淹水条件下渗漏强度对稻田TP浓度的影响

邵园园,俞双恩,孙雪梅

(1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.江苏省秦淮河水利工程管理处,江苏南京 210001;3.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

淹水条件下渗漏强度对稻田TP浓度的影响

邵园园1,2,俞双恩1,3,孙雪梅1,3

(1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.江苏省秦淮河水利工程管理处,江苏南京 210001;3.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

通过蒸渗测坑进行淹水稻田不同渗漏强度控制试验,研究水稻各生育阶段中不同渗漏强度下地表水及地下水TP浓度变化。结果表明:稻田灌水扰动田表土壤颗粒,加速了土壤磷的释放,是淹水过程中地表水TP浓度升高的主要原因,尤其在田表面没有形成板结层之前,灌水或降雨会使土壤磷颗粒大量析出;淹水3—5d后,由于沉淀作用,地表水TP浓度明显降低;渗漏强度对淹水前期稻田地表水TP浓度影响较为显著,对地下水TP浓度影响不显著。

水稻;渗漏强度;TP浓度;显著性

随着化肥农药的大量施用,农田排水使农田特征污染物进入水体,导致水体富营养化程度加剧。磷是水体富营养化的主要限制因子[1],在非点源污染中,来自农田系统的磷高达24.7%[2],农田排水造成的磷损失已成为南方地区农业面源污染的主要来源[3]。因此,开展淹水条件下不同渗漏强度对地表水、地下水TP浓度的影响研究,对合理制定稻田水位调控方案,最大限度地减少磷素对水体环境的污染具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2008年5月至10月在河海大学节水园区节水与农业生态试验场内进行。该试验场共有32个固定式蒸渗测坑(有底28个,无底4个),每个蒸渗测坑的规格为2.5m×2m×2m(长×宽×高)。地面设有移动式雨棚,地下设有廊道及设备间,每个有底的蒸渗测坑都与地下设备间内对应的水柱连通,可以实现地下水位自动控制。在每个测坑中部埋设地下水观测井,观测井由一根直径为4cm,长2.0m的PVC管制成,在下端1.5m长度内用电钻打间隔约3 cm、均匀交错分布的小孔,然后用土工布包裹,埋入测坑中已用土钻钻好的孔内,管口距地面约25cm,高出测坑上沿3～5cm。从地表向下20cm内PVC管外壁与土壤紧密接触,防止地表水沿外壁下渗。

蒸渗测坑内土壤为黏壤土,由当地土2002年分层回填密实。0～30cm土壤肥力均匀,田间持水率为25.28%,总孔隙度为44.97%,pH值为7.78,土壤有机质质量分数2.40%,全氮质量比0.90g/kg,全磷质量比0.32g/kg,速效磷质量比12.50mg/kg。

1.2 试验设计及试验方法

1.2.1 试验方案设计

试验种植的水稻品种为镇稻99,5月4日泡种,5月6日育秧,6月26日移栽,10月7日收割。试验期间共施肥两次,基肥(复合肥)在移栽前一天施入水中,每个蒸渗测坑施入600g,其中N 、P2O5、K2O 所占比例分别为15%、15%、15%;分蘖肥(尿素)于7月10日施入,每个蒸渗测坑施入65g。

试验在蒸渗测坑内进行,分别在水稻分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期和乳熟期4个生育阶段进行淹水及不同渗漏强度控制试验(表1)。灌溉水源为试验场内的地下水,控水结束后将水层降至适宜水层上限。每个方案安排2个测坑试验。

1.2.2 水位控制、采样及测定方法

淹水试验中,每天上午8:00观测农田水位深度,若观测值低于设计淹水深度,则计算所需灌水量,由电磁阀自动灌溉系统进行灌溉,使不同方案间的水位深度保持一致。在量测水位前,先标定各测坑的地下水观测井的管口到地表的高度,测定时用钢尺测量管口到地下水面的距离,该距离减去相应的管口高度即为该测坑的地下水深度。由于试验是在封闭的测坑中进行,为了更好地模拟田间环境,各方案按设定的渗漏强度控制,通过测坑面积与渗漏强度的乘积来计算排水量,并由蒸渗测坑底部的排水管进行控制排水。

在水稻各生育阶段控水期间,每隔1天采集1次稻田地表及地下水样,控水前、后各加测1次。取地表水水样时,用50mL医用注射器,随机抽取蒸渗测坑内4处表层水样,注入塑料瓶;取地下水样时,从地下廊道排出的渗漏水中采集水样,注入塑料瓶。水样取后24h内在实验室进行水质分析,水样中TP浓度采用过硫酸钾消解法、钼锑抗分光光度法测定[4],测定仪器为岛津紫外分光光度仪UV2800。

表1 淹水条件下不同渗漏强度方案

2 试验结果分析

2.1 各生育阶段地表水TP浓度的变化

分蘖期地表水TP浓度变化见图1。随着控水历时的延长,TP浓度先上升后下降,在控水后期又有所回升。7月15日灌水至设计淹水深度,因灌水对田面土壤的扰动,引起土壤颗粒悬浮于水中[5],同时淹水使土壤氧化还原电位降低,与磷酸根离子结合的高价铁被还原为低价铁,磷酸亚铁的溶解度较高,增加了磷的有效性,因此方案1,2的地表水TP浓度均有所上升,在控水3d后,方案1和方案2的TP浓度达到一个峰值。控水中期,田表水层稳定,被扰动程度较小,悬浮于水中的泥颗粒逐渐沉入田表,地表水TP浓度持续下降。控水后期,田表水位有所降低,为满足设计淹水深度要求,需要进行补水,因而扰动了水层,使一部分附着在土壤表层的磷释放地表水中[6],导致地表水TP浓度回升。在整个淹水过程中,方案2的地表水TP浓度均大于方案1,造成这种现象的原因是,地表水进入土壤强度较大,将土壤中的气体强行排出,而带出更多的土壤颗粒,使TP浓度提高。

图1 分蘖期地表水总磷质量浓度

拔节孕穗期淹水期间,方案3,4的地表水TP浓度变化见图2,其变化趋势是先上升后下降。控水前稻田表面没有水层,8月6日灌水至设计淹水深度,虽然分蘖后期晒田使田表土壤板结,但灌水仍会扰动田表土壤,颗粒态磷悬浮于水中,同时由晒田到灌水的过程,使土壤与水层之间形成了一个干湿交替的环境,这种环境有利于促使难溶性磷转化为可利用态磷[7-8],引起地表水TP浓度上升。控水3d后,TP浓度达到峰值,控水中后期,地表水层基本处于静止状态,悬浮的颗粒逐渐下沉,加之拔节孕穗期是营养生长和生殖生长同时进行的时期,水稻生长发育旺盛,对水分、养分的吸收都进入最高峰,穗分化需要充足的养分,对磷的吸收明显增多,所以地表水TP浓度迅速降低。在整个淹水过程中,方案4的地表水TP浓度大于方案3,造成这种现象的原因与分蘖期相似,主要是地表水进入土壤强度大,将土壤中的微小颗粒交换出来,使TP浓度偏高。

图2 拔节孕穗期地表水总磷质量浓度

抽穗开花期淹水期间地表水TP浓度变化见图3,其变化趋势也是先上升后下降。8月21日,根据控水水位要求,灌水至田面水层为250mm,虽然该阶段田表土层更加板结,加之水稻植株茂盛,灌水对土壤的扰动相对较小,但仍然会使土壤表面微小颗粒悬浮于水中,使地表水TP浓度有所增加,控水2—3 d后浓度达到峰值,只是浓度相对较低。控水中后期,地表水层基本处于静止状态,悬浮的颗粒逐渐下沉,地表水TP浓度逐渐降低并趋于稳定。在整个淹水过程中,方案6的地表水TP浓度大于方案5,造成这种现象的原因与前两个生育阶段相似。

图3 抽穗开花期地表水总磷质量浓度

乳熟期淹水期间地表水TP浓度变化见图4,其变化趋势是先下降后略有上升。灌水前,方案7,8的地表水浓度均在0.05mg/L左右,灌水后由于水层增加使得测坑内地表水量增加,稀释了原地表水TP浓度,虽然灌水过程中扰动土壤有部分磷析出,但析出数量还不足以使地表水TP浓度超过灌水前的浓度。随着地表水的逐渐平静,颗粒态磷逐渐下沉,TP浓度逐渐下降并趋于稳定,到控水后期略有回升,是由于地表水消耗所导致。

图4 乳熟期地表水总磷质量浓度

2.2 各生育阶段地下水TP浓度的变化

分蘖期地下水TP浓度变化见图5。随着控水历时的延长,地下水TP浓度呈现先下降后增加的趋势。控水初期,部分磷素与土壤中的Al、Fe、Ca等元素形成沉淀物,导致向下淋失的磷素较少,当增大渗漏量时,由于起到稀释的效果,地下水TP浓度开始时略微有所下降。控水中后期地下水TP浓度有所增加,这是由于在淹水条件下,土壤中有机阴离子代换了部分被吸附的磷,土壤的固磷能力下降,从而使与之相结合的磷被释放出来,不断向下淋失。由于方案2的日渗漏强度较大,促使磷素在垂直剖面的迁移,向下淋失的磷素多于方案1,所以方案2的地下水TP浓度偏高。

图5 分蘖期地下水总磷质量浓度

图6 拔节孕穗期地下水总磷质量浓度

拔节孕穗期地下水TP浓度变化见图6。淹水前由于稻田处于烤田状态,表面土层出现了一些收缩缝,灌水后稻田表面水层较深,地表水顺着裂缝直接补充地下水,悬浮于水中或溶解在水中的磷不易被剖面土壤吸附,直接被纵向输入到地下水中[9],导致地下水TP浓度持续增加。控水中后期,稻田表面的裂缝已经消失,磷素向下迁移量有所减少,加之作物对磷的吸收增加,地下水TP浓度迅速降低。由于方案4的日渗漏强度大,其下渗过程中夹带土壤颗粒的能力大,增加了溶解态磷随水流向下运移的几率[10],所以方案4的地下水TP浓度始终高于方案3。

抽穗开花期地下水TP浓度变化见图7。在控水开始时地下水TP浓度出现短暂上升,是由于设计的渗漏强度超过以前强度,突然增大的渗漏量会带走土壤中更多的磷颗粒。随着控水历时的延长和渗漏量的稳定以及作物根系对磷素的充分吸收,地下水TP浓度逐渐下降并趋于稳定。由于方案6日渗漏强度较大,向下淋失的磷素量较多,导致方案6的地下水TP浓度略高于方案5。

图7 抽穗开花期地下水总磷质量浓度

乳熟期地下水TP浓度变化见图8。整个乳熟期控水期间,地下水TP浓度变化趋势较为平缓。这是由于在水稻生长末期长势已经基本稳定,对磷素吸收量减少的同时,磷素向下迁移量已基本稳定,所以,乳熟期地下水TP浓度变化比较平稳。

图8 乳熟期地下水总磷质量浓度

2.3 渗漏强度对TP浓度影响分析

水稻各生育阶段地表水TP浓度(控水期间TP浓度平均值)是分蘖期大于拔节孕穗期大于乳熟期大于抽穗开花期,由于分蘖期田间水层深度较浅,地表水总磷浓度偏高,随着作物吸收的影响,其余生育阶段地表水TP浓度均低于分蘖期;地下水TP浓度(控水期间TP浓度平均值)是拔节孕穗期大于抽穗开花期大于分蘖期大于乳熟期,由于拔节孕穗期控水前的烤田状态使部分磷直接输入地下水,导致拔节孕穗期地下水TP浓度偏高,抽穗开花期地下水TP浓度略高于分蘖期,两者差别不大;各生育阶段渗漏强度为4mm/d的方案,其地表水、地下水TP浓度均不同程度地高于渗漏强度为2mm/d的方案。

运用SPSS软件进行渗漏强度对TP浓度影响的单因素方差分析,分析结果见表2。由于地表水TP浓度变化幅度较大,将地表水TP浓度分为控水前5d、控水后5d、控水全期(10 d)3种情况进行分析,分析结果显示,控水前5 d,各生育阶段渗漏强度对地表水TP浓度影响的显著性水平均小于0.05,达到显著水平;控水后5d,除乳熟期外,其他各生育阶段渗漏强度对地表水TP浓度影响的显著性水平均大于0.05,未达到显著水平;控水全期,分蘖期和乳熟期渗漏强度对地表水TP浓度影响的显著性水平小于0.05,达显著水平,其他生育阶段未达到显著水平;各生育阶段渗漏强度对地下水TP浓度影响的显著性水平均大于0.05,未达到显著水平。

由此可以说明,不同渗漏强度对地表水TP浓度的影响较为显著,尤其是对控水前5d的地表水TP浓度影响较大;而由于磷素在土壤中移动速度很慢,向下淋失量较小[11],不同渗漏强度对地下水TP浓度没有显著的影响。

表2 不同渗漏强度对地表水、地下水TP浓度影响的显著性水平

3 结 论

a.稻田灌水扰动田表土层,加速了土壤磷的释放,是地表水TP浓度升高的主要原因,尤其是在田表面没有形成板结层之前,灌水或降雨会使土壤磷颗粒大量析出。

b.淹水3—5d后,由于沉淀作用使地表水TP浓度明显降低,因此在淹水不深的情况下,应尽量延迟地表排水时间,减少P的流失。

c.不同渗漏强度对淹水前期稻田地表水TP浓度影响较为显著,对地下水TP浓度影响不显著。

d.分蘖期和拔节孕穗期在淹水前期地表水TP浓度较大,地下水TP浓度较低;抽穗开花期和乳熟期地表水TP浓度较低,地下水TP浓度较高。因此,控制磷污染的水稻控制排水策略应是分蘖期和拔节孕穗期在淹水初期应尽量避免地表排水,抽穗开花期和乳熟期则应尽量避免地下排水。

e.本试验是在有底测坑内进行的,不同强度的渗漏量都能实现,但是在大田条件下,由于犁底层的存在,往往较大的渗漏量很难实现,在生产实践中可以通过降低农沟水位或划破犁底层的办法增加稻田渗漏量。

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Influence of seepage rate on TP concentration in paddy soil on condition of flooding

SHAO Yuan-yuan1,2,YU Shuang-en1,2,SUN Xue-mei1,2
(1.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment inSouthern China,Ministry of Education,Nanjing 210098,China;2.College of Water Conservancy and Hydropower,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Through the controlled experiment on seepage rate of the inundated rice paddy by the use of lysimeters,the changes of total phosphorus(TP)concentration of the surface and underground water caused by different seepage rate were studied at variousgrowth stages.The results showed that the main reason of the rising of TP concentration in surface water during irrigation was the disturbance of the topsoil caused by irrigation accelerating the release of soil phosphorus.Especially before the compaction layer was formed on the surface of the rice field,a large number of soil phosphorus particleswould be separated out by irrigation or rainfall.Due to precipitation,the TP concentration of the surface water was decreased apparently after 3-5 days inundation.The seepage rate had a significant influence on the TP concentration of surface water at earlier inundating stage,but no significant influence on that of underground water.

paddy rice;seepage rate;TP concentration;significance

S143.2,S274.3

A

1004-6933(2011)03-0024-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.006

“十一五”国家科技支撑计划(2006BAD11B06);国家自然科学基金(50839002)

邵园园(1986—),女,江苏泰州人,硕士研究生,研究方向为水资源规划与环境保护。E-mail:shaoyy820@163.com

俞双恩(1961—),教授。E-mail:seyu@hhu.edu.cn

(收稿日期:2010-04-01 编辑:高渭文)