江汉平原稻虾轮作模式地表径流氮、磷流失特征

陈玲，范先鹏，黄敏，刘冬碧，吴茂前，夏颖，张富林，张志毅，倪承凡，程子珍

（1.武汉理工大学资源与环境学院，武汉 430064；2.湖北省农业科学院植保土肥所，国家农业环境潜江观测实验站，湖北省农业面源污染工程技术中心，武汉 430064）

江汉平原位于长江中游，长江与汉江之间，该区域水网密布，是全国最重要的水稻种植基地，常年水稻种植面积66.7万hm，也是全国最重要的淡水养殖区，区域水质关系到长江水环境安全。近年来，区域内稻虾综合种养模式由于小龙虾良好的经济效益而快速发展，2019年全国小龙虾产量排名前30的县（市、区）中，江汉平原占9个，稻虾模式面积达到40万hm，为地区经济的发展做出了巨大贡献。但是，稻虾综合种养模式的生态环境效益尚存争议。一方面，稻田引入小龙虾促进了物质在稻田内的就地循环和能量运转，具有良好的生态效益。小龙虾养殖的残饵和粪便为水稻生长提供了有机养分，相较于池塘养殖，实现了水资源的节约和氮、磷的循环利用。另一方面，相较于其他稻作模式，稻虾模式对水资源消耗严重；同时由于秸秆还田和饲料投入，稻虾综合种养模式田面水硝态氮、氨氮含量高于单季稻田，增加了水体富营养化的风险。传统稻田的地表径流主要受到降雨和灌溉的驱动，优化施肥可以有效控制农田地表径流氮、磷流失，有机肥替代措施、控释氮肥和添加生物炭均能减少氮、磷径流流失，肥料深施和穴施能有效降低径流总氮、总磷浓度，有效控制农田氮、磷流失，错期施肥和优化施肥量也是减控农田氮、磷流失的方法。稻虾轮作模式巧妙地将养殖和种植相结合，同时还改变了水分管理与养分投入的方式，因此具有与传统稻田不同的氮、磷流失特征。本研究选择江汉平原地区最有代表性的稻虾轮作模式稻田，进行连续3 a（2018年9月至2021年9月）的原位监测，明确农田地表径流氮、磷流失特征与规律，为精准减控稻虾综合种养模式氮、磷污染提供依据，助力稻虾产业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 监测区域概况

监测区域位于湖北省潜江市浩口镇柳洲村（112°37'E，30°22'N），处于江汉平原腹地，属北亚热带季风湿润型气候，年均气温16.1℃，无霜期250 d，年均降水量1 100 mm。土壤类型为长江冲积物母质发育而成的潮土型水稻土，是典型的南方水网农区。

监测田块位于连片稻虾综合种养区域内，为“日”字型结构，宽61.50 m，长195.10 m，总面积1.19 hm，其中稻田净面积0.84 hm，养殖沟面积0.25 hm，养殖沟占比约20%。养殖环沟均宽6.00 m、深2.00 m，田间养殖沟宽4.00 m、深1.00 m（图1）。该监测田块2015年由稻麦轮作改造为稻虾综合种养模式。

1.2 监测方法

监测并记录监测田块每次发生的降雨、灌溉、排水以及其他所有农事操作和投入品。降雨量采用雨量器（JQR-Ⅰ型，JB·T 9458—1999）计量；灌溉量采用水表计量；排水量采用田间水位法计量；在稻田田面和养殖沟分别安装水位尺，记录单次灌排和降雨前后水位，其他时期每2～3 d记录一次水位。监测设施安放位置见图1。

图1 监测区域所在位置及监测田块示意图Figure 1 Location of monitoring area and schematic diagram of monitoring field

监测田块的农事操作均按农户习惯（表1）进行。养虾季为水稻收获后（9月底10月初）至次年水稻插秧之前（6月初），开始复水时田面水深为10～20 cm，后逐渐加深至50～60 cm，2月中下旬或3月初开始投放虾饲料，4—5月捕捞成虾。稻季分两次施肥，第一次施复合肥，第二次施尿素（表2）。稻季田面不养虾，水稻收割后秸秆全量还田。

表1 定位监测田块主要农事操作记录Table 1 Record form of main farming operations in the field

表2 监测年度不同投入品养分施用量（kg·hm-2）Table 2 Nutrients application rate in different year（kg·hm-2）

1.3 样品采集与检测方法

1.3.1 采样方法及检测指标

本研究采集降雨样、灌溉水样、排水样和田面水样，具体检测指标及采样方法等见表3。

表3 采样方法及检测指标Table 3 Sampling methods and detection indexes

1.3.2 检测方法

1.3.3 计算方法

（1）径流量

稻虾轮作模式田块四周堤坝高出田面约1.05 m，几乎不产生溢流，排水均由人为控制，每开放排水管排水一次，记为一次径流。

水位高于田面时（≥1.05 m），全田排水：

水位低于田面时（1.05 m≥h≥0 m），仅养殖沟排水：

故有，

式中：为径流量，mm；为排水体积，m；为田间多个水位尺读数的均值，均为相对于沟底的水位，m；为水位为时的水面面积，m；187.1和53.5分别为稻虾田最底部的长和宽，m；489.2为环沟长度，m；59.5为田中沟长度，m；11 900为田块面积，m。

（2）产流系数

产流系数为一段时间内，田块径流量与降雨量和灌溉量的比值。

式中：为产流系数，%；为降雨量，mm；为灌溉量，mm。

（3）氮、磷流失量

氮、磷流失量计算公式为：

式中：为氮、磷流失量，kg·hm；为第次径流；c为第次径流的浓度，mg·L；V为第次径流量，m；1.19为田块总面积，hm。

1.3.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理，采用Origin 2020绘图。

2 结果与分析

2.1 径流发生特征

3年共发生29次径流，第1年和第2年各产流9次，第3年产流11次（表4）。3个年度内，虾季的产流次数分别是5、5、4次，稻季的产流次数分别是4、4、7次。3个年度年平均产流量为（1 270±287）mm，虾季平均产流量为（710±25）mm，高于稻季平均产流量（560±307）mm，年均产流系数为44.7%，其中虾季为38.8%，稻季为55.3%，虾季明显低于稻季。年际间虾季产流量差异较小，变异系数为4.35%，但稻季产流量差异较大，变异系数高达67.0%，这主要与虾季和稻季的需水、排水特征明显不同有关。

表4 江汉平原稻虾轮作模式径流发生特征Table 4 Runoff characteristics of rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain

2.2 稻虾轮作模式氮、磷流失特征

2.2.1 农田氮、磷流失量

3个年度监测结果表明（表5）：稻虾轮作模式农田TN年均流失量为（24.59±4.70）kg·hm，其中虾季流失量为（12.49±2.50）kg·hm，占全年度的50.8%，稻季流失量为（12.10±4.41）kg·hm，占全年度的49.2%。TP年均流失量为（3.28±1.03）kg·hm，其中虾季流失量为（1.52±0.50）kg·hm，占全年度的46.3%，稻季流失量为（1.76±1.21）kg·hm，占全年度的53.7%。

表5 江汉平原稻虾轮作模式氮、磷流失量（kg·hm-2）Table 5 Nitrogen and phosphorus loss in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（kg·hm-2）

2019—2020年度氮、磷流失量较其他两个年度偏高，因为该年度稻季降雨量大而且集中，所以导致稻季的氮、磷流失量显著增加。不同年度稻、虾两季氮、磷流失量占比略有不同，这与当年的降雨特征和田间措施（投食、施肥、灌排）等相关。平均来看，虾、稻两季的氮、磷流失量均相差较小。

2.2.2 农田氮、磷流失形态

图2 稻虾轮作模式径流流失各形态氮、磷占比Figure 2 Proportions of nitrogen and phosphorus in runoff loss of rice-crawfish rotation system

虾季磷素流失主要以DTP为主，占全部磷流失量的62.2%，PP占37.8%。而稻季略有不同，DTP和PP流失量相当，分别占48.4%和51.6%。

2.3 稻虾轮作模式农田径流氮、磷浓度特征

2.3.1 农田径流氮素浓度特征

表6 江汉平原稻虾轮作模式农田径流不同形态氮的浓度（mg·L-1）Table 6 Different forms nitrogen concentrations in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（mg·L-1）

2.3.2 农田径流磷素浓度特征

3个年度监测结果表明（表7）：稻虾轮作模式农田径流TP浓度为（0.25±0.14）mg·L，DTP浓度为（0.14±0.06）mg·L，PP浓度为（0.11±0.11）mg·L。稻季农田径流TP浓度为（0.29±0.17）mg·L，高于虾季的（0.21±0.09）mg·L；DTP浓度种养两季差异较小，分别为（0.14±0.06）mg·L和（0.13±0.06）mg·L；PP浓度稻季为（0.15±0.14）mg·L，明显高于虾季的（0.08±0.04）mg·L。

表7 江汉平原稻虾轮作模式农田径流不同形态磷的浓度（mg·L-1）Table 7 Different forms phosphorus concentrations in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（mg·L-1）

分析同一种养季内各次径流磷浓度变化（图3）可知，稻季变化幅度明显高于虾季。

图3 江汉平原稻虾轮作模式农田径流不同形态氮、磷浓度变化特征Figure 3 Characteristics of nitrogen and phosphorus concentrations in different forms in runoff under rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain

2.4 稻虾轮作模式田面水氮、磷浓度

2.4.1 田面水氮素浓度变化

图4 江汉平原稻虾模式农田田面水不同时期氮、磷浓度变化Figure 4 Changes of nitrogen and phosphorus concentrations in surface water of rice-crawfish system at different periods in Jianghan Plain

2.4.2 田面水磷素浓度变化

2020—2021年度的田面水监测结果表明：稻虾轮作模式田面水TP、DTP和PP的平均浓度分别为（0.29±0.15）、（0.17±0.08）、（0.11±0.11）mg·L。稻季田面水TP浓度为（0.37±0.18）mg·L，高于虾季的（0.23±0.09）mg·L，两季DTP浓度差别较小，稻季为（0.18±0.09）mg·L，虾季为（0.17±0.08）mg·L。

整个虾季田面水磷浓度变化相对比较平稳，只是在3月中旬开始投放饵料后，受投放饵料、捕捞等扰动的影响，田面水中磷浓度开始小幅上升（图4）。而稻季，受施肥、水分管理等农事活动的影响，田面水中磷浓度一直小幅波动，但无明显峰值，且生长前期的变化大于后期。

3 讨论

3.1 稻虾轮作模式农田地表径流氮、磷流失量

稻虾轮作模式农田地表径流氮、磷流失量与稻麦轮作、双季稻等稻田轮作模式相比，虽然同样年际间变化大，但并没有明显增加，其中稻季的流失量与单季稻的流失量相当（表5）。本研究的3 a监测中，虾季氮、磷径流流失量分别为9.21～15.26、1.13～2.22 kg·hm，稻季氮、磷径流流失量分别为7.49～18.04、0.74～3.47 kg·hm。我国不同地区、不同模式稻田氮、磷流失量见表8。张子璐等基于文献调研，研究了我国六大稻区的氮、磷径流流失量，其中华中单双季稻区的平均氮、磷流失量分别为16.59、0.89 kg·hm。缪杰杰等在安徽巢湖的监测结果为单季稻氮、磷流失量分别为11.49～17.68、1.23～1.60 kg·hm。

表8 我国不同地区、不同模式稻田氮、磷流失通量Table 8 Nitrogen and phosphorus loss fluxes in paddy fields of different planting systems in different regions of China

稻虾轮作模式农田地表径流流失量与稻虾共作模式相当，虾季的流失量也没有明显差异。在张丁月等的研究结果中，稻虾共作模式农田排水氮、磷输出量分别为31.72、1.43 kg·hm。佀国涵等研究了稻虾共作模式虾季结束时的养殖废水氮、磷排放通量，结果分别为9.6～10.7、2.0～2.5 kg·hm。

相比于高密度的池塘养殖虾类，稻虾综合种养模式显著降低了水产养殖的氮、磷排放通量。陈东兴等研究了3种虾类池塘养殖方式下氮、磷污染排放情况，青虾、南美白对虾和罗氏沼虾TN排放强度分别为37.20、181.00 kg·hm和148.00 kg·hm，TP排放强度分别为7.78、46.80 kg·hm和34.50 kg·hm，远高于稻虾轮作中虾季的氮、磷流失量。

3.2 稻虾轮作模式氮、磷流失风险期与影响因素

农田地表径流氮、磷流失量与径流发生量和径流中氮、磷浓度有关。虽然稻虾综合种养对稻田的养殖沟和田埂进行了田间工程改造，增加了田间容量，但从监测结果看，稻虾轮作模式产流系数（44.7%）仍高于同地区稻作模式（34.7%），主要是由于虾季一直处于高水位运行，同时养虾过程还需要进行水质性换水和补水；而稻季出于机械栽种和收获的需要，排水量比其他稻作模式更大。从地表径流发生量来看，稻虾轮作模式一年有两次发生风险期：虾季结束时的排水和稻季收获前的排水。本研究监测结果表明：虾季结束时的氮、磷排放量分别占全年氮、磷排放量的29.9%、28.6%；水稻成熟期的氮、磷排放量分别占全年氮、磷排放量的9.3%、12.0%。

从地表径流氮、磷浓度来看，饵料对虾季田面水氮、磷浓度的影响明显不及施肥对稻季田面水浓度的影响。主要原因有两点：一是虾季田面水水层深（＞40 cm），缓冲容量大，而稻季田面水水层浅（＜15 cm）；二是饵料中氮、磷多为有机态，养分的释放过程较长，而肥料中氮、磷多为无机态，水溶性好。因此，稻虾轮作模式稻季施肥期（播种栽插期至分蘖盛期）是氮、磷流失的高风险期。这与张富林等、夏小江等、吴俊等对稻田施肥后田面水TN、TP浓度在施肥当日达到最高，而后迅速下降，5～10 d趋于稳定的研究结果一致。施肥后遇到降雨而产生地表径流，极易发生氮、磷流失。稻虾轮作模式稻季施肥后至少一周为流失风险期。

监测时段内29次地表径流中，TN浓度高于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准（以下称Ⅲ类标准）的有26次，其中高于Ⅴ类标准的有10次。NH-N浓度高于Ⅲ类标准的有5次，均为稻季施肥后不久发生的径流。TP浓度高于Ⅲ类标准的有16次，其中高于Ⅴ类标准的有10次。

因此，稻虾轮作模式农田地表径流氮、磷流失风险期共有3个时间段：其一为虾季结束后，排放田面水至水层适合水稻栽插时期。田面水自然落干，尽可能减少外排水量和减少对田面水的扰动可以有效减少这一时期氮、磷的流失；其二是稻季底肥施用至追肥施用后一周的施肥期，即水稻栽播至分蘖盛期，除改进施肥方法（养分总量控制、控释肥替代、深施等）外，应尽可能降低田面水水位，提高稻田库容，减少降雨产流外排的风险；其三为稻季水稻收获前，排放田面水，使田面落干以利于机械收获，应控制好断水时间，尽可能让田面水自然落干，控制田面水的排放。

4 结论

（1）稻虾轮作模式年径流发生量为（1 270±287）mm，年均产流系数为44.7%；虾季由于养殖需要，产流量为稻季的1.3倍。

（2）稻虾轮作模式虾、稻两季的总氮、总磷流失量各占一半；受田面水层与投入品的影响，虾季和稻季氮、磷流失形态、径流水中各形态氮、磷浓度和田面水中各形态氮、磷浓度有所不同，虾季以硝态氮和可溶态磷为主，稻季以铵态氮和颗粒态磷为主。

（3）识别稻虾轮作模式氮、磷流失的风险时段为：虾季结束时的排水期（6月初）、稻季成熟期的排水期（9月初），以及强降雨和施肥后一周内的耦合期（6—7月）。

（4）依据虾、稻两季田间管理和径流特征的不同，以下途径可有效减少氮、磷流失量：虾季适当降低养殖水位，在生产季节结束时，提前自然落干田面水；稻季减少排放施肥后泡田水，成熟期排水前控制断水时间，使田面水自然落干。