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太湖地区稻田氮磷养分径流流失及控制技术研究

夏小江  
【摘要】:据研究,湖泊、河流富营养化的氮磷养分分别有50%和60%来源于农田地表径流水,其中稻田随地表径流发生的氮磷养分流失占有较大的比例。在稻田面积所占比例较大的太湖地区,由于水稻主要生育期的降雨多以暴雨形式出现,这使得稻田土壤氮素、磷素流失量增加,成为太湖地区农业面源污染的重要来源。因此,明确太湖地区稻田氮磷养分径流流失特点和流失风险,研究能够控制或减少稻田氮磷养分径流流失的措施和技术已成为当前急需解决的问题。 为明确太湖地区稻田氮磷养分的径流流失特征,寻求适宜的田间管理措施,本文通过问卷调查、资料收集、模拟试验、田间控制试验及大田监测试验等方式,研究了该地区稻田肥料投入及养分平衡情况和稻田田面水氮磷养分浓度动态变化特征,以及不同耕作方式及秸秆还田下稻田氮磷养分径流流失特点,并以溧阳市为例,评估了不同耕作方式和秸秆还田下该地区稻田氮磷养分径流流失风险;另外,为减少或控制稻田排放水体对外河水体的污染,本文还研究了水葫芦对不同氮磷养分浓度的稻田排放水体的净化效果,通过构建稻田—水塘水循环系统,研究了该系统对稻田氮磷等养分径流流失的控制作用,从而为控制太湖地区稻田氮磷养分径流流失,减轻太湖水体富营养化提供技术支撑。主要结论如下: 1)被调查的太湖地区的溧阳市、宜兴市与苏州市吴中区稻麦、稻油两种种植模式下周年氮肥平均投入量分别达到了558.5和493.3kg/hm2,盈余率分别为100.2%和62.5%,稻季氮肥平均投入量为298.0kg/hm2,明显高于麦季的229.1kg/hm2和油菜季的218.9kg/hm2;两种种植模式下的周年磷肥投入量分别为117.6和116.7kg/hm2,盈余率较低,仅为9.0%和-7.4%;周年钾肥投入量最少,分别为107.3kg/hm2和105.3kg/hm2,且都存在超过50%的亏缺。两种稻田种植模式下,氮肥投入量显著高于磷肥与钾肥,导致大量氮素盈余,磷肥投入较为合理,养分基本达到平衡状态,投入量最少的钾肥则存在严重的养分亏缺。 2)稻田田面水氮磷养分大田动态监测试验表明,太湖地区溧阳和宜兴两试验点基肥及追肥后田面水总氮浓度都是在施肥后当日即达到峰值,随后随着时间推移逐渐下降,并在一定时间后达到稳定水平。其中,基肥施用后田面水总氮浓度基本在7~8天后达到稳定,追肥施用后5天左右达到稳定;不论是基肥,还是追肥,两试验点基肥及追肥施用后稻田田面水总氮浓度y和时间t均可用一级反应方程(y=Co×e-kt)进行拟合,且拟合结果均达极显著水平。在磷素动态特征方面,两试验点稻田田面水总磷浓度均在施肥后迅速增加,并在第1天达到最高峰,且随时间的推移田面水总磷浓度呈逐渐下降趋势,8-9天后基本达到稳定,但是10天后至稻田落干前的很长一段时间内却出现了多次微小的波动。 3)不论秸秆还田还是不还田,不同耕作方式下的稻田径流水量均为翻耕小于旋耕,旋耕小于免耕,但径流水中的氮磷养分浓度则和此正好相反;相同耕作方式下,秸秆不还田的径流量高于秸秆还田,但径流水中的氮磷养分浓度却低于秸秆还田。无秸秆还田时,翻耕、旋耕、免耕总氮径流流失量分别为6.78、8.50和11.09kg/hm2,秸秆还田时,分别为4.82、6.44和8.87kg/hm2;无秸秆还田时,翻耕、旋耕、免耕径流过程总磷流失量为0.50、0.63和0.78kg/hm2,秸秆还田时,则分别为0.39、0.51和0.70kg/hm2。各处理中翻耕加秸秆还田稻季氮磷养分径流流失总量均为最低。从控制氮磷养分径流流失的角度看,秸秆还田与翻耕结合更能有效地减少氮磷养分径流浓度和径流流失量,对农田有着显著的保肥作用。 4)利用PRNSM模型,依据太湖地区溧阳市20年降雨数据,对不同耕作方式及秸秆还田下稻季氮磷养分径流流失评估结果表明:所有处理下,20年平均氮素径流流失率在1.66-2.15%之间,20年中,最大氮素径流流失率在2.87-3.76%之间,最小氮素径流流失率在0.75-1.06%之间;20年平均磷素径流流失率在0.59-0.82%之间,最大磷素径流流失率在1.45-1.90%之间,最小磷素径流流失率在0.10-0.14%之间。无论是秸秆还田还是秸秆不还田,免耕条件下的氮磷养分径流流失量要稍高于旋耕,旋耕又要高于翻耕;相同耕作方式下,秸秆还田的氮磷养分径流流失量明显要低于秸秆不还田。某一处理下氮磷养分径流流失量较多的年份,其他处理的流失量也较多,流失量较少的年份,其他处理下的流失量也较小。一般情况下,降雨量越大,氮磷养分径流流失量也越大,但有时会产生一定的偏差。 5)水葫芦对3种不同浓度的稻田排放水总氮的去除率分别为62.04%,76.75%,88.46%;对总磷的去除率分别为93.52%,88.46%,78.57%,其对水体中氮磷养分的净化效果与水体中氮磷养分浓度具有显著的相关性,对氮的去除率是随着水体氮素浓度的升高而降低,但对磷的去除率则随着水体中总磷浓度的升高而不断上升。构建的水塘-水田水循环系统,在整个水稻生育期内,水田产生了2592.42m3/hm2的田面水径流,由于水塘的调蓄作用,水田-水塘系统对系统外径流排放量为0;水稻生育期内稻田灌溉总量为6750.55m3/hm2,从系统外部向水田一水塘系统加入水量为3594.32m3/hm2,减少了从外部输入水量3156.23m3/hm2;系统在整个水稻季共拦蓄雨水5228.44m3/hm2,拦截雨水中氮磷的能力分别达1.49kg/hm2和0.03kg/hm2。


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