稻田氮、磷损失与过程监测方法研究进展(2)

风洞法在欧洲国家应用较多,由采样箱、采样系统和控制系统3个部分构成,采用流过风洞的风速平均值代表实际田间风速,从而较准确地估计氨挥发量,几种常见风洞法的回收率:Lockyer风洞回收率为77%~87%,Moal风洞回收率为70%~80%,Braschkat风洞回收率为97%~103%。然而,风洞法无法解决不能模拟静风和降水条件的问题,当风速低于0.3m·s-1时误差较大,虽然风洞内外风速能保持高度一致,但是由于风洞边界的影响,会高估氨挥发速率。稻田土壤中的硝化和反硝化作用会产生N2O和N2气体,其中,N2O约占稻田N2O和N2排放量的2/3,N2约占1/3。然而,目前水稻田的硝化和反硝化作用尚缺乏合适的田间原位监测方法。

2氮磷径流流失监测

2.1 监测方法

降雨事件和分蘖末期的排水晒田是稻田发生径流、产生氮磷径流流失的直接驱动力。目前,稻田氮磷径流流失按照监测尺度分为田间小区监测、农田多点位监测和平方公里网格监测。

田间小区监测是构建互相隔离、独立封闭灌溉和排水系统的种植小区,同时监测降雨产生的径流的水质和水量,从而确定氮磷的单位负荷量,通过单位面积氮磷负荷量乘以田间小区面积来估算氮磷流失负荷量。利用人工控制的田间小区开展监测是定量研究农田养分流失的常用方法。BARTON等在云南省设置不同坡度田间小区研究传统耕作、免耕、秸秆覆盖、聚乙烯地膜覆盖和间作的水土保持效果。WON等为研究秸秆覆盖和土壤改良剂对韩国坡地土壤径流和非点源污染影响开展了多种处理的砂壤土场的田间小区实验。

农田多点位监测指在农田及周边沟渠、河道等关键点位进行水质和水量监测,以研究农田所在的小面积区域氮磷输出特征。例如,高超等在太湖何家浜流域2次典型降雨事件中以单块封闭水稻田直入河点和汇流沟渠入河点为采样点,探究非点源污染物在降雨过程中初期冲刷效应。SHARPLEY等监测阿肯色州Discovery农场的作物种植区水道水量和水质情况,以评估保护性耕作对农场环境的影响。

平方公里网格监测指在平方公里网格尺度上,考虑降雨、施肥等因素,选取沟渠、河道系统完整的田块作为氮磷污染监测点,研究不同利用类型农田氮磷迁移过程。KUPKANCHANAKUL等在印度邦帕通盆地采集河流、水产养殖场和稻田水样和底泥样本并结合数学模型分析主要河流污染物来源。陈成龙等选取三峡库区涪陵段封闭性较好的王家沟小流域,采集各点位地表径流样品,探究稻田空间格局对氮磷流失的影响。

2.2 监测指标

土壤养分进入地表径流的主要内在驱动力大致可以归纳为对流扩散作用、雨滴击溅搅动和水流冲刷作用等。土壤中氮磷以2种形态进入径流:一种是溶解态,养分溶解于土壤溶液中,通过水分交换进入地表径流;另一种是吸附态,部分养分被吸附在土壤颗粒表面,通过解吸或伴随侵蚀泥沙进入地表径流。

部分学者认为氮以溶解态形式流失到径流中的养分占比较高。例如,邱卫国等在上海郊区通过测坑和水稻田大田实验发现氮素径流损失以溶解态为主。叶玉适等通过水肥耦合对杭州稻田氮磷迁移影响实验研究发现,溶解性氮(DN)是天然降雨径流流失氮素的主要形态,约占TN的70%~92%;NO3--N约占40%~80%,NH4+-N浓度较低,仅占3.4%~27%。然而也有学者认为稻田径流中氮素流失形态以颗粒态氮(PN)为主。陈颖等对自然降雨条件下海河流域水稻田地表径流的研究发现,PN是农田径流损失的主要形式,其流失量与径流量呈明显正相关。于兴修等研究西苕溪流域不同土地利用类型土壤氮径流流失过程发现,TN和PN浓度随降雨过程逐渐降低,稻田径流排放中PN占TN的比例稳定在66.9%~83.6%。

降雨或灌溉会冲击土壤表层,使表层土壤富集的磷颗粒大量析出而随径流流失,颗粒态磷(PP)是土壤磷径流损失的主要形态。另外,施磷肥会将磷素带入土壤,施肥后因短期内降雨而流失的主要磷形态是可溶性磷(DP)。施入稻田的磷会立即水解,释放出大量无机磷酸盐,使得施磷后短期内以溶解态为主的磷素流失潜能不断增加。根据研究统计,PP和DP在径流流失磷素中的比例分别可达59.35%~80.04%和19.96%~40.65%。同一次径流中,早期径流液中磷以PP为主,而后期DP比例加大。

2.3 监测频率

降雨是稻田氮磷流失的重要驱动力。焦少俊等的研究表明,1/3~1/2的稻田氮素径流损失由施肥后的随机性大雨导致。一次降雨内,由于初期冲刷效应,往往在径流起涨期间径流水质较差,各污染物浓度较高;在径流回落阶段,径流水中各污染物浓度往往有所下降。径流产生初期,采取径流水样的时间间隔较短,频次较多。管毓堂等在太湖流域水稻田降雨径流实验中水田径流产生时采集水样1次,此后,在5、10、20、30、60和120min时采样并同步记录流量;120min后每2h采样1次。高超等在太湖流域水稻田排污实验中设置采样时间为农田径流形成时,前期采样时间间隔为10min,中后期随时间推移采样频率逐渐降低,采样时间间隔逐步延伸至60min以上。径流水样采集频率也可按水样体积计。张继宗等于太湖流域稻田施基肥后第3和第16天进行模拟降雨实验,在径流产生初期每个样品体积为10L,在单位时间产生的径流量稳定后,每个样品体积为50L。降雨结束后径流采样频率可降低,一般隔天采集1次。梁新强等在太湖流域稻田灌溉、降雨后第1、3和5天采集稻田径流水样,发现灌溉复水后短期内径流水中NO3--N浓度出现高峰期,甚至高于穗肥施用后的最高值,发生暴雨事件后稻田排水监测需增加取样频率。

文章来源：《灌溉排水学报》 网址: http://www.ggpsxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/329.html