春耕稻田滞水减排控制面源污染效果研究

廖海玉

(四川久远环保安全咨询有限公司，四川 绵阳 621000)

水稻是我国南方最主要的粮食作物，播种面积大，氮磷肥和农药施用水平高，农田排水造成氮磷等营养物质流失已成为南方农业面源污染的主要来源之一。根据第一次全国污染源普查公报[1]显示，种植业总氮、总磷流失量分别为159.78万t·a-1、10.87万t·a-1，分别占农业面源污染的59.08%和38.18%，稻田中的营养物质一部分为农作物利用，其余大部分被农田排水和地表径流携带至地表水体，造成水体富营养化等问题[2-5]，而延长灌溉水在田间的滞留时间，有利于净化稻田水质。南方水稻春耕时期，耕作后立即排水，引起农田氮、磷等污染物大量转移到水体，造成水体面源污染。因此，研究稻田春耕后田面水中氮磷时空分布特性以及氮磷滞水减排效率，对于控制农田面源污染和保护水环境具有重要意义[6,7]。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为湖南农业大学“耘园”试验基地的红壤稻田土，土壤的基本理化性质为有机质约0.4%、全氮约0.02%、速效磷约5mg·kg-1。

1.2 试验设计

于湖南农业大学“耘园”试验基地，选用6个模拟稻田试验小区(每个小区长3m、宽1.5m、高0.7m)，对称排成2列，模拟稻田中间为1条灌水渠，两边各有1条排水沟渠，试验小区内稻田土深约50cm，小区外侧用PVC板做成排水堰，排水堰上距离土壤表层设置不同高度(3cm、6cm和9cm)的PVC排水管(管外口带塞)，管口水平朝外，试验取样时，打开PVC管塞，小区内田面水从排水管中流出。

根据湖南长沙水稻栽培状况设计模拟试验，供试土壤为湖南农业大学试验基地的红壤稻田土，灌溉水为地下水，经蓄水池放置7d后使用。根据天气预报选择无雨天气，对模拟稻田进行灌水，保持模拟稻田土壤湿润，灌水3d后在稻田内模拟耕作稻田土壤，试验期间，未对稻田土进行施肥，耕作结束后保持模拟稻田蓄水深度10cm以上。于耕作结束后1h、1d、2d、3d、4d从排水堰的排水管定时取水样测定田面水中氮、磷等含量。

1.3 水样采集与测定

模拟稻田耕作后，在各试验小区，按不同时间段、不同采样深度采集田面水水样，注入1L塑料瓶中混合。水样分析前混匀，并分成5份，分别用于测定水中氮磷等含量。水样总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；硝氮(NO3--N)采用酚二磺酸分光光度法；氨氮(NH4+-N)采用纳氏试剂比色法；水样总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法[8]。

2 结果与分析

2.1 稻田田面水中氮素的时空分布特性及减排效果分析

2.1.1 稻田田面水中氮素的时空分布特性

稻田耕作后，田面水中氮素的时空分布特性见图1A～C，田面水中总氮、氨氮、硝酸盐氮的含量随时间的延长呈逐渐降低趋势，稻田耕作后田面水中氮素在1h后浓度最高，总氮、氨氮、硝酸盐氮在第1天内下降较快，随后减慢，其中田面水中氨氮下降速度最快，氨氮浓度降至第1天开始平稳，总氮、硝酸盐氮浓度降至第2天开始平稳，其原因可能是土壤中原有的氮素在土层扰动下，迅速释放到田面水中，同时田面水中富含氮磷的悬浮物增多，随着时间推移，水中部分氮素被悬浮物吸附，随后逐渐沉淀下来。

从排水堰6cm高排水口取水样，测定总氮含量随时间的变化呈指数模型变化趋势(y=5.9004e-0.2571x，R2=0.9161)，表明总氮的时间分布与蓄水时间呈明显相关关系。从排水堰3cm高排水口取水样和9cm高排水口取水样，总氮含量也呈相似的分布趋势。

在取样第1天，田面水中总氮含量随田面水高度(取水口高度3cm、6cm、9cm)呈指数变化趋势(y=7.7112e-0.3302x，R2=0.8526)，在其它取样时间段，总氮的空间分布也呈相似变化趋势。

2.1.2 稻田田面水中氮素减排效果分析

在试验条件下，稻田耕作后如果要排水，相对于排干田面水，若田面水排水至3cm深，总氮浓度可减排约45.2%。

稻田耕作后同一蓄水高度内，田面水中氮素浓度随时间的延长呈降低趋势。若田面水排水至3cm深，相对于耕作1h后排水，延迟1d排水可减少总氮、氨氮、硝酸盐氮排放浓度分别约65.5%、88.7%、15.4%；延迟2d排水可减少总氮、氨氮、硝酸盐氮排放浓度分别约86.2%、94.6%、71.2%。

综上所述，稻田耕作后，同一时间田面水中氮磷浓度随田面水水深高度从上到下依次升高，随滞水时间延长浓度降低。因此，春季稻田耕作后滞水缓排可以明显控制农田氮、磷随排水流失，减轻农田面源污染，结合农业生产的实际要求，稻田耕作后，如果蓄水2～3d，保持稻田3cm左右田面水，可减排春耕稻田随排水迁移流失的氮素污染物86.2%，有效减轻春季农业面源污染。

2.2 稻田田面水中磷素的时空分布特性及减排效果分析

2.2.1 稻田田面水中磷素的时空分布特性

稻田耕作后，田面水中磷素的时空分布特性见图1D，总磷含量随时间的变化呈降低趋势，田面水中磷素浓度1h达到最大，田面水中3种不同水深高度(排水堰3cm、6cm、9cm)的磷素浓度分别为1.86mg·L-1、1.82mg·L-1、1.69mg·L-1。2d后田面水磷含量降低趋势开始平稳，其原因可能是春耕对模拟稻田耕作层的扰动，使得田面水中含磷悬浮物增加和土壤中的磷素进入田面水中，导致田面水中磷素浓度1h达到最大，随着时间延长，水中磷素被悬浮颗粒吸附，随之悬浮颗粒逐渐沉降，田面水中磷含量降低。

田面水6cm深，水中总磷含量随时间的变化呈指数模型趋势(y=2.3636e-0.692x，R2=0.9062)，表明总磷含量的时间分布与蓄水时间呈明显相关关系。

稻田耕作后第1天，田面水中总磷含量随3种不同高度水深(排水堰3cm、6cm、9cm)呈指数模型变化趋势(y=1.3233e-0.5294x，R2=0.95)，从图1中可以看出，稻田耕作后的其它时间(耕作后2d、3d、4d)，田面水中总磷含量的空间分布也呈相似变化趋势。

在耕作后，同一时间(耕作后2d、3d、4d)，田面水中磷素浓度随水深高度(排水堰3cm、6cm、9cm)从上到下依次升高，即ρ(TP)3cm>ρ(TP)6cm>ρ(TP)9cm。

2.2.2 稻田田面水中磷素减排效果分析

在试验条件下，稻田耕作后如果要排水，相对于排干田面水，若田面水排水至3cm深，总磷浓度可减排约38.7%；相对于耕作1h后排水，延迟1d排水可减少总磷浓度排放约71.5%，延迟2d排水可减少总磷排放约85.3%。由试验可见，延长稻田排水时间可显著减少磷素排放。

综上所述，春季稻田耕作后滞水缓排可以明显控制农田磷素流失，减轻农田面源污染。结合农业生产的实际要求，稻田耕作后，如果蓄水1d，保持稻田3cm左右深的田面水，可以减排春耕稻田随排水迁移流失的磷素污染物71.5%，有效减轻春季农业面源污染。

3 结论

春耕时期模拟稻田进行耕作后，在不同时间段，不同采样深度采集田面水水样，分析氮磷时空分布特性和氮磷等随排水迁移转化规律可知，稻田耕作后，田面水中氮、磷等污染物在1h浓度达到最大，之后随排水时间延长而降低，春耕造成土层扰动，土壤中的氮磷释放进入水中而使氮、磷等污染物浓度升高，延长排水时间，氮磷沉降，从而减少田面水中氮磷含量；稻田耕作后，田面水中氮、磷等污染物随排放时间的变化呈降低趋势，控制排水高度，即抬高出水口水位，排水流速减小，水中氮磷浓度降低，由于水位抬高，土壤的厌氧条件也随之加强，微生物反硝化作用加强。随着排水时间延长，氮素浓度迅速降低；稻田耕作后，田面水若延迟1d排水，可减少总氮、总磷排放浓度分别约65.5%、71.5%，延迟2d排水，可减少总氮、总磷排放浓度分别约86.2%、85.3%；稻田耕作后，因田面水中总氮、硝酸盐氮、氨氮浓度随田面水滞水时间的延长逐渐降低，所以稻田耕作后滞水缓排可以明显控制农田氮素流失，减轻农田面源污染。结合农业生产实际，稻田耕作后，若蓄水2～3d，保持稻田3cm左右深的田面水，可减排氮磷污染物，有效减轻春季农业面源污染。