模拟稻田中氮磷的变化特征及其降污潜力分析

冯国禄，杨仁斌，丁孟，蔡可兵

1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 4101281；2.吉首大学生态旅游重点实验室，张家界 427000

水体富营养化是当今世界的水污染难题，并已成为世人关注的主要环境问题之一。基于此，世界各国在控制氮、磷等营养物质的来源方面投入了大量的人力和财力。然而，水体富营养化的影响因素很多，其营养物质的来源也十分复杂。在发达国家，最初的治理重点是放在城市污水等点源污染上，但取得的成效却非常有限，水体因营养物质而引起的富营养化现象却并未因此而有显著的减少。大量的研究业已证实，富营养化现象的发生与农田土壤中的氮、磷等养分的流失有着十分密切的关系[1-4]。因此，控制农田氮、磷流失已日益受到人们的重视。

水稻是我国最主要的粮食作物，种植面积大，氮磷肥施用水平高。同时水稻也是农业灌溉用水大户，其灌溉用水量占总灌溉用水量的60%以上[5]。我国南方是主要的水稻产区，每年4月中下旬是我国南方水稻—早稻的种植时期，传统的春耕生产是施足基肥灌水进行耕整（犁田耙田）后排干稻田水（农田退水），再进行播种水稻或移栽水稻。大面积的农田排水（退水）造成了农田氮磷养分随水进入水体（塘、库、湖、河），成为我国南方春季农业面源污染和河流水质富营养物质春季污染严重的主要来源。

国内外在节水灌溉方面[6,7]以及施肥后水稻田的氮磷素动态和流失机制[8-10]已有研究，但基于面源污染控制来研究蓄水条件下稻田中氮磷含量的变化动态特征及原因的报道较少。笔者于2009年4—5月在湖南农业大学实验基地，通过微区模拟春耕稻田施肥耕整蓄水处理试验，取样测定了稻田土壤、田面水中氮磷素的含量变化，分析了田面水和土壤氮磷含量的变化特征及原因，测算了不同蓄水深度和退排水时期的降污潜力，以期为稻田面源污染的控制提供新的思路与方法。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤取自于湖南农业大学“耘园”的资源与环境学院实验基地的红潮土，其基本理化性状为：w(有机质)=11.8 g·kg-1，w(全氮)= 1.12 g·kg-1，w(全磷)= 1.38 g·kg-1，w(全钾)= 27.6 g·kg-1，w(水解氮)=96.6 mg·kg-1，w(速效磷)= 70.8 mg·kg-1，w(速效钾)=142.6 mg·kg-1，pH 5.5。灌溉水取自实验基地附近井水经蓄水池放置一周自然氧化后的备用水。复合肥的成分是氯化铵、磷酸铵和氯化钾，其 N、P、K质量分数分别为21%、8%、11%。

1.2 试验设计

于湖南农业大学试验基地，设计砖混墙围成的模拟试验田，田内共4个试验区(长4 m×宽1.5 m)，各试验区呈两排对称排列，中间设有灌水渠。区内再用PVC板隔成3个小区，每个小区面积为1.5 m2。为防止淋溶将试验田底做成水泥地面，上铺充分混匀后的红潮土，土层厚45 cm左右。在每个试验小区外侧设有离表土层不同高度的带橡胶塞的 PVC排水管，管口水平朝外。试验时小区各处理保持相应深度的水，通过打开橡胶塞使小区内田面水刚好从排水管中流出。

2009年4月26日开始在试验小区对土壤进行保水湿润。根据天气预报选择无雨天气，从5月4日开始试验，设3、6 cm和9 cm等3个蓄水深度处理，并分别以t-3、t-6和t-9表示，每蓄水深度设3个重复。小区灌水后，基肥撒施水面，随即模拟春耕耙田用耙子把基肥与5～10 cm的表土混匀。基肥为复合肥，施肥量为750 kg·hm-2，折合各试验小区施肥112.5 g。在勿扰动土层的情况下，于施肥后的第1/24、1、2、3、5、7 d从试验小区取水样和土样进行测验。试验于5月11日结束，试验期间一直保持各处理的蓄水深度不变。

1.3 样品分析项目与方法

参照文献[11]的方法测定水样样品中各养分的质量分数。总氮(TN)采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；原水样经过滤后采用纳氏试剂光度法测定水样氨氮(NH4+-N)；水样硝酸盐(NO3--N)氮采用酚二磺酸光度法；水样总磷(TP)测定为过硫酸钾氧化法；经微孔滤膜过滤后测定水样的溶解磷；磷的测定均采用钼蓝比色法；将被水样过滤后的微孔滤膜放在称至恒质量的铝盒内，再将该铝盒置于103～105 ℃的烘箱烘至恒质量，增加的质量为不可滤残渣(SS)。所有水样在12 h内预处理完毕。

参照文献[12]的方法测定土壤样品中的铵氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、总氮（TN）和总磷（TP）。鲜样中的NH4+-N和NO3--N质量分数分别采用KCl提取分光光度法和酚二磺酸光度法；干样中的总氮（TN）采用浓硫酸消解分光光度法；总磷（TP）采用高氯酸-硫酸消解钼锑抗分光光度法；速效磷采用钼蓝比色法。

2 结果与分析

2.1 稻田水和土壤中氮素的动态特征

施肥后稻田水和土壤中氮素的变化动态曲线见图1～3。由图1可见，稻田水中NH4+-N质量浓度和土壤中NH4+-N质量分数表现出不同的变化趋势。前者在施肥处理后先是迅速上升，2 d时达到最大值，随后逐渐下降。而土壤中NH4+-N质量分数在施肥后一周内表现为升-降-缓慢上升的趋势。这是因为复合肥施入土壤后，氯化铵和磷酸铵在土壤微生物等的作用下迅速溶解进入土壤，一部分NH4+被土壤胶粒吸附，另一部分则进入田面水中，使田面水的NH4+-N质量浓度在第2 d达到峰值；随后田水中的一部分 NH4+又随固体颗粒物沉降或被土水界面的土壤粘粒吸附而进入土中，以致田面水NH4+-N质量浓度呈缓慢降低的趋势。在施肥后的5 d内，3个不同蓄水处理下田面水NH4+-N质量浓度从大到小的顺序为 t-3，t-6，t-9，且田面水质量浓度与蓄水处理呈显著的负相关（y=-0.974x+4.516,R2=0.926）。

田面水中 NO3--N 质量浓度表现为升-微降-峰值-下降-反弹的动态特征。究其原因，一是由于土壤微生物的反硝化作用，土壤中NH4+一部分转化为NO3-；二是不易被土壤吸附的 NO3--N进入田面水中，使田面水NO3--N质量浓度在1～2 d内达到峰值。田面水的NO3--N质量浓度第5 d后出现略微反弹上升现象，说明稻田的硝化-反硝化作用、田面水侵蚀以及过滤渗透等综合因素的影响，致使田面水和土壤之间的 NO3--N含量趋于动态平衡状态。数据分析发现在蓄水处理的5 d内NO3--N质量浓度与蓄水处理呈显著的负相关（y=-0.17x+0.866，R2=0.946）。

图3显示，田面水TN质量浓度随时间变化呈升-峰值-下降趋势，t-3处理的TN质量浓度较t-6和t-9处理要高，且TN质量浓度峰值也较早出现。由于施入稻田的基肥属于缓释肥，在土-水系统中经过物理、化学和微生物的作用，氮素缓慢释放，一部分无机态氮（NH4+-N等）直接被土壤吸附，使得土壤TN质量分数呈上升趋势；另一部分（NH4+-N、NO3--N）进入田水，加上春耕时对土壤的扰动而导致土壤中的氮素（有机氮等）进入田水中，是直接引起田面水中TN质量浓度升高的直接原因。田面水中TN于第2 d达到峰值，而土壤中TN于第2～3 d趋于平稳，说明此时复合肥的养分基本释放完全。尔后田面水中TN动态下降的原因，首先是由于土壤的吸附和过滤作用，约占7%的氮被淋溶损失掉[13]；其次是与氨氮挥发有关。氨挥发过程十分复杂，且受许多因素的影响，是稻田氮素损失的主要途径之一。Adamson等认为，培养14 d后，污泥与耕层土壤表施处理的氨挥发为施氨质量的40.3%[14]。另外，稻田的硝化-反硝化作用其中引起的气态氮(N2或N20)的排放也能造成一定的氮损失。数据分析显示，在施肥后的5 d内，不同蓄水深度条件下3个处理间田面水TN质量浓度从大到小的顺序依次为t-3，t-6，t-9。

2.2 田面水和土壤中磷素的动态特征

图1 施肥后田水NH4+-N质量浓度和土壤中NH4+-N质量分数的变化动态Fig.1 changes of NH4+-N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

图2 施肥后田面水NO3-N质量浓度和土壤中NO3--N质量分数的变化动态Fig.2 Changes of NO3--N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

图3 施肥后田面水TN质量浓度和土壤中TN质量分数的变化动态Fig.3 Changes of T-N concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

从农田流失的磷素主要以非溶解态磷（DRP）和颗粒结合态磷（PP）形式存在，其中80%以上的部分是PP，这部分磷可以随水流运输至较远的地区而输出农田[15]。一些研究证实，在垂直方向上DRP有渗漏和积累的现象，97%渗漏是DRP[16,17]。本蓄水试验的微区模拟田底是水泥地面，渗漏现象可以忽略不计。

施肥后田面水TP质量浓度和土壤中TP质量分数的变化动态如图4所示。可见，田面水中磷素的质量浓度在施肥1 h后较低，此后随着时间推移呈急速上升态势，在第1 d达到峰值。而土壤中磷素质量分数施肥1 h后处于较低水平，此后呈现逐渐上升的趋势，在施肥后第1～2 d趋于平稳。其原因有二：首先是施肥后第1 d左右复合肥中磷素已基本释放完全；其次是春耕耙田的人为扰动使附积于土壤内的DRP和PP迅速释放而进入田面水。尔后田面水中DRP和PP，由于物理沉降等作用逐渐下沉而重新进入土壤内，致使土壤中TP质量分数在第 2 d后继续上升并处于较高水平，而田面水 TP质量浓度迅速下降到较低水平。此外，通过对田面水约 1周的磷质量浓度的数据进行相关性分析发现，在蓄水处理约1周内TP质量浓度与蓄水深度呈极显著的负相关（y=-0.115x+0.61，R2=0.994），即蓄水高度越大，田面水磷质量浓度就越小。

图4 施肥后田面水TP质量浓度和土壤中TP质量分数的变化动态Fig.4 Changes of the total phosphorus content in the paddy water and soil after fertilizer application

2.3 减排降污潜力分析

施肥后田面水TN和TP的动态变化见图5。可见，在处理后的同一时间段，田面水中各处理的氮磷质量浓度大小顺序为ρt-3＞ρt-6＞ρt-9。通过对田面水约 1周的氮磷质量浓度数据进行相关分析表明，TN、TP质量浓度与蓄水深度呈极显著的负相关（TN：Y=-33.97x+133.4，R2=0.999；TP：Y=-0.115x+0.61，R2=0.994），即蓄水高度越大，田面水氮磷质量浓度就越小。

在各蓄水处理的氮磷质量浓度数据中，t-9和t-6处理的总氮质量浓度分别为 t-3的13.1%～54.4%和27.9%～64.2%，总磷质量浓度分别为t-3的50%～90.1%和37.2%～67%。因此，相对于蓄水3 cm深度的常规水分管理，若能蓄水9 cm后再排放，可减少排放总氮 45.57%～86.88%、总磷33.02%～62.79%；若蓄水6 cm再排放，可减少排放总氮35.76%～72.13%、总磷9.88%～50%。显然，蓄水6 cm或9 cm对于减少氮磷素排放具有显著效果，但结合春插时的农田水分管理“浅水活苗”之实际，笔者认为“蓄水5～6 cm”是较为适宜的农艺措施。

图6 施肥后田面水中SS的动态变化Fig.6 change of SS concentration in the paddy water and soil after fertilizer application

虽然施肥后1 h TN质量浓度较低，但从图6可以看出，此时水中总悬浮颗粒物(SS)质量浓度非常高；施肥后2～3 d内，3种蓄水处理总氮质量浓度达到最大，因此，施肥后3 d内应控制排水。

进一步分析可以看出，蓄水6 cm，若在第5 d排水，相比第 3 d将水排干，可减少排放总氮32.59%～75.87%、总磷53.42%～90.44%；相比蓄水3 cm在第 3 d排水时的情况，可减少排放总氮21.22%～55.41%、总磷75.78%～95.03%。若蓄水6 cm在第7 d排水时，与在第3d将水排干相比，可减少排放总氮48.61%～81.8%、总磷83.19%～91.52%；相比蓄水 3 cm在第 3 d排水，可减少排放总氮39.94%～66.01%、总磷 83.19%～91.52%。显然，蓄水6 cm或9 cm处理，与蓄水3 cm处理相比较，在第5 d或第7 d排水，有显著的减排降污效果。但结合农业生产实际需要，春季施肥耕作后第5 d左右排水是稻田排水较为适宜的时段。

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