邵園園,俞雙恩,孫雪梅

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇南京 210001;3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

淹水條件下滲漏強(qiáng)度對(duì)稻田TP濃度的影響

邵園園1,2,俞雙恩1,3,孫雪梅1,3

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇南京 210001;3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

通過蒸滲測(cè)坑進(jìn)行淹水稻田不同滲漏強(qiáng)度控制試驗(yàn),研究水稻各生育階段中不同滲漏強(qiáng)度下地表水及地下水TP濃度變化。結(jié)果表明:稻田灌水?dāng)_動(dòng)田表土壤顆粒,加速了土壤磷的釋放,是淹水過程中地表水TP濃度升高的主要原因,尤其在田表面沒有形成板結(jié)層之前,灌水或降雨會(huì)使土壤磷顆粒大量析出;淹水3—5d后,由于沉淀作用,地表水TP濃度明顯降低;滲漏強(qiáng)度對(duì)淹水前期稻田地表水TP濃度影響較為顯著,對(duì)地下水TP濃度影響不顯著。

水稻;滲漏強(qiáng)度;TP濃度;顯著性

隨著化肥農(nóng)藥的大量施用,農(nóng)田排水使農(nóng)田特征污染物進(jìn)入水體,導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化程度加劇。磷是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子[1],在非點(diǎn)源污染中,來自農(nóng)田系統(tǒng)的磷高達(dá)24.7%[2],農(nóng)田排水造成的磷損失已成為南方地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[3]。因此,開展淹水條件下不同滲漏強(qiáng)度對(duì)地表水、地下水TP濃度的影響研究,對(duì)合理制定稻田水位調(diào)控方案,最大限度地減少磷素對(duì)水體環(huán)境的污染具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2008年5月至10月在河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)節(jié)水與農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行。該試驗(yàn)場(chǎng)共有32個(gè)固定式蒸滲測(cè)坑(有底28個(gè),無底4個(gè)),每個(gè)蒸滲測(cè)坑的規(guī)格為2.5m×2m×2m(長×寬×高)。地面設(shè)有移動(dòng)式雨棚,地下設(shè)有廊道及設(shè)備間,每個(gè)有底的蒸滲測(cè)坑都與地下設(shè)備間內(nèi)對(duì)應(yīng)的水柱連通,可以實(shí)現(xiàn)地下水位自動(dòng)控制。在每個(gè)測(cè)坑中部埋設(shè)地下水觀測(cè)井,觀測(cè)井由一根直徑為4cm,長2.0m的PVC管制成,在下端1.5m長度內(nèi)用電鉆打間隔約3 cm、均勻交錯(cuò)分布的小孔,然后用土工布包裹,埋入測(cè)坑中已用土鉆鉆好的孔內(nèi),管口距地面約25cm,高出測(cè)坑上沿3～5cm。從地表向下20cm內(nèi)PVC管外壁與土壤緊密接觸,防止地表水沿外壁下滲。

蒸滲測(cè)坑內(nèi)土壤為黏壤土,由當(dāng)?shù)赝?002年分層回填密實(shí)。0～30cm土壤肥力均勻,田間持水率為25.28%,總孔隙度為44.97%,pH值為7.78,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.40%,全氮質(zhì)量比0.90g/kg,全磷質(zhì)量比0.32g/kg,速效磷質(zhì)量比12.50mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)種植的水稻品種為鎮(zhèn)稻99,5月4日泡種,5月6日育秧,6月26日移栽,10月7日收割。試驗(yàn)期間共施肥兩次,基肥(復(fù)合肥)在移栽前一天施入水中,每個(gè)蒸滲測(cè)坑施入600g,其中N 、P2O5、K2O 所占比例分別為15%、15%、15%;分蘗肥(尿素)于7月10日施入,每個(gè)蒸滲測(cè)坑施入65g。

試驗(yàn)在蒸滲測(cè)坑內(nèi)進(jìn)行,分別在水稻分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和乳熟期4個(gè)生育階段進(jìn)行淹水及不同滲漏強(qiáng)度控制試驗(yàn)(表1)。灌溉水源為試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的地下水,控水結(jié)束后將水層降至適宜水層上限。每個(gè)方案安排2個(gè)測(cè)坑試驗(yàn)。

1.2.2 水位控制、采樣及測(cè)定方法

淹水試驗(yàn)中,每天上午8:00觀測(cè)農(nóng)田水位深度,若觀測(cè)值低于設(shè)計(jì)淹水深度,則計(jì)算所需灌水量,由電磁閥自動(dòng)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉,使不同方案間的水位深度保持一致。在量測(cè)水位前,先標(biāo)定各測(cè)坑的地下水觀測(cè)井的管口到地表的高度,測(cè)定時(shí)用鋼尺測(cè)量管口到地下水面的距離,該距離減去相應(yīng)的管口高度即為該測(cè)坑的地下水深度。由于試驗(yàn)是在封閉的測(cè)坑中進(jìn)行,為了更好地模擬田間環(huán)境,各方案按設(shè)定的滲漏強(qiáng)度控制,通過測(cè)坑面積與滲漏強(qiáng)度的乘積來計(jì)算排水量,并由蒸滲測(cè)坑底部的排水管進(jìn)行控制排水。

在水稻各生育階段控水期間,每隔1天采集1次稻田地表及地下水樣,控水前、后各加測(cè)1次。取地表水水樣時(shí),用50mL醫(yī)用注射器,隨機(jī)抽取蒸滲測(cè)坑內(nèi)4處表層水樣,注入塑料瓶;取地下水樣時(shí),從地下廊道排出的滲漏水中采集水樣,注入塑料瓶。水樣取后24h內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析,水樣中TP濃度采用過硫酸鉀消解法、鉬銻抗分光光度法測(cè)定[4],測(cè)定儀器為島津紫外分光光度儀UV2800。

表1 淹水條件下不同滲漏強(qiáng)度方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各生育階段地表水TP濃度的變化

分蘗期地表水TP濃度變化見圖1。隨著控水歷時(shí)的延長,TP濃度先上升后下降,在控水后期又有所回升。7月15日灌水至設(shè)計(jì)淹水深度,因灌水對(duì)田面土壤的擾動(dòng),引起土壤顆粒懸浮于水中[5],同時(shí)淹水使土壤氧化還原電位降低,與磷酸根離子結(jié)合的高價(jià)鐵被還原為低價(jià)鐵,磷酸亞鐵的溶解度較高,增加了磷的有效性,因此方案1,2的地表水TP濃度均有所上升,在控水3d后,方案1和方案2的TP濃度達(dá)到一個(gè)峰值?？厮衅?田表水層穩(wěn)定,被擾動(dòng)程度較小,懸浮于水中的泥顆粒逐漸沉入田表,地表水TP濃度持續(xù)下降。控水后期,田表水位有所降低,為滿足設(shè)計(jì)淹水深度要求,需要進(jìn)行補(bǔ)水,因而擾動(dòng)了水層,使一部分附著在土壤表層的磷釋放地表水中[6],導(dǎo)致地表水TP濃度回升。在整個(gè)淹水過程中,方案2的地表水TP濃度均大于方案1,造成這種現(xiàn)象的原因是,地表水進(jìn)入土壤強(qiáng)度較大,將土壤中的氣體強(qiáng)行排出,而帶出更多的土壤顆粒,使TP濃度提高。

圖1 分蘗期地表水總磷質(zhì)量濃度

拔節(jié)孕穗期淹水期間,方案3,4的地表水TP濃度變化見圖2,其變化趨勢(shì)是先上升后下降。控水前稻田表面沒有水層,8月6日灌水至設(shè)計(jì)淹水深度,雖然分蘗后期曬田使田表土壤板結(jié),但灌水仍會(huì)擾動(dòng)田表土壤,顆粒態(tài)磷懸浮于水中,同時(shí)由曬田到灌水的過程,使土壤與水層之間形成了一個(gè)干濕交替的環(huán)境,這種環(huán)境有利于促使難溶性磷轉(zhuǎn)化為可利用態(tài)磷[7-8],引起地表水TP濃度上升。控水3d后,TP濃度達(dá)到峰值,控水中后期,地表水層基本處于靜止?fàn)顟B(tài),懸浮的顆粒逐漸下沉,加之拔節(jié)孕穗期是營養(yǎng)生長和生殖生長同時(shí)進(jìn)行的時(shí)期,水稻生長發(fā)育旺盛,對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收都進(jìn)入最高峰,穗分化需要充足的養(yǎng)分,對(duì)磷的吸收明顯增多,所以地表水TP濃度迅速降低。在整個(gè)淹水過程中,方案4的地表水TP濃度大于方案3,造成這種現(xiàn)象的原因與分蘗期相似,主要是地表水進(jìn)入土壤強(qiáng)度大,將土壤中的微小顆粒交換出來,使TP濃度偏高。

圖2 拔節(jié)孕穗期地表水總磷質(zhì)量濃度

抽穗開花期淹水期間地表水TP濃度變化見圖3,其變化趨勢(shì)也是先上升后下降。8月21日,根據(jù)控水水位要求,灌水至田面水層為250mm,雖然該階段田表土層更加板結(jié),加之水稻植株茂盛,灌水對(duì)土壤的擾動(dòng)相對(duì)較小,但仍然會(huì)使土壤表面微小顆粒懸浮于水中,使地表水TP濃度有所增加,控水2—3 d后濃度達(dá)到峰值,只是濃度相對(duì)較低?？厮泻笃?地表水層基本處于靜止?fàn)顟B(tài),懸浮的顆粒逐漸下沉,地表水TP濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在整個(gè)淹水過程中,方案6的地表水TP濃度大于方案5,造成這種現(xiàn)象的原因與前兩個(gè)生育階段相似。

圖3 抽穗開花期地表水總磷質(zhì)量濃度

乳熟期淹水期間地表水TP濃度變化見圖4,其變化趨勢(shì)是先下降后略有上升。灌水前,方案7,8的地表水濃度均在0.05mg/L左右,灌水后由于水層增加使得測(cè)坑內(nèi)地表水量增加,稀釋了原地表水TP濃度,雖然灌水過程中擾動(dòng)土壤有部分磷析出,但析出數(shù)量還不足以使地表水TP濃度超過灌水前的濃度。隨著地表水的逐漸平靜,顆粒態(tài)磷逐漸下沉,TP濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定,到控水后期略有回升,是由于地表水消耗所導(dǎo)致。

圖4 乳熟期地表水總磷質(zhì)量濃度

2.2 各生育階段地下水TP濃度的變化

分蘗期地下水TP濃度變化見圖5。隨著控水歷時(shí)的延長,地下水TP濃度呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)?？厮跗?部分磷素與土壤中的Al、Fe、Ca等元素形成沉淀物,導(dǎo)致向下淋失的磷素較少,當(dāng)增大滲漏量時(shí),由于起到稀釋的效果,地下水TP濃度開始時(shí)略微有所下降?？厮泻笃诘叵滤甌P濃度有所增加,這是由于在淹水條件下,土壤中有機(jī)陰離子代換了部分被吸附的磷,土壤的固磷能力下降,從而使與之相結(jié)合的磷被釋放出來,不斷向下淋失。由于方案2的日滲漏強(qiáng)度較大,促使磷素在垂直剖面的遷移,向下淋失的磷素多于方案1,所以方案2的地下水TP濃度偏高。

圖5 分蘗期地下水總磷質(zhì)量濃度

圖6 拔節(jié)孕穗期地下水總磷質(zhì)量濃度

拔節(jié)孕穗期地下水TP濃度變化見圖6。淹水前由于稻田處于烤田狀態(tài),表面土層出現(xiàn)了一些收縮縫,灌水后稻田表面水層較深,地表水順著裂縫直接補(bǔ)充地下水,懸浮于水中或溶解在水中的磷不易被剖面土壤吸附,直接被縱向輸入到地下水中[9],導(dǎo)致地下水TP濃度持續(xù)增加?？厮泻笃?稻田表面的裂縫已經(jīng)消失,磷素向下遷移量有所減少,加之作物對(duì)磷的吸收增加,地下水TP濃度迅速降低。由于方案4的日滲漏強(qiáng)度大,其下滲過程中夾帶土壤顆粒的能力大,增加了溶解態(tài)磷隨水流向下運(yùn)移的幾率[10],所以方案4的地下水TP濃度始終高于方案3。

抽穗開花期地下水TP濃度變化見圖7。在控水開始時(shí)地下水TP濃度出現(xiàn)短暫上升,是由于設(shè)計(jì)的滲漏強(qiáng)度超過以前強(qiáng)度,突然增大的滲漏量會(huì)帶走土壤中更多的磷顆粒。隨著控水歷時(shí)的延長和滲漏量的穩(wěn)定以及作物根系對(duì)磷素的充分吸收,地下水TP濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定。由于方案6日滲漏強(qiáng)度較大,向下淋失的磷素量較多,導(dǎo)致方案6的地下水TP濃度略高于方案5。

圖7 抽穗開花期地下水總磷質(zhì)量濃度

乳熟期地下水TP濃度變化見圖8。整個(gè)乳熟期控水期間,地下水TP濃度變化趨勢(shì)較為平緩。這是由于在水稻生長末期長勢(shì)已經(jīng)基本穩(wěn)定,對(duì)磷素吸收量減少的同時(shí),磷素向下遷移量已基本穩(wěn)定,所以,乳熟期地下水TP濃度變化比較平穩(wěn)。

圖8 乳熟期地下水總磷質(zhì)量濃度

2.3 滲漏強(qiáng)度對(duì)TP濃度影響分析

水稻各生育階段地表水TP濃度(控水期間TP濃度平均值)是分蘗期大于拔節(jié)孕穗期大于乳熟期大于抽穗開花期,由于分蘗期田間水層深度較淺,地表水總磷濃度偏高,隨著作物吸收的影響,其余生育階段地表水TP濃度均低于分蘗期;地下水TP濃度(控水期間TP濃度平均值)是拔節(jié)孕穗期大于抽穗開花期大于分蘗期大于乳熟期,由于拔節(jié)孕穗期控水前的烤田狀態(tài)使部分磷直接輸入地下水,導(dǎo)致拔節(jié)孕穗期地下水TP濃度偏高,抽穗開花期地下水TP濃度略高于分蘗期,兩者差別不大;各生育階段滲漏強(qiáng)度為4mm/d的方案,其地表水、地下水TP濃度均不同程度地高于滲漏強(qiáng)度為2mm/d的方案。

運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行滲漏強(qiáng)度對(duì)TP濃度影響的單因素方差分析,分析結(jié)果見表2。由于地表水TP濃度變化幅度較大,將地表水TP濃度分為控水前5d、控水后5d、控水全期(10 d)3種情況進(jìn)行分析,分析結(jié)果顯示,控水前5 d,各生育階段滲漏強(qiáng)度對(duì)地表水TP濃度影響的顯著性水平均小于0.05,達(dá)到顯著水平;控水后5d,除乳熟期外,其他各生育階段滲漏強(qiáng)度對(duì)地表水TP濃度影響的顯著性水平均大于0.05,未達(dá)到顯著水平;控水全期,分蘗期和乳熟期滲漏強(qiáng)度對(duì)地表水TP濃度影響的顯著性水平小于0.05,達(dá)顯著水平,其他生育階段未達(dá)到顯著水平;各生育階段滲漏強(qiáng)度對(duì)地下水TP濃度影響的顯著性水平均大于0.05,未達(dá)到顯著水平。

由此可以說明,不同滲漏強(qiáng)度對(duì)地表水TP濃度的影響較為顯著,尤其是對(duì)控水前5d的地表水TP濃度影響較大;而由于磷素在土壤中移動(dòng)速度很慢,向下淋失量較小[11],不同滲漏強(qiáng)度對(duì)地下水TP濃度沒有顯著的影響。

表2 不同滲漏強(qiáng)度對(duì)地表水、地下水TP濃度影響的顯著性水平

3 結(jié) 論

a.稻田灌水?dāng)_動(dòng)田表土層,加速了土壤磷的釋放,是地表水TP濃度升高的主要原因,尤其是在田表面沒有形成板結(jié)層之前,灌水或降雨會(huì)使土壤磷顆粒大量析出。

b.淹水3—5d后,由于沉淀作用使地表水TP濃度明顯降低,因此在淹水不深的情況下,應(yīng)盡量延遲地表排水時(shí)間,減少P的流失。

c.不同滲漏強(qiáng)度對(duì)淹水前期稻田地表水TP濃度影響較為顯著,對(duì)地下水TP濃度影響不顯著。

d.分蘗期和拔節(jié)孕穗期在淹水前期地表水TP濃度較大,地下水TP濃度較低;抽穗開花期和乳熟期地表水TP濃度較低,地下水TP濃度較高。因此,控制磷污染的水稻控制排水策略應(yīng)是分蘗期和拔節(jié)孕穗期在淹水初期應(yīng)盡量避免地表排水,抽穗開花期和乳熟期則應(yīng)盡量避免地下排水。

e.本試驗(yàn)是在有底測(cè)坑內(nèi)進(jìn)行的,不同強(qiáng)度的滲漏量都能實(shí)現(xiàn),但是在大田條件下,由于犁底層的存在,往往較大的滲漏量很難實(shí)現(xiàn),在生產(chǎn)實(shí)踐中可以通過降低農(nóng)溝水位或劃破犁底層的辦法增加稻田滲漏量。

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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”國家科技支撐計(jì)劃(2006BAD11B06);國家自然科學(xué)基金(50839002)

邵園園(1986—),女,江蘇泰州人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與環(huán)境保護(hù)。E-mail:shaoyy820@163.com

俞雙恩(1961—),教授。E-mail:seyu@hhu.edu.cn

(收稿日期:2010-04-01 編輯:高渭文)