王 梅，周 偉，高世凱，郭 蓉，俞雙恩

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高校灌排與農(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.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

旱澇交替脅迫對(duì)稻田地表及地下水總磷的影響

王 梅1，2，周 偉3，高世凱1，2，郭 蓉1，2，俞雙恩1，2

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高校灌排與農(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.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

通過(guò)蒸滲測(cè)坑對(duì)水稻拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期2個(gè)重要生育期進(jìn)行水位調(diào)控試驗(yàn)，研究單個(gè)生育階段旱澇交替脅迫及2個(gè)生育階段連續(xù)旱澇交替脅迫的稻田地表水、地下水總磷(TP)質(zhì)量濃度變化。結(jié)果表明：旱澇交替脅迫對(duì)稻田地表水、地下水TP質(zhì)量濃度變化影響顯著，先旱后澇處理地表水的平均TP質(zhì)量濃度比先澇后旱處理地表水TP質(zhì)量濃度高，且P釋放量下降速率快；地下水各處理受澇階段的平均TP質(zhì)量濃度比受旱階段高，旱澇急轉(zhuǎn)后TP質(zhì)量濃度顯著增加；與單個(gè)生育期進(jìn)行旱澇交替脅迫處理相比，連續(xù)2個(gè)生育期進(jìn)行旱澇交替脅迫處理時(shí)抽穗開(kāi)花期TP質(zhì)量濃度變化規(guī)律相似，但地表水平均TP質(zhì)量濃度偏低，地下水平均TP質(zhì)量濃度偏高。

稻田水位調(diào)控試驗(yàn)；旱澇交替脅迫作用；水稻拔節(jié)孕穗期；水稻抽穗開(kāi)花期；稻田地表水；稻田地下水；TP質(zhì)量濃度

水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為全球關(guān)注的問(wèn)題，磷素是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化重要的主導(dǎo)因子之一[1]。地表徑流是磷素主要的流失途徑[2]，已經(jīng)成為南方地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源[3]。近幾年的研究表明，農(nóng)田長(zhǎng)期大量施用磷肥，導(dǎo)致耕層磷素大量累積，也會(huì)引發(fā)較強(qiáng)的淋溶損失[4]。南方地區(qū)水稻生長(zhǎng)期與雨季重合，為提高雨水利用效率，減少灌溉排水成本，農(nóng)民往往利用稻田調(diào)蓄雨水，使水稻經(jīng)受一定的澇漬脅迫；長(zhǎng)時(shí)間不降雨又不能及時(shí)灌溉時(shí)水稻會(huì)遭受干旱脅迫，因此水稻在大田生長(zhǎng)期經(jīng)常受到旱澇交替脅迫的影響[5]。季亞輝等[6]研究表明，水稻隨著淹水深度的增加，單位面積釋放的TP越多。孫亞亞等[7]研究表明，增加蓄水深度，延遲排水，可以減少土壤磷素?fù)p失。黃榮等[8]研究表明，暴雨前田面保持一定水深可以降低雨滴濺蝕減少土壤磷素?fù)p失，田面水層深度與雨后地表水TP質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Xiao等[9]研究表明，水稻淹水初期田面水磷負(fù)荷較高，隨著淹水時(shí)間的增加，呈降低的趨勢(shì)。邵園園[10]研究表明：在地下水位相同時(shí)，水稻分蘗期、拔節(jié)孕穗期地下水TP質(zhì)量濃度隨著受旱歷時(shí)的延長(zhǎng)而降低，抽穗開(kāi)花期則隨著受旱歷時(shí)的延長(zhǎng)而增加，乳熟期影響不顯著；受旱歷時(shí)相同時(shí)，分蘗期、拔節(jié)孕穗期地下水TP質(zhì)量濃度隨著地下水位降低而降低，抽穗開(kāi)花期與乳熟期規(guī)律則相反。以往的研究多是針對(duì)單一受澇或單一受旱條件下稻田水磷素的濃度變化，特別是受澇條件下的研究較多，但是對(duì)旱澇交替脅迫下稻田水磷素變化規(guī)律的研究涉及較少。已有研究表明[11]，農(nóng)田水位不僅能準(zhǔn)確反映稻田的水分狀況，還能更好地反映田面水層自然消退和旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)的突變過(guò)程。因此，利用農(nóng)田水位作為控制灌排的調(diào)控指標(biāo)，開(kāi)展旱澇交替脅迫對(duì)稻田水TP質(zhì)量濃度的影響研究，對(duì)合理制定稻田水位調(diào)控方案，控制灌溉排水標(biāo)準(zhǔn)，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 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)于2015年5—10月在河海大學(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)室江寧校區(qū)節(jié)水園區(qū)內(nèi)進(jìn)行。節(jié)水園區(qū)位于北緯31°86′、東經(jīng)118°60′，屬亞熱帶濕潤(rùn)性氣候區(qū)，年均氣溫15.7 ℃，年均降雨量1 021.3 mm，年均蒸發(fā)量900 mm，日照時(shí)數(shù)2 212.8 h，年均無(wú)霜期237 d。區(qū)內(nèi)設(shè)有32個(gè)固定式蒸滲儀(有底28個(gè)、無(wú)底4個(gè))，分為2組，每組16個(gè)，每個(gè)蒸滲儀的規(guī)格為2.5 m×2 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)，地下設(shè)有廊道和設(shè)備間，地上設(shè)有移動(dòng)式雨棚，為了準(zhǔn)確控制農(nóng)田水位，降雨時(shí)關(guān)閉雨棚。測(cè)坑內(nèi)土壤為黏壤土，0～30 cm土壤密度1.46 g/cm3，田間持水率25.28%，總孔隙度44.97%，有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))2.19%，pH為6.97，全氮、速效氮、全磷、速效磷質(zhì)量比分別為0.91 g/kg、27.65 mg/kg、0.32 g/kg、12.5 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試的水稻品種為南梗9108，5月13日育秧，6月16日移栽。共施肥3次，基肥為復(fù)合肥(N、P、K質(zhì)量比為15∶15∶15)，分蘗肥與穗肥為尿素(含氮量質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)，施肥量分別為900 kg/hm2、100 kg/hm2、50 kg/hm2，施肥時(shí)間分別為6月13日、6月28日、8月18日。在拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期單個(gè)生育階段與拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期連續(xù)2個(gè)生育階段進(jìn)行先旱后澇、先澇后旱2種控制灌排試驗(yàn)，試驗(yàn)在有底測(cè)坑內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。先旱后澇處理，控水開(kāi)始自然耗干田面水層直到地下水埋深達(dá)到設(shè)定的下限值后立即灌水至淹水上限值，之后不補(bǔ)水，讓其自然消退至控制灌排的適宜灌水下限，先澇后旱各處理，控水開(kāi)始灌水至淹水上限，然后讓其自然消退，直到受旱下限，再灌水至該生育期灌水適宜上限，其他時(shí)間段按照控制灌溉要求進(jìn)行水位管理。田面有水層時(shí)保持2 mm/d的田間滲漏量，田面無(wú)水層時(shí)滲漏量為0 mm/d。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

1.3 水質(zhì)分析及數(shù)據(jù)處理

地表水按照取水間隔(淹水第1天、第3天、第5天)在不擾動(dòng)土壤層情況下，采用50 mL醫(yī)用注射器，隨機(jī)抽取測(cè)坑內(nèi)中部地表水，注入塑料瓶；地下水按照取水間隔(控水第1天、第3天、第5天、第6天、第8 天、第10 天)采集地下排水的尾水，注入塑料瓶。稻田水TP質(zhì)量濃度測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法，測(cè)定儀器為島津紫外分光光度儀uv 2800。

利用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，利用SPSS 13.0軟件進(jìn)行顯著性分析，利用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

注：HL指先旱后澇，LH指先澇后旱；數(shù)字正值為田面淹水深度，負(fù)值為地下水位距田面的距離；GX指灌水適宜下限，GS指灌水適宜上限，RY指降雨時(shí)允許蓄水深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單個(gè)生育期旱澇交替脅迫TP質(zhì)量濃度變化

2.1.1 地表水TP質(zhì)量濃度變化

拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期稻田地表水TP質(zhì)量濃度和P釋放量變化見(jiàn)圖1?？厮畷r(shí)間分別為7月29日至8月7日、8月24日至9月2日，2個(gè)生育期先旱后澇處理下的地下水位分別于8月3日、8月20日達(dá)到-50 cm，此時(shí)進(jìn)行旱澇急轉(zhuǎn)。拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期各處理的TP質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)相似，淹水第1天TP質(zhì)量濃度都較高，這是因?yàn)楣嗨畬?duì)土壤表層擾動(dòng)，使顆粒態(tài)磷含量增加，隨著淹水時(shí)間的增加各處理TP質(zhì)量濃度逐漸減小，這與懸浮物的逐漸沉淀以及作物的吸收有關(guān)。先旱后澇處理平均TP質(zhì)量濃度較先澇后旱處理高，且淹水第1天HL1處理TP質(zhì)量濃度較LH1處理提高了44%，HL2處理TP質(zhì)量濃度較LH2處理TP質(zhì)量濃度提高了61%，這是因?yàn)楦珊党跗诤醚跷⑸锟焖偕L(zhǎng)，使磷富集在增長(zhǎng)的微生物群落中，進(jìn)一步干燥時(shí)微生物死亡，再次復(fù)水時(shí)微生物吸收利用的磷被釋放出來(lái)[12]，這與張志劍等[13]及Lauren等[14]的研究結(jié)論相似。先旱后澇處理P釋放量[15]較先澇后旱大，這可能與旱后復(fù)水水稻的補(bǔ)償機(jī)制有關(guān)。郭相平等[16]研究表明，旱后復(fù)水，水稻根系進(jìn)一步延伸，數(shù)量增加，受旱時(shí)消失的浮根復(fù)水后加速生長(zhǎng)，吸水吸肥能力增加。

圖1 單個(gè)生育期地表水TP質(zhì)量濃度和P釋放量變化Fig. 1 Changes of TP mass concentration and phosphorus release amount in surface water during individual growth stages

2.1.2 地下水TP濃度變化

拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期稻田地下水TP質(zhì)量濃度變質(zhì)量化見(jiàn)圖2。LH1、LH2處理TP濃度整體呈下降趨勢(shì)，一方面因?yàn)樗咎幱跔I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，根系分布在土壤下層的比例增加，根系吸收磷素能力提高；另一方面因?yàn)檠退筮m度旱脅迫可以改善土壤還原狀況，減輕還原物質(zhì)對(duì)根系的毒害，促進(jìn)了根系吸收能力。HL1、HL2處理受旱階段TP質(zhì)量濃度變化幅度不大，旱澇急轉(zhuǎn)后TP質(zhì)量濃度增加，在第3天達(dá)到最大值后濃度降低，這是因?yàn)槌掷m(xù)性干旱使土壤縫隙變大，復(fù)水后在土壤優(yōu)勢(shì)水流作用下[17]，順著土壤縫隙補(bǔ)充地下水，懸浮于水中或溶解到水中的磷不易被土壤吸附，使地下水TP質(zhì)量濃度增大，這也是先旱后澇TP平均質(zhì)量濃度較先澇后旱處理高的原因。LH1、LH2處理受旱階段平均TP質(zhì)量濃度分別較HL1、HL2受澇階段平均TP質(zhì)量濃度低62%、44%，HL1、HL2處理受旱階段平均TP質(zhì)量濃度分別較LH1、LH2受澇階段平均TP濃度低38%、26%，一方面因?yàn)檠退A段較高的地上P素向下淋溶，另一方面因?yàn)槌掷m(xù)性淹水使土壤處于厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致土壤氧化還原電位值降低，PH上升，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，結(jié)合態(tài)P轉(zhuǎn)換為溶解態(tài)P釋放，土壤供磷能力增加[18]。

圖2 單個(gè)生育期地下水TP質(zhì)量濃度變化Fig. 2 Change of TP mass concentration in subsurface water during individual growth stages

2.2 連續(xù)2個(gè)生育期旱澇交替脅迫稻田地表水、地下水TP質(zhì)量濃度變化

連續(xù)2個(gè)生育期地表水TP質(zhì)量濃度和P釋放量變化見(jiàn)圖3。拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期控水時(shí)間分別為7月29日至8月7日、8月24日至9月2日，2個(gè)生育期先旱后澇處理下的地下水位分別于8月3日、8月20日達(dá)到-50 cm，此時(shí)進(jìn)行旱澇急轉(zhuǎn)。HL3、LH3處理抽穗開(kāi)花期地表水的TP質(zhì)量濃度隨著淹水時(shí)間的增加逐漸降低，HL3處理P釋放量減小速率較LH3處理快，淹水第1天TP質(zhì)量濃度都很高，HL3處理較LH3處理TP質(zhì)量濃度提高了45%，這與單個(gè)生育期抽穗開(kāi)花期TP質(zhì)量濃度變化規(guī)律相似。HL3、LH3處理抽穗開(kāi)花期地表水平均TP質(zhì)量濃度分為0.044 mg/L、0.037 mg/L，與抽穗開(kāi)花期單個(gè)生育期旱澇交替脅迫處理相比平均TP濃度分別降低了54%、41%，這是因?yàn)檫B續(xù)的旱澇交替促使田面逐漸形成一層保護(hù)層，灌水對(duì)土層的擾動(dòng)減小，TP質(zhì)量濃度減小。

連續(xù)2個(gè)生育期地下水TP質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖4。LH3處理抽穗開(kāi)花期TP質(zhì)量濃度呈下降的趨勢(shì)，HL3處理受旱階段TP質(zhì)量濃度下降但波動(dòng)不大，旱澇急轉(zhuǎn)后TP質(zhì)量濃度增加并在淹水第3天達(dá)到了最大值，后TP質(zhì)量濃度逐漸下降，HL3、LH3處理受澇階段平均TP質(zhì)量濃度較受旱階段高，這與單個(gè)生育期抽穗開(kāi)花期TP質(zhì)量濃度變化規(guī)律相似。HL3、LH3處理抽穗開(kāi)花期平均TP質(zhì)量濃度分別為0.063 mg/L、0.060 mg/L，與單個(gè)生育期抽穗開(kāi)花期旱澇交替脅迫處理下平均TP質(zhì)量濃度相比分別提高了27%、44%，這是因?yàn)檫B續(xù)的旱澇交替可以促進(jìn)土壤磷素的釋放與下滲[19]。

圖3 連續(xù)2個(gè)生育期地表水TP質(zhì)量濃度和P釋放量變化

Fig. 3 Changes of TP mass concentration and phosphorus release amount in surface water during two consecutive growth stages

圖4 連續(xù)2個(gè)生育期地下水TP質(zhì)量濃度變化Fig. 4 Change of TP mass concentration in subsurface water during two consecutive growth stages

2.3 旱澇交替脅迫對(duì)稻田地表水、地下水TP質(zhì)量濃度影響分析

用SPSS軟件進(jìn)行水稻旱澇交替脅迫對(duì)拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期單個(gè)生育期與連續(xù)2個(gè)生育期中抽穗開(kāi)花期稻田地表水、地下水TP質(zhì)量濃度影響顯著性分析(P<0.05)，結(jié)果表明，先旱后澇處理、先澇后旱處理對(duì)拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期單個(gè)生育期，以及連續(xù)2個(gè)生育期中抽穗開(kāi)花期稻田地表水、地下水TP質(zhì)量濃度變化影響顯著。稻區(qū)農(nóng)田水體總磷易誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的臨界值為0.035～0.100 mg/L[20]，由表2可知各處理均存在誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的危險(xiǎn)，特別要注意的是旱后復(fù)水的水體排放。

表2 旱澇交替脅迫下稻田地表水、地下水平均TP質(zhì)量濃度

注：H指控水受旱階段，L指控水受澇階段。

3 結(jié) 論

a.單個(gè)生育期旱澇交替脅迫各處理地表水TP濃度淹水第1天較高，先旱后澇處理平均TP質(zhì)量濃度較先澇后旱處理高，且淹水第1天HL1處理TP質(zhì)量濃度較LH1處理提高44%，HL2處理TP質(zhì)量濃度較LH2處理TP質(zhì)量濃度提高了61%，因此宜盡量避免淹水初期地表的排水，特別是旱后淹水的即時(shí)排放。

b.單個(gè)生育期旱澇交替脅迫各處理地下水平均TP質(zhì)量濃度受澇階段較受旱階段高，旱澇急轉(zhuǎn)后地下水TP質(zhì)量濃度顯著增加，在第3天達(dá)到最大值。旱澇交替脅迫各處理均存在誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的危險(xiǎn)，特別是旱澇急轉(zhuǎn)后TP質(zhì)量濃度最高，需采取合理控制排水措施，避免面源污染的發(fā)生。

c.與單個(gè)生育期進(jìn)行旱澇交替脅迫處理相比，連續(xù)2個(gè)生育期進(jìn)行旱澇交替脅迫處理時(shí)抽穗開(kāi)花期TP質(zhì)量濃度變化規(guī)律相似，但地表水平均TP質(zhì)量濃度偏低，地下水平均TP質(zhì)量濃度偏高。

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Influence of alternative stress of drought and waterlogging on total phosphorus concentration in surface and subsurface water of paddy field

WANG Mei1，2，ZHOU Wei3，GAO Shikai1，2，GUO Rong1，2，YU Shuang’en1，2

(1.KeyLaboratoryofEfficientIrrigation-DrainageandAgriculturalSoil-WaterEnvironmentinSouthernChina，MinistryofEducation，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；3.CollegeofWaterConservancyandArchitecturalEngineering，NorthwestAgricultureandForestryUniversity，Yangling712100，China)

Through water level control tests in two important growth stages of rice，the jointing-booting and heading-flowering stages，the change of total phosphorus (TP) mass concentration in surface and subsurface water of a paddy field were studied using lysimeters under alternative stresses of drought and waterlogging (ASDW) in individual stages and two consecutive growth stages. The results show that ASDW had a significant influence on the change of TP mass concentrations in surface and subsurface water of a paddy field，the TP mass concentration in surface water with the treatment of waterlogging after drought was much higher than it was with the treatment of drought after waterlogging，and the declining rate of phosphorus release amount was faster. The mean TP mass concentration in the waterlogging phase was higher than in the drought phase with all treatments of subsurface water. The TP mass concentration increased significantly after the abrupt alternation from drought to waterlogging. Compared with that during the individual growth stages with the treatment of ASDW，the change of TP mass concentration in the heading-flowering stage during the two consecutive growth stages with the treatment of ASDW was similar，the mean TP mass concentration in surface water was lower，and the mean TP mass concentration in subsurface water was higher.

paddy field water level control experiment； drought and waterlogging alternative stress； jointing-booting stage of rice； heading-flowering stage of rice； surface water of paddy field； subsurface water of paddy field； TP mass concentration

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.01.009

2016-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(51479063)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2015B34614)

王梅(1988—)，女，云南昭通人，博士研究生,主要從事水稻灌排理論與節(jié)水灌溉研究。E-mail:1120422537@qq.com

俞雙恩,教授。E-mail:seyu@hhu.edu.cn

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-1980(2017)01-0063-06