1.3　农田排水管理

农田排水被认为是造成农田面源污染的主要来源，但通过采用各种合理的农田排水管理措施，可将农田排水及携带的污染物控制在某种程度内，获得明显的节水减污效应（Strock等，2010）。此外，对水资源短缺地区，农田排水还可作为重要的水源加以利用。由此可见，合理的农田排水管理对提高农业水资源利用率、保护农田水环境等都具有十分重要的意义。

1.3.1　改进农田除涝排水工程设计

传统的农田除涝排水工程的设计是在考虑工程建造与维护的经济性和施工机械运行的可行性基础上，尽可能地加大排水沟（管）的深度（Schultz等，2007），但其忽视了对农田水环境的保护。当提高排水工程系统的设计标准时，将增大农田排水量，这必然引起土壤氮、磷、盐分流失量的相应增加。与污染物负荷相关的设计指标是排水强度和排水系统的布置方式，在过量使用化肥下，硝态氮流失量将随着暗管间距减小和埋深增加而加大，与较大埋深和较强排水强度相比，较浅埋深和较低排水强度下的暗管排水量和氮流失量都相对较少（Sands等，2008）。此外，Smedema（2007）也认为较深排水沟可能引发环境危害，并证实了浅层排水即可满足当前的排涝需求。

由此可见，改进农田除涝排水工程设计与管理可在促进农业生产的同时尽可能避免对水环境产生负面影响。将明沟排水工程设计为复式断面，既可改善沟渠的稳定性、降低渠系水流侵蚀性，又可降低排水沟渠的维护成本，并减少下游泥沙的输出量，而阶梯式平台上种植的植物又能够吸收沟岸冲蚀的氮磷等，在控制排水强度的同时减少了氮磷流失量（Powell等，2007a；Powell等，2007b）。Verma等（2007）提出了双层暗管排水工程设计方法，当地下水位下降到上层排水暗管以下时，将暗管间距增加1倍，从而控制了排水强度。对单层非控制排水系统，可在暗管出口处安装控制装置减少排水量。由于排水系统直接接纳农田排水中的污染物，故在工程设计中需避开这些污染物，利用简单的评估模型能够确定不同排水管理措施下的污染物流失路径，并评估在排水设施建成后是否将成为主要污染源，从而确定合理的布置方式（Delgado等，2010；Kleinman等，2011）。

1.3.2　农田控制排水措施

控制排水已被许多国家列为治理农田面源污染的最佳管理措施之一，其目的一是尽量减少因无节制的排水带来的水量、肥料流失，并有利于采取相应的措施进行再利用；二是通过减量排水降低所携带的氮磷等养分对受纳水体造成的污染。主要途径是通过设置在排水沟（管）出口处的水位控制装置实现调控排水出流量的目的，也可以在明沟中通过设置低堰达到控制排水的目的（图1.3），在保持作物生长适宜土壤水分条件的同时减少污染物排放量。

Christen等（2001）对澳大利亚的地下排水进行总结后指出，大多数排水系统处于过量排水状态，排走的盐分远大于引进的数量，且排水率超过控制水位和涝水需求所需要的合理排水率，虽然这有利于排水区的盐分控制，但大量盐分排到下游会对受纳区的土地和水环境形成威胁，故需采取相应措施合理管理排水系统，以便减少对下游环境的影响。El-Sadek等（2002）提出控制排水不仅可充分利用水源，还可有效改善农田水环境，单从经济角度看，控制排水并不提高排水的经济效益，但从环境角度看，控制排水在减少硝酸盐排放量上作用明显。Wesstrom等（2007）在瑞典西南部开展的控制排水试验表明，控制排水明显减少了排水中的氮磷负荷，氮流失高峰期与排水流量和土壤矿质氮含量的高峰期一致，作物吸氮量每公顷增加了3～14kg，产量增长2%～18%，与自由排水相比提高了氮的使用效率。Stampfli和Madramootoo（2006）的研究表明，控制排水可以减少灌溉用水量，不仅提高了水的利用效率，而且具有投资少和费用低等优点。Willams等（2015）在美国俄亥俄州进行了7年的田间试验，对比了自由排水与控制排水条件下的排水量及其养分浓度，与前者相比，控制排水可减少排水量8%～34%、铵态氮-8%～44%、可溶性磷40%～68%。Kröger等（2008）在明沟上设置了低堰作为控制排水措施，研究表明低堰控制排水条件下，可减少可溶性无机磷、总磷、硝态氮、铵态氮分别为92%、86%、98%和67%。

近年来国内也开始尝试水稻的田间水位控制措施，通过在排水沟上修建拦蓄设施达到抗旱、节水、节肥和减污的目的。罗纨等（2006）在宁夏银南灌区进行的控制排水试验结果表明，将深度为1m的排水农沟控制到0.6m时，整个作物生长期内的农沟地下排水量减少约50%，地下水含盐量增幅仅为3.7%，远低于影响作物生长的临界含盐量；景卫华等（2009）采用DRAINMOD模型模拟后发现采取控制排水后的地下排水量明显减少，排水总量也显著降低，从而有利于区域水质的保护。彭世彰等（2012）在江苏高邮灌区进行了节水灌溉与控制排水相结合的田间试验，结果表明水分生产率显著提高而污染物负荷显著下降，控制排水降低了灌溉需水量，灌排系统相结合具有显著的节水减污效益。此外，利用各种模拟模型（如RZWQM、DSSAT、DRAINMOD等）模拟控制排水对作物产量的影响也成为热点。

1.3.3　农田排水污染物沟塘（湿地）削减

农田排水沟渠具有物质传输、过滤或阻隔、物质能量的源或汇等功能，显著影响到农田生态系统中各种物质循环过程。利用农田系统中的沟渠构建线形人工湿地，发挥其非点源污染物的截留、分解、转化等功能，可以有效改善地表水质的效果（Needelman等，2007）。杨林章等（2005）提出一种由工程和植物组成的生态拦截型沟渠系统，可减缓水流速度，促进所携带的颗粒物沉淀，有利于对沟坡、水体和沟底中逸出的养分实行立体吸收和拦截，农田径流中总氮、总磷去除效果分别达到48.4%和40.5%，实现了对农田排出养分的有效控制。吴攀等（2012）在宁夏灵武农场的典型排水支沟内布设了土壤、炉渣、秸秆和锯末4种基质处理及铲草和对照处理，研究表明选择适合的基质进行人工布设可以有效地截留农田退水中的污染物。

塘堰或湿地作为一种农田排水的处理方式具有显著的生态和景观效益，尤其是人工湿地的建设运行成本相对较低，在非点源污染防治中已得到广泛应用。Borin等（2007）进行了5年的表面流湿地处理农田排水试验，其中湿地面积占被处理流域面积的5%，结果表明进入湿地的农田排水总氮中50%以上可被植物吸收，20%以上被储存在土壤中，少部分通过反硝化损失掉，氮的平均削减能力达到90%。Smiley和Allred（2011）将控制排水、地下灌溉系统和水塘湿地通过地下管道和抽水泵站相连，形成了集灌溉、排水、湿地净化、排水再利用为一体的小型农田水利工程，可有效提高水资源利用效率并控制农业面源污染。结合我国南方平原和浅丘陵区水稻灌区的灌排工程系统特点，借鉴灌溉-排水-湿地综合管理的理念，广西青狮潭灌区以改造农田洼地为人工湿地为主，湖北漳河灌区以开发现有灌溉塘堰净化水质功能为主，形成的灌溉-排水-湿地综合管理系统可以明显地降低稻田排水中的总氮、总磷含量，达到修复农田水环境的目的（Dong等，2009；Shao等，2010）。茆智（2009）指出通过在灌区内建立节水灌溉与控制排水、小型湿地、生态沟等组成的防线，可使氮磷污染减少约2/3，有效提高了农田地表和地下排水的水质，使其能够被回收利用。何元庆等（2012）以珠海市斗门区上洲村典型稻田系统为例，基于现有排灌系统，经适当改建后提出了适应当地情况的生态沟渠型人工湿地构建方法，对稻田排水径流中的污染物具有良好净化效果。

1.3.4　农田排水再利用

农田排水对作物生长具有和灌溉同等重要的作用，没有适当的排水条件和设施就无法保证良好的作物生长环境。此外，不适当的排水在造成农田养分流失和水环境污染的同时还会引起农田地表水、地下水、土壤水的损失。为此，对农田排水进行灌溉再利用，不仅可节水还能实现排水中氮磷等元素的高效再利用。采用农田排水作为灌溉补充水源不仅可提供作物所需的水分和养分，还可对环境产生最小化影响。

干旱半干旱地区的农田排水中往往含有较高盐分，若利用不当可导致作物产量和品质下降，并对环境产生负面影响。王少丽等（2010）基于宁夏银北灌区3个排水沟的水质监测数据评价了排水沟的水质污染程度，分析了排水再利用下的土壤盐渍化风险。在地下水浅埋地区，排水再利用应与地下水管理相结合，Ayars等（2011）在浅层地下微咸水情况下利用EC＜6dS/m的排水灌溉耐盐苜蓿，发现灌后盐分同时在土壤和地下水中累积，地下水位因排水能力不足而上升。EI-Mowelhi等（2006）在埃及尼罗河三角洲北部开展了排水再利用研究，总结分析了排水用于灌溉作物6个生长季后的效果，指出采用EC为1.1～3.64dS/m的排水进行灌溉，短期内对农业生产和环境没有显著的负面影响，但长期的效应还有待深入研究。

水稻生长耗水量多，但用水效率较低，故循环灌溉是稻田灌溉的重要模式。将稻田排水部分用于再灌溉，不仅可减少氮磷等营养物质的实际排放量，还能使一部分排水中的氮磷被作物吸收利用，而这种过程又提高了氮磷在稻田内的滞留时间，从而提升了田面排水的净化程度（Hama等，2011）。Feng等（2004）研究了循环灌溉条件下稻田营养元素的输移转化规律，由于循环利用过程中部分使用了稻田排水，增加了水力停留时间，有助于稻田吸附营养元素，且最终稻田出流的氮磷负荷相对于入流有所减少。Takeda等（2006）积累了长达8年的循环灌溉下稻田的水质和水文监测资料，分析了稻田污染物出流变化的长期规律和净化功能，结果表明该系统对TP、COD起到了净化作用，对TN的去除效果却不明显，TN和COD的年负荷与来水量有很好的相关性，并得出了TN、TP、COD的净出流负荷为零的临界水力停留时间。

农田排水再利用的环境效应与风险评价也是目前研究的重点。Shiratani等（2004）利用数值模型模拟了排水循环利用对降低污染物负荷的作用，48%循环率下灌溉水与排水的氮负荷相同；Hafeez等（2008）以最小费用为目标函数，建立了基于塘堰调节农田排水并再利用的稻田区域排水除污成本优化模型；Singh等（2003）在水稻种植区域内利用塘堰储存调节排水并用于灌溉，开发了灌溉、排水与再利用除污成本的优化模型，结果表明需要保持更大面积的塘堰和排水沟才能去除较高的污染物出流负荷。由此可见，通过适当的灌排管理措施实现农田排水再利用，既可增加水肥利用率又能阻止排水中的氮磷等污染物向地表水体的排放。

在农田排水再利用的工程模式上，Singh和Kumar（1997）基于FAIDS和RESBAL模型模拟研究了区域排水情况，设计了一系列串联的塘堰贮存排水，确定了相应的调度运行方案。Zapata等（2000）在连续梯田区域采用格田灌溉逐级向下的顺序，将来自上游梯田的灌溉退水排放到下游直接利用，比较了排水再利用模式与传统灌溉模式的效果，发现前者的灌水均匀性和灌溉水利用系数均有所提高。Gotsis等（2015）采用上游排放水与下游淡水联合利用的方式，以经济效益最大为目标，基于半经验的水分生产函数，研究了不同淡水水价和不同排水水质下的最优排水可利用量。王少丽等（2010）基于宁夏银北灌区农田排水再利用工程模式的调研与经济分析，提出了根据灌溉用水方式、排水沟水循环方式、取水量与输水距离、沟水流量和沟道规模等因素选择工程运行模式的方法。

1.3.5　稻田除涝减灾水量调控

稻田蓄水除涝是其生态系统服务的重要功能之一，主要体现在增加了区域蓄水能力，减轻了洪涝灾害，增加了地下水补给，并具有净化水土、调节微气候、维持生物多样性等特点。多采用水文分析方法开展稻田防洪除涝功能的研究，如绘制水位曲线，采用蒙特卡洛法建立水文模型等，目前的研究主要包括降雨径流模拟、稻田储水能力估算、不同节水模式下的稻田水量调控效果等。为了达到更好的防洪除涝效果，在极端降雨情况下，应将稻田与河流进行联合调度管理。

稻田蓄水除涝减灾功能研究始于20世纪80年代，Shimura（1982）根据稻田对涝水的调节作用最早提出了稻田的防洪除涝功能，计算得出日本稻田汛期的洪涝水存蓄量高达8.1亿m3，大大超出现存2.4亿m3的水库蓄水能力。Ohnishi和Nakanishi（2000）在对比了两个流域的情况后发现，稻田面积较大的流域，其洪峰径流量和径流速率相对较小。Masumoto等（2006）在区域尺度上评估了稻田的防洪滞涝功能，认为洪涝管理应从单纯的筑坝修堤加速排水转变为除涝与高效用水的结合。黄璜（1997）调查了湖南省境内的稻田，指出从6月底至7月中旬利用稻田可蓄存5.34万m3的水量。Chen等（2011）利用修正的Tank模型对台湾新浦乡试验梯田的4次降雨径流过程进行了模拟研究，定量分析了稻田降低和延迟洪峰的功能。Sujono（2010）研究了不同节灌模式下的稻田蓄水除涝效果，结果表明稻田能有效储存降雨并减少涝灾，不同节灌模式可减少涝水37.2%～55.7%，其中采用栽培技术对降雨存储最为有效，涝水减少高达55.7%。乔文军等（2004）从农业生产与防洪除涝角度出发，分析了长江中下游平原湖区的稻田用水管理，由于长江汛期与水稻生长发育期重合，故充分利用降雨、因地制宜的调节田间水层，既能保障水稻产量，又有利于长江堤防安全。尽管推广水稻节水灌溉模式在促进稻田蓄水滞涝功能上具有一定的生态意义，但相关研究偏少，未引起足够重视。