稻田排水晒田及降雨径流的氮素流失特征

邓秋宏，樊 敏，朱静平

（西南科技大学环境与资源学院/低成本废水处理技术四川省国际科技合作基地，四川 绵阳 621010）

随着点源污染逐步得到有效控制，目前，农业面源污染已逐渐成为影响全球水环境质量的主要因素［1］。中国2019年生态环境状况公报显示，在107个监测营养状态的湖泊（水库）中，90.7%的湖泊存在不同程度的营养化问题［2］。而据估计，中国流入河、湖中的氮素约有60%来自化肥［3］。化肥有效成分的流失是水体污染的主要来源，而造成农田面源污染的主要原因之一就是稻田径流氮素流失［4］。近年来，关于稻田径流氮素流失规律的研究受到广泛关注。王小治等［5］的研究发现，稻田氮磷流失量与其施用量呈显著正相关，合理地减量施肥能有效降低氮磷流失风险。黄满湘等［6］的研究显示，在模拟降雨的试验中，施氮肥后若遇暴雨，以水溶态流失的氮可以占所有流失氮总量的50%～60%。张鸿睿［7］研究了稻田田面水氮素动态变化以及径流流失情况，发现施氮后若发生降雨，则氮素的流失程度与径流发生时距离施肥日期的时间长短有关，时间越近流失程度越大。段然等［8］的研究证实降雨径流对稻田氮素损失的影响主要与施肥时间间隔有关。

由于农业面源污染过程受气象、水文、土壤等诸多复杂因素的影响，具有较强的区域性特点［9］，因此，针对不同地域的种植习惯和环境条件进行农田面源污染研究具有重要意义。然而，目前关于农田面源污染的研究大部分是针对长三角、洱海、太湖周围的农田，关于四川省稻田径流氮素流失特征的研究却鲜有报道。四川受地形地貌影响，水稻常临河、湖种植，农田退水及雨水径流增加了氮素流失的风险，对周围水环境存在潜在的污染影响。本研究以四川某水稻田试验基地为依托，采用不同施肥量的大田为研究对象，考察排水晒田及雨季径流引起的氮素流失特征，以期为该区域农业面源污染的防控提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验基地概况

试验基地位于四川绵阳涪城区，该区域属于北亚热带山地湿润季风气候区，受地貌影响，降水丰沛，年均降水量为825.8～1 417 mm，暴雨以及连续降雨时期多集中在7、8月，极易引起稻田径流。试验区土壤为紫色土，土壤有机质含量24.51 g/kg、全氮1.02 g/kg、全磷0.71 g/kg、速效氮76.30 mg/kg、速效磷35.20 mg/kg。

1.2 试验方法与设计

在水稻生长的整个周期中（2020年5月10日至9月19日），通过监测水稻生长期间的田面水位、日降雨量和降雨后径流液中三氮浓度的变化，探明不同施肥方式下稻田氮素流失规律，并估算氮素流失量。

1）试验稻田设计。采用田间小区试验方式，每个小区面积15 m×9 m，设单独的排水口和灌水口。每种处理设3次重复，随机区组设计。小区之间用高10 cm、宽20 cm的水泥埂隔开，以减少田块间水的串流。田面水深超出田埂高度时即视为形成径流。

2）施肥管理。试验所采用的氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。其中基肥施肥方式为均匀撒施后翻耕，施肥时间5月10日；追肥施肥方式为撒施表面，追肥分2次进行，第1次追肥时间为拔节抽穗前期（7月26日），第2次追肥时间为拔节抽穗后期（8月6日），2次追肥施肥量相等。

试验共设4个不同氮肥施用量水平，具体施肥情况如表1所示。

表1 不同田间试验小区的施肥方案

3）水分管理。水稻种植期间采用间歇灌溉的方式，田面水一般维持在2 cm以上，晒田后灌水以及田面无明水时通过管道灌溉自来水。

1.3 采样和测量方法

1）田面水样。水稻返青期及拔节孕穗期施肥后，连续7 d每天采集田面水样1次，此后每3～5 d取1次样，并在降雨径流产生前后采集田面水样。采样方法为多点混合采样，采用医用注射器吸取中上层稻田水，不扰动土层。

2）径流水样。在田边固定径流收集桶，通过径流桶对径流液进行收集。

3）降雨量测量。将雨量筒固定放置在试验田边，测量每天降雨量。

4）田面水深测量。采用刻度尺测量多处田面水深，取平均值。

1.4 水样测定方法

TN：碱性过硫酸钾分光光度法；NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法。

1.5 径流流失量计算方法

式中，C为径流水氮素浓度（mg/L）；Q为氮素径流流失量（kg/hm2）；S为田块面积，均为0.013 5（hm2）；V为径流量体积（m3）。

2 结果与分析

2.1 径流易发期降雨场次统计

试验期间降雨径流共3次，产流日期分别为7月30日（第1次追肥后第3天）、8月12日（第2次追肥后第5天）以及8月16日（第2次追肥后第9天）。排水晒田以及降雨产流情况见表2。

降雨是产生地表径流的主要原因［10］，降雨量和田面水深是影响径流发生次数和径流量大小的重要因素。由表2分析可知，第1、第3次径流前的田面水深分别为90、95 mm，但因第3次降雨量较第1次降雨量小，第3次径流量仅为4.06 m3，为第1次径流量的66.78%。由此可见，田面水深接近的情况下，产生的径流量随降雨量的增加而增加。

表2 试验期间降雨产流情况

第3次径流产生时的日降雨量最小，仅为35.1 mm，但由于其降雨前田面水深为3次径流中最高，达到95 mm，因此，稻田产生了径流且径流量高于第2次，达到4.06 m3。由此说明，田面水深对于径流产生与否以及径流量大小的影响不可忽视。

综上分析，控制灌溉频次及水量、加深田埂高度可控制田面水深，从而有效减少稻田产流发生次数及产流量。

2.2 降雨后径流水中氮素流失浓度分析

排水晒田及3次降雨产生的径流液中NH4+-N、NO3--N、TN的浓度如表3所示。在3次降雨径流中，同一降雨条件下，径流液中NH4+-N、NO3--N、TN的平均浓度均随不同试验小区间施肥量的增加而增加；同一试验小区施肥量相同的情况下，不同降雨时期也会对径流液中-N、NO3--N、TN浓度变化产生影响。在3次降雨径流产生后，第1次径流（施肥后第3天）时各施肥小区径流液中TN平均浓度维持在9.450～13.520 mg/L，第2次径流（施肥后第5天）时各施肥小区径流液中TN平均浓度降至4.300～6.170 mg/L，而第3次径流（施肥后第9天）时各施肥小区径流液中TN平均浓度仅为1.920～2.810 mg/L。相关研究结果表明［11-13］，尿素施入稻田水体后，TN和NH4+-N浓度均在施肥后第1天达到峰值，NO3--N浓度在第2～3天达到峰值，之后逐渐下降并趋于稳定，由此说明越接近施肥日期，田面水氮素浓度越高，径流液中氮素浓度也越高。由表3可知，各施肥小区降雨径流液中氮素浓度随施肥后时间的延长呈下降趋势，与上述研究结论相符合。

表3 排水晒田及3次径流液中NH4+-N、NO3--N、TN的浓度

在排水晒田和3次降雨径流中，排水晒田由于距离施肥时间较长，各施肥小区田面水中NH4+-N、NO3--N、TN浓度均与对照组接近，且TN浓度低于中国《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》Ⅴ类水中TN的标准限值（2 mg/L），NH4+-N浓度低于Ⅲ类水中NH4+-N标准限值（1 mg/L）。3次径流发生时由于接近施肥日期，第1、第2次径流时施肥小区径流液中NH4+-N、TN浓度均超过Ⅴ类水中NH4+-N、TN的标准限值，其中NH4+-N最高浓度为12.000 mg/L、TN最高浓度为13.520 mg/L。由此说明产流时间接近施肥日期，将会大大增加氮素流失的风险，对受纳水体水质造成一定的威胁。

2.3 排水晒田及降雨径流氮素流失形态分析

不同的降雨时期以及施肥量差异会对出流液中氮素流失形态变化产生影响。排水晒田及3次降雨径流中NH4+-N、NO3--N与TN的浓度比如图1所示。

由图1分析可知，各施肥小区产流液中TN的氮素流失形态主要以NH4+-N、NO3--N为主，且（NH4+-N+NO3--N）/TN的值随着施肥量的增加而增大。各施肥小区3次径流中NH4+-N为最主要的氮素流失形态，占TN的20%～90%，而NO3--N仅 占TN的5%～20%。3次径流中以第1次径流时NH4+-N占TN的比值最大，为70%～90%，随着降雨时间与施肥时间间隔的增加，第2、第3次径流时NH4+-N占TN的 比值大幅降低。排水晒田产流中NO3--N占TN的比值均大于NH4+-N，为20%～50%，而NH4+-N仅 占TN的10%～20%。从表3中排水晒田前以及径流前后田面水氮素浓度可以看出，排水晒田时由于距离施肥时间较长，水体中大部分NH4+-N发生硝化反应转化为NO3--N，导致田面水中NO3--N浓度高于NH4+-N。而3次径流发生时接近施肥日期，施入水中的尿素除以氨挥发、地下淋溶等方式损失或被作物吸收外，尿素施入水体后大部分以NH4+-N的形式存在于田面水中，田面水NH4+-N浓度均显著高于NO3--N，因而径流液中NH4+-N占TN的比值更大。石丽红等［14］关于稻田氮磷径流损失的研究结果表明，NH4+-N和NO3--N是TN径流损失的主要形态，水稻生长前期以NH4+-N为主，后期以NO3--N为主，与本试验研究结果相符。

图1 排水晒田及3次降雨径流中NH4+-N、NO3--N与TN的占比

2.4 排水晒田及降雨径流的三氮径流流失量估算和比较

排水晒田及3次降雨径流所产生的三氮径流流失量见表4。由表4分析可知，不同施肥量试验小区径流所产生的NH4+-N、NO3--N、TN流失量均随施肥量的增加而增加，且随着降雨径流时间距离施肥日期的推移，3次径流中各施肥小区所产生的NH4+-N、NO3--N、TN流失量大小均为第1次径流＞第2次径流＞第3次径流。宋娅丽等［15］研究表明，施氮后1周是防止氮素大量流失的关键时期，这也从本研究中得到证实。相较3次径流而言，第1次径流时T0、T1、T2、T3 4个试验小区产生的NH4+-N、NO3--N、TN流失总量最大，由于该次径流产生时降雨量达到55 mm，产生了6.08 m3的径流水量，且第1次径流最接近施肥日期，田面水中各氮素浓度较高，因此，T0、T1、T2、T3 4个试验小区产生的TN流失量之和达到16.280 kg/hm2，显著高于后2次径流。随着降雨径流距离施肥的时间间隔增加，氮素径流流失量逐渐减少。第2次径流发生于施肥后第5天，降雨量达到53 mm，尽管降雨时间与降雨量均接近于第1次径流，但由于降雨前田面水深的差异，导致径流量最小，仅3.11 m3。因此第2次径流时，T0、T1、T2、T3 4个试验小区产生的TN流失量之和仅为3.990 kg/hm2，远低于第1次径流时的对应值。第3次径流发生于施肥后第9天，虽然产流量达到4.06 m3，但由于此时田面水中氮素浓度均大大降低，因此，4个试验小区径流液中TN流失总量为3次径流中最小的。由此说明，施肥量、降雨径流量和降雨径流距离施肥日期的时间间隔是影响氮素径流损失的主要因素。

表4 排水晒田及3次径流液中三氮的径流流失量

本研究中排水晒田和降雨径流所产生的TN流失量之和为24.380 kg/hm2。其中T0、T1、T2、T3 4个小区排水晒田引起的TN总流失量为1.550 kg/hm2，占TN流失量之和的6.36%；3次降雨径流引起的TN总流失量为22.830 kg/hm2，占TN流失量之和的93.64%。可见，降雨径流是导致氮素地表流失的主要途径，因此，在防控面源污染时应重点关注自然降雨条件下稻田径流情况。

3 小结

1）降雨量和田面水深是影响径流量大小的重要因素。田面水深接近的条件下，径流量随降雨量的增加而增加。降雨量一定的条件下，降雨前田面水越深，径流量越大。

2）降雨量相同的条件下，径流水中三氮浓度均随施肥量的增加而增加。施肥量相同的条件下，径流时距离施肥时间越短，径流液中三氮浓度越高。降雨径流中NH4+-N最高浓度为12.000 mg/L、TN最高浓度为13.520 mg/L，均高于中国《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》Ⅲ类水中NH4+-N、TN的标准限值（1 mg/L），对受纳水体水质安全造成一定的威胁。

3）各施肥小区产流液中TN的氮素流失形态主要以NH4+-N、NO3--N为主。其中，排水晒田TN流失以NO3--N为主，为20%～50%；3次降雨径流中TN流失以NH4+-N为主，占TN的20%～90%。4）本研究4个试验小区的排水晒田和降雨径流所产生的TN流失量之和为24.380 kg/hm2，降雨径流是主要的氮素流失途径，其中，由降雨径流引起的TN流失量为22.830 kg/hm2，占TN流失量之和的93.64%。