陳玲，范先鵬，黃敏，劉冬碧，吳茂前，夏穎，張富林，張志毅，倪承凡，程子珍

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430064；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥所，國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖北省農(nóng)業(yè)面源污染工程技術(shù)中心，武漢 430064）

江漢平原位于長(zhǎng)江中游，長(zhǎng)江與漢江之間，該區(qū)域水網(wǎng)密布，是全國(guó)最重要的水稻種植基地，常年水稻種植面積66.7萬(wàn)hm，也是全國(guó)最重要的淡水養(yǎng)殖區(qū)，區(qū)域水質(zhì)關(guān)系到長(zhǎng)江水環(huán)境安全。近年來(lái)，區(qū)域內(nèi)稻蝦綜合種養(yǎng)模式由于小龍蝦良好的經(jīng)濟(jì)效益而快速發(fā)展，2019年全國(guó)小龍蝦產(chǎn)量排名前30的縣（市、區(qū)）中，江漢平原占9個(gè)，稻蝦模式面積達(dá)到40萬(wàn)hm，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，稻蝦綜合種養(yǎng)模式的生態(tài)環(huán)境效益尚存爭(zhēng)議。一方面，稻田引入小龍蝦促進(jìn)了物質(zhì)在稻田內(nèi)的就地循環(huán)和能量運(yùn)轉(zhuǎn)，具有良好的生態(tài)效益。小龍蝦養(yǎng)殖的殘餌和糞便為水稻生長(zhǎng)提供了有機(jī)養(yǎng)分，相較于池塘養(yǎng)殖，實(shí)現(xiàn)了水資源的節(jié)約和氮、磷的循環(huán)利用。另一方面，相較于其他稻作模式，稻蝦模式對(duì)水資源消耗嚴(yán)重；同時(shí)由于秸稈還田和飼料投入，稻蝦綜合種養(yǎng)模式田面水硝態(tài)氮、氨氮含量高于單季稻田，增加了水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)稻田的地表徑流主要受到降雨和灌溉的驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化施肥可以有效控制農(nóng)田地表徑流氮、磷流失，有機(jī)肥替代措施、控釋氮肥和添加生物炭均能減少氮、磷徑流流失，肥料深施和穴施能有效降低徑流總氮、總磷濃度，有效控制農(nóng)田氮、磷流失，錯(cuò)期施肥和優(yōu)化施肥量也是減控農(nóng)田氮、磷流失的方法。稻蝦輪作模式巧妙地將養(yǎng)殖和種植相結(jié)合，同時(shí)還改變了水分管理與養(yǎng)分投入的方式，因此具有與傳統(tǒng)稻田不同的氮、磷流失特征。本研究選擇江漢平原地區(qū)最有代表性的稻蝦輪作模式稻田，進(jìn)行連續(xù)3 a（2018年9月至2021年9月）的原位監(jiān)測(cè)，明確農(nóng)田地表徑流氮、磷流失特征與規(guī)律，為精準(zhǔn)減控稻蝦綜合種養(yǎng)模式氮、磷污染提供依據(jù)，助力稻蝦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域概況

監(jiān)測(cè)區(qū)域位于湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)柳洲村（112°37'E，30°22'N），處于江漢平原腹地，屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)型氣候，年均氣溫16.1℃，無(wú)霜期250 d，年均降水量1 100 mm。土壤類型為長(zhǎng)江沖積物母質(zhì)發(fā)育而成的潮土型水稻土，是典型的南方水網(wǎng)農(nóng)區(qū)。

監(jiān)測(cè)田塊位于連片稻蝦綜合種養(yǎng)區(qū)域內(nèi)，為“日”字型結(jié)構(gòu)，寬61.50 m，長(zhǎng)195.10 m，總面積1.19 hm，其中稻田凈面積0.84 hm，養(yǎng)殖溝面積0.25 hm，養(yǎng)殖溝占比約20%。養(yǎng)殖環(huán)溝均寬6.00 m、深2.00 m，田間養(yǎng)殖溝寬4.00 m、深1.00 m（圖1）。該監(jiān)測(cè)田塊2015年由稻麥輪作改造為稻蝦綜合種養(yǎng)模式。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)并記錄監(jiān)測(cè)田塊每次發(fā)生的降雨、灌溉、排水以及其他所有農(nóng)事操作和投入品。降雨量采用雨量器（JQR-Ⅰ型，JB·T 9458—1999）計(jì)量；灌溉量采用水表計(jì)量；排水量采用田間水位法計(jì)量；在稻田田面和養(yǎng)殖溝分別安裝水位尺，記錄單次灌排和降雨前后水位，其他時(shí)期每2～3 d記錄一次水位。監(jiān)測(cè)設(shè)施安放位置見圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)區(qū)域所在位置及監(jiān)測(cè)田塊示意圖Figure 1 Location of monitoring area and schematic diagram of monitoring field

監(jiān)測(cè)田塊的農(nóng)事操作均按農(nóng)戶習(xí)慣（表1）進(jìn)行。養(yǎng)蝦季為水稻收獲后（9月底10月初）至次年水稻插秧之前（6月初），開始復(fù)水時(shí)田面水深為10～20 cm，后逐漸加深至50～60 cm，2月中下旬或3月初開始投放蝦飼料，4—5月捕撈成蝦。稻季分兩次施肥，第一次施復(fù)合肥，第二次施尿素（表2）。稻季田面不養(yǎng)蝦，水稻收割后秸稈全量還田。

表1 定位監(jiān)測(cè)田塊主要農(nóng)事操作記錄Table 1 Record form of main farming operations in the field

表2 監(jiān)測(cè)年度不同投入品養(yǎng)分施用量（kg·hm-2）Table 2 Nutrients application rate in different year（kg·hm-2）

1.3 樣品采集與檢測(cè)方法

1.3.1 采樣方法及檢測(cè)指標(biāo)

本研究采集降雨樣、灌溉水樣、排水樣和田面水樣，具體檢測(cè)指標(biāo)及采樣方法等見表3。

表3 采樣方法及檢測(cè)指標(biāo)Table 3 Sampling methods and detection indexes

1.3.2 檢測(cè)方法

1.3.3 計(jì)算方法

（1）徑流量

稻蝦輪作模式田塊四周堤壩高出田面約1.05 m，幾乎不產(chǎn)生溢流，排水均由人為控制，每開放排水管排水一次，記為一次徑流。

水位高于田面時(shí)（≥1.05 m），全田排水：

水位低于田面時(shí)（1.05 m≥h≥0 m），僅養(yǎng)殖溝排水：

故有，

式中：為徑流量，mm；為排水體積，m；為田間多個(gè)水位尺讀數(shù)的均值，均為相對(duì)于溝底的水位，m；為水位為時(shí)的水面面積，m；187.1和53.5分別為稻蝦田最底部的長(zhǎng)和寬，m；489.2為環(huán)溝長(zhǎng)度，m；59.5為田中溝長(zhǎng)度，m；11 900為田塊面積，m。

（2）產(chǎn)流系數(shù)

產(chǎn)流系數(shù)為一段時(shí)間內(nèi)，田塊徑流量與降雨量和灌溉量的比值。

式中：為產(chǎn)流系數(shù)，%；為降雨量，mm；為灌溉量，mm。

（3）氮、磷流失量

氮、磷流失量計(jì)算公式為：

式中：為氮、磷流失量，kg·hm；為第次徑流；c為第次徑流的濃度，mg·L；V為第次徑流量，m；1.19為田塊總面積，hm。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 2020繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流發(fā)生特征

3年共發(fā)生29次徑流，第1年和第2年各產(chǎn)流9次，第3年產(chǎn)流11次（表4）。3個(gè)年度內(nèi)，蝦季的產(chǎn)流次數(shù)分別是5、5、4次，稻季的產(chǎn)流次數(shù)分別是4、4、7次。3個(gè)年度年平均產(chǎn)流量為（1 270±287）mm，蝦季平均產(chǎn)流量為（710±25）mm，高于稻季平均產(chǎn)流量（560±307）mm，年均產(chǎn)流系數(shù)為44.7%，其中蝦季為38.8%，稻季為55.3%，蝦季明顯低于稻季。年際間蝦季產(chǎn)流量差異較小，變異系數(shù)為4.35%，但稻季產(chǎn)流量差異較大，變異系數(shù)高達(dá)67.0%，這主要與蝦季和稻季的需水、排水特征明顯不同有關(guān)。

表4 江漢平原稻蝦輪作模式徑流發(fā)生特征Table 4 Runoff characteristics of rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain

2.2 稻蝦輪作模式氮、磷流失特征

2.2.1 農(nóng)田氮、磷流失量

3個(gè)年度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明（表5）：稻蝦輪作模式農(nóng)田TN年均流失量為（24.59±4.70）kg·hm，其中蝦季流失量為（12.49±2.50）kg·hm，占全年度的50.8%，稻季流失量為（12.10±4.41）kg·hm，占全年度的49.2%。TP年均流失量為（3.28±1.03）kg·hm，其中蝦季流失量為（1.52±0.50）kg·hm，占全年度的46.3%，稻季流失量為（1.76±1.21）kg·hm，占全年度的53.7%。

表5 江漢平原稻蝦輪作模式氮、磷流失量（kg·hm-2）Table 5 Nitrogen and phosphorus loss in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（kg·hm-2）

2019—2020年度氮、磷流失量較其他兩個(gè)年度偏高，因?yàn)樵撃甓鹊炯窘涤炅看蠖壹?，所以?dǎo)致稻季的氮、磷流失量顯著增加。不同年度稻、蝦兩季氮、磷流失量占比略有不同，這與當(dāng)年的降雨特征和田間措施（投食、施肥、灌排）等相關(guān)。平均來(lái)看，蝦、稻兩季的氮、磷流失量均相差較小。

2.2.2 農(nóng)田氮、磷流失形態(tài)

圖2 稻蝦輪作模式徑流流失各形態(tài)氮、磷占比Figure 2 Proportions of nitrogen and phosphorus in runoff loss of rice-crawfish rotation system

蝦季磷素流失主要以DTP為主，占全部磷流失量的62.2%，PP占37.8%。而稻季略有不同，DTP和PP流失量相當(dāng)，分別占48.4%和51.6%。

2.3 稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流氮、磷濃度特征

2.3.1 農(nóng)田徑流氮素濃度特征

表6 江漢平原稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流不同形態(tài)氮的濃度（mg·L-1）Table 6 Different forms nitrogen concentrations in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（mg·L-1）

2.3.2 農(nóng)田徑流磷素濃度特征

3個(gè)年度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明（表7）：稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流TP濃度為（0.25±0.14）mg·L，DTP濃度為（0.14±0.06）mg·L，PP濃度為（0.11±0.11）mg·L。稻季農(nóng)田徑流TP濃度為（0.29±0.17）mg·L，高于蝦季的（0.21±0.09）mg·L；DTP濃度種養(yǎng)兩季差異較小，分別為（0.14±0.06）mg·L和（0.13±0.06）mg·L；PP濃度稻季為（0.15±0.14）mg·L，明顯高于蝦季的（0.08±0.04）mg·L。

表7 江漢平原稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流不同形態(tài)磷的濃度（mg·L-1）Table 7 Different forms phosphorus concentrations in rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain（mg·L-1）

分析同一種養(yǎng)季內(nèi)各次徑流磷濃度變化（圖3）可知，稻季變化幅度明顯高于蝦季。

圖3 江漢平原稻蝦輪作模式農(nóng)田徑流不同形態(tài)氮、磷濃度變化特征Figure 3 Characteristics of nitrogen and phosphorus concentrations in different forms in runoff under rice-crawfish rotation system in Jianghan Plain

2.4 稻蝦輪作模式田面水氮、磷濃度

2.4.1 田面水氮素濃度變化

圖4 江漢平原稻蝦模式農(nóng)田田面水不同時(shí)期氮、磷濃度變化Figure 4 Changes of nitrogen and phosphorus concentrations in surface water of rice-crawfish system at different periods in Jianghan Plain

2.4.2 田面水磷素濃度變化

2020—2021年度的田面水監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：稻蝦輪作模式田面水TP、DTP和PP的平均濃度分別為（0.29±0.15）、（0.17±0.08）、（0.11±0.11）mg·L。稻季田面水TP濃度為（0.37±0.18）mg·L，高于蝦季的（0.23±0.09）mg·L，兩季DTP濃度差別較小，稻季為（0.18±0.09）mg·L，蝦季為（0.17±0.08）mg·L。

整個(gè)蝦季田面水磷濃度變化相對(duì)比較平穩(wěn)，只是在3月中旬開始投放餌料后，受投放餌料、捕撈等擾動(dòng)的影響，田面水中磷濃度開始小幅上升（圖4）。而稻季，受施肥、水分管理等農(nóng)事活動(dòng)的影響，田面水中磷濃度一直小幅波動(dòng)，但無(wú)明顯峰值，且生長(zhǎng)前期的變化大于后期。

3 討論

3.1 稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量

稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量與稻麥輪作、雙季稻等稻田輪作模式相比，雖然同樣年際間變化大，但并沒(méi)有明顯增加，其中稻季的流失量與單季稻的流失量相當(dāng)（表5）。本研究的3 a監(jiān)測(cè)中，蝦季氮、磷徑流流失量分別為9.21～15.26、1.13～2.22 kg·hm，稻季氮、磷徑流流失量分別為7.49～18.04、0.74～3.47 kg·hm。我國(guó)不同地區(qū)、不同模式稻田氮、磷流失量見表8。張子璐等基于文獻(xiàn)調(diào)研，研究了我國(guó)六大稻區(qū)的氮、磷徑流流失量，其中華中單雙季稻區(qū)的平均氮、磷流失量分別為16.59、0.89 kg·hm?？娊芙艿仍诎不粘埠谋O(jiān)測(cè)結(jié)果為單季稻氮、磷流失量分別為11.49～17.68、1.23～1.60 kg·hm。

表8 我國(guó)不同地區(qū)、不同模式稻田氮、磷流失通量Table 8 Nitrogen and phosphorus loss fluxes in paddy fields of different planting systems in different regions of China

稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流流失量與稻蝦共作模式相當(dāng)，蝦季的流失量也沒(méi)有明顯差異。在張丁月等的研究結(jié)果中，稻蝦共作模式農(nóng)田排水氮、磷輸出量分別為31.72、1.43 kg·hm。佀國(guó)涵等研究了稻蝦共作模式蝦季結(jié)束時(shí)的養(yǎng)殖廢水氮、磷排放通量，結(jié)果分別為9.6～10.7、2.0～2.5 kg·hm。

相比于高密度的池塘養(yǎng)殖蝦類，稻蝦綜合種養(yǎng)模式顯著降低了水產(chǎn)養(yǎng)殖的氮、磷排放通量。陳東興等研究了3種蝦類池塘養(yǎng)殖方式下氮、磷污染排放情況，青蝦、南美白對(duì)蝦和羅氏沼蝦TN排放強(qiáng)度分別為37.20、181.00 kg·hm和148.00 kg·hm，TP排放強(qiáng)度分別為7.78、46.80 kg·hm和34.50 kg·hm，遠(yuǎn)高于稻蝦輪作中蝦季的氮、磷流失量。

3.2 稻蝦輪作模式氮、磷流失風(fēng)險(xiǎn)期與影響因素

農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量與徑流發(fā)生量和徑流中氮、磷濃度有關(guān)。雖然稻蝦綜合種養(yǎng)對(duì)稻田的養(yǎng)殖溝和田埂進(jìn)行了田間工程改造，增加了田間容量，但從監(jiān)測(cè)結(jié)果看，稻蝦輪作模式產(chǎn)流系數(shù)（44.7%）仍高于同地區(qū)稻作模式（34.7%），主要是由于蝦季一直處于高水位運(yùn)行，同時(shí)養(yǎng)蝦過(guò)程還需要進(jìn)行水質(zhì)性換水和補(bǔ)水；而稻季出于機(jī)械栽種和收獲的需要，排水量比其他稻作模式更大。從地表徑流發(fā)生量來(lái)看，稻蝦輪作模式一年有兩次發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)期：蝦季結(jié)束時(shí)的排水和稻季收獲前的排水。本研究監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：蝦季結(jié)束時(shí)的氮、磷排放量分別占全年氮、磷排放量的29.9%、28.6%；水稻成熟期的氮、磷排放量分別占全年氮、磷排放量的9.3%、12.0%。

從地表徑流氮、磷濃度來(lái)看，餌料對(duì)蝦季田面水氮、磷濃度的影響明顯不及施肥對(duì)稻季田面水濃度的影響。主要原因有兩點(diǎn)：一是蝦季田面水水層深（＞40 cm），緩沖容量大，而稻季田面水水層淺（＜15 cm）；二是餌料中氮、磷多為有機(jī)態(tài)，養(yǎng)分的釋放過(guò)程較長(zhǎng)，而肥料中氮、磷多為無(wú)機(jī)態(tài)，水溶性好。因此，稻蝦輪作模式稻季施肥期（播種栽插期至分蘗盛期）是氮、磷流失的高風(fēng)險(xiǎn)期。這與張富林等、夏小江等、吳俊等對(duì)稻田施肥后田面水TN、TP濃度在施肥當(dāng)日達(dá)到最高，而后迅速下降，5～10 d趨于穩(wěn)定的研究結(jié)果一致。施肥后遇到降雨而產(chǎn)生地表徑流，極易發(fā)生氮、磷流失。稻蝦輪作模式稻季施肥后至少一周為流失風(fēng)險(xiǎn)期。

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)29次地表徑流中，TN濃度高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（以下稱Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)）的有26次，其中高于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的有10次。NH-N濃度高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的有5次，均為稻季施肥后不久發(fā)生的徑流。TP濃度高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的有16次，其中高于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的有10次。

因此，稻蝦輪作模式農(nóng)田地表徑流氮、磷流失風(fēng)險(xiǎn)期共有3個(gè)時(shí)間段：其一為蝦季結(jié)束后，排放田面水至水層適合水稻栽插時(shí)期。田面水自然落干，盡可能減少外排水量和減少對(duì)田面水的擾動(dòng)可以有效減少這一時(shí)期氮、磷的流失；其二是稻季底肥施用至追肥施用后一周的施肥期，即水稻栽播至分蘗盛期，除改進(jìn)施肥方法（養(yǎng)分總量控制、控釋肥替代、深施等）外，應(yīng)盡可能降低田面水水位，提高稻田庫(kù)容，減少降雨產(chǎn)流外排的風(fēng)險(xiǎn)；其三為稻季水稻收獲前，排放田面水，使田面落干以利于機(jī)械收獲，應(yīng)控制好斷水時(shí)間，盡可能讓田面水自然落干，控制田面水的排放。

4 結(jié)論

（1）稻蝦輪作模式年徑流發(fā)生量為（1 270±287）mm，年均產(chǎn)流系數(shù)為44.7%；蝦季由于養(yǎng)殖需要，產(chǎn)流量為稻季的1.3倍。

（2）稻蝦輪作模式蝦、稻兩季的總氮、總磷流失量各占一半；受田面水層與投入品的影響，蝦季和稻季氮、磷流失形態(tài)、徑流水中各形態(tài)氮、磷濃度和田面水中各形態(tài)氮、磷濃度有所不同，蝦季以硝態(tài)氮和可溶態(tài)磷為主，稻季以銨態(tài)氮和顆粒態(tài)磷為主。

（3）識(shí)別稻蝦輪作模式氮、磷流失的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段為：蝦季結(jié)束時(shí)的排水期（6月初）、稻季成熟期的排水期（9月初），以及強(qiáng)降雨和施肥后一周內(nèi)的耦合期（6—7月）。

（4）依據(jù)蝦、稻兩季田間管理和徑流特征的不同，以下途徑可有效減少氮、磷流失量：蝦季適當(dāng)降低養(yǎng)殖水位，在生產(chǎn)季節(jié)結(jié)束時(shí)，提前自然落干田面水；稻季減少排放施肥后泡田水，成熟期排水前控制斷水時(shí)間，使田面水自然落干。