控制地下水位减少节水灌溉稻田氮素淋失.pdf

第 30 卷 第 23 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.23 2014 年 12 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2014 121 控制地下水位减少节水灌溉稻田氮素淋失 和玉璞 1,2，张展羽1，徐俊增1，杨士红1，洪大林2 （1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.南京水利科学研究院，南京 210029） 摘 要：为探讨高效的稻田灌排管理模式，降低稻田氮素淋失风险，该文利用装配有地下水位自动控制系统的蒸 渗仪，研究地下水位调控对节水灌溉稻田氮素淋失的影响。结果表明，稻田排水控制限的提高可减少控制灌溉稻 田地下排水量，控制地下水位处理 1 稻田地下排水量为 179.4mm，分别较控制地下水位处理 2（195.9mm）和控 制地下水位处理 3（285.8mm）稻田减少 8.4%和 37.2%。随稻田排水控制限的提高，控制灌溉稻田地下排水中铵 态氮（NH4+N）浓度增加，硝态氮（NO3N）浓度下降。与控制地下水位处理 2 和控制地下水位处理 3 稻田相 比，控制地下水位处理 1 稻田地下排水中 NH4+N 质量浓度均值分别增加 9.3%和 27.3%，地下排水中 NO3N 质 量浓度均值分别减少 32.6%和 1.8%。稻田排水控制限的提高显著减少了控制灌溉稻田 NO3N 淋失量（P0.05） ， 控制地下水位处理 1 稻田 NO3N 淋失量为 0.27kg/hm2，分别较控制地下水位处理 2（0.43kg/hm2）和控制地下水 位处理 3（0.88kg/hm2）稻田显著减少 0.16 和 0.61kg/hm2（P0.05） ，控制地下水位处理 2 稻田 NO3N 淋失量较 控制地下水位处理 3 稻田显著减少 0.45kg/hm2（P0.05） 。采用控制排水技术，适当提高控制灌溉稻田的排水控制 限，可有效降低稻田 NO3N 淋失对地下水污染的风险。该研究可为制定满足控污减排需求的稻田灌排管理模式 提供指导。 关键词：节水；灌溉；氮；稻田；控制排水；氮素淋失 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.23.016 中图分类号：S274 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-23-0121-07 和玉璞，张展羽，徐俊增，等. 控制地下水位减少节水灌溉稻田氮素淋失J. 农业工程学报，2014，30(23)： 121127. He Yupu, Zhang Zhanyu, Xu Junzeng, et al. Reducing nitrogen leaching losses from paddy field under water-saving irrigation by water table controlJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(23): 121127. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 农业生产过程中不合理的灌排管理和过量施 肥，造成农田大量氮素通过淋失的途径进入地下 水，导致地下水出现不同程度的污染1-4。 地下水作 为中国重要的饮用水源，其污染状况与人体健康密 切相关，饮用含有高浓度氮素的地下水可诱发高铁 血红蛋白症、消化系统癌症等疾病，严重损害人体 健康5-6。水稻是中国最主要的粮食作物之一， 生产 过程中耗水量较大7，同时中国稻田氮肥施用水平 高8-9，加之不合理的灌排管理， 造成稻田氮素大量 淋失，进而导致的地下水污染问题不容忽视。已有 收稿日期：2014-10-31 修订日期：2014-11-29 基金项目：国家自然科学基金项目（51179049） ；高等学校博士学科点 专项科研基金（20110094110015） ；江苏高校优秀科技创新团队；江苏 高校优势学科建设工程资助项目（SYS1101） 作者简介：和玉璞，男，河南新乡人，博士生，主要从事节水灌溉理论 与农田生态效应研究。南京 河海大学水利水电学院，210098。 Email：heyupu28 通信作者：杨士红，男，山东蒙阴人，副教授，主要从事节水灌溉及 生态效应研究。南京 河海大学水利水电学院，210098。 Email：ysh7731 研究表明，节水灌溉模式可以有效降低稻田氮素淋 失风险10-12，在美国、加拿大、瑞典和中国的试验 结果也表明旱地控制排水技术可以显著减少农田 排水及污染物输出13-17。控制排水技术通过在农田 暗管系统上安装控制设备，调控农田地下水位。随 着中国水稻节水灌溉技术的不断成熟，稻田出现长 时间的无水层状态，使得基于田间地下水位调控的 旱地控制排水技术能够应用于节水灌溉稻田。地下 水位调控作用下，稻田地下排水过程与土壤通气状 况发生显著改变，其对于减少节水灌溉稻田氮素淋 失量的效果尚不明确。为此，本文基于田间试验结 果，研究地下水位控制对于节水灌溉稻田氮素淋失 规律的影响，探讨高效的稻田灌排管理模式，用于 降低稻田氮素淋失风险。 1 材料与方法 1.1 试区概况 试验区位于水文水资源与水利工程科学国家 重点实验室昆山试验研究基地（311515N， 1205743E），属亚热带南部季风气候区，年平均 气温 15.5，年降雨量 1 097.1 mm，年蒸发量 农业工程学报 2014 年 122 1 365.9 mm， 日照时数 2 085.9 h， 平均无霜期 234 d。 当地习惯稻麦轮作，土壤为潴育型黄泥土，耕层土 壤为重壤土，土壤砂粒、粉粒和黏粒的比例分别为 8.85%、16.15%和 75.00%，土壤有机质、全氮、全 磷和全钾质量分数分别为 21.88、1.08、1.35 和 20.86 g/kg。020、030 和 040 cm 深度土壤饱 和体积含水率分别为 52.0%、50.1%和 47.9%。 1.2 试验设计 在水稻品种、栽培、植保等技术措施以及基础 地力相同的条件下，设计 3 个排水处理，分别命名 为控制地下水位处理 1（controlled water table 1， CWT1） ， 控制地下水位处理 2 （controlled water table 2，CWT2）和控制地下水位处理 3（controlled water table 3，CWT3），每处理 3 个重复。本研究中，将 不同控制地下水位处理的排水控制指标设置为稻 田发生地下排水的上限值（简称排水控制限），当 且仅当稻田地下水位超出对应的排水控制限后，稻 田开始进行地下排水。 将 CWT1 处理的排水控制限 设计为大田地下水位，依据逐日观测的大田地下水 位调整排水控制限；参考国外农田水位管理（water table management） 18的经验， 考虑水稻后期需水特 点与田间耕作的需要， 确定 CWT2 处理的排水控制 限；参考上海青浦水稻试验资料19，并考虑长三角 地区水稻生长的特点，在水稻不同生育阶段选择适 宜的地下水位控制限， 作为 CWT3 处理的排水控制 限。图 1 列出了 CWT1、CWT2 和 CWT3 处理的排 水控制限。 注：CWT1、CWT2、CWT3 分别为控制地下水位处理 1、控制地下水位 处理 2、控制地下水位处理 3，下同。 Note：CWT1, CWT2, and CWT3 represent controlled water table 1, controlled water table 2, and controlled water table 3, the same below. 图 1 不同排水处理的排水控制限 Fig.1 Water table control levels for different drainage treatments 1.3 试验布置 试验小区位于带雨棚的蒸渗仪内，每个蒸渗仪 小区面积为 5 m2（2.5 m 2 m），深度为 1.3 m。 每个蒸渗仪小区配备有完善、独立的灌排系统，小 区通过安装有水表的管道进行灌溉，稻田地下排水 通过布置在 1.2 m 深度处的排水管（内径 40 mm） 排入蒸渗仪地下廊道（图 2）。采用雨棚隔绝天 然降雨，以实现严格的水分管理和精准的土壤水 分调控。 依据不同控制地下水位处理的排水控制限（图 1），通过地下水位自动控制系统（图 2）对稻田地 下排水过程进行调控。地下水位自动控制系统由地 下水位观测管、电容式水位传感器、电磁阀、翻斗 计和 PVC 管路等组成。根据连通器原理，在每个 小区的排水管路上连接有透明的有机玻璃管，作为 地下水位观测管以观测稻田地下水埋深；在地下水 位 观 测 管 上 安 装 有 移 动 式 水 位 传 感 器 （FKC1810-N，嘉准，中国），用以感知稻田地下 水位的变化；系统根据水位传感器的信号通过控制 电磁阀（SLP-15，万控，中国）调控稻田地下排水 过程；在系统末端布置有翻斗计以计量稻田地下排 水量。灌溉后稻田地下水位上升，当水位传感器 （上）感知到水位信号后，电磁阀打开，稻田开始 进行地下排水。随之排水的进行，稻田地下水位不 断下降，至水位传感器（下）丢失水位信号后，电 磁阀关闭，稻田停止地下排水。布置 2 个水位传感 器是为防止稻田地下水位变化而引起电磁阀在短 时间内反复开合，上下端水位传感器分别位于排水 控制限上下侧 2 cm 处，传感器正对水位观测管中 心且与观测管外壁保持 1 cm 距离。依据地下水位 自动控制系统的原理和操作方法，适时调整排水控 制限，即可实现不同控制地下水位处理。 供试水稻品种为南粳 46，2012 年 6 月 28 日移 栽，每穴定苗 34 株，10 月 24 日收获，本田生育 期为 118d。依照农民习惯施肥，各处理稻田分别于 6 月 27 日、7 月 2 日、7 月 20 日和 8 月 10 日施用 基肥、返青肥、分蘖肥和穗肥，施肥量（折合纯氮） 分别为 45.0、64.5、121.8 和 87.0 kg/hm2，合计 318.3 kg/hm2。此外，各处理均施用 45.0 kg/hm2磷 肥（P2O5）和 45.0 kg/hm2钾肥（K2O）。各小区灌 溉处理均采用控制灌溉（控灌），除在返青期田面 保留 1030 mm 薄水层， 以后的各个生育期以根层 土壤水分占饱和含水率 60%80%的组合为灌水控 制指标，且稻田灌溉后不建立水层20。 1.4 试验观测内容与方法 在每个控灌稻田计划湿润层内埋设 TDR（time domain reflectometry） 探头 （6005cl2， SEC， 美国） ， 埋设深度随水稻生育期改变，当控灌稻田表面无水 层时，利用 Trease 系统（6050X3，SEC，美国）于 每天 7:00 测量稻田土壤含水率； 当控灌稻田表面出 现水层时，通过竖尺在固定观测点测量田面水层深 度；水稻返青期结束后，每天上午 7：00 通过安装 有液位计（NS-UTG21，水一方，中国）的地下水 第 23 期 和玉璞等：控制地下水位减少节水灌溉稻田氮素淋失 123 位观测井测量并记录中大田地下水埋深，并以此 为准及时调整相应蒸渗仪小区的排水控制限；每 天上午 7：00 利用竖尺通过地下水位观测管测量 并记录每个蒸渗仪小区地下水埋深；利用水表计 量稻田灌水量，稻田地下排水量通过自动翻斗计 精确计量。 图 2 蒸渗仪地下水位自动控制系统 Fig.2 Automatic water table control system 利用放置在自动翻斗计两侧的取样装置采集 稻田地下排水样。平时每隔 7 d 取样 1 次，施肥后 加测，从施肥后第 1 天开始每隔 2 d 取样 1 次，连 续取 2 次，然后每隔 4 d 取样 1 次，连续取 2 次。 水样中铵态氮（NH4+N）和硝态氮（NO3N）浓 度分别采用纳氏试剂比色法和酚二磺酸光度法测 定21。2 次取样间的稻田地下排水量与后次测定的 氮素浓度相乘，得到该取样时段内稻田 NH4+N 和 NO3N 淋失量。 2 结果与分析 2.1 稻田地下排水量变化 稻田排水控制限的提高可减少控灌稻田地下 排水量（表 1）。水稻生育期内，CWT1 处理稻田 地下排水量为 179.4 mm， 分别较 CWT2 （195.9 mm） 和 CWT3 （285.8 mm） 处理稻田减少 8.4%和 37.2%， CWT2处理稻田地下排水量较CWT3处理稻田减少 31.4%。稻田排水控制限的提高可以增加稻田地下 水位低于排水控制限的比例，缩短稻田发生地下排 水的时段，从而减少稻田地下排水量。黄志强等22 选取控制水位为地下 0、30、50、80 和 100 cm 深 度的暗管排水棉花地进行试验，结果表明，暗管排 水条件下农田暗管排水量随控制水位的升高而降 低，这与本研究中稻田地下排水量随排水控制限的 提高而减少的结果较为一致。 稻田地下排水量在水稻各生育阶段同样随着 排水控制限的提高而减少。水稻分蘖前期，CWT1、 CWT2 和 CWT3 处理稻田排水控制限分别为 2.8、 20.0 和25.0 cm， CWT1 处理稻田排水控制限远高 于 CWT2 和 CWT3 处理稻田，时段内 CWT1 处理 稻田地下排水量分别较 CWT2 和 CWT3 处理稻田 显著减少 90.2%和 88.6%（P0.05）。 表 1 水稻生育期各处理稻田地下排水量 Table 1 Subsurface drainage water from different drainage treatments mm 分蘖期 Tillering stage 处理 Treatment 返青期 Re-greening stage 前期 Initial 中期 Middle 后期 Late 拔节孕穗期 Jointing and booting stages 抽穗开花期 Heading and flowering stages 乳熟期 Milk stage 黄熟期 Ripening stage 合计 Total CWT1 14.4 b 1.3 b 15.7 a 9.3 a 71.4 b 18.4 b 0.4 c 48.7 a 179.4 b CWT2 14.1 b 13.2 a 11.3 a 10.8 a 84.2 b 20.2 b 7.0 c 35.1 a 195.9 b CWT3 12.4 b 11.5 a 20.9 a 8.8 a 107.4 b 47.8 b 21.7 b 55.4 a 285.8 b 注：同列不同字母表示各处理呈显著性差异（P0.05）。CWT1、CWT2、CWT3 分别为控制地下水位处理 1、控制地下水位处理 2、控制地下水位 处理 3。 Note： Means in the same column followed by the different letter are significantly different (P0.05). CWT1, CWT2, and CWT3 represent controlled water table 1, controlled water table 2, and controlled water table 3. 农业工程学报 2014 年 124 2.2 稻田地下排水中 NH4 +N 和 NO 3N 浓度变化 各处理稻田地下排水中 NH4+N 浓度变化特征 较为一致，在水稻生育前中期，稻田地下排水中 NH4+N 浓度在较高水平波动，且在稻田施肥后 7 d 内出现浓度峰值，水稻移栽 60 d 后，稻田地下排水 中 NH4+N 浓度开始下降，至生育期结束在较低水 平波动（图 3）。稻田排水控制限的提高增加了控 灌稻田地下排水中 NH4+N 浓度。CWT1 处理稻田 地下排水中 NH4+N 质量浓度均值为 2.49 mg/L， 分 别较 CWT2（2.27 mg/L）和 CWT3（1.95 mg/L）处 理稻田增加9.3%和27.3%。 稻田排水控制限的提高， 加强了稻田土壤厌氧环境，抑制土壤微生物的硝化 作用，从而增加土壤中 NH4+N 含量12。其他学者 也报道了相近的研究结果，袁念念等23通过研究旱 地控制排水指出，同一施氮水平下，控制水位 30 和 80 cm 深度处理土壤 NH4+N 含量大于控制水位 100 cm 处理。邵东国等24指出明沟控制排水条件 下，稻田土壤剖面 NH4+N 含量大于非控制排水， 45 cm 深度的土壤水中 NH4+N 浓度较非控制排水 高出 9.88%。稻田排水控制限的提高增加了稻田土 壤中 NH4+N 含量，在稻田灌溉等因素影响下，部 分 NH4+N 随水下渗导致稻田地下排水中 NH4+N 浓度增加。 图 3 各处理稻田地下排水中铵态氮浓度 Fig.3 Ammonium nitrogen（NH4+N）concentrations in subsurface drainage water from different drainage treatments 各处理稻田地下排水中 NO3N 浓度变化特征 较为一致，均在水稻前期较大，随水稻生育期进程 NO3N 浓度逐渐下降，从水稻移栽 50 d 后至水稻 生育期结束维持在很低水平（图 4）。稻田排水控 制限的提高降低了控灌稻田地下排水中 NO3N 浓 度。CWT1 处理稻田地下排水中 NO3N 质量浓度 均值为 0.43 mg/L，分别较 CWT2（0.44 mg/L）和 CWT3（0.64 mg/L）处理稻田减少 32.6%和 1.8%。 本研究结果与已有研究较为一致，Wesstrm 等25 通过旱地控制排水试验指出，控制排水农田暗管排 水中 NO3N 浓度（5.9 mg/L）远小于自由排水农 田（20.3 mg/L）。Elmi 等26研究表明，控制排水 的农田排水中 NO3N 浓度较自由排水农田减少 16.0%42.0%。 稻田排水控制限的提高抬升了稻田 地下水位，较浅的地下水位增强了土壤反硝化作 用26，减少了稻田土壤中 NO3N 含量，稻田地下 排水中 NO3N 浓度随之降低。 图 4 各处理稻田地下排水中硝态氮浓度 Fig.4 Nitrate nitrogen （NO3N） concentrations in subsurface drainage water from different drainage treatments 2.3 稻田 NH4 +N 和 NO 3N 淋失量 稻田排水控制限的提高在增加稻田地下排水 中 NH4+N 浓度的同时，减少了稻田地下排水量， 控灌稻田NH4+N淋失量未出现明显的差别 （图5） 。 CWT3 处理稻田 NH4+N 淋失量为 3.68 kg/hm2，分 别较 CWT1（4.06 kg/hm2）和 CWT2（4.45 kg/hm2） 处理稻田减少 0.38 和 0.77 kg/hm2，各处理稻田 NH4+N 淋失量的差别并不明显。 稻田排水控制限的提高显著减少了控灌稻田 NO3N 淋失量（P0.05）（图 5）。稻田排水控制 限的提高在降低稻田地下排水中 NO3N 质量浓度 的同时，减少了稻田地下排水量，最终显著减少了 稻田 NO3N 淋失量（P0.05）。CWT1 处理稻田 NO3N 淋失量为 0.27 kg/hm2， 分别较 CWT2 （0.43 kg/hm2）和 CWT3（0.88kg/hm2）处理稻田显著减 少 0.16 和 0.61kg/hm2（P0.05），CWT2 处理稻田 NO3N 淋失量较 CWT3 处理稻田显著减少 0.45kg/hm2（P0.05）。 注：同类轴上字母不同，表示各处理间无显著性差异（P0.05）。 Note: Bars within treatments labeled with different letter are significantly different (P0.05). 图 5 各处理稻田铵态氮和硝态氮淋失量 Fig.5 Ammonium nitrogen（NH4+N）and nitrate nitrogen （NO3N）leaching losses from different drainage treatments 第 23 期 和玉璞等：控制地下水位减少节水灌溉稻田氮素淋失 125 3 结 论 1）稻田排水控制限的提高可减少控制灌溉稻 田地下排水量，控制地下水位处理 1 稻田地下排水 量为 179.4 mm，分别较控制地下水位处理 2 （195.9 mm）和控制地下水位处理 3（285.8 mm）稻 田减少 8.4%和 37.2%， 稻田排水控制限的提高增加 稻田地下水位低于排水控制限的比例，缩短稻田发 生地下排水的时段，从而减少稻田地下排水量。 2）随稻田排水控制限的提高，控制灌溉稻田 地下排水中铵态氮（NH4+N）质量浓度增加，硝态 氮（NO3N）质量浓度下降。与控制地下水位处理 2 和控制地下水位处理 3 稻田相比，控制地下水位 处理 1 稻田地下排水中 NH4+N 质量浓度均值分别 增加 9.3%和 27.3%，NO3N 质量浓度均值分别减 少 32.6%和 1.8%。 3）稻田排水控制限的提高显著减少了控制灌 溉稻田 NO3N 淋失量，未明显影响稻田 NH4+N 淋失量。控制地下水位处理 1 稻田 NO3N 淋失量 为 0.27 kg/hm2，分别较控制地下水位处理 2 （0.43 kg/hm2） 和控制地下水位处理 3 （0.88 kg/hm2） 稻田显著减少 0.16 和 0.61 kg/hm2（P0.05），控制 地下水位处理 2 稻田 NO3N 淋失量较控制地下水 位处理 3 稻田显著减少 0.45 kg/hm2（P0.05）。提 高稻田排水控制限在增加稻田地下排水中 NH4+N 浓度的同时，减少了稻田地下排水量，控制灌溉稻 田 NH4+N 淋失量未出现明显差别。 参 考 文 献 1 丁森. 位山灌区农田氮淋溶过程与地下水污染研究D. 北京：清华大学，2010. 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Water table control levels in controlled water table 2 were controlled based on the rice root zone depths in different stages according to the water table management that was tested in the humid regions of Eastern Canada and Midwestern United States. For controlled water table 3, the water table control levels in different stages were selected based on previous studies in paddy field of Southeast China. The water table control levels in the later tillering stage and milk stage were also adjusted depending on the characteristics of rice growth and cultivation needs. Experiments were conducted in nine drainage type lysimeters with a mobile shelter and gallery. Each lysimeter had an area of 2.5 m 2 m and a depth of 1.3 m. Influence of rainfall was avoided using the mobile shelter to strictly regulate the soil moisture in CI. Each lysimeter was individually irrigated and drained using a pipe installed with a water meter and a tube (40 mm in inner diameter) installed at 1.2 m below the soil surface, respectively. Subsurface drainage was conducted based on the water table control levels by using an automatic water table control system, which was installed on each drain tube in the gallery. Subsurface drainage water were collected twice at 2d intervals after each fertilizer application followed by 4d intervals. A 7d