汪 婳，沈王政，程子珍，張 亮，莊艷華，張富林，范先鵬

（1.中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院/環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測評估湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部潛江農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，武漢 430064）

水稻是中國第一大糧食作物，種植面積約占全國糧食作物的24%，產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的35%［1］。同時(shí)，水稻耗水量約占農(nóng)業(yè)用水總量的60%～70%，化肥用量約占全國化肥用量的20%左右，作為水肥資源消耗大戶，稻田氮素流失是農(nóng)業(yè)面源污染防控中的重點(diǎn)［2，3］。施入稻田的氮肥部分被作物吸收利用，部分以氮的不同化學(xué)形態(tài)通過地表徑流進(jìn)入河流、湖泊或通過非飽和區(qū)滲透進(jìn)入地下水，造成水體富營養(yǎng)化和地下水污染［4-6］。田面水中的氮素是農(nóng)業(yè)面源污染的直接來源之一［7］，因此，掌握田面水氮素動態(tài)規(guī)律和動力學(xué)特征是防控稻田氮素面源污染的重要前提條件之一，對評估稻田對地表水質(zhì)惡化的影響具有重要意義［8］。

過去數(shù)十年以來，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)有了長足發(fā)展，然而，目前還無法實(shí)現(xiàn)對稻田田面水總氮濃度的精準(zhǔn)在線監(jiān)測。傳統(tǒng)的稻田田面水質(zhì)監(jiān)測工作以人工采樣、實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析為主，這樣的監(jiān)測方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、采樣誤差大、數(shù)據(jù)量小而分散［9］，難以穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地掌握水質(zhì)實(shí)際變化情況。近年來，自動在線監(jiān)測技術(shù)與裝置逐步發(fā)展起來［10］。目前，國內(nèi)外的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)主要有2 種工作模式：一種是運(yùn)動機(jī)械手臂式在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析法的自動化與智能化原理，通過野外自動采樣、自動測試完成相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)的定量監(jiān)測［11］。該方法測試精度高，但是系統(tǒng)部署周期長、占用空間大、費(fèi)用昂貴、維護(hù)復(fù)雜且監(jiān)測頻率低，不適用于稻田田面水質(zhì)的監(jiān)測。另一種是利用傳感器法對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，該方法以其高精度、高測定頻率、易操作、低價(jià)格的優(yōu)勢有效解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測工作的不足［12］。其中電化學(xué)傳感器起源于20 世紀(jì)50 年代，它主要是通過電極表面物質(zhì)與水中某物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起輸出電壓或電流變化，從而反映溶液中的物質(zhì)濃度。

目前已有一些研究應(yīng)用可快速檢測的水質(zhì)參數(shù)反演監(jiān)測過程相對復(fù)雜的水質(zhì)指標(biāo)。戴建軍等［13，14］通過電導(dǎo)法結(jié)合常規(guī)化學(xué)分析方法，發(fā)現(xiàn)緩釋肥料水溶液中單一的氮、磷、鉀養(yǎng)分濃度和總養(yǎng)分濃度與溶液的電導(dǎo)率間呈極顯著的正相關(guān)，由此認(rèn)為電導(dǎo)率法可以作為氮、磷、鉀復(fù)合型緩釋肥料養(yǎng)分釋放快速檢測的一種較好的備選方法；Zhang 等［15］應(yīng)用自組織映射模型作為一種預(yù)測工具應(yīng)用到農(nóng)戶污水土地處理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了綜合型人工濕地系統(tǒng)出水BOD 濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控；王麗平等［16］通過因子分值-多元線性回歸的方法研究了大寧河水體11 個(gè)相關(guān)水質(zhì)因子與Chl-a 之間的關(guān)系，通過構(gòu)建的多元線性回歸模型較好地預(yù)測了水體中Chl-a 濃度峰值和基本變化趨勢；陸頌等［17］對滇池流域內(nèi)的典型區(qū)域采集徑流水樣，通過對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率與總氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH4+-N）線性關(guān)系較好，可將電導(dǎo)率用作徑流水質(zhì)快速顯示指標(biāo)；Wu 等［18］通過對太湖32 個(gè)采樣點(diǎn)25 年的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率與太湖的氮、磷濃度密切相關(guān)，表明電導(dǎo)率在一定程度上可以作為湖泊富營養(yǎng)化的指標(biāo)。然而，目前還沒有對稻田田面水中TN 濃度快速檢測方法的相關(guān)研究。為了對水稻生育期內(nèi)田面水的TN 濃度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)性的監(jiān)測，合理評估稻田田面水的氮素流失風(fēng)險(xiǎn)，方便基層農(nóng)技人員及時(shí)采取相應(yīng)措施防止高氮素濃度的田面水外排至周邊水體，本研究以2018 年水稻生育期的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過選取包括電導(dǎo)率在內(nèi)的4 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)作為自變量，TN 作為因變量進(jìn)行多元回歸分析，以期達(dá)到采用多種水體理化指標(biāo)預(yù)測田面水TN 濃度的目的，從而為稻田田面水氮素流失風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測和管理提供方法支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)于湖北省安陸市洑水鎮(zhèn)車站村總覆蓋面積為22 304 m2的5 塊稻田內(nèi)（113°40′32.13″E，31°20′48.80″N）進(jìn)行，田面水監(jiān)測點(diǎn)位分布如圖1 所示。試驗(yàn)點(diǎn)所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年均降水量1 084 mm，年均氣溫15.9 ℃，總積溫4 908（d·℃），全年無霜期約246 d，年均日照時(shí)間2 100 h。供試土壤為黃棕壤發(fā)育的水稻土。

圖1 田面水監(jiān)測點(diǎn)位分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1 號、3 號、4 號、5 號田的栽植方式為機(jī)插，2 號田為人工栽植。這5 塊田的施肥時(shí)間、施肥量均一致。底肥均為氮、磷、鉀配比26∶10∶12 的新洋豐復(fù)合肥，施用量為氮肥（N）130.16 kg/hm2、磷肥（P2O5）29.99 kg/hm2、鉀肥（K2O）35.98 kg/hm2，施用時(shí)間為2018年5月22日，追肥為尿素，施用量為N 34.78 kg/hm2，施用時(shí)間為2018 年6 月10 日。2 號田0～20 cm 的耕作層土壤背景pH 為6.59，有機(jī)質(zhì)含量為19.06 g/kg，全氮、全磷含量分別為1.34、0.26 g/kg，速效磷和速效鉀含量分別為3.85、62.40 mg/kg，硝態(tài)氮含量為2.76 mg/kg，銨態(tài)氮含量為3.43 mg/kg。5號田0～20 cm的耕作層土壤背景pH 為6.96，有機(jī)質(zhì)含量為20.75 g/kg，全氮、全磷含量分別為1.62、0.35 g/kg，速效磷和速效鉀含量分別為12.26、53.34 mg/kg，硝態(tài)氮含量為2.51 mg/kg，銨態(tài)氮含量為2.72 mg/kg。

1.3 監(jiān)測內(nèi)容及方法

1.3.1 田面水氮素動態(tài)變化監(jiān)測 試驗(yàn)期為2018年水稻生育期（2018 年5—9 月），在圖1 中分別代表了人工栽秧和機(jī)插秧這2 種栽植方式的2 號和5 號田同時(shí)監(jiān)測田面水的水位和水質(zhì)，分析不同栽植方式對稻田田面水的氮素濃度變化特征的影響。田面水水質(zhì)監(jiān)測采用人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析的方式。監(jiān)測頻率為泡田開始后連續(xù)10 d 每天1 次，而后每2 d監(jiān)測1 次。每次采樣時(shí)每塊田分別全田取15 個(gè)點(diǎn)的水樣作為1 個(gè)混合樣，測定TN 和NH4+-N。

1.3.2 田面水多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測 在1 號至5 號稻田內(nèi)，每一田塊沿一條田埂均勻舀取3 個(gè)表層水樣，于采樣桶中混合均勻?yàn)? 個(gè)水樣。使用YSI Pro Plus便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定水樣的溫度（T）、電導(dǎo)率（EC）、溶解氧（DO）、溶解性總固體（TDS）、鹽度（SAL）、氧化還原電位（ORP），并當(dāng)天測定TN、NH4+-N。監(jiān)測時(shí)間分別為2018 年的5 月25 日、5 月26 日、6 月5 日、6 月7 日、6 月10 日和6 月12 日，監(jiān)測頻率為每天分別于9：30、11：30、13：30、15：30、17：30 采樣，監(jiān)測5 次。

1.4 樣品測定方法與數(shù)據(jù)處理

TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；NH4+-N 采用靛酚藍(lán)比色法測定。采用Excel 2013、ArcGIS 10.2 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與制圖，運(yùn)用SPSS 25.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生育期內(nèi)田面水氮素濃度變化分析

對田面水氮素濃度的監(jiān)測（圖2）表明，人工栽秧稻田田面水TN 濃度為0.56～23.13 mg/L，施基肥后，其迅速升高，后迅速降至6.97 mg/L，在隨后的2周內(nèi)變化趨于平穩(wěn)，隨著分蘗肥的施用（6 月10 日）再次升高，2 d 后達(dá)到峰值（18.93 mg/L），而后逐漸降低，最終穩(wěn)定在4 mg/L 以下。田面水NH4+-N 濃度為0.09～7.24 mg/L，施基肥后也是迅速升高，而后逐漸降低，最終降至2 mg/L 以下并趨于平穩(wěn)。隨著分蘗肥的施用，田面水中NH4+-N 濃度再次升高，達(dá)7.24 mg/L，而后逐漸降低，最終穩(wěn)定在0.5 mg/L左右。

圖2 人工栽秧稻田田面水氮素濃度動態(tài)變化

機(jī)插秧稻田田面水TN 濃度為0.64～30.80 mg/L，施基肥后，其迅速升高，隨后迅速降至5.70 mg/L，在5 月27 日田面水中TN 濃度出現(xiàn)一次小的波動，上升至8.99 mg/L，在隨后的2 周內(nèi)緩慢降低，隨著分蘗肥的施用（6 月10 日）再次升高，4 d 后達(dá)到峰值（30.80 mg/L），而后逐漸降低，最終穩(wěn)定在3 mg/L 以下。田面水NH4+-N 的濃度為0～7.28 mg/L，施基肥后也是迅速升高，而后逐漸降低，之后降至1 mg/L 以下并趨于平穩(wěn)。隨著分蘗肥的施用，田面水中NH4+-N 濃度再次升高，達(dá)7.28 mg/L，而后逐漸降低，最終穩(wěn)定在0.5 mg/L 以下（圖3）。本試驗(yàn)中人工栽秧和機(jī)插秧稻田的田面水中氮素濃度變化均主要受施肥的影響，受降雨、灌溉事件的擾動較弱。

圖3 機(jī)插秧稻田田面水氮素濃度動態(tài)變化

從2 種不同栽植方式的稻田田面水氮素濃度動態(tài)變化來看，施基肥后，機(jī)插秧稻田田面水的氮素濃度經(jīng)歷了一個(gè)陡降再上升的趨勢，而與該時(shí)期相對應(yīng)的人工栽秧稻田田面水則是平穩(wěn)下降，這是由于稻田水分管理中，人工栽秧方式因其秧苗個(gè)體比較大，機(jī)插秧的秧苗個(gè)體比較小，因此人工栽秧方式在上水泡田后不排泡田水即可進(jìn)行插秧，而機(jī)插秧方式在上水泡田后需要把田面水排至1 cm 水深再進(jìn)行插秧，這一過程導(dǎo)致機(jī)插秧稻田在排泡田水后田面水氮素濃度陡降?；势诘暮髱滋欤瑱C(jī)插秧稻田田面水的TN 濃度相較于人工栽秧稻田田面水來說偏低。追肥后2 種不同栽植方式的氮素濃度從峰值下降至趨于平穩(wěn)，此時(shí)機(jī)插秧稻田田面水的TN 濃度相較于人工栽秧偏高。總體上，2 種栽植方式的稻田田面水氮素濃度的變化趨勢基本一致。

2.2 田面水氮素濃度衰減過程

稻田屬于人工濕地的范疇，一級動力學(xué)模型目前被普遍認(rèn)為是描述濕地系統(tǒng)去污過程最合適的模型，它是可以在一定程度上反映濕地系統(tǒng)中污染物降解過程的簡單模型，被廣泛應(yīng)用于五日生化需氧量（BOD5）、營養(yǎng)物（氮、磷等）、懸浮物（SS）、細(xì)菌以及金屬離子去除的預(yù)測［19］。人工濕地的一級動力學(xué)模型的表達(dá)式如下。

式中，Ci為營養(yǎng)物衰減濃度（mg/L）；a為與濕地處理能力有關(guān)的無量綱系數(shù)；C0為營養(yǎng)物初始濃度（mg/L）；K為反應(yīng)速率常數(shù)（d-1）；t為水力停留時(shí)間（d）。

由于基肥相對追肥施氮量更大，田面水氮素濃度高，隨時(shí)間衰減特征更明顯，因此本研究只選取基肥期探討氮素濃度隨時(shí)間的指數(shù)衰減規(guī)律。從圖4可以看出，人工栽秧稻田田面水TN 的質(zhì)量濃度由最大值11.56 mg/L迅速降低，2周左右降低至4.43 mg/L，降幅達(dá)62%，整個(gè)變化過程近似符合指數(shù)衰減規(guī)律。以天數(shù)為變量，進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，決定系數(shù)達(dá)0.52。可見，稻田對單次施肥后稻田田面水的TN 濃度近似按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，經(jīng)過2 周左右的衰減，TN 濃度可從峰值降至38%左右，衰減過程較明顯。5 號田TN 的質(zhì)量濃度由最大值13.80 mg/L 迅速降低，2 周左右降低至4.13 mg/L，降幅達(dá)70%，整個(gè)變化過程近似符合指數(shù)衰減規(guī)律。以天數(shù)為變量，進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，決定系數(shù)達(dá)0.72?？梢姡? 號田對單次施肥后稻田田面水的TN 濃度近似按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，經(jīng)過2 周左右的衰減，TN 濃度可從峰值降至30%左右，衰減過程明顯。

圖4 施基肥后稻田田面水TN 濃度衰減過程

從圖5 可以看出，2 號田NH4+-N 的質(zhì)量濃度由最大值6.48 mg/L迅速降低，2周左右降低至1.31 mg/L（此處取的是衰減13 d 時(shí)的數(shù)據(jù)），降幅達(dá)80%，整個(gè)變化過程近似符合指數(shù)衰減規(guī)律。以天數(shù)為變量，進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，決定系數(shù)達(dá)0.75?？梢姡? 號田對單次施肥后稻田田面水的NH4+-N 濃度近似按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，經(jīng)過2 周左右的衰減，NH4+-N濃度可從峰值降至20%左右，衰減過程明顯。5 號田NH4+-N 的質(zhì)量濃度由最大值5.69 mg/L 迅速降低，2 周左右降低至0.96 mg/L，降幅達(dá)83%（此處取的是衰減13 d 時(shí)的數(shù)據(jù)），整個(gè)變化過程近似符合指數(shù)衰減規(guī)律。以天數(shù)為變量，進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，決定系數(shù)達(dá)0.84?？梢?，5 號田對單次施肥后稻田田面水的NH4+-N 濃度近似按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，經(jīng)過2 周左右的衰減，NH4+-N 濃度可從峰值降至17%左右，衰減過程明顯。

圖5 施基肥后稻田田面水NH4+-N 濃度衰減過程

2.3 稻田田面水氮素濃度快速檢測方法

對1 號至5 號稻田田面水的氮素及常規(guī)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，樣本數(shù)均為140，結(jié)果見表1。均值反映觀測值的集中趨勢，最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)等反映觀測值的異質(zhì)性程度。從表1 可以看出，NH4+-N 最小值為0.26 mg/L，滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限制；TN 含量較高，平均值為12.47 mg/L，遠(yuǎn)超過Ⅴ類水；T 為23.40～39.20 ℃；EC 為410.70～1 557.00 μS/cm；DO 為0.08～6.96 mg/L；TDS 為261.90～877.50 mg/L；SAL 為0.19～0.67 ng/L；pH 為7.03～8.49，平均為8.22，呈弱堿性；ORP 為-18.20～81.50 mV。

根據(jù)變異系數(shù)劃分，變異系數(shù)小于10%為弱變異性，變異系數(shù)在10%～100%為中等變異性，變異系數(shù)高于100%為強(qiáng)變異性。從表1 可以看出，pH 為弱變異性，NH4+-N、TN、T、EC、TDS 及SAL 都為中等變異程度，而DO 和ORP 則表現(xiàn)出強(qiáng)變異性。DO 是水質(zhì)中非常重要也是變化最大的指標(biāo)，有明顯的垂直、水平、時(shí)間的變化，在靜水中的表現(xiàn)最明顯。稻田水中的DO 一定條件下會直接影響ORP，當(dāng)DO 增大時(shí)，ORP 也隨之增大，水體的氧化性越強(qiáng)；反之，則還原性越強(qiáng)。因此，兩者均表現(xiàn)出強(qiáng)變異性。

表1 稻田田面水水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)多重共線性分析的結(jié)果，T、EC、TDS 和SAL之間具有很強(qiáng)的共線性，因此，選擇DO、EC、pH、ORP 這4 個(gè)指標(biāo)作為自變量進(jìn)行多元線性回歸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得模型，相關(guān)系數(shù)R=0.656，說明自變量和因變量之間的相關(guān)性很強(qiáng)；相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.430，說明自變量x可以解釋因變量y的43%的差異性。由表2 中的回歸系數(shù)可以看出，回歸模型的常數(shù)項(xiàng)為116.395，其他4 個(gè)因子變量溶解氧、電導(dǎo)率、pH、氧化還原電位的回歸系數(shù)分別為1.008、0.015、-13.941 和-0.191，因此稻田田面水TN 的預(yù)測回歸模型為：

表2 多元線性回歸系數(shù)（n=80）

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果顯示殘差分布的實(shí)際情況，即殘差分布直方（圖6）和回歸標(biāo)準(zhǔn)殘差正態(tài)P-P 分布（圖7）。殘差分布的直方與附于其上的正態(tài)分布曲線的比較結(jié)果表明殘差分布屬正態(tài)分布。回歸標(biāo)準(zhǔn)殘差正態(tài)P-P 分布也是用來比較殘差分布與正態(tài)分布差異的圖形，斜線對應(yīng)一個(gè)均值為0 的正態(tài)分布（圖7），如果圖中的散點(diǎn)密集地分布在這條斜線附近，說明隨機(jī)變量殘差服從正態(tài)分布，從而證明樣本確實(shí)來自正態(tài)總體，否則，應(yīng)懷疑隨機(jī)變量殘差的正態(tài)性。本研究結(jié)果表明，殘差分布呈正態(tài)分布。

圖7 回歸標(biāo)準(zhǔn)殘差正態(tài)P-P 分布

盡管TN 是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，但因常規(guī)檢測方法的測量過程復(fù)雜，無法滿足對稻田田面水水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求。因此，利用其他可快速獲得的指標(biāo)數(shù)據(jù)來預(yù)測稻田田面水的TN 濃度，對于稻田田面水氮素流失風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測和管理具有重要意義。本研究將采集的140 個(gè)樣本利用Excel軟件中的random 命令隨機(jī)打亂，取前80 個(gè)樣本作為訓(xùn)練集，構(gòu)建多元線性回歸模型，后60 個(gè)樣本作為測試集，將測試集的自變量帶入構(gòu)建的模型中對TN 進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測值與真實(shí)值進(jìn)行比對（圖8），驗(yàn)證模型的可行性，以實(shí)現(xiàn)對稻田田面水實(shí)時(shí)監(jiān)測的目標(biāo)。

圖8 TN 濃度的預(yù)測值和真實(shí)值對比

為服務(wù)于稻田田面水氮素流失風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測和管理，選取2 個(gè)重要TN 的限值來衡量稻田田面水的水質(zhì)。一個(gè)是《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）對TN 的限值15 mg/L（一級A 標(biāo)準(zhǔn)，2006 年1 月1 日起實(shí)施），稻田田面水中未被植株吸收利用的氮、磷營養(yǎng)物直接外排到河、湖中，可以被認(rèn)為是以污水形式排放；另一個(gè)是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中TN 的限值2 mg/L（Ⅴ類）。因此，本研究將TN 濃度分為3 個(gè)區(qū)間：區(qū)間一，TN濃度不超過2 mg/L，認(rèn)為稻田田面水對周邊水體的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最??；區(qū)間二，TN 濃度為2～15 mg/L，認(rèn)為稻田田面水對周邊水體的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大；區(qū)間三，TN 濃度大于15 mg/L，認(rèn)為稻田田面水對周邊水體的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重。因此，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，在對比測試數(shù)據(jù)集的預(yù)測值和真實(shí)值后，當(dāng)預(yù)測出的TN 濃度與實(shí)際的TN 濃度處于同一區(qū)間時(shí)，即判定預(yù)測值準(zhǔn)確。

測試集數(shù)據(jù)預(yù)測驗(yàn)證結(jié)果的基本統(tǒng)計(jì)分析如表3 所示。測試集數(shù)據(jù)中的真實(shí)值與預(yù)測值之間的相關(guān)系數(shù)為0.624，且預(yù)測的準(zhǔn)確率為80%（即準(zhǔn)確預(yù)測樣本數(shù)與樣本總數(shù)的比值），其中，區(qū)間一和區(qū)間三預(yù)測的準(zhǔn)確率偏低，但是由于稻田田面水的TN 濃度更多集中在2～15 mg/L，因此該模型對于稻田田面水TN 濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理依然具有指導(dǎo)意義。

表3 TN 濃度預(yù)測結(jié)果的基本統(tǒng)計(jì)分析

3 討論

稻田田面水的氮素動態(tài)變化特征隨地區(qū)不同而表現(xiàn)出一定的差異［20］。柳云龍等［21］發(fā)現(xiàn)，施肥后田面水TN、NH4+-N 均在1 d 后達(dá)到最大值，施氮后1 周內(nèi)是防止水稻田NH4+-N 和TN 流失的關(guān)鍵時(shí)期；文想成等［22］認(rèn)為，基肥期施肥對田面水氮素濃度的影響到第9 天，分蘗肥和穗肥期的影響到第7 天；段小麗等［23］認(rèn)為田面水中TN 濃度在每次施肥后1 d 到達(dá)峰值，NH4+-N 濃度在基肥和分蘗肥后1 d 到達(dá)峰值，穗肥后3 d 到達(dá)峰值，整個(gè)基肥期、分蘗肥后20 d和穗肥后9 d 內(nèi)為氮素流失風(fēng)險(xiǎn)期；張富林等［24］認(rèn)為，施氮肥后，田面水中TN 濃度在施肥后1 d 達(dá)到峰值，NH4

+-N 濃度在基肥和分蘗肥后2 d、穗肥后1 d達(dá)到峰值，施基肥和分蘗肥后5 d 內(nèi)、施穗肥后2 d 內(nèi)是稻田氮素?fù)p失的關(guān)鍵控制期。本研究結(jié)果表明，施肥后1 周為氮素集中釋放期，這與朱利群等［25］和宮亮等［26］的研究結(jié)果一致。

已有研究表明，施肥后田面水TN、NH4+-N 到達(dá)峰值后逐漸衰減，其變化可用一級動力學(xué)模型表示Ci=aC0e-Kt［7，27］，本研究也證實(shí)了這一變化規(guī)律。然而，本研究著重探討用快速檢測方法反映氮素濃度變化的趨勢，這與朱利群等［25］在不同施肥水平下探討總氮?jiǎng)討B(tài)變化特征并且探討施肥量以及不同施肥階段與衰減系數(shù)（k）之間的關(guān)系相區(qū)別。

TN 是評價(jià)水環(huán)境受污染程度的關(guān)鍵指標(biāo)［28］，目前其檢測方法普遍采用實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析法，其中高溫消解這一過程耗時(shí)長，不能滿足野外原位監(jiān)測的需求。因此，本研究通過回歸分析建立起TN 與其他可快速監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，來達(dá)到用多種水體理化指標(biāo)預(yù)測TN 的目的。現(xiàn)實(shí)生活中通常會遇到對一種現(xiàn)象及影響其主要因素之間的關(guān)系進(jìn)行研究的問題，這就可以歸結(jié)為探究自變量與因變量之間的內(nèi)在聯(lián)系。多元線性回歸分析建模就是研究隨機(jī)變量Y與多個(gè)因變量之間線性相關(guān)關(guān)系的問題。本研究將TN 及與其具有內(nèi)在聯(lián)系的多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)建多元線性回歸模型，通過對因變量TN進(jìn)行區(qū)間劃定，規(guī)定模型預(yù)測的TN 落在該區(qū)間內(nèi)即認(rèn)為預(yù)測準(zhǔn)確，結(jié)果表明，模型預(yù)測的準(zhǔn)確率可達(dá)80%，即運(yùn)用該模型可快速有效地預(yù)測田面水的TN變化趨勢，證實(shí)了該方法的有效性。除了多元線性回歸模型外，國內(nèi)研究者還引入了多種新技術(shù)以改善水質(zhì)預(yù)測模型的可靠性，如模糊數(shù)學(xué)、隨機(jī)數(shù)學(xué)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［29］，水環(huán)境受物理、化學(xué)、生物學(xué)等多種因素的影響，本研究考慮的因素主要是水質(zhì)理化參數(shù)，沒有對生物學(xué)等其他因子進(jìn)行監(jiān)測，因此，后續(xù)可采用諸如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GM（1，1）灰色理論模型等新技術(shù)，綜合田面水中多項(xiàng)因素來進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測研究，并探討不同模型的預(yù)測精度，以期為稻田田面水氮素流失風(fēng)險(xiǎn)評估提供更為快速、精確的新方法和新思路。

4 小結(jié)

1）水稻生育期內(nèi)，人工栽秧稻田田面水的TN 和NH4+-N 在施基肥之后的1 周左右迅速降至一定水平，至下次施肥前變化趨于平穩(wěn)。TN 和NH4+-N 在追肥后2 d 達(dá)到峰值，隨后開始下降，1 周左右趨于穩(wěn)定。與TN 相比，追肥后田面水NH4+-N 濃度下降速度較慢。機(jī)插秧水稻田田面水TN 在追肥后4 d 到達(dá)峰值后迅速下降，到7 d 趨于穩(wěn)定，NH4+-N 濃度在施肥后2 d 到達(dá)峰值后逐漸下降。機(jī)插秧稻田田面水的氮素動態(tài)特征與人工栽秧基本一致。從田面水中TN 和NH4+-N 峰值出現(xiàn)時(shí)期及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間可以看出，施肥后1 周內(nèi)為氮素集中釋放時(shí)期。2）施肥后田面水TN、NH4+-N 濃度到達(dá)峰值，隨后的2 周其變化可用一級動力學(xué)模型（Ci=aC0e-Kt）來描述。基肥期人工栽秧和機(jī)插秧2 種種植方式下的稻田田面水TN 濃度可分別衰減62%和72%，NH4

+-N 濃度降幅更為明顯，分別為80%和83%。

3）多元線性回歸模型結(jié)果表明，測試集數(shù)據(jù)中的真實(shí)值與預(yù)測值之間的相關(guān)系數(shù)為0.624，預(yù)測的準(zhǔn)確率為80%，實(shí)現(xiàn)了對稻田田面水TN 濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)?shù)咎锾锩嫠腡N 濃度過高時(shí)，基層農(nóng)技人員可及時(shí)采取相應(yīng)措施避免高濃度的稻田田面水外排至周邊水體。