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(浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院 環(huán)境生態(tài)工程研究所，浙江 杭州 310058)

菜-稻耦合梯級消納氮磷模式研究

馮云鈺，羅龍?jiān)?，田光?

(浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院 環(huán)境生態(tài)工程研究所，浙江 杭州 310058)

菜-稻耦合；氮磷減排；產(chǎn)流；田面水；氮磷凈排量

農(nóng)業(yè)面源污染已成為水體污染、湖泊富營養(yǎng)化的主要原因，嚴(yán)重影響我國的水環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境健康[1]。農(nóng)業(yè)面源污染中，蔬菜種植帶來的污染問題越來越受到人們的關(guān)注。設(shè)施蔬菜因復(fù)種指數(shù)高、生長周期短、增收效益快等優(yōu)勢成為我國迅速發(fā)展的效益農(nóng)業(yè)。在實(shí)際生產(chǎn)中，菜農(nóng)為了追求產(chǎn)量和更高的經(jīng)濟(jì)效益，大水大肥的現(xiàn)象非常普遍。高強(qiáng)度的施肥、過量灌溉、強(qiáng)降雨等因素勢必導(dǎo)致設(shè)施蔬菜肥料利用率不高，造成氮磷等養(yǎng)分大量流失，增加了水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。

為了控制設(shè)施蔬菜高濃度氮磷流失帶來的水環(huán)境污染問題，近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注于設(shè)施蔬菜的水肥控制、種植制度優(yōu)化、填閑作物、生態(tài)攔截、應(yīng)用化學(xué)添加劑等技術(shù)的研究[4-6]。限于菜農(nóng)的經(jīng)濟(jì)條件和認(rèn)知水平，如果缺乏一定的資金支持、技術(shù)指導(dǎo)和風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償?shù)却胧?，改變傳統(tǒng)的耕作管理方式和采用新技術(shù)難度較大。生態(tài)攔截技術(shù)如緩沖帶、人工濕地等需要一定的農(nóng)田占地面積，建設(shè)和維護(hù)成本較大。章明奎等[5，7]提出的通過農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的土地利用配置(養(yǎng)分的源匯景觀結(jié)構(gòu))來控制農(nóng)業(yè)面源污染的思路，建設(shè)和投入成本低，對于在常規(guī)水肥管理下控制設(shè)施蔬菜氮磷流失具有一定的指導(dǎo)意義，但關(guān)于配置關(guān)系進(jìn)一步研究的報(bào)道很少。

稻田在降雨和灌溉產(chǎn)生農(nóng)田排水的情形下會造成氮磷的徑流流失，屬于地表水環(huán)境污染的源；但另一方面，稻田相當(dāng)于一個(gè)天然的濕地系統(tǒng)，在無農(nóng)田排水產(chǎn)生的情況下，通過對不同氮磷形態(tài)的利用、吸附、沉積等過程降低輸入氮磷的濃度，也可被認(rèn)為是地表水環(huán)境污染的匯[5，8-9]。本試驗(yàn)擬通過工程設(shè)計(jì)，將設(shè)施蔬菜排出的高氮磷出水用于稻田灌溉，構(gòu)建菜-稻耦合梯級消納氮磷模式，以提高養(yǎng)分的綜合利用效率，減少對水環(huán)境的污染負(fù)荷。在研究試驗(yàn)區(qū)設(shè)施蔬菜產(chǎn)流規(guī)律、稻田田面水氮磷動(dòng)態(tài)變化特征的基礎(chǔ)上，通過對不同面積匹配的菜-稻耦合模式氮磷凈排量估算，探討該耦合模式在常規(guī)水肥管理水平下實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜和稻田氮磷減排的可行性，并確定最佳的菜-稻耦合面積比例。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2016年4—7月在杭州市宇航夢園農(nóng)業(yè)科技有限公司老虎墩蔬菜基地(30°21′57″N，119°54′19″E)內(nèi)進(jìn)行，該蔬菜基地位于太湖苕溪流域杭州市余杭區(qū)瓶窯鎮(zhèn)，西臨羅家頭村，東連張堰村，南接漕橋溪，北靠北苕溪，占地面積100 hm2。該區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.4 ℃，年均降雨量1 398.3 mm，降雨主要集中在6—9月。

設(shè)施蔬菜大棚主要倒茬種植葉菜類蔬菜(試驗(yàn)期間種植菜心)，土壤類型為黃壤。單茬蔬菜種植周期約40 d，期間進(jìn)行1次施肥(平均施用復(fù)合肥489.75 kg N·hm-2)和2次灌溉(播種時(shí)和施肥時(shí))。稻田于2016年6月4日播種種植單季水稻，土壤為潴育水稻土。當(dāng)?shù)貑渭舅境Ｒ?guī)施肥3次(基肥44%，分蘗肥28%，穗肥28%，折純?yōu)?60 kg N·hm-2、73 kg P2O5·hm-2和73 kg K2O·hm-2)。土壤養(yǎng)分狀況見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

菜-稻耦合梯級消納氮磷模式包括2部分：一是設(shè)施蔬菜出水(包括徑流和側(cè)滲出水)氮磷收集儲存系統(tǒng)，二是稻田對菜地出水氮磷的利用系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地形，在設(shè)施蔬菜大棚地勢較低一端構(gòu)建收集池用于收集、儲存灌溉時(shí)產(chǎn)生的徑流水和側(cè)滲水。在稻田需水期，利用泵將收集池內(nèi)的水泵入稻田灌溉。稻田在強(qiáng)降雨情形下產(chǎn)生的徑流經(jīng)排水渠排入附近河流(北苕溪)下游。

表1 試驗(yàn)區(qū)域設(shè)施蔬菜大棚和稻田土壤養(yǎng)分狀況

Table 1 Soil nutrient status of greenhouse vegetables and paddy field

土壤SoilOM/(g·kg-1)TN/(g·kg-1)TP/(g·kg-1)AN/(mg·kg-1)AP/(mg·kg-1)AK/(mg·kg-1)pHVS16.190.720.81139.9969.19299.525.50PS16.772.300.32106.6915.36304.135.78

OM，有機(jī)質(zhì)；TN，全氮；TP，全磷；AN，堿解氮；AP，速效磷；AK，有效鉀；VS，菜地土；PS，水稻土。下同。

OM， Organic matter; TN， Total nitrogen; TP， Total phosphorus; AN， Available nitrogen; AP， Available phosphorus; AK， Available potassium. VS， Vegetable soil; PS， Paddy soil. The same as below.

為研究設(shè)施蔬菜產(chǎn)流規(guī)律，在蔬菜基地隨機(jī)選取3處試驗(yàn)大棚(編號分別為GV-1、GV-2、GV-3)，確定單茬蔬菜季播種和施肥時(shí)的灌溉量、徑流量和側(cè)滲量。灌溉量是通過單位時(shí)間單個(gè)噴頭產(chǎn)生的水量，依據(jù)大棚的噴頭個(gè)數(shù)和灌溉時(shí)間估算得來；徑流量和側(cè)滲量是通過在大棚末端分別建立徑流池和側(cè)滲池，依據(jù)池內(nèi)水深和池子尺寸計(jì)算確定。其中，在收集大棚側(cè)滲水時(shí)，本試驗(yàn)摒棄大棚四周原有溝渠，緊貼大棚建立新溝渠，并在新溝渠上方用一定厚度的薄膜傾斜蓋住新溝渠，從而避開雨水的干擾。

為考查水稻種植期間單茬蔬菜季內(nèi)菜-稻耦合模式氮磷減排的可行性并確定適宜的菜-稻面積比，根據(jù)設(shè)施蔬菜產(chǎn)流(以大棚GV-3作為試驗(yàn)稻田的耦合對象)和稻田灌溉需水的實(shí)際情況，在稻田試驗(yàn)區(qū)塊分別設(shè)置對照(T0，常規(guī)的河水灌溉)、1/3灌溉水用大棚出水替代(T1)、2/3灌溉水用大棚出水替代(T2)和全部灌溉水用大棚出水替代(T3)共4個(gè)處理，具體設(shè)計(jì)見表2。各處理均設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。稻田試驗(yàn)小區(qū)面積1.5 m×6 m。試驗(yàn)區(qū)域四周設(shè)置寬30 cm、高20 cm的保護(hù)行，試驗(yàn)小區(qū)間設(shè)置寬15 cm、高20 cm的隔離田埂并采用塑料膜包被，單排單灌，以阻隔小區(qū)間的側(cè)滲與串流。根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉水平，試驗(yàn)期間單茬蔬菜季內(nèi)對稻田試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行2次灌溉，單次灌溉量為150 L，利用設(shè)施蔬菜出水灌溉時(shí)，灌溉量不足150 L的試驗(yàn)小區(qū)以河水補(bǔ)給灌溉(對照組即非耦合模式下的稻田灌溉水全部來自上游河水)。

表2 菜-稻耦合模式試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

Table 2 Treatment of experimental plots

處理Treatment菜-稻面積比Arearatio灌溉量1Irrigationquantity1/L灌溉量2Irrigationquantity2/LT0—0300T11∶6100200T21∶3200100T31∶23000

灌溉量1中的水來自設(shè)施蔬菜出水，灌溉量2中的水來自河水。The water in irrigation quantity 1 was from greenhouse vegetable production， while the water in irrigation quantity 2 came from nearby river.

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 水樣的采集與分析

設(shè)施蔬菜大棚采集徑流水、側(cè)滲水和收集池(代表大棚出水)內(nèi)的水以及灌溉水，稻田分別采集施肥前和施肥后第1、2、3、5、7、9天的田面水水樣。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選5個(gè)樣點(diǎn)，用50 mL醫(yī)用注射器在不擾動(dòng)土層的情況下抽取田面水，注入250 mL采樣瓶中。水樣采集完后立即滴入濃硫酸2～3滴，帶回實(shí)驗(yàn)室放入4 ℃冰箱冷藏并編號、待測。

水樣測定指標(biāo)及測定方法包括：總氮——堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)；氨氮——水楊酸分光光度法(HJ 536—2009)；硝態(tài)氮——紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)；總磷和溶解態(tài)磷——鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)。

1.3.2 土樣的采集與分析

在設(shè)施蔬菜和稻田施肥前采集0～15 cm土層土樣，將各個(gè)采樣點(diǎn)位的土壤混勻后四分法取約1 kg土壤代表采樣單元并做好采樣記錄。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)風(fēng)干研磨過篩后，以待測定。

土樣測定指標(biāo)及測定方法包括：pH值，電位法；全氮，半微量凱氏法；堿解氮，堿解擴(kuò)散法；全磷，NaOH熔融—鉬銻抗比色法；速效磷，0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1H2SO4法；全鉀，NaOH熔融—火焰光度法；有效鉀，冷的2 mol·L-1HNO3溶液浸提—火焰光度法；有機(jī)質(zhì)，重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法。

1.3.3 設(shè)施蔬菜和稻田氮磷凈排量的估算

本試驗(yàn)條件下，設(shè)施蔬菜和稻田向地表水環(huán)境輸出的氮磷含量的估算公式如下：

對照(非耦合模式)氮磷凈排量=(稻田氮磷徑流流失量+菜地出水氮磷含量)-(稻田灌溉水氮磷含量+菜地灌溉水氮磷含量)；

菜-稻耦合模式氮磷凈排量=稻田氮磷徑流流失量-(菜地灌溉水氮磷含量+河水補(bǔ)給灌溉的氮磷含量)。

其中：稻田氮磷徑流流失量=∑(田面水氮磷平均濃度×采樣當(dāng)天平均降雨量×稻田試驗(yàn)小區(qū)面積×兩次采樣間隔時(shí)間)；菜地出水氮磷含量=收集池內(nèi)氮磷平均濃度×稻田試驗(yàn)小區(qū)來自菜地出水的灌溉量；菜地灌溉水氮磷含量=灌溉水氮磷平均濃度×(稻田試驗(yàn)小區(qū)來自菜地出水的灌溉量/單茬蔬菜季設(shè)施蔬菜排水率)。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施蔬菜產(chǎn)流規(guī)律

設(shè)施蔬菜單茬蔬菜季產(chǎn)流情況見表3。試驗(yàn)期間設(shè)施蔬菜播種時(shí)的平均灌溉量為65.32 mm，施肥時(shí)的平均灌溉量為35.73 mm。由于播種時(shí)采用“一次澆透”的漫灌方式，因此設(shè)施蔬菜產(chǎn)流多發(fā)生在播種時(shí)的灌溉期間，平均排水率為43.39%，帶走的養(yǎng)分較多。施肥時(shí)由于灌溉量較小，很少發(fā)生灌水外流，流失的養(yǎng)分較少。單茬蔬菜季總氮(TN)平均流失量為4.97 kg·hm-2，總磷(TP)平均流失量為0.42 kg·hm-2。

該蔬菜基地農(nóng)田排水不經(jīng)任何有效處理，直接由農(nóng)渠集中到主排水渠后排放至基地北側(cè)北苕溪中，使得設(shè)施蔬菜出水中的氮磷得不到有效利用，且增加了水環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)施蔬菜-稻田耦合梯級消納氮磷模式的構(gòu)建便是基于以下

考慮：一方面可循環(huán)利用設(shè)施蔬菜大棚灌溉時(shí)的產(chǎn)流，提高氮磷利用率；另一方面通過稻田濕地消納氮磷的作用，減少設(shè)施蔬菜和稻田向地表水環(huán)境排放的氮磷負(fù)荷。

2.2 稻田田面水氮素動(dòng)態(tài)變化特征

表3 設(shè)施蔬菜單茬蔬菜季產(chǎn)流情況

Table 3 The outflow situation of greenhouse vegetable in single crop season

大棚編號Greenhousesnumber播種期間Duringtheperiodofplanting灌溉Irrigation總量Total/mmTN/(kg·hm-2)TP/(kg·hm-2)徑流Runoff總量Total/mmTN/(kg·hm-2)TP/(kg·hm-2)側(cè)滲Lateralseepage總量Total/mmTN/(kg·hm-2)TP/(kg·hm-2)施肥期間Duringtheperiodoffertilization灌溉Irrigation總量Total/mmTN/(kg·hm-2)TP/(kg·hm-2)徑流Runoff總量Total/mmTN/(kg·hm-2)TP/(kg·hm-2)GV-141.470.700.095.571.520.1614.891.420.1832.990.660.110.050.020.004GV-241.470.700.094.922.170.1622.141.760.3831.800.640.100.050.020.005GV-3113.011.910.2411.305.400.236.302.500.0942.400.850.140.050.100.04

TN， 總氮TN, Total nitrogen圖1 田面水總氮濃度動(dòng)態(tài)變化

2.3 稻田田面水磷素動(dòng)態(tài)變化特征

試驗(yàn)期間各處理田面水TP濃度介于0.52～5.95 mg·L-1，平均1.89 mg·L-1；溶解態(tài)磷(DP)濃度介于0.18～4.49 mg·L-1，平均1.25 mg·L-1(圖2)。

TP， 總磷； DP， 溶解態(tài)磷TP, Total phosphorus; DP, Dissolved phosphorns圖2 田面水總磷和溶解態(tài)磷濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of tatal phosphorus and dissolved phosphorus concentration in surface water under different treatments

各處理稻田田面水TP和DP濃度變化趨勢一致，隨著6月28日復(fù)合肥的施用，田面水TP和DP濃度顯著升高，并在施肥后1 d內(nèi)達(dá)到峰值，之后隨著時(shí)間推移不斷下降，10 d后TP濃度下降至峰值的11.83%～28.44%，DP濃度下降至峰值的10.89%～32.18%。7月7日尿素的施用對各處理田面水TP和DP濃度影響不大。這與其他學(xué)者[15，18-20]關(guān)于稻田施肥后田面水TP和DP動(dòng)態(tài)變化的研究結(jié)果基本一致。磷肥施入稻田后快速水解釋放出有效磷，使田面水磷素濃度急劇升高，之后由于植株吸收、土壤吸附、磷素淋溶等原因，致使田面水磷素濃度不斷下降[18，20]。各處理間稻田田面水中磷素濃度變化的差異不明顯。

各處理間稻田田面水氮磷濃度變化的差異并不明顯，說明菜-稻耦合梯級消納氮磷模式并沒有影響稻田田面水氮磷濃度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。相較于河水(TN 2.01 mg·L-1、TP 0.24 mg·L-1)灌溉，設(shè)施蔬菜出水(TN 35.41 mg·L-1、TP 5.12 mg·L-1)灌溉向稻田輸入了大量高濃度氮磷，卻對稻田田面水氮磷濃度變化影響不大，說明稻田具有消納來水中高濃度氮磷的能力，菜-稻耦合梯級消納氮磷模式有助于降低設(shè)施蔬菜氮磷流失的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 不同面積比的菜-稻耦合模式氮磷凈排量估算

從表4可以看出，常規(guī)施肥水平下，菜-稻耦合模式相較于非耦合情形可實(shí)現(xiàn)減氮控磷的目的。當(dāng)菜-稻面積比為1∶3時(shí)，菜-稻耦合模式的氮磷減排效果最佳(氮磷減排比率分別為32.66%和37.72%)；當(dāng)菜-稻面積比為1∶6時(shí)，菜-稻耦合模式相較于非耦合情形雖然能有效控制磷素流失(TP減排42.47%)，但對于氮素流失的控制效果不明顯；菜-稻耦合的面積比例為1∶2時(shí)，大量含高濃度氮磷的菜地出水排入稻田，超過了稻田對來水的凈化能力，在強(qiáng)降雨情形下稻田氮磷通過徑流流失，稻田將從水體污染的匯轉(zhuǎn)為水體污染的源，從而影響菜-稻耦合模式整體的氮磷減排效果。

表4 單茬蔬菜季菜-稻耦合模式氮磷凈排量

Table 4 Nitrogen and phosphorus emissions under different treatments during single vegetable season

處理Treatment凈排量Emission/mgTNTP減排率Mitigationrate/%TNTPT050043.064432.90——T145914.692550.428.2542.47T233696.802760.8332.6637.72T333768.003135.3532.5229.27

3 小結(jié)與討論

菜-稻耦合梯級消納氮磷模式的設(shè)計(jì)與構(gòu)建基于2點(diǎn)：一是為了控制設(shè)施蔬菜常規(guī)水肥管理水平(大水大肥)下產(chǎn)生的高濃度氮磷的流失；二是利用了稻田可作為“上游”各種植模式輸出氮磷的匯的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)氮磷的循環(huán)利用以及生態(tài)攔截的目的。

為了更好地控制農(nóng)業(yè)面源污染，減少水體污染和湖泊富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，建議利用污染的源與匯的理念，進(jìn)一步開展多種土地利用方式之間(如露天菜地、茶園、苗木等與稻田等)的耦合梯級消納氮磷模式的研究，確定氮磷減排效果最佳的耦合面積比例。同時(shí)，結(jié)合水肥科學(xué)管理等研究技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)氮磷的循環(huán)利用，有效控制氮磷流失。

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(責(zé)任編輯 高 峻)

Study on greenhouse vegetables-paddy coupled mode in interception of nitrogen and phosphorus

FENG Yunyu， LUO Longzao， TIAN Guangming*

(InstitutionofEnvironmentalandEcologicalEngineering，CollegeofEnvironmental&ResourceSciences，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China)

Greenhouse vegetables are prone to lager nitrogen and phosphorus loss caused by the intensive fertilization and flooding irrigation. Considering the potential capacity of paddy field which could purify the inflow， the present research on greenhouse vegetables-paddy coupled mode in nitrogen and phosphorus interception was carried out. Based on the studies of the greenhouse vegetables outflow and the dynamic characteristics of nitrogen and phosphorus concentration in the paddy field surface water， the nitrogen and phosphorus discharge of the coupled mode with different area ratios was estimated and the feasibility of nitrogen and phosphorus reduction under the coupled mode was investigated. It was shown that the water outflow of greenhouse vegetables mainly occurred during the irrigation period of planting， the average loss of nitrogen and phosphorus in a single crop season was 4.97 and 0.42 kg·hm-2， respectively. The nitrogen and phosphorus concentration in paddy field surface water were significantly influenced by fertilization. The peak concentration of total nitrogen and ammonium nitrogen occurred on the 1stand 2ndday after fertilization， and descended to a low level and became stable within 7 d. The peak concentration of nitrate nitrogen in the surface water occurred during the 3rdday to 5thday and decreased to a stable background level 9 d later. Total phosphorus and dissolved phosphorus concentration in surface water showed similar variation trends， reaching peak values on the 1stday after application of phosphate fertilizer， and getting stable within 10 d. Compared with uncoupled mode， the greenhouse vegetables-paddy coupled mode could achieve nitrogen and phosphorus interception under the conventional fertilization level， and mitigate the emission of total nitrogen and total phosphorus by 32.66% and 37.72%， respectively， when the area ratio was 1∶3.

greenhouse vegetables-paddy coupled mode; nitrogen and phosphorus reduction; outflow; surface water; net discharge of nitrogen and phosphorus

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.03.17

2016-11-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2014ZX07101-012)

馮云鈺(1991—)，女，四川瀘州人，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)面源污染控制研究。E-mail：fyyxinyuan@126.com

*通信作者，田光明，E-mail: gmtian@zju.edu.cn

X52

A

1004-1524(2017)03-0469-08

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 469-476

http://www.zjnyxb.cn

馮云鈺，羅龍?jiān)恚锕饷? 菜-稻耦合梯級消納氮磷模式研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，29(3)： 469-476.