一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法

一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法
1.方法领域
2.本发明属于农业环境保护方法领域，具体涉及一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法。
3.背景方法
4.水稻是世界上第一大口粮作物，全球60％以上的人口以稻米为主食。我国是世界上最大的水稻生产国，总产占全球水稻总产的30％以上，稻田氮磷流失引起的面源污染问题和甲烷(ch4)排放问题一直是地表水保护和全球气候变化关注的重点问题。水稻是一种耗水的作物，我国水稻耗水量约占农业用水总量的60％～70％，化肥用量约占全国化肥用量的20％。加之我国水稻种植多分布在地势平坦、河网密布的低洼地区，水稻种植期间降雨灌溉频繁、化肥施用量高，这就导致氮磷等营养物质极易随水从稻田流失而进入到周边水体。因此，有效防控稻田氮磷流失造成的农业面源污染已成为我国改善水环境污染的关注重点。
5.ch4是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，地球上约8％的人为ch4排放来自稻田系统。稻田ch4主要产自于厌氧环境下土壤微生物(甲烷产生菌)对土壤有机物质的分解，世界稻田ch4排放量占农业源的17％左右。因而水稻生产过程中ch4的排放问题也引起了广泛的关注。
6.我国稻田多以灌排单元的形式管理，主要由稻田及紧邻稻田的沟渠两部分组成。灌排单元系统内的沟渠作为开放系统承接多途径水的输入，不仅起到灌溉、排水、蓄水的功能，在灌排单元系统的水质净化中也发挥了重要作用。如何根据面源污染和ch4排放的关键期，基于二者发生的协同作用机制，通过控制关键因子实现面源污染和ch4的协同减排，是当前实现我国农业绿色发展和减污降碳急需突破的卡脖子问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法，本发明的方法能够有效减少稻田灌排单元面源污染和甲烷排放。
8.本发明提供了一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法，包括以下步骤：
9.稻田灌排单元内紧邻稻田的沟渠，所述沟渠的深度为1～1.5m；所述沟渠和稻田的面积比为(5～8)：100；
10.在稻田灌排单元总排水口设置闸门，在水稻生育季，沟渠存水高度调节完毕后关闭总排水口的闸门，在基肥施用前将沟渠的存水高度降至25～35cm；
11.在施用水稻基肥后，进行水稻插秧；自水稻插秧至返青结束，当环境温度为15～35℃时，保持所述水稻田面的水层深度大于等于5mm；当环境温度大于35℃或者小于15℃，保持所述水稻田面的水层深度大于等于35mm；所述水稻田面的水层深度小于等于80mm；
12.在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期，保持稻田的土壤含水量小于等于土壤饱
和含水量且大于等于土壤饱和含水量的70％，其中在施用水稻分蘖肥和穗肥后的两周内保持沟渠中水深为田面以下60～70cm，水稻生育季其余时间的沟渠中水深为田面以下40～50cm；
13.在分蘖盛期，当水稻的茎蘖数达到当地水稻多年平均有效分蘖的80％～90％时，排干田面水分进行晒田。
14.优选的，所述稻田的田埂高度为20～30cm，所述田埂上设置有溢流口。
15.优选的，所述稻田在水稻返青期外的水稻生育期田面灌溉水层小于等于12cm。
16.优选的，所述土壤饱和含水量采用式1所示公式计算得到；
[0017][0018]
式1中，带土环刀浸水时间根据土壤质地确定，当土壤质地为砂土时，浸水4h，当土壤质地为壤土时，浸水6h，当土壤质地为黏土时，浸水8～12h。
[0019]
优选的，在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期，稻田采用非连续性灌水方式进行灌水，单次的灌水量为13～20m3/亩，每次灌水后自然干到稻田含水量占土壤饱和含水量的70％～80％时进行下一次灌水。
[0020]
优选的，在水稻乳熟期至进入黄熟期前，单次灌水量10～15m3/亩，每次灌水后落干露田至表土开裂1.5～2.5mm再灌水。
[0021]
优选的，在水稻黄熟期，单次灌水量以土壤含水量小于等于土壤饱和含水量且田面无水层为准，每次灌水后落干露田至表土开裂4.5～5.5mm再灌水。
[0022]
优选的，在水稻收获前5～15天进行水稻断水。
[0023]
优选的，在冬闲期排干田面积水，打开灌排单元总排水口的闸门。
[0024]
优选的，在早稻移栽前25～30天，当土壤含水量下降至25％～30％时，进行翻耕整地。
[0025]
本发明提供了一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法，包括以下步骤：稻田灌排单元内紧邻稻田的沟渠，所述沟渠的深度为1～1.5m；所述沟渠和稻田的面积比为(5～8)：100；在稻田灌排单元总排水口设置闸门，在水稻生育季，沟渠存水高度调节完毕后关闭总排水口的闸门，在基肥施用前将沟渠的存水高度降至25～35cm；在施用水稻基肥后，进行水稻插秧；自水稻插秧至返青结束，当环境温度为15～35℃时，保持所述水稻田面的水层深度大于等于5mm；当环境温度大于35℃或者小于15℃，保持所述水稻田面的水层深度大于等于35mm；所述水稻田面的水层深度小于等于80mm；在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期，保持稻田的土壤含水量小于等于土壤饱和含水量且大于等于土壤饱和含水量的70％，其中在施用水稻分蘖肥和穗肥后的两周内保持沟渠中水深为田面以下60～70cm，水稻生育季其余时间的沟渠中水深为田面以下40～50cm；在分蘖盛期，当水稻的茎蘖数达到当地水稻多年平均有效分蘖的80％～90％时，排干田面水分进行晒田。
[0026]
本发明的方法是依据灌排单元田面水和沟渠水中氮磷浓度的动态变化与施肥时期的耦合关系，依据稻田施用基肥和分蘖肥后2周氮磷径流流失负荷占整个生育期的50％以上，因此将施用基肥和分蘖肥后2周确定为稻田灌排单元面源污染流失风险期；依据稻田
甲烷排放在水稻分蘖拔节期占总生育期全部排放量80％的比例，将水稻分蘖期、拔节期定为稻田甲烷排放的关键时期。本发明在明确灌排单元系统内面源污染和甲烷排放关键时期的基础上，以稻田灌排单元内稻田面源污染与甲烷气体的发生关键期为重点防控时期，充分考虑水稻需水规律，稻田水分蒸发、侧渗等对稻田灌溉水量的影响，以稻田面源污染与甲烷气体协同减排的控水为核心，通过控制田面水高度、土壤含水率、沟渠水深度等关键因子及其减排的控制阈值范围，提出以面源污染和甲烷气体协同减排为目的的田沟联动的减排方法，本发明的方法充分利用沟渠的蓄存能力和净化能力，通过水过程的科学运筹，在确保灌排单元面源污染减排的基础上，实现稻田甲烷气体排放的最大限度削减。该方法通过优化田间水分运筹实现沟渠水非连续性循环利用，确保面源污染与甲烷排放叠加期内灌排单元水不外排，确保甲烷排放高峰期内通过非连续性灌溉有效削减甲烷排放35％，最终达到面源污染与甲烷协同减排。本发明的方法明确、简单、方便、易实施，有利于稻区农业面源污染和甲烷气体协同减排。
附图说明
[0027]
图1为实施例1(优化水分管理)和对比例1(常规水分管理)面源污染和甲烷动态排放对比图，上图为氮径流损失和甲烷动态排放的对比图，下图为磷径流损失和甲烷动态排放的对比图。
具体实施方式
[0028]
本发明提供了一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法，包括以下步骤：
[0029]
稻田灌排单元内紧邻稻田的沟渠，所述沟渠的深度为1～1.5m；所述沟渠和稻田的面积比为(5～8)：100；
[0030]
在稻田灌排单元总排水口设置闸门，在水稻生育季，沟渠存水高度调节完毕后关闭总排水口的闸门，在基肥施用前将沟渠的存水高度降至25～35cm；
[0031]
在施用水稻基肥后，进行水稻插秧；自水稻插秧至返青结束，当环境温度为15～35℃时，保持所述水稻田面的水层深度大于等于5mm；当环境温度大于35℃或者小于15℃，保持所述水稻田面的水层深度大于等于35mm；所述水稻田面的水层深度小于等于80mm；
[0032]
在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期，保持稻田的土壤含水量小于等于土壤饱和含水量且大于等于土壤饱和含水量的70％，其中在施用水稻分蘖肥和穗肥后的两周内保持沟渠中水深为田面以下60～70cm，水稻生育季其余时间的沟渠中水深为田面以下40～50cm；
[0033]
在分蘖盛期，当水稻的茎蘖数达到当地水稻多年平均有效分蘖的80％～90％时，排干田面水分进行晒田。
[0034]
灌排单元内的水管理是影响面源污染和甲烷排放的重要方面，稻田关键期淹水会导致甲烷大量排放，施肥期的径流排水又会引起面源污染风险的增加，因此，本发明针对二者协同减排的需求，提出了一种基于田沟联动的协同减排方法，为稻田的面源污染和甲烷气体减排提供科学依据。
[0035]
在本发明中，稻田灌排单元内紧邻稻田的沟渠，所述沟渠的深度为1～1.5m，优选
为1.2m；所述沟渠和稻田的面积比为(5～8)：100，优选为(6～7)：100。
[0036]
在本发明中，所述稻田的田埂高度优选为20～30cm，更优选为25cm，所述田埂上设置有溢流口，所述田埂的溢流口处可调节排水高度；所述沟渠的深度优选为1～1.5m，更优选为1.2m；所述沟渠和稻田的面积比优选为(5～8)：100，更优选为(6～7)：100。
[0037]
在水稻生育季，本发明沟渠存水高度调节完毕后关闭总排水口的闸门，在基肥施用前将沟渠的存水高度降至25～35cm，更优选为30cm。
[0038]
在施用水稻基肥后，本发明进行水稻插秧；自水稻插秧至返青结束，当环境温度为15～35℃时，保持所述水稻田面的水层深度大于等于5mm；当环境温度大于35℃或者小于15℃，保持所述水稻田面的水层深度大于等于35mm；所述水稻田面的水层深度小于等于80mm。
[0039]
在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期，本发明保持稻田的土壤含水量小于等于土壤饱和含水量且大于等于土壤饱和含水量的70％，其中在施用水稻分蘖肥和穗肥后的两周内保持沟渠中水深为田面以下60～70cm，水稻生育季其余时间的沟渠中水深为田面以下40～50cm。
[0040]
在本发明中，所述土壤饱和含水量优选的采用式1所示公式计算得到；
[0041][0042]
式1中，带土环刀浸水时间根据土壤质地确定，当土壤质地为砂土时，浸水4h，当土壤质地为壤土时，浸水6h，当土壤质地为黏土时，浸水8～12h。
[0043]
在本发明中，在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期，稻田优选的采用非连续性灌水，单次的灌水量优选为13～20m3/亩，更优选为15～18m3/亩；每次灌水后自然干到稻田含水量占土壤饱和含水量的70％～80％时进行下一次灌水。
[0044]
在水稻生育季，本发明在沟渠存水高度调节完毕后关闭总排水口的闸门，其中在施用水稻分蘖肥和穗肥后的两周内保持沟渠中水深为田面以下60～70cm，更优选为65cm，水稻生育季其余时间的沟渠中水深为田面以下40～50cm，更优选为45cm。
[0045]
在分蘖盛期，当水稻的茎蘖数达到当地水稻多年平均有效分蘖的80％～90％时，本发明排干田面水分进行晒田。
[0046]
在本发明中，在水稻乳熟期至进入黄熟期前，单次灌水量优选为10～15m3/亩，更优选为12～13m3/亩，每次灌水后落干露田至表土开裂1.5～2.5mm再灌水。
[0047]
在本发明中，在水稻黄熟期，单次灌水量优选的以土壤含水量小于等于土壤饱和含水量且田面无水层为准，每次灌水后落干露田至表土开裂4.5～5.5mm再灌水。
[0048]
在本发明中，在水稻收获前5～15天进行断水。
[0049]
在本发明中，在水稻生育季发生大雨后及时打开稻田田埂排水至沟渠。
[0050]
在本发明中，在冬闲期排干田面积水，打开灌排单元总排水口的闸门。
[0051]
在本发明中，在早稻移栽前25～30天，当土壤含水量下降至25％～30％时，进行翻耕整地。
[0052]
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种基于田沟联动的稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对
本发明保护范围的限定。
[0053]
实施例1
[0054]
步骤一：整理构建灌排单元沟渠，确保灌排单元内保持沟渠的深度为1～1.5m；所述沟渠和稻田的面积比为(5～8)：100。
[0055]
步骤二：依据灌排单元田面水和沟渠水中氮磷浓度的动态变化与施肥时期的耦合关系，得出稻田施用基肥和分蘖肥后2周氮磷径流流失负荷占整个生育期的50％以上，因此将此时期确定为稻田灌排单元面源污染流失风险期；依据稻田甲烷排放在水稻分蘖拔节期占总生育期全部排放量80％的比例，将水稻分蘖期、拔节期定为稻田甲烷排放的关键时期。
[0056]
该方法涉及水稻整个生育期，其中，重点针对面源污染发生关键期和甲烷排放关键期开展污染减排。
[0057]
步骤三：针对面源污染与甲烷排放关键期交错的特点，在基肥施用后的两周时间内以面源污染防控为主。在此时期，为兼顾水稻正常生长与田面降雨截留库容，田埂高度为20～30cm，水稻从插秧到返青结束田面灌溉水层控制在5～20mm以内，低于5mm应及时灌水。注意在遇到高温(35℃以上)或低温(15℃以下)，田面水层可以保持在40mm左右，水稻田面的水层上限控制高度为80mm。
[0058]
基肥施用前将沟渠中的存水高度降至30cm左右，保证满足周边水稻田至少一次的灌溉量，待沟渠中的存水量调节完毕后，将灌排单元总排水口的闸门关闭。沟渠深一般在1～1.5m，沟渠承接此时期稻田径流产流水深3.7～10.4cm(按照沟渠深度最低1m，最高1.5m计算，沟渠面积占稻田面积的5％～8％计算)，发挥沟渠截留净化功能，降低此时期内灌排单元面源污染流失风险，防止稻田中排入沟渠的肥水流出灌排单元。
[0059]
步骤四：根据实地田间试验，结合文献调研，确定参数：
[0060][0061][0062]
土壤含水量的测定方法，可用简易取土称重法或土壤水分仪测定。
[0063]
注：带土环刀浸泡时间视土壤质地而定，一般砂土4h，壤土6h，黏土8～12h。
[0064]
步骤五：在水稻分蘖期至拔节期，追施分蘖肥后2周时间，是面源污染和甲烷协同减排重点时期，之后是甲烷减排重点时期。此时期稻田内部的控水规则为，灌溉的上限是土壤饱和含水量(即汪泥塌水)，下限控制在土壤含水量占饱和含水量70％(水稻田面沉实、脚不粘泥)。此期间，稻田采用非连续性灌溉，每次灌溉20～30mm以下的薄水层(每次每亩灌水量13～20m3)，以后自然干到田不裂开，当稻田含水量占饱和含水量70％左右进行下一次灌水。此期间注意逢雨不灌，大雨排干。在分蘖盛期茎蘖数达到当地水稻多年平均有效分蘖80％～90％时，排干田面水分进行一次7天左右的充分晒田，此时期内若有降雨，应及时将田面积水排干并延长晒田时间，直至田面裂缝明显。对于移栽期进行有机物料(如秸秆和粪
便)添加的稻田，可将此控水规格的开始时间提前至移栽后第3周开始。
[0065]
在此时期内，分蘖肥施用后2周内的时间，沟渠中水深控制在田面以下60～70cm，保证灌区内地下水埋深控制在40～100cm，既保证水稻非连续性灌溉的水量补给，又能承接径流排水，重点承接分蘖肥施用2周内稻田排水，若此段时间内降雨量少可将沟渠中水深控制在田面以下30～40cm。灌排单元总排水口的闸门保持关闭状态，保证整个灌排单元内地下水位控制在适宜范围的同时，发挥沟渠截留净化功能，降低此时期内灌排单元面源污染流失风险。
[0066]
步骤六：孕穗期与抽穗期，此时期是水稻需水高峰期，土壤水分接近饱和就能满足此时期植株的生理需水量。穗肥施用后2周内也是面源污染和甲烷协同减排重点时期，此时期控制灌溉采取灌水上限是土壤饱和含水量(即汪泥塌水)，下限控制在含水量占饱和含水量70％～80％(水稻田面沉实，田泥稍粘脚)，每次灌溉20～30mm的薄水层(每次每亩灌水量13～20m3)，灌一次水露田3～4天。应注意逢雨不灌，大雨排干，调气促根保叶。
[0067]
在此时期内，穗肥施用后2周内的时间，沟渠中水深控制在田面以下60～70cm，保证灌区内地下水埋深控制在40～100cm，既保证水稻非连续性灌溉的水量补给，又能承接径流排水，重点承接穗肥施用2周内稻田排水。灌排单元总排水口的闸门调至沟渠水位控制目标，整个灌排单元内地下水位控制在适宜范围的同时，发挥沟渠截留净化功能，降低此时期内灌排单元面源污染流失风险。
[0068]
步骤七：乳熟黄熟期，这一时期主要是防止甲烷排放增加的时期，每次灌溉20mm以下的薄水层(每次每亩灌水量10～15m3)，落干露田到表土开裂2mm左右再灌水，实行干湿交替。直至稻穗顶端谷粒变成淡黄色，即进入黄熟期，田面无水层，以湿为主，表土开裂5mm左右再灌水，收获前要提前1～2周断水，如果气温高、天晴干燥，宜提前5～10天断水。如气温不高经常阴雨，宜提前7～15天断水，若田面有积水应及时排干。
[0069]
在此时期内，沟渠中水深控制在田面以下40～50cm，保证灌区内地下水埋深控制在40～100cm，既保证水稻非连续性灌溉的水量补给，又能承接径流排水。此时期内，灌排单元总排水口的闸门保持关闭状态，整个灌排单元内地下水位控制在适宜范围的同时，发挥沟渠截留净化功能，降低此时期内灌排单元面源污染流失风险。
[0070]
步骤八：冬闲期，这一时期主要是针对冬季未进行作物种植的稻田，防止来年水稻移栽后秸秆厌氧腐解产生大量甲烷。水稻收获后若田面有积水应及时排干。在早稻移栽前25～30天，当土壤含水量降到25％～30％(不陷机车为原则)，及时进行翻耕整地促进秸秆好氧腐解。如稻秸秆留高茬套播绿肥，则绿肥与秸秆联合翻耕还田。
[0071]
在此时期内，灌排单元总排水口的闸门打开，在承接冬季降雨产流的同时还能给绿肥提供灌溉。沟渠应排水通畅，防止沟渠内水不流动造成水质下降。
[0072]
对比例1常规水分管理
[0073]
在水稻生育季，沟渠排水总阀口处于关闭状态，阀口高度低于周围河流水位高度；仅在插秧前进行一次沟渠存水高度降控制，水深为田面以下20～30cm；在施用水稻基肥后，进行水稻插秧；除人为排水外，水稻插秧后稻田一直存有明显水层，返青期稻田水层高度为3～5cm；水稻生育季其余时期稻田水层高度为5～15cm，稻田无明显水层后立即灌水。水稻生育期内进行2～3次人为排水晒田；分蘖盛期进行第一次排水晒田，减少无效分蘖。水稻收获前7～15天进行第二次排水，防止水稻倒伏和收割机塌陷。若田间杂草茂盛在插秧后的15
天额外进行一次2～3天的排水打药。
[0074]
冬闲期不进行水分控制，在插秧前5～10天灌水泡田，泡田结束后翻耕插秧。
[0075]
常规水分管理和优化水分管理的面源污染和甲烷排放结果参见图1和表1。
[0076]
实施例1和对比例1的实施效果参见图1和表1。
[0077]
表1：面源污染和甲烷排放关键时期水分优化管理前后排放总量对比
[0078][0079]
从图1和表1可以看出，本方法实施后，可有效削减水稻生育季面源污染氮磷损失71％和63％，在施肥后的关键时期能削减90％；有效削减水稻生育季甲烷排放33％，在甲烷排放高峰的分蘖拔节期能削减40％。
[0080]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。