水稻再生水灌溉下的节水减排效果

韩焕豪，刘鑫焱，高 蓉，崔远来，顾世祥

（1.昆明理工大学现代农业工程学院，昆明650559；2.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明650021；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072）

0 引 言

伴随着农业领域水资源供需矛盾的不断加剧，将由养殖废水处理优化得来的再生水运用到农业生产种植逐渐获得广泛重视[1-3]。再生水替代常规水资源灌溉同当前水资源需求量的快速增长相适应，通过减少排入地表的水体的污染物质降低废弃污水的处理成本[4]。然而随着农业再生水运用规模的扩大，再生水灌溉的安全性日益引起人们的重视[5]。相对于天然淡水，再生水通常具有更高的氮素及有机质等养分含量，其用于农业灌溉一方面可以减少化肥的使用，提高农业作物产量，产生明显的经济效益[6]，但另一方面其污染物流失可能会对环境造成潜在影响[7,8]。因此，探究适当比例再生水混合灌溉[9]对合理利用非常规水资源和缓解面源污染具有重要意义。

水稻是中国耗水耗肥最多的作物之一[10]，而稻田过量施肥及不合理灌溉不仅造成了严重面源污染问题，还显著降低了水肥利用效率[11]。为探究水稻种植过程中对环境的影响，采用化肥、有机肥及缓控释肥等肥料[12,13]，以及间歇灌溉、干湿交替、控制灌溉等节水灌溉模式的水肥综合调控试验研究[14-17]已较多。而采用再生水代替稻田施肥及灌水的研究还较少，稻田再生水灌溉过程中的环境影响效应还不清楚。为此，本试验根据试验区所在的洱海流域稻田种植广布且养殖废水体量大[18,19]的现实条件，结合稻田湿地生态系统中水稻生产需水、需氮磷量大的特点，研究分析稻田不同灌溉模式下，再生水代替清水灌溉后的氮磷流失规律、氮磷消纳能力，探求再生水利用过程中的水肥替代率及环境影响效应，为水稻种植过程中高效、生态地利用再生水提供了一定的理论依据及技术支持。

1 试验材料与设计

1.1 试验区概述

试验在大理洱海西侧喜洲镇作邑村的农业农村部大理综合环境监测站（100°07′43″E， 25°49′59″N，海拔1 975 m）水稻田中进行。试验区土壤容重为1.14 g/cm3，容积田间持水率为47.2%，容积饱和含水率为55%。土壤为粉砂质壤土，平均粒径为19.26 μm。试验区属低纬高原，属于典型的低纬度高原季风气候，干湿季度分明，降雨丰沛，主要集中于5-10月，占全年降雨量的85%～95%，年均降雨量为1 078.9 mm，另四季温差不大，年平均气温为15.1 ℃，最近15年的年平均日照时间为2 439 h。田间试验初始土壤总氮（TN），总磷（TP），总钾，铵态氮（NH4+-N）和硝酸盐氮（NO3--N）含量分别为4.1 g/kg、1.56 g/kg、15.4 g/kg、4.2 mg/kg和5.88 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2020年在田间小区中进行，每个小区面积为54 m2（12 m×4.5 m），各小区用高和宽均为40 cm 的田埂隔开，田埂使用埋深40 cm 的塑料薄膜包裹以防止不同试验区侧向水分养分运移。其他田间管理措施均相同。试验设置淹水灌溉FI 及间歇灌溉AWD 两种灌溉模式，通过控制水层深度以确定灌水量，具体各生育期水层控制标准如表1 所示。3 种施肥方式：F1（全生育期清水灌溉+施全部化肥）、F2（分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）及F3（返青期、分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）。共计取5 个处理（FIF1、FIF2、FIF3、AWDF1、AWDF2），未设置AWDF3 处理的原因是考虑到AWD 模式下灌水量较少，随再生水水体带入氮素不足，后期需施大量化肥以满足水稻正常养分需求，与AWDF1处理差异不大。每个处理设置3 个重复，共15 个小区。清水取自站内沟渠，水源主要来自苍山溪水，其输入氮磷含量较小，可忽略不计。

表1 不同灌溉模式下田间水层控制标准 mmTab.1 Field water layer control standards under different irrigation modes

各处理总施氮量均为193 kg/hm2（以纯氮记），施磷（P2O5）、钾（K2O）量均为62.5 kg/hm²。清水灌溉处理（F1）的氮肥施肥比例为蘖肥：穗肥为7∶3，磷肥和钾肥在施加蘖肥时一次性全部施入。对于再生水灌溉下的F2和F3处理，钾肥同样于蘖肥施加时一次性施入。氮肥和磷肥的施加量则以50%水平年（1980年）稻季降雨资料为依据，结合试验再生水基础氮、磷浓度，设计出施肥制度，扣除预估的再生水灌溉带入的氮、磷量，即为蘖肥及穗肥所需补充的化肥氮、磷量。又参照2020年稻季降雨情况与设计施肥制度所用50%水平年存在的差异，再生水灌溉下小区实际施肥状况如表2 所示。再生水的氮、磷含量于试验前到现场调研化验，多次取样测得含氮量在30 mg/L 左右，含磷量在2 mg/L 左右。施入的化肥中氮肥种类为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。试验采用水稻品种为03鉴44。

表2 再生水灌溉处理小区实际施肥制度Tab.2 Actual fertilization system for reclaimed water irrigation treatment plot

1.3 观测内容及方法

（1）田面水在水稻各生育期末、产生排水以及施肥后第1、3、5、7、9天分别进行取样，水样用聚乙烯瓶采取，低温保存。

（2）在各处理田块植入深度分别为20 cm、40 cm、60 cm的地下水溶液提取器对地下水进行取样化验。

（3）水样TN 观测采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[20]，TP观测采用钼酸铵分光光度法[21]，铵态氮观测采用纳氏试剂比色法[22]，硝态氮观测采用紫外分光光度法[23]，COD 观测采用重铬酸盐法[24]。

（4）排水量：根据灌、排水前后田间水层深度的差值进行计算。

淋溶量：在田间安装钢板测渗筒（有盖），每日早8∶00用水尺观测测渗筒水深变化，筒内每日水深之差即为淋溶量。注意保持测渗筒中水层深度与田间水层深度基本持平，避免侧渗。

（5）田间TN、TP流失及淋溶负荷按式（1）计算：

式中：T为N、P损失总量，kg/hm2；i、n分别为水稻生育期日序号和全生育期天数；Ci为第i日所取田面水、地下水中N、P浓度，mg/L；Qi为第i日田间排水量或淋溶量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同处理下稻田田面水氮磷浓度变化及径流损失负荷量

2.1.1 田面水氮磷浓度变化

不同处理下稻田田面水氮素浓度变化如图1 所示。由图1可知，NH4+-N 峰值与TN峰值同步出现，一般出现在施肥或灌再生水的第2 天，而NO3--N 的峰值出现的时间位于NH4+-N 之后，这主要是因为NO3--N 是由NH4+-N经硝化反应所得，而硝化过程需要一定的时间[25,26]。因此有研究人员认为NH4+-N 是施肥初期田面水的主要监测因子，NO3--N 是后期主要监测因子[27]。清水灌溉F1 处理下，施分蘖肥和穗肥之后稻田田面水TN 浓度迅速增加后迅速下降。再生水灌溉与清水相比，施肥次数较多，氮素浓度随着灌水而增加，后又降低；与F1 处理相比，氮素浓度峰值出现次数较多但峰值较小。F1 处理下，两种灌溉模式下的氮素浓度峰值差异较小，主要是因为施肥时水层差异较小。而在F2、F3 处理下，再生水的含氮量差异较小，两种灌溉模式下的田面水氮素浓度峰值与再生水灌水量有关，灌水量越大，氮素浓度峰值越高。

图1 不同处理下稻田田面水氮素浓度变化Fig.1 Changes of nitrogen concentration in paddy field surface water under different treatments

田面水TP 浓度变化规律与TN 一致，田面水TP 浓度峰值也出现在灌再生水或施肥以后（图2）。清水灌溉处理的峰值只有一个，约为4.5 mg/L。与清水灌溉相比，再生水灌溉TP浓度峰值出现次数较多且数值小，约为2 mg/L。磷素不易移动，两种灌溉模式下的TP浓度整体差异不大。

图2 不同处理下稻田田面水TP浓度变化Fig.2 Changes of TP concentration in paddy field surface water under different treatments

2.1.2 氮磷径流损失负荷量

由表3 可知，整个稻季7月份排水次数较多，9月份则单次降雨量较大，导致9月份单次排水量较大，但此时水稻已接近收割，田面水中氮磷较少，造成的氮磷损失相对较少。AWD 模式比FI 模式平均减少排水30.9%。AWD 下TN、TP 平均径流负荷分别为1.34 和0.32 kg/hm2，FI 模式下TN、TP 平均径流负荷分别为3.42 和0.81 kg/hm2，AWD 比FI 分别减排了60.8%和60.4%。由图1 和图2 可知，AWD 下田面水氮磷浓度较FI 大，但因其排水量较FI 小，且差距显著，使得AWD 下TN、TP径流负荷小于FI处理。

表3 稻田排水氮磷负荷统计表 kg/hm2Tab.3 Statistical table of nitrogen and phosphorus load in paddy field drainage

由于每次再生水灌溉均带入氮磷元素，田面水层的深度难以得到有效控制，无法有效地通过保持施肥前后田面水处于较低水平的方法避免排水的发生从而减少氮磷流失，导致其氮磷径流负荷较清水灌溉高，再生水灌溉的氮磷流失量平均值分别为2.65 和0.62 kg/hm2，比清水灌溉平均高0.55 和0.14 kg/hm2，分别增加26%和28.6%。可见，再生水灌溉会因其带入肥料的分散性，使排水氮磷浓度无法得到控制而增加氮磷流失风险，这与化肥施加总量一定的情况下增加施肥次数可以减少氮素损失的研究结果[28]不一致，主要是因为多次灌再生水带入肥料与传统意义上的增加施肥次数不同。

2.2 不同处理下稻田地下水氮磷浓度变化及淋溶损失负荷量

2.2.1 地下水氮磷浓度变化

由图3知，各深度地下水TN 浓度变化规律与田面水相似，都是在施肥或灌再生水后增大，随后逐渐减小。随着深度的加深，地下水TN 浓度大体上呈降低的趋势。从20 cm 到40 cm降低的趋势较为明显，20 cm 处地下水的TN 浓度变化范围为0.77～18.76 mg/L，40 cm 处的变化范围为0.53～8.09 mg/L，60 cm 处TN 浓度变化范围为0.11～7.83 mg/L；40 cm 到60 cm 地下水TN浓度降低幅度较小。

图3 不同处理下各深度地下水TN、TP浓度变化Fig.3 Changes of TN and TP concentrations in groundwater at various depths under different treatments

20 cm 处地下水TP 浓度的变化范围为0.02～1.84 mg/L，40 cm 处为0.06～0.9 mg/L，60 cm 处为0.01～0.96 mg/L，也是从20 cm 到40 cm 降低较快，40 cm 到60 cm 浓度降低不明显。主要原因是20～40 cm 深土壤为稻田犁底层，质地比较致密，对地下水中氮磷有较大拦截净化作用。

2.2.2 氮磷淋溶损失负荷量

试验区地下水埋深较浅，加上田埂防渗深度仅为40 cm，60 cm 层淋溶水TN、TP 浓度受外水影响较大，仅以20 cm 和40 cm 层的TN、TP 平均浓度来计算各处理各生育期的TN、TP淋溶负荷，计算得TN、TP淋溶负荷如表4所示。

由表4 可知，FI 下TN、TP 平均淋溶负荷为3.93 和0.5 kg/hm2，分别比AWD 高28.4%和55.1%。李荣刚等[29]对稻田的研究也证实了节水灌溉相比常规灌溉可减少氮素淋溶损失量，提高氮肥当季利用率。再生水灌溉下TN、TP 平均淋溶负荷分别为3.35 和0.39 kg/hm2，分别比清水灌溉减少11%和3%。FI模式下，返青期灌再生水处理FIF3与FIF2相比，TN、TP淋溶负荷相差均不足5%，可见返青期灌再生水在淋溶损失方面与其他再生水灌溉处理相比没有明显差异。

表4 不同处理下各生育期淋溶水TN、TP淋失量 kg/hm2Tab.4 Leaching loss of TN and TP in each growth period under different treatments

2.3 不同处理下稻田COD去除效果

不同处理下稻田田面水COD 动态变化如图4 所示。由图4可知，不同灌溉模式下田面水COD 动态变化差异不明显。清水灌溉处理下田面水COD 浓度在水稻生育期内处于上下波动状态，波动范围为17.7～39.6 mg/L。再生水灌溉处理田面水COD 浓度随着再生水的灌入而变化，灌再生水后田面水COD峰值约120 mg/L，明显高于清水灌溉。灌再生水后4～5 d，田面水COD 浓度降低到与清水灌溉相当的水平，约25 mg/L，去除率达78.2%。停灌再生水后，再生水灌溉处理田面水COD浓度平均浓度为33.8 mg/L，仅比清水灌溉处理平均增加6.5 mg/L，可见稻田生态系统对再生水COD 具有较强的去除能力，再生水灌溉对水稻生育后期田面水COD 浓度影响不大，只使其略微增加。

图4 不同处理下稻田田面水COD浓度动态变化Fig.4 Dynamic changes of COD concentration in paddy field surface water under different treatments

不同处理下各深度淋溶水COD 动态变化如图5 所示。由图5 可知，不同灌溉模式下的淋溶水COD 浓度差异较小，多数情况下AWD 下的COD 浓度略低于FI 模式。淋溶水中COD浓度从20 cm 层到40 cm 层明显减小，20 cm 层COD 浓度的变化范围为11.9～97.6 mg/L，40 cm 层COD 浓度变化范围为8.7～46.4 mg/L，40 cm 层到60 cm 层COD 浓度在13 mg/L 上下小幅度波动。结合图4田面水COD 浓度来看，20 cm 层COD 浓度变化规律与田面水COD 浓度变化规律类似，40 cm 层和60 cm 层COD 浓度变化则未表现出随田面水COD 浓度变化而变化的规律。随着深度的加深，各处理间COD 的浓度的差异减小。可见，稻田生态系统对再生水中有机物的有明显的消解截留作用，具有较好的净化效果。

图5 不同处理下稻田地下渗漏水COD浓度动态变化Fig.5 Dynamic changes of COD concentration in rice field groundwater under different treatments

2.4 稻田对再生水氮磷消纳能力

以再生水灌溉及施肥带入氮磷量为基础，仅考虑径流与淋溶损失两种重要途径流入环境的氮磷量，忽略氨挥发及其他负荷，计算稻田对再生水氮磷的消纳能力[30]。不同再生水灌溉处理下稻田对再生水氮磷的消纳量和消纳能力如表5 所示。由表5 可知，再生水灌溉下，FI 模式对氮磷的消纳量大于AWD，这与FI 模式灌入的再生水量较大有关。表现为在一定范围内，增加再生水的灌入量可以增大稻田对再生水氮磷的消纳量。不同处理对再生水氮、磷的消纳能力差别不大，对氮的平均消纳能力为92%，对磷的平均消纳能力为81%。由此知，灌入氮、磷浓度在合理范围之内的再生水，其氮磷绝大部分能被稻田消纳。

表5 不同再生水灌溉处理下稻田再生水氮磷的消纳量和消纳能力Tab.5 Nitrogen and phosphorus absorption and absorption capacity of paddy field reclaimed water under different reclaimed water irrigation treatments

2.5 不同水文典型年再生水灌溉水量及肥料替代率

以不同典型水文年再生水灌溉制度为依据，分析各水文典型年再生水灌溉替代清水效果如表6 所示。由表6 可知，75%水平年与90%水平年再生水灌溉条件下所需灌水量相同，这与大理地区降雨集中在稻季，75%水平年和90%水平年稻季降雨量接近有关。不同灌溉模式下，AWD 的节水效率高于FI，且在枯水年和特旱年表现更加明显，节水效率的平均值分别为74.8%和73.5%，可见水稻再生水灌溉具有较大节水潜力。

表6 不同典型水文年所需灌清水量及节水效率Tab.6 The amount of fresh water needed for irrigation and water saving efficiency in different typical hydrological years

以不同典型水文年再生水灌溉制度为依据，计算各水文典型年再生水灌溉带入的氮、磷肥量及其对化肥的代替率如表7所示。由表7可知，枯水年和平水年，水稻再生水FI模式带入的肥量与AWD 相同，肥量替代率也相同。这是因为在这两类水文年下，AWD 与FI 在水稻灌再生水的生育阶段，所需的灌水量相同。氮肥的最大带入量为69 kg/hm2，代替效率为35.8%，发生在75%水平年，灌溉模式为FI。从总体上看，水稻再生水FI模式下由再生水带入的肥量较AWD 大，FI带入氮肥量的各水平年均值为51.75 kg/hm2，AWD 的平均值为22.52 kg/hm2。磷肥的带入量和替代率都较小，若再生水TP 浓度较小，可在再生水灌溉过程中不考虑磷的带入量。

表7 不同水文典型年再生水灌溉带入肥量及肥料替代率Tab.7 Fertilizer intake and fertilizer replacement rate brought by reclaimed water irrigation in different hydrological typical years

3 结 论

本文通过对再生水灌溉条件下稻田氮磷流失规律、氮磷消纳能力及COD 去除效果的试验分析，研究再生水灌溉下的节水减排效果，主要得到以下结论：

（1）再生水灌溉下NH4+-N 浓度峰值出现次数多、峰值小且峰值大小与灌入的再生水TN浓度相当，田面水NO3--N的峰值存在延后的现象。AWD 下TN、TP 径流负荷比FI 分别减少60.8%和60.4%，再生水灌溉氮磷径流流失平均值分别为2.65和0.62 kg/hm2，分别比清水增加了26%和28.6%。（2）地下水TN、TP 浓度整体上呈随深度的增加而减小的趋势，20 cm 层到40 cm 层减小较为明显。AWD 因其淋溶量较小使得平均淋溶负荷较小。再生水灌溉平均TN、TP 淋溶负荷分别为3.35 和0.39 kg/hm2，分别比清水灌溉少11%和3%，具有一定降低淋溶损失的效果。（3）稻田对再生水灌溉处理氮的平均消纳能力为92%，磷为81%，灌再生水4～5 d 之后COD 的去除率达78.2%。在合理范围内由再生水灌溉带入稻田的氮磷营养元素，绝大部分能被稻田生态系统消纳去除，几乎不会对环境造成负面影响。（4）再生水灌溉可节约75%左右的清水，FI 模式下由再生水带入的肥量较AWD 大。75%水平年且FI下再生水氮素带入量最大（69 kg/hm2），氮肥的代替效率为35.8%，而磷肥的带入量和替代率都较小。