5种源汇型农作景观组合控制农田养分流失的试验研究

2022-02-25项佳敏丁志峰杨琼瑶章明奎

灌溉排水学报 2022年1期

项佳敏，丁志峰，杨琼瑶，章明奎

（浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

0 引言

【研究意义】污染物通过农田地表径流、排水及地下渗透等途径引起水体的污染，是我国许多地区地表水体中氮、磷的主要来源[1-4]。因此，控制农田面源污染已成为我国水污染治理的重要内容[5-7]。【研究进展】为了减少农业生产活动对地表水体的污染，2000年以来我国环保和农业领域的科技工作者开展了大量的试验研究，提出了诸如减量施肥、推行缓控释等新型肥料、生态拦截及人工湿地来控制农业面源污染[8-11]，并在单项技术突破的基础上提出了“源头减量-前置阻断-循环利用-生态修复”的“4R”技术体系[12]，全方位地降低农田养分进入地表水体。不同利用方式农田排水中含磷量有较大的差异，利用蔬菜地（旱地）-稻田-茭白系统、蔬菜-稻田系统、桑园-稻田系统和蔬菜地（多）水塘系统可明显降低磷流失[13]。其中，利用湿地系统削减污染物排放是目前许多地区推行的主要技术之一[14-15]；但修建人工湿地需要占用额外的土地，并会格外增加治理成本。【切入点】农业生产系统内部也存在多种形态的湿地，例如水田、茭白田、荷塘等也具有明显的湿地功能，能否利用这些本身存在的湿地来循环利用养分，把排放高养分的农田（源）与水田、茭白田、荷塘等能消纳养分的湿地（汇）组合在一起来，形成源汇型景观组合，降低农田系统污染物的排放一直是人们关心的问题[13]。即利用农业系统内部各生产单元养分盈亏的差异，通过相互组合来循环利用农业系统内部的养分，从而实现农田系统中氮、磷的减量排放，达到污染治理与养分利用的双赢。【拟解决的关键问题】为了解我国南方地区不同源汇型农作景观组合在削减农田泥砂、氮、磷排放的效果及其适用性，于2014—2017年通过2～3 a的定位观测，评估浙江省代表性的5种源汇型农作景观组合控制农田养分流失效果。

1 材料与方法

试验在浙江杭州、嘉兴和丽水等地进行，利用农田系统中特有的微地形差异（箱子田，高处种植蔬菜和桑园/果园，低处种植水稻、茭白与莲荷等），自流方式把高处蔬菜地和桑园/果园产生的地表径流引入水田/茭白田/荷塘，通过水田/茭白田/荷塘这些湿地系统消纳养分，达到减少农田污染物流失的目的。用于本试验控制农田养分流失的5种源汇型景观组合模式（表1）包括：①蔬菜地-茭白田组合：把蔬菜地产生的地表径流纳入周围的茭白田中，通过茭白田消纳养分以降低养分的流失。②蔬菜地-水田组合：把蔬菜地产生的地表径流纳入周围的水田中，通过水田消纳养分以降低养分的流失。③果园-茭白田组合：把果园（猕猴桃）产生的地表径流纳入周围的茭白田中，通过水田消纳养分以降低养分的流失。④桑园-水田组合：把桑园/果园产生的地表径流纳入周围的水田中，通过水田消纳养分以降低养分的流失。⑤果园-荷塘组合：把果园（桃）产生的地表径流纳入周围的荷塘中，通过荷塘消纳养分以降低养分的流失。用于本试验的茭白田、水田、荷塘土壤（或底泥）中养分水平较低，其施肥水平也较低。

每一类源汇型景观组合模式实施效果验证试验各由A、B、C等3块农田组成（表1），A为地表径流中污染物浓度较高的污染源农田/农地（即文中指的“源”），利用方式为蔬菜地或桑园/果园；B为污染物“汇”农田（即水田、茭白田或荷塘）；试验中，农田A和农田B位置相邻，农田A产生的地表径流直接用PVC管导入农田B中（图1）。农田C为对照农田，位于农田B附近，利用现状、性状及施肥与农田B相同，用于检测无农田A污染物导入情况下“汇”农田的养分流失情况。试验观察期间不改变农田肥料施用，所有农田均按当地习惯施肥，施用肥料均为化肥。对试验期间3 a肥料调查统计（表1），蔬菜地、果园和桑园年化肥用量分别为846～858、634～723 kg/hm2和 476 kg/hm2；水田和茭白田年化肥用量分别为457～505、215～255 kg/hm2，荷塘不施肥。

表1 试验农田基本情况Table 1 Basic information of the experimental farmland

图1 供试源汇型景观组合模式Fig.1 Source-sink landscape combination patterns for the test

试验时农田B和C适当加高田埂高度（5 cm），防止田内水从非排水口溢出。分别在农田A连接农田B的接口处、农田B的排水口和农田C的排水口设有流量计，记录排水和进水的流量；为了便于不同面积大小田块间排水量的比较，文中排水量/径流量用累计深度（mm）表示。在排水期间采样分析排水中污染物量（包括泥砂量、总磷量、总氮量和可溶性磷量、氮量）的动态变化。泥砂、总磷、总氮和可溶性磷、可溶性氮浓度采用常规分析方法测定[16]。根据检测结果，计算各源汇型景观组合系统对泥砂量、总磷量、总氮量和可溶性磷量、氮量的减排效果，计算以对照农田C为参照。计算式为：减排比例（%）=[1-（农田B污染物流失量-（农田C污染物流失量×农田B面积/农田C面积）/农田A污染物流失量）]×100。上式中污染物量是由多次（每年3～11次取样）观察的加权平均值（以每次的排水量作为加权参数）。除果园-荷塘景观组合试验点观察时间为 2 a（2015—2017年）外，其他4种模式观察点持续观察时间均为3 a（2014—2017年）。

2 结果与分析

2.1 蔬菜地-茭白田组合

由表2可知，由于蔬菜地（田块A）径流排入茭白田（田块B），从茭白田（田块B）排出的径流量有所增加，一般都高于对照农田（田块C），3 a的观察结果基本一致，高出值为13～34 mm，平均为21 mm，但此高出值明显小于从田块A进入田块B的径流量。同时，从田块B排出水中泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量均比对照（田块C）有所增加，分别高出10～30、0.02～0.04、0.01～0.02、0.20～0.84、0.07～1.48 mg/L，平均分别为20、0.03、0.01、0.52、0.97 mg/L。蔬菜地-茭白田组合后，原蔬菜地（田块A）向环境排放的泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量第1年分别减少91.18%、91.54%、92.06%、86.63%、86.12%；第2年分别减少96.98%、94.79%、96.47%、91.96%、91.81%；第3年分别减少98.17%、96.62%、98.30%、95.30%、94.54%，减排效果非常显著。

2.2 蔬菜地-水田（双季稻）组合

与蔬菜地-茭白田组合相似，蔬菜地-水田组合后，从水田（田块B）中排出的径流及养分也发生了一定的增加（表3），从田块B排出的径流量高出对照62～156 mm，平均为118 mm，远高于蔬菜地-茭白田系统，其原因可能与水田耗水量低于茭白田有关。同时，从田块B排出的泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量均比对照（田块C）有所增加，分别高出30～50、0.03～0.04、0.04～0.05、2.04～2.40、0.41～1.11 mg/L，平均分别为40、0.03、0.04、2.18、0.84 mg/L；除可溶性氮外，均高于蔬菜地-茭白田系统。蔬菜地-水田组合后，泥砂、总磷、可溶性磷、总氮、可溶性氮排放量第1年分别减少73.98%、76.22%、76.62%、67.57%、78.23%；第2年分别减少72.13%、85.20%、73.66%、74.11%、76.34%；第3年分别减少78.59%、85.04%、76.92%、75.80%、75.94%，减排比例低于蔬菜地-茭白田系统。

表3 蔬菜地-水田组合农田排水中泥砂、磷和氮质量浓度Table 3 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from vegetable field-paddy field combination

2.3 桑园-水田组合

桑园-水田组合中（表4），从水田（田块B）排出的径流量高出对照（田块C）49～189 mm，平均为101 mm。同时，从田块B排出的泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量均比对照（田块C）有所增加，分别高出10～40、0.01～0.03、0.01～0.04、0.73～2.21、0.07～1.43 mg/L，平均分别为20、0.03、0.03、1.53、0.69 mg/L。排出径流量的差异与蔬菜地-水田相似，但泥砂与养分的变化更接近蔬菜地-茭白田组合。桑园-水田组合后，泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量排放第1年分别减少73.70%、79.17%、83.09%、70.27%、73.74%；第2年分别减少81.64%、86.64%、85.37%、77.46%、76.88%；第3年分别减少89.21%、89.33%、88.24%、83.92%、78.95%，减排效果界于蔬菜地-水田组合与蔬菜地-茭白田组合之间。

表4 桑园-水田组合农田排水中泥砂、磷和氮质量浓度Table 4 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from mulberry-paddy field combination

2.4 果园-茭白田组合

果园-茭白田景观组合中（表5），从水田（田块B）排出的径流量高出对照（田块C）-7～15 mm，变化较小，平均只有4 mm，原因是果园进入水田的径流量较低。同时，从田块B排出的泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量均比对照（田块C）有所增加，分别高出20～80、0.02～0.06、0.02～0.05、0.45～1.57、0.40～1.98 mg/L，平均分别为40、0.04、0.04、1.64、1.12 mg/L。与桑园-水田组合相比，所有污染物的浓度增值都有所增加。果园-茭白田组合后，泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量排放第1年分别减少93.31%、90.20%、89.71%、92.90%、91.85%；第2年分别减少87.12%、90.52%、84.52%、90.42%、82.25%；第3年分别减少95.10%、94.70%、92.78%、93.64%、94.94%，高于桑园-水田组合和蔬菜地-水田（双季稻）组合。

表5 果园-茭白田组合农田排水中泥砂、磷和氮质量浓度Table 5 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from orchard- Zizania latifolia field combination

2.5 果园-荷塘组合

果园-荷塘组合中（表6），从荷塘（田块B）排出的径流量高出对照（田块C）0～5 mm，平均只有2.5 mm，变化较小，原因是荷塘蓄水量大，通常不进行排水。同时，从荷塘（田块B）排出的泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量均比对照（田块C）有所增加，分别高出20～60、0.04～0.05、0.02～0.03、1.91～2.34、0.65～1.22 mg/L，平均分别为40、0.04、0.02、2.13、0.94 mg/L。与果园-茭白田组合相比，排水中可溶性磷量和可溶性氮量的增值有所下降，总氮有所增加，而泥砂量和总磷量基本相似。果园-荷塘组合后，泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量排放第1年分别减少99.78%、99.68%、99.55%、99.71%、99.75%；第2年分别减少100%、100%、100%、100%、100%，可有效地把养分滞留在荷塘中。

表6 果园-荷塘组合农田排水中泥砂、磷和氮质量浓度Table 6 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from orchard-lotus pond combination

2.6 不同源汇型农作组合削减养分流失的效果比较

5种源汇型农作组合均可有效降低农田泥砂和养分的流失。与经“汇”处理前的“源”农田比较，源汇型农作组合后农田泥砂和养分流失削减比例均在70%以上，平均以总磷量、可溶性磷量的削减比例最高，分别为90.63%和89.14%；其次为泥砂量削减比例，平均为88.72%；总氮量和可溶性氮量的削减比例相对稍低，分别为86.64%和86.75%；总氮量和可溶性氮量削减比例稍低可能与水体中氮的溶解度较高有关。5种源汇型农作景观组合对降低农田泥砂和养分流失的效果也有一定的差异，与经“汇”处理前的“源”农田比较，以果园-荷塘组合最高，泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量减排比例依次为99.89%、99.84%、99.78%、99.86%、99.88%；其次为蔬菜地-茭白田组合，泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量减排比例依次为95.44%、94.32%、95.61%、91.30%、90.82%；蔬菜地-水田（双季稻）组合、桑园-水田组合、果园-茭白田组合的污染物削减效果相对较低。以上源汇型农作组合对降低农田泥砂和养分流失效果的差异与“汇”型农田的种类有关，以荷塘者效果最佳；其次为茭白田，而水田相对稍低。源汇型农作组合对养分的减排比例随“汇”型农田年化肥用量减少而增加，随“汇”型农田蓄水容量增加而增加，蓄水容量一般是荷塘最大，其次为茭白田，水田较小。

3 讨论

3.1 源汇型农作组合削减养分流失的机理分析

以上试验结果表明，5种源汇型农作组合对农田总氮量、总磷量、可溶性氮量的减排比例分别为67.57%～100%、76.22%～100%、73.74%～100%，这些减排比例高于文献报道的人工湿地对养分的减排比例。例如，潘傲等[17]研究的表面流人工湿地对地表水中总氮、总磷、氨氮的去除率分别为53.67%～80.30%、32.97%～55.77%和45.53%～80.95%。王沛芳等[18]通过对农田退水净污湿地的水质净化效果的监测表明，湿地对稻田退水中总氮、总磷和氨氮的去除率平均值分别为60.95%、72.62%和65.97%。马玉等[19]采用表流湿地-潜流湿地组成的复合人工湿地系统地表径流中总氮、总磷、NH3-N的去除率分别为54.37%、56.16%、69.94%。张红燕等[20]设计的一套水平潜流-表流复合人工湿地对微污染水体中全氮、总磷和NH4+-N的平均去除率分别为62.09%、37.50%和56.16%。陈帆帆等[21]采用沉水植物表面流湿地和挺水植物表面流湿地2种盐沼湿地对长江口近岸低污染水体进行脱氮除磷效能的研究表明，对总磷的去除率分别为66.4%和55.5%。本文中源汇型农作组合降低地表径流中总氮和总磷的效果好于人工湿地，其原因可能与汇型农田中生长的植物密度较高且作为汇的农田面积规模也相对较大等有关。植物密度及汇面积较大，消纳的氮、磷数量也较多，因此养分的减排量也较多[22]。

源汇型农作组合对污染物削减的因素大致包括减少排水和对污染物的吸收、吸持2个方面，从本试验结果来看，通过减少农田排水对农田养分减排的贡献非常明显，蔬菜地-茭白田、蔬菜地-水田、果园-茭白田、桑园-水田和果园-荷塘等组合中排水减排比例平均分别达88.65%、55.86%、70.97%、89.06%和99.88%，其中，源汇型农作组合中的“汇”型农田-荷塘与茭白田，需水量很大，并同时具有停留和消耗水分等2个方面的功能，因此用荷塘与茭白田作为汇的源汇型农作组合中对污染物的削减比例均较高。李玉凤等[23]利用多水塘系统截留降水径流，减少流域非点源污染物的输出也主要基于这个原理。源汇型农作组合对污染物削减的机理可归纳为：①通过水稻、茭白、荷塘湿地系统贮蓄地表径流，大大减少雨期的排水，作为非汛期水稻、茭白生长所需水分；这在一定程度上可降低稻田和茭白田灌水量；源汇型农作组合对消减排水的作用远比一般的湿地明显。②增加径流在农田中的滞留，并通过作物吸收、土壤吸附/生物化学作用降低田面水中养分和泥砂的量[24]。由于湿地系统水体流动性较小，从“源”型农田流出的排水进入“汇”农田时，多数处于静水状态，大大促进了泥砂的沉积，相应地泥砂中的磷也随之沉积[24]；而可溶性磷和氮主要通过生物吸收和“汇”型农田土壤对磷的吸附作用而下降[25]。而正是由于多数土壤对磷的吸附固定高于氮素，故“汇”型农田系统对磷的削减一般高于氮的削减。王沛芳等[18]通过对农田退水净污湿地的水质净化效果的监测也表明，湿地对稻田退水中总磷去除率高于总氮。

3.2 源汇型农作景观组合控制农田养分流失技术的适用性分析

农田系统中各生产单元是属于养分“源”还是养分“汇”是一个相对概念。一般来说，施肥量高、位置相对较高、通过地表径流排出农田的水量较大者属于养分“源”，相反，施肥量低、位置低洼、通过地表径流排出农田的水量较小的属于养分“汇”[26]。对浙江等地的调查表明，农田系统中的养分“源”和养分“汇”可根据土地利用方式作大致划分，集约经营的各类蔬菜地、各类果园、桑园、雷竹园及其他特种经济作物生产区均可归为养分“源”；而荷塘（包括莲塘、藕塘）、茭白田、慈菇田、化肥用量较低的水田都可归为养分“汇”。我国东部及南方地区分布有较多的荷塘、茭白田、慈菇田、水田，这些农田可看作人工湿地，可与蔬菜地、果园、桑园、雷竹园及其他特种经济作物生产区等产生潜在养分“源”的农田组合，来循环利用蔬菜地、果园等排放的水分和养分，可实现农田系统中氮、磷的减量排放。但从实际应用来看，养分“源”农田与养分“汇”的组合还需满足两者位置相邻，并且养分“源”农田的位置略高于与养分“汇”农田，这样可通过自流方式（不需要额外的投入）即可实现水分和养分循环、消纳的目的。由于源汇型农作景观组合控制农田养分流失这一技术主要是通过排水循环来实现养分循环[27]，所以这一技术主要适用于降水量较高的地区，特别是这些地区的雨季。

源汇型农作景观组合系统中源汇农田的面积配比还需要考虑“汇”型农田的蓄水容量[13]。据对浙江省多地典型“源”农田的年排水情况及“汇”型农田的蓄水容量的对比分析，以荷塘、茭白田、水田（包括慈菇田）为“汇”的源汇农田的面积合适比例大致为5～8∶1、4～6∶1和2～4∶1；对养分的削减效果可随“源”与“汇”农田组合比例的降低而提高。