆筒，测定时将其垂直压入位于水面以下的土层，在不考虑侧渗的条件下，圆筒内水分垂直下渗，下渗的水量由浮在水面的测定管内的水分补给，因此测定管内水柱的移动量即等于圆筒内水分的垂直下渗量。测定过程中保持测定管水平浮在水面，且一端连通大气以保证圆筒外水层静水压与圆筒内静水压相等，排除圆筒内存在侧渗的可能。采用本方法测定水稻田渗漏量时为保证测定结果的可靠性，必须要进行多次的重复测定，并且观测点要均匀分布全田，一般667m2大小的田块重复次数不应低于12～16次。

测筒法[4]，指将有底测筒与无底测筒同时垂直压入土层中，两者每天损耗水量之差值即为水稻田渗漏量。一般来讲，采用测筒法测定水稻田渗漏量时会发生破损现象，出现侧渗问题，导致所测得渗漏量普遍低于水田渗漏仪的测定值。因此，两者测定方法一般以水田渗漏仪的测定结果为准。

土壤水渗漏量除上文介绍的几种测定方法外，还有多种方法，如大型原状土柱渗漏计法、室内模拟法等，这些方法在监测土壤渗漏量时各具有优缺点，因此，在实际测定稻田土壤渗漏量过程中需要综合考虑各方面的因素，选取最佳测定方法以保证监测数据的可靠性。

4 结论

土壤肥力是土壤对作物生长的支持能力，土壤的渗水能力是构成土壤肥力的一个重要因素。当土壤渗水能力较差时，稻田面水会在地面迅速积累并形成地表径流，导致径流损失，且容易引发涝害；当土壤渗水强烈时，土壤水渗漏加剧，既降低了灌溉水的利用率又会造成土壤养分的淋溶损失，同时污染地下水资源；当土壤渗水能力适宜时，土壤具有优良的理化性质，既可以提高灌溉水的利用效率，又能够有效避免养分的渗漏损失，具有适宜的渗水能力，土壤保水保肥能力最佳，是作物营养元素得到有效利用的保障。

综上所述，土壤渗漏水是农田生态系统养分循环的重要参数之一，渗漏水中的养分含量、养分迁移及养分滞留对水稻产量、肥料淋溶损失、生态环境等具有重要意义。田间渗水能力受土壤表面植被、土壤耕作方式以及土壤质地等多重因素的影响，是土壤肥力的一种重要构成和表现形式。在农业生产或相关研究中，根据土壤类型选取合适的调控措施调节水稻田的渗透特性，配合优化施肥，才能实现农业的可持续发展，实现农业生产生态效益、经济效益和社会效益的统一。

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（责编：张宏民）