基于农村低污染水再利用的稻田湿地消纳潜力及安全性评价

Low polluted water (LPW) was considered as an alternative water source for paddy fields irrigation in recent years. These studies generally focused on water balance, nitrogen and phosphorus removal, crop growth and yield changes, and environmental effects, etc. Few of them were involved with how to enhance potential consumption of paddy fields receiving rural LPW in a safe and effective way. This project tries to change the traditional irrigation and drainage mode to enhance the potential consumption of LPW. Different proportions of LPW and fertilization will be applied to study the effect on crop growth dynamics, nitrogen utilization, crop yield and quality and other related factors in order to determine the proper amount of alternative fertilizer. Carbon and nitrogen transformation process and mechanism will be deeply studied to discuss the possibility of enhancing the maximum amount of potential consumption during the LPW application. Meanwhile, modern analytical instruments will be used for environmental safety monitoring, including nitrogen and phosphorus concentration and the amount of pathogen in the surface water, runoff and leachate; the physical and chemical properties, salinity, pathogen and heavy metal content and microbial diversity in the soil; the emission amount of ammonia, methane and nitrous oxide. Safety assessment will be conducted on the basis of the values of the monitoring items to establish the best LPW consumption mode and provide scientific basis for engineering application.

将农村低污染水作为一种替代水源进行稻田灌溉有着良好的应用前景。国内外已有将低浓度污染水回用于稻田的尝试，研究一般集中在水量平衡、氮磷去除、作物生长和产量变化以及环境效应等方面，对于如何安全有效提升稻田湿地对生活污水尾水的消纳潜力少有研究。本项目试图从改进稻田传统的灌排水模式入手提升稻田湿地对农村低污染水的消纳潜力；通过生活污水尾水与氮肥不同配比施加对作物生长动态、氮素利用率、产量与品质等的影响，探讨适宜的化肥替代量；从低污染水进入稻田系统后碳氮的转化过程和作用机理讨论最大消纳量提升的可能性。同时，利用现代的分析测试仪器对尾水回用下环境安全的相关指标进行监测，包括田面水、径流、渗滤液中氮磷的浓度与病原菌数量；土壤理化性质、含盐量、病原菌数量、重金属含量、微生物多样性；以及氨挥发，甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量。在此基础上进行综合效应评估，以期得出最优的尾水回用模式，为工程应用提供科学依据。

水稻田可以看作是一种人工湿地。本试验将生活污水工程尾水作为一种肥水资源进行稻田灌溉，研究了不同类型低污染水（受污染河水、生活污水尾水）进入稻田系统后的氮素的转化过程，发现在总氮投入量一致的情况下，各处理组水稻生长状况与籽粒产量均没有显著差异，整个生育期受污染河塘水、生活污水尾水处理替代化肥比例分别为12.83%、44.41%，说明利用稻田消纳低污染水具有较好的化肥替代效果。同时，研究了尾水不同灌排模式及不同氮肥添加下田面水氮、磷的变化，氮素渗漏损失，氨挥发量以及对水稻生长与养分吸收利用、土壤性质等的影响。试验中根据不同的尾水回用模式，设置以下处理：仅尾水灌溉（TW1），仅尾水灌溉+加强排水（TW2），尾水灌溉+仅施基肥（TW3）以及尾水灌溉+仅施分蘖肥（TW4），同时设置清水灌溉下，不施氮肥（N0）与正常施肥（N210）两组对照。这部分试验结果表明，尾水回用各处理对尾水的消纳量在0.010~0.014 m3/(m2•d)之间，折合化肥氮量为147.1~210.3 kg/hm2。尾水回用各处理对水稻结实率、千粒重没有造成明显的影响；与对照相比，增加了收获期土壤微生物量碳、氮、磷的含量。尾水灌溉各处理氨挥发量均低于N210，特别是TW1和TW2处理氨挥发总量显著低于N210。不过，加强排水的TW2处理由于加大了排水量，增加了由径流造成的氮素环境排放。尽管尾水灌溉各处理籽粒干重低于常规施肥对照，尾水回用和施肥结合的TW3与TW4处理整株氮累积和N210相当。在此基础上，通过大田试验对低污染水稻田安全回用进行了工程示范，示范效果表明，稻田生活污水尾水灌溉可在减少化肥氮用量20%的情况下保证水稻高产，具有良好的应用前景。根据以上试验结果，我们认为尾水灌溉配合减量施肥是较佳的回用模式，其回用量要以不增加环境污染风险为前提。