不同灌溉模式對稻田節水減污效果的影響

周庭全，李圓圓，肖夢華，李彥彬

（1.華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規劃設計研究院），杭州 310020）

0 引 言

水稻作為我國主要糧食作物之一，其種植面積與產量分別占糧食作物種植面積與產量的25%與31%[1]。傳統水稻生產模式作為農業面源污染的主要途徑之一，影響水體質量，波及各項生產活動與正常生活。水稻傳統生產模式中的“大肥大水”導致農田氮磷過量[2]、氮磷通過排水滲漏及降雨沖刷等途徑進入水體，從而造成面源污染。采用節水灌溉模式不僅能減少灌溉用水，提高水肥利用率[3-5]，還能減少污染物排放[6]。但已有研究中多數只對比了一種節水灌溉模式與常規灌溉之間的差異，對不同灌溉模式之間的差異研究較少。

目前水稻節水灌溉模式主要有“淺、濕、曬”灌溉、間歇灌溉（干濕交替灌溉）、控制灌溉、濕潤灌溉、適雨灌溉、蓄雨型灌溉等[7,8]。蓄雨薄露灌溉與薄露灌溉不同之處在于蓄水上限的提高，對降雨的利用較為充分，適用于降雨較多且降雨和水稻生育期同步的地區。溝畦適雨灌溉是適雨灌溉的其中一種模式，適用于南方多雨的地區，地形低洼的地區最為合適。目前對蓄雨薄露灌溉及溝畦適雨灌溉的研究還不充分，需進一步明確其對水分利用及產量的影響機理。同時，水分條件會對氮磷的排放產生影響，但具體影響機理還不甚明確。本文以常規灌溉模式及浙江地區推廣的灌溉模式為研究對象，研究不同水分條件下氮磷污染物的流失機理，為水稻科學灌溉提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于浙江省平湖市農業排灌技術示范基地內進行。地理坐標為121°16'N，30°36'E，屬于亞熱帶南部季風氣候，年平均氣溫15.7 ℃，年平均降雨量1 195.2 mm，年蒸發量1 248.6 mm，年日照時間2 075 h，年平均降雨時間140 d。土壤質地為粉質黏土，土壤體積質量為1.39 g/cm3，飽和含水率為38.8%。試驗小區面積為11 m×6 m，其進水及排水全部采用鋼管，并安裝水表、過濾器及控制閘閥等。田埂為水泥砂漿磚砌，高出土壤表面約20 cm，中間設置深入田面以下1 m 的復合土工膜防滲，采用30%石灰土分層回填夯實。試驗小區四周設有寬2～3 m的保護區。試驗站配有小型氣象站，用于記錄氣象數據。

1.2 試驗設計

本試驗供試品種為“甬優（雜交）”，其生育期劃分返青期、分蘗期、拔節期、抽穗期、乳熟期、黃熟期共6個生育階段。水稻于7 月25 日移栽，11 月11 日收獲，生育期共110 d。試驗設置4 個不同處理，即常規灌溉（W0 處理）、薄露灌溉（W1 處理）、改進蓄雨薄露灌溉（W2 處理）和溝畦適雨灌溉（W3 處理）。溝畦適雨灌溉溝寬0.2 m，溝深0.20～0.25 m，溝間畦寬2～4 m，本試驗中溝畦規格見圖1，不同灌溉模式的田間水分控制標準見表1。每個處理設置3個重復，共計12個試驗小區。水稻全生育期施肥純氮約242.5 kg/hm2，磷肥約150 kg/hm2，鉀肥約60 kg/hm2，其中磷肥、鉀肥全部以基肥施入。氮肥按照基肥、分蘗肥、拔節肥5∶3∶2的比例施入。

圖1 溝畦規格示意圖（單位：m）Fig.1 Furrow and furrow specification diagram

表1 不同灌溉模式的田間水分控制標準 mmTab.1 Field water control standards for different irrigation modes

1.3 試驗觀測項目

試驗站內設有小型氣象站，可自動獲取氣象數據。

（1）田間水分數據。灌溉水量和排水量通過灌水管上的水表和出水口處的水表進行計量。每天08:00 根據田間固定位置的水尺讀取田間水位，灌水、降雨及排水前后加測；田面無水層時，取水稻根系層（0～20 cm）土壤采用烘干法測定土壤含水率；試驗中采用測針測定每天的水層變化。田間埋設無底測桶，每天測取田間水位時同步觀測測桶內水位變化，記錄滲漏量；除排水外每天田間水層高度變化減去滲漏量，即為蒸發蒸騰量。

（2）水樣污染物。水樣主要包括排水水樣和滲漏水樣。每次排水時均采樣；從返青期到乳熟期，每個生育期用真空泵采集1 次土壤滲漏水樣，水樣主要檢測TN、TP、NH4+-N、NO3--N和COD等5個指標。

（3）水分生產率及灌溉水分生產率。水分生產率（WP）能反映單位水量的產出效率，表示為：

式中：WP為水分生產率，kg/m3；Y代表水稻產量，kg/hm2；ΔW為0～20 cm 土壤貯水變化量，m3/hm2；I為灌溉水量，m3/hm2；P為天然降雨量，m3/hm2；D為排水量，m3/hm2；L為滲漏量，m3/hm2。

灌溉水分生產率（IWP）反映了單位灌溉水的產出效率，表示為：

式中：IWP為灌溉水分生產率，kg/m3；Y代表水稻產量，kg/hm2；I為灌溉水量，m3/hm2。

（4）產量。水稻產量的觀測以試驗小區為單元，分別測定各試驗小區的產量，并根據試驗小區的面積最終換算為單位面積產量。

2 結果與分析

2.1 節水效果分析

2.1.1 不同灌溉模式對灌水量、排水量、滲漏量和騰發量的影響

田間各項水量數據見圖2，可以看出灌溉模式對水量有較大影響，不同處理之間存在顯著差異。水稻生育期內降雨較少，由于分布略微集中，因此灌水量受蓄水上限影響較大。W0 灌水量最大，W1、W2、W3 依次降低，分別比W0 減少38.6%、73.4%、91.4%，其中W3 由于蓄水上限最大，能存蓄較多雨水，使得灌水量大幅減少。各處理排水量由大到小依次為W1、W0、W2、W3，其中W1 排水量最大，較W0 增加15.9%，是由于W1 蓄水上限較低導致。W1、W2、W3 與W0相比，滲漏量分別減少50.9%、44.3%、47.1%。影響滲漏量的主要因素為水層深度，W1 水層深度最小，滲漏量最??；W3水面面積較小，但蓄水深度遠大于其他處理，其滲漏量略有減少，與W2 較為接近。騰發量在耗水中占比均在92.6%以上，即蒸騰蒸發是稻田水分消耗的主要途徑。W1 水層較淺且部分時間田間無水層，騰發量最低；W2灌水上限與W1相同，但其蓄水上限高于W1，降雨過后蓄雨導致水層稍深，騰發量大于W1；W0 灌水上限大于W2，蓄水上限小于W2，降雨天數在整個生育期內占比不大，田間水層較長時間保持在灌水上限與下限之間，水深大于W2，騰發量也大于W2；W3 與其他處理不同之處在于正常情況下僅溝中有水層，水面面積顯著減少，但蓄水深度較大，其騰發量介于W1 與W2 之間。僅從灌水量來看，W3對雨水利用較為充分，節水效果最好。

圖2 不同灌溉模式灌排水量及滲漏騰發水量Fig.2 Irrigation and drainage of different irrigation modes and seepage and outflow

2.1.2 不同灌溉模式對水分生產率的影響

各處理的水分生產率見表2。各處理水分生產率差異顯著，由大到小依次為W1、W3、W2、W0。W1 灌水上限及蓄水上限較低，排水較多，田間留存的水量最少，水分生產率大于其他處理。W3 由于灌水最少，排除短時強降雨導致的排水，本田期田間留存的水量僅大于W1，水分生產率僅次于W1，達到2.78 kg/m3。W2與W1的灌水上下限相同，僅淹水上限大于W1，本田期田間留存的水量高出W1 31.9%，水分生產率為2.51 kg/m3。W0 灌水量最大，且可蓄雨量僅大于W1 薄露灌溉，本田期田間留存的水量最大，水分生產率最小。由上述可知，本田期田間留存的水量越少，水分生產率越大，二者呈負相關。

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

灌溉水分生產率由大到小依次為W3、W2、W1、W0，且各處理存在顯著差異。灌溉水分生產率僅與產量、灌水量兩個因素相關。由表2 可知，水稻產量在11 070.0～11 301.0 kg/hm2之間波動，且各處理雖然存在差異，但仍處于同一水平，而灌溉水分生產率與灌水量成負相關，因此灌溉水分生產率受灌水量影響較大。同時灌水量隨灌溉模式而變化，因此灌溉模式對灌溉水分生產率有較大影響。

2.2 減污效果分析

2.2.1 稻田污染物的排水負荷量

各處理排水污染物平均濃度與負荷量見表3。其中稻田污染物排水負荷量由各次排水中污染物濃度與各次排水量相乘后累加得到。以常規灌溉W0 為對照，W1、W2、W3 排水中總氮濃度分別降低9.1%、18.3%、28.1%；硝氮濃度則分別增加了18.3%、減少了14.1%、增加了2.8%；氨氮濃度則分別減少了52%、30.1%、72.8%。其中W1 處理排水3 次，最后一次排水氮素濃度顯著大于前兩次及其他處理，導致平均濃度增加，且部分指標大于W0。最后一次排水濃度陡增的原因可能是排水前土壤處于無水層狀態，土壤通氣得到改善，硝化作用增強所致?？偭灼骄鶟舛瘸齏1外均小于0.1 mg/L。導致W1總磷平均濃度最大的主要原因是由于最后一次排水中總磷濃度最大，是各處理各次排水總磷濃度的2.2～4.6 倍?；瘜W需氧量COD 平均濃度相對于W0，W1、W2、W3 分別減少16.2%、17%、35.2%。

表3 不同灌溉模式排水污染物平均濃度及負荷量Tab.3 Average concentration and load of pollutants in drainage under different irrigation modes

各處理排水總氮負荷量依次減小，常規灌溉W0 為對照，W1、W2、W3 分別減少17.2%、75.7%、84.2%；硝氮負荷量W1 最大，W0 次之，氨氮負荷量W0 最大，W1 次之。薄露灌溉改善了土壤通氣狀況，促進了硝化作用。而氨氮作為硝化作用的底物被轉化為硝氮，導致W1氨氮排水負荷量降低。雖然W2的氨氮平均濃度大于W1，W3的硝氮平均濃度大于W0，但W2 與W3 的氮素排水負荷量遠小于W1 與W2。且W2 和W3僅排水一次，說明在不同量級下排水量的多少是污染物排水負荷量的主要影響因素?？偭着潘摵闪枯^小，但蓄雨類灌溉與非蓄雨類灌溉間的差距較為明顯。COD 排水負荷量的變化與總氮類似，各處理相對W0 分別減少1.1%、74.6%、85.3%。

2.2.2 稻田污染物的滲漏負荷量

各處理滲漏水中污染物濃度見圖3。其中圖3（a）為總氮濃度變化，除常規灌溉外其他處理總體上隨生育期呈逐漸上升的變化趨勢。常規灌溉W0的變化趨勢為升-降-升，全生育期峰值出現在拔節孕穗期，其他處理雖有波動，但其變化幅度不大。硝氮作為氮素主要形態之一，其濃度變化趨勢與總氮基本一致，見圖3（b）。且75%的滲漏水樣品中硝氮濃度的占比在50%以上，說明滲漏水中氮素的主要形態為硝氮，這也符合硝氮易溶于水且不易被土壤吸附[9-11]的特征。各處理氨氮濃度變化趨勢見圖3（c）。W1、W2 變化趨勢相似，W0 與W3 生育期前期（返青、分蘗及拔節孕穗期）變化趨勢一致。返青期各處理水層依次由深到淺，淋溶由強到弱，氨化作用由弱到強，淋溶作用與氨化作用共同作用導致返青期氨氮滲漏濃度W1、W2 大于W0、W3。分蘗期各處理水層由深到淺依次為W3、W0、W2、W1，淋溶作用由強到弱，滲漏水中氨氮濃度規律與水層深淺一致，說明滲漏水中氨氮濃度主要受淋溶作用影響。拔節孕穗及抽穗開花期與返青期類似，滲漏水中氨氮濃度受氨化作用與淋溶作用二者共同影響。乳熟期與分蘗期相同，滲漏水中氨氮濃度主要受淋溶作用影響?？偭诐B漏濃度見圖3（d），各處理與各生育期均在0.02～0.10 mg/L范圍內波動，僅W2返青期超出此范圍，可能是由于施用基肥時在取樣點周圍撒施不均勻導致。滲漏水中COD 濃度變化趨勢見圖3（e）。COD 濃度大體呈上升趨勢，雖在抽穗開花及乳熟期有一定程度下降但其下降幅度不大。整體呈增加趨勢可能是由于隨生育期進行，田間水層中藻類及其他殘枝落葉等增多，經過簡單分解后隨滲漏水下滲，導致滲漏水中有機物含量增加，進而使COD濃度增加。

圖3 不同灌溉模式下滲漏水中各污染物濃度變化Fig.3 Changes of pollutant concentrations in seepage water under different irrigation modes

各處理本田期滲漏污染物平均濃度及負荷量見表4。各處理滲漏水中污染物平均濃度W0 與W2 相差不大，W3、W2 依次降低。說明水層深度較深會增加淋溶強度，使得污染物濃度增加。W3處理小于W0與W2可能是由于其正常情況下僅溝中有水，淋溶作用較弱。W0 各項污染物指標均大于其他處理，說明節水灌溉模式能有效減少滲漏污染物排放。以W0處理的TN、TP、NO3--N、NH4+-N 和COD 的負荷量為對照，W1分別減少72.2%、87.0%、54.9%、56.2%、55.9%；W2 分別減少53.4%、63.3%、46.1%、49.1%、30.5%；W3 分別減少55.0%、62.1%、23.2%、69.2%、49.8%。各處理污染物滲漏負荷量受滲漏量與滲漏水中污染物濃度兩個因素影響。其中滲漏量由大到小依次為W0、W2、W3、W1，污染物滲漏負荷量的變化規律與其一致，二者呈正相關；另一方面滲漏污染物平均濃度僅總氮及硝氮兩項指標變化規律與負荷量一致，氨氮、總磷、COD則無明顯規律。

2.2.3 稻田污染物的負荷量

各處理污染物負荷量如表5所示。除總磷外，其他污染物指標由大到小均為W0、W1、W2、W3。相對與W0 常規灌溉的總氮、硝氮、氨氮及COD 負荷量，薄露灌溉降低25.1%、6.2%、64.3%、7.5%，改進蓄雨薄露灌溉降低72.5%、72.4%、77.2%、69.4%，溝畦適雨灌溉降低79.9%、74.6%、89.9%、81.1%?？偭棕摵闪坎煌谄渌廴疚镏笜酥饕蛟谟赪1薄露灌溉的灌溉模式，其灌水上下限設定較小，導致排水次數分別比常規灌溉、改進蓄雨薄露灌溉、溝畦適雨灌溉多1～2次，且多出的一次排水中磷素濃度較高。W2 與W3 均蓄雨使得排水次數、排水量小于W0 與W1，造成污染物負荷量小于前兩者。后兩者雖由于蓄水較深，滲漏量較大，但其滲漏水中污染物濃度不高，不足以使滲漏污染物負荷量有較大增加。

3 討 論

不同的節水灌溉模式均能有效減少灌溉用水，但在減污方面有著不同的表現。本試驗結果表明節水灌溉模式能夠顯著降低灌溉水量，節水灌溉模式較常規灌溉減少38.6%～91.4%的灌溉水量。從產量來看，蓄水灌溉模式會造成一定程度的減產，但其減產幅度較?。ǜ倪M蓄雨薄露減產0.47%、溝畦適雨減產0.62%），處于可接受水平；薄露灌溉則增產1.45%。這與前人研究結果[12-14]類似，但也與郭相平等人[15]研究結果存在差異。不同灌溉模式的節水效果不同，若以灌溉水分生產率作為判斷依據，溝畦適雨灌溉節水效果最好，是由于其只在溝內灌水，田面不留水層，灌水量最少。若以水分生產率作為判斷依據，薄露灌溉節水效果最佳，是由于其田間留存的水量最少，大部分降雨被排出。本文計算水分生產率時參考李遠華、楊曉慧[16,17]等人的研究結果，將滲漏量考慮在內進行計算，與褚光、許怡等人[3,8]的計算方法不同。因此WP在數值上有一定差別，但對不同灌溉模式下的水分生產率的變化規律沒有影響。由于WP受降雨量影響，在不同水平年的變化則需要進行多年試驗以排除降雨影響。

排水污染物負荷量受排水中污染物的濃度與排水量的影響，薄露灌溉能有效降低污染物濃度，但最后一次排水中污染物濃度陡增，總氮、硝氮、氨氮、總磷均為所有排水水樣中濃度最大值。一方面可能是由于排水間隔較長，田間氮素磷素及有機物累積，且期間土壤反復落干促進了有機物的礦化；另一方面可能是降雨擾動了表層土壤顆粒，促進了氮素溶于地表水和磷素的溶解和解吸[18,19]。改進蓄雨薄露灌溉與溝畦適雨灌溉的排水量均小于常規灌溉與薄露灌溉，導致排水污染物負荷量也小于常規灌溉與薄露灌溉，這與許怡等[8]的研究結果一致。滲漏污染物負荷中，總氮、總磷及COD 的排放規律與排水污染物負荷相同，滲漏量起主導作用。但在改進蓄雨薄露灌溉的滲漏量大于溝畦適雨灌溉的情況下，改進蓄雨薄露灌溉的硝氮與氨氮滲漏負荷量反而小于溝畦適雨灌溉。這可能是由于改進蓄雨薄露灌溉模式下反復落干，田間微生物活性及數量增大導致有機氮占比增加，硝氮和氨氮占比減少造成的。污染物總負荷中，絕大多數滲漏污染物負荷量占比在2.5%～32.5%之間，僅最大占比為44.1%。因此污染物總負荷排放規律與排水污染物負荷排放規律較為接近。薄露灌溉與蓄雨類灌溉（包括改進蓄雨薄露灌溉與溝畦適雨灌溉）之間的差異較為明顯，但改進蓄雨薄露灌溉與溝畦適雨灌溉之間的差異還不太明確，還需進一步進行試驗。

4 結 論

（1）4種灌溉模式中，溝畦適雨灌溉節水效果最好，其次是改進蓄雨薄露灌溉和薄露灌溉，分別比常規灌溉節省91.4%、73.4%、38.6%的灌溉水量。

（2）溝畦適雨灌溉能夠大幅降低污染物排放，相對常規灌溉各項污染物降幅均在74.6%以上，減污效果顯著，改進蓄雨薄露灌溉次之。但二者蓄水上限較高，相對于薄露灌溉地下水污染風險增大。

（3）薄露灌溉的減污效果相對溝畦適雨灌溉及改進蓄雨薄露灌溉較差，但能夠提高產量，若采取薄露灌溉應避免長期不排水后突然排水。

（4）綜合節水減污效果來看，溝畦適雨灌溉最優，能有效控制稻田的面源污染問題。