旱澇交替脅迫對稻田地表及地下水總磷的影響

王 梅，周 偉，高世凱，郭 蓉，俞雙恩

(1.河海大學南方地區高校灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098；3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

旱澇交替脅迫對稻田地表及地下水總磷的影響

王 梅1，2，周 偉3，高世凱1，2，郭 蓉1，2，俞雙恩1，2

(1.河海大學南方地區高校灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098；3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

通過蒸滲測坑對水稻拔節孕穗期和抽穗開花期2個重要生育期進行水位調控試驗，研究單個生育階段旱澇交替脅迫及2個生育階段連續旱澇交替脅迫的稻田地表水、地下水總磷(TP)質量濃度變化。結果表明：旱澇交替脅迫對稻田地表水、地下水TP質量濃度變化影響顯著，先旱后澇處理地表水的平均TP質量濃度比先澇后旱處理地表水TP質量濃度高，且P釋放量下降速率快；地下水各處理受澇階段的平均TP質量濃度比受旱階段高，旱澇急轉后TP質量濃度顯著增加；與單個生育期進行旱澇交替脅迫處理相比，連續2個生育期進行旱澇交替脅迫處理時抽穗開花期TP質量濃度變化規律相似，但地表水平均TP質量濃度偏低，地下水平均TP質量濃度偏高。

稻田水位調控試驗；旱澇交替脅迫作用；水稻拔節孕穗期；水稻抽穗開花期；稻田地表水；稻田地下水；TP質量濃度

水體富營養化已經成為全球關注的問題，磷素是引起水體富營養化重要的主導因子之一[1]。地表徑流是磷素主要的流失途徑[2]，已經成為南方地區農業面源污染的主要來源[3]。近幾年的研究表明，農田長期大量施用磷肥，導致耕層磷素大量累積，也會引發較強的淋溶損失[4]。南方地區水稻生長期與雨季重合，為提高雨水利用效率，減少灌溉排水成本，農民往往利用稻田調蓄雨水，使水稻經受一定的澇漬脅迫；長時間不降雨又不能及時灌溉時水稻會遭受干旱脅迫，因此水稻在大田生長期經常受到旱澇交替脅迫的影響[5]。季亞輝等[6]研究表明，水稻隨著淹水深度的增加，單位面積釋放的TP越多。孫亞亞等[7]研究表明，增加蓄水深度，延遲排水，可以減少土壤磷素損失。黃榮等[8]研究表明，暴雨前田面保持一定水深可以降低雨滴濺蝕減少土壤磷素損失，田面水層深度與雨后地表水TP質量濃度呈負相關關系。Xiao等[9]研究表明，水稻淹水初期田面水磷負荷較高，隨著淹水時間的增加，呈降低的趨勢。邵園園[10]研究表明：在地下水位相同時，水稻分蘗期、拔節孕穗期地下水TP質量濃度隨著受旱歷時的延長而降低，抽穗開花期則隨著受旱歷時的延長而增加，乳熟期影響不顯著；受旱歷時相同時，分蘗期、拔節孕穗期地下水TP質量濃度隨著地下水位降低而降低，抽穗開花期與乳熟期規律則相反。以往的研究多是針對單一受澇或單一受旱條件下稻田水磷素的濃度變化，特別是受澇條件下的研究較多，但是對旱澇交替脅迫下稻田水磷素變化規律的研究涉及較少。已有研究表明[11]，農田水位不僅能準確反映稻田的水分狀況，還能更好地反映田面水層自然消退和旱澇急轉時的突變過程。因此，利用農田水位作為控制灌排的調控指標，開展旱澇交替脅迫對稻田水TP質量濃度的影響研究，對合理制定稻田水位調控方案，控制灌溉排水標準，最大限度地減少磷素對水體環境的污染具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本情況

試驗于2015年5—10月在河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室江寧校區節水園區內進行。節水園區位于北緯31°86′、東經118°60′，屬亞熱帶濕潤性氣候區，年均氣溫15.7 ℃，年均降雨量1 021.3 mm，年均蒸發量900 mm，日照時數2 212.8 h，年均無霜期237 d。區內設有32個固定式蒸滲儀(有底28個、無底4個)，分為2組，每組16個，每個蒸滲儀的規格為2.5 m×2 m×2 m(長×寬×高)，地下設有廊道和設備間，地上設有移動式雨棚，為了準確控制農田水位，降雨時關閉雨棚。測坑內土壤為黏壤土，0～30 cm土壤密度1.46 g/cm3，田間持水率25.28%，總孔隙度44.97%，有機質含量(質量分數)2.19%，pH為6.97，全氮、速效氮、全磷、速效磷質量比分別為0.91 g/kg、27.65 mg/kg、0.32 g/kg、12.5 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試的水稻品種為南梗9108，5月13日育秧，6月16日移栽。共施肥3次，基肥為復合肥(N、P、K質量比為15∶15∶15)，分蘗肥與穗肥為尿素(含氮量質量分數46.4%)，施肥量分別為900 kg/hm2、100 kg/hm2、50 kg/hm2，施肥時間分別為6月13日、6月28日、8月18日。在拔節孕穗期、抽穗開花期單個生育階段與拔節孕穗期、抽穗開花期連續2個生育階段進行先旱后澇、先澇后旱2種控制灌排試驗，試驗在有底測坑內進行，每個處理設3個重復。先旱后澇處理，控水開始自然耗干田面水層直到地下水埋深達到設定的下限值后立即灌水至淹水上限值，之后不補水，讓其自然消退至控制灌排的適宜灌水下限，先澇后旱各處理，控水開始灌水至淹水上限，然后讓其自然消退，直到受旱下限，再灌水至該生育期灌水適宜上限，其他時間段按照控制灌溉要求進行水位管理。田面有水層時保持2 mm/d的田間滲漏量，田面無水層時滲漏量為0 mm/d。試驗設計方案見表1。

1.3 水質分析及數據處理

地表水按照取水間隔(淹水第1天、第3天、第5天)在不擾動土壤層情況下，采用50 mL醫用注射器，隨機抽取測坑內中部地表水，注入塑料瓶；地下水按照取水間隔(控水第1天、第3天、第5天、第6天、第8 天、第10 天)采集地下排水的尾水，注入塑料瓶。稻田水TP質量濃度測定采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法，測定儀器為島津紫外分光光度儀uv 2800。

利用Excel軟件對數據進行初步整理，利用SPSS 13.0軟件進行顯著性分析，利用Origin 8.0軟件對數據進行繪圖。

表1 試驗設計方案

注：HL指先旱后澇，LH指先澇后旱；數字正值為田面淹水深度，負值為地下水位距田面的距離；GX指灌水適宜下限，GS指灌水適宜上限，RY指降雨時允許蓄水深度。

2 結果與分析

2.1 單個生育期旱澇交替脅迫TP質量濃度變化

2.1.1 地表水TP質量濃度變化

拔節孕穗期、抽穗開花期稻田地表水TP質量濃度和P釋放量變化見圖1?？厮畷r間分別為7月29日至8月7日、8月24日至9月2日，2個生育期先旱后澇處理下的地下水位分別于8月3日、8月20日達到-50 cm，此時進行旱澇急轉。拔節孕穗期、抽穗開花期各處理的TP質量濃度變化趨勢相似，淹水第1天TP質量濃度都較高，這是因為灌水對土壤表層擾動，使顆粒態磷含量增加，隨著淹水時間的增加各處理TP質量濃度逐漸減小，這與懸浮物的逐漸沉淀以及作物的吸收有關。先旱后澇處理平均TP質量濃度較先澇后旱處理高，且淹水第1天HL1處理TP質量濃度較LH1處理提高了44%，HL2處理TP質量濃度較LH2處理TP質量濃度提高了61%，這是因為干旱初期好氧微生物快速生長，使磷富集在增長的微生物群落中，進一步干燥時微生物死亡，再次復水時微生物吸收利用的磷被釋放出來[12]，這與張志劍等[13]及Lauren等[14]的研究結論相似。先旱后澇處理P釋放量[15]較先澇后旱大，這可能與旱后復水水稻的補償機制有關。郭相平等[16]研究表明，旱后復水，水稻根系進一步延伸，數量增加，受旱時消失的浮根復水后加速生長，吸水吸肥能力增加。

圖1 單個生育期地表水TP質量濃度和P釋放量變化Fig. 1 Changes of TP mass concentration and phosphorus release amount in surface water during individual growth stages

2.1.2 地下水TP濃度變化

拔節孕穗期、抽穗開花期稻田地下水TP質量濃度變質量化見圖2。LH1、LH2處理TP濃度整體呈下降趨勢，一方面因為水稻處于營養生長和生殖生長旺盛時期，根系分布在土壤下層的比例增加，根系吸收磷素能力提高；另一方面因為淹水后適度旱脅迫可以改善土壤還原狀況，減輕還原物質對根系的毒害，促進了根系吸收能力。HL1、HL2處理受旱階段TP質量濃度變化幅度不大，旱澇急轉后TP質量濃度增加，在第3天達到最大值后濃度降低，這是因為持續性干旱使土壤縫隙變大，復水后在土壤優勢水流作用下[17]，順著土壤縫隙補充地下水，懸浮于水中或溶解到水中的磷不易被土壤吸附，使地下水TP質量濃度增大，這也是先旱后澇TP平均質量濃度較先澇后旱處理高的原因。LH1、LH2處理受旱階段平均TP質量濃度分別較HL1、HL2受澇階段平均TP質量濃度低62%、44%，HL1、HL2處理受旱階段平均TP質量濃度分別較LH1、LH2受澇階段平均TP濃度低38%、26%，一方面因為淹水階段較高的地上P素向下淋溶，另一方面因為持續性淹水使土壤處于厭氧狀態，導致土壤氧化還原電位值降低，PH上升，Fe3+被還原為Fe2+，結合態P轉換為溶解態P釋放，土壤供磷能力增加[18]。

圖2 單個生育期地下水TP質量濃度變化Fig. 2 Change of TP mass concentration in subsurface water during individual growth stages

2.2 連續2個生育期旱澇交替脅迫稻田地表水、地下水TP質量濃度變化

連續2個生育期地表水TP質量濃度和P釋放量變化見圖3。拔節孕穗期、抽穗開花期控水時間分別為7月29日至8月7日、8月24日至9月2日，2個生育期先旱后澇處理下的地下水位分別于8月3日、8月20日達到-50 cm，此時進行旱澇急轉。HL3、LH3處理抽穗開花期地表水的TP質量濃度隨著淹水時間的增加逐漸降低，HL3處理P釋放量減小速率較LH3處理快，淹水第1天TP質量濃度都很高，HL3處理較LH3處理TP質量濃度提高了45%，這與單個生育期抽穗開花期TP質量濃度變化規律相似。HL3、LH3處理抽穗開花期地表水平均TP質量濃度分為0.044 mg/L、0.037 mg/L，與抽穗開花期單個生育期旱澇交替脅迫處理相比平均TP濃度分別降低了54%、41%，這是因為連續的旱澇交替促使田面逐漸形成一層保護層，灌水對土層的擾動減小，TP質量濃度減小。

連續2個生育期地下水TP質量濃度變化見圖4。LH3處理抽穗開花期TP質量濃度呈下降的趨勢，HL3處理受旱階段TP質量濃度下降但波動不大，旱澇急轉后TP質量濃度增加并在淹水第3天達到了最大值，后TP質量濃度逐漸下降，HL3、LH3處理受澇階段平均TP質量濃度較受旱階段高，這與單個生育期抽穗開花期TP質量濃度變化規律相似。HL3、LH3處理抽穗開花期平均TP質量濃度分別為0.063 mg/L、0.060 mg/L，與單個生育期抽穗開花期旱澇交替脅迫處理下平均TP質量濃度相比分別提高了27%、44%，這是因為連續的旱澇交替可以促進土壤磷素的釋放與下滲[19]。

圖3 連續2個生育期地表水TP質量濃度和P釋放量變化

Fig. 3 Changes of TP mass concentration and phosphorus release amount in surface water during two consecutive growth stages

圖4 連續2個生育期地下水TP質量濃度變化Fig. 4 Change of TP mass concentration in subsurface water during two consecutive growth stages

2.3 旱澇交替脅迫對稻田地表水、地下水TP質量濃度影響分析

用SPSS軟件進行水稻旱澇交替脅迫對拔節孕穗期、抽穗開花期單個生育期與連續2個生育期中抽穗開花期稻田地表水、地下水TP質量濃度影響顯著性分析(P<0.05)，結果表明，先旱后澇處理、先澇后旱處理對拔節孕穗期、抽穗開花期單個生育期，以及連續2個生育期中抽穗開花期稻田地表水、地下水TP質量濃度變化影響顯著。稻區農田水體總磷易誘發水體富營養化的臨界值為0.035～0.100 mg/L[20]，由表2可知各處理均存在誘發水體富營養化的危險，特別要注意的是旱后復水的水體排放。

表2 旱澇交替脅迫下稻田地表水、地下水平均TP質量濃度

注：H指控水受旱階段，L指控水受澇階段。

3 結 論

a.單個生育期旱澇交替脅迫各處理地表水TP濃度淹水第1天較高，先旱后澇處理平均TP質量濃度較先澇后旱處理高，且淹水第1天HL1處理TP質量濃度較LH1處理提高44%，HL2處理TP質量濃度較LH2處理TP質量濃度提高了61%，因此宜盡量避免淹水初期地表的排水，特別是旱后淹水的即時排放。

b.單個生育期旱澇交替脅迫各處理地下水平均TP質量濃度受澇階段較受旱階段高，旱澇急轉后地下水TP質量濃度顯著增加，在第3天達到最大值。旱澇交替脅迫各處理均存在誘發水體富營養化的危險，特別是旱澇急轉后TP質量濃度最高，需采取合理控制排水措施，避免面源污染的發生。

c.與單個生育期進行旱澇交替脅迫處理相比，連續2個生育期進行旱澇交替脅迫處理時抽穗開花期TP質量濃度變化規律相似，但地表水平均TP質量濃度偏低，地下水平均TP質量濃度偏高。

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Influence of alternative stress of drought and waterlogging on total phosphorus concentration in surface and subsurface water of paddy field

WANG Mei1，2，ZHOU Wei3，GAO Shikai1，2，GUO Rong1，2，YU Shuang’en1，2

(1.KeyLaboratoryofEfficientIrrigation-DrainageandAgriculturalSoil-WaterEnvironmentinSouthernChina，MinistryofEducation，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；3.CollegeofWaterConservancyandArchitecturalEngineering，NorthwestAgricultureandForestryUniversity，Yangling712100，China)

Through water level control tests in two important growth stages of rice，the jointing-booting and heading-flowering stages，the change of total phosphorus (TP) mass concentration in surface and subsurface water of a paddy field were studied using lysimeters under alternative stresses of drought and waterlogging (ASDW) in individual stages and two consecutive growth stages. The results show that ASDW had a significant influence on the change of TP mass concentrations in surface and subsurface water of a paddy field，the TP mass concentration in surface water with the treatment of waterlogging after drought was much higher than it was with the treatment of drought after waterlogging，and the declining rate of phosphorus release amount was faster. The mean TP mass concentration in the waterlogging phase was higher than in the drought phase with all treatments of subsurface water. The TP mass concentration increased significantly after the abrupt alternation from drought to waterlogging. Compared with that during the individual growth stages with the treatment of ASDW，the change of TP mass concentration in the heading-flowering stage during the two consecutive growth stages with the treatment of ASDW was similar，the mean TP mass concentration in surface water was lower，and the mean TP mass concentration in subsurface water was higher.

paddy field water level control experiment； drought and waterlogging alternative stress； jointing-booting stage of rice； heading-flowering stage of rice； surface water of paddy field； subsurface water of paddy field； TP mass concentration

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.01.009

2016-03-23

國家自然科學基金(51479063)；中央高?；究蒲袠I務費專項(2015B34614)

王梅(1988—)，女，云南昭通人，博士研究生,主要從事水稻灌排理論與節水灌溉研究。E-mail:1120422537@qq.com

俞雙恩,教授。E-mail:seyu@hhu.edu.cn

文獻標志碼：A 文章編號：1000-1980(2017)01-0063-06