中国水稻种植区不同水分管理策略下田间-沟塘系统的氮素流失削减效率

《Agricultural Water Management》：Nitrogen-loss reduction efficiencies of field–ditch–pond systems under different water management strategies in rice-growing regions of China

　　

田间-沟塘（FDP）系统通过截留和净化作用减轻水稻生产中的氮素（N）流失；然而，氮素流失调控的最优策略尚不明确。为此，研究人员利用FDP-NPS模型，在中国典型水稻种植区评估了FDP系统在不同水分管理策略下的氮素削减效率。沟塘面积占比为1.87%–6.91%，年降雨量为228.0–2713.2 mm。FDP系统采用的“低水位管理”策略，包括田间节水灌溉和沟塘低水位调控，协同截留了降雨事件产生的93.72%以上的径流。氮素削减效率（IR_Nload）在东北平原为42.68%–89.55%，长江中下游流域为46.01%–85.94%，东南沿海为27.18%–76.44%，长江上游流域为13.85%–38.82%。调整沟塘系统的有效水深可使高强度调控的IR_Nload比低强度和中等强度调控提高7.74–36.23%。灵活调控策略可进一步适应枯水年、平水年和丰水年的多样化降雨事件，同时保持稳定的IR_Nload，全国范围内波动较小（0.22–14.57%）。因此，在氮污染控制和高标准农田建设中，应优先考虑区域特异性的水分调控优化，而非盲目扩大沟塘面积。

**论文解读：中国水稻种植区田间-沟塘系统在不同水分管理策略下的氮素流失削减效率**

**1. 研究背景与问题**

中国水稻田约占全国耕地总面积的19%，却消耗了68%的农业水资源和24%的氮肥，贡献了约37%的全国农业氮素流失量。在高水肥投入模式下，水稻田被视为农业非点源（ANPS）污染的主要来源之一，对地表水水质构成严重威胁。气候变化导致极端降雨事件频发，尤其是高强度降雨，进一步加剧了氮素流失风险。田间-沟塘（FDP）系统作为一种独特的湿地生态系统，通过水源涵养、养分截留和生物地球化学净化等功能，在减少水稻产区污染物输出方面发挥着关键作用。该系统具有“源头控制”和“汇端截留”双重核心功能：控制田间排水可减少地表径流和养分流失，从而缓解“源头”污染；沟塘通过蓄水保肥增强“汇端”截留潜力。然而，以往研究大多将稻田、沟渠和塘堰孤立分析，缺乏对耦合FDP系统整体调控效果的量化评估。已有模型如PWNPRS和ORYZA虽能模拟稻田氮素迁移过程，但无法评估多站点、区域尺度下FDP系统的综合调控效应。因此，亟需量化中国不同水稻种植区FDP系统的氮素削减潜力，并提出差异化优化策略。

**2. 研究目标与方法概述**

本研究旨在：（1）量化中国四大水稻种植区沟塘面积占比；（2）评估低水位管理策略下FDP系统对氮素径流流失的截留潜力；（3）估算现有沟塘配置下的氮素削减效果；（4）提出针对不同水稻种植区的差异化调控优化策略。研究区域涵盖东北平原（NE）、长江流域（YZB，进一步分为上游UYZ和中下游MLYZ）以及东南沿海（SE）。研究人员利用Google Earth Pro 7.3.6亚米级遥感影像提取46个典型研究样点的沟塘面积参数；水稻空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（RESDC，2021年）；土壤属性数据（0–20 cm）来源于联合国粮农组织世界土壤数据库（HWSD V2.0，2024年）；1991–2020年逐日气象数据来自中国气象数据服务中心。基于改进的一阶动力学方程、水量平衡和FDP系统调控规则，采用FDP-NPS模型进行逐日尺度氮素径流流失负荷与截留性能模拟。模拟中设置了三种调控情景：低调控情景（LRS，沟深200 mm、塘深500 mm）、中调控情景（MRS，沟深400 mm、塘深1000 mm）和高调控情景（HRS，沟深600 mm、塘深1500 mm），并以常规淹灌（CF）且沟塘无调控作为对照组。田间水分管理采用干湿交替灌溉（AWD）作为调控情景下的田间措施。模型精度采用决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）进行评估。

**3. 主要研究结果**

**3.1 沟塘分布特征**

沟塘网络广泛分布于中国主要水稻种植区，但区域差异显著（p < 0.05）。平均沟塘面积占比（R_dp）排序为：MLYZ（6.91% ± 2.22%）> NE（5.82% ± 2.33%）> SE（4.90% ± 1.90%）> UYZ（1.87% ± 0.25%）。沟渠占比（R_ditch）排序为NE（5.67%）> MLYZ（5.56%）> SE（4.19%）> UYZ（1.79%）；塘堰占比（R_pond）排序为MLYZ（1.35%）> SE（0.71%）> NE（0.16%）> UYZ（0.07%）。塘堰主要集中在南方水稻种植区，湖南省R_pond可达4.10%。地形、水资源条件、灌溉排水制度、农业生产强度及机械化水平共同塑造了沟塘的空间分布格局。

**3.2 径流截留能力**

在现有沟塘配置下，FDP系统对降雨径流表现出较强的截留能力，平均截留率为77.6%（范围41.4%–98.3%）。对于小雨、中雨和大雨事件，径流截留率均超过85%，表明现有FDP系统能够在中国水稻种植区最常见的降雨条件下提供稳定的径流调节。然而，在暴雨和大暴雨事件下，截留能力显著下降，表明极端降雨可能超出FDP系统的有效蓄水容量。径流截留能力受初始田间水位和田间-沟塘蓄水容量调控：初始水位越高，截留潜力越低；增加有效蓄水深度可提高截留能力。四个区域的FDP截留能力与R_dp空间格局一致，表现为MLYZ > NE > SE > UYZ。

**3.3 氮素削减效果**

基于逐日尺度模拟，氮素削减负荷（单位面积削减量）排序为：SE（5.07–13.44 kg/ha）> MLYZ（2.46–12.29 kg/ha）> NE（2.84–6.21 kg/ha）> UYZ（0.06–2.51 kg/ha）。氮素削减率（IR_Nload）在NE为42.68%–89.55%，MLYZ为46.01%–85.94%，SE为27.18%–76.44%，UYZ为13.85%–38.82%。在相同水文年型下，NE和SE的HRS与MRS之间IR_Nload无显著差异，但HRS与LRS差异显著；MLYZ在丰水年三种调控情景间均差异显著；UYZ对调控强度最为敏感，三种情景间均存在显著差异，从低调控到高调控IR_Nload提高1.34–2.80倍。水文年型对IR_Nload的影响弱于调控强度，同一调控情景下不同水文年型间的IR_Nload无显著差异，区域间变化幅度仅为0.22%–14.57%，表明FDP系统对水文年型变异具有较强鲁棒性。

**3.4 空间变异与相关性**

降雨与R_dp呈正相关关系。相关性分析表明，R_dp与IR_Nload的关联性强于降雨量。在NE（r = 0.81，p < 0.05）、MLYZ（r = 0.55，p < 0.01）和SE（r = 0.85，p < 0.01）中，R_dp与IR_Nload呈显著正相关。而在低R_dp的UYZ，降雨与IR_Nload呈边缘负相关（r = ?0.93，p = 0.06）；高R_dp的MLYZ呈弱正相关（r = 0.21，p = 0.34）；SE在极端降雨（>1000 mm）下相关性几乎消失（r = 0.03，p = 0.93）。据此，四个产区被划分为三种响应类型：MLYZ和SE为高降雨高R_dp下氮素削减潜力突出型；NE为中降雨中R_dp下IR_Nload稳定型；UYZ为低R_dp下氮素削减响应有限型。

**4. 讨论与结论**

**4.1 模型性能与优化方向**

FDP-NPS模型融合了改进的一阶动力学方程和水量平衡方程，能够捕捉稻田表面水氮素衰减的逐日变化及其对单次降雨事件的响应。模型在中国主要水稻种植区氮素动态估算中表现出稳定的多站点适应性，R2为0.60–0.93，RMSE为6.12–20.70 mg/L。然而，模型在沟塘尺度上主要模拟水文截留作用，尚未充分表征沟塘内的生态脱氮过程。未来应将生物地球化学氮素衰减过程纳入FDP-NPS框架，以耦合水文-生态过程。

**4.2 极端降雨下的氮素削减**

中国极端降雨事件增加22.6%，超过全球平均水平。降雨驱动的氮素流失占TN流失总量的78%–94%，施肥后降雨事件贡献全季TN流失的37%。在现有沟塘规模下，FDP系统可截留93.72%以上的降雨径流，并在不同降雨格局下实现13.85%–89.55%的IR_Nload，且不同水文年型间无显著差异。相比扩大沟塘面积，优化FDP系统的蓄水调控潜力更为可行。建立动态田间水位控制规则、结合降雨预警进行主动预降水位，以及配备自动化灌溉排水设备，是提升极端降雨应对能力的关键途径。

**4.3 改善策略与未来展望**

对于高R_dp、高降雨和高氮流失的MLYZ和SE，应通过清淤、改善水力连通性、智能降雨预报和改进灌排设施来升级基础设施；对于NE，建议维持现有沟塘空间配置，同时优化田间水分管理并强化沟渠生态净化功能；对于UYZ，受山地高原地形限制，扩大沟塘网络困难，且氮流失负荷较低，应优先采用田间集雨和灌溉调控等源头控制措施。未来研究需评估不同水分管理实践及配套工程措施的成本、可行性和综合效益，并将农户节水行为、沟塘共同维护和政策支持等社会制度因素纳入长期治理框架。

**5. 研究结论**

中国主要水稻种植区的沟塘规模呈现显著空间异质性（p < 0.05），受地形、水资源条件、耕作强度和灌排基础设施共同影响。MLYZ的沟塘面积占比最高（6.91% ± 2.22%），其后依次为NE（5.82% ± 2.33%）、SE（4.90% ± 1.90%）和UYZ（1.87% ± 0.25%）。FDP系统在小雨和中雨事件下截留超过92%的径流，大雨事件下截留超过78%。氮素削减率在NE和MLYZ表现突出（42.68%–89.55%和46.01%–85.94%），SE为27.18%–76.44%，UYZ为13.85%–38.82%。在调控强度方面，沟渠水位200–600 mm、塘堰水位500–1500 mm条件下，高强度调控比低和中等强度调控提高氮素削减率7.74–36.23%。灵活的水分调控策略可适应枯水年、平水年和丰水年的多样化降雨事件，IR_Nload仅小幅波动（0.22%–14.57%）。未来应优先通过灵活水分管理挖掘现有FDP系统的氮素削减潜力，而非盲目扩大沟塘面积。增强现有沟塘系统的生态净化功能是实施农业水分管理基于自然解决方案的重要途径。本研究为未来高标准农田建设中优化沟塘系统提供了科学依据。