水稻控制灌排模式的节水高产减排控污效果

俞双恩，李 偲，高世凯，王 梅，孟佳佳，汤树海



水稻控制灌排模式的节水高产减排控污效果

俞双恩1,2，李 偲1,2，高世凯1,2，王 梅1,2，孟佳佳1,3，汤树海4

（1. 河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098； 2. 河海大学水利水电学院，南京 210098； 3. 淮安市水利局，淮安 223001； 4. 涟水水利科学研究站，淮安 223001）

为合理地集成控制灌溉和控制排水技术，实现节水、高产、减污目标的统一，该文应用控制灌排技术于2015-2016年在涟水县水利试验站开展大田小区试验，对稻田灌溉用水量、产量及氮磷流失情况进行监测和分析。2 a研究结果表明：与对照处理（控制灌溉）相比，采用轻旱控制灌排技术并不导致水稻减产，且稻田灌溉定额能够降低11.89%(<0.05)，同时由于排水峰值和排水次数明显减少，总磷、铵态氮、硝态氮稻田表面径流流失负荷分别降低54.58%、36.29%和60.10% (<0.05)，但在雨量较多的年份会增加渗漏量，从而造成总磷、铵态氮淋失负荷升高；采用重旱控制灌排技术时，水稻减产不显著，稻田灌溉定额减少29.88%，排水定额减少58.95%，总磷、氨态氮、硝态氮地表径流流失负荷分别降低59.23%、38.88%和62.97%，但淋失负荷分别增加了24.57%、30.17%和15.88%，可能造成地下水污染。应用基于序关系分析法和熵值法组合权重的TOPSIS理想解法对水稻灌排方案进行优选决策，结果表明轻旱控制灌排在保证粮食生产量的前提下具有良好的节水减排控污效果。

氮；磷；排水；稻田；控制灌排模式；优选

0 引 言

水稻作为中国主要的粮食作物之一，其种植规模及高产稳产，对中国粮食安全和稻农增收起着重要作用。南方稻作区，水稻生长期与汛期同季，经常性的暴雨产生农田排水使稻田水肥流失成为农业面源污染的重要来源[1-2]。水稻具有一定的抗旱能力和较强的耐渍涝能力[3]，轻度干旱胁迫的节水灌溉技术不仅在一定程度上降低了稻田氮素的渗漏淋溶作用[4]，提高水稻水肥利用率[5-6]，实现高产稳产，而且能提升稻米整精米率，降低垩白度[7]；适当增加雨后蓄水深度，可在水稻保持高产的前提下，降低防洪除涝压力，提高雨水和灌溉水利用效率，具有良好的节水减排效果[8-9]。

已有研究表明，将水稻节水灌溉技术与控制排水相结合，可高效利用养分和水分，充分发挥稻田的湿地效应，减少灌排定额和稻田氮磷污染物负荷，实现节水高产、减排控污的目标[10-13]。但将水稻控制灌溉与稻田控制排水[13-14]技术进行合理耦合，形成水稻全生育期的水稻控制灌排技术，进行节水减排控污效果的研究却鲜见报道。笔者以稻田水位[15]为灌排调控技术指标，基于大田小区观测试验资料，分析水稻生长期间控制灌排技术对灌排水量和氮磷流失量的影响，并进一步分析在适当提高雨后允许蓄水深度下，保持或者甚至低于现有节水灌溉模式的灌溉下限对节水减污效果的影响，以期为制定水稻高效控制灌排技术模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年和2016年6—10月的水稻大田生长期在涟水水利科学研究站试验田内进行。试验区位于江苏省淮安市涟水县朱码镇境内（119°16′E，33°50′N），属于亚热带湿润性气候，年平均气温14.4 °C，降雨量时间分布不均，年内变化和年际变化较大，多年平均降雨量979.1 mm，年蒸发量1 385.4 mm，日照时数2 280 h，平均无霜期240 d。供试区耕层土壤质地为壤土，0～30 cm土层土壤田间持水率为27.9%（质量含水率），土壤容重为1.42 g/cm3，pH值为6.82，有机质质量分数为2.19%，全氮为0.98 g/kg，全磷为1.12 g/kg。

1.2 试验方案设计

供试水稻品种为当地高产品种两优9 918。2015年水稻于5月23日泡种，5月25日育秧，6月23日移植于各试验小区田块，10月28日收割。2016年水稻于5月27日泡种，5月30日育秧，6月27日移植，10月30日收割。水稻移植密度皆为15 cm×22 cm，每穴3根籽苗。水稻生长期共施3次肥，基肥为复合肥（N:P:K为15:15:15），施肥量为900 kg/hm2，基肥在泡田后均匀散入施入田间，随即用田耙将它与表土拌匀。追肥2次均为尿素（含氮量为46.4%），其中分蘖肥施肥量为50 kg/hm2（2015年在移栽后23 d撒施，2016年在移栽后18 d撒施），穗肥施肥量为50 kg/hm2（2015年在移栽后42 d撒施，2016年在移栽后39 d撒施）。2a生育期划分见表1。

试验各处理水位调控方案设计详见表2。常规灌排（CK）采用控制灌溉（农田水位低于–200 mm灌水到30 mm）和传统排水模式（农田水位超过60 mm排水至允许蓄水农田水位60 mm）。控制灌排采用控制灌溉和控制排水技术，且控制灌溉中采用2种不同的灌水下限试验处理，即轻旱控排（LCID）以及重旱控排（HCID）。2种控制灌排处理其雨后允许蓄水深度均大于CK。每个处理布置在1个格田内，格田规格为90 m×27 m，每个格田长边相邻布置供水渠和排水沟，短边有农渠和农沟，格田四周嵌入35 cm的薄膜并覆盖到田埂，消除了各处理之间的水位影响。每个格田设3个重复。所有处理，除水位调控严格按照设计指标执行外，其他农技措施一致。

表1 水稻各生育期起止时间

Table 1 Beginning and ending date of each growing stage of rice

表2 各处理农田水位调控方案

注：农田水位以田面为“0”，正值表示田面水层深度，负值表示农田地下水的埋深。

Note: Water level in field is considered as 0 at soil surface, water layer depth above soil surface and groundwater depth below soil surface are positive and negative values.

1.3 测定指标与方法

1）降雨量。由涟水县水利试验点自动气象站安装的雨量计收集降雨数据。

2）农田水位：当田面有水层时，指田面水深；当田面无水层时，指地下水埋深。每天09:00对田间水位进行观测。当田面有水层时，通过竖尺在固定观测点测量田面水层深度。无水层时，通过在试验田块中间等距离安装的3个地下水位观测井记录各小区浅层地下水的埋深。

3）农田灌排水量。农田灌水量通过水表测量，地表排水量采用水位差法，通过水尺定点观测排水前后田间水层深度差，排水遇雨时地表排水总量需要加上该排水时段内降雨总量。

4）田间耗水量、作物需水量及渗漏量。在各试验小区中央设置铁皮有底测筒，测筒内种植水稻，测筒水管理措施与试验小区保持一致。试验小区消耗水量为田间耗水量，有底测筒的耗水量作为水稻需水量[16]，渗漏量为两者之差。消耗水量皆采用水量平衡原理计算，需同步监测小区及测筒的水位、降雨量、灌排水量。其中测筒水位于每日09:00监测，有水层时量测水面到筒口的距离，无水层时利用与测筒底部连接的地下水观测管量测水面到筒口的高度。

5）水样提取及分析方法。地表水：在每个小区随机选择3～5个取样点，用50 mL医用注射器，不扰动土层抽取，取好后将地表水样进行混合装入样品瓶并做好标记。渗漏水：土壤渗滤液取样管为90 cm的PVC管，其中地上部分为20 cm，在离底部管口5～15 cm处打孔，用尼龙纱网将开孔处包紧，用铁丝扎好，防止土壤将孔堵塞，底部用塞子密封，以此取样管用来收集60 cm土层处的土壤渗滤液。并用脚踏吸引器提取渗漏液，装入塑料瓶并做好标记。各水样采集后低温保存于冰箱中，进行冷藏（3 ℃）处理，并在24 h内进行水质分析。地表水7 d取1次水样，地下水10 d取1次水样，遇雨和施肥加测。监测指标有铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3–-N）和总磷（TP）。水样测定分别采用纳氏试剂光度法，紫外分光光度法和钼锑抗分光光度法，测定仪器为岛津 UV2800紫外分光光度仪。

6）考种与测产。每小区调查3处平方米收获穗数，并从中随机采集5穴作为水稻产量构成因子的测定，调查每穗粒数、结实率以及千粒质量等指标。各小区选取5 m2的测产区实际测产。

1.4 灌排方案优选评价方法

1）确定指标体系及指标值。以节水减污高产综合效果评价为目标建立评价指标体系，并根据试验2015—2016年试验结果进行指标赋值。

2）确定指标权重。基于主观赋权的序关系分析法和客观赋权的熵值法[17-19]确定指标综合权重值，2种权重计算方法具体步骤详见文献[17]。基于最小信息熵原理，用拉格朗日乘子法优化后可得综合权重计算式为[20]：

式中为综合权重向量，为序关系法得到的权重向量，为熵值法得到的权重向量，为指标序号。

3）采用TOPSIS法计算各灌排方案指标值与理想值的贴近度，计算方法参考文献[20]。

1.5 数据处理

表格绘制采用Microsoft Excel 2003，数据利用SPSS19.0软件依据最小极差法（least significant difference，LSD）进行显著性分析（=0.05），作图采用OriginPro9.1软件，灌排方案优选利用Matlab编写算法实现。

2 结果与分析

2.1 控制灌排对灌水量、排水量和渗漏量的影响

2a各处理降雨量、灌排情况和农田水位变化如图1所示。试验区2015年、2016年水稻大田期降雨总量分别为831.0 mm和561.0 mm，其中暴雨发生次数分别为4次和3次，大暴雨仅2015年发生1次，日雨量达181 mm。各处理灌排水量、灌排水次数和渗漏量见表3。2015年LCID、HCID与CK相比，灌水量分别减少了16.13%和37.10%，地表排水量分别减少了68.59%和72.62%，稻田渗漏量分别增加了28.39%和15.77%；2016年LCID、HCID与CK相比，灌水量分别减少了9.72%和26.19%，地表排水量分别减少了32.97%和41.94%，稻田渗漏量仅HCID减少8.57%。LCID、HCID处理2 a平均稻田灌水量减少了11.89%和29.88%，排水量减少了52.72%和58.95%，均达到显著水平(<0.05)。以上结果表明控制灌排可有效减少稻田的排水次数和排水量，进而减少灌溉定额，尤其是HCID处理能够延长灌水周期，减少灌水次数，其节水省工效果更加显著。同时在2015年水稻生长期降雨量较大的年份稻田控制灌排抬高了雨后积水深度，延长了稻田淹水时间，引起渗漏量的增加。而2016年由于降雨量较少，HCID处理田面无水层的时间累积较长渗漏量反而显著减少。

图1 各处理农田水位及降雨量、灌排量动态变化

表3 不同处理灌排水量、灌排次数和渗漏量

注：同一年份同一列不同小写字母分别表示处理间差异达到5%显著性水平，下同。灌水包含移栽前的泡田灌水。

Note: In same year, values in the same column followed by different letters show significant difference among treatments (＜0.05),same as below. Irrigation includes steeping field before transplanting.

2.2 控制灌排对地表水氮磷流失负荷的影响

2.2.1 地表水NH4+-N、NO3–-N浓度动态变化

2 a地表水NH4+-N、NO3–-N浓度动态变化如图2所示。

图2 地表水中铵态氮和硝态氮质量浓度动态变化

总体趋势是随着生育进程的发展氮素浓度逐渐降低。生育初期基肥施入田间，此时水稻根系不发达，对氮素吸收能力较差，NH4+-N和NO3–-N浓度偏高。水稻进入分蘖期生长旺盛对氨态氮的需求量增大，NH4+-N浓度迅速降低，追施分蘖肥和穗肥后，地表水中的NH4+-N和NO3–-N浓度会有短暂的升高，大暴雨或旱后灌水也会使地表水NH4+-N和NO3–-N浓度有所上升。2015年移栽后第38天发生大暴雨，日降雨量达到181 mm，各处理氮素浓度有较大幅度的增加。降雨后HCID处理地表水NH4+-N和NO3–-N浓度比CK分别高56.25%和42.86%，比LCID分别高44.23%和17.65%，达显著水平(<0.05)。各处理全生育期内地表水NH4+-N和NO3–-N的平均浓度如表4所示。2015年LCID处理与CK相比地表水NO3–-N平均浓度降低23.60%，HCID处理地表水NH4+-N平均浓度与CK相比增加了21.29%。2016年LCID处理与CK相比氮素浓度变化不显著，而HCID处理地表水NH4+-N、NO3–-N平均浓度与CK相比分别增加了26.26%和23.14%。不同处理对地表水氮素平均浓度的影响在2 a间存在差异主要受到年降雨变化的强烈作用。

表4 不同处理地表水氮磷平均浓度和氮磷径流流失量

2.2.2 地表水TP浓度动态变化

如图3所示，稻田地表水TP浓度变化波动较大，但整体趋势也是随着作物生长TP浓度逐渐降低。肥料的施加、降雨、灌溉造成的水层紊动和击溅侵蚀都会扰动表土层，使得稻田表土颗粒及富集的磷素容易进入地表水中，引起TP浓度出现短暂高峰。在2015年大暴雨前（移栽后35 d）各处理浓度相当，但暴雨后第1 d（移栽后38 d）HCID处理TP浓度达到3 mg/L，比CK、LCID浓度分别高56.67%和46.67%，达到显著性水平。各处理全生育期内地表水TP平均浓度见表4，与CK相比，2015年LCID、HCID地表水TP平均浓度分别升高22.22%、44.44%，2016年仅HCID处理高11.65%。

图3 地表水TP质量浓度动态变化

2.2.3 地表排水氮磷流失负荷分析

各处理将每次地表排水的水量与该次排水时氮磷浓度的乘积进行累加可得到2a不同处理稻田排水的氮磷负荷流失量，如表4所示。与CK相比，2015年LCID和HCID处理NH4+-N负荷减少了51.48%、53.29%，NO3–-N负荷减少了77.60%、81.60%，TP负荷减少了61.58%、67.24%；2016年LCID和HCID处理NH4+-N负荷减少了16.26%、19.88%，NO3–-N负荷减少了27.34%、28.09%，TP负荷减少了45.85%、49.23%。LCID处理2 a平均NH4+-N、NO3–-N、TP排水流失负荷量分别为36.29%、60.10%和54.58%，HCID分别为38.88%、62.97%和59.23%，控制灌排两处理氮磷负荷削减效果均达到显著性水平(<0.05)，但控制灌排两处理间的削减效果差异不显著。

2.3 控制灌排对氮磷淋失负荷的影响

根据水稻全生育期田间渗漏水氮磷实测资料，不同灌排模式氮磷淋溶液平均浓度如表5所示。与CK相比，2015年仅LCID处理中NO3–-N浓度显著减少了27.15%，而2016年HCID处理NH4+-N、NO3–-N、TP较CK分别增加了20.36%、30.53%、21.04%。根据取样测得的渗漏水中氮磷浓度，结合小区和测筒耗水量之差所得到的渗漏量，可分别计算出各处理氮磷淋失量。2a全生育期氮磷淋失量如表5所示，与CK相比，在2015年水稻全生育期内LCID与HCID处理TP淋失量分别增加了25.56%、29.32%，NH4+-N淋失负荷增加了30.07%、40.03%。而2016年水稻全生育期内仅HCID处理TP、NH4+-N、NO3–-N淋失量分别增加了20.63%、40.03%和27.45%。在生育期降雨较多时LCID、HCID处理均存在TP、NH4+-N淋失负荷总量明显升高，但在降雨较少时LCID处理与CK差异不大，而HCID会显著增加氮磷淋失负荷，存在地下水污染风险。LCID处理2 a平均TP、NH4+-N淋失负荷量较CK分别升高了15.36%和17.79% (<0.05)，NO3–-N差异不显著(＞0.05)，HCID处理TP、NH4+-N、NO3–-N分别高24.57%、30.17%和15.88% (<0.05)。

2.4 水稻控制灌排对产量的影响

2 a试验各处理考产结果见表6，结果表明不同处理对水稻产量的影响未达到显著水平。在产量构成因子方面，LCID、HCID除单位面积有效穗数和每穗实粒数有显著影响外，其余均与对照之间差异不显著。2015年LCID、HCID处理的平米有效穗数较CK分别降低了21.68%和17.80% (<0.05)，而每穗实粒数增加了21.85%和13.45%(<0.05)。2016年LCID、HCID处理的平米有效穗数较CK分别降低了9.31%和9.91%。

2.5 水稻灌排方案优选

为指导南方稻作区灌排实践，科学制定水稻灌排制度，本文应用基于组合权重的TOPSIS理想解法[20]进行水稻灌排方案优选决策，结合试验数据结果，筛选出节水、减污、高产效果趋向于最优化的灌排模式。评价指标层及各控制灌排方案对应的评价指标赋值如表7所示。在评价指标层中，一级指标层选择了产量、节水、控污3个指标，二级指标层在产量方面以提高籽粒产量为目标；节水方面考虑到实现水资源合理利用及满足水稻节水要求，针对南方地区降雨频繁情况，选择雨水利用率（生育期内降雨量与排水量之差占降雨量的百分数）和灌水量二个指标；减排控污方面，考虑缓解氮磷污染的问题，选择TP和水体中主要的2种氮素NH4+-N和NO3–-N地表流失量和淋溶量作为指标。

表5 不同处理渗漏水氮磷的平均浓度及氮磷淋失量

表6 不同灌排模式对水稻产量及构成因子的影响

表7 评价指标层及各指标赋值

注：正向表示指标值越大越优指标，逆向表示指标值越小越优指标。

Note: Positive type represents the bigger index value is better and reverse type represents the smaller index value is better.

序关系分析法需要确定评价指标相对重要程度r的理性赋值，再根据公式计算出权重向量{W}（=1…9）。其中r=W/W，体现与2指标之间的相对重要性，当同等重要时r=1，而前一项指标比后一项稍微重要取1.2，明显重要取1.4，强烈重要取1.6，极端重要取1.8[17]。一级指标层中，一般认为产量与减污指标同等重要，而这2项相对节水指标稍微重要。二级指标层在节水指标中灌水量比雨水利用率强烈重要，而在减污指标中，根据《地表水环境质量标准》和《地下水环境质量标准》中基本分类指标，可将TP、NH4+-N地表流失量及NH4+-N、NO3–-N地下淋失量作为相对稍微重要指标。熵值法则依据表7中各指标赋值分别计算出2 a对应的权重向量。基于2种方法得到的指标权重可计算出2a对应的综合权重，如表8所示。

表8 指标权重值

利用TOPSIS法可知3种灌排方案2015年贴近度为=(0.487,0.589,0.505)，2016年=(0.485,0.738,0.507)。2 a稻田灌排方案优劣排序均为：方案2＞方案3＞方案1。评价结果表明虽然不同年型其产量和节水减污效果存在一定差异，但LCID控制灌排模式明显优于HCID、CK，且LCID始终为最理想灌排模式，CK始终为最不理想灌排模式。

3 讨 论

3.1 控制灌排对地表水中氮磷浓度变化的影响机理

LCID会影响暴雨后的田面水氮磷浓度，主要由于拦蓄雨水后水层偏高，有近50 d左右处于淹水状态下，强烈的厌氧环境抑制了氮素的硝化反应，促进了反硝化微生物和反硝化酶的活性[21]，NO3–-N浓度降低达到显著性水平，也使雨后的NH4+-N浓度有所提高，同时由于土壤供氧不足，Eh值降低，pH值升高，磷酸金属化合物三价Fe被还原转化为二价可溶解性Fe离子，释放出更多的可溶性磷[22]，TP浓度显著增加。HCID处理暴雨后及旱后复水时的田面水氮磷浓度波动较大。2015年发生大暴雨时可能由于田面不同水深而导致浓度存在明显差异，CK、LCID处理中田面具有5 mm左右的水层，而HCID处理在降雨时田面无水层，被土壤吸附的NH4+-N及TP在雨滴对土壤造成的击溅侵蚀下迅速悬浮于水中[23]，且前期干旱有氧条件利于有机氮的矿化及铵态氮的硝化作用，NO3–-N在土壤中逐渐累积，使NO3–-N浓度在降雨扰动时发生“脉冲”现象。从旱后复水情况来看，HCID处理田面落干时间较长，有机碳和有机氮矿化能力加强[24]，但随着有机质逐步减少，土壤对NH4+-N吸附能力降低[25]，且硝化作用也更强烈，使得2016年最初几次旱后复水时NH4+-N浓度差异不明显，NO3–-N浓度偏高，但经历过几次水分胁迫后可能降低了水稻对氨氮的吸收能力[26]，而在移栽后60～90 d 时NH4+-N浓度较高。HCID处理旱后复水引起TP浓度偏高可能是由于在干旱初期好氧微生物快速生长，致使磷迁移至微生物群落中，而后期干燥条件下，会引起微生物的死亡，复水时被微生物所吸收利用的磷即被逐步释放出来[27]。

3.2 控制灌排对氮磷减排的影响机理讨论

针对地表排水造成的氮磷污染，试验结果显示LCID仅会增加雨后地表水中NH4+-N浓度和TP浓度，而HCID提高了全生育期的氮磷素平均浓度，但这2种控制灌排模式均拦蓄降雨，控制含高浓度氮素地表水的排放，有效实现地表控污的目标。针对氮磷素犁地层淋溶对地下水造成的潜在不良影响，结果表明LCID、HCID在2015年引起TP和NH4+-N淋溶量的升高，但未对NO3–-N淋溶量造成差异。这是渗漏量及浓度因子的共同影响，一方面田间水层高，土壤水势梯度增加，渗漏量显著提升，另一方面由于TP和NH4+-N易被土壤吸附，并未造成田间渗漏水中浓度的升高，而NO3–-N虽极易随水流失，但淹水条件促进了土壤中反硝化作用，NO3–-N浓度反而有所降低。在2016年LCID与HCID对氮磷淋失的表现却截然不同，其中HCID渗漏总量减少，而氮磷流失浓度显著提高，总体而言增加了氮磷的淋溶损失。土壤落干程度的区别可能是导致控制灌排氮磷渗漏液中浓度差异的主要原因，但其具体影响机理需结合不同土层土壤中氮磷浓度变化分析，有待进一步研究。

3.3 控制灌排对产量的影响机理讨论

2015年造成产量构成因子差异的原因可能为拔节-抽穗期稻田淹水深度过高会减少水稻植株的绿叶数，未形成根系的小分蘖在淹水时因光合作用和呼吸作用受阻而死亡，且在生育后期优势大穗对劣势小穗起到明显的抑制作用，虽每穗平均穗粒数有所增加，但有效穗数明显减少。2016年造成产量构成因子差异可能是由于在分蘖前中期保持浅水层有利于提高土壤营养元素的有效性[28]，增加分蘖总数和有效分蘖数，而LCID、HCID水层较高，分蘖较晚，成穗率偏低。卞金龙等[29]试验研究表明土壤落干程度较重会显著降低水稻有效穗数和结实率，且粒质量的增加未能补偿下降损失，从而造成减产，但在本研究中2016年HCID处理稻田经历4次重度干湿交替后较LCID仅结实率略微下降，这可能与干湿交替发生的时期[14,30]有关。

4 结 论

1）将控制排水与现有的控制灌溉技术相结合，能够提高稻田的雨水有效利用效率，减少灌溉定额，而采用较低的灌水下限可以提高稻田蓄水能力，达到节水省工的目标。与CK相比，2 a平均LCID灌溉水量减少11.89%，HCID灌溉水量减少29.88%。同时，控制灌排通过调控稻田水分状况，有效平米穗数减少，但整体产量差异不显著。

2）在不同水文年型下控制灌排都能够有效控制农田氮磷流失关键时期的地表排水，显著削减了排水峰量和排水次数，降低地表排水中的氮磷浓度。2 a全生育期内NH4+-N、NO3–-N、TP地表排放总负荷LCID较CK分别减少了36.29%、60.10%和54.58%，HCID分别减少了38.88%、62.97%和59.23%，不同灌水下限其地表减排效果差异不显著，但地表水氮磷平均浓度存在明显差异，当灌水下限较低时，须严格控制田间排水。

3）控制灌排会影响氮磷淋溶，但在不同降雨水平年，其影响机理有所区别，在降雨较多的年份主要由于增加稻田渗漏量而使NH4+-N、TP淋失负荷有所增加，而在水稻生育期间雨量较少时，若灌水下限过低，会引起淋溶液中氮磷浓度增加，进而提高氮磷淋溶负荷，可能造成土壤养分的流失和地下水的污染。

综合考虑3种灌排模式下的水稻经济效应和环境效应，采用产量、节水和减污3类指标进行灌排方案优选，评价结果表明LCID为该地区最适宜灌排方案，HCID次之。

[1] 肖梦华，俞双恩，章云龙. 控制排水条件下淹水稻田田面及地下水氮浓度变化[J]. 农业工程学报，2011，27(10)：180－186. Xiao Menghua, Yu Shuang’en, Zhang Yunlong. Changes of nitrogen concentration for surface and groundwater in flooding paddy field under controlled drainage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2011, 27(10): 180－186. (in Chinese with English abstract)

[2] 郭相平，张展羽，殷国玺. 稻田控制排水对减少氮磷损失的影响[J]. 上海交通大学学报：农业科学版，2006，24(3)：307－310. Guo Xiangping, Zhang Zhanyu, Yin Guoxi. Effect of controlled drainage on loss of nitrogen and phosphorous from paddy field[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University : Agricultural Science, 2006, 24(3): 307－310. (in Chinese with English abstract)

[3] Singh H P, Singh B B, Ram P C. Submergence tolerance of rainfed lowland rice: search for physiological marker traits[J]. Journal of Plant Physiology, 2001, 158(7): 883－889.

[4] 孙震. 不同施氮水平和灌溉方式对稻田氮素渗漏淋溶和N2O排放的影响[D]. 南京：南京农业大学，2014. Sun Zheng. Effect of Different Irrigation and Nitrogen Conditions on Nitrogen Leaching and Nitrous Oxide Emissions in Paddy Soil[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[5] 庞桂斌，徐征和，杨士红，等. 控制灌溉水稻叶片水分利用效率影响因素分析[J]. 农业机械学报，2017，48(4)：233－241. Pang Guibin, Xu Zhenghe, Yang Shihong, et al. Influence factors analysis of rice leaf water use efficiency under controlled irrigation[J]. Transactions of Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(4): 233－241. (in Chinese with English abstract)

[6] 肖新，朱伟，肖靓，等. 不同水肥管理对水稻分蘖期根系特征和氮磷钾养分累积的影响[J]. 土壤通报，2016，47(4)：903－908.Xiao Xin, Zhu Wei, Xiao Liang, et al. Effects of water and fertilizer management on root characteristics and nitrogen, phosphorous and potassium uptakes of rice at tillering stage[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2016, 47(4): 903－908. (in Chinese with English abstract)

[7] 陈亮. 干旱胁迫对水稻叶片光合作用和产量及稻米品质的影响研究[D]. 武汉：华中农业大学，2015. Chen Liang. The Effect of Drought Stress on Rice Leaf’s Photosynthesis, Rice Grain Yield and Rice Quality[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[8] 刘敏昊，任瑞英，朱振荣，等. 水稻蓄雨控灌技术的环境效应[J]. 中国农村水利水电，2016(5)：55－57.Liu Minghao, Ren Ruiying, Zhu Zhenrong, et al. Environment effect of rain-water storage and controllable irrigation of rice[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(5): 55－57. (in Chinese with English abstract)

[9] Lu Bin, Shao Guangcheng, Yu Shuang’en, et al. The effects of controlled drainage on N concentration and loss in paddy field[J]. Journal of Chemistry, 2016(2): 1－9.

[10] 和玉璞，张建云，徐俊增，等. 灌溉排水耦合调控稻田水分转化关系[J]. 农业工程学报，2016，32(11)：144－149. He Yupu, Zhang Jianyun, Xu Junzeng, et al. Regulation and control of water transformation through coupling irrigation and drainage in paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2016 , 32(11): 144－149. (in Chinese with English abstract)

[11] 乔欣，邵东国，刘欢欢，等. 节灌控排条件下氮磷迁移转化规律研究[J]. 水利学报，2011，42(7)：862－868.Qiao Xin, Shao Dongguo, Liu Huanhuan, et al. Study on the moving and transforming law of N and P under water-saving irrigation and controlled drainage[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2011, 42(7): 862－868. (in Chinese with English abstract)

[12] 朱成立，郭相平，刘敏昊，等. 水稻沟田协同控制灌排模式的节水减污效应[J]. 农业工程学报，2016，32(3)：86－91. Zhu Chengli, Guo Xiangping, Liu Minhao, et al. Reduction of nitrogen,phosphorous and runoff by coordination controlled drainage with basin and ditch in paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2016 , 32(3): 86－91. (in Chinese with English abstract)

[13] Shao Guangcheng, Wang Minghui, Yu Shuang’en, et al. Potential of controlled irrigation and drainage for reducing nitrogen emission from rice paddies in southern China[J]. Journal of Chemistry, 2015(5): 1－9.

[14] 高世凯，俞双恩，王梅，等. 旱涝交替下控制灌溉对稻田节水及氮磷减排的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(5)：122－128. Gao Shikai, Yu Shuang’en, Wang Mei, et al. Effect of controlled irrigation and drainage on saving water and reducing nitrogen and phosphorus loss in paddy field under alternate drought and flooding condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2017, 33(5): 122－128. (in Chinese with English abstract)

[15] 俞双恩，缪子梅，邢文刚，等. 以农田水位作为水稻灌排指标的研究进展[J]. 灌溉排水学报，2010，29(2)：134－136. Yu Shuang’en, Miao Zimei, Xing Wengang, et al. Research advance on irrigation-drainage for rice by using field water level as regulation index[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2010, 29(2): 134－136. (in Chinese with English abstract)

[16] 郭相平，袁静，郭枫，等. 水稻蓄水-控灌技术初探[J]. 农业工程学报，2009，25(4)：70－73.Guo Xiangping, Yuan Jing, Guo Feng, et al. Preliminary study on water-catching and controlled irrigation technology of rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2009, 25(4): 70－73. (in Chinese with English abstract)

[17] 杨增玲，楚天舒，韩鲁佳, 等. 灰色关联理想解法在秸秆综合利用方案优选中的应用[J]. 农业工程学报，2013，29(10)：179－191.Yang Zengling, Chu Tianshu, Han Lujia, et al. Application of GC-TOPSIS on optimizing choice of utilization programs of crop straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2013, 29(10): 179－191. (in Chinese with English abstract)

[18] 王书吉，费良军，雷雁斌. 综合集成赋权法在灌区节水改造效益评价中的应用[J]. 农业工程学报，2008，24(12)：48－51. Wang Shuji, Fei Liangjun, Lei Yanbin. Application of combination weighting method on benefit evaluation of water saving improvement in irrigation district[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2008, 24(12): 48－51. (in Chinese with English abstract)

[19] 马纪，刘希喆. 基于序关系-熵权法的低压配电网台区健康状态评估[J]. 电力系统保护与控制，2017，45(6)：87－93. Ma Ji, Liu Xizhe. Evaluation of health status of low-voltage distribution networks based on order relation-entropy weight method[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(6): 87－93. (in Chinese with English abstract)

[20] 雷勋平，邱广华. 基于熵权TOPSIS模型的区域资源环境承载力评价实证研究[J]. 环境科学学报，2016，36(1)：314－323. Lei Xunping, Qiu Guanghua. Empirical study about the carrying capacity evaluation of regional resources and environment based on entropy-weight TOPSIS model[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(1): 314－323. (in Chinese with English abstract)

[21] 陈志刚，陈蕾，陈瀚翔，等. 水稻根际土壤反硝化酶活性对水分调控的响应[J]. 环境科学与技术，2014，37(5)：21－25.Chen Zhigang, Chen Lei, Chen Hanxiang, et al. Denirification enzyme activity in rice rhizosphere soil in response to water regulation[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 37(5): 21－25. (in Chinese with English abstract)

[22] Haggard B E, Moore P A, Delaune P B. Phosphorus flux from bottom sediments in Lake Eucha, Oklahoma[J]. Journal of Environmental Quality, 2005, 34(2): 724－728.

[23] 黄荣，俞双恩，肖梦华，等. 分蘖期稻田不同水层深度下暴雨后地表水TP的变化[J]. 节水灌溉，2011(11)：41－44. Huang Rong, Yu Shuang’en, Xiao Menghua, et al. Study on variation rules of total phosphorous under different water depth in one rainstorm event at tillering stage in paddy fields[J]. Water Saving Irrigation, 2011(11): 41－44. (in Chinese with English abstract)

[24] Xiang S R, Allen D, Patriciaa H, et al. Drying and rewetting effects on C and N mineralization and microbial activity in surface and subsurface California grassland soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40(9): 2281－2289.

[25] 丛日环，张丽，鲁艳红，等. 长期秸秆还田下土壤铵态氮的吸附解吸特征[J]. 植物营养与肥料学报，2017，23(2)：380－388.Cong Rihuan, Zhang Li, Lu Yanhong, et al. Adsorption- desorption characteristics of soil ammonium under long-term straw returning condition[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(2): 380－388. (in Chinese with English abstract)

[26] Cabangon R J, Castillo E G, Tuong T P. Chlorophyll meter- based nitrogen management of rice grown under alternate wetting and drying irrigation[J]. Field Crops Research, 2011, 121(1): 136－146.

[27] Nguyen B T, Marschner P. Effect of drying and rewetting on phosphorus transformations in red brown soils with different soil organic matter content[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2005, 37(8): 1573－1576.

[28] Xiao Menghua, Miao Zimei, Li Yuanyuan. Changes of root- zone soil environment in flooded paddy field under controlled drainage conditions[J]. Polish Journal of Environmental Studies, 2017, 26(2): 881－892.

[29] 卞金龙，蒋玉兰，刘艳阳，等. 干湿交替灌溉对抗旱性不同水稻品种产量的影响及其生理原因分析[J]. 中国水稻科学，2017，31(4)：379－390. Bian Jinlong, Jiang Yulan, Liu Yanyang, et al. Effects of alternate wetting and drying irrigation on grain yield in rice cultivars with different drought resistance and its physiological mechanism[J]. Chin J Rice Sci, 2017, 31(4): 379－390. (in Chinese with English abstract)

[30] Shao Guangcheng, Deng Sheng, Liu Na, et al. Effects of controlled irrigation and drainage on growth, grain yield and water use in paddy rice[J]. European Journal of Agronomy, 2014(53): 1－9.

Effect of controlled irrigation and drainage on water saving, nitrogen and phosphorus loss reduction with high yield in paddy field

Yu Shuangen1,2, Li Si1,2, Gao Shikai1,2, Wang Mei1,2, Meng Jiajia1,3, Tang Shuhai4

(1.210098; 2.210098,; 3.223001,; 4.223001,)

In order to integrate water-saving irrigation and controlled drainage technology reasonably and realize the multiple targets including water saving, high yield and pollution alleviation by scientific irrigation and drainage program, this paper carried out a field plot experiment in Lianshui Water Conservancy Research Institute from 2015 to 2016. In the field trial, the water level of paddy field was taken as the technical indicator of irrigation and drainage control, and the amount of irrigation, drainage, leakage, yield and loss of nitrogen and phosphorus in paddy field were monitored and analyzed. A total of 3 treatments were designed in the field test plot, including CK (controlled irrigation and traditional drainage), LCID (controlled irrigation and drainage that allowed mild water stress) and HCID (controlled irrigation and drainage that allowed severe water stress). These 2 kinds of controlled irrigation and drainage procedures both added the allowed flooding depth after rain but had different lower limits of irrigation, one of which was –200 mm and the other of which was –500 mm. The results showed that compared with CK, the utilization of LCID can reduce 11.89% of the irrigation quota and 52.72% of the drainage amount. At the same time, the runoff losses of the total phosphorus (TP), ammonia nitrogen (NH4+-N) and nitrate nitrogen (NO3–-N) were significantly decreased by 54.58%, 36.29% and 60.10% respectively owing to the drop of drainage peak value and drainage times during the critical periods, but the leaching losses of TP and NH4+-N increased on the account of higher seepage in the rain spell. Meanwhile, by comparison with CK, the irrigation times deducted, irrigation amount saved by 29.88% and drainage amount reduced by 58.95% under HCID. Besides, the runoff losses of TP, NH4+-N and NO3–-N were significantly decreased by 59.23%, 38.88% and 62.97% respectively, but the leaching losses of those were increased by 24.57%, 30.17% and 15.88% which would be likely to cause groundwater contamination and soil nutrients loss. In terms of rice yields and its components, LCID and HCID cut down the number of effective panicles per square meters, but the theoretical and actual rice yield showed no significant decline. On the basis of test results, this paper optimized the irrigation and drainage schemes so as to guide practice in southern China rice cultivable area. The evaluation index system was comprised of 3 first-class indexes as field, water-saving and pollution control and 9 second-class indexes. In addition, the combination weights method based on rank correlation analysis method and entropy method was used to obtain the weights of evaluation index, in addition, TOPSIS (technique for order preference by similarity to an ideal solution) served as decision-making method. The evaluation results revealed that LCID had great water conservation benefit and pollutant abatement effect on the premise of ensuring grain production.

nitrogen; phosphorus; drainage; rice field; controlled irrigation and drainage; optimization

俞双恩，李 偲，高世凯，王 梅，孟佳佳，汤树海. 水稻控制灌排模式的节水高产减排控污效果[J]. 农业工程学报，2018，34(7)：128－136. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.017 http://www.tcsae.org

Yu Shuangen, Li Si, Gao Shikai, Wang Mei, Meng Jiajia, Tang Shuhai. Effect of controlled irrigation and drainage on water saving, nitrogen and phosphorus loss reduction with high yield in paddy field [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 128－136. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.017 http://www.tcsae.org

2017-10-10

2018-01-10

国家自然科学基金（51479063、41401628）；江苏省水利科技项目（2015087）

俞双恩，安徽安庆人，教授，博士生导师，主要从事水稻灌排理论与节水灌溉研究。Email：seyu@hhu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.017

S274.3; S276.7

A

1002-6819(2018)-07-0128-09