不同灌溉模式对稻田节水减污效果的影响

周庭全，李圆圆，肖梦华，李彦彬

（1.华北水利水电大学水利学院，郑州 450046；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），杭州 310020）

0 引 言

水稻作为我国主要粮食作物之一，其种植面积与产量分别占粮食作物种植面积与产量的25%与31%[1]。传统水稻生产模式作为农业面源污染的主要途径之一，影响水体质量，波及各项生产活动与正常生活。水稻传统生产模式中的“大肥大水”导致农田氮磷过量[2]、氮磷通过排水渗漏及降雨冲刷等途径进入水体，从而造成面源污染。采用节水灌溉模式不仅能减少灌溉用水，提高水肥利用率[3-5]，还能减少污染物排放[6]。但已有研究中多数只对比了一种节水灌溉模式与常规灌溉之间的差异，对不同灌溉模式之间的差异研究较少。

目前水稻节水灌溉模式主要有“浅、湿、晒”灌溉、间歇灌溉（干湿交替灌溉）、控制灌溉、湿润灌溉、适雨灌溉、蓄雨型灌溉等[7,8]。蓄雨薄露灌溉与薄露灌溉不同之处在于蓄水上限的提高，对降雨的利用较为充分，适用于降雨较多且降雨和水稻生育期同步的地区。沟畦适雨灌溉是适雨灌溉的其中一种模式，适用于南方多雨的地区，地形低洼的地区最为合适。目前对蓄雨薄露灌溉及沟畦适雨灌溉的研究还不充分，需进一步明确其对水分利用及产量的影响机理。同时，水分条件会对氮磷的排放产生影响，但具体影响机理还不甚明确。本文以常规灌溉模式及浙江地区推广的灌溉模式为研究对象，研究不同水分条件下氮磷污染物的流失机理，为水稻科学灌溉提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于浙江省平湖市农业排灌技术示范基地内进行。地理坐标为121°16'N，30°36'E，属于亚热带南部季风气候，年平均气温15.7 ℃，年平均降雨量1 195.2 mm，年蒸发量1 248.6 mm，年日照时间2 075 h，年平均降雨时间140 d。土壤质地为粉质黏土，土壤体积质量为1.39 g/cm3，饱和含水率为38.8%。试验小区面积为11 m×6 m，其进水及排水全部采用钢管，并安装水表、过滤器及控制闸阀等。田埂为水泥砂浆砖砌，高出土壤表面约20 cm，中间设置深入田面以下1 m 的复合土工膜防渗，采用30%石灰土分层回填夯实。试验小区四周设有宽2～3 m的保护区。试验站配有小型气象站，用于记录气象数据。

1.2 试验设计

本试验供试品种为“甬优（杂交）”，其生育期划分返青期、分蘖期、拔节期、抽穗期、乳熟期、黄熟期共6个生育阶段。水稻于7 月25 日移栽，11 月11 日收获，生育期共110 d。试验设置4 个不同处理，即常规灌溉（W0 处理）、薄露灌溉（W1 处理）、改进蓄雨薄露灌溉（W2 处理）和沟畦适雨灌溉（W3 处理）。沟畦适雨灌溉沟宽0.2 m，沟深0.20～0.25 m，沟间畦宽2～4 m，本试验中沟畦规格见图1，不同灌溉模式的田间水分控制标准见表1。每个处理设置3个重复，共计12个试验小区。水稻全生育期施肥纯氮约242.5 kg/hm2，磷肥约150 kg/hm2，钾肥约60 kg/hm2，其中磷肥、钾肥全部以基肥施入。氮肥按照基肥、分蘖肥、拔节肥5∶3∶2的比例施入。

图1 沟畦规格示意图（单位：m）Fig.1 Furrow and furrow specification diagram

表1 不同灌溉模式的田间水分控制标准 mmTab.1 Field water control standards for different irrigation modes

1.3 试验观测项目

试验站内设有小型气象站，可自动获取气象数据。

（1）田间水分数据。灌溉水量和排水量通过灌水管上的水表和出水口处的水表进行计量。每天08:00 根据田间固定位置的水尺读取田间水位，灌水、降雨及排水前后加测；田面无水层时，取水稻根系层（0～20 cm）土壤采用烘干法测定土壤含水率；试验中采用测针测定每天的水层变化。田间埋设无底测桶，每天测取田间水位时同步观测测桶内水位变化，记录渗漏量；除排水外每天田间水层高度变化减去渗漏量，即为蒸发蒸腾量。

（2）水样污染物。水样主要包括排水水样和渗漏水样。每次排水时均采样；从返青期到乳熟期，每个生育期用真空泵采集1 次土壤渗漏水样，水样主要检测TN、TP、NH4+-N、NO3--N和COD等5个指标。

（3）水分生产率及灌溉水分生产率。水分生产率（WP）能反映单位水量的产出效率，表示为：

式中：WP为水分生产率，kg/m3；Y代表水稻产量，kg/hm2；ΔW为0～20 cm 土壤贮水变化量，m3/hm2；I为灌溉水量，m3/hm2；P为天然降雨量，m3/hm2；D为排水量，m3/hm2；L为渗漏量，m3/hm2。

灌溉水分生产率（IWP）反映了单位灌溉水的产出效率，表示为：

式中：IWP为灌溉水分生产率，kg/m3；Y代表水稻产量，kg/hm2；I为灌溉水量，m3/hm2。

（4）产量。水稻产量的观测以试验小区为单元，分别测定各试验小区的产量，并根据试验小区的面积最终换算为单位面积产量。

2 结果与分析

2.1 节水效果分析

2.1.1 不同灌溉模式对灌水量、排水量、渗漏量和腾发量的影响

田间各项水量数据见图2，可以看出灌溉模式对水量有较大影响，不同处理之间存在显著差异。水稻生育期内降雨较少，由于分布略微集中，因此灌水量受蓄水上限影响较大。W0 灌水量最大，W1、W2、W3 依次降低，分别比W0 减少38.6%、73.4%、91.4%，其中W3 由于蓄水上限最大，能存蓄较多雨水，使得灌水量大幅减少。各处理排水量由大到小依次为W1、W0、W2、W3，其中W1 排水量最大，较W0 增加15.9%，是由于W1 蓄水上限较低导致。W1、W2、W3 与W0相比，渗漏量分别减少50.9%、44.3%、47.1%。影响渗漏量的主要因素为水层深度，W1 水层深度最小，渗漏量最小；W3水面面积较小，但蓄水深度远大于其他处理，其渗漏量略有减少，与W2 较为接近。腾发量在耗水中占比均在92.6%以上，即蒸腾蒸发是稻田水分消耗的主要途径。W1 水层较浅且部分时间田间无水层，腾发量最低；W2灌水上限与W1相同，但其蓄水上限高于W1，降雨过后蓄雨导致水层稍深，腾发量大于W1；W0 灌水上限大于W2，蓄水上限小于W2，降雨天数在整个生育期内占比不大，田间水层较长时间保持在灌水上限与下限之间，水深大于W2，腾发量也大于W2；W3 与其他处理不同之处在于正常情况下仅沟中有水层，水面面积显著减少，但蓄水深度较大，其腾发量介于W1 与W2 之间。仅从灌水量来看，W3对雨水利用较为充分，节水效果最好。

图2 不同灌溉模式灌排水量及渗漏腾发水量Fig.2 Irrigation and drainage of different irrigation modes and seepage and outflow

2.1.2 不同灌溉模式对水分生产率的影响

各处理的水分生产率见表2。各处理水分生产率差异显著，由大到小依次为W1、W3、W2、W0。W1 灌水上限及蓄水上限较低，排水较多，田间留存的水量最少，水分生产率大于其他处理。W3 由于灌水最少，排除短时强降雨导致的排水，本田期田间留存的水量仅大于W1，水分生产率仅次于W1，达到2.78 kg/m3。W2与W1的灌水上下限相同，仅淹水上限大于W1，本田期田间留存的水量高出W1 31.9%，水分生产率为2.51 kg/m3。W0 灌水量最大，且可蓄雨量仅大于W1 薄露灌溉，本田期田间留存的水量最大，水分生产率最小。由上述可知，本田期田间留存的水量越少，水分生产率越大，二者呈负相关。

表2 不同灌溉模式水分生产率Tab.2 Water productivity of different irrigation modes

灌溉水分生产率由大到小依次为W3、W2、W1、W0，且各处理存在显著差异。灌溉水分生产率仅与产量、灌水量两个因素相关。由表2 可知，水稻产量在11 070.0～11 301.0 kg/hm2之间波动，且各处理虽然存在差异，但仍处于同一水平，而灌溉水分生产率与灌水量成负相关，因此灌溉水分生产率受灌水量影响较大。同时灌水量随灌溉模式而变化，因此灌溉模式对灌溉水分生产率有较大影响。

2.2 减污效果分析

2.2.1 稻田污染物的排水负荷量

各处理排水污染物平均浓度与负荷量见表3。其中稻田污染物排水负荷量由各次排水中污染物浓度与各次排水量相乘后累加得到。以常规灌溉W0 为对照，W1、W2、W3 排水中总氮浓度分别降低9.1%、18.3%、28.1%；硝氮浓度则分别增加了18.3%、减少了14.1%、增加了2.8%；氨氮浓度则分别减少了52%、30.1%、72.8%。其中W1 处理排水3 次，最后一次排水氮素浓度显著大于前两次及其他处理，导致平均浓度增加，且部分指标大于W0。最后一次排水浓度陡增的原因可能是排水前土壤处于无水层状态，土壤通气得到改善，硝化作用增强所致。总磷平均浓度除W1外均小于0.1 mg/L。导致W1总磷平均浓度最大的主要原因是由于最后一次排水中总磷浓度最大，是各处理各次排水总磷浓度的2.2～4.6 倍。化学需氧量COD 平均浓度相对于W0，W1、W2、W3 分别减少16.2%、17%、35.2%。

表3 不同灌溉模式排水污染物平均浓度及负荷量Tab.3 Average concentration and load of pollutants in drainage under different irrigation modes

各处理排水总氮负荷量依次减小，常规灌溉W0 为对照，W1、W2、W3 分别减少17.2%、75.7%、84.2%；硝氮负荷量W1 最大，W0 次之，氨氮负荷量W0 最大，W1 次之。薄露灌溉改善了土壤通气状况，促进了硝化作用。而氨氮作为硝化作用的底物被转化为硝氮，导致W1氨氮排水负荷量降低。虽然W2的氨氮平均浓度大于W1，W3的硝氮平均浓度大于W0，但W2 与W3 的氮素排水负荷量远小于W1 与W2。且W2 和W3仅排水一次，说明在不同量级下排水量的多少是污染物排水负荷量的主要影响因素。总磷排水负荷量较小，但蓄雨类灌溉与非蓄雨类灌溉间的差距较为明显。COD 排水负荷量的变化与总氮类似，各处理相对W0 分别减少1.1%、74.6%、85.3%。

2.2.2 稻田污染物的渗漏负荷量

各处理渗漏水中污染物浓度见图3。其中图3（a）为总氮浓度变化，除常规灌溉外其他处理总体上随生育期呈逐渐上升的变化趋势。常规灌溉W0的变化趋势为升-降-升，全生育期峰值出现在拔节孕穗期，其他处理虽有波动，但其变化幅度不大。硝氮作为氮素主要形态之一，其浓度变化趋势与总氮基本一致，见图3（b）。且75%的渗漏水样品中硝氮浓度的占比在50%以上，说明渗漏水中氮素的主要形态为硝氮，这也符合硝氮易溶于水且不易被土壤吸附[9-11]的特征。各处理氨氮浓度变化趋势见图3（c）。W1、W2 变化趋势相似，W0 与W3 生育期前期（返青、分蘖及拔节孕穗期）变化趋势一致。返青期各处理水层依次由深到浅，淋溶由强到弱，氨化作用由弱到强，淋溶作用与氨化作用共同作用导致返青期氨氮渗漏浓度W1、W2 大于W0、W3。分蘖期各处理水层由深到浅依次为W3、W0、W2、W1，淋溶作用由强到弱，渗漏水中氨氮浓度规律与水层深浅一致，说明渗漏水中氨氮浓度主要受淋溶作用影响。拔节孕穗及抽穗开花期与返青期类似，渗漏水中氨氮浓度受氨化作用与淋溶作用二者共同影响。乳熟期与分蘖期相同，渗漏水中氨氮浓度主要受淋溶作用影响。总磷渗漏浓度见图3（d），各处理与各生育期均在0.02～0.10 mg/L范围内波动，仅W2返青期超出此范围，可能是由于施用基肥时在取样点周围撒施不均匀导致。渗漏水中COD 浓度变化趋势见图3（e）。COD 浓度大体呈上升趋势，虽在抽穗开花及乳熟期有一定程度下降但其下降幅度不大。整体呈增加趋势可能是由于随生育期进行，田间水层中藻类及其他残枝落叶等增多，经过简单分解后随渗漏水下渗，导致渗漏水中有机物含量增加，进而使COD浓度增加。

图3 不同灌溉模式下渗漏水中各污染物浓度变化Fig.3 Changes of pollutant concentrations in seepage water under different irrigation modes

各处理本田期渗漏污染物平均浓度及负荷量见表4。各处理渗漏水中污染物平均浓度W0 与W2 相差不大，W3、W2 依次降低。说明水层深度较深会增加淋溶强度，使得污染物浓度增加。W3处理小于W0与W2可能是由于其正常情况下仅沟中有水，淋溶作用较弱。W0 各项污染物指标均大于其他处理，说明节水灌溉模式能有效减少渗漏污染物排放。以W0处理的TN、TP、NO3--N、NH4+-N 和COD 的负荷量为对照，W1分别减少72.2%、87.0%、54.9%、56.2%、55.9%；W2 分别减少53.4%、63.3%、46.1%、49.1%、30.5%；W3 分别减少55.0%、62.1%、23.2%、69.2%、49.8%。各处理污染物渗漏负荷量受渗漏量与渗漏水中污染物浓度两个因素影响。其中渗漏量由大到小依次为W0、W2、W3、W1，污染物渗漏负荷量的变化规律与其一致，二者呈正相关；另一方面渗漏污染物平均浓度仅总氮及硝氮两项指标变化规律与负荷量一致，氨氮、总磷、COD则无明显规律。

2.2.3 稻田污染物的负荷量

各处理污染物负荷量如表5所示。除总磷外，其他污染物指标由大到小均为W0、W1、W2、W3。相对与W0 常规灌溉的总氮、硝氮、氨氮及COD 负荷量，薄露灌溉降低25.1%、6.2%、64.3%、7.5%，改进蓄雨薄露灌溉降低72.5%、72.4%、77.2%、69.4%，沟畦适雨灌溉降低79.9%、74.6%、89.9%、81.1%。总磷负荷量不同于其他污染物指标主要原因在于W1薄露灌溉的灌溉模式，其灌水上下限设定较小，导致排水次数分别比常规灌溉、改进蓄雨薄露灌溉、沟畦适雨灌溉多1～2次，且多出的一次排水中磷素浓度较高。W2 与W3 均蓄雨使得排水次数、排水量小于W0 与W1，造成污染物负荷量小于前两者。后两者虽由于蓄水较深，渗漏量较大，但其渗漏水中污染物浓度不高，不足以使渗漏污染物负荷量有较大增加。

3 讨 论

不同的节水灌溉模式均能有效减少灌溉用水，但在减污方面有着不同的表现。本试验结果表明节水灌溉模式能够显著降低灌溉水量，节水灌溉模式较常规灌溉减少38.6%～91.4%的灌溉水量。从产量来看，蓄水灌溉模式会造成一定程度的减产，但其减产幅度较小（改进蓄雨薄露减产0.47%、沟畦适雨减产0.62%），处于可接受水平；薄露灌溉则增产1.45%。这与前人研究结果[12-14]类似，但也与郭相平等人[15]研究结果存在差异。不同灌溉模式的节水效果不同，若以灌溉水分生产率作为判断依据，沟畦适雨灌溉节水效果最好，是由于其只在沟内灌水，田面不留水层，灌水量最少。若以水分生产率作为判断依据，薄露灌溉节水效果最佳，是由于其田间留存的水量最少，大部分降雨被排出。本文计算水分生产率时参考李远华、杨晓慧[16,17]等人的研究结果，将渗漏量考虑在内进行计算，与褚光、许怡等人[3,8]的计算方法不同。因此WP在数值上有一定差别，但对不同灌溉模式下的水分生产率的变化规律没有影响。由于WP受降雨量影响，在不同水平年的变化则需要进行多年试验以排除降雨影响。

排水污染物负荷量受排水中污染物的浓度与排水量的影响，薄露灌溉能有效降低污染物浓度，但最后一次排水中污染物浓度陡增，总氮、硝氮、氨氮、总磷均为所有排水水样中浓度最大值。一方面可能是由于排水间隔较长，田间氮素磷素及有机物累积，且期间土壤反复落干促进了有机物的矿化；另一方面可能是降雨扰动了表层土壤颗粒，促进了氮素溶于地表水和磷素的溶解和解吸[18,19]。改进蓄雨薄露灌溉与沟畦适雨灌溉的排水量均小于常规灌溉与薄露灌溉，导致排水污染物负荷量也小于常规灌溉与薄露灌溉，这与许怡等[8]的研究结果一致。渗漏污染物负荷中，总氮、总磷及COD 的排放规律与排水污染物负荷相同，渗漏量起主导作用。但在改进蓄雨薄露灌溉的渗漏量大于沟畦适雨灌溉的情况下，改进蓄雨薄露灌溉的硝氮与氨氮渗漏负荷量反而小于沟畦适雨灌溉。这可能是由于改进蓄雨薄露灌溉模式下反复落干，田间微生物活性及数量增大导致有机氮占比增加，硝氮和氨氮占比减少造成的。污染物总负荷中，绝大多数渗漏污染物负荷量占比在2.5%～32.5%之间，仅最大占比为44.1%。因此污染物总负荷排放规律与排水污染物负荷排放规律较为接近。薄露灌溉与蓄雨类灌溉（包括改进蓄雨薄露灌溉与沟畦适雨灌溉）之间的差异较为明显，但改进蓄雨薄露灌溉与沟畦适雨灌溉之间的差异还不太明确，还需进一步进行试验。

4 结 论

（1）4种灌溉模式中，沟畦适雨灌溉节水效果最好，其次是改进蓄雨薄露灌溉和薄露灌溉，分别比常规灌溉节省91.4%、73.4%、38.6%的灌溉水量。

（2）沟畦适雨灌溉能够大幅降低污染物排放，相对常规灌溉各项污染物降幅均在74.6%以上，减污效果显著，改进蓄雨薄露灌溉次之。但二者蓄水上限较高，相对于薄露灌溉地下水污染风险增大。

（3）薄露灌溉的减污效果相对沟畦适雨灌溉及改进蓄雨薄露灌溉较差，但能够提高产量，若采取薄露灌溉应避免长期不排水后突然排水。

（4）综合节水减污效果来看，沟畦适雨灌溉最优，能有效控制稻田的面源污染问题。