新型梯田-暗管田面入渗技术减少泥沙与养分流失

《Soil Science Society of America Journal》：New terrace-tile inlet technologies reduce sediment and nutrient losses

　　

田面入渗设施如Hickenbottom竖管（Hickenbottom riser, HBR）常被用于排除美国中西部农业景观中的封闭洼地和水坑积水。尽管HBR提供了高效的排水功能，但其也同时输运了大量的养分和泥沙流失。本研究旨在比较四种田面入渗技术对免耕梯田田块排放量和径流水质的影响，这四种技术分别为：HBR、HBR结合渠道侧管（HBR with channel laterals, HBR + CL）、水质入渗口（water quality inlet, WQI）以及盲沟入渗（blind inlet, BI）。研究于2023年至2025年进行，水质在暗管出口处监测。在整个研究期间，HBR具有最高的中位日排放量（0.26 mm），其次是HBR + CL、WQI和BI。排放差异在2023年和2025年被观察到，而2024年各处理间无显著差异。HBR始终表现出最高的泥沙和养分流失。WQI相较于BI、HBR + CL和HBR，泥沙流失中位数降低了11%–76%，而BI在2025年相较于HBR降低了总悬浮固体（total suspended solids, TSS）流失95%。田间观察显示，HBR + CL由于安装了地下排水管道，加速了土壤干燥并减少了梯田渠道中的渍水。BI通过石灰石介质上的过滤、吸附和沉淀作用，有效减少了大多数阳离子和阴离子流失、泥沙和排放。WQI也通过临时积水期间的沉降作用减少了多种养分。总体而言，替代性入渗技术，特别是BI，在维持高效排水的同时，展现出减少梯田暗管排水田块泥沙和养分流失的强有力潜力。

研究背景方面，美国中西部冰川黄土沉积形成了包括封闭洼地在内的多样地貌特征。封闭洼地缺乏自然地表出水口，过去150年间人工排水系统被开发以减少涝渍、提高作物产量。潜埋暗管排水于1835年首次在美国纽约州引入。梯田-暗管排水系统在美国中西部广泛采用，显著减少了草原水坑地区的涝渍和积水，使该地区成为高产的农业密集区。密苏里州北部、伊利诺伊州南部和爱荷华州以高侵蚀性土壤为主，广泛采用梯田-暗管排水系统防止土壤侵蚀。这些系统常包含将积水直接导入地下暗管的地表入渗口。最常用的田面入渗设施是 growers-standard Hickenbottom riser（HBR），其将水直接导入地下暗管，水流路径畅通无阻。然而，地表入渗口可能成为养分和泥沙输运的通道，径流进入暗管时常携带悬浮固体和农用化学品，包括磷（phosphorus, P）和氮（nitrogen, N），导致下游水体藻类繁殖和缺氧状况。

目前存在的主要问题在于，虽然已有研究评估了各类地表入渗口的有效性，但多项研究空白仍有待填补。Li等人（2017）比较了HBR与WQI，但未将WQI与BI进行比较。梯田在其洼地（称为渠道坡面）积聚水分，渠道侧管（channel laterals, CLs）的安装可通过降低地下水位来提高作物产量，但尚无研究评估CL在去除养分和改善径流水质方面的效果。此外，以往研究多比较封闭洼地或草原水坑的地表入渗口，而非地貌梯田上的效应。基于此，研究人员开展了本项研究。

研究人员在美国密苏里州东北部Leonard附近的密苏里大学Grace Greenley农场开展试验，该田块采用免耕玉米-大豆轮作。2022年建造了8道梯田，每道梯田安装标准HBR。2022年9月，将其中4个HBR替换为2个BI、2个WQI，另外2个HBR加装CL（HBR + CL）。试验采用随机完全区组设计，每种入渗技术2次重复。2023年3月至2025年9月期间，在暗管出口安装V型缺口桶式量水堰配合HOBO MX2001水位计，每10分钟记录水位数据，通过45°V型缺口堰公式计算流量，并转换为每日排放量。共采集36次径流样品，测定pH、电导率（electrical conductivity, EC）、总悬浮固体（TSS）以及多种阴阳离子浓度。数据分析采用SAS v9.4的GLIMMIX过程进行广义线性混合模型分析。

研究得出以下主要结论：

**排放量与总悬浮固体**

日排放量方面，HBR在整个研究期间始终显著高于BI和WQI（p-value < 0.05）。HBR中位日排放量最高（0.26 mm），依次为HBR + CL（0.19 mm）、WQI（0.14 mm）和BI（0.10 mm）。2024年各处理间无显著差异。HBR + CL的排放量低于预期，田间观察显示安装CL的区域 visibly drier，穿孔CL可能将部分地表径流重新分配至地下路径，降低了入渗口处的峰值地表入流。

TSS方面，2023年WQI显著降低TSS流失44%–56%；2025年BI降低TSS 95%，WQI和HBR + CL分别降低87%和86%。整个研究期间，WQI较HBR + CL和HBR分别降低TSS 32%和76%，BI较HBR降低74%。WQI和BI的TSS降低归因于其较低排放量和较长水力停留时间，促进了泥沙在梯田渠道中的沉降；BI则通过石灰石砾石过滤截留泥沙。

**水质参数**

氢离子浓度（[H⁺]）在2024年、2025年及整个研究期间处理间差异显著（p-value < 0.05）。HBR + CL的[H⁺]最高，BI最低，这与BI中石灰石的碱性效应有关。EC在各处理间无显著差异（p-value = 0.9701）。

阴离子流失方面，整个研究期间HBR的NO₃-N、SO₄-S、F^?、Cl^?和DRP流失最高。WQI和BI持续表现为较低值，BI显著降低了除Br^?和SO₄-S外的所有阴离子（p-value < 0.0001）。WQI通过小口径流槽减缓水流、增加水力停留时间，促进临时积水和反硝化作用，从而减少硝酸盐流失。BI通过石灰石砾层的过滤和化学吸附作用减少阴离子流失，碱性环境有利于磷酸盐和卤化物在碳酸钙表面的吸附及钙-磷复合物沉淀。

阳离子流失方面，整个研究期间处理间差异显著（p-value < 0.0001）。HBR的Ca²⁺、K⁺和Mg²⁺流失始终最高，HBR + CL次之，WQI和BI较低。BI的Ca²⁺和Mg²⁺略高于WQI，归因于石灰石风化释放；但BI显著降低了Fe²⁺、Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺和Al³⁺等阳离子流失，石灰石创造的高pH环境增强了阳离子交换和氢氧化物形成反应。总体而言，阳离子流失顺序为HBR > HBR + CL > WQI > BI，与阴离子流失规律一致。

累积排放量和累积TSS、溶解性阴阳离子流失在各处理间无显著差异，主要由于年度间降水变异性和重复间的高变异性所致。

**地表入渗口比较与使用建议**

HBR适用于需要快速排水的场景，但会造成最高的泥沙和养分流失。WQI通过限制设计和延长水力停留时间有效减少泥沙流失，适用于土壤侵蚀明显的封闭洼地或耕作坡面，但常导致临时积水。HBR + CL有利于梯田渠道区域的排水，通过增强地下径流降低地下水位、加速田间干燥，但在减少养分和泥沙流失方面效果有限。BI作为保护性措施可最大限度减少泥沙和养分流失，且不妨碍农机作业。已有研究估计BI使用寿命约为8–10年，免耕管理可延长其寿命。

研究结论部分翻译如下：本研究首次在同一田间条件下比较了四种地表入渗技术（HBR、BI、WQI和HBR + CL）在重复性免耕梯田系统中的 supported 的效应，并引入了一种利用梯田渠道地下CL减少渍水和提高排水效率的新技术。研究结果表明，HBR在快速排除田间积水方面效率最高，但同时造成了最高的泥沙和养分流失。WQI有效减少了TSS，但常导致临时积水。HBR + CL的实施通过增强地下径流改善了降雨后的田间干燥，但相较于HBR并未显著减少养分和泥沙流失。相比之下，BI显著降低了几乎所有阳离子和阴离子的排放流失，也降低了TSS，但降幅不及WQI。BI的削减效应主要归因于石灰石砾石促进的可溶性离子吸附和沉淀。总体而言，研究结果证明虽然HBR在排水效率上具有优势，但BI和WQI在改善水质方面具有更大潜力。将这些替代技术整合到保护性排水系统中，有助于最小化养分和泥沙流失、保护下游水质并支持梯田管理。此外，将这些替代入渗措施叠加使用（如BI结合CL或WQI）可能进一步提升水质。这些发现可供利益相关者、政策制定者和农业生产者用于指导保护规划，实现高效的排水管理实践。