我国水资源相对丰富的南方地区近年也由局部的季节型干旱逐渐演变成区域性干旱，导致占全国40％种植面积和粮食产量的水稻作物的灌溉需水量显著提高^[1].水稻作物的频繁灌溉排水加速了氮磷等营养物质向地表水体的排放，尤其水稻泡田期或施肥后，排水中的磷素含量显著提高^{[2, 3]}.包括灌溉或降雨排水造成的氮磷流失在内的农业面源污染已成为地表水体富营养化的主要污染源之一^{[4, 5]}.排水中的磷素质量浓度是地表受纳水体富营养化的限制性因子，由于它不像氮素可被水生植物从空气中固持，减少磷素向地表水体的流失成为控制河湖等水体环境富营养化的关键^{[6, 7]}.因此，合理调配降水资源和控制农田磷素流失不仅可以缓解旱情，还可以防控农业面源污染.

在日本水稻种植区的大量研究发现，排水循环灌溉可提高降水资源利用率和减少磷素流失. Hama等^[8]在排水干沟设置控制闸门蓄水再灌溉，发现排水循环灌溉能提供85%的年灌溉水量，Zulu等^[9]发现采用上游排水灌溉下游水田的方式补充了下游农田15%的年灌溉水量.基于田块或区域尺度的试验监测分析发现，排水循环灌溉输入区块的磷素总量高于流出量，表明稻田具有净化磷素的作用^{[10, 11]}.究其原因，排水循环灌溉补充灌溉的同时，延长了磷素在水田的停留时间，增强了颗粒态磷的沉淀作用和溶解性磷的土壤吸附与作物吸收利用作用，从而提高了水田的磷素净化效率^{[8, 12, 13]}.也有研究表明排水循环灌溉下水田对磷素的净化作用还受循环灌溉水中总磷质量浓度等因素的影响^[11].

上述研究主要集中在排水循环灌溉的节水效益和减少磷素流失量上，却鲜见报道其效应机制，尤其是稻田尺度磷素迁移的排水循环灌溉响应机制的研究.田面水和渗漏水分别是磷素通过地表和地下排水途径流失的来源，且两者磷素质量浓度的变化直接受排水循环灌溉水源的影响.故本研究通过监测稻田田面水、渗漏水和土壤中不同形态磷素含量，讨论排水循环灌溉对稻田磷素迁移过程的影响规律，以期为推行合理的排水循环灌溉模式来缓解农田磷素流失的水环境污染危害提供科学依据.

试区地处四湖流域西南，临近长湖，具体位于湖北省荆州市北10 km.该区由一系列河间洼地组成，形成江汉平原腹地的地势低洼区，汛期洪涝灾害频繁，夏季适宜种植水稻作物.水稻等作物的频繁灌溉排水造成长湖总磷和总氮的含量超标，使长湖水质长期处于劣Ⅳ类及其以下水平.然而水稻作物的高需水量仍需通过取水灌溉的方式来保障其正常生长.因此，该区具有利用排水循环灌溉来补充灌溉和减少稻田磷素向长湖排放的必要性与可行性.

试区属于亚热带季风气候区，多年平均气温16.5℃，多年平均降水量1 120 mm，试验期间的年降雨量995 mm，其中水稻生长期(6～9月)的降雨量为412 mm.试验前耕作层(0～20 cm)土壤化学性状为：全磷0.66 g ·kg^-1，速效磷20.68 mg ·kg^-1，全氮0.97 g ·kg^-1，碱解氮139.85 mg ·kg^-1，全钾2.34 g ·kg^-1，速效钾151.89 mg ·kg^-1，有机质32.73 g ·kg^-1.

塘堰作为南方水稻种植区的常规滞洪蓄涝工程，亦或兼作种藕或养鱼，可作为排水循环灌溉的蓄水池.两类塘堰均承接来自降雨或灌溉排水，藕塘直接种植莲藕且不施肥，鱼塘内大都混养青鱼、草鱼或鲢鱼等，并不定期向塘内投放鱼食，致使后者塘水中氮磷含量较高.水稻生长期的藕塘和鱼塘水中TP含量分别为0.1～1.0 mg ·L^-1和0.2～1.5 mg ·L^-1.故本试验选取这2种塘水灌溉来考察排水循环灌溉水源对农田尺度磷素动态变化的影响.本试验过程中，每种水源各灌溉3个水稻种植重复小区，共6个8 m×40 m规格的小区随机布置到试验区块上.为了防止试区内外及小区间发生水分交换，试区四周设置宽8 m左右的保护区，在试区内的小区间设置10 cm高的田埂并用塑料薄膜(薄膜埋深40 cm)包被.

试区藕塘和鱼塘都位于水稻种植区下游，通过排水沟承接部分稻田排水，稻田需要灌溉时利用水泵把塘水经硬塑料管输送到田块进行排水循环灌溉.各小区的进水口和排水口分别位于小区短边上. 6月6日翻耕泡田，基肥撒施后用铁耙混入约5 cm深表土中，其中施氮量101.7 kg ·hm^-2、施磷量48.0 kg ·hm^-2和施钾量45.7 kg ·hm^-2；次日移栽于4月29日育苗的品种为两优6326的秧苗. 6月19日通过撒施的方式追施氯化钾和尿素肥料，折算追施氮量23.2 kg ·hm^-2和追施钾量60 kg ·hm^-2.所有小区的施药、除草、灌水量与灌水时间、排水和晒田等田间管理措施均采用当地常规做法.

在水稻生育期内，田面水和渗漏水水样于灌水2 d后沿着小区长边分段取样用于分析化验不同形态磷的质量浓度.试验过程中共有6次灌水，其中全部取得田面水和渗漏水水样的仅有4次.田面水水样使用容积500 mL的塑料瓶沿试验小区长边0(田块进水口)、10、20、30与40 m(田块排水处)处采集.渗漏水水样使用埋深30 cm的陶土头分别沿小区长边10、20和30 m处抽取.水稻收割后，距进水口10、20和30 m距离处分别沿土壤剖面5、10、20、30和50 cm埋深处取土样用于化验全磷(TP)和有效磷(Olsen-P)含量.每个水样均需测定总磷(TP)、可溶性磷(DP)和可溶性反应磷(DRP)的质量浓度.采用过硫酸钾消解-钼氨酸分光光度法测定水样的TP质量浓度；水样经0.45 μm滤膜过滤后同样用过硫酸钾消解-钼氨酸分光光度法测定DP质量浓度；DRP质量浓度由钼氨酸分光光度法直接测定滤膜过滤后的水样获得，无需过硫酸钾消解.土壤TP含量采用酸溶-钼锑抗比色法，用0.5 mol ·L^-1碳酸氢钠溶液浸提后采用该方法测定土壤Olsen-P含量.

对试验监测数据，采用统计软件SPSS进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，并借助最小显著差异法(LSD)检验不同灌溉水源处理间的差异显著性，界定P < 0.01为显著水平.

藕塘水和鱼塘水灌溉下田面水DRP质量浓度随田面距离和时间的变化由图 1给出.从中可见，除了6月28日的鱼塘水灌溉处理外，田面水中DRP质量浓度随着距进水口距离的增加呈现减少的趋势.排水回灌到田块后质量浓度削减量随时间的变化较大，7月与8月的田面水DRP质量浓度明显低于6月的相应值，以8月5日田块末端(40 m处)为例，与藕塘水和鱼塘水的灌溉水源相比，DRP质量浓度削减率分别为67.1%和22.0%.除了8月鱼塘水灌溉的田面水质量浓度高于藕塘水外，田面水中DRP含量在两种灌溉水源间的差异不显著.这表明水稻田面系统对通过循环灌溉输入水源的DRP质量浓度变化具有一定的缓冲作用，循环灌溉水源中DRP质量浓度一定范围的变化不会改变再排水中DRP质量浓度.

图 1

Fig. 1

图 1 藕塘水和鱼塘水灌溉下田面水DRP质量浓度沿田面距离的变化 Fig. 1 Dissolved reactive phosphorus (DRP) concentration of surface water along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

由图 2可见，除了6月28日的鱼塘水灌溉外，随着距进水口距离的增加田面水中DP质量浓度均有减少的趋势.排水被回灌到田块后田面水DP质量浓度随时间的变化较大，田面水DP质量浓度的大小为7月>6月>8月，且8月田面水中DP质量浓度均低于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) Ⅲ类水中规定的可溶性磷浓度阈值0.2 mg ·L^{-1 [14]}.以8月5日田块末端(40 m处)为例，与藕塘水和鱼塘水的灌溉水源相比，DP质量浓度削减率分别为85.9%和79.2%.田面水中DP质量浓度在2种灌溉水源处理间的差异不显著.这表明水稻田面系统对通过循环灌溉输入水源的DP质量浓度变化具有缓冲作用，循环灌溉水源中DP质量浓度的变化未改变再排水中DP质量浓度.

图 2

Fig. 2

图 2 藕塘水和鱼塘水灌溉下田面水DP质量浓度沿田面距离的变化 Fig. 2 Dissolved phosphorus (DP) concentration of surface water along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

由图 3可见，除了6月28日的鱼塘水灌溉外，田面水中TP质量浓度沿田块距离呈减少的趋势.排水回灌到田块后TP质量浓度削减量随时间的变化较大，呈现出田面水TP质量浓度的大小为7月>6月>8月的规律，以8月5日田块末端(40 m处)为例，与藕塘水和鱼塘水的灌溉水源相比，田面水TP质量浓度削减率分别为57.4%和64.2%.除了8月鱼塘水灌溉的田面水TP质量浓度略高于藕塘水外，田面水中TP含量在2种灌溉水源处理间的差异不显著.这表明水稻田面系统对通过循环灌溉输入水源的TP质量浓度变化具有一定的缓冲作用，循环灌溉水源中TP质量浓度在一定范围内变化不会改变再排水中TP质量浓度.

图 3

Fig. 3

图 3 藕塘水和鱼塘水灌溉下田面水TP质量浓度沿田面距离的变化 Fig. 3 Total phosphorus (TP) concentration of surface water along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

藕塘水和鱼塘水灌溉下渗漏水DRP质量浓度随田面距离和时间的变化由图 4给出.从中可见，渗漏水中DRP质量浓度在不同灌溉时期的差异比较明显，8月渗漏水中DRP质量浓度明显低于7月的相应值.渗漏水中DRP质量浓度沿着田面距离递减，尤其7月浓度较高时的减少量更明显.与前述的相应田面水中DRP质量浓度相比，渗漏水中DRP质量浓度略高.除了8月3日鱼塘水灌溉的渗漏水中DRP质量浓度显著高于藕塘水灌溉的相应值外，渗漏水中DRP质量浓度在不同灌溉水源间的差异不显著.

图 4

Fig. 4

图 4 藕塘水和鱼塘水灌溉下渗漏水DRP质量浓度沿田面距离的变化 Fig. 4 Dissolved reactive phosphorus (DRP) concentration of leachate along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

由图 5可见，渗漏水中DP质量浓度在不同灌溉时期的差异比较明显，8月渗漏水中DP质量浓度明显低于7月的相应值.渗漏水中DP质量浓度沿着田面距离降低，尤其7月质量浓度较高时的降低量更为明显.与前述的相应田面水中DP质量浓度相比，渗漏水中DP质量浓度略高，而8月的浓度也大都低于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) Ⅲ类水中规定的可溶性磷浓度阈值0.2 mg ·L^{-1 [14]}.除了8月3日鱼塘水灌溉下渗漏水中DP质量浓度显著高于藕塘水灌溉的相应值外，渗漏水中DP质量浓度在不同灌溉水源间的差异不显著.

图 5

Fig. 5

图 5 藕塘水和鱼塘水灌溉下渗漏水DP质量浓度沿田面距离的变化 Fig. 5 Dissolved phosphorus (DP) concentration of leachate along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

由图 6可见，渗漏水中TP质量浓度在不同灌溉时期的差异比较明显，8月渗漏水中TP质量浓度明显低于7月的相应值.渗漏水中TP质量浓度沿着田面距离降低，在7月质量浓度较高时的降低量更明显.与前述的相应田面水中TP质量浓度相比，渗漏水中TP质量浓度大都略高.除了8月3日鱼塘水灌溉的渗漏水中TP质量浓度显著高于藕塘水灌溉的相应值外，渗漏水中TP质量浓度在不同灌溉水源间的差异不显著.

图 6

Fig. 6

图 6 藕塘水和鱼塘水灌溉下渗漏水TP质量浓度沿田面距离的变化 Fig. 6 Total phosphorus (TP) concentration of leachate along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

水稻收割后，藕塘水和鱼塘水灌溉下土壤Olsen-P含量随田面距离和剖面深度的变化见图 7.从中可见，土壤Olsen-P含量随着剖面深度的增加逐渐减少，表现出表层土壤含量明显高于下层土壤的特点；由于受排水循环灌溉的影响较小，下层土壤Olsen-P含量受不同灌溉水源的影响不明显.对于表层土壤，鱼塘水灌溉下的土壤Olsen-P含量高于藕塘水灌溉的相应值，且距离进水口30 m处表土Olsen-P含量低于10 m和20 m处的相应值.这表明，经由排水循环灌溉引入田间磷的表土吸附量随距进水口距离的增加而减少，并随灌溉水源磷质量浓度的增加而增加.

图 7

Fig. 7

图 7 藕塘水和鱼塘水灌溉下土壤剖面Olsen-P含量沿田面距离的变化 Fig. 7 Olsen-P concentration of soil profile along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

水稻收割后，藕塘水和鱼塘水灌溉下土壤TP含量随田面距离和剖面深度的变化由图 8给出.从中可见，土壤TP含量随着剖面深度的增加逐渐减少，表现出表层土壤TP含量明显高于下层土壤的特点.土壤剖面TP含量不随灌溉水源和田面距离的变化而变化.这表明，通过排水循环灌溉引入稻田的磷量不足以引起土壤总磷含量的变化.

图 8

Fig. 8

图 8 藕塘水和鱼塘水灌溉下土壤剖面TP含量沿田面距离的变化 Fig. 8 Total phosphorus (TP) concentration of soil profile along paddy field under the irrigation of lotus and fishpond water

提高稻田的磷素净化效率或减少磷流失是实行排水循环灌溉的主要目的之一.把排水循环灌溉到田块使作物再次利用排水中的磷素成为可能，延长水力停留时间或循环灌溉次数均能提高颗粒态磷的沉淀作用和溶解性磷的土壤吸附作用，从而提高水田的磷素净化效率^{[8, 13, 15]}.然而这2种方式有时与水稻作物需水规律和田间管理不协调，可调控的空间有限.通过延长单个田块的长度或多个田块串联灌溉的方式，可延长循环灌溉水与土壤和作物的作用时间和作用路径，更易实现.本文及相关研究^[16]均发现稻田田面水和渗漏水中不同形态磷素质量浓度沿程降低，均支撑了延长循环灌溉水的流程能改善稻田磷素净化效率的结论.

之所以形成田面水磷质量浓度的沿程减少趋势弱于渗漏水磷质量浓度的减少程度，是由于本研究的田面水和渗漏水均于灌水后2~4 d后取样.由于磷素在田面水中的扩散作用，排水循环灌溉后田面水中磷素质量浓度的沿程差异量随着时间推移而逐渐减少；而渗漏水中磷素的扩散作用受土体阻隔使其沿程差异保持更长时间.渗漏水中的磷质量浓度高于田面水可能与渗漏水中磷质量浓度一部分来自于刚灌溉的田面水，另一部分来自于土壤剖面磷的释放有关；渗漏水磷质量浓度的沿程差异主要是由刚灌水后田面水磷质量浓度的差异造成的.

灌溉时机是影响排水循环灌溉下水田磷素净化效率的关键因子.田面水中磷素质量浓度较高的泡田期和施肥期不宜进行排水循环灌溉，因为该时期较高的田面磷素质量浓度再加上循环水本身的磷素质量浓度极易造成大量农田磷素的再排水流失^{[2, 17, 18]}.水稻生长后期随着所施肥料的消耗和作物磷需求高峰期的到来，使田面和土壤水中的磷质量浓度均达到较稳定的低水平，宜实行排水循环灌溉，这与本研究发现的8月田面水和渗漏水中不同形态磷质量浓度较低一致，常规清水灌溉试验研究也得到类似的结果^{[19, 20]}.之所以形成7月较高的田面水与渗漏水中磷质量浓度还与该时期的水稻晒田改善了土壤的通气条件与结构有关. 7月的晒田使土壤从还原状态向氧化状态转化，促进了土壤磷的释放以提高了土壤水溶液和田面水中的磷质量浓度；8月的持续淹水还原状态促进了土壤的固磷作用，降低了磷素的释放能力和土壤水溶液中的磷含量^{[21, 22]}.另外当水稻土由饱和向干燥转换过程中易于形成裂隙以充当磷素渗漏通道，也使大量的土壤磷沿着这种临时形成的优先流而淋失^{[23, 24]}.此外，DRP为DP中易于被生物利用的部分，6月相对较低的温度及作物和水中微生物的较低生物量使其吸收利用的DRP量相对较少从而形成6月DRP质量浓度较高的现象^{[25, 26]}.因此在规划排水循环灌溉制度或工程时，应考虑利用适宜的沟塘蓄存6~7月的汛期排水，8月再利用蓄积的排水进行补充灌溉，既能从时间尺度上调配水资源来满足作物生长需求，又可减少农田磷素排放造成的农业面源污染.

田面水与渗漏水中的磷质量浓度未随循环灌溉水源中磷质量浓度的增加而明显提高，而鱼塘水灌溉的表土Olsen-P含量高于藕塘水灌溉的相应值，这说明稻田土壤的磷吸附作用可起到抑制再排水中磷含量随灌溉水源磷质量浓度的增加而升高.循环灌溉水源中的磷素在地表和土壤剖面的沉淀、吸附作用及作物的吸收利用作用是水田系统对再排水磷质量浓度变化的缓冲机制^{[8, 12, 13]}，当循环灌溉水源的磷质量浓度超过某个阈值后才会造成再排水的磷质量浓度提高.这与常规灌溉下当磷肥施用量增加到一定程度时才会明显提高渗漏水中总磷质量浓度的结论相一致^[17].

基于藕塘水和鱼塘水循环灌溉下的稻田监测试验结果表明，排水循环灌溉下水稻田面水和渗漏水中不同形态磷素质量浓度沿程降低，尤其渗漏水的磷质量浓度减少趋势更为显著，排水循环灌溉水中磷质量浓度的一定范围变化不会增加田面水和渗漏水的磷质量浓度.田面水和渗漏水中不同形态磷质量浓度受灌溉时期的影响明显，8月田面水和渗漏水的磷质量浓度明显低于其它时段.表土Olsen-P含量随距进水口距离的增加而减少，并随排水循环灌溉水中磷含量的增加而增加.土壤剖面TP含量受排水循环灌溉的影响不明显.延长循环灌溉水的田面流程或在8月的水稻需肥高峰期进行排水循环灌溉，可明显提高四湖流域的稻田磷素去除效率.