节水防污型农田水利系统方案设计及应用研究

魏保兴，李桂新，甘 幸，崔远来，万玉文,

(1.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023；2.广西壮族自治区水利厅，南宁 530023；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

近年来，随着农业集约化程度不断提高，农业面源污染已成为我国水环境污染的主要来源。我国《2010年第一次全国污染源普查公报》显示，2007年由农业形成的总氮、总磷排放量占污染物排放总量的57.2%、67.4%。农业面源污染中，种植业总氮和总磷的流失量占流失总量的33.8%和25.7%，分别达到159.78和10.87万t，而稻田面源污染在农田面源污染中占有重要比例[1]，农业面源污染逐渐成为制约我国现代农业和经济社会可持续发展的重大障碍。因此，开展农业面源污染物削减研究，对于降低农业面源污染、保障水环境安全具有重要的战略意义。

国内外大量的学者针对农业面源污染治理进行了研究，茆智等在水稻节水减污研究中提出了在薄浅湿晒和间歇淹水模式下，铵态氮流失量分别减少27.7%和21.4%重要结论[2]，Borin等在人工湿地处理农田排水的问题中指出湿地对氮的去除率达到了90%[3]，姜翠玲研究发现生态沟对总氮的去除率为21%[4]，Kröger等的研究结果表明排水沟最大能够截留农田排水中磷元素的47%[5]。但上述研究均为单一从稻田、人工湿地或生态沟角度来研究处理农业面源污染，缺乏有机的协调统一，为此，茆智院士又提出“四道防线”农田水利系统以降解农业面源污染[6]。为进一步分析和验证“四道防线”节水防污型农田水利系统的构建模式(如图1所示)及其作用效果，本文以稻田的面源污染为研究主要对象，在广西桂林市青狮潭灌区和桂林灌溉试验中心站开展了为期两年的对比研究。通过“四道防线”协同运行对面源污染进行综合处理，以期系统上解决稻田面源污染难题。

图1 “四道防线”节水防污型农田水利系统

1 “四道防线”节水防污型农田水利系统理论

(1)田间水肥综合调控(第一道防线)。我国稻田化肥与农药使用量大且利用率比例低，氮肥的利用率只有30%～35%，农药的利用率不超过5%[7]。作为从源头上减少面源污染物排放的重要管理措施，田间水肥综合调控通过“浅、湿、晒”三结合灌溉、间歇灌溉、中后期无水层灌溉[2]等方式，减少了排入自然水体的农业用水量，与传统的长期淹灌技术相比，浅湿灌、间歇灌与中后期无水层灌溉的灌溉用水量可分别降低8%～19%、13%～25%与30%～50%，多数情况下最大节水在20%～30%范围内[2]。同时，稻田节水灌溉减少了氮、磷流失，据统计流失的氮、磷负荷的削减幅度达20%～40%[8]，减轻了因化肥随水流入自然水体而导致的自然水体富营养化问题，也实现了从源头上减少面源污染物排放的目的。

(2)田间草沟(第二道防线)。田间草沟是指种有适宜野生植被的地表排水沟渠。由稻田排出的氮、磷等面源污染首先进入田间草沟，经田间草沟滞留、植物过滤和渗透的作用，氮、磷等面源污染得以有效去除，实现养分再利用，减少水体污染物质。田间草沟对总氮、总磷、硝态氮和铵态氮均具有不同程度的净化效果，其中总磷和总氮的去除率分别达到了51.6%和37.8%，对硝态氮和铵态氮的去除率也分别达到了49.9%和35.5%[9]。

(3)湿地(第三道防线)。湿地技术是20世纪70年代末发展起来的一种水生态处理新技术。具有良好的污染物去除和生态修复功能，由于其建设和运行费用低、处理效果好，而得到广泛应用。湿地主要是通过湿地基质、水生植物和微生物之间物理的、化学的和生物的一系列相互作用去除总氮、总磷等面源污染物。水生植物是湿地的核心之一，李林峰[10]等对人工湿地中植物对氮、磷吸收能力的研究表明，有水生植物的湿地对总氮、总磷的去除率分别高达59.1%和62.8%。李跃勋[11]等对滇池流域农业面源污染研究中发现，湿地对总氮、铵态氮、总磷的去除率分别达到40.37%、56.76%、35.34%。武汉大学水利系农业水管理研究组于2006、2007年在广西桂林、湖北荆门共4个小型湿地进行总氮、总磷等去除情况进行研究，结果表明田间排水经过湿地总氮下降35%～52%，总磷下降27%～35%[8]。因此，含氮、磷等面源污染物的排水经湿地净化后，总氮、总磷得以进一步去除。

(4)骨干生态沟(第四道防线)。骨干生态沟通过对现有沟渠的生态改造和功能强化，利用物理、化学和生物的多重作用对农业面源主要污染物氮、磷进行净化和处理，实现污染物中氮、磷等的减量化排放或最大化去除[12]。在沟渠中的植物带可以减缓水流的速度、增加滞留时间，提高植物对养分的利用时间，增强水体的自净能力。骨干生态沟对排水中总氮、铵态氮的去除效果较好，取样时段平均去除率分别达到54.5%、43.7%[9]。徐红灯等[13]选取长350 m的农田排水沟渠，研究了自然次暴雨条件下沟渠对农田排水总氮、总磷的去除效果，总氮的去除率为40%～70%，对总磷的去除率为20%～80%。骨干生态沟进一步实现了总氮、总磷的去除。

2 节水防污型农田水利系统应用研究

基于“四道防线”理论，并根据我国南方水稻灌区气象、地形、灌排系统以及水稻种植方式等的不同，2013-2014年选取广西桂林市青狮潭灌区将田间水肥综合调控、田间草沟、湿地、骨干生态沟串联起来，实地建立了一套完整的节水防污型农田水利系统(见图2)，开展应用研究。

图2 节水防污型农田水利系统试验区示意图

青狮潭灌区位于广西北部桂林市境内，属亚热带季风气候，多年平均气温18.8 ℃，全年降雨丰沛，多年平均降雨量为1 897 mm，属水稻和蔬菜的高产区，每年种植早、晚两季水稻，早稻(4-7月)和晚稻(7-10月)。灌区地势较为平坦，试验区选在桂林灌溉试验中心站外稻田，面积约为4.667 hm2，灌溉水源取自桂林市清狮潭水库西干渠。

2.1 第一道防线布置

试验区选择面积为883和609 m2两畦稻田作为2个样板田，分别代表两个不同的水肥综合调控模式。样板田1采用W1N1F1处理，样板田2采用W2N1F2处理，示范第一道防线的净化效果。为充分验证第一道防线的净化效果，在桂林灌溉试验中心站内同步开展水肥综合调控对比试验，共设置18个试验小区，开展6个处理，3次重复，试验分为常规灌溉W1和间歇灌溉W2，每个小区的尺寸为5 m×15 m，每个小区面积为75 m2，如图3所示。试验设计处理表，如表1所示，其中W1N1F1为当地常规的水肥管理方式。

表1 站内试验小区处理设计

注：W1为传统淹灌模式；W2为间歇灌溉；N0为不施氮肥；N1为氮肥180 kg/hm2；F1为氮肥分2次施肥，即基肥50%，移栽后10 d 50%的分蘖肥，汇同除草剂一起施用，即氮肥施肥比基肥∶蘖肥=5∶5，该模式与当地农民的模式相同；F2为氮肥分4次施肥，即基肥30%，移栽后10～12 d 30%的分蘖肥，移栽后35～40 d 30%的拔节肥，移栽后60～65 d 10%的穗肥，即氮肥施肥比基肥∶蘖肥∶拔节肥∶穗肥=3∶3∶3∶1。

图3 桂林灌溉试验中心站内试验小区

2.2 第二道防线布置

试验区稻田排出的水量直接流入田间草沟，沟内主要为当地野生的野苦麻、水花生、辣草、水草等植物。田间草沟长96.5 m，试验初期采用宽0.2 m，深0.25 m矩形断面，纵坡1/2 000，但由于沟壁直立，不适宜植物生长，同时渠道纵坡太缓，导致流速过小，影响试验效果。为此，试验中后期，将田间草沟修改为上宽0.3 m，底宽0.2 m，深0.25 m梯形断面，纵坡1/1 000，如图4所示。进入和排出田间草沟的水量由设在进、出口三角堰量测，试验期间每日观测进、出口过堰水深，并计算进、出水量(Q2进、Q2出)。水稻各生育期的氮、磷浓度由进、出口水样实际采样测定，灌溉、降雨及排水前后增加采样量测次数。

图4 田间草沟横断面图(单位：cm)

2.3 第三道防线布置

湿地由面积分别为225和193 m2相互连通的两块塘堰组成，平均水深0.45 m。湿地与承接排水的稻田面积比为1∶14，主要种植美人蕉、茭白、莲藕、睡莲等水生植物，种植密度为7～8株/m2，并定期检查。为保证污染物在湿地中沉降和吸附吸收，提高净化效果，湿地纵断面结构按照前部浅、中部深、后部浅布置。进入和排出湿地的水量，由设置在湿地进出口的三角堰量测，试验期间每日观测进、出口过堰水深，并计算进、出水量(Q3进、Q3出)。降雨或集中灌溉后2 h内须加测1次。水稻各生育期的氮磷浓度由进、出口水样实际采样测定且不少于1次，灌溉、降雨及排水前后增加采样量测次数。

2.4 第四道防线布置

湿地后串联骨干生态沟，对湿地的排水再次净化。试验中采用天然排水斗沟，全长102 m，基本横断面为梯形，上宽2 m，底宽1.2 m，深1.2 m，平均水深1 m，纵坡1/2 000，如图5所示。沟中生长的植物主要为水花生、辣草、水葫芦。在骨干生态沟进、出口处设矩形量水堰，试验期间每日观测进、出口过堰水深，并计算进、出水量(Q4进、Q4出)。水稻各生育期的氮、磷浓度由进、出口水样实际采样测定，灌溉、降雨及排水前后增加采样量测次数。

图5 骨干生态沟横断面图(单位：cm)

3 “四道防线”主要观测内容和应用效果

桂林灌溉试验中心站内试验小区在2013年早稻期间开始建设，于2013年晚稻期间投入试运行，因此在站内试验区，2013和2014年共开展了三期水稻的水肥管理试验。外部的青狮潭灌区示范区于2013年晚稻期间开始建设，在2014年早稻期间投入运行，共开展了2014年早稻和晚稻两期试验。本文以2014年早稻为对象进行典型研究。

3.1 主要观测内容

观测分析和检测指标包括水量平衡要素和营养物指标。水量平衡要素：降雨量、灌溉量、排水量、蒸发蒸腾量、渗漏量、土壤储水变化量；营养物指标：排水以及渗漏水中氮磷浓度，保证水稻各生育期进行采集化验，视具体情况(如遇降雨)进行加测，降雨若有排水则雨后0.5 h立即取样，取径流峰值。

结合水稻生育期在各小区采集排水及田面水进行氮磷浓度化验，各试验小区用采取水样1个，测氮、磷浓度，包括：总氮、铵态氮、总磷。遇降雨或灌溉后1 d进行加测。保证每水稻生育期进行测取化验，视具体情况(如遇降雨、灌溉)进行加测。采集水样分析指标和方法为：总氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)测定，铵态氮用纳氏试剂比色法(GB7479-87)测定，总磷用钼酸氨分光光度法(GB11893-89)测定。

3.2 应用效果

3.2.1第一道防线——田间水肥综合调控

2013-2014年在桂林灌溉试验中心站内对18个试验小区开展水肥综合调控对比试验。氮肥底肥为碳酸氢铵，追肥为尿素。磷肥和钾肥施用水平参考当地农民经验：磷肥总施肥量为40 kg/hm2(以P2O5计)，钾肥总施肥量为70 kg/hm2(以K2O计)。磷肥、钾肥作为底肥一次性施入。不同灌溉模式处理的灌溉标准见表2。

2014年早稻生育期试验典型处理W1N1F1 、W2N1F2排水量分别为1 574和1 020 m3/hm2。在N1施肥模式下，间歇 灌溉W2比常规灌溉W1减少排水35.2%，间歇灌溉W2的稻田排水量明显减少。典型处理W1N1F1 、W2N1F2对各类污染物的削减率见表3。

表2 不同灌溉模式处理的灌溉标准 mm

注：10～40 mm表示田间水层的下限和上限，下同，80%表示土壤含水率占田间持水率的比例。

表3 2014年早稻生育期典型灌溉处理对各类污染物的削减率

由表3可知，除铵态氮外，间歇灌溉W2比常规灌溉W1各类污染物均有所削减，但削减并不明显，其主要原因是，由于渗漏和地表排水的引入，导致W2N1F2试验小区的水质发生了一定变化，致使各类污染物浓度的没有明显降低，甚至出现增加。但是在间歇灌溉W2模式下，节水效果良好，且总负荷均有削减，其中总氮削减达1 468.51 g/hm2。然而，为进一步提高试验精度，观测过程中还须严格控制渗漏以及降雨等因素对污染物浓度的影响，并加强试验管理。

3.2.2第二道防线——田间草沟

含有氮、磷等污染物的稻田排水由试验区直接流入田间草沟，根据2014年4-6月期间早稻不同生育期间进出田间草沟的水质分析结果，计算得到总氮、铵态氮、总磷等污染物的削减率，见表4。

表4 2014年早稻生育期田间草沟对各类污染物的削减率

由表4可知，田间草沟出口处总氮、铵态氮、总磷等符合均较进口处均有一定幅度的降低，其中铵态氮最大削减率达17.5%、总氮削减率达15.2%，即田间草沟对稻田排水进行了第一次净化，污染物得到了一定的去除。但是由于田间草沟的尺寸较小，长度只有96.5 m，导致稻田排水在田间草沟滞留时间较短，净化效果受到影响。同时，由于当地农民使用除草剂，导致草沟内部分水生植物死亡，也影响了污染物的去除效果。

3.2.3第三道防线——湿地

为保证田间草沟的排水更好的得到净化，利用当地的现有的塘堰进一步消纳各类污染物。根据2014年4-6月期间早稻不同生育期间进出湿地的水质分析结果，计算得到总氮、铵态氮、总磷等污染物的削减率，见表5。

由表5可知，湿地出口处总氮、铵态氮、总磷等负荷均较进口处均有大幅度降低，其中铵态氮最大削减率达57.3%、总氮 削减率达42.8%，即湿地对稻田排水污染物具有较好的祛除效果。分析其削减率不是很高的主要原因：①湿地面积较小，湿地稻田面积比为1∶14，属于湿地稻田面积比1∶10～1∶50的下限值，对于各类污染物的消纳和去除有影响；②湿地平均水深0.45 m，加之总体面积较小，导致水流流速较快，导致水力停留时间较短，使水生植物的吸附和过滤作用未能充分发挥。

表5 2014年早稻生育期湿地对各类污染物的削减率

3.2.4第四道防线——骨干生态沟

结合当地的实际降雨量、蒸发量等数据，根据2014年4-6月期间早稻不同生育期间进出骨干生态沟的水质分析结果，计算得到总氮、铵态氮、总磷等污染物的削减率，见表6。

表6 2014年早稻生育期骨干生态沟对各类污染物的削减率

由表6可知，骨干生态沟出口处总氮、铵态氮、总磷等符合均较进口处有一定程度降低，削减率达30%～55%，即骨干生态沟对稻田排水污染物具有较好的祛除效果。分析其主要原因是：骨干生态沟断面较大，平均水深达1 m，水流流速较小，为各类污染物的削减提供了良好的条件，同时整个骨干生态沟密闭性和完整性都比较好，减少了外来污染物的干扰，提高了数据的精确性。

3.3 “四道防线”综合削减效果

“四道防线”中每道防线对总氮、铵态氮、总磷等负荷的削减均有一定效果，各防线协同运行综合治理效果更为明显，通过bj=bi+aj(1-bi)(其中：bi、bj分别为上道防线综合削减率、本道防线综合削减率，aj为本道防线削减率)计算综合削减率，见表7。由表7可以看出，铵态氮、总氮削减效果最明显，分别达到83.5%、70.4%。“四道防线”中，第三道防线的削减率最高，充分说明湿地的沉降和吸附吸收对各类污染物的削减起着积极作用，是“四道防线”净化效果中最为有效的环节。

表7 “四道防线”综合削减率 %

4 结 语

农业面源污染已成为我国广大农村的主要污染源，其治理是一个复合性系统工程，也是改善农村生态环境的重要支撑。本文在突破过去单项技术的基础上，对稻田面源污染实行系统控制，优化田间水肥管理，构建面源污染的“田间水肥综合调控-田间草沟-湿地-骨干生态沟”的“四道防线”技术体系，并在广西桂林市青狮潭灌区和桂林灌溉试验中心站进行该系统的净化效果对比试验。“四道防线”技术体系对水稻灌区水环境的改善显著，总氮、铵态氮、总磷的削减率分别为 70.4%、83.5%、61.0%。

稻田面源污染“四道防线”系统生态治理模式，不仅丰富了对面源污染处理理论的研究内容，而且对水稻节水灌溉理论体系的发展也有促进作用。为广西稻田面源污染的削减和其他经济作物节水灌溉及水肥高效利用提供理论和实践依据，为建设广西、美丽漓江，保护漓江流域水生态提供理论依据和技术性对策和建议，具有较高理论和实际应用价值，研究成果不仅适用于广西地区，在我国南方水稻灌区面源污染治理也具有现实意义。

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