稻田梯级生态排水试验研究

卑 志 钢

(上海市青浦区水务局，上海 201700)

我国是化肥使用大国，但农田化肥的利用效率相对不高，一般氮的利用率在30%左右，磷的利用率在15%左右[1]。上海市青浦地区水稻每年施肥量高于全国平均水平，受区域内雨季集中降水对稻田的淋溶冲刷影响，大量氮、磷营养物质随径流进入附近水体，已经逐渐成为青西地区水体富营养化的重要因素之一。对于农田面源污染的防控，包括源头控制、过程拦截和末端治理3个方面，具体包括节水减排、减量施肥、生态排水沟拦截、人工湿地净化等。但对青浦地区而言，水量充沛的灌溉条件和追求高产的基本心理，使节水减排和减量施肥尚不能得到当地种植户的普遍接受和采纳，而生态排水沟和人工湿地的建设和养护又需要很大的成本，因此研究一种既能够使种植户少减产，又能成本较低，便于广泛推广应用的农田面源污染控制技术很有必要。

稻田梯级生态排水是基于河岸缓冲带技术[2]的一种探索。主要设想为：对稻田进行梯级改造，分割出靠近排水沟的小块稻田作为拦截区，隔绝其他稻田与排水沟的直接水力联系。构建的拦截区低于其他稻田15 cm左右，以便排水时更好发挥拦蓄作用。拦截区内的水稻采用湿润灌溉，且不施化肥。排水时，大田(高田)排水先进入拦截区的低田内，由拦截区内的水稻拦截吸收排水中的氮、磷元素，过量的排水再由拦截区进入排水沟。为了验证稻田梯级生态排水技术的可行性，通过测桶试验的手段，于2015年对稻田氮、磷梯级排水流失过程进行研究。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验区位于上海市青浦区水利技术推广站香花试验基地内，该地属亚热带海洋性季风气候，年平均气温16.1℃，多年平均降雨量1104 mm，雨日134 d，主要集中在6-10月。试验土壤为青紫泥水稻土(属重壤土)，测桶采用原状土回填，理化性质本底值为：总氮(TN)1.59 mg/kg，总磷(TP)2.32 mg/kg，当地灌溉水质指标为：总氮(TN)2.5 mg/L，总磷(TP)1.4 mg/L；雨水水质指标为：总氮(TN)1.7 mg/L，总磷(TP)0.8 mg/L。

1.2 试验设计

供试水稻品种为“花优14”。试验共设计5个处理和1个对照，5个处理拦截区和大田面积比分别为1/10、1/8、1/6、1/5和1/4，对照处理不设拦截区。施肥水平按照青浦地区常规施N量300 kg/hm2，施P量60 kg/hm2设计，主要采用尿素和BB肥。

试验装置主体部分包括：代表大田(高田)的大测桶面积0.36 m2，代表拦截区(低田)的小测桶面积依次为0.036、0.045、0.06、0.72、0.09 m2，小测桶土体表层低于大测桶15 cm。大测桶溢流排水阀值设置为20 cm，小测桶溢流排水阀值设置为35 cm。大测桶按照当地常规淹水灌溉，即幼苗期田面保持10～20 mm水层厚度，分蘖后期落干烤田期间田面无水层，其他生育期保持20～60 mm水层，收割前20 d起不再灌水。小测桶按照湿润灌溉，即幼苗、孕穗、抽穗期田面都保持10 mm水层，落干烤田期间田面无水层，其余生育期按照干湿交替进行灌水，以土壤饱和含水量作为灌水上限，以田间持水量作为灌水下限，充分利用大测桶排水减少灌溉水。对照处理大测桶面积为0.36 m2，不设小测桶，溢流阀值、灌溉和施肥方式与5个处理的大测桶保持一致。

1.3 测定项目与方法

(1)降雨。利用试验站内的气象场地面雨量资料。

(2)水质。分别测定不同处理下排水流失的总氮、总磷含量，采用碱式过硫酸钾消解后测定。

(3)产量。分别测定不同处理下自然风干条件下水稻平均产量。

(4)试验中的数据分析和图表制作采用Excel 2010进行。

2 结果与分析

2.1 对TN拦截效果

试验结果表明，降雨产生径流对稻田氮、磷流失具有重要影响[3]。试验过程中共产生6次径流，根据每次径流量和水样中的TN浓度计算流失量，试验结果见图1。化肥的使用时机和降雨量是影响稻田TN流失的2个重要因素。5种处理均在6月12日第1次施肥，并灌水100 mm。 6月15日至6月17日 连续降雨，日降雨量分别为60.3、74.0和17.6 mm，监测5个处理在6月15日和16日连续2 d都发生径流，其中6月15日径流量均小于6月16日，径流水中TN浓度均高于6月16日，TN流失量见表1。

图1 不同拦截面积总氮排放量变化

表1 第1次施肥后降雨径流TN流失量 kg/hm2

可以看出，5种处理和对照6月15日TN流失量小于6月16日，且拦截区能够有效拦截TN的排放，随着拦截区的增加，拦截效果在径流量越大时相对越好。一般在施肥后第3 d，稻田水层内氮素浓度达到最大值，施肥后10 d左右降到正常水平[4]。

第2次施肥为7月16日，随后未发生大规模降雨，直到8月20日发生连续降雨，8月24日降雨结束，期间日降雨量为1.6、19.7、30.0、54.5和108.8 mm，8月24日5种处理和对照均监测到大量径流，径流中TN含量小于6月15日和6月16日，见表2。

表2 第2次施肥后降雨径流TN流失量 kg/hm2

可以看出拦截区对TN起到较好的拦截作用，拦截效果随着拦截区面积的增加而增强。

从水稻全生育期来看，不同处理和对照的TN流失量见表3。

表3 不同面积拦截区水稻生育期TN流失量

5种处理中，1/4处理TN流失量最低，拦截率最高为58.9%。1/10处理TN流失量最高，拦截率最低为44.7%。可以看出设置拦截区能够有效拦截水稻全生育期内的稻田排水TN的流失，且拦截效果随拦截区面积的增大而增强。在拦截区面积比小于1/8时，TN的拦截效果随拦截区面积的增加而快速增加，拦截区面积比大于1/8后，继续增大拦截区面积，对TN的拦截效果提升相对较小。

2.2 对TP拦截效果

降雨径流对稻田TP流失的影响与TN相似，化肥的使用时机和降雨量也是影响稻田TP流失的2个重要因素，见图2。5种处理均在6月12日第1次施肥并灌水， 6月15日至6月17日连续降雨并产生径流排水，其中TP浓度6月15日高于6月16日。TP流失量见表4。

图2 不同拦截面积总磷排放量变化

kg/hm2

可以看出，5种处理和对照6月15日TN流失量小于6月16日，且拦截区能够有效拦截TN的排放，但拦截区面积的大小与拦截效果未发现显著相关性。

7月16日第2次施肥后，到8月20日至8月24日发生连续降雨，5种处理和对照均产生大量径流，径流中TP含量小于6月15日和6月16日。TP流失量见表5。

表5 第2次施肥后降雨径流TN流失量 kg/hm2

可以看出降雨径流中TP的浓度比TN低，拦截区对TP有拦截作用，但拦截效果与拦截面积的大小关系不大，TP流失随着降雨径流量的增大而增加。

从水稻全生育期来看，不同处理和对照的水稻生育期TP流失量见表6。

表6 不同面积拦截区水稻生育期TN流失量

5种处理稻田排水TP的拦截率平均为48%，且拦截区面积与对TP的拦截效果未发现显著相关性。

2.3 拦截区内水稻产量变化

拦截区内水稻不施化肥，主要N、P营养元素来源是大田排水，产量比大田低。5种处理的拦截区和对照测桶内水稻产量见表7。

可以看出，随着拦截区面积的增加，拦截区水稻的产量逐渐降低。1/10处理，拦截区水稻产量与对照相比减产24.2%；1/4处理，拦截区水稻产量与对照相比减产63.4%。此外，研究发现：一是拦截区内的水稻营养N、P主要来自于排水拦截，拦截区面积越大，单位面积上水稻拦截吸收的养分越小。二是经过对水稻穗粒进行结构分析，影响拦截区内水稻产量的因素是水稻穗粒数减小，水稻千粒重没有明显变化，水稻减产并未影响到水稻品质。

表7 不同面积拦截区水稻产量

拦截区大小对TN、TP的拦截效果和对拦截区内水稻产量的综合影响见图3。

图3 不同拦截区大小对TN、TP拦截效果和拦截区水稻产量的综合影响

可以看出，随着拦截区面积的增大，TN的拦截率逐渐增加，在拦截区面积比小于1/8前直线上升，在拦截区面积大于1/8后逐渐趋于平缓；TP拦截率随拦截区面积增加上下浮动，总体呈上升趋势；拦截区内水稻产量随着拦截区面积增大直线下降，且在拦截区面积大于1/8后下降幅度增加。综合拦截效果和产量因素，拦截区面积取大田的1/10～1/8为宜，兼顾稻田生态排水技术的实际推广应用等因素，可将拦截区面积取大田面积的1/10。

3 讨 论

(1)试验结果表明，利用小块稻田作为拦截区进行大田降雨径流排水中的N、P拦截的稻田梯级生态排水设计具有可行性。综合考虑拦截效果、产量、推广应用等多种因素，可将拦截区的面积大小取作大田面积的1/10，布置在大田和排水沟之间的位置，拦截区田块高度低于大田15 cm，拦截区TN拦截率44.7%，TP拦截率50.4%，水稻减产率24.2%。

(2)本试验中的大田和拦截区的水稻灌溉设计与传统意义上串灌的出发点和形式都不同，但是不排除在大田推广时，可能出现的水稻病虫害传播等不利影响，在推广应用前还应开展更大尺度的大田试验研究。

(3)本实验中稻田排水中TP的浓度较小，检测难度相对较高。不排除因试验取样和指标检测过程中的误差，影响关于拦截区面积和TP拦截效果的相关性分析，需要进一步深入研究。

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[1] 张 翼，岳玉波，赵 峥，等.不同施肥方式下稻田氮磷流失特征[J].上海交通大学学报(农业科学版)，2015,33(1)：1-7.

[2] 曾立雄，黄志霖，肖文发，等.河岸植被缓冲带的功能及其设计与管理[J].林业科学，2010，46(2)：128-131.

[3] L B Owens， R W V Keuren ， W M Edwards. Non-nitrogen nutrient inputs and outputs for fertilized pastures in silt loam soils in four small Ohio watersheds[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2003，97(1-3)：117-130.

[4] 陈林兴，胡志华，孙建国.稻田灌水量与化肥流失关系的研究[J].中国农村水利水电，2008，(3)：51-54.