农村生活再生水灌溉调控对稻田养分的影响

2022-04-25陈苏春胡静博肖梦华胡秀君

排灌机械工程学报 2022年4期

陈苏春，胡静博，肖梦华，胡秀君

(1. 永康市水资源供水管理中心，浙江永康321300； 2. 杭州萧山水利水电勘察设计有限公司，浙江杭州311200； 3. 浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院)，浙江杭州310020；4. 浙江水利水电学院浙江水利与海洋工程研究院，浙江杭州310018)

目前，发达国家和中国北方地区围绕城市污水利用丰富经验，将城镇生活用水、工业废水用于农田灌溉、城镇杂用、工业以及景观用水等，较少涉及农村生活污水资源化利用.PEREIRA 等[9]对再生水和地下水分别灌溉柑橘引起土壤氮素的变化进行研究，发现再生水灌溉有效提高了土壤矿质氮含量(NH4+-N，NO3--N).LU等[10]研究了滴灌条件下灌溉水质对土壤氮素分布的影响，发现再生水灌溉提高了0～40 cm土壤NH4+-N浓度，但40 cm以下土壤没有发生NH4+-N累积，NO3--N浓度随深度有增大趋势.CHEN等[11]研究发现再生水灌溉增加了土壤养分含量，且随再生水灌溉时间的增长，土壤质量的改善效果越明显.大部分研究表明再生水灌溉可以促进作物生长[12-13]，且未显著影响作物品质[14-15]，保障了作物安全.

已有研究主要通过比较不同水质灌溉调控对作物生长特性的影响，间接确定不同来源氮素对作物生长有效性的影响，但对农村生活污水灌溉利用研究较少.文中以耗水需求较大的南方水稻作为研究对象，研究农村生活污水灌溉调控对稻田养分的影响，研究成果对于深刻认识农村生活污水灌溉调控影响稻田氮素利用效率、土壤供氮能力的微观机制及高效安全的灌排调控机制等关键理论和技术具有重要的理论意义和现实意义.

1 研究区域与试验方法

1.1 试验区概况

本试验于2020年5月至2020年11月在浙江省金华节水型试点试验基地开展，试验地位于金华市永康市舟山镇集镇区舟三村(120°10′E，28°48′N)，属低山丘陵，雨量充沛，年内降雨分布不均匀，年平均降水量为1 787 mm.研究区域共建有27个水稻标准试验小区(规格20 m×5 m)，采用管道输水灌溉，试验区域已建有一座收集人数为4 500人、设计规模为400 m3/d的生活污水处理站.本研究采用的农村生活污水水源，处理工艺采用二级生物处理工艺(一级处理为常规工艺，二级处理采用改良A2O工艺)，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级A标准.试验小区土壤理化性质如表1所示，表中h为土层深度，EC为土壤电导率；w(TN)，w(TP)分别为全氮和全磷质量分数；w(OM),w(NH4+-N),w(NO3--N)分别为有机质、铵态氮和硝态氮含量.

表1 试验小区土壤基本物理性质

1.2 试验设计

1) 灌溉水源：试验小区设置3种灌溉水源，分别来自污水处理站一级出水R1、二级出水R2、舟山溪水(河道清水)R3，通过3座简易潜水泵提水灌溉.试验期间水质指标状况统计见表2，各指标均达到灌溉水质标准(GB 5084—2005).农村生活污水(R1，R2)污染物含量以COD，NH4+-N为主，且浓度明显高于河道清水R3.

表2 试区灌溉水源水质描述统计

2) 水位调控模式：文中共设置3种水位调控方式，分别为低水位调控W1、中水位调控W2和高水位调控W3，每个处理3个重复，各个生育期严格按照田间水位控制标准进行灌溉调控，W1，W2，W3水位调控灌溉水量分为200，220，400 mm.田间水位控制标准见表3.

表3 田间水位控制标准

3) 施肥方式采用常规施肥水平：各处理施肥方式与施肥量一致，采用基肥+追肥方式，其中基肥于6月25日施入，为200 kg/ha复合肥.100 kg/ha尿素，追肥于7月12日施入，为250 kg/ha复合肥.

4) 试验设计：共设计9个处理，3个重复，共27个小区，水稻试验区田间布置示意图如图1所示.

图纸会审工作对工程质量有着直接影响，要引起足够的重视。在审查过程中，一定要注意细节方面，避免出现的错误，将所有问题都解决掉，真正意义上做到万无一失。过程中要做好记录，发现其中存在不足地方，便于后期的完善，从而提高图纸的科学合理性，为施工提供正确的指导，确保在工期之内完成。另外造价预算也是很重要的，制定一份详细计划，对资金进行合理分配，保证发挥出有效的作用，防止前期投入过多，后期施工出现麻烦等问题。会审人员要认真负责，树立起求真务实的态度，再小的问题都要处理，为施工开展做好充足的准备。

图1 试验区布置示意图

1.3 测定指标及方法

在施肥前后及水位调控期间每隔15～30 d分别对0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm土层进行取样，同时，在各生育期始末分别取样.土壤氮素含量采用氯化钾溶液提取-分光光度法测定0～20 cm，20～40 cm土层含量，有机质含量采用重铬酸钾-硫酸法测定0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm土层含量.

1.4 数据处理及分析

试验数据用Microsoft Excel 2017系统软件进行整理，SPSS 19.0软件统计分析差异性，LSD法进行显著性检验，显著性水平为P<0.05.

2 结果与分析

2.1 稻田养分变化

2.1.1 稻田NH4+-N含量变化

不同水源灌溉调控下稻田NH4+-N变化如图2所示.可以看出，3种灌溉模式下，随着调控水位增高，NH4+-N含量呈现递增趋势，这是由于随着调控水位增加，灌溉水量增加，由再生水带入稻田氮素增加，总体而言，各层土壤NH4+-N含量因植物吸收利用、土壤矿化、氮素硝化等各项损失随时间递减，但在8月16日出现最大值，这主要是因为8月7日出现特大暴雨，雨水将河流中杂物冲积到稻田，使得土壤有机质含量增多，在土壤微生物作用下，使得土壤NH4+-N含量增加，之后被植物吸收利用，NH4+-N含量随之下降，3种灌溉模式下降幅度分别为47.1%，68.0%，55.2%.同一种灌溉模式，0～20 cm土层NH4+-N含量略大于20～40 cm土层，但差异并不明显，原因可能是NH4+离子带正电，易被土壤带负电胶体吸附滞留土壤表层，难以随水流下渗而向土壤深层移动.不同水源灌溉处理土壤NH4+-N含量差异明显，0～20 cm土层，R1水源下NH4+-N峰值(最大值)与R2和R3灌溉水源相比分别高33.6%和8.3%，可见一级再生水灌溉对表层土壤NH4+-N含量增加较为明显.

2.1.2 稻田NO3--N含量变化

不同水源灌溉调控下稻田NO3--N变化如图3所示.

可以看出，不同灌溉模式下稻田NO3--N含量变化随时间递减，3种灌溉模式NO3--N含量下降幅度分别为90.7%，87.1%，91.4%.相同灌溉模式，20～40 cm土层NO3--N含量略大于0～20 cm土层，原因可能是NO3-离子带负电，不易被土壤带负电胶体吸附滞留土壤表层，容易随水流下渗而向土壤深层移动，产生淋溶损失.

此外，20～40 cm土层NO3--N含量下降幅度(96.1%)高于0～20 cm土层(86.2%).对比分析3种水源对水稻田NO3--N含量剖面变化，发现稻田NO3--N含量剖面变化因植物吸收利用及反硝化、淋溶等作用随时间递减，3种水源灌溉处理下降幅度分别为86.0%，84.8%，88.2%.同一种灌溉模式下，20～40 cm土层NO3--N平均含量为0.352 mg/kg，0～20 cm土层NO3--N平均含量为0.235 mg/kg，20～40 cm土层NO3--N含量明显高于0～20 cm土层，幅度为33.2%，表明NO3--N具有向深层土层淋失的风险.

2.1.3 稻田有机质变化

不同水源灌溉调控下稻田有机质(OM)变化如图4所示.可以看出，3种灌溉模式水稻全生育期土壤有机质含量呈现波动变化.W1，W2，W3灌溉模式下稻田0～20 cm土层有机质平均含量分别为24.25，29.91，31.54 g/kg.相较于W1，W2增加23.3%，相较于W3增加30.1%；20～40 cm土层平均有机质含量分别为19.68，23.34，24.29 g/kg，相较于W1，W2增加18.6%，相较于W3增加23.4%.3种水源模式下水稻整个生育期0～20 cm土层有机质平均含量分别为26.99，29.62，29.09 g/kg；20～40 cm土层有机质平均含量分别为21.63，22.02，23.66 g/kg，灌溉水源对土壤有机质分布的差异性影响并不具有统计学意义.0～20 cm土层有机质含量大于20～40 cm土层有机质含量，主要原因是20～40 cm土层为水稻根系活动范围，受植物生长发育需要，土壤微生物活动强烈，有机质分解快.

图4 不同水源灌溉调控下稻田有机质变化

2.2 生育期前后稻田养分变化

2.2.1 生育期前后稻田氮素变化

不同水源灌溉调控下水稻生育期始末土壤氮素w(N)变化如图5所示.中低水位下(W1和W2)一级再生水(R1)灌溉40～60 cm土层NH4+-N含量升高，其余土层均降低，且0～20 cm土层变化最大，分别下降了78.2%和61.3%，而高水位下(W3)各土层NH4+-N含量均略有升高.R2水源灌溉各土层NH4+-N含量均下降，W1和W2水位调控下0～20 cm土层变化最大，W3水位调控下60～80 cm土层下降最多，降幅为96.8%.R3水源灌溉0～60 cm内各土层NH4+-N含量降低，60～80 cm土层W1时降低，W2和W3时增加.可见与河道水灌溉相比，再生水灌溉条件下土壤NH4+-N含量波动较大，而高水位调控一级再生水中污染物含量较高，导致各土层NH4+-N含量升高.与NH4+-N变化相比，土壤中NO3--N含量较低且波动较小，R1灌溉下0～20 cm土层NO3--N含量随着水位升高而逐渐增加；20～40 cm土层均有升高，且与0～20 cm土层一致，随水位升高增幅逐渐变大，40～60 cm土层，各水位下增幅相差不大，60～80 cm土层NO3--N含量均下降，可见一级再生水灌溉和水位调控对土壤上层NO3--N增加影响较大.R2水源灌溉，W1和W2各土层NO3--N含量下降，W3则增加，且40～60 cm土层含量增加幅度最大.R3灌溉条件，40～60 cm土层NO3--N含量变化最大且均有所增加，这是由于淋溶作用，NO3--N随水分向下迁移，更易在土壤深层累积.

图5 不同水源灌溉调控生育期前后稻田氮素变化

2.2.2 生育期前后稻田有机质变化

不同灌溉水源和水位调控条件下水稻生育期始末稻田土壤有机质质量含量w(OM)变化如图6所示.

图6 不同水源灌溉调控生育期前后稻田有机质变化

对W1水位调控而言，灌溉后0～20 cm土层有机质含量均下降，20～40 cm土层除R2外，R1和R3灌溉下有机质含量降低.40～60 cm土层有机质含量R1明显升高，R2和R3下降，60～80 cm土层有机质含量分别升高了2.1倍、2.0倍、1.4倍，因此低水位下再生水灌溉明显提高了深层土壤有机质含量，R1比R2效果更显著.W2水位调控下，灌溉后0～20 cm和60～80 cm土层土壤有机质含量均升高，W3水位下灌溉后R1处理0～20 cm和60～80 cm土层有机质含量升高，R2和R3则下降，其中60～80 cm土层R1灌溉后有机质含量是灌溉前的2.1倍，增幅最明显，因此各种不同水位调控下一级再生水灌溉对土壤深层有机质含量增加最为有利，这可能与灌溉水中较高的COD含量有关，一级再生水灌溉土壤中的生物活性较大.对同一种灌溉水源，R1条件下0～20 cm土层土壤有机质含量随水位升高增幅逐渐增大，R2和R3条件下0～20 cm土层有机质含量只在W2水位条件下增加，其余则降低；R1灌溉条件下20～40 cm土层土壤有机质含量均降低，R2只在W2时降低，R3仅在W2时增加；R1灌溉条件下40～60 cm土层土壤有机质含量均增加，R2和R3在W3调控条件下降低.

2.2.3 稻田养分变化影响分析

不同灌溉水源和水位调控对稻田养分变化的影响分析见表4.方差分析结果表明，不同水位调控和灌溉水源对各土层内NH4+-N含量变化影响均不具有统计学意义；不同水位调控对60～80 cm土层NO3--N变化影响具有统计学意义(P<0.05)，其余土层内水位和水源条件对NO3--N含量变化影响均不具有统计学意义.水源条件对0～20 cm土层土壤有机质含量影响具有统计学意义(P<0.05)，水位影响及二者相互间作用不具有统计学意义.其余土层内不同水位调控和水源对有机质变化影响均不具有统计学意义.

表4 不同水源和水位调控对稻田养分变化的影响分析

2.3 对水稻产量的影响

不同水源灌溉调控下水稻产量Y变化如图7所示.各处理相比，W1调控下，R2实际产量最高，W2调控下，R1实际产量最高，W3调控下，R1实际产量最高，可见再生水灌溉能显著提高水稻产量.3种水位调控下R1和R2平均实际产量分别比R3高14.3%和12.6%.对同一种水源而言，R1条件下随着水位升高，产量明显升高，R2和R3条件下则相反，均为低水位下产量最高.R1水源灌溉条件下水稻平均产量比R2和R3灌溉分别高1.5%和14.3%，可见再生水灌溉具有显著的增产效益.再生水中含有丰富的氮、磷、有机物，可以有效提高土壤缓冲性能及土壤肥力，因此，再生水灌溉对作物生长有一定促进作用.不同水位调控下水稻平均产量从大到小依次为W1，W2，W3，其中W1比W2和W3分别高2.9%和3.6%，因此过高的水位不利于水稻产量形成，这可能是由于高水位抑制了土壤和根系透气性，进而抑制水稻产量.