池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對水稻產量及土壤氮磷遷移的影響

晏 軍，朱建強，馬 艷，蔣舜堯，吳啟俠

(1.長江大學農學院，湖北 荊州 434025；2. 濕地生態(tài)與農業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025)

水稻種植和水產養(yǎng)殖都是農業(yè)中的重要產業(yè)，對維護我國糧食安全和促進農民增收具有舉足輕重的作用。我國南方平原湖區(qū)水土資源優(yōu)越，適宜水稻種植和水產養(yǎng)殖，但是近年來也面臨諸多矛盾。一方面，我國水資源緊缺，水資源時空分布極不均勻，而占全國總用水量45%～50%的水稻種植系統(tǒng)，水浪費現象卻相當嚴重[1]。而稻田過量施用化肥可導致氮磷等化學元素的大量流失和稻田周邊水體的污染[2,3]。另一方面，我國池塘養(yǎng)殖已越來越多地采用高密度、高投餌的精養(yǎng)技術模式，70%～80%投喂飼料以溶解和顆粒物的形式排入水體中，而被魚類食用飼料中的營養(yǎng)物質最終約有51%的氮和64%的磷會成為廢棄物[4]。在池塘換水期間被集中排入外部環(huán)境后，會進一步加劇了周圍江河和湖泊等水域的富營養(yǎng)化程度，也造成一定的水資源浪費。因此，合理利用池塘養(yǎng)殖廢水來灌溉稻田，進行農業(yè)利用是一條有效的途徑。

許多學者就養(yǎng)殖廢水灌溉作物做了大量的研究，陳柏湘[5]、吳啟俠等[6]分析了不同水管理模式下稻田對養(yǎng)殖廢水的凈化效果，杜會英等[7-9]研究了牛場肥水灌溉對冬小麥-夏玉米產量，養(yǎng)分吸收利用及土壤氮素平衡，黃紅英等[10]研究表明豬糞沼液施用可替代化肥50%～75%，可獲得與化肥處理相當的產量，且在一定程度上提高水稻氮素利用率，章明奎等[11]調查研究表明長期畜禽養(yǎng)殖污水灌溉可促進氮、磷在土壤剖面中的垂直遷移，增加對地下水的污染風險。這些研究多集中畜禽養(yǎng)殖肥水灌溉對作物產量、土壤理化性質、修復及其處理工藝上，且研究多集中在北方旱地作物上，針對我國南方平原湖區(qū)，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉對水稻產量、養(yǎng)分吸收及土壤養(yǎng)分殘留等方面研究較少。本試驗探究了減量施肥條件下，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉對水稻氮磷吸收量、不同生育期稻田養(yǎng)分供應及收獲后稻田土壤剖面氮磷殘留量進行了研究分析。旨在實現池塘養(yǎng)殖廢水水分及其養(yǎng)分的再利用，節(jié)水節(jié)肥，達到水資源綜合利用，降低水田的灌溉施肥成本，為我國南方濱湖地區(qū)池塘養(yǎng)殖和水稻生產的有機結合提供數據理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2015年在湖北省荊州市荊州區(qū)太湖農場梅槐分場進行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫為16～16.4 ℃，年平均降水量為904～1 127 mm，是典型的漁農混作平原湖區(qū)，周圍密集分布著稻田與魚塘。用于本試驗的水稻田0.667 hm2，南北方向長133 m，東西方向長50 m，屬于典型的水稻田。試驗前耕層(0～20 cm)土壤化學性狀為：全氮量為1.91 g/kg、堿解氮量為69.4 mg/kg、全磷量為0.34 g/kg、速效磷量為24.1 mg/kg、全鉀量為3.34 g/kg、速效鉀量為118.7 mg/kg。養(yǎng)殖池塘位于水稻田的西北方向，池塘總面積2 000 m2，養(yǎng)殖魚類以四大家魚為主，養(yǎng)魚總量為1 000 kg左右，每天早上8點左右進行投餌喂食，餌料以雞糞、豬糞、發(fā)酵后的小麥、雜草和農作物秸稈為主，每次投喂量約20 kg。通過輸水管和抽水泵將魚塘和稻田聯(lián)系在一起，灌溉時將魚塘水通過水泵抽到稻田各個小區(qū)內。供試水稻品種為荊楚優(yōu)148(晚稻)，6月1日播種，6月30日人工移栽，種植的株行距為25 cm×30 cm。每蔸1株，移栽前稻田內撒施基肥，7月15日追施分蘗肥，8月24日齊穗，10月22日收割。

1.2 試驗設計

在0.667 hm2的水稻田內沿東西向劃分為12個320 m2(40 m×8 m)的小區(qū)，設4個處理：常規(guī)施肥量和清水灌溉(對照，CK)、常規(guī)施肥量+池塘養(yǎng)殖廢水灌溉(T1)、80%常規(guī)施肥+池塘養(yǎng)殖廢水灌溉(T2)及60%常規(guī)施肥+池塘養(yǎng)殖廢水灌溉(T3)，每個處理3個重復。各小區(qū)間用高50 cm PVC隔水板隔開，防止試驗過程中小區(qū)間的串水。稻田灌溉與池塘換水時期相結合，每次換水量約為500 m3，廢水和清水的灌水定額均為950 m3/hm2，利用水表計量，灌溉誤差在5%以內，本試驗過程中共有6次灌水，分別在分蘗期和灌漿期各2次、拔節(jié)孕穗期和抽穗揚花期各1次，整個生育期灌溉量約為5 700 m3/hm2。各處理具體的養(yǎng)分投入量如表1所示。

1.3 測定項目與方法

試驗開始前采集基礎土樣。于水稻分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗揚花期、灌漿期和成熟期利用土鉆采集土壤耕層樣品，采樣時間于灌溉后一周內，采樣深度為20 cm，收獲后采集土壤樣品深度為60 cm，每層20 cm，各小區(qū)樣品按“五點取樣法”采集。水稻成熟后每個小區(qū)收獲10株，分籽粒和秸稈2部分稱其干質量，風干、脫粒、稱量干質量。籽粒和秸稈風干后粉碎分別測定全氮和全磷量。各小區(qū)按處理測定其實際產量，并進行考種和分析比較。

表1 各處理的養(yǎng)分投入量 kg/hm2

土樣和水稻植株樣測定指標及方法為：全氮量采用濃H2SO4-H2O2消煮凱氏定氮法，全磷量采用濃H2SO4-H2O2消煮釩鉬黃比色法[12]。

1.4 數據分析

應用DPS15.10高級版進行方差，采用LSD法進行處理間多重比較，利用Microsoft Excel 2010作圖。

作物吸氮或磷量=(籽粒烘干質量×籽粒含氮或磷量)+(秸稈干質量×秸稈含氮或磷量)

2 結果與分析

2.1 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對水稻產量的影響

收割后各處理水稻產量及其構成見表2，由于各處理施肥水平不同，灌溉池塘養(yǎng)殖廢水后水稻產量也不盡相同。水稻產量以T1處理最高，為8 211 kg/hm2，相對CK處理可增產2.3%；以T3處理最低，為7 261 kg/hm2，相對CK處理減產9.6%，而T2處理其產量可獲得CK處理的99.4%。對各處理水稻產量進行差異性比較，結果表明，各個處理間以及各處理與對照處理之間，有效穗和千粒質量均為差異不顯著；每穗粒數、結實率和實際產量，T3與CK處理之間差異顯著，T2與CK處理之間相比實際產量有所下降，但差異不顯著。說明池塘養(yǎng)殖污水灌溉只能在一定程度上可替代部分化學肥料，起到一定的增肥作用。

表2 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉對水稻產量及構成因素的影響

2.2 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對水稻養(yǎng)分吸收的影響

對收獲后水稻吸收氮磷量進行顯著性分析，結果見圖1，氮

磷的吸收量以T1處理最高，相對于CK處理分別增加了4.4和2.0 kg/hm2，以T3處理最低，相對于CK處理降低了15.8和4.0 kg/hm2，T2處理相對于CK雖略有降低，但差異性并不顯著。表明在減量施肥的條件下，池塘養(yǎng)殖廢水中的營養(yǎng)物質可以補充水稻生長所需的養(yǎng)分，80%常規(guī)施肥量條件下，用池塘養(yǎng)殖廢水進行養(yǎng)分投入，對水稻吸收氮磷量的影響不顯著。

圖1 不同處理水稻的氮磷吸收量注:圖中不同字母表示在5%的水平上顯著差異(P<0.05)，下同。

2.3 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對耕層土壤養(yǎng)分的影響

土壤全氮全磷是衡量土壤氮磷素供應狀況的重要指標。在水稻生長的幾個關鍵生育期稻田耕層土壤氮磷養(yǎng)分狀況如圖3所示，可以看出，各處理耕層土壤氮磷含量隨生育期變化的趨勢基本一致，在分蘗期由于施肥和灌溉因素，其氮磷養(yǎng)分含量都有所提升，可見在水稻的營養(yǎng)生長期，其稻田養(yǎng)分供應是相對充足的。在拔節(jié)孕穗期后，T2和T3處理全氮含量降低趨勢明顯，全磷含量除T3處理外其各處理降低趨勢相對較一致。總體上看，各生育期稻田耕層土壤氮磷量大小表現為T1>CK>T2>T3，說明灌溉池塘養(yǎng)殖廢水能夠提高稻田土壤氮磷量，但是在灌溉池塘養(yǎng)殖廢水帶入養(yǎng)分量相同的情況下，施肥量還是影響稻田土壤氮磷量的主要因素。從分蘗期至灌漿期總共計灌溉6次，在這個灌溉周期中，與CK相比，T1、T2和T3處理全氮含量分別平均增加3.8%、-2.3%和-10.1%，全磷含量分別平均增加3.3%、-4.2%和-10.7%，可見池塘養(yǎng)殖廢水灌溉條件下，水稻生長期內減量施肥20%稻田土壤全氮全磷含量沒有減量施肥40%降低趨勢大。

圖2 水稻不同生育期各處理耕層土壤氮磷量

2.4 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對土壤剖面氮磷殘留的影響

水稻收獲后，不同土層全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量如圖3所示?？梢钥闯?，土壤全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量在0～60 cm土層深度隨著土壤深度的增加而呈現降低的趨勢，而在同一土層深度下，T1處理都高于CK處理，但會隨著施肥量的減少而減少，表明池塘養(yǎng)殖廢水灌溉配合常規(guī)施肥處理會增加土體中氮磷殘留量，說明氮磷素供應量超過作物需求后，將會導致更多的氮磷素殘留在土壤中，從而增加土壤中氮磷的累積量。各處理間差異性分析表明，土壤全氮(圖a)和堿解氮(圖b)含量分別在0～20 cm和40～60 cm土層各處理間無顯著差異，分別在20～60 cm和0～40 cm土層，T2和T3處理都顯著低于CK；土壤全磷(圖c)和速效磷(圖d)含量分別在0～20 cm和20～60 cm土層，T2和T3處理都顯著低于CK。同時，由表3可知，水稻收獲后的實際產量、土壤全氮、堿解氮、全磷和速效磷都與氮磷的總輸入量呈顯著正相關。速效養(yǎng)分是能直接指示土壤供給植物吸收利用的，而全量養(yǎng)分可以用來衡量作物收獲后土壤中的殘留量。上述結果表明，減量施肥20%～40%條件下，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉不會影響水稻對養(yǎng)分的吸收，同時也不會導致土壤剖面中氮磷的累積，從而可以降低氮磷對淺層地下水的環(huán)境風險。

圖3 不同處理土壤氮磷量的垂直分布

實際產量土壤全氮土壤全磷土壤速效磷土壤堿解氮總氮輸入量土壤全氮0.93*土壤全磷0.750.88*土壤速效磷0.870.810.89*土壤堿解氮0.89*0.98**0.96**0.88*總氮輸入量0.96*0.94*0.89*0.96**0.96*總磷輸入量0.95*0.99**0.90*0.89*0.99**0.97**

注：*p<0.05 ，**p<0.01。

3 討 論

氮磷是作物增產的主要限制因子，適量施入可顯著提高作物產量，過量的養(yǎng)分投入，降低養(yǎng)分利用率同時增加環(huán)境風險[8,13]。張興良等[14]研究表明豬場污水還田與化肥配施水稻、小麥產量與常規(guī)對照無顯著差異，杜會英等[8]研究表明麥季肥水灌溉能顯著提高冬小麥和夏玉米產量，但郭海剛等[15]研究表明灌溉牛場廢水次數過多會對冬小麥造成一定的負面影響，導致產量略有降低，本研究表明水稻產量以池塘養(yǎng)殖廢水灌溉常規(guī)施肥量下處理最高可達8 211 kg/hm2，相對常規(guī)處理可增產2.3%，當80%常規(guī)施肥時，其產量沒有降低，這與周元等[16]研究結果相一致。本研究中各生育期稻田耕層土壤氮磷量大小表現為T1>CK>T2>T3，說明灌溉池塘養(yǎng)殖廢水能夠提高稻田土壤氮磷量，而抽穗期至灌漿期的水分養(yǎng)分管理對水稻產量形成的影響較大，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉下減量施肥20%，抽穗揚花期至灌漿期、灌漿期至成熟期稻田土壤養(yǎng)分沒有顯著下降，可見池塘養(yǎng)殖廢水中的營養(yǎng)物質能滿足后期水稻生長的養(yǎng)分需求。同時有研究[17]表明，農田土壤中養(yǎng)分的積累與不合理施肥有關，其中因長期高量施用化肥或畜禽糞便引起土壤磷、氮積累已成為許多農區(qū)地表徑流中養(yǎng)分流失的主要原因。本研究表明，在水稻生長季節(jié)，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉條件下施肥水平在常規(guī)施肥量的80%左右，能夠有效減少稻田土壤氮磷的積累，降低對農田周圍水體污染的風險。

稻田土壤氮磷流失主要通過地表徑流、侵蝕、淋溶(滲漏或亞表層徑流)和稻田排水進入地表和地下水[18]，這都與土壤中養(yǎng)分積累程度有關。相關研究指出[19,20]，我國糧食作物的氮肥利用率只有20%～40%，當季施用的磷至少有75% 以上以不同形態(tài)殘留在土壤中，因此，現代農業(yè)對土壤肥力管理已不同于傳統(tǒng)農業(yè)，希望達到的土壤肥力既要能滿足農作物正常生長的需要，又不能使養(yǎng)分過度積累影響環(huán)境。有研究表明長期[11]或過多[21]畜禽養(yǎng)殖污水直接灌溉可顯著地提高稻田表層土壤中氮和磷的積累，積累量隨灌溉年限的增長而增加，會大大增加了對地下水污染的風險。本研究表明，土壤全氮和土壤全磷分別在20～60 cm和0～20 cm土層，T2和T3處理都顯著低于CK，說明減量施肥20%～40%條件下，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉不會導致土壤剖面中氮磷的累積，從而降低了氮磷的淋溶作用，這可能與作物品種、土壤類型、土壤微生物、水體中營養(yǎng)物質的負荷和環(huán)境因素(如光照和溫度等)等因素有關，且該研究主要側重于水稻生長和土壤質量的監(jiān)測評估，監(jiān)測時間僅為1 a。因此，研究長期池塘養(yǎng)殖廢水還田的經濟環(huán)境效益，還需要長期試驗進一步深入研究確認。

4 結 語

常規(guī)施肥量下池塘養(yǎng)殖廢水灌溉水稻增產潛能低，減量施肥20%后，在養(yǎng)分供應減弱的情況下，保證水稻整個生長期池塘養(yǎng)殖廢水灌溉，稻田土壤氮磷養(yǎng)分含量沒有顯著降低，且產量可達常規(guī)水平的99.4%。同時，收獲后0～60 cm土層深度中氮磷量也是隨著施肥量的降低而降低。綜合考慮作物的產量效應和土壤氮磷素累積的環(huán)境風險，水稻全生育期池塘養(yǎng)殖廢水灌溉條件下，可節(jié)約化肥20%和清水灌溉量5 700 m3/hm2。

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