芳溪湖流域稻田排水氮磷浓度时空变化特征研究

姜佩华，池泽涌，熊玉江，徐保坤，袁念念

（1.长江大学资源与环境学院， 武汉 430100；2.长江水利委员会长江科学院农业水利研究所，武汉 430010）

0 引 言

氮磷是作物生长和产量形成的重要营养元素，同时也是河湖水体富营养化、水质恶化的主要诱因[1]。水稻是我国南方地区最主要的粮食作物，稻田排水是氮磷流失的主要驱动力和重要载体[2,3]。由于平原地区水网密布，水系复杂，河流坡降较缓、流速较小[4]，氮磷随农田排水在流域内迁移转化过程极其复杂，因此对于氮磷迁移转化过程的研究首先要弄清氮磷浓度在流域内的时空变化特征，这也是研究农业面源污染防控对策的重要基础。目前学者针对流域内农田排水氮磷污染时空变化特征的研究方法主要为现场原位试验监测[5]及模型模拟分析[6,7]。现场原位试验监测主要集中于田间尺度，模型模拟分析主要关注流域整体。然而，由于氮磷污染具有很强的时空变异性且迁移过程复杂，若将田间尺度氮磷的变化特征应用于流域尺度将会造成流域不同层级尺度单元间的认知缺失[8]，且无法准确揭示农田氮磷在不同尺度的迁移转化机制[9]。因此，本文以芳溪湖流域为平原圩区研究代表，于2021年和2022年稻季（每年5-0月）开展稻田排水氮磷沿“田间-灌排单元-流域”迁移的时空变化特征试验研究，以期揭示芳溪湖流域稻田排水氮磷的浓度时空变化特征，为研究区的农业面源污染防控提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

芳溪湖流域位于江西省南昌县，涉及幽蓝镇、武阳镇和塔城乡三镇（乡），流域面积约33.2 km2，79.3%的耕地面积种植水稻，水稻以双季稻为主，同时种植有油菜、莲藕等经济作物。流域处于亚热带湿润季风气候区，多年平均气温21.7 ℃，年平均日照1 216.94 h，平均蒸发量945.21 mm，年平均降水量1 316.03 mm。流域主要灌溉水源为赣抚平原灌区二干渠与二干三分渠（见图1），区域内排水水系清晰，降雨径流和农田排水经内河汇至芳溪湖后由芳溪湖排水闸排至下游。

图1 芳溪湖试验区域概况Fig.1 Overview of the Lake of Fang-xi pilot area

1.2 试验监测布局

基于河网水系分析，在芳溪湖流域内选择了封闭性较好、具有水力联系且逐级嵌套的“田间-斗沟-干沟-流域”4 个尺度开展稻田排水氮磷浓度监测试验。

（1）田间尺度：田间尺度以3 块试验田（合计0.44 hm2）作为典型田块和田间尺度采样点。田块的日常水管理和农业耕作措施以农民的习惯为准。

（2）斗沟尺度：斗沟尺度主要通过2条灌排两用的农渠灌溉，1条农沟排水，在尺度内布设了1个取样点（P08）和1处自动式雨量筒雨量记录仪（RG3-M, America）获取试验期内降雨数据。

（3）干沟尺度：在芳溪湖流域上游农业种植密集地区，选择一封闭区域作为干沟尺度研究区，于尺度内布设了1个取样点（P02）。

（4）流域尺度：以赣抚平原灌区二干渠及二干三分渠作为流域边界形成的封闭区域作为流域尺度研究区，区域农田排水通过干沟进入芳溪湖，在流域尺度内布设了8 个取样点（P01-P08）。

1.3 样品采集与分析

田间尺度排水样品采用田面水，斗沟尺度、干沟尺度和流域尺度排水从排水沟中采取，样品通过地表水取样器每次装取100 mL 于PE 样品瓶中，每个采样点采集3 次混合为1 个样品，于4 ℃下避光冷藏保存，并在24 h内完成测试。在水稻生育期内水质常规取样为每10 d 采取一次；若遇施肥、降雨及灌溉则隔日取样，持续7 d。尺度水样采集详细情况统计见表1。

表1 不同尺度试验区控制面积及排水水样采样情况Tab.1 Area and water sample collection conditions of different scales

水样测试指标包括总氮、氨氮、硝氮和总磷浓度，分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）、 纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009）、紫外分光光度法（HJ/T 346-2007）和钼酸铵分光光度法（GB 11893-1989）测定。

研究区2021年-2022年施肥情况如表2所示。

表2 研究区施肥情况Tab.2 Fertilizer application in the study area

2 结果与分析

2.1 农田排水氮磷浓度频率分布特征

由表3可知，研究区稻季不同尺度排水平均总氮、氨氮及总磷浓度总体的变化趋势较为一致，均呈现先下降后上升随后下降的趋势，硝氮浓度的变化趋势为先上升后下降。各氮磷浓度均在干沟尺度最高。从形态上看，田间尺度、干沟尺度和流域尺度排水中氨氮占总氮的比例都高于50%，表明研究区排水氮素迁移的主要形态为氨氮。从氮磷浓度变幅看，田间尺度的氮磷浓度变化比其他尺度剧烈。

表3 研究区稻季氮磷浓度全年平均值及变化范围mg/LTab.3 Annual mean and range of variation of nitrogen and phosphorus index concentrations in the rice season in the study area

从图2的氮磷浓度分布频率看，两年排水总氮浓度主要分布在0～2.5 mg/L 之间，累积频率达49.74%；硝氮浓度主要分布在0～0.5 mg/L 之间，累积频率达60.03%；氨氮浓度主要分布在0～2.5 mg/L 之间，累积频率达67.14%；总磷频率分布主要在0～0.25 mg/L之间，累积频率达58.38%。

图2 研究区氮磷浓度频率分布直方图Fig.2 Histogram of frequency distribution of each nitrogen and phosphorus concentration

研究区两年的排水氮磷浓度虽然在数值上主要集中在低浓度区间，氮磷流失风险相对较小，但流域少量的高浓度值说明仍需要加强排水管理，才能降低氮磷流失风险，减少农业面源污染排放。

2.2 农田排水氮磷时间分布特征

图3为研究区农田排水氮磷浓度的月变化，从浓度整体变化趋势看，2021年研究区排水中总氮、氨氮及总磷的浓度变化趋势均为先上升后下降随后再上升，2022年研究区排水总氮、氨氮浓度变化趋势与2021年变化趋势相反，但两年稻季内总氮与氨氮的增降变化同步，表明研究区氨氮是农田排水氮素流失的主要形态。硝氮浓度变化趋势一致，表现为先下降后上升的趋势，并在8月达到最低浓度。

图3 研究区氮磷浓度月变化Fig.3 Monthly variation of nitrogen and phosphorus concentration in the study area

从浓度峰值看，2021年研究区排水氮素浓度在6-8月份达到峰值。田间尺度排水总氮和氨氮浓度在8月出现峰值，峰值浓度分别为9.56 mg/L 和 8.65 mg/L；斗沟及干沟尺度排水总氮和氨氮浓度在6月出现峰值，斗沟尺度总氮和氨氮浓度峰值浓度分别为2.24 mg/L 和0.69 mg/L，干沟尺度总氮和氨氮峰值浓度分别为12.31 mg/L 和10.92 mg/L；流域尺度排水总氮及氨氮浓度则在7月出现峰值，峰值浓度分别为5.94 mg/L 和 4.83 mg/L。在2022年，各尺度氮素浓度均在5月达到峰值。

稻季研究区排水中氨氮/硝氮比例随时间整体表现出先升高后降低的变化特征，各尺度最大比例时间集中于7-8月份。

2.3 稻田排水氮磷空间分布特征

由图4可以看出，两年排水总氮、氨氮以及总磷浓度随尺度的变化趋势基本一致，农田排水氮磷浓度中位数均随着尺度增大表现出先降低后增加再降低的趋势，且最高浓度均在干沟尺度达到，并在流域尺度下降；从最大值看，2021年干沟尺度氮磷浓度最大，2022年总氮、氨氮浓度最高值出现在田间尺度，总磷浓度最高值出现在干沟尺度。

图4 研究区氮磷浓度尺度变化箱线图Fig.4 Box line diagram of the scale variation of nitrogen and phosphorus concentration in the study area

2021年稻田排水中氨氮/硝氮的比例在田间和干沟尺度较大，而在斗沟和流域尺度较小。其变化趋势与总氮和氨氮浓度基本一致，表明排水氨氮/硝氮比例从小尺度到大尺度的变化主要由氨氮浓度影响。但在2022年斗沟尺度氨氮/硝氮的比例最大，说明斗沟尺度排水的氨氮浓度相较于2021年有了较大提高，结合图3发现，斗沟尺度的氨氮浓度在2022年8月有大幅提升，导致这一变化的主要原因是研究区田间在晚稻施蘖肥后排水。

3 讨 论

3.1 施肥过程氮磷浓度时空变化特征

施肥活动对排水氮素具有直接的影响，施用肥料的数量和类型直接决定了排水中氮素的浓度和形态[10,11]。芳溪湖流域2022年8月25日施肥后（图5），研究区氮素浓度快速增加，总氮、氨氮在第6 天（8月31日）达到峰值，硝氮浓度于第9天（9月3日）达到峰值，随后下降，总氮、氨氮在施肥后第16 天（9月10日）达到施肥前浓度水平。总磷浓度在施肥后第6 天（8月31日）达到峰值，在施肥后第10 天（9月4日）达到施肥前浓度水平。因此，在施肥后16 d 内是控制氮磷流失的关键时期，最好避免田间灌水及排水，做好田间水层管理，以防止氮磷随水流失。

图5 研究区施肥过程氮磷浓度变化趋势Fig.5 Trends in nitrogen and phosphorus concentrations during fertilizer applications in the study area

在空间尺度上，田间尺度和干沟尺度的总氮与氨氮浓度在施肥后快速上升，施肥对田间及干沟尺度影响较大，应在这两个尺度加强排水管理。相比之下，田间尺度、干沟尺度及流域尺度的硝氮浓度变化较小且在时间上存在延迟 ，主要是因为研究区化肥施用主要以氨肥为主，硝氮浓度的上升主要来源于氨氮的部分转化，氨氮是排水中氮素的主要存在和流失形态，因此在施肥后的排水管理中需要特别注意控制氨氮的流失。

3.2 降雨过程对田间氮磷浓度变化的影响

降雨会扰动农田土壤导致土壤中氮磷释放至田面水[12]。在芳溪湖流域2021年7月18-25日（短暂型降雨）和2022年6月3-10日（持续型降雨）的降雨事件中（图6），降雨过程氮磷浓度整体呈现早期浓度较高，后期快速降低的趋势，短暂型降雨初期总氮浓度最高为7.87 mg/L，2 d 后浓度降至3.82 mg/L，浓度下降幅度达到41.75%；持续性降雨期间浓度变化过程比较平缓，初次降雨至终次降雨浓度总氮浓度下降0.11 mg/L，在降雨停止2日后开始快速衰减。水稻具有一定的耐淹能力，建议稻田涝水在降雨结束后2～4 d 内排出，一方面可缓解下游防洪压力，另一方面可以有效控制农田氮磷流失风险。

图6 田间降雨过程氮磷浓度变化趋势Fig.6 Trends in nitrogen and phosphorus concentrations during rainfall events in the study area

4 结 论

本文以芳溪湖流域为平原圩区典型代表，开展不同尺度农田排水氮磷浓度监测试验，探究稻田排水氮磷浓度的时空变化特征。主要结论如下。

（1）芳溪湖流域稻季农田排水总氮、氨氮的平均浓度最大值出现于5月和7月，总磷浓度最大值出现于8月，三者的总体变化趋势皆为先上升后下降再上升，氨氮是芳溪湖流域农田排水氮素流失的主要形态；流域稻季农田排水中氨氮/硝氮比例随时间总体呈现升高后降低的特征，最大比例集中在7-8月份。

（2）芳溪湖流域稻季农田排水总氮、氨氮和总磷浓度随尺度变化总体表现出先降低后升高再降低的趋势，在中位值大小上，干沟尺度＞田间尺度＞流域尺度＞斗沟尺度，干沟尺度氮磷浓度相较于其他尺度均保持较高水平。流域稻季农田排水中氨氮/硝氮比例从小尺度到大尺度的变化主要受氨氮浓度影响。

（3）施肥事件会导致芳溪湖流域稻季农田排水氮磷浓度显著升高，为减少氮磷流失风险，需要对施肥或降雨后的排水进行合理规划。施肥后，氮磷浓度在初期就开始急速上升，而下降至施肥前浓度水平需要16 d，因此建议在施肥16 d后进行排水；降雨初期田间氮磷浓度处于最高值，此时应避免排水，降雨后期氮磷浓度呈下降趋势，建议稻田涝水在2～4 d 内排出。

本次研究观测了芳溪湖流域稻田排水氮磷时空变化的特征，并据此讨论了施肥和降雨事件下流域氮磷浓度的时空变化。流域及灌区内稻田排水氮磷经历的过程是极为复杂的，在后续研究中可针对该流域的水质变化与污染负荷耦合开展专门的研究，以获取更直接的、强有力的证据支持。