李亚威，徐俊增,2，刘文豪，缴锡云,2，周姣艳，张 坚

明沟-暗管组合控排下稻田水氮流失特征

李亚威1，徐俊增1,2※，刘文豪1，缴锡云1,2，周姣艳3，张 坚3

（1. 河海大学农业科学与工程学院，南京 211100；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.昆山市城市水系调度与信息管理处，苏州 215300）

准确认识稻田灌溉或降雨引起的排水发生规律及面源污染物排放特征，有助于优化控制灌排措施，实现稻田高效控污减排。该研究通过在稻田暗管和明沟排水出口处设置水位控制装置，组成了稻田明沟-暗管组合控排系统，针对6次典型灌溉引起的排水事件，监测了暗管出口和明沟出口处的排水强度和氮素浓度，开展了水氮流失规律研究。结果表明，在仅明沟控制排水（OD）下，灌溉引起的明沟排水量占总灌水量的44.0 %，灌溉导致的排水占比较大，应引起重视；对于明沟-暗管组合控制排水（CD），暗管和明沟控排的两级衔接改变了稻田和明沟的排水过程，使CD明沟出口排水峰值、强度及排水持续时间均低于OD，排水量降低了51.6%，CD明沟排水量占灌水量的比例降至24.4%；灌溉伴随施肥的排水事件（F1、F2和F3）中铵氮（NH4+）、硝氮（NO3-）和全氮（TN）的浓度远高于单纯灌溉的排水事件（D1、D2和D3），应注意施肥关键期的排水管理以减少氮素流失；CD明沟控排对暗管排水中的NH4+、NO3-和TN的消减比例分别为52.2%、54.2%和54.9%，同时CD明沟排水NH4+、NO3-和TN负荷相比OD明沟排水降低了42.6%、70.7%和39.3%，明暗组合控排系统的控污减排效果明显。因此，明暗组合控排措施具有较好的减排控污效果，对提高南方稻作区农田水氮利用效率和减轻面源污染具有一定借鉴意义。

灌溉；排水；暗管；氮素流失；稻田

0 引 言

水稻是主要的粮食作物之一。中国第三次全国国土调查主要数据公报显示，水稻种植面积约占中国耕地面积的25%。由于水稻的半水生特性，其生育期对水分的需求量较高，全生育期耗水量大，稻田灌水量占中国农业用水量的65%以上[1]。近些年，稻田节水灌溉的推广使稻田的用水量在一定程度上有所降低[2]。但由于过量施肥，加之降雨和不合理灌排引起的径流、侧渗、和渗漏等排水携带大量农田氮磷等营养物质进入周边水体，由此引起的面源污染仍然十分严峻[3-4]。因此，通过稻田控制灌排措施协调降雨、灌溉和排水对于提高水分利用效率、缓解面源污染具有重要意义。

明沟排水系统是稻田排涝的有效措施，在当下由农田引起的面源污染加重的背景下，明沟作为稻田径流和侧渗排水的承接者，在其排水系统中增加控制排水设施已成为减少农田排水和氮磷污染物排放的有效措施[5-7]。高焕芝等[8]针对稻作区控制灌排的研究表明，控制灌排相比常规灌排，排水总量减少约54%，铵氮、硝氮和总磷流失量分别减少38.07%、82.29%和52.15%。而从田块尺度来讲，设置田埂高度的控排措施主要是为了拦蓄强降雨产生的排水[9]，地表排水中的氮磷等物质浓度通常较高，不利于面源污染的控制。暗管排水作为旱地除涝治渍的有效手段，通过对田间水位的调控可有效提高水肥利用效率并减少污染[10]。在旱地棉田，袁念念等[11]研究发现，出口安装控制排水装置的暗管较自由排水可减少排水量61.3%～86.9%。将暗管排水用于稻田，可将稻田表水下渗至暗管，从而最大程度地降低地表排水的风险[12]，通过暗管水位调控，可实现对灌溉来水的控制，减少排水。Darzi-Naftchali等[3,13-14]在伊朗北部展开了一系列稻田暗管排水试验，初步证明了暗管排水技术在提高产量和水氮利用效率的益处。然而目前国内暗管控制排水技术在稻田的应用还较少[15]，仍然需要更多研究探索其在稻田节水减排中的应用价值。

本研究基于田间布置的稻田暗管排水控制系统和明沟排水控制系统，组成明沟-暗管组合控制排水系统，通过对6次典型灌溉排水事件的排水过程和氮素流失变化特征的高频监测，讨论明暗组合控排措施在控制稻田灌溉引起的排水和氮素流失的作用及机制，以期为推行合理的稻田控排组合模式来提高灌溉水分利用率、缓解稻田氮素流失的环境负效应提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年6—10月在河海大学水文水资源与水利科学国家重点实验室昆山排灌试验基地（34°63′21″ N，121°05′22″ E）进行。试验基地位于江苏省昆山市千灯镇，属于太湖流域平原，为亚热带南部季风气候。该地区多年平均气温15.5 ℃，降水量1 097 mm，蒸发量1 366 mm，日照时数2 086 h, 无霜期234 d。试验地已执行多年稻麦轮作，土壤类型为潴育型黄泥土，土壤耕层质地为黏土（砂粒3.7%，粉粒7.3%，黏粒89.0%），0～18 cm土层土壤容重为1.32 g/cm3，有机质含量为21.88 g/kg，全氮1.1 g/kg，全磷1.4 g/kg，全钾20.9 g/kg，pH值为7.4。水稻从插秧到收获生育期（6月25日—10月27日）总降雨量为414.8 mm。

1.2 试验设计

1.2.1 试验布置

试验在试验基地6个标准防渗试验小区进行，小区面积均为150 m2（10 m×15 m），四周建有钢筋混凝土隔水墙（高1.0 m，厚0.4 m，内侧涂装防渗涂层）。试验小区和排水明沟布置见图1。

试验有两种不同的排水控制组合方式：明沟控制排水（田间侧渗自由排水+明沟控制排水，OD）和明沟-暗管组合控制排水（田间暗管控制排水+明沟控制排水，CD），OD和CD各自的明沟分别承接3个试验小区排水。对于OD的3个试验小区（分别命名为OD1、OD2和OD3），为了模拟田间侧向排水进入明沟，在每个小区挨着明沟的混凝土隔水墙内侧，于田面以下30和60 cm深度设置透水管（DN110，管直径110 mm），通过三通转接垂直穿过混凝土隔水墙，向OD明沟自由排水。在OD明沟出口处布置兼具排水水位控制和排水计量功能的量水堰，以控制明沟水位和监测排水流量。CD的3个试验小区（分别命名为CD1、CD2和CD3）沿田块中线与明沟垂直布置排水暗管（DN110），埋深均为田面下60 cm。

为达到排除稻田地表积水的目的，CD的3个田块排水暗管布置借鉴改进的暗管安装设计[16]，选用大石子（粒径范围＞20～40 mm）、中石子（＞10～20 mm）、瓜子片（3～10 mm）及素土组成反滤体，构造如图2所示。CD的3个试验小区暗管排水出口设置水位控制管、水位指示管、排水箱及量水堰，通过调节水位控制管出水口高度控制田间水位和暗管排水过程，通过量水堰堰上水头的自动监测实现排水过程的高频监测，布置如图3所示。CD明沟出口布置控制排水设施同OD明沟，两明沟中间设置隔断，互不连通。同时在6个小区田表挡墙外分别布置田面径流排水测量与控制装置，当田面水深超过三角堰堰口时发生地表径流排水，此时通过堰上水头的自动测量监测田表排水过程。为了防止田块内水分沿混凝土挡墙形成优先流进入滤管，沿田块四周布置斜田埂至挡墙顶部（图3）。

1.2.2 试验方案

OD的3个试验小区（OD1、OD2和OD3）布置透水管模拟田间自由侧渗排水，仅在明沟出口设置控制排水设施。明沟出口设有45°薄壁三角堰，堰口水位零点设置为田面以下40 cm，实现对OD明沟的排水调控和排水过程监测。CD采用暗管-明沟两级控制排水措施。CD1、CD2和CD3试验小区暗管排水出口水箱设有30°薄壁三角堰，堰口水位零点设置为田面以下30 cm。暗管出口水位控制管排水出口高度设置为田面以下20 cm。CD明沟出口三角堰设置同OD明沟出口，实现暗管与明沟两级控制排水。各小区田表排水出口设有30°薄壁三角堰，堰口水位零点设置为田面以上5 cm，用于监测可能的强降雨产生的田面排水。

所有试验小区采用同一施肥方案，即基肥（复合肥，16-12-17，施纯氮84 kg/hm2）、返青肥（尿素，69.6 kg/hm2）、分蘖肥（尿素，69.6 kg/hm2）和穗肥（尿素，55.7 kg/hm2）。试验期间降雨分布如图4所示。试验田块灌溉均施行当地普遍推行的节水灌溉，6个试验小区执行相同的灌溉标准，水稻各生育阶段灌溉使用的耕层土壤水分控制上下限阈值见参考文献[17]，每个试验小区单独配备电磁流量计记录灌水量，水稻全生育期各小区实际灌水量如表1所示。

表1 各试验小区水稻不同生育阶段灌水量

考虑到灌水和施肥时机对排水量和氮素损失量的交互影响，研究分别选取3次施肥后灌水引起的排水事件（6月30日施返青肥、7月12日施分蘖肥和8月6日施穗肥，分别命名为F1、F2和F3）和3次单纯灌水后的排水事件（7月19日、8月10日和9月13日，分别命名为D1、D2和D3）作为典型灌溉排水过程，以详细描绘明暗组合控排措施下灌溉引起的排水过程和氮素损失特征。虽然6个试验小区灌水技术参数设置相同，但由于田块渗漏差异，各试验小区灌溉制度出现了较大不同（表1），而本研究所关注的排水过程只针对6次具体的灌排事件，与灌溉制度关系不大。6次灌排事件中仅F3事件当天灌水开始前发生5.6 mm降雨，其余事件灌水前2 d及排水过程中均无降雨发生，选择的6次灌排事件受降雨的影响均较小。

1.3 排水监测与水样采集分析

本研究主要关注典型灌溉引起的排水过程及其氮素流失特征。从灌溉开始至田间暗管产生排水时，在CD1、CD2和CD3暗管排水出口下游水舌处取水样。针对OD和CD的明沟排水出口，当水位到达堰口水位零点开始排水时，在三角堰下游水舌处取水样。暗管和明沟排水初期采样频率为1次/h，后期根据排水强度变化酌情调整，直至排水结束。每次采样在10分钟内采集3个15 mL水样，混合得到45 mL混合水样，以降低偶然因素影响。

水样采集后带回室内至于4 ℃冷藏箱保存，并在24 h内完成水质化验，测定指标包含铵态氮（NH4+）、硝态氮（NO3-）和全氮（TN）。NH4+浓度测定采用1 mol/L KCl溶液浸提-分光光度法，NO3-浓度测定采用紫外光分光光度法，TN浓度测定采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法[18]。每次灌溉排水过程的氮素总流失量根据下式计算：

式中为一次灌溉排水过程氮素总流失量，kg/hm2；为单次灌排事件的取样次数；D+1为第次至+1次取样间的排水量，mm；C+1为第+1次水样的氮素浓度，mg/L。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2016软件对典型灌溉排水过程中的排水量和氮素损失量进行数据整理和统计分析，使用SigmaPlot 12.5 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 典型暗管-明沟排水过程

本研究选取的6次灌水引起的排水过程如图5所示。所有6次灌排事件中，灌水延续时长均为2.5或3 h，实际灌水量见表1。由于灌水量和田块边界的限制，6次灌水均未产生地表排水，但均有暗管排水和明沟排水发生（图5）。对于暗管控制小区（CD1、CD2和CD3），暗管排水过程变化趋势较为一致，排水强度均随着时间先增大后减小，且有明显的排水峰。在6次排水事件中各小区暗管排水开始时间和峰值出现时间有明显的差异。暗管排水开始时间主要受灌水前小区土壤水分状况影响。F1灌水发生在返青期，田间水分充足，在灌水1 h即发生排水，排水峰值出现在灌水结束时（3 h）；D2和D3灌水发生在拔节和乳熟期，水分调控下限低，灌水前土壤含水率较低，在灌水开始后1.5～2.5 h发生排水，峰值出现在第3.5～4.5 h；而在D1、F2和F3灌水事件发生在分蘖和拔节孕穗期，此时期在灌水邻近结束时才发生排水，峰值出现在第3.5～4.5 h。除了排水开始时间的差异外，各小区暗管排水强度峰值大小在6次灌水事件中也有明显差异，峰值范围为2.1～5.5 mm/h，这主要受灌水量的影响。

承接田块排水的CD和OD明沟在6次灌水事件中也均产生了排水。在时间上，两个明沟的排水强度均表现为先增大后减小的趋势，且基本为单峰（图5）。CD明沟排水开始的时间除F1和F3灌水事件发生在灌水即将结束时外，其余均发生在灌水结束后，这主要受排水沟前期水位影响，F1、F3和D2灌水事件前排水沟承接的降雨和灌水排水较多，沟水位较高，故容蓄田块排水能力有限。各次排水的排水峰值范围为0.5～6.5 mm/h，差异较大，这主要受沟水位和暗管排水强度影响。从3个小区暗管排水和CD明沟排水的衔接上来讲，除了F3排水事件外，明沟排水开始的时间均晚于暗管排水，明沟排水的峰值出现时间与暗管排水同步或明显晚于暗管排水。OD明沟的排水强度在6次灌水事件中均明显大于CD明沟，其平均排水强度为CD明沟的1.5～4.4倍，排水峰值为1.3～8.2倍。OD的3个小区侧渗排水出口未设置控制排水装置，OD明沟出口控制水位相当于田块控制水位，这是其与CD的明暗两级控制的最大区别。从排水开始时间上看，除了F2和F3排水事件，OD明沟排水也明显早于CD。

2.2 典型排水过程中的氮素流失特征

6次灌溉引起排水过程的氮素浓度动态有明显差异（图6、图7和图8）。首先，在3次灌溉和施肥同天进行的灌水事件（F1、F2和F3）中，CD1、CD2和CD3暗管排水的NH4+和TN浓度随着排水逐渐增大，NH4+平均浓度分别为2.7、4.9和4.8 mg/L，TN平均浓度分别为4.2、7.8和7.4 mg/L，而NO3-浓度除初期排水出现浓度波动外，整体上则表现出逐渐降低的趋势，平均浓度明显低于NH4+，分别为0.5、0.5和0.3 mg/L，排水中的氮素形态主要以NH4+和可溶性有机氮为主，NO3-的浓度处于较低水平。而在施肥之后一周内的D1和D2灌水事件中，NH4+、NO3-和TN浓度均随着排水进行逐渐降低，NH4+平均浓度在0.6和2.3 mg/L，NO3-为0.1和0.2 mg/L，TN为1.2和3.9 mg/L。对于离施肥时间较远的D3灌水事件，其排水中的NH4+和NO3-平均浓度在0.1 mg/L左右，TN平均浓度为0.7 mg/L，均处于较低水平。3个小区暗管排水开始时排水中的氮素浓度有一定差异，在一定程度上体现了各小区灌水前土壤氮水平差异。但对于暗管控制排水来说，单次排水的氮素浓度主要由灌溉时间距施肥时间长短决定。

明沟CD承接了CD1、CD2和CD3的暗管排水，其排水中的氮素浓度与3个小区排水的氮素浓度关系密切。CD明沟排水过程中NH4+、NO3-和TN浓度的变化趋势在6次灌水事件中与3个小区暗管排水整体上较为一致，但CD明沟排水的平均氮素浓度在大部分排水事件中要明显低于小区的暗管排水氮素浓度。OD明沟排水NH4+、NO3-和TN浓度变化趋势与CD也基本相一致，但OD明沟NH4+和TN在F1、F2、F3以及D1、D2排水事件中的平均浓度范围为0.3～2.6和1.1～4.9 mg/L，略低于CD明沟的0.4～3.2和1.1～5.4 mg/L，而对于NO3-来说，则是OD明沟略高于CD明沟。

2.3 典型排水的水氮流失量

单次排水量及排水强度在不同的排水控制中有明显不同。控制灌溉制度生育期灌水上下限引起了6个小区单次灌水量的差异。图9给出了排水强度峰值和排水量与单次灌水量的相关关系。CD明沟控制的3个小区暗管排水量和排水峰值与灌水量均呈显著正相关（<0.05），3个小区在6次灌排事件中的平均排水量占灌水量的比例为28.8%～39.3%（表2）。CD明沟的排水量和排水峰值与灌水量相关性不显著，其6次事件平均排水量占灌水量的比例为24.4%。而OD明沟排水量和排水峰值与3个小区灌水量呈显著正相关关系（<0.05），6次灌排事件平均排水量占灌水量的比例为44.0%，相比OD明沟，CD明沟的排水量降低了51.6%。CD田块暗管控制排水在一定程度上改变了CD明沟的排水特征，相比OD仅明沟出口控制排水，CD暗管加明沟两级控制排水大大减小了灌溉引起的排水比例。

表2 典型灌溉排水过程暗管-明沟累积水氮流失量

注：F1+F2+F3和D1+D2+D3分别表示施肥后灌水（F）和仅灌水（D）各3次灌排事件的和; D/I表示排水量占灌水量的比例。

Note: F1+F2+F3 and D1+D2+D3 represent the sum of three irrigation-drainage events after fertilization (F) and irrigation only (D), respectively; D/I represents the ratio of drainage amount to irrigation amount.

6次典型灌排事件中，排水中的氮素总负荷与施肥与否存在联系。在灌水与施肥耦合的3次灌排事件中，CD两级排水和OD排水中的无机氮以NH4+为主，NO3-比例很低，二者分别占TN负荷的58.1%～64.0%和7.2%～15.9%，对于仅灌水的3次灌排事件，这一占比为50.2%～58.5%和7.2%～16.3%，排水中NH4+比例降低的原因是D3灌排事件距离施肥时间较远，施肥带来的NH4+已基本被利用或转化，因此其排水中的NH4+浓度处于很低的水平。F1、F2和F3事件中，CD明沟承接CD1、CD2 和CD3小区3次总排水的NH4+、NO3-和TN负荷分别为1.59、0.19和2.54 kg/hm2，远高于仅灌水的3次灌排事件（NH4+、NO3-和TN负荷分别为0.44、0.07和0.85 kg/hm2）。在施肥后灌水的3次灌排事件，CD明沟对暗管排水中的NH4+、NO3-和TN的消减比例分别为55.2%、61.7%和59.1%；在仅灌水的3次灌排事件，三者的消减比例分别为49.2%、46.6%和50.6%，6次灌排事件的平均消减比例为52.2%、54.2%和54.9%。CD明沟排水氮负荷明显低于OD明沟排水，前者NH4+、NO3-和TN负荷在灌水和施肥耦合事件中仅为后者的71.7%、35.7%和71.4%，在仅灌水的排水事件中为后者的43.2%、22.9%和50.3%，6次灌排事件CD明沟排水NH4+、NO3-和TN负荷相比OD明沟分别降低42.6%、70.7%和39.3%。

3 讨 论

在稻田排水中，以往研究主要集中在强降雨引起的地表径流排水和侧渗排水[19-21]，或者从全生育期总体评判灌溉和降雨的排水损失量[22-23]，而较少单独关注灌溉引起的排水。本研究提取并详细描绘了水稻主要生育阶段6次典型灌溉引起的排水过程，在模拟侧渗自由排水的OD中，6次排水事件的明沟总排水量占灌溉量的比例达到44.0%，考虑到OD明沟控制排水容蓄了部分水量，从田间损失的水量占总灌水量的比例将会更高。因此，稻田由灌溉引起的排水可能在整个水稻生育期中占有很大的比例，不容忽视。OD的明沟排水量以及排水峰值均与灌水量呈显著正相关关系（图9，<0.05），这与由降雨引起的排水特征具有一致性[19,24]。考虑到稻田施肥常常与灌溉叠加，在本研究选取的3次灌水叠加施肥的排水事件中，其在整个排水过程的NH4+、NO3-和TN浓度明显高于仅灌溉的排水事件（图6、图7和图8）。因此，控制施肥关键期的稻田排水，可能是降低稻田氮素流失的关键。

从田块角度，减少排水主要有两个手段，一个是减少稻田水层存在天数，在稻田灌溉中使用节水灌溉模式，使稻田在大多数时间处于无水层状态，可明显降低稻田排水风险[25]。本研究使用控制灌溉节水模式，通过测量土壤含水率计算灌水量，不同小区灌水量的差异证明排水量与灌水定额呈显著正相关关系（图9b）。因此，在推行节水灌溉时应充分考虑单次灌水量从而减少排水量。另一个减少排水的方法是提高稻田排水控制水位限，通过提高地表允许积水深度或地下排水水位限来减少排水量。朱成立等[9]通过提高田埂高度显著减少了60.6%的地表排水量，和玉璞等[26]通过提高稻田控制排水水位进行灌排耦合调控，结果较常规灌排稻田减少了地下排水量49.9%。从排水沟角度，控制排水装置可以在明沟内容蓄部分排水，降低产生侧向排水的水头值，起到减少排水的作用[9,27]。本研究中，CD的3个试验小区增加了暗管控制排水装置，提升了田间的排水水位限，6次排水事件的暗管排出水量占灌水量的比例为28.8%～39.3%，加之明沟控制排水的拦蓄，排水比例降至24.4%（表2），明沟-暗管组合的控排措施明显降低了灌溉引起的排水量。明暗组合控排措施下，排水过程发生了明显改变，在明沟排水中，灌水量与排水指标的相关关系不显著（图9）。暗管和明沟控排的两级衔接，使CD明沟出口的排水峰值和排水事件均低于OD，排水量因此明显下降。

在短期排水中，田间控制排水措施主要通过减少排水量来减少氮磷的损失，这从一些研究具有相似的排水减排比和氮素减排比可以看出[5,9,20]。本研究CD组合控排相比OD的排水减少了51.6%，TN减少39.3%，氮素减排比低于排水减排比，这主要是因为CD排水的NH4+浓度略高于OD，可能是由于CD田间水位的提高营造了厌氧环境，阻碍了硝化作用的进行[28]。通常施肥之后的一段时间，地表排水的氮素浓度较高，对地表排水的控制可很大程度降低氮素损失。除了设置地表排水控制外，在稻田设置暗管排水设施可以将过量的田表水尽可能地转移到地下，减少田表排水风险，同时经过土壤过滤，暗管排水的氮磷浓度将明显低于地表水[29]。

决定明沟排水的因素主要有田间排水和沟初始水位，在本研究选取的6次排水中，有4次CD明沟排水滞后于OD明沟，F2和F3排水事件中，先于OD产生排水，这是因为在这两次事件中，CD明沟的初始水位高于OD，其调蓄能力较弱。因此，对于田块和明沟组合控排来说，灌溉前的明沟初始水位是决定排水发生时间和排水量的关键。在灌溉叠加施肥的排水事件里，排水沟输入浓度较高的污染物，在明暗两级控制排水中保持较低的明沟水位有利于排水的容蓄，如在施肥期将明沟高浓度含氮水（尤其是早期排水）重新抽入田间进行二次利用，土壤对氮的吸附能够减少二次排水的污染物含量。于颖多等[30-31]的研究表明，排水循环灌溉不仅可以补充灌溉和减少排水，还能通过稻田过滤作用减少二次排水的氮磷含量，从而缓解面源污染。

4 结 论

1）在仅明沟控制排水条件下，稻田灌溉引起的明沟排水占总灌水量的44.0%，灌溉导致的侧向排水应引起重视，特别是在灌溉与施肥的耦合关键时期，应采取措施降低排水。明沟-暗管组合控排相比单独的明沟控排，排水占灌水的比例降至24.4%，有效减少了灌溉引起的排水量。

2）明暗组合排水措施改变了灌溉引起的明沟排水过程，暗管和明沟控排的两级衔接，使明暗组合控排下的明沟出口排水峰值和排水持续时间均明显低于仅明沟控排。明暗组合控排对暗管排水中的NH4+、NO3-和TN的消减比例分别为52.2%、54.2%和54.9%。同时明暗组合控排的NH4+、NO3-和TN排水氮负荷相比仅明沟控排降低42.6%、70.7%和39.3%，控污减排效果明显。

3）灌溉和施肥耦合的灌排事件中，NH4+和TN随着排水过程而逐渐增大，仅灌溉的排水事件中，NH4+、NO3-和TN随着排水过程而逐渐降低，且灌溉和施肥耦合的灌排事件中的氮浓度远高于仅灌溉的排水事件，应注意施肥期的排水管理，以减少氮素流失。

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Characteristics of water and nitrogen loss under subsurface pipe-open ditch controlled drainage in paddy fields

Li Yawei1, Xu Junzeng1,2※, Liu Wenhao1, Jiao Xiyun1,2, Zhou Jiaoyan3, Zhang Jian3

(1.211100,; 2.-210098,;3215300,)

Severe non-point source pollution has widely resulted from the nitrogen losses in paddy-field drainage in southern China, due mainly to excessive application of chemical fertilizers and unreasonable irrigation. The goal of this study was to improve the water use efficiency, while mitigating the reactive nitrogen losses in paddy fields. A controlled drainage system (CD) was designed to combine the subsurface pipe and open drainage ditches, with an open-ditch controlled drainage system (OD) as a control group. Specifically, the CD system consisted of a controlled drainage ditch and three field plots (CD1, CD2, and CD3) with a controlled subsurface pipe. By contrast, the three-field plots (OD1, OD2, and OD3) were free subsurface pipes in the OD system, where the field water freely drained into the drainage ditch through lateral infiltration. The drainage intensity and nitrogen concentration were monitored in various forms at the outlets of subsurface pipe and open ditch with a high frequency in six selected irrigation-induced drainage events, including three irrigation-drainage events with the fertilization (F1, F2, and F3) and three irrigation-drainage events without fertilization (D1, D2, and D3). The results showed that the drainage loss induced by six irrigation-drainage events accounted for 44.0% of the total amount of irrigation water in the OD system, indicating low water use efficiency. The combination of controlled drainage between the subsurface pipe and the open ditch greatly changed the drainage from the paddy field to the open ditch in the CD system. In all irrigation-drainage events except F3, the start time of open ditch drainage was later than that of subsurface pipe drainage, whereas, the peak of the intensity in the open ditch drainage was synchronized or significantly later than that of subsurface pipe drainage. Furthermore, the drainage peak and intensity of the open ditch in the CD system were much lower than those in the OD system among all six irrigation-drainage events. Specifically, the drainage peak of the latter was 1.3 to 8.2-fold that of the former, where the average drainage intensity was 1.5 to 4.4-fold. Compared with the OD, the CD decreased the drainage peak, intensity, duration time, as well as total drainage loss, where the proportion of drainage amount in the total amount of irrigation water dropped to 24.4%, indicating an effective role in drainage mitigation. In the irrigation-drainage event F1, F2, and F3, the concentrations of ammonium (NH4+) and total nitrogen (TN) in the drainage from the outlets of subsurface pipe (CD1, CD2, and CD3) and open ditches (CD and OD) gradually increased over time until the end of the drainage. Nevertheless, the concentrations of NH4+, nitrate (NO3-), and TN in the drainage from these same outlets gradually increased over time in the irrigation-drainage events D1, D2, and D3. Furthermore, the average concentrations of NH4+, NO3-and TN in the drainage from F1, F2, and F3 were much higher than those from D1, D2, and D3, indicating that the nitrogen loss was effectively reduced during the drainage management in a certain period after fertilization. As such, the open ditch in the CD system significantly intercepted a large number of nitrogen loads from subsurface pipe drainages. The nitrogen losses in the forms of NH4+, NO3-and TN from open ditch drainage in the CD system greatly decreased by 42.6%, 70.7%, and 39.3%, respectively, compared with the OD system. Consequently, the CD system can be expected to significantly reduce drainage loss and control non-point source pollution. This finding can also provide promising drainage control for the paddy field in southern China.

irrigation; drainage; subsurface pipe; nitrogen loss; paddy fields

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.013

S274

A

1002-6819(2021)-19-0113-09

李亚威，徐俊增，刘文豪，等. 明沟-暗管组合控排下稻田水氮流失特征[J]. 农业工程学报，2021，37(19)：113-121.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.013 http://www.tcsae.org

Li Yawei, Xu Junzeng, Liu Wenhao, et al. Characteristics of water and nitrogen loss under subsurface pipe-open ditch controlled drainage in paddy fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 113-121. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.013 http://www.tcsae.org

2021-08-02

2021-09-12

国家重点研发计划课题（2018YFC1508303）

李亚威，博士，助理研究员，研究方向为农田高效灌排及其环境效应。Email：yaweizx@hhu.edu.cn

徐俊增，博士，教授，博士生导师，研究方向为节水灌溉理论与技术。Email：xjz481@hhu.edu.cn

中国农业工程学会会员：徐俊增（E04000023A）