稻田总磷迁移规律与最佳灌排模式研究

郝树荣 王子欣 潘永春 吴蕴玉 郑成鑫 陈文猛

(1.河海大学农业工程学院， 南京 210098； 2.江苏省水利科学研究院， 南京 210017)

0 引言

水体富营养化是当今世界水环境污染的治理难题，我国不少水体均面临富营养化问题，其与农田氮磷养分流失有密切关系[1-4]，磷是内陆水体富营养化的限制因素[5-6]。稻田是水网地区一种范围较大的土地利用方式，其管理方式直接影响着周围水体的环境状况，过量施用化肥和不合理灌排加剧了农田磷素流失[7-8]，目前我国磷肥当季利用效率仅为20%左右[9-10]，造成农业面源污染问题日益严重[11-16]。因此，稻田灌排模式下磷素的流失规律研究一直是关注的热点问题。

磷肥是植物生长发育过程中不可或缺的肥料，其重要性不亚于氮。磷是植物中核酸和蛋白质的主要组成部分，在物质的形成、代谢及运转等方面都起着非常重要的作用。同时，磷还可以促进作物根系发育，加强土壤水分利用，提高水分利用效率，其丰缺直接影响光合产物的合成和最终产量的构成。水稻是对缺磷比较敏感的作物之一，缺磷时水稻生长受到抑制，磷素含量是影响水稻精米率的重要因素之一[17]。

近年来的研究表明，除了通过地表径流进入水体的方式外，渗漏淋失也是磷向水体迁移的重要途径[18-19]。国内外研究主要集中在不同施肥方式[4,20-22]及施肥量[23]对土壤磷素淋失的影响方面，而不同灌排模式稻田磷素的迁移流失规律及环境效应报道较少。土壤剖面养分迁移转化规律的研究为采取适当措施减缓淋失提供了一定理论依据，故探讨不同灌排模式下土壤渗漏液中磷素迁移转化规律尤为重要。

本文在现有节水灌溉研究的基础上，通过测桶试验，探究不同灌排模式下稻田各生育期内地下水及不同深度土壤渗漏液磷素淋失的迁移变化特征，并选择最优灌排模式，以提高粮食产量、降低环境污染，为我国水稻节水减排、高产控污提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017、2018年的5—10月在河海大学江宁校区节水园区(31°86′N，118°60′E)进行。试验区属于亚热带湿润气候，年均降雨量1 021.30 mm，年平均气温15.7℃。2017年水稻生育期内降雨量为534.25 mm，2018年为470.70 mm。试验土壤取自节水园区耕作层黏壤土，土壤容重为1.31 g/cm3，总孔隙率44.90%，田间持水率25.28%，饱和含水率38.70%，pH值7.2，有机质质量分数2.40%，全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾含量(质量比)分别为0.91 g/kg、0.32 g/kg、47.40 mg/kg、10.37 mg/kg、90.00 mg/kg。

2017年水稻供试品种为“南粳5055”，6月17日移栽，10月27日收获。2018年水稻试验品种为“南粳9108”，6月22日移栽，10月21日收获。两年施肥量一致，纯氮总施入量为244 kg/hm2，N、P2O5、K2O比例为1∶0.45∶0.8。肥料采用尿素(含N质量分数46%)，过磷酸钙(含P2O5质量分数15%)，氯化钾(含K2O质量分数63%)。氮肥分3次施用(基肥、分蘖肥、穗肥比例为4∶2∶4)，磷肥作基肥一次性施入，钾肥分两次施入(基肥、分蘖肥比例为6∶4)。2017年6月16日施基肥，6月27日施分蘖肥，8月16日施穗肥。2018年6月21日施基肥，6月28日施分蘖肥，8月10日施穂肥。

1.2 试验设计

试验设浅水勤灌(Frequent and shallow irrigation, FSI)、浅湿调控(Wet-shallow irrigation, WSI)、控制灌溉(Controlled irrigation, CI)和覆秸秆旱作(Drought planting with straw mulching, DPS)4个处理，5个重复，灌排指标见表1，表中数据为田面水深或30 cm处土壤含水率所占饱和含水率θs的百分比。土壤水分达到下限时，灌水至上限，田面水深超过蓄雨上限时，排水至蓄雨上限。除灌排措施外，其他农技措施均相同。试验前将生稻草剪碎至每根长度为5 cm，浸泡3 d捞起并用塑料薄膜覆盖，堆制10 d取出，覆盖在DPS处理土壤表面，用草量为6 000 kg/hm2(折干物质质量)。

采用测桶试验，测桶尺寸40 cm×40 cm×100 cm(长×宽×高)，底部铺设20 cm砂石反滤层，土表距桶顶20 cm，土层深60 cm，土样经晒干、打碎、过筛后分层压实装入桶中，土壤容重1.31 g/cm3。每桶4穴，每穴3株。测桶底部安装排水阀，可进行地下排水和采集水样。距桶顶50 cm处设土壤水分监测孔，用TDR探头测定距土表30 cm处土壤含水率。距土表20、40、60 cm处设置3层水样取水口。测桶外壁安装地下水位观测管，用于读取地下水位。

1.3 测定内容及方法

自分蘖期每3 d进行一次地下排水，将砂石反滤层中的重力水全部排空，记录排水量。地下排水水样于施基肥后1、3、5 d，分蘖肥和穗肥前1 d，施肥后1、3、5、7 d采集，之后每6 d采集一次，遇降雨和灌水增加取样；20、40、60 cm深土壤渗漏液于水稻分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期和抽穗开花期取样。水样采集后立即放入冰箱冷藏(4℃)，24 h内完成水质分析。主要观测稻田地下排水及不同深度土壤渗漏液中总磷(Total phosphorus，TP)的浓度。

表1 不同灌排模式的灌排控制指标Tab.1 Control indicators of irrigation and drainage of different irrigation and drainage modes

采用钼锑抗分光光度法分析水中TP浓度。灌溉水和降雨带入的磷可以忽略不计。

总磷流失负荷计算公式为

P=ma/100

式中P——总磷流失负荷，kg/hm2

m——排水量，mm

a——总磷质量浓度，mg/L

考种与测产：于收获日测定每桶有效穗数，各处理选择有代表性的5穴植株测定每穗粒数、每穗实粒数并计算结实率，各处理选择5个1 000实粒测定千粒质量，测定每桶单打单收实际产量。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行分析，采用Origin 2017绘制图表，用SPSS 18.0进行方差分析和相关性分析。差异显著性检验方法为Duncan新复极差法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同灌排模式地下排水量变化特征

稻田排水量与降雨量、灌排控制指标有直接关系，不同灌排模式各生育期地下排水量见表2。全生育期地下排水量由大到小依次为FSI处理、WSI处理、CI处理、DPS处理，各处理差异显著。2017年全生育期DPS处理的地下排水总量为110.19 mm，比FSI、WSI和CI处理显著减少65.93%、58.48%和43.43%；CI处理的地下排水总量为194.80 mm，较FSI处理和WSI处理显著减少39.77%和26.61%。2018年全生育期DPS处理的地下排水总量为125.35 mm，比FSI、WSI和CI处理显著减少55.22%、44.82%和29.05%；CI处理的地下排水总量为176.66 mm，较FSI处理和WSI处理显著减少36.89%和22.23%。其原因是返青期后DPS处理和CI处理除降雨后保留小于80 mm水层外，其余时间田面均保持无水层状态，有效减少了田间入渗量和地下排水量，合理调控了土壤水分，这与罗纨等[24]、彭世彰等[25]研究一致。

表2 不同灌排模式各生育期地下排水量Tab.2 Underground drainage at different growth stages of different irrigation and drainage modes mm

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

由表2可知，各处理在水稻不同生育期的排水量不同，分蘖期和拔节孕穗期排水量较大，两个生育期排水量和占全生育期排水量的50%以上，原因是降雨主要集中在水稻生育前期，桶内蓄雨后水层深度较大，排水量增大，生育后期降雨减少，地下排水量随之减少。2017年分蘖期CI处理、DPS处理排水量分别较FSI处理减少40.89%、61.76%，2018年分蘖期CI处理、DPS处理排水量分别较FSI处理减少45.34%、69.35%，原因是CI处理、DPS处理分蘖期除降雨后保留60 mm水层外田面不保留水层，灌水上限、下限和雨后蓄水深度均低于FSI处理，CI处理和DPS处理的土壤含水率低，增加了土壤水库蓄水能力，减少了降雨后稻田排水量。

2.2 不同生育期地下排水TP浓度动态变化

2017、2018年各生育期地下排水TP浓度变化见图1、2。两年地下排水中TP质量浓度变化一致。施入基肥后移栽水稻，第2天测得各处理地下水TP质量浓度达到0.400 mg/L以上，这可能是水稻移栽前，进行表土疏松，产生一定的土壤孔隙，田面水易沿这些大孔隙(优先流)迅速向土壤下层淋溶，10 d后降到0.200 mg/L。施分蘖肥和穂肥后，稻田地下排水中TP浓度逐渐增加，各处理TP浓度第1次峰值出现在分蘖肥施入后第10天， WSI、FSI、CI、DPS处理2017年峰值为0.169、0.166、0.137、0.120 mg/L，CI处理较FSI、WSI处理显著降低16.97%、18.93%，DPS处理较FSI、WSI处理显著减小27.27%、28.99%；FSI、WSI、CI、DPS处理2018年峰值分别为0.176、0.149、0.132、0.115 mg/L，CI处理较FSI处理显著降低25.00%、较WSI处理降低11.41%，DPS处理较FSI、WSI处理显著减小34.66%、22.82%。第2次峰值出现在穂肥施入后第5天，WSI、FSI、CI、DPS处理2017年峰值分别为0.188、0.170、0.164、0.120 mg/L，CI处理的峰值较FSI处理减少3.53%、较WSI处理显著减少12.77%，DPS处理较FSI、WSI处理显著减少29.41%、36.17%；FSI、WSI、CI、DPS处理2018年峰值分别为0.178、0.155、0.135、0.129 mg/L，CI处理较FSI、WSI处理显著降低24.24%、12.90%，DPS处理较FSI、WSI处理显著减小27.61%、16.77%。由此可见，DPS、CI处理降污减排效果明显。

由图1、2可知，稻田排水中TP浓度在生育前期多次涨落，这与磷肥的特性有关，磷肥虽在基肥中一次性施入，但施入土壤中的磷大部分转化为难溶性磷酸盐，少部分转化成可为水稻利用的速效磷，只有极少数进入土壤渗漏液，在后期灌水和降雨的冲刷下，磷以颗粒态形式进入地下排水中，引起地下排水磷素浓度升高，因此控制灌溉水量和雨后排水是减少农田磷素流失的重要途径[26]。生育后期地下水中TP浓度变化幅度不大，且较前期浓度明显降低，水稻生长对磷的吸收和土壤对磷的吸附固定是磷浓度降低的主要原因。8月施入穂肥，虽然穂肥中不含有磷素，但施入穂肥时会扰动水层，且氮肥的施入促进土壤中磷的释放，因而增大了地下排水中TP的流失，加大水体富营养化的可能。对比不同灌排模式下TP浓度可知：地下排水中的TP浓度在施肥后第20天左右降为正常值，因此，施肥后20 d内是磷素流失的高风险期。

图1 不同生育期地下排水TP浓度变化(2017年)Fig.1 Changes of TP concentration in underground drainage at different growth stages(2017)

图2 不同生育期地下排水TP浓度变化(2018年)Fig.2 Changes of TP concentration in underground drainage at different growth stages (2018)

2.3 不同灌排模式地下排水TP流失负荷

不同灌排模式各生育期地下排水TP流失负荷见表3。不同灌排模式各生育期TP淋失量保持在0.002～0.130 kg/hm2范围内。全生育期FSI处理稻田TP流失负荷最大，原因是FSI处理稻田地下排水量最大、地下排水中TP浓度也比较大。2017、2018年WSI处理较FSI处理TP流失负荷减少18.06%、26.37%。CI处理2017年稻田全生育期TP流失负荷为0.199 kg/hm2，较FSI处理显著减少44.80%，较WSI处理显著减少32.30%，排放峰值0.011 kg/hm2，较FSI处理减少51. 56%，较WSI处理减少37.42%；2018年全生育期TP流失负荷为0.164 kg/hm2，较FSI处理显著减少48.53%，较WSI处理显著减少30.04%，排放峰值为0.013 kg/hm2，较FSI处理减少48.00%，较WSI处理减少35.00%。CI处理在节水减排和降污方面有显著效果。2017年DPS处理下水稻全生育期TP流失负荷为0.078 kg/hm2，较FSI处理显著减少78.33%，较WSI处理显著减少73.56%，较CI处理显著减少60.80%；排放峰值为0.006 kg/hm2，较FSI处理减少72.23%，较WSI处理减少62.52%，较CI处理减少45.57%。2018年DPS处理下水稻全生育期TP流失负荷为0.089 kg/hm2，较FSI处理显著减少71.98%，较WSI处理显著减少61.92%，较CI处理显著减少45.51%；排放峰值为0.008 kg/hm2，较FSI处理减少68.00%，较WSI处理减少60.00%，较CI处理减少38.46%。DPS处理有减少排水、减少TP淋失的作用，减排控污效果最好。由表3可见，分蘖期和拔节孕穗期磷素淋失量是全生育期的60%左右，分蘖期和拔节孕穗期是稻田施肥量和降雨量最多的时期，因而稻田磷素淋失量较大。

表3 不同灌排模式各生育期地下排水TP流失负荷Tab.3 TP losses load during growth period of different irrigation and drainage modes kg/hm2

2.4 不同深度土壤渗漏液TP浓度动态变化

图3 各生育期不同深度土壤渗漏液TP浓度(2017年)Fig.3 TP concentration of soil leachate at different growth stages and depths (2017)

2017年各生育期不同深度土壤渗漏液TP浓度动态变化见图3。土壤渗漏液TP质量浓度与灌排模式、土层深度有密切关系。分蘖后期根系主要分布在20 cm处，由于根对磷素的吸收，所以20 cm处TP浓度最低，随着水稻生长发育，拔节孕穗期和抽穗开花期根长较分蘖期增加，40 cm处土壤渗漏液TP浓度减小。60 cm处土壤渗漏液TP质量浓度分蘖前期最大，各处理在0.097～0.145 mg/L之间，分蘖后期减少，拔节孕穗期及抽穗开花期60 cm处土壤渗漏液TP质量浓度小于0.060 mg/L，可能是分蘖前期水稻植株小，需肥量不大，根吸收磷肥少，表施的磷肥会随优先流向下迁移，导致该时期土壤渗漏液TP质量浓度较高，随着土壤对磷的固定及水稻对磷的吸收，分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期各深度土壤渗漏液TP浓度大大降低[23]。

图4 各生育期不同深度土壤渗漏液TP浓度(2018年)Fig.4 TP concentration of soil leachate at different growth stages and depths (2018)

2018年各生育期不同深度土壤渗漏液TP浓度动态变化见图4。分蘖期不同深度土壤渗漏液的TP质量浓度最大值为0.143 mg/L，分蘖前期由浅到深土壤渗漏液TP浓度减少，分蘖后期60 cm处TP浓度与分蘖前期相差不大，20 cm和40 cm处TP浓度降低，以20 cm处TP质量浓度降低最大，可能是分蘖后期水稻进入生长旺季，对磷素需求量增加，根系对表层土壤的总磷吸收比较快，利用率比较高。值得注意的是，分蘖后期DPS处理20 cm处土壤渗漏液TP浓度降低不明显，可能是水分胁迫抑制根系活力，影响根系对磷素的吸收。拔节孕穗期和抽穗开花期各处理除DPS处理由浅到深TP浓度逐渐减小，不同深度土壤TP质量浓度最大不超过0.06 mg/L，WSI、CI、FSI处理的质量浓度在0.010～0.050 mg/L内变化，DPS处理显著高于其他处理。DPS处理灌水较少，自移栽后田面不留水层，施肥后磷素富集于上层土壤，所以20 cm处TP浓度一直高于其他处理。抽穗开花期不同深度渗漏液总磷浓度均高于拔节孕穗期，原因可能是拔节孕穗期取样前一天有较大降雨，降雨引起磷素的淋失，从而使得TP浓度较抽穗开花期降低。

同一生育期内，2017年与2018年不同灌排模式下沿剖面TP浓度变化趋势大体一致，2017年由大到小依次为WSI处理、DPS处理、FSI处理、CI处理，2018年由大到小依次为DPS处理、WSI处理、CI处理、FSI处理，但总体是WSI处理和DPS处理的TP浓度高于FSI处理和CI处理。DPS处理土壤渗漏液TP浓度较大可能是因为施肥与秸秆配合施用可以促进0.5～5 mm水稳性团聚体的形成和提高土壤团聚体的稳定性，并且能够降低土壤容重和土粒密度[27-28]，提高孔隙度，更加有利于土壤中优势流的形成，促进磷素流失，再加上由于水分控制，DPS处理土壤含水率较其他处理小，在施入等量肥的情况下，土壤渗漏液TP浓度较高；WSI处理土壤渗漏液TP浓度较CI处理、FSI处理大的原因可能是WSI处理灌水量、排水量较CI处理大，吸附在土壤颗粒表面的难溶于水的磷酸盐比CI处理少，故土壤渗漏液TP浓度较CI处理大，FSI处理由于灌水下限、蓄雨上限比WSI处理大，土壤含水率高，TP浓度较WSI处理低。

2.5 不同灌排模式对水稻灌水和产量指标的影响

表4为两年试验稻田灌水次数、灌水量、产量及产量构成要素。由表4可知，不同灌排模式下水稻全生育期灌水量差异较大。与WSI处理和FSI处理相比，CI处理和DPS处理的灌水量和灌水次数明显减少，CI处理两年平均灌水量比FSI处理和WSI处理分别减少24.36%、11.88%，灌水次数减少3～4次、1～2次；DPS处理两年平均灌水量比FSI、WSI、CI处理减少44.47%、35.31%、26.59%，灌水次数减少9、7、5次。DPS处理和CI处理达到了节水省工的效果。

由表4可知，两年试验不同灌排模式下每桶实际产量均为CI处理最大，WSI处理和FSI处理居中，DPS处理产量最小。与WSI处理相比，CI处理2017年显著增产5.89%、2018年增产1.03%，DPS处理2017年显著减产23.19%、2018年减产17.62%。与FSI处理相比，CI处理2017年显著增产12.91%、2018年显著增产8.29%，DPS处理2017年显著减产18.10%、2018年减产11.69%。2017年各个处理的每穗实粒数无显著差异，2018年CI处理显著高于FSI、DPS处理；两年4个处理的结实率差异均不显著。CI处理两年的每桶有效穗数相较其他处理最大。DPS处理、CI处理两年灌溉水分生产率均显著高于WSI、FSI处理；DPS处理高于CI处理，但差异性不显著，虽然DPS处理灌溉水量最低，但因为其水分的节省幅度高于产量下降的幅度，所以其灌溉水分生产率较高。可见CI、DPS处理显著提高了灌溉水的利用率。

表4 不同灌排模式下水稻灌水及产量指标Tab.4 Rice irrigation and yield components under different irrigation and drainage modes

3 讨论

本研究通过两年的测桶试验，揭示不同灌排模式下稻田磷素流失规律及水稻产量的差异，旨在探索超级稻对不同灌排模式及磷素流失负荷的响应，评价灌排模式的环境效应，为水稻生产的节水减排提供有益的技术依据。

试验结果表明，不同灌排模式稻田全生育期地下排水量由大到小依次为浅水勤灌、浅湿调控、控制灌溉、覆秸秆旱作，各处理间差异显著，且生育前期较大，后期逐渐减小，这同乔欣等[29]研究结果相近。与浅水勤灌和浅湿调控相比，控制灌溉和覆秸秆旱作有效调控了土壤含水率，减少深层渗漏，降低了灌水次数，节约灌水量。

各处理施入基肥后地下排水中总磷质量浓度达到0.400 mg/L以上，然后迅速降低。施入分蘖肥和穂肥，各处理地下水总磷浓度逐渐升高，在施入分蘖肥后10 d、穂肥后5 d出现峰值，20 d左右降为正常值，这同文献[19,30-31]的研究结果不一致，如陆欣欣等[30]研究表明，施肥后30 d内是磷素渗漏流失的主要阶段，主要原因可能是由于土壤类型、施肥种类及用量、田间水分管理以及监测深度等方面的差异所致。控制灌溉和覆秸秆旱作的两年平均总磷流失负荷分别为0.182、0.084 kg/hm2，均显著低于浅水勤灌(0.339 kg/hm2)和浅湿调控(0.265 kg/hm2)，可有效减少环境污染。总磷的流失量随排水量的减少而减少，控制排水对减少稻田磷素流失具有明显效果。

水是土壤中磷素向下迁移的载体，不同深度土壤渗漏液中磷素的含量可以反映土壤磷素的动态分布与变化。土壤渗漏液总磷浓度除分蘖后期外均为表层最高，且随剖面深度的增加而减少，说明TP的深层富集现象不严重。这与文献[4,29,32]的研究结果相近。分蘖后期20 cm处土壤渗漏液总磷浓度最低，可能是由于该阶段根系主要分布在此深度，根对磷素的吸收使得TP浓度较小。2017年土壤渗漏液总磷浓度由大到小依次为浅湿调控、覆秸秆旱作、浅水勤灌、控制灌溉，2018年为覆秸秆旱作、浅湿调控、控制灌溉、浅水勤灌，总体是浅湿调控和覆秸秆旱作的总磷浓度高于浅水勤灌和控制灌溉。就土壤剖面总磷浓度而言，浅水勤灌和控制灌溉对减少水体污染有一定的效果。

不同灌排模式下每桶实际产量两年均为控制灌溉最大，平均为248.64 g/桶，浅湿调控、浅水勤灌居中，分别为240.72、225.12 g/桶，覆秸秆旱作产量最小，为192.06 g/桶。覆秸秆旱作由于水稻长期处于水分亏缺状态，根冠生长受到抑制，导致千粒质量低，是造成产量低的主要原因。覆秸秆旱作和控制灌溉两年灌溉水分生产率平均为2.91、2.77 kg/m3，均显著高于浅湿调控(2.36 kg/m3)和浅水勤灌(1.89 kg/m3)。覆秸秆旱作灌溉水分生产率虽然有所增高，但水稻产量明显降低。

4 结论

(1)覆秸秆旱作和控制灌溉较浅水勤灌和浅湿调控明显减少了灌水量和灌水次数，覆秸秆旱作、控制灌溉两年平均灌水量比浅水勤灌减少44.47%、24.36%，灌水次数减少9次、3～4次。覆秸秆旱作、控制灌溉全生育期两年平均地下排水量为117.77、185.73 mm，较浅水勤灌显著减少60.96%、52.18%。覆秸秆旱作和控制灌溉有效控制了土壤含水率，减少了深层渗漏，有明显的节水省工减排作用。

(2)不同灌排模式全生育期稻田地下水中总磷浓度波动下降，最大为0.450 mg/L，在施入分蘖肥第10天、穂肥第5天出现峰值，施肥后20 d降为正常值。控制灌溉模式下水稻全生育期两年平均总磷流失量为0.182 kg/hm2，较浅水勤灌、浅湿调控显著减少46.48%、31.40%，减少了环境污染；覆秸秆旱作水稻全生育期总磷流失量为0.084 kg/hm2，较浅水勤灌、浅湿调控显著减少75.33%、68.37%。覆秸秆旱作和控制灌溉可有效降低稻田磷素流失风险，减少农业面源污染。土壤渗漏液总磷浓度除分蘖后期外均为表层最高，随土壤剖面深度的增加而降低。浅水勤灌和控制灌溉的土壤渗漏液总磷浓度低于浅湿调控和覆秸秆旱作，有减排控污的效果。

(3)控制灌溉产量最高，浅湿调控和浅水勤灌居中，覆秸秆旱作产量最低。与浅水勤灌相比，控制灌溉显著增产10.45%，覆秸秆旱作显著减产14.69%。覆秸秆旱作、控制灌溉的平均灌溉水分生产率分别为2.91、2.77 kg/m3，显著高于浅湿调控(2.36 kg/m3)和浅水勤灌(1.89 kg/m3)。控制灌溉显著提高水稻产量，从而大幅提高水稻水分利用率，达到高产高效的目的。

(4)综合灌排水量、磷素流失负荷、产量及灌溉水分生产率，控制灌溉最佳，是一种可节约用水、提高水稻产量、减少磷流失的高效灌排模式，适宜大面积推广。