稻田种植对地表径流污染状况调查研究

张 雷，张 峥，柴 宁，赵丽娟，韩 凌，刘 雅，朱魏伟

1.辽宁省生态环境监测中心,辽宁 沈阳 110161 2.辽宁省营口生态环境监测中心,辽宁 营口 115000 3.辽宁省铁岭水文局,辽宁 铁岭 112000

随着固定源污染治理的成效日益显现，农业生产生活所导致的农业面源污染已成为水环境质量改善的主要影响因素[1]，农药和化肥的不合理使用、农业废弃物无害化处理以及资源化利用不足而产生的农业面源污染，加大了对土壤、水体和空气的环境压力，威胁着我国农业和农村生态环境安全[2-3]。农业是生态文明建设的重要领域，抓紧做好农业面源污染防控工作，有效改善农业生态环境是促进生态文明建设的关键环节[4-5]。因此，农业面源污染不容忽视。农田面源污染地表径流主要指借助灌溉、降水、退水等将农田土壤表面或土体中的氮、磷等水污染物向地表水体径向迁移的过程，是农田面源污染产生的重要途径之一[6]。

水稻作为辽宁省的重要农作物，对辽宁省农业经济发展具有重要意义，辽宁省水稻种植技术整体处于全国先进地位，率先采用水稻早育稀植抛秧、水稻无纺布覆盖育苗、水稻旱直播等节水栽培技术，稻田养蟹、养鱼等水田综合开发节本增效技术也得到普遍应用[7]。国内对稻田面源污染方面的研究，着重于理论方面的现状和对策研究，缺少能够确定污染程度的相关数据支撑[8-10]。本研究对作物整个生长周期的各个农耕环节开展监测，通过大量数据分析辽宁省典型区域农田面源污染地表水基本情况，了解农业面源对水环境的影响程度，为环境管理提供科学的依据。

1 实验部分

1.1 监测区块基本情况

结合监测区块的典型性(监测地块应位于粮食作物主产区)、代表性(监测地块的地形、土壤类型、肥力水平、耕作方式、灌排方式、种植方式应具有较强代表性)、抗干扰性(监测地块应相对独立，灌溉量、退水量、施肥量可计量)，最终确定了营口五公司水稻种植区块作为研究对象。

营口市位于东北水稻产区的最南端，辽河的下游，营口水稻种植面积约4.7万hm2。营口五公司区块隶属于营口市站前区新建街道，地理位置东临大石桥市旗口镇，南邻高坎镇，西邻石佛镇，北邻鞍山海城市，地势平坦，东部略高，占地面积约800 hm2。其中，耕地面积约667 hm2，包括：绿色种植(占地347 hm2，采用正常的施肥、施药模式)、有机种植(占地325 hm2，采用正常的施肥模式，施药量少，主要通过膜技术除杂草、虫害)、有机试验田(占地15 hm2，肥料为微生物菌剂及生物有机肥)；其他占地面积共计约127 hm2，包括鱼虾塘(独立模式)、进排水渠、农田工作单位等。区块灌溉、退水系统独立且完善，进出水有泵站可控制，具有良好的监测条件。

1.2 监测点布设与样品采集情况

本研究的农田排水通过总闸口汇入黑鱼河，在总闸口的上游、下游分别设置采样点位，每逢农田排水时，开展上游、下游水质监测，共采集39次样品，采样点位上游、下游之间除农田排水总闸口外，无其他排水口；研究选择3种不同种植模式下的农田单元各约0.5 hm2，对各农田单元在施肥、施药期进行监测，每0.5 hm2农田由4个小地块构成，每次采集混合水样；在农作物的整个生长周期，完成降雨背景值监测13次，降雨量约228.3万m3，降雨过程未形成溢流情况；鱼虾塘监测在注水期和清塘期各1次；地块单元完成6次排水监测。

1.3 监测项目及分析方法

本研究的监测项目为总磷、总氮，分析方法为《水质 总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB 11893—1989)和《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)。

1.4 监测方案

调查研究从2020年4月中旬开始，截至10月初，覆盖农作物的整个生长周期。开展了河流监测、降雨监测、地块单元监测和鱼虾塘监测，具体监测方案见表1。

表1 监测方案Table 1 The monitoring scheme

1.5 化肥农药施加

农药、化肥施加情况：在农作物的整个生长周期，共完成了绿色种植地块农药施加5次、化肥施加2次，有机种植地块农药施加2次、化肥施加2次，有机试验田农药施加2次、化肥施加1次，具体见表2。

表2 农药及化肥施加情况Table 2 Application of pesticides and chemical fertilizers

2 结果与讨论

2.1 农田单元监测数据分析

农田单元污染物质量浓度统计了在施肥或施药后质量浓度出现的最大值，结果见表3；表4统计了整个作物生长周期农田单元排水情况。

表3 农田单元污染物浓度最大值(扣除背景值后)统计表Table 3 Statistics of maximum concentration of pollutants in farmland unit(after deducting background concentration) mg/L

表4 农田单元排水污染物浓度统计表Table 4 Statistics of pollutant concentration in farmland unit drainage mg/L

由表3可知，农田施肥、施药均使水质总磷、总氮质量浓度出现不同程度的提高，以绿色种植、有机种植施肥后总氮质量浓度上升最为显著，依次为37.7 mg/L、19.1 mg/L，总体表现为绿色种植受施肥影响最大，有机种植次之，有机试验田受影响最小；在整个作物生长期，绿色种植农田单元排水2次，有机种植农田单元排水4次，有机试验田单元排水0次。由表4可知，绿色种植在5月26日出现排水，总氮质量浓度为23.5 mg/L，有机种植分别在5月26日和6月2日、4日出现排水，总氮质量浓度分别为6.05、11.9、13.0 mg/L，表现为地块单元在施肥后排水对外环境造成一定污染，其他时段影响不大。

2.2 鱼虾塘监测数据分析

与注水期相比，虾塘总氮质量浓度显著升高，由注水期的2.44 mg/L上升为清塘期的3.15 mg/L；鱼塘总磷、总氮质量浓度均显著升高，总氮由注水期的1.64 mg/L上升为清塘期的5.16 mg/L，总磷由注水期的0.10 mg/L变为清塘期的0.16 mg/L，由Ⅱ类水质变为Ⅲ类水质[11]。结果表明：鱼虾的养殖均会污染水质，虾塘外排水对水质影响较小，鱼塘外排水对水质影响较大，详见表5。

表5 虾塘、鱼塘污染物监测结果Table 5 The monitoring results of pollutants inshrimp ponds and fish ponds

2.3 降雨监测

13次降雨水质总氮质量浓度较大，降雨监测数据不可忽略，需作为背景值参与计算(见表6)。

表6 降雨监测结果Table 6 The rainfall monitoring results

2.4 河流监测

2.4.1 数据整体分析

对数据进行整体分析可以看出：下游污染物质量浓度均值都较上游污染物质量浓度均值有上升趋势，总磷质量浓度下游较上游上升34.1%，总氮质量浓度下游较上游上升19.7%，上、下游污染物监测结果统计见表7。

2.4.2 各项监测指标

2.4.2.1 总磷数据分析

下游较上游质量浓度上升32次、占比82.0%，持平4次、占比10.2%，下降3次、占比7.7%。下游总磷质量浓度较上游上升趋势较明显，详见图1。

表7 上下游污染物监测结果统计表Table 7 Statistics of monitoring results ofupstream and downstream pollutants

图1 上游、下游总磷监测结果统计图Fig.1 Statistics of monitoring results of upstream and downstream total phosphorus

2.4.2.2 总氮数据分析

下游较上游质量浓度上升31次、占比79.5%，下降8次、占比20.5%，下游总氮质量浓度较上游上升趋势明显，详见图2。

6月6—12日、8月22日至9月1日期间总氮、总磷污染物质量浓度下游较上游出现不同程度的明显上升趋势，分析原因认为：农田在5月末和6月初进行了施肥，该时间段农田进行了排水，引发黑鱼河下游污染物质量浓度上升；8月末到9月初，该时间段为鱼虾塘清塘排水，引发黑鱼河下游污染物质量浓度上升。8月1—21日期间总磷污染物质量浓度下游较上游呈上升趋势，因为在7月末及8月中旬对无机农田完成了2次农药的施加，农药成分含磷，引发黑鱼河下游污染物质量浓度上升。结果表明：农田外排水会对地表水造成污染，尤其在农药化肥施加后及区块鱼虾塘清塘期排水较为明显。

2.5 进排水污染物总量情况

在农作物的整个生长周期，进水及降雨污染物总量大于排水污染物总量(21 377.52 kg >9 843.70 kg),结果见表8。

表8 进排水污染物总量情况比较Table 8 Comparison of total amount of pollutantsin water intake and drainage

通过表8数据可知，总磷排出比例为34.7%，总氮排出比例为46.4%，污染物总量排出比例为46.0%，总排水中总磷、总氮含量对整个外界环境存在一定的影响。

3 结论

本研究以氮磷浓度监测值推断结论，未考虑稻田流失水量的影响，即目前本文仅考虑了流失浓度，未考虑流失负荷总量，结论如下：

1)农田施肥、施药均使水质总磷、总氮质量浓度出现不同程度的提高，以绿色种植、有机种植施肥后总氮质量浓度上升最为显著，依次为37.7、19.1 mg/L，总体表现为绿色种植受施肥影响最大，有机种植次之，有机试验田受影响最小；地块单元在施肥后排水对外环境造成一定污染，其他时段影响不大，以总氮最为显著，绿色种植施肥后外排水质量浓度最大值为23.5 mg/L，有机种植为13.0 mg/L。建议多采用有机试验田种植方式，实现污染物产生量最小化。

2) 虾塘注水期与清塘期水质比较，总氮质量浓度有小幅度上升，由2.44 mg/L升高为3.15 mg/L；鱼塘总磷、总氮质量浓度均有显著升高趋势，总氮由注水期的1.64 mg/L变为清塘期的5.16 mg/L，总磷由注水期的0.10 mg/L变为清塘期的0.16 mg/L。结果表明：鱼虾的养殖均会污染水质，虾塘外排水对水质影响较小，鱼塘外排水对水质影响较大。

3)在农作物整个生长周期，从污染物总量分析，总磷排出比例为34.7%，总氮排出比例为46.4%，污染物总量排出比例为46.0%，总排水污染物含量对整个外界环境存在一定的影响；从污染物质量浓度均值分析，黑鱼河下游污染物质量浓度均值较上游有上升趋势，总磷质量浓度下游较上游上升34.1%，总氮质量浓度下游较上游上升19.7%；总体表现为受纳水体受施肥、施药及鱼虾塘清塘期排水影响较大，其他时间段影响不大。