丘陵地区水稻种植型农田尾水对地表水环境不利影响研究

杨圣广

摘要    为明确丘陵地区水稻种植型农田尾水对地表水环境的影响，选择在安徽省肥西县山南镇地处江淮丘陵地区的水稻田开展试验，对农田尾水及附近河道取样分析，并验证水质模型。结果表明，田间浸水CODCr值较高，对水质影响最大;NH3-N、TP数值不高，对水质影响较小。CODCr值与留茬高度、浸水时间成正相关，其对杨湾河地表水环境的影响极大。模型验证情况表明，水质模型预测灌溉退水营养物质浓度可行，与试验结果一致。本文结合水质污染情况，分析了其成因，并提出防治建议，以期为农业水资源的合理利用和农业面源污染的控制提供参考。

关键词    农田尾水;水稻田;地表水环境;污染;丘陵地区

中图分类号    X52        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）14-0168-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

农业农村面源污染对地表水环境的影响是明显的，尤其是农田尾水（秸秆浸水）富含高浓度有机物质，化学需氧量（COD）高达77 mg/L。农田尾水是农田中流出的地表径流水，其来源包括降雨、灌溉、地下水等，含有盐、农药等。目前，全国大部分地区未有效处理农田尾水，其在未进行二次利用的情况下直接排放到地表水体，不仅导致地表水源污染严重，还因渗漏污染地下水，而且使农田中的无机盐、氮等营养成分流失，同时造成水资源大量浪费。

肥西县地处江淮丘陵地区，岗冲交错，是国家种粮大县，以水稻种植为主，2018年全县水稻种植面积达5.67万hm2，农田尾水总产生量大;肥西属于长江巢湖水系，境内丰乐河是巢湖一条重要入湖清水河道，占总入湖水量的65%以上[1]，很大程度上影响巢湖水质。因此，研究该区域农田尾水对地表水环境的影响具有积极和重要的现实意义。

1    研究方法

1.1    试验地概况

丰乐河是肥西县和舒城县的界河，左右岸二级支流共14条，试验选择了其左支杨湾河流域作为本项目考察试验场所;杨湾河地处肥西县山南镇，其源头是托山水库，上游有3条小型支流汇集而成，全长31 km，流域面积97.9 km2，枯水期流量不足1.5 m3/s;山南镇小井庄是中国农村包产到户发源地，当地农民有悠久的农业种植历史，稻—油—稻为主要种植模式，全镇耕地面积5 030.8 hm2，以机耕机收为主要耕作方式[2]。

为取得代表性样本，建立样本区与监控水系间的关系，选择了不同地理位置（村庄）的水稻种植田共4块，分别位于张大郢、张小郢、王大郢、杨大郢4个自然村庄。

1.2    取样时间与方法

本文研究的农业区域肥西县山南镇地处江淮丘陵地区，以早、晚双季水稻或稻—油—稻为主要种植模式。早稻一般于3月底至4月初播种，7月中下旬收获;中稻一般于4月初至5月底播种，9月中下旬收获;晚稻一般于6月中下旬播种，10月上中旬收获[3]。本次试验分别选择晚稻收割后歇田2个月和4个月后取水样检测分析。根据当地农民水稻收割方式的不同，选择了低稻茬、中、高稻茬和倒伏高稻茬4种收割模式田块[4]。使用塑料样品瓶直接灌取田间浸水（农田尾水）带回实验室，10 h内完成检测分析。

1.3    檢测内容与方法

针对田块中水样，主要检测水质中的CODCr、NH3-N、TP、pH值等4项指标，均采用国家标准检测分析方法和质量控制方法[5];另采集了2条汇流排水渠、入杨湾河处上下游各1 000 m河道断面水样，同步进行检测分析。

1.4    农田灌溉退水（尾水）水量—水质模型验证

在农田灌溉过程中，水以雨水或者灌溉水的形式进入土壤表层，以地表径流的形式流到河道或者其他水域，中间还有一部分下渗和蒸发损失，模型主要研究农田灌溉退水的营养物质浓度，地表水水量的变化是模型研究的核心。

1.4.1    水量平衡模型[6]。公式如下：

ΔV/Δt=QI+PhS-ES-L-Q0（1）

式（1）中：ΔV—农田时段蓄水量增量（m3）;QI—时段平均灌溉流量（m3/s）;Q0—时段平均退水流量（m3/s）;Ph—时段降雨强度（mm/s）;E—时段蒸发强度（mm/s）;S—灌区灌溉面积（km2）;L—时段平均下渗量（m3/s）。其中：E=kp E0—时段水面蒸发强度（mm/s），kp—折算系数，与地表植被类型有关的常数。

1.4.2    营养物质模型。公式如下：

ΔCpV/Δt=CIQI+F+RPPS-KlCPL+GP+C0Q0（2）

式（2）中：ΔCp—灌区营养物质浓度的增量（mg/L）;V—时段蓄水量（m3）;CI—灌区入流营养物质浓度（mg/L）;C0—灌区出流营养物质浓度（mg/L）;RP—降雨水质营养物质浓度（mg/L）;F—为使用化肥或肥料对营养物质浓度贡献量;GP—单位面积作物生长吸收营养物质的总量（t/s）。其中：F=kcs，kc—化肥施用系数[t/（km2·s）];GP=Gf Per，Gf—时段粮食产量（t/s），Per—粮食中营养物质含量（%）。其他符号同水量平衡模型。

1.5    数据来源和边界条件的设定

本文选择一个灌溉周期作为计算时段，农田蓄水量得凈增量取0，降雨采用丰乐河水文站实测资料，由式（1）推求灌溉退水流量如下：50%保证率下，枯水期为106.7 m3/s、平水期为88.1 m3/s、丰水期为69.3 m3/s;85%保证率下，枯水期为123.9 m3/s、平水期为106.9 m3/s、丰水期为62.1 m3/s;95%保证率下，枯水期为154.1 m3/s、平水期为143.6 m3/s、丰水期为83.7 m3/s。化肥中氮、磷的使用量根据投入系数kc和农田面积来计算。按肥西县统计局提供的2017年统计年鉴估算农田化肥投入中总氮和总磷投入系数kc为TN=0.88、TP=0.32;氮、磷吸收量通过试验区粮食产量和作物氮、磷含量来估算，山南镇稻谷为主要作物，氮含量为0.63%，磷含量为0.11%[8]。

2    结果与分析

2.1    农田尾水水质检测情况

样本田块统计情况如表1所示。歇田2个月和4个月后取水样检测分析结果分别如表2、表3所示。可以看出，田间浸水呈弱酸性，符合水稻秸秆浸沤特性。田间浸水CODCr值较高，远远超过地表水Ⅲ类标准，为主要水质污染项目，浸水中NH3-N、TP数值不高，对水质影响较小。农田尾水（秸秆浸水）中CODCr值与收割方式（留茬高度）成正相关，即茬越高，CODCr数值越大。农田尾水（秸秆浸水）中CODCr值与收割后时间长短成正相关，浸水时间越长，CODCr数值越大。农田尾水（秸秆浸水）对杨湾河地表水环境的影响极大，为明显的正输入，因CODCr的贡献，使杨湾河从上游的Ⅲ类水质至下游接受农田尾水（秸秆浸水）后变差到Ⅴ类水。

2.2    模型推演情况

根据2019年1—4月杨湾河河道水质的监测资料，结合照枯水期情况对磷浓度按（2）式进行验证：枯水期实测入流浓度为0.162、0.201，实测出流浓度为0.108、0.172;3种保证率情况，出流浓度分别为0.257、0.245、0.195，相对误差绝对值<20%，基本达到模型精度要求，这说明采用农田灌溉退水水量水质平衡模型预测灌溉退水营养物质浓度是可行的，从模型上验证了本文试验结果。

3    讨论

分析农田尾水污染源成因：一是农村农民生活模式发生改变，近年来，政府大力推进农村联片整治和美丽乡村建设，农村农民由过去的单居平房转变为楼房集中式居住，采用煤气或电力作为主要生活燃料，农田秸秆不再被农民收割作为生活燃料;二是农业种植模式发生了改变，农民采用机械化作业，收割机只割稻头，在农田把稻谷收上来，留茬高度超过50 cm，导致大量秸秆由旋耕机直接翻覆回田，秸秆量远超过土地实际处理能力，尤其是在双季稻田表现明显，带来极其不利影响，包括农田尾水、农田病虫害防治等，这些存积在农田的秸秆经沤烂后其浸出液随雨水或灌溉退水成为农田尾水，汇入河流形成农业面源污染，而且随着这种耕作模式的延续，污染负荷将逐步加大，且呈周期性变化;三是政府实施秸秆焚烧进一步加剧了作物秸秆被弃之田间地头，甚至直接推入沟渠、塘坝，造成水体污染。

根据试验结果，综合水质污染成因，提出以下秸秆型农田尾水防治建议：一是加大秸秆综合利用能力建设，减少秸秆返田数量至合理的平衡点，从源头上减少高浓度农田尾水的产生;二是调整农业产业结构，实施旱作水作轮休轮耕，提高土壤容量和缓冲能力;三是水稻田尾水水质碳氮比严重失调，呈现明显酸性，不合适微生物降解，不宜采用工程方法去除其化学需氧量，应充分发挥沟塘坝渠的拦截、沉淀、过滤作用[7]，降低入河量;四是探索利用生态水渠，种植常绿水生植物，选择吸收COD优势品种，在农田尾水汇流和集聚过程中，阶层化降低COD浓度，提高水体自净能力;五是发展精细灌溉体系，控制入田径流量，通过对水源、输送、分配、灌溉、耗散各环节的合理、精准控制，利用计算机模拟、反馈，实现整个灌溉的自动化控制，最大限度地减少过剩水的输入，可以提高水资源的利用效率，防止在田间产生过量尾水，灌溉效率可达到85%以上[8]。

4    参考文献

[1] 殷福才，张之源.巢湖富营养化研究进展[J].湖泊科学，2003（4）：37-39.

[2] 何颖，张斌.小井庄改革先行者发展领头雁[J].乡村经济，2007（6）：51-52.

[3] 张钰驰.优质水稻栽培技术及病虫害防治措施[J].农村实用科技信息，2011（8）：53-54.

[4] 罗德强.水稻栽培生理研究[J].贵州农业科学，2019（1）：37.

[5] 文泽东.质量控制在水质分析化验中的应用分析[J].中国石油和化工标准与质量，2018（8）：61-62.

[6] 刘洪飞，王伟，魏欢.农田灌溉退水水量及水质平衡模型分析[J].河南水利与南水北调，2015（5）：44-45.

[7] 李云龙.农田尾水生态拦截与修复的工程技术[J].中国科技信息，2014（19/20）：84-85.

[8] 张万顺，乔飞，彭虹，等.灌溉退水对河流水质影响研究[C]//中国水利学会2005学术年会论文集—水环境保护及生态修复的研究与实践.南昌：中国水利学会2005学术年会，2005.