长江流域典型单季稻田间水文及氮素流失特征

耿芳，刘连华*，欧阳威，2，朱建强

（1.北京师范大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100875；2.北京师范大学环境与生态前沿交叉研究院，广东 珠海 519087；3.长江大学农学院，湖北 荆州 434025）

水稻是全球最主要的粮食作物，全世界50%以上的人口以水稻为主食[1]。我国是世界上主要的水稻生产国，其水稻种植面积和产量分别占全球种植面积和产量的19%和32%[2]。因此，我国水稻的可持续生产对确保全球粮食安全具有重要意义。为保证水稻产量，过量化肥和水分被投入到水稻生产中，导致稻田水肥利用率低、氮素流失严重，从而引发了稻作区水体富营养化等一系列环境问题。因此，如何在保证作物产量的同时，提高水肥利用率并减少稻田面源污染，已成为我国流域水环境管理领域的研究热点之一。

稻田氮素随水分流失主要为通过地表径流到达受纳水体的地表径流流失和通过土壤水分运动渗漏到地下水的渗漏流失两种途径[3-4]。降雨、灌溉、田面水和土壤含水量等稻田水文因素，为氮素运输和迁移提供了动力和载体，对稻田氮素流失产生重要影响[5]。这些水文因素通过影响田面水位，进而影响稻田水容量和氮素迁移转化[6]。已有研究多集中于降雨和灌溉对稻田氮素流失的影响，例如：Qi 等[7]在湖北荆州的研究表明，降低灌溉频率和减少灌溉水量可以减少稻田氮素流失；Zhao 等[8]在长江中游地区的研究表明，降雨量、强度和频率对渗漏水中氮素浓度具有重要影响。针对降雨、灌溉、田面水位和土壤含水量等多因子水分动态变化与氮素流失的相关关系仍需继续开展系统研究。

长江流域稻作区是我国三大水稻主产区之一，其水稻播种面积和产量分别占全国总量的64%和66%[9]。目前学界关于长江流域单季稻田间氮素随水分流失主要途径的研究结果不一。Zhou 等[10]在太湖地区的研究表明，地表径流流失是稻田氮素流失的主要途径；而Fu等[11]和Shi等[12]在江汉平原的研究表明，渗漏流失是稻田氮素流失的主要形式。因此，有必要继续在田间尺度开展稻田氮素流失动态变化规律的系统研究，识别稻田氮素流失的主要途径和关键期，以便有效防控稻田氮素流失。由于取样条件和取样成本的限制，已有研究对田面水位动态变化的高频率监测较少，而且田面水和土壤水的采样频率有限，田面水质的监测多集中于施肥后一周，土壤水质的监测多集中于水稻移栽后，取样间隔较长（每周一次或每两周一次）[11，13]。因此，本研究通过对长江流域典型单季稻田开展高频率的多因子水分动态与氮素流失动态监测，分析田面水及土壤水中氮素浓度动态变化特征，揭示稻田氮素流失的主要途径和关键生育期，以期为当地农业发展和水环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖北省安陆市车站村（113°39′E，31°19′N），该地属于亚热带季风气候，光能充足，热量丰富，年平均无霜期为261 d，多年平均降雨量为1 068 mm，多年平均气温为16.66 ℃。土壤类型为水稻土，土壤质地为黏土（黏土含量为29.7%），土壤容重为1.22 g·cm-3，土壤有机质含量为23.60 g·kg-1，总氮含量为1.15 g·kg-1，土壤pH为6.60。田间试验点照片见图1。

图1 田间试验点Figure 1 The field experimental site

1.2 试验设计

试验期为2017年和2018年水稻生长季，水稻种植模式为单季中稻，具体生育期划分见表1。5月上旬育秧苗，5月下旬上水泡田整地，施用基肥后移栽插秧，在分蘖期和拔节孕穗期追施氮肥，9月下旬收获。每公顷均匀撒施氮肥72 kg（以N计）、磷肥75 kg（以P2O5计）、钾肥60 kg（以K2O计）作为基肥；每次追肥每公顷均匀撒施氮肥54 kg（以N计）。试验所用的氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素（46% N）、过磷酸钙（12% P2O5）和氯化钾（60%KCl）。2017年5月24日施用基肥，5月31日追施分蘖肥，7月10日追施穗肥。2018年5月30日施用基肥，6月6日追施分蘖肥，7月21日追施穗肥。水稻中期（2017年7月1—9日、2018年7月9—20日）和收获前一周（2017年9月19—25日、2018年9月21—27日）晒田。

表1 水稻生育期划分Table 1 Detailed information of rice growing stages

1.3 样品采集与分析

气象数据由安装在试验区内的ZENO 气象站（Coastal，Seattle，WA，美国）提供，土壤含水量的动态变化由安装在不同土层深度（15、30、60 cm 和90 cm）的土壤湿度传感器（TDR type，Coastal，Seattle，WA，美国）实时监测，监测频率为每30 min 一次。水稻生长期间，于早上8：00—10：00 用直尺人工测量田面水位高度，同时在不扰动水层的情况下，用自制取样器按照对角线取样法，采集5 个田面水混合水样。4 个土壤水采样器（MacroRhizon，Rhizosphere，荷兰，长90 cm，直径4.5 cm，孔径0.2 μm）分别与地面呈不同角度置入土壤，对稻田15、30、60 cm 和90 cm 深处的土壤水样进行采集，土壤水采样器置入时先用土钻取土壤，在土钻孔洞中放置采样器，并将原位取出的土壤回填到土钻孔洞中，土壤溶液会缓慢从管路流进注射器，实现土壤水样的采集。田面水及土壤水在每次施肥后5 d 内每日连续取样，之后每2 d 取样一次，直至水质无明显波动。每次灌溉、降雨和人为排水时，记录相应的水量并取水样。所有水样均储存在聚乙烯瓶中，带回实验室立即冷冻，并尽快测定。

1.4 数据分析

1.4.1 稻田水量平衡计算

稻田各水分因子间的动态平衡见公式（1）。其中，水分输入包括灌溉和降雨，水分输出包括蒸散发、地表径流和地下渗漏，储存在稻田的水分包括土壤储水量和田面水量[11]。

式中：P为降雨量，mm；I为灌溉量，mm；ETc为蒸散发量，mm；R为地表径流量，包括降雨径流及人为排水，mm；L为地下渗漏量，mm；ΔS为土壤储水量变化，mm；ΔH为田面水位高度差，mm。

田面水位变化量由时间段内田面水位高度前后的差值计算得出，土壤储水量变化由时间段内土壤储水量前后的差值计算得出。稻田蒸散发量采用FAO-56 推荐的单作物系数计算获得[14]，具体算法见公式（2）和公式（3）。根据稻田水量平衡公式（1）可计算得到稻田渗漏量。

式中：Kc为作物系数，根据当地农科院调研获得；ET0为水稻的参考需水量，mm；Rn为净辐射，MJ·m-2·d-1；G为土壤热通量，MJ·m-2·d-1；T为平均空气气温，℃；u2为2 m 高处的风速，m·s-1；es和ea分别为饱和水气压和实际水气压，kPa；Δ 为饱和水气压-温度曲线上的斜率，kPa·℃-1；γ为湿度计算常数，kPa·℃-1。

利用土壤湿度传感器监测的土壤含水量计算土壤储水量[15]。假定在15、30、60 cm 和90 cm 土层深度测定的土壤含水量代表的是0～15、15～30、30～60 cm和60～90 cm 4个土层的土壤含水量。基于每一层的土壤含水量为上层土壤含水量和下层土壤含水量的平均值这一假设，0～30 cm 土体的平均土壤含水量和0～90 cm 土体的平均土壤含水量可由公式（4）和公式（5）计算得到，0～90 cm土体的平均储水量可由公式（6）计算得到。

式中：θ15、θ30、θ60和θ90分别为15、30、60 cm 和90 cm 土层深度测定的土壤含水量，%；θ0～30、θ0～90分别为0～30 cm 和0～90 cm 土体的平均土壤含水量，%；S为0～90 cm土体的平均储水量，mm。

1.4.2 稻田氮素流失量计算

利用水样中氮素浓度乘以流失水量来计算氮素地表径流流失量或渗漏流失量。该区地下水位约为1 m，因此采用90 cm 土壤水中的氮素浓度计算渗漏流失量。稻田氮素流失总量是地表径流和渗漏流失量的总和。氮素地表径流流失或渗漏流失的计算公式如下：

式中：Q为氮素地表径流或渗漏流失总量，kg·hm-2；i为地表径流或渗漏事件数，i=1，2，3，…，n；Qi为第i次氮素地表径流或渗漏流失量，kg·hm-2；Ci为水样中氮素浓度，mg·L-1；Vi为地表径流或渗漏水量，mm。

2 结果与分析

2.1 稻田水文特征

2.1.1 田面水位变化特征

为了解田面水位变化特征以及影响因素，对水稻生长期间降雨量、灌溉量、田面水位高度变化情况进行分析（图2）。试验第一年生长季总降雨量（510 mm）高于第二年（246 mm），分别代表平水年和枯水年（试验点水稻生长季多年降雨量为246～911 mm，平均值为585 mm）。当发生灌溉或降雨时，田面水位高度迅速增加，例如在平水年，移栽后第46 天降雨91.44 mm 时，田面水位由0提高到75.80 mm。平水年移栽38～46 d 和118 d 后，枯水年41～52 d 和114 d 后，田面水位高度为0，这是因为分蘖后期和收获前排水晒田。抽穗扬花期的田面水位平均值为68 mm，该时期水稻生长需水较多。灌溉是稻田的主要水分输入，灌溉水量占稻田水分输入的60%以上。

图2 水稻移栽后降雨量、灌溉量和田面水位高度动态变化Figure 2 Dynamics of rainfall，irrigation and field ponding water depth after rice transplanting

2.1.2 土壤水变化特征

稻田土壤水时空分布（图3）表明，移栽后40 d 左右，表层15 cm 和30 cm 土层的土壤含水量均表现为下降趋势（平水年由40.06%下降到37.96%，枯水年由39.12%下降到36.48%），而深层90 cm 土层的土壤含水量表现为增加趋势（平水年由45.23% 上升到49.36%，枯水年由44.90%上升到50.90%）。这可能是由于排水后田面呈现无水状态，稻田蒸散发使表层0～15 cm 的土壤含水量迅速下降，同时水稻根系吸水使30 cm 土层的土壤含水量显著降低，90 cm 土层的土壤含水量增加可能是由地下水补给引起的。

图3 水稻移栽后土壤含水量和0～90 cm土壤储水量的动态变化Figure 3 Dynamics of soil water content and 0-90 cm soil water storage after rice transplanting

土壤储水量整体处于较高水平，这与生长季稻田几乎处于常淹状态有关。平水年的平均土壤储水量（368 mm）高于枯水年（331 mm）；水稻移栽后，土壤储水量逐渐增大，并在移栽后第90 天和第70 天时达到最大值（平水年为381 mm，枯水年为347 mm）；在移栽后第40 天左右，土壤储水量稍有下降，这是因为分蘖后期晒田时，稻田处于无水状态；黄熟期收获排水，移栽最后几天土壤储水量降到最低值（平水年为352 mm，枯水年为310 mm）。综上，稻田土壤水含量及土壤储水量动态变化主要受不同生育期稻田水分管理及降雨条件的影响。

2.2 稻田氮素浓度特征

2.2.1 田面水中氮素浓度变化特征

水稻生长季，3次施肥后出现3次氮素浓度高峰，平水年移栽后第1、9、50 天，TN 浓度分别为39.51、35.70、27.05 mg·L-1，枯水年移栽后第1、9、56 天，TN浓度分别为51.71、53.99、31.05 mg·L-1（图4）。施肥后第7 天，田面水中氮素浓度比第1 天降低80.88%，说明氮肥施用是影响田面水中氮素浓度的主要因素。在施肥后一周内，氮素主要以-N 形式存在，其占TN 浓度的66.88%。随着时间的推移，ON-N 成为氮素的主要形态。这是因为氮肥进入水体后首先转化为-N，在植物吸收、土壤吸附、氨挥发、硝化和反硝化作用下TN和-N浓度迅速降低。

图4 水稻移栽后田面水中不同形态氮含量的动态变化Figure 4 Dynamics of different nitrogen forms in the field ponding water after rice transplanting

2.2.2 土壤水中氮素浓度变化特征

图5 水稻移栽后土壤水中不同形态氮素浓度的时空分布（平水年）Figure 5 Temporal and spatial variations of different nitrogen forms in the soil water after rice transplanting（Normal year）

2.3 稻田氮素流失特征

为识别稻田氮素流失的主要途径和关键生育期，对不同生育期氮素渗漏流失量和地表径流流失量进行分析（表2）。在整个生育期，平水年和枯水年的地表径流水量分别为143.57、78.90 mm，渗漏水量分别为525.03、633.00 mm；平水年和枯水年的氮素地表径流流失量分别为8.70、1.26 kg·hm-2，渗漏流失量分别为3.94、4.86 kg·hm-2。这说明平水年稻田氮流失的主要途径为地表径流流失，枯水年稻田氮流失的主要途径为渗漏流失。

表2 不同生育期氮素渗漏流失量和地表径流流失量Table 2 Nitrogen leaching loss and runoff loss at different rice growing stages

氮素渗漏流失主要发生在返青期，平水年和枯水年该时期渗漏流失量分别为1.73、2.14 kg·hm-2，占渗漏流失总量的43.85%、44.00%。氮素地表径流流失主要发生在分蘖期和拔节孕穗期，平水年和枯水年这两个时期地表径流流失量分别为7.10、1.26 kg·hm-2，占地表径流流失总量的81.61%、100.00%。不同形态氮素流失的关键生育期一致。因此，针对氮素渗漏流失要重点关注返青期，针对氮素地表径流流失要重点关注分蘖期和拔节孕穗期。

2.4 水文因子对稻田氮素流失的影响

为探究水文因子与氮素渗漏流失的关系，在日尺度上，分别对渗漏量和水分输入、田面水位高度差以及氮素渗漏流失量进行相关分析（图6）。渗漏量与水分输入呈极显著正相关关系（R2=0.35，P＜0.01），与田面水位高度差呈极显著负相关关系（R2=0.38，P＜0.01），说明降雨量和灌溉量增加会促进稻田渗漏流失。这是因为田面水位高度差主要受灌溉和降雨的影响，田面水位的变化又影响着稻田渗漏量。氮素渗漏流失量与渗漏量呈极显著正相关关系（R2=0.48，P＜0.01）。

图6 渗漏量与水分输入、田面水位高度差以及氮素渗漏流失量的相关分析Figure 6 Correlation analysis between leaching water and water input，changes of field ponding water depth，and leaching losses of nitrogen

为明确降雨量和稻田水容量（排水水位与降雨前田面水位的差值）对地表径流量的影响，以及降雨量和施肥后天数对不同形态氮素浓度的影响，利用监测数据和文献收集的数据[16-21]进行分析（图7）。在相同降雨条件下，稻田水容量越大，径流量越小。低于25 mm 的降雨，径流发生概率较低，超过50 mm 的降雨，径流发生概率较高。施肥期（施肥后一周）和非施肥期地表径流中总氮浓度分别为（7.78±6.35）mg·L-1和（2.75±2.99）mg·L-1，随降雨量的增加，地表径流水中氮浓度升高。

图7 地表径流量和地表径流水中氮浓度随降雨量、稻田水容量及施肥后天数的动态变化Figure 7 Dynamic changes of runoff volume，nitrogen concentrations in runoff with rainfall amount，paddy field capacity and days after fertilization

3 讨论

3.1 稻田氮素流失关键途径及关键生育期

识别稻田氮素随水分流失的关键途径及关键期可以更好地对农业面源污染进行防控。本研究表明，在平水年稻田氮素以径流流失为主，在枯水年以渗漏流失为主，这是因为稻田在田埂的保护下形成相对封闭的体系，只有发生强降雨，稻田蓄水量超过稻田水容量时，田面水才会溢出田埂发生地表径流[22]。而稻田渗漏是长期存在的现象，田面水的存在使田间水分不断向地下垂直迁移。实际上，水稻生长季常与降雨同季，因此平水年或丰水年地表径流流失量较大[11，23]。同时，氮素随径流横向迁移的能力比随土壤水纵向迁移的能力强，导致地表径流水中氮素浓度远高于渗漏水。分蘖期和拔节孕穗期的降雨量占生育期总降雨量的60%以上，因此分蘖期和拔节孕穗期为稻田氮素径流流失的关键生育期。肥料施入稻田后，田面水中氮素浓度迅速增加，随着时间的推移浓度逐渐降低，并在施肥后一周趋于稳定，如果在施肥后一周内发生强降雨，则径流水中氮素浓度较高，这与前人研究结果一致[8，21]。乔月等[24]在湖北的研究表明，播种前排水导致的氮素径流流失约占总氮径流流失的52%。因此，应该避免播种前和水稻生育前期（返青期、分蘖期和拔节孕穗期），特别是施肥后一周内田面水的外排[25-27]。

3.2 稻田水文对氮素流失的影响

稻田氮素流失量与稻田水文密切相关。本研究发现渗漏水量与水分输入呈极显著正相关，与田面水位高度差呈极显著负相关，与氮素渗漏流失呈显著正相关，这与前人研究结果一致[28-30]。因此，减少渗漏水量可显著降低氮素渗漏流失[31]，可以通过降低水分输入以及控制灌溉降低田面水位高度来减少稻田氮素渗漏流失[32]。稻田水容量是决定稻田容纳降雨量的重要指标，是影响稻田径流量和氮素流失的重要因素[8]。本研究表明，施肥期（施肥后一周）随降雨量的增加，地表径流水中氮浓度升高，这与Zhang等[33]对长江流域的研究结果一致。在相同降雨条件下，稻田水容量越大，径流量越小，这与前人研究结果一致[27]。因此，提高稻田水容量是有效减少稻田径流流失的重要途径。所以提高稻田排水水位是提高稻田水容量、减少氮素流失的重要途径[34]。

稻田氮素渗漏损失作为氮素损失的重要组成部分，对农业面源污染的影响不容忽视。本研究中水稻生育期内氮素渗漏流失量为3.94～4.86 kg·hm-2，稻季氮素渗漏流失量占当季施肥量的2.19%～2.70%，这与朱兆良[35]与黄明蔚等[36]的研究认为化肥氮素渗漏流失量约占化肥氮施用量2%左右的结果一致。但本研究中氮素渗漏流失量低于李娟[21]在浙江地区的渗漏流失量（18.86～40.39 kg·hm-2）。除气候条件和施肥量不同以外，可能还与试验条件及土壤质地不同等有关，本研究中土壤质地为黏土，黏土与砂壤土相比更不易发生渗漏。虽然本研究开展了为期两年的高频率监测，为了解稻田水文和氮素流失特征提供了较为可靠的数据支持，但为了更加准确地掌握稻田水文与氮素流失之间的关系，仍有必要继续开展多年监测。

4 结论

（1）降雨和灌溉是田面水位变化的主要影响因素，其中灌溉是稻田主要的水分输入。不同深度土壤含水量主要受田间水分管理的影响，施肥是田面水和土壤水中氮素浓度变化的重要影响因素。

（2）地表径流流失是平水年稻田氮素流失的主要途径，渗漏流失是枯水年稻田氮素流失的主要途径。稻田氮素渗漏流失主要发生在返青期，氮素地表径流流失主要发生在分蘖期和拔节孕穗期。应避免水稻生育期前期，特别是施肥后一周内的田面水外排。

（3）稻田渗漏流失与田面水位高度差呈负相关，与田间水分输入呈正相关。稻田径流流失取决于稻田水容量和降雨量。在实际生产中，可以提高稻田排水水位，扩大稻田水容量，从而减少稻田氮素流失。