基于稻田氮平衡模型的不同灌排調(diào)控下的氮素損失

郭思怡 劉威鋒

摘要 [目的]研究不同灌排方案下的稻田的排水氮素損失。[方法] 根據(jù)田間試驗數(shù)據(jù)，利用稻田氮平衡模型分析計算不同灌排方案的排水氮素損失。[結(jié)果]與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田氮濃度均值分別減少12.25%、7.84%、3.92%；稻田排水量分別減少29.95%、32.94%、29.76%；稻田排水損失氮量分別減少38.40%、38.22%、32.51%；稻田排水損失氮量占施氮量的比例分別減少38.47%、38.21%、32.54%。[結(jié)論] 控制灌溉可減少稻田氮損失。

關(guān)鍵詞 稻田；排水；氮素損失；灌排調(diào)控

中圖分類號 S27 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）32-0186-03

The Nitrogen Loss in Different Irrigation and Drainage Based on Paddy Nitrogen Balance Model

GUO Siyi1，2，LIU Weifeng3 （1.Anhui Province （MWR Huaihe River Water Resources Commission） Hydraulic Research Institute，Hefei，Anhui 230061；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydraulic Engineering， Hohai University Hydrology / Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098；3.Bureau of Supervision and Examination Survey Cost Pricing of Anhui Provincial，Hefei，Anhui 230001）

Abstract [Objective]To study nitrogen loss in paddy field under different irrigation and drainage schemes.[Method]According to the data of field experiment，the nitrogen loss of different irrigation and drainage schemes was calculated by using the nitrogen balance model of paddy field.[Result]Compared with conventional irrigation，the average nitrogen concentration of C，C1 and C2 paddy fields under controlled irrigation decreased by 12.25%，7.84% and 3.92% respectively；the discharge of paddy fields decreased by 29.95%，32.94% and 29.76% respectively；the nitrogen loss of paddy field drainage decreased by 38.40%，38.22% and 32.51% respectively；and the proportion of nitrogen loss in paddy field drainage decreased by 38.47% and 38.51% respectively.21%，32.54%.[Conclusion]Controlled irrigation can reduce nitrogen loss in paddy field.

Key words Paddy field；Drainage；Nitrogen loss；Irrigation and drainage regulation

基金項目 國家自然科學(xué)基金重點項目（50839002-5）。

作者簡介 郭思怡（1987—），女，安徽太和人，工程師，碩士，從事節(jié)水灌溉方面的研究。

收稿日期 2018-08-13

水稻是我國最重要的糧食作物，其產(chǎn)量占全國谷物總產(chǎn)量的40%以上，稻谷生產(chǎn)對保證我國糧食安全的影響最大[1-2]。其播種面積大，氮肥施用水平高。為了緩解人口迅速增長的壓力，積極引進各種先進技術(shù)以提高糧食單產(chǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對外源養(yǎng)分投入的依賴性不斷增加，使用化學(xué)肥料就成為最有效的增產(chǎn)措施。據(jù)統(tǒng)計，僅1970—1985年氮肥施用量就增加了120%。化肥利用率低而造成不可再生資源的浪費和人類環(huán)境的惡化，己成為影響世界農(nóng)業(yè)生態(tài)和環(huán)境持續(xù)發(fā)展的突出問題。施入田塊中未被作物利用的氮素經(jīng)揮發(fā)、淋溶等進入大氣環(huán)境、地表水和地下水，不僅污染了大氣環(huán)境和水環(huán)境，導(dǎo)致河流、湖泊水質(zhì)的富營養(yǎng)化，破壞了水生生物和農(nóng)作物的正常生長條件，而且也嚴重危害了人類的健康[3]。據(jù)統(tǒng)計，我國受農(nóng)業(yè)面源污染影響的耕地面積已近2 000萬hm2[4] ，每年土壤流失量達50億t，帶走的氮、磷、鉀及微量元素等養(yǎng)分相當于全國一年的化肥使用總量，其中相當一部分進入了水體中[5]。

針對我國灌排面積不斷增加、水資源利用效率不高、化肥流失嚴重等問題，國內(nèi)外學(xué)者在灌排調(diào)控下水肥高效利用方面做了大量工作。 Bergstrom等[6]在瑞典中部進行了農(nóng)田排水化肥流失試驗，表明施肥情況下大麥田排水氮肥損失量是不施肥情況下的7倍。國內(nèi)張蔚榛等[7]在20世紀90年代在南方水稻灌區(qū)開展了農(nóng)田化肥流失研究工作。李榮剛等[8]的濕潤灌溉試驗在稻谷增產(chǎn)4.1%的同時，氮素滲漏量下降了48.1%。鄭世宗等[9]的水稻薄露灌溉研究發(fā)現(xiàn)，薄露灌溉模式的排水中總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）的排放濃度是傳統(tǒng)灌溉的47.6%～86.2%。

通過地表徑流和地下排水流失進入水環(huán)境是稻田氮污染的主要途徑，但各流失方式所占比重在不同地區(qū)研究結(jié)論不一。稻田氮素損失規(guī)律以及稻田氮損失對環(huán)境造成的負荷程度仍需進一步深入研究。另外，筆者是通過情景模擬來尋求較優(yōu)的灌排調(diào)控模式，而以往的研究大多基于試驗數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)的獲得需要浪費大量的人力、物力，并且可能因為人為因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯誤。因此，該研究方法也具有一定的創(chuàng)新性。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江蘇省高郵市卸甲鎮(zhèn)周莊村（119°11′E，32°35′N）境內(nèi)，屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫14.6 ℃，常年降雨量1 037 mm，多年平均蒸發(fā)量1 060 mm，無霜期242 d，最高氣溫38.5 ℃，最低氣溫-18.5 ℃，相對濕度75%左右。土壤耕層質(zhì)地為黏壤土，淺層地下水位埋深0.5～1.2 m，0～40 cm田間土壤全氮含量0.73 g/kg，全磷含量0.88 g/kg，pH 7.4，土壤容重1.17 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉2個灌溉處理。灌排調(diào)控試驗區(qū)位于南關(guān)干渠三支渠所轄的41斗渠、44斗渠。試驗區(qū)為南北閘控制范圍，總面積為17.28 hm2。選擇A2、A3和C8、C9為典型田塊，面積為1.05 hm2。節(jié)水灌溉按照當?shù)毓嗨芷谶M行灌水，水稻秧苗本田移栽后，田面保留5～25 mm薄水層返青，返青以后的各個生育階段田面不建立灌溉水層，以根層土壤含水率為灌水下限控制指標，結(jié)合當?shù)毓嗨芷冢_定灌水時間和灌水定額。其中A2和A3田間排水排出到農(nóng)溝GA，C8和C9田間排水排出到GC；GA、GC排水分別直接進入斗溝D1、D2。對照田塊（CK）則為常規(guī)灌排。常規(guī)灌溉采用當?shù)販\濕灌溉處理，水稻不同生育期灌水時間間隔：泡田栽插期4 d左右、分蘗期5 d左右、曬田以后6 d左右，每次灌水持續(xù)15～18 h，自流灌溉至田間存有4～8 cm水層。

水稻生育期內(nèi)該試驗氮肥采取傳統(tǒng)多次追加方式?；什捎锰间@和尿素，分蘗肥、拔節(jié)肥使用尿素，用量分別為750、300（分等量2次施加）、375 kg/hm2，折合純氮為132.75、138.90、173.63 kg/hm2，共445.28 kg/hm2。鉀肥、磷肥則采取一次性基肥施用模式。磷肥（過磷酸鈣）25

kg/hm2（4 kg P2O5）；鉀肥10 kg/hm2，施肥日期為6月22日、7月3日（7月15日）、8月21日。

典型田塊A2、A3 和C8、C9以及對照區(qū)CK田塊均按照表3進行施肥，施肥前后均需在田塊、排水溝排水口處取樣化驗。在施肥后，開始7 d隔天取樣，分析田間、排水溝的凈化過程，之后按照正常取樣，直至下次施肥。

2 結(jié)果與分析

農(nóng)田氮素流失的動力和載體是水分運動，物質(zhì)基礎(chǔ)是土壤養(yǎng)分和施入肥料[10]。在研究區(qū)域，農(nóng)田在較大強度降水和排水后，易產(chǎn)生徑流，徑流水攜帶高含量氮磷遷移進入近農(nóng)田溝道，使農(nóng)田氮磷進入大河、水庫、湖泊成為可能。合理的灌排有利于水稻增產(chǎn)，但不合理的灌排會造成農(nóng)田氮素的過量排放，造成肥料的浪費和面源污染，因此研究不同灌排調(diào)控下的氮素流失對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護具有重要意義。

施入田間的氮肥并不能被作物全部吸收利用，未被作物吸收利用而殘留在土壤中的氮，經(jīng)氨揮發(fā)、硝化-反硝化作用以氣體形態(tài)進入大氣而污染大氣環(huán)境[11]；或隨降水和灌溉水淋溶到土壤深層或隨徑流進入地表水從而污染地表水和地下水[12]。該試驗主要研究未被植物利用的氮肥隨稻田排水的損失量。

根據(jù)SWAP模型模擬出的4種灌排方案的田間水平衡分量，利用石艷芬[13]論文中建立的稻田氮平衡模型式（1）進行模擬，分析4種灌排方案的稻田排水氮素損失。由于該試驗所用的數(shù)據(jù)和石艷芬論文中所用的數(shù)據(jù)均取自高郵灌區(qū)，模型所需參數(shù)采用石艷芬論文中率定的參數(shù)。時段內(nèi)的氮平衡方程如下：

N1-N0=NF+N1+NP+NC-NV-NL-NR-NU（1）

其中，N0=C0V0，N1=C1V1

式中，N1為時段末稻田水體中氮的含量（kg）；N0為時段初稻田水體中氮的含量（kg）；NF為時段內(nèi)通過施肥帶入稻田的氮素量（kg）；N1為時段內(nèi)通過灌溉水帶入稻田的氮素量（kg）；NP為時段內(nèi)通過大氣沉降帶入稻田的氮素量（kg）；NC為時段內(nèi)通過作物和土壤的總固氮素量（kg）；NV為時段內(nèi)稻田氨揮發(fā)等損失的氮素量（kg）；NL為時段內(nèi)稻田淋溶滲漏損失的氮素量（kg）；NR為時段內(nèi)稻田通過排水及地表徑流損失的氮素量（kg）；NU為時段內(nèi)稻田作物吸收消耗的氮素量（kg）；Co為時段初稻田水層中氮素濃度（kg/m3）；C1為時段末稻田水層中氮素濃度（kg/m3）；V0、V1分別為時段初、末稻田水層水量（m3）。

利用SWAP模型模擬的4種灌排方案的各水量平衡分量分別推求出4種灌排方案下的田間水層，將田間水層、施肥量、模型所需的水平衡分量及模型參數(shù)分別輸入稻田氮平衡模型進行模擬，模擬結(jié)果如表5所示。

2.1 不同灌排方案下的稻田氮濃度均值

從表5可以看出，常規(guī)灌溉、控制灌溉C、控制灌溉C1、控制灌溉C2生育期內(nèi)稻田氮濃度均值分別為18.63、16.38、17.17、17.90 mg/L。與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田氮濃度均值分別減少2.25、1.46、0.73 mg/L ，減幅分別為12.25%、7.84%、3.92%。3種控制灌溉中，按試驗設(shè)計標準制訂的控制灌溉C與常規(guī)灌溉相比稻田氮濃度均值減小幅度最大。

2.2 不同灌排方案下的稻田排水量

整個生育期內(nèi)，常規(guī)灌溉、控制灌溉C、控制灌溉C1、控制灌溉C2稻田排水量分別為3 579、2 507、2 400、2 514 m3/ hm2。與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田排水量分別減少1 072、1 179、1 065 m3/hm2，減幅分別為29.95%、32.94%、29.76%。3種控制灌溉中，排水量最少的為控制灌溉C1，與常規(guī)灌溉相比減小幅度最大。

2.3 不同灌排方案下的稻田排水損失氮量

常規(guī)灌溉、控制灌溉C、控制灌溉C1、控制灌溉C2稻田排水損失氮量分別為66.69、41.08、41.20、45.01 kg/hm2，占施氮量的比例分別為15.52%、9.55%、9.59%、10.47%。與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田排水損失氮量分別減少25.61、25.49、21.68 kg/hm2，減幅分別為38.40%、38.22%、32.51%；稻田排水損失氮量占施氮量的比例分別減少38.47%、38.21%、32.54%。3種控制灌溉中，控制灌溉C稻田排水損失氮量和稻田排水損失氮量占施氮量的比均最小。

3 結(jié)論

根據(jù)模擬試驗結(jié)果分析得出，與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉C、C1、C2稻田氮濃度均值分別減少12.25%、7.84%、3.92%；稻田排水量分別減少29.95%、32.94%、29.76%；稻田排水損失氮量分別減少38.40%、38.22%、32.51%；稻田排水損失氮量占施氮量的比例分別減少38.47%、38.21%、32.54%。由此可見，3種控制灌溉均可減少稻田氮損失。

參考文獻

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