中国是水稻种植大国，水稻总产量居世界排名首位，占全球总产量的34%^[1]，种植面积约占全球的32%^[2]. 为提高水稻产量，部分灌区过量施用化肥和农药，除少部分被水稻吸收外，大部分通过气态损失、 淋溶或者地表径流等方式流失到环境中，对大气和水体环境造成污染^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]}，特别是在施肥初期或者雨季，氮磷流失量最大^[9]. 近几年，有关水稻田地表径流的观测试验有很多，大多采用径流池法或同步观测法. 径流池法需要建造有一定容积的径流池并保证出水口唯一，更多应用于试验站或试验小区观测，同步观测法需要水量水质监测仪器，同时也要保证出水口固定且唯一^{[10, 11, 12, 13]}，对于出水口不固定的野外水稻田的观测试验较少. 另外，有很多学者对节水灌溉模式进行了研究，从宏观上探讨了节水灌溉模式对水稻产量以及环境的影响，但有关场次降雨下水稻田的径流流失过程研究还较少^{[14, 15, 16, 17]}.

本文试采用同步监测水位和雨量的方法，对两种不同灌溉模式的水稻田进行1 a的试验研究，通过水位变化过程线来计算水稻田蒸散发和渗漏损失量，结合降雨信息以及水稻田的田埂高度来判断产流情况，以期为水稻田的水肥管理提供科学依据.

试验点位于江苏省常州市，常州地处长江下游南岸，太湖流域水网平原，是长江三角洲中心地带. 常州市辖5个市辖区(天宁区、 钟楼区、 戚墅堰区、 新北区、 武进区)，代管2个县级市(溧阳市、 金坛市). 常州属于北亚热带季风性湿润气候，气候温和湿润，四季分明，雨量充沛，年平均气温15.4℃，降雨量1 071.5 mm，雨日127.5 d，日照时间2 047.5 h，无霜期227.6 d^[18,19].

试验分别选取了金坛和溧阳两地的野外水稻田进行观测试验. 溧阳水稻田位于31.473 61°N，119.450 20°E，田块面积约900 m²，灌溉模式为深水淹灌，除晒田期以外，田间均保持较高蓄水层，在30 mm以上； 金坛水稻田位于31.730 05°N，119.500 92°E，田块面积约866.67 m²，灌溉模式为干湿交替节水灌溉，稻田灌一次水后经过水层变浅、 无水层、 田面湿润后干田的过程再进行下一次灌水，两次淹水之间，田间维持一段无水层土壤湿润状态. 除灌溉模式不同外，试验田其他管理措施基本一致：在6月下旬插秧，9月中旬后停止机械灌溉，11月中旬收割； 底肥施用复合肥和尿素，后期进行2~3次追肥. 其中，复合肥配方为48%(氮、 磷、 钾：16%、 16%、 16%).

水稻生长期间需要采集田面水水位信息和降雨信息. 在稻田内靠近田埂处安装L99-WL水位自动记录仪，仪器探头距离底部淤泥约20 mm处，定期检测以防止探头被阻塞而影响记录，设定仪器记录间隔为30 min； 在每个试验田附近安装雨量计1台，采集降雨过程数据，设定仪器记录间隔为10 min.

水稻插秧后，自2014年6月24日至2014年10月10日，共110 d，两块试验田每隔3 d均采集1次水样，每块田共采集28次水样. 每次采集水样后，在24 h内送回实验室进行氮、 磷形态(包括总氮、 氨氮、 硝态氮、 总磷、 无机磷)的测定. 具体方法为：总氮含量的测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，氨氮含量的测定采用纳氏试剂比色法，硝态氮含量的测定采用酚二磺酸比色法； 总磷含量的测定采用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法； 无机磷测定采用抗坏血酸还原-磷钼蓝比色法^[20].

水稻生长期内记录的水位变化曲线能很好地反映水稻田的水量变化，进行人工灌溉或者人工调节水位排水时，水位曲线出现拐点，随后水位上升或者显著下降(图 1)； 降雨时，若降雨持续一段时间，降雨补充田面水，田面水增加量超过蒸散发和渗漏损失量，水位呈现上升趋势(图 2)，降雨停止后，水位呈现下降趋势. 参考图 1和图 2中的水位变化趋势，来判断是否有灌溉、 降雨或者人工排水，这几种情况下的蒸散发和渗漏损失量无法通过水位变化过程线直接计算，需要根据前后几日的值进行估算. 水位曲线中不存在拐点的稳定下降段，其下降趋势是由蒸散发和渗漏损失造成，因此选择这样的水位变化段来计算每日蒸散发和渗漏损失量，灌溉和排水日的蒸散发和渗漏损失量取前后几日的中间值，降雨日取所在生长期内的最低值，若连续几日降雨，以降雨量最高日为最低值，其他几日进行插值计算.

图 1

Fig. 1

图 1 人工灌溉和排水时田面水水位变化 Fig. 1 Hydrograph of paddy plot during artificial irrigation and drainage

图 2

Fig. 2

图 2 降雨时农田水位变化 Fig. 2 Hydrograph of paddy plot during precipitation

采取干湿交替节水灌溉模式的水稻田，田间水位记录大部分为零，无法通过水位变化曲线计算蒸散发和渗漏损失量，因此该灌溉模式下参考溧阳试验点，根据不同生长期和天气条件进行拟定. 本研究将水稻的生长期划分为4个生长阶段：移苗返青期、 分蘖期、 拔节孕穗期和成熟期，两个试验田的水稻生长状况类似，在同一个生长期内因水稻生长所消耗的水量基本相同. 蒸散发和渗漏损失量包括田面水蒸发、 植物蒸腾和田面水渗漏，除了受水稻生长状况影响外，还受到天气条件的影响. 韩井先^[21]计算蒸散发时将天气条件分为晴天、 阴天和雨天这3种类型，以每种天气条件下的蒸散发值来代表当月的平均水平. 因此在本研究中认定，在同种天气条件下，两个试验田的田面水蒸散发值相近.

采取深水淹灌模式的水稻田，根据以下水量平衡关系式，通过降雨量、 田面水水位、 蒸散发和渗漏损失量计算前后两日零时水位的变化量，由此判断径流流失量.

式中，ΔR_i为水稻田第i日和第(i+1)日的农田出水和进水水量之差，mm； H_i和H_i+1分别为水稻第i日和第i+1零时水位，mm； P_i为第i日降雨量，mm； (ET_i+F_i)为第i日的蒸散发和渗漏损失量，mm； S为试验田面积，m²； R_out为农田出水量，m³； R_in为农田进水量，m³.

采取干湿交替节水灌溉模式的水稻田，除去灌溉前后几日存在田间蓄水层，其他时期内田面处于湿润状态，水位记录为零，田面水实际深度在20 mm以下. 在降雨当日，根据下式通过降雨量、 田面水水位、 最低田埂高度、 蒸散发和渗漏损失量来判断产流并计算径流流失量.

式中，ΔR_j为第j场次降雨前后农田水量改变量； W_in为农田进水量，mm； H_j为第j场次降雨前水深，mm； P_j为第j场次降雨总量，mm； (ET_j+F_j)为第j场次降雨期间的蒸散发和渗漏损失量，mm； H_t为最低田埂高度，mm； S为试验田面积，m²； R_out为农田出水量，m³.

根据定期测定的水质数据，可以得到氮、 磷不同形态的浓度变化曲线. 通过公式判断产流情况后，根据出流日的TN、 TP等指标的质量浓度来估算出流负荷. 若出流日当天进行了采样，则直接用当日测定值来计算，若出流日未进行采样，则质量浓度值根据前后两次采样的测定值插值计算.

根据水位变化过程线得到水稻生长期蒸散发和渗漏损失过程线(图 3). 从图 3中可以看出，在返青期和分蘖期蒸散发和渗漏损失值相近，维持在3~7 mm之间； 拔节孕穗期较高，最大值达到15.4 mm； 在9月10日以后，水稻田不进行统一的机械灌水，由农户自行浇灌，从原始水位记录看，共进行了4次灌水，分别在9月13日、 9月19日、 9月23日和10月5日，灌水深度在20 mm左右，其他日期保持较低水层，该生长期水稻蒸散发和渗漏损失最小. 该变化趋势与叶秀梅^[22]对安徽淠史杭灌区水稻需水量的研究一致，基本符合中间大、 两边小的的规律.

图 3

Fig. 3

图 3 水稻田蒸散发和渗漏损失量过程线 Fig. 3 Evapotranspiration and infiltration losses hydrograph of paddy field

通过公式(1)，计算得到整个生长季水稻田径流流失情况(表 1).

表 1(Table 1)

表 1 深水淹灌模式下水稻田进出水量 Table 1 Inflow and outflow from paddy field of flood irrigation 日期(月-日) Hi/mm Pi/mm (ETi+Fi)/mm ΔRi/mm Rout/m3 备注 06-26 46.0 64.3 3.2 15.1 13.1 降雨产流 07-12 97.0 51.6 3.5 46.1 40.0 降雨产流 07-22 37.0 0.0 3.6 25.5 22.1 排水晒田 07-27 96.9 68.6 3.8 45.3 39.3 降雨产流 08-27 76.9 51.0 7.2 18.8 16.3 降雨产流 08-31~09-01 68.2 73.4 7.2 37.3 32.3 降雨产流

表 1 深水淹灌模式下水稻田进出水量 Table 1 Inflow and outflow from paddy field of flood irrigation

该灌溉模式下生长季共有27场次降雨，其中5场次造成了径流流失. 6月26日降雨前水位最低，仅46 mm，当日降雨量为64.3 mm，比7月12日和8月27日的降雨量大，但出流量最小，为15.1 mm，降雨发生时，首先用于补充田面水，当田面水达到最低田埂高度时，才会发生产流，造成径流流失； 7月12日的径流量最大，当日降雨量仅高于8月27日降雨，较其他场次要小，但降雨前水位最大，为97 mm. 从几组数据看出，水稻田最低田埂高度在90~110 mm之间. 另外，7月22日进行了排水晒田，排水量为22.1 m³，高于6月26日和8月27日两场次降雨造成的径流量. 水稻田在降雨条件下是否产流，首先要达到水量的要求，即降雨量补充田面水并达到最低田埂高度，降雨持续发生，则产生出流； 流失量的多少不仅受到降雨量的影响，还受到降雨强度的影响，若降雨强度较大，降雨或农田出流水不断冲刷田埂，可能导致田埂高度的降低，使得出流量增大.

根据在溧阳试验点定期监测的水质数据得到田面水中不同形态氮磷质量浓度变化曲线(图 4)，并结合该曲线值估算得到降雨产流中的氮磷负荷量(表 2)和输出系数，输出系数与已有研究进行了比较(表 3).

图 4

Fig. 4

图 4 水稻生长季田面水不同形态氮磷浓度 Fig. 4 Nitrogen and phosphorus concentrations of surface water from paddy field during the growing season

表 2(Table 2)

表 2 水稻田不同形态氮磷流失量 Table 2 Loads of nitrogen and phosphorus from paddy field 日期(月-日) Rout/m3 总氮/g 氨氮/g 硝态氮/g 总磷/g 无机磷/g 06-26 13.1 1 104.5 267.0 357.3 8.6 4.7 07-12 40.0 2 915.8 974.9 1 714.0 24.4 14.0 07-22 22.1 77.4 32.5 40.2 17.7 15.2 07-27 39.3 78.1 38.1 32.6 16.9 14.1 08-27 16.3 46.8 16.9 23.8 5.9 4.7 08-31~09-01 32.3 60.1 21.7 28.4 12.0 9.4 合计 163.0 4 282.7 1 351.0 2 196.3 85.4 62.2

表 2 水稻田不同形态氮磷流失量 Table 2 Loads of nitrogen and phosphorus from paddy field

从表 2中看出，总氮、 氨氮和硝态氮的流失量在6月26日和7月12日两日最大，占总负荷量的90%以上，主要是由于这两次出流距离施用尿素和复合肥的天数较近. 从图 4看，在7月22日之后，氮的各项质量浓度维持在较低水平，仅在8月5日后有一次峰值出现，质量浓度在10mg·L^-1以下，因此后4次出流的负荷流失量较少； 磷的各项质量浓度在7月维持在较高水平，出现两次峰值，因此7月12日、 7月22日和7月27日这3次出流中磷素的负荷量较大，占总负荷量的70%左右. 从表 3来看，本研究所得出的输出系数与江苏省吴江市的试验结果相近，两地均是采用了传统的灌溉模式，但由于本试验中的水稻田后期进行了两次追肥，所以TN、 TP输出系数略高于吴江市，其中TP输出系数最高的是天津宁河县，这主要是由于该研究区水稻田基肥中磷含量较高造成，所以，氮磷的流失受到施肥、 降雨、 灌溉等的综合影响.

表 3(Table 3)

表 3 不同观测方法水稻田TN、 TP输出系数 1) Table 3 Export coefficients of TN and TP from paddy fields obtained by different methods 研究区 观测方法 输出系数/kg·hm-2 文献 TN TP 宁夏黄河灌区 JOHNES输出系数法模型 19.04 0.07 [23] 江苏宜兴 径流池法 10.73 0.75 [24] 天津宁河县 径流池法 4.77 2.08 [25] 江苏吴江 同步观测法 38.8 0.95 [26] 四川彭州 径流池法 24.11 — [27] 江苏溧阳 降雨-水位同步观测 49.4 1.00 本研究 1)“—”表示文章中没有相关数据

表 3 不同观测方法水稻田TN、 TP输出系数 1) Table 3 Export coefficients of TN and TP from paddy fields obtained by different methods

本研究中根据降雨量的多少将降雨分成4个等级，金坛试验点(干湿交替节水灌溉模式)水稻田的蒸散发和渗漏损失量，其值的拟定参考溧阳试验点(深水淹灌模式). 在每一个生长期内，找到对应等级降雨下溧阳试验点的蒸散发和渗漏损失值，如果参考点没有同等级降雨，则根据已有值进行插值计算. 表 4中金坛试验点在返青期和拔节孕穗期，4个降雨等级下均能在溧阳试验点对应找到同类型降雨，蒸散发和渗漏损失直接取相同值； 在分蘖期和成熟期，分别只能找到对应等级为1和4以及等级为2和4的降雨类型，因此其他两个降雨等级根据已有值进行插值计算.

表 4(Table 4)

表 4 干湿交替节水灌溉模式下水稻田蒸散发和渗漏损失量 Table 4 Evapotranspiration and infiltration from paddy field of intermittent irrigation 日期(月-日) 生长期 降雨等级 降雨量/mm 蒸散发和渗漏损失量/mm 06-22~07-05 返青期 1 <10 4.7 2 10~25 4.2 3 25~50 3.9 4 >50 3.2 07-06~07-25 分蘖期 1 <10 5.3 2 10~25 4.9 3 25~50 4.5 4 >50 4.1 07-26~09-08 拔节孕穗期 1 <10 8.5 2 10~25 7.9 3 25~50 7.4 4 >50 6.2 09-09~10-10 成熟期 1 <10 2.0 2 10~25 1.7 3 25~50 1.4 4 >50 1.1

表 4 干湿交替节水灌溉模式下水稻田蒸散发和渗漏损失量 Table 4 Evapotranspiration and infiltration from paddy field of intermittent irrigation

在该种灌溉模式下计算径流流失量，需要两个假设：①降雨时不进行人工灌溉； ②人工灌溉不会造成出流. 因此，在公式(2)中，W_in=0. 水稻插秧前，通过多点测量取平均值，得到H_t=170 mm. 由于水位仪探头和水稻田基底有20 mm的距离，水位记录仪记录数据为0，实际水深在0~20 mm之间，其他水位数据分别加上20 mm，即为降雨前水深H_j.

根据公式进行计算，得到水稻生长期径流流失量(表 5).

表 5(Table 5)

表 5 干湿交替节水灌溉模式下径流流失量 Table 5 Runoff from paddy field of intermittent irrigation 日期(月-日) Win/mm Hj/mm Pj/mm (ETj+Fj)/mm Ht/mm ΔRj/mm Rout/m3 06-26 0 01) 15.1 4.2 170 -139.1 0 07-04~07-05 0 20.5 95.1 6.4 170 -60.8 0 08-10~08-12 0 01) 5.4 16 170 -160.6 0 08-17~08-18 0 32.9 6.3 16 170 -146.8 0 08-27 0 29.8 5.8 8.5 170 -142.9 0 08-31 0 23.1 5.5 8.5 170 -149.9 0 09-23 0 01) 1.8 2.0 170 -150.2 0 09-29 0 62.6 2.2 2.0 170 -107.2 0 1)实际水深在0~20 mm之间

表 5 干湿交替节水灌溉模式下径流流失量 Table 5 Runoff from paddy field of intermittent irrigation

在该灌溉模式下，水稻生长季共有8场次降雨，均未产生降雨出流. 其中，6月26日、 8月10~12日、 9月23日，这3场次降雨前水位记录为零，水深在20 mm以下，在进行计算时，以最大值20 mm代入公式计算. 该试验点在整个生长季内降雨量较少，最大的一场降雨为95.1 mm，但降雨前水深为20.5 mm，没有产生出流. ΔR_j均为负值，说明没有造成径流流失，若降雨前水位较高或者降雨量增大，也有可能造成出流，但是采取干湿交替节水灌溉模式可明显减少径流发生的强度和次数，这与茅国芳等^[28]的研究一致，在满足作物对水需求的条件下，通过合理灌溉来控制农田肥料的流失，施肥时采取浅层灌水，灌水结束后填高出水口高度，可大大减少肥料的直接流失.

(1)降雨条件下，降雨补充田面水，当水位达到水稻田最低田埂高度并持续降雨时，会发生产流，造成农田氮磷流失. 径流量的多少受到降雨量和降雨强度的影响，径流量随着降雨量的增大而增大，若降雨强度较大时，可能通过改变最低田埂高度而增大径流量.

(2)采取深水淹灌模式的水稻田，当降雨量达到50 mm以上时，极易产生径流，造成氮磷负荷的流失，干湿交替节水灌溉模式下，降雨量达到90 mm时，仍未产生径流流失. 相较于传统的深水淹灌模式，干湿交替节水灌溉模式可以明显减少由于降雨造成的农田地表径流，降低对水环境的污染.

(3)通过降雨-水位同步观测的方法来观测水稻田径流流失情况，该方法在野外水稻田的观测中是切实可行的，但在判断产流时需要根据不同的灌溉模式采取不同的计算方法.