基于稻田氮平衡模型的不同灌排调控下的氮素损失

郭思怡 刘威锋

摘要 [目的]研究不同灌排方案下的稻田的排水氮素损失。[方法] 根据田间试验数据，利用稻田氮平衡模型分析计算不同灌排方案的排水氮素损失。[结果]与常规灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田氮浓度均值分别减少12.25%、7.84%、3.92%；稻田排水量分别减少29.95%、32.94%、29.76%；稻田排水损失氮量分别减少38.40%、38.22%、32.51%；稻田排水损失氮量占施氮量的比例分别减少38.47%、38.21%、32.54%。[结论] 控制灌溉可减少稻田氮损失。

关键词 稻田；排水；氮素损失；灌排调控

中图分类号 S27 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）32-0186-03

The Nitrogen Loss in Different Irrigation and Drainage Based on Paddy Nitrogen Balance Model

GUO Siyi1，2，LIU Weifeng3 （1.Anhui Province （MWR Huaihe River Water Resources Commission） Hydraulic Research Institute，Hefei，Anhui 230061；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydraulic Engineering， Hohai University Hydrology / Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098；3.Bureau of Supervision and Examination Survey Cost Pricing of Anhui Provincial，Hefei，Anhui 230001）

Abstract [Objective]To study nitrogen loss in paddy field under different irrigation and drainage schemes.[Method]According to the data of field experiment，the nitrogen loss of different irrigation and drainage schemes was calculated by using the nitrogen balance model of paddy field.[Result]Compared with conventional irrigation，the average nitrogen concentration of C，C1 and C2 paddy fields under controlled irrigation decreased by 12.25%，7.84% and 3.92% respectively；the discharge of paddy fields decreased by 29.95%，32.94% and 29.76% respectively；the nitrogen loss of paddy field drainage decreased by 38.40%，38.22% and 32.51% respectively；and the proportion of nitrogen loss in paddy field drainage decreased by 38.47% and 38.51% respectively.21%，32.54%.[Conclusion]Controlled irrigation can reduce nitrogen loss in paddy field.

Key words Paddy field；Drainage；Nitrogen loss；Irrigation and drainage regulation

基金項目 国家自然科学基金重点项目（50839002-5）。

作者简介 郭思怡（1987—），女，安徽太和人，工程师，硕士，从事节水灌溉方面的研究。

收稿日期 2018-08-13

水稻是我国最重要的粮食作物，其产量占全国谷物总产量的40%以上，稻谷生产对保证我国粮食安全的影响最大[1-2]。其播种面积大，氮肥施用水平高。为了缓解人口迅速增长的压力，积极引进各种先进技术以提高粮食单产。农业生产对外源养分投入的依赖性不断增加，使用化学肥料就成为最有效的增产措施。据统计，仅1970—1985年氮肥施用量就增加了120%。化肥利用率低而造成不可再生资源的浪费和人类环境的恶化，己成为影响世界农业生态和环境持续发展的突出问题。施入田块中未被作物利用的氮素经挥发、淋溶等进入大气环境、地表水和地下水，不仅污染了大气环境和水环境，导致河流、湖泊水质的富营养化，破坏了水生生物和农作物的正常生长条件，而且也严重危害了人类的健康[3]。据统计，我国受农业面源污染影响的耕地面积已近2 000万hm2[4] ，每年土壤流失量达50亿t，带走的氮、磷、钾及微量元素等养分相当于全国一年的化肥使用总量，其中相当一部分进入了水体中[5]。

针对我国灌排面积不断增加、水资源利用效率不高、化肥流失严重等问题，国内外学者在灌排调控下水肥高效利用方面做了大量工作。 Bergstrom等[6]在瑞典中部进行了农田排水化肥流失试验，表明施肥情况下大麦田排水氮肥损失量是不施肥情况下的7倍。国内张蔚榛等[7]在20世纪90年代在南方水稻灌区开展了农田化肥流失研究工作。李荣刚等[8]的湿润灌溉试验在稻谷增产4.1%的同时，氮素渗漏量下降了48.1%。郑世宗等[9]的水稻薄露灌溉研究发现，薄露灌溉模式的排水中总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）的排放浓度是传统灌溉的47.6%～86.2%。

通过地表径流和地下排水流失进入水环境是稻田氮污染的主要途径，但各流失方式所占比重在不同地区研究结论不一。稻田氮素损失规律以及稻田氮损失对环境造成的负荷程度仍需进一步深入研究。另外，笔者是通过情景模拟来寻求较优的灌排调控模式，而以往的研究大多基于试验数据。试验数据的获得需要浪费大量的人力、物力，并且可能因为人为因素导致数据的错误。因此，该研究方法也具有一定的创新性。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江苏省高邮市卸甲镇周庄村（119°11′E，32°35′N）境内，属北亚热带季风气候区，年平均气温14.6 ℃，常年降雨量1 037 mm，多年平均蒸发量1 060 mm，无霜期242 d，最高气温38.5 ℃，最低气温-18.5 ℃，相对湿度75%左右。土壤耕层质地为黏壤土，浅层地下水位埋深0.5～1.2 m，0～40 cm田间土壤全氮含量0.73 g/kg，全磷含量0.88 g/kg，pH 7.4，土壤容重1.17 g/cm3。

1.2 试验设计

试验设节水灌溉和常规灌溉2个灌溉处理。灌排调控试验区位于南关干渠三支渠所辖的41斗渠、44斗渠。试验区为南北闸控制范围，总面积为17.28 hm2。选择A2、A3和C8、C9为典型田块，面积为1.05 hm2。节水灌溉按照当地灌水周期进行灌水，水稻秧苗本田移栽后，田面保留5～25 mm薄水层返青，返青以后的各个生育阶段田面不建立灌溉水层，以根层土壤含水率为灌水下限控制指标，结合当地灌水周期，确定灌水时间和灌水定额。其中A2和A3田间排水排出到农沟GA，C8和C9田间排水排出到GC；GA、GC排水分别直接进入斗沟D1、D2。对照田块（CK）则为常规灌排。常规灌溉采用当地浅湿灌溉处理，水稻不同生育期灌水时间间隔：泡田栽插期4 d左右、分蘖期5 d左右、晒田以后6 d左右，每次灌水持续15～18 h，自流灌溉至田间存有4～8 cm水层。

水稻生育期内该试验氮肥采取传统多次追加方式。基肥采用碳铵和尿素，分蘖肥、拔节肥使用尿素，用量分别为750、300（分等量2次施加）、375 kg/hm2，折合纯氮为132.75、138.90、173.63 kg/hm2，共445.28 kg/hm2。钾肥、磷肥则采取一次性基肥施用模式。磷肥（过磷酸钙）25

kg/hm2（4 kg P2O5）；钾肥10 kg/hm2，施肥日期为6月22日、7月3日（7月15日）、8月21日。

典型田块A2、A3 和C8、C9以及对照区CK田块均按照表3进行施肥，施肥前后均需在田块、排水沟排水口处取样化验。在施肥后，开始7 d隔天取样，分析田间、排水沟的净化过程，之后按照正常取样，直至下次施肥。

2 结果与分析

农田氮素流失的动力和载体是水分运动，物质基础是土壤养分和施入肥料[10]。在研究区域，农田在较大强度降水和排水后，易产生径流，径流水携带高含量氮磷迁移进入近农田沟道，使农田氮磷进入大河、水库、湖泊成为可能。合理的灌排有利于水稻增产，但不合理的灌排会造成农田氮素的过量排放，造成肥料的浪费和面源污染，因此研究不同灌排调控下的氮素流失对农业的可持续发展和环境保护具有重要意义。

施入田间的氮肥并不能被作物全部吸收利用，未被作物吸收利用而残留在土壤中的氮，经氨挥发、硝化-反硝化作用以气体形态进入大气而污染大气环境[11]；或随降水和灌溉水淋溶到土壤深层或随径流进入地表水从而污染地表水和地下水[12]。该试验主要研究未被植物利用的氮肥随稻田排水的损失量。

根据SWAP模型模拟出的4种灌排方案的田间水平衡分量，利用石艳芬[13]论文中建立的稻田氮平衡模型式（1）进行模拟，分析4种灌排方案的稻田排水氮素损失。由于该试验所用的数据和石艳芬论文中所用的数据均取自高邮灌区，模型所需参数采用石艳芬论文中率定的参数。时段内的氮平衡方程如下：

N1-N0=NF+N1+NP+NC-NV-NL-NR-NU（1）

其中，N0=C0V0，N1=C1V1

式中，N1为时段末稻田水体中氮的含量（kg）；N0为时段初稻田水体中氮的含量（kg）；NF为时段内通过施肥带入稻田的氮素量（kg）；N1为时段内通过灌溉水带入稻田的氮素量（kg）；NP为时段内通过大气沉降带入稻田的氮素量（kg）；NC为时段内通过作物和土壤的总固氮素量（kg）；NV为时段内稻田氨挥发等损失的氮素量（kg）；NL为时段内稻田淋溶渗漏损失的氮素量（kg）；NR为时段内稻田通过排水及地表径流损失的氮素量（kg）；NU为时段内稻田作物吸收消耗的氮素量（kg）；Co为时段初稻田水层中氮素浓度（kg/m3）；C1为时段末稻田水层中氮素浓度（kg/m3）；V0、V1分别为时段初、末稻田水层水量（m3）。

利用SWAP模型模拟的4种灌排方案的各水量平衡分量分别推求出4种灌排方案下的田間水层，将田间水层、施肥量、模型所需的水平衡分量及模型参数分别输入稻田氮平衡模型进行模拟，模拟结果如表5所示。

2.1 不同灌排方案下的稻田氮浓度均值

从表5可以看出，常规灌溉、控制灌溉C、控制灌溉C1、控制灌溉C2生育期内稻田氮浓度均值分别为18.63、16.38、17.17、17.90 mg/L。与常规灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田氮浓度均值分别减少2.25、1.46、0.73 mg/L ，减幅分别为12.25%、7.84%、3.92%。3种控制灌溉中，按试验设计标准制订的控制灌溉C与常规灌溉相比稻田氮浓度均值减小幅度最大。

2.2 不同灌排方案下的稻田排水量

整个生育期内，常规灌溉、控制灌溉C、控制灌溉C1、控制灌溉C2稻田排水量分别为3 579、2 507、2 400、2 514 m3/ hm2。与常规灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田排水量分别减少1 072、1 179、1 065 m3/hm2，减幅分别为29.95%、32.94%、29.76%。3种控制灌溉中，排水量最少的为控制灌溉C1，与常规灌溉相比减小幅度最大。

2.3 不同灌排方案下的稻田排水损失氮量

常规灌溉、控制灌溉C、控制灌溉C1、控制灌溉C2稻田排水损失氮量分别为66.69、41.08、41.20、45.01 kg/hm2，占施氮量的比例分别为15.52%、9.55%、9.59%、10.47%。与常规灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田排水损失氮量分别减少25.61、25.49、21.68 kg/hm2，减幅分别为38.40%、38.22%、32.51%；稻田排水损失氮量占施氮量的比例分别减少38.47%、38.21%、32.54%。3种控制灌溉中，控制灌溉C稻田排水损失氮量和稻田排水损失氮量占施氮量的比均最小。

3 结论

根据模拟试验结果分析得出，与常规灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田氮浓度均值分别减少12.25%、7.84%、3.92%；稻田排水量分别减少29.95%、32.94%、29.76%；稻田排水损失氮量分别减少38.40%、38.22%、32.51%；稻田排水损失氮量占施氮量的比例分别减少38.47%、38.21%、32.54%。由此可见，3种控制灌溉均可减少稻田氮损失。

参考文献

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刘培斌，张瑜芳.稻田中氮素流失的田间试验与数值模拟研究[J].农业环境保护，1999，18（6）：241-245.

[2] 薛正平，杨星卫.我国稻谷总产量及粮食政策调整对上海粳米价格走势的影响[J].上海农业学报，2000，16（2）：14-16.

[3] 戴平安，聶军，郑圣先，等.不同土壤肥力条件下水稻控释氮肥效应及其氮素利用的研究[J].土壤通报，2003，34（2）：115-119.

[4] 章力建，朱立志.我国“农业立体污染”防治对策研究[J].农业经济问题，2005，26（2）：4-7.

[5] 金相灿，刘鸿亮，屠清瑛，等.中国湖泊富营养化[M].北京：中国环境科学出版社，1990.

[6] BERGSTROM L.Nitrate leaching and drainage from annual perennial crops in tiledrained plots and lysimeters[J].Journal of environmental qualtiy，1987，16（1）：11-18.