南方典型水稻种植区氮、磷排放及迁移规律研究

廖伟

摘要：研究了赣抚平原灌区灌溉水渠、双季稻高标准种植示范区排水、单季稻为主农民种植区排水水质氮、磷迁移时空变化规律。研究结果得出，灌溉期间灌溉用水、示范区沟、示范区塘、农民种植区沟、农民种植区塘总氮平均值分别为（1.35±0.33）、（1.21±0.67）、（0.62±0.25）、（2.62±1.57）、（2.52±1.43） mg/L，总磷平均值分别为（0.04±001）、（0.06±0.05）、（0.02±0.01）、（0.25±0.11）、（0.26±0.14） mg/L。灌溉水渠总氮峰值分别出现在5月和8月，总磷峰值分别出现在4月和8月;示范区总氮峰值分别出现在5月和8月，总磷峰值分别出现在4月和8月;农民种植区总氮峰值出现在6月，总磷峰值出现在4月。稻田排水总氮、总磷与水稻种植农事活动相关，排水中总氮迁移速度和消除速度高于总磷。研究结果可以为水稻种植区农业面源污染治理、湖泊富营养化防治提供参考。

关键词：面源污染;富营养化;水稻种植;氮磷迁移

中图分类号： X712文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）05-0216-05

2010年环境保护部、国家统计局、农业部公布的全国污染物普查公报指出：农业污染中种植业总氮流失量1.60×109 kg，总磷流失量1.09×108 kg，占农业污染源的59.1%和38.2%[1]。水稻是我国种植最广的粮食作物之一，虽然单产量高于玉米、小麦等粮食作物，但其耗水量也高于其他粮食作物。水稻生产过程中需要大量灌溉用水，同时也会产生大量排水，化学肥料伴随排水流入环境中，使得水稻种植业成为农业面源污染氮磷排放的重要来源。

鄱阳湖平原地区是我国重要的水稻产地之一[2]。根据江西省水资源公报提供的数据，2017年全省总用水量2.48×1010 m3，其中农田灌溉用水占59.5%，达1.48×1010 m3[3]，稻田排水在鄱阳湖水环境的改变中扮演了重要角色。随着鄱阳湖流域人口的增加和社会经济的快速发展以及农田生态系统中化肥用量和耕作强度的不断增加，农田土壤中的氮磷含量和农田氮磷的流失量也在不断增加，受纳地表水体的富营养化趋势不断加剧，地下水的硝酸盐含量增加，给环境管理带来了风险。面源污染成为全球水环境的重要污染源，是造成江河湖泊水体富营养化的主要推手。近期鄱阳湖水量水质监测数据显示，鄱阳湖水量持续减少，水质状况持续变差，鄱阳湖环湖流域农业面源污染越来越受到人们关注。

鄱阳湖流域的水环境健康状况将不仅关系到周围地区每一个老百姓的切身利益，还与鄱阳湖生态经济区的发展密不可分。选取南方鄱阳湖平原典型水稻种植区——赣抚平原灌区作为研究区域，监测区域内灌溉用水、双季稻高标准种植区（示范区）稻田排水、单季稻为主农民种植区（农民种植区）排水水质氮、磷的时空变化，进一步分析典型水稻种植区氮、磷排放规律，研究结果可以为水稻种植区农业面源污染治理、湖泊富营养化防治提供参考。

1 研究区域概况

赣抚平原灌区位于江西省中部偏北的赣江和抚河下游三角洲平原地带，为江南最大的引水灌区，设计灌溉面积8.0万hm2，有效灌溉面积667万hm2。赣抚平原灌区以水稻种植为主，是江西省的粮食主要产区。研究区域多年平均气温、日照时数、多年平均降水量、蒸发量等气候特征见文献[13]。尽管南方地区降水量充沛，但受季风气候的影响，降雨的时间和空间分布并不均匀。因此，在南方水稻种植区域修筑了大量的灌溉水渠，用于水稻等需水作物灌溉，必要时还可以排涝，以保障农业和农村用水需求。

在赣抚平原灌区选取灌溉水渠、示范区和农民种植区等3种不同灌（排）水为研究区域，监测不同区域灌（排）水中氮、磷含量变化情况。

2 研究方法

2.1 监测点布置与取样

选取赣抚平原灌区西总干渠为灌溉水渠代表，其水源为江西第二大河流抚河引水，其中灌溉期为3月至10月，水位较高，用以满足灌区农业用水，11月至次年2月为非灌溉期，水位较低，仅维持适当的景观用水。灌溉水渠上游以双季稻种植为主，接纳部分农业排水，根据试验设计从上游往下游分别设置了4个监测点。双季稻高标准种植示范区位于江西省灌溉试验中心站高田试验基地，其排水沟和水塘于2016年3月改造完毕，主要承接水肥高效利用双季稻种植为主的排水，改造内容有排水沟、水塘疏浚，种植湿地植物，构成简单的生态沟和生态塘，设置9个监测点，其中生态排水沟6个点，生态塘3个点。农民种植区位于江西省南昌市向塘镇高田村委礼坊自然村，于2016年4月改造完毕，改造内容有排水沟疏浚，部分护坡处理，在农民种植区构成简单的生态沟和生态塘。由于该区域农民离县城近，外出打工较多，务农劳动力缺乏，以单季稻种植为主，设置13个监测点，其中排水生态沟7个点，生态塘6个点。监测点分布见图1，命名见表1。

灌溉水渠取样点每个断面布置1条水样垂线，在垂线水面1/3处取样，每个水样1 000 mL;示范区取样点为每个生态沟断面中心位置和生态塘中心位置;农民种植区取样点为每个生态沟断面中心位置和生态塘进出口处中心位置。取样时间均为2017年1—12月，每月中旬取样1次。

2.2 样品测试

总氮含量测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[14]，总磷含量测定采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法[15]，每个样品测试2次，取平均值。

2.3 数据处理

使用谷歌地图软件对研究区域进行点位标识;利用SPSS 22.0软件进行数据处理，并采用单因素方差分析两两比较對数据进行显著性比较;应用Origin 9.1 Pro软件作图。

3 结果与分析

3.1 灌溉水渠水质氮磷含量变化规律

如图2所示，灌溉水渠总氮、总磷的平均值分别为（1.35±0.33） mg/L和（0.04±0.01） mg/L。总氮在3月、4月持续升高，5月出现峰值后，6月、7月明显降低，进入8月再次出现峰值，9月、10月总氮达到较低水平;总磷在3、4月持续升高，并在4月达到峰值，随后逐渐降低，降低速度慢于总氮，进入8月再次出现峰值，9、10月逐渐降低，降低速度慢于总氮。综合上看，灌溉期间灌溉水渠总氮峰值分别出现在5月和8月，而总磷为4月和8月，水质总磷的迁移消减速度低于总氮。

3.2 示范区排水水质氮磷含量变化规律

如图3所示，示范区生态沟总氮、总磷分别为（1.21±0.67）、（0.06±0.05） mg/L;生态塘总氮、总磷分别为（0.62±0.25）、（0.02±001） mg/L。生态沟总氮在3、4月持续升高，5月出现峰值后，6、7月明显降低，进入8月再次出现峰值，9、10月再次到较低水平;总磷在4月达到峰值，随后逐渐降低，进入8月再次出现峰值，9、10月逐渐降低，降低速度慢于总氮。受生态沟来水的影响，生态塘氮、磷含量变化规律与生态沟接近，总氮峰值均出现在5月和8月，但总磷峰值出现在5月和8月;受水流速度的影响，水质总磷、总氮变化范围低于生态沟;受氮、磷迁移速度的影响，生态塘中总磷在4月迅速升高后，在5月达到峰值。

3.3 农民种植区水质氮磷含量变化规律研究

如图4所示，农民种植区生态沟总氮、总磷分别为（2.62±1.57）、（0.25±0.11） mg/L;生态塘总氮、总磷分别为（2.52±1.42）、（0.26±0.14） mg/L。生态沟总氮在3、4月持续降低后，6月出现峰值，7月后明显降低，9月达到最低水平;总磷在4月达到峰值，随后逐渐降低，6、7月稍微升高，但无明显差异，总磷的迁移速度稍低于总氮。受生态沟来水的影响，生态塘氮、磷含量变化规律与生态沟接近，总氮峰值出现在6月，总磷峰值出现在4月，但是生态沟水质总磷6月有1个小峰，而生态塘推迟到7月，说明水体中总磷的迁移消减速度低于总氮。

4 讨论与结论

化肥的施用在提高作物产量的同时，也增加了种植区氮磷污染的风险。示范区2017年双季稻早稻在3月20—22日播种，4月19—21日移栽，7月18—20日收割;晚稻在6月19—21日播种，7月21—22日移栽，10月24—26日收割。以示范区早稻为例，水稻种植期间氮肥不仅施用强度高于磷肥，施用时间跨度也大于磷肥。一般来说，磷肥全部在基肥，施肥时间约在4月中旬，氮肥则为基肥、移栽后 10 d 分蘖肥和移栽后35～40 d拔节孕穗肥，施肥时间为4月中旬至5月底。所以在4月施用基肥后，磷素随着稻田排水，进入生态沟和生态塘，导致总磷增加，而氮素虽然在施用基肥后有所升高，但是后面的追肥让排水中总氮的含量进一步增加，因此，水稻种植区排水中氮磷含量受水稻农事活动影响较大。示范区的监测结果表明排水中总氮、总磷同时升高，但时间上总氮峰值在5月，晚于总磷（峰值在4月）。稻田排水总氮和总磷迁移速度表现为总氮迁移和消除速度高于总磷。唐国华等研究指出氮磷污染物入湖后，鄱阳湖湖区总氮消减速度快于总磷[16]，与本研究结果一致。

目前农业面源污染治理技术应用较多的是排水沟和塘堰湿地净化技术。潘乐等指出塘堰湿地能有效降低农田面源污染的氮磷排放[17]，吴永红等也将拦截作为减少面源污染的重要措施[18]。本研究通过构建生态沟，保证充分的塘堰湿地面积，监测得到稻田排水氮磷含量可达到地表Ⅲ类水，与多数研究结论一致。另外，研究发现冬季非灌溉期间灌溉水渠和农村排水水系氮、磷含量较高，主要是由于灌溉水渠引水减少导致水量不足以及冬季水体自净能力差引起，适当增加冬季非灌溉期间农村灌溉水系流量，有利于提升冬季农村水系水环境质量。

控制水体中氮、磷含量是农业面源污染研究的重点，本研究以水稻种植区域为研究对象，区分不同种植模式和不同过水方式，研究了排水中总氮、总磷在农业沟塘中的随时间变化的规律，得出以下结论和展望：（1）灌溉水渠和示范区总氮峰值分别出现在5月和8月，总磷峰值分别出现在4月和8月;单季稻农民种植区总氮峰值出现在6月，总磷峰值出现在4月。排水中总氮、总磷含量同水稻种植农事活动（施肥时间）相关，排水中总氮迁移速度和消除速度高于总磷。

（2）构建生态沟，保证充分的塘堰湿地面积，可有效降低种植区排水氮磷的含量。

（3）进一步研究排水氮磷差异规律的机理机制，充分利用氮磷迁移速度的差异，可为水体富营养化治理提供新的发展思路。

参考文献：

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