茭鴨共作人工濕地消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的初步研究

張家宏，王桂良，徐 榮，寇祥明，韓光明，王守紅，朱凌宇，畢建花，金銀根

(1.江蘇省生態(tài)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225008；2.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 揚(yáng)州 225007；3.揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225001)

茭鴨共作人工濕地消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的初步研究

張家宏1，王桂良1，徐 榮1，寇祥明2，韓光明2，王守紅2，朱凌宇2，畢建花2，金銀根3

(1.江蘇省生態(tài)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225008；2.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 揚(yáng)州 225007；3.揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225001)

依托江蘇省揚(yáng)州市小紀(jì)鎮(zhèn)水生蔬菜基地，設(shè)置4個(gè)處理：茭白(Zizanialatifolia)單作人工濕地，不施肥(DF0)；茭白單作人工濕地，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量(DFC)；茭鴨共作人工濕地，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量(GFC)；茭鴨共作人工濕地，50%當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量(GF50%C)。試驗(yàn)用水為試驗(yàn)地附近養(yǎng)魚池塘水，分析各處理茭白田面水TN和TP以及土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：灌溉養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水7 d后DF0處理田面水TN和TP濃度平均降至峰值的21.27%和15.58%；施肥7 d后各施肥處理田面水TN和TP濃度平均降至峰值的8.21%和6.51%；減量施肥后，GF50%C處理田面水TN和TP去除率分別為82.81%和84.25%，與DF0處理之間無顯著差異；減量施肥后，與DFC處理相比，GF50%C處理在維持茭白產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，可提高土壤有機(jī)質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分含量。就各茭鴨共作人工濕地處理而言，茭白整個(gè)生長期用養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水按約4 500 m3·hm-2進(jìn)行灌溉，其輸入的氮、磷量相當(dāng)于83.55 kg尿素和46.50 kg過磷酸鈣?？梢?，茭鴨共作人工濕地在消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水體方面有較大潛力，在適當(dāng)降低施肥量的前提下，可有效去除富營養(yǎng)化水體中氮、磷含量，提高土壤質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

茭鴨共作；人工濕地；富營養(yǎng)化水；土壤養(yǎng)分；經(jīng)濟(jì)效益

集約化養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水隨意排放加劇周圍水域污染的問題日益嚴(yán)峻,如何消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水體,降低周邊河道水體營養(yǎng)鹽含量,恢復(fù)水體生態(tài)平衡,一直是全球環(huán)境問題的研究熱點(diǎn)[1-3]。構(gòu)建高等水生植物人工濕地是消納富營養(yǎng)化水、改善水體質(zhì)量的一條重要途徑[4-5]。茭白是我國特有的水生蔬菜,其肉質(zhì)鮮美可口,營養(yǎng)豐富,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。江蘇里下河地區(qū)水網(wǎng)交織,水資源豐富,茭白田分布廣闊,種植面積大,構(gòu)建的茭白人工濕地在處理養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水體方面有巨大潛力。因此,進(jìn)行茭白人工濕地消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的應(yīng)用研究,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,有關(guān)茭白人工濕地的相關(guān)研究認(rèn)為,茭白是挺水植物,具有生長快、生物量大、吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn),并且是一種經(jīng)濟(jì)作物,茭白田作為人工濕地用于消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水時(shí),一方面可以達(dá)到凈化養(yǎng)殖肥水的目的,另一方面可以降低生產(chǎn)成本,增加經(jīng)濟(jì)收入。茭白對(duì)富營養(yǎng)水體中氮、磷的去除率分別達(dá)到10%～50%和20%～75%[6-8]。近年來,江蘇里下河地區(qū)積極推廣茭鴨共作種養(yǎng)結(jié)合生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,該模式以一季茭白田放養(yǎng)兩批鴨(俗稱“一茭兩鴨”),實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖肥水育茭、以茭護(hù)鴨、以鴨促茭的良好生態(tài)種養(yǎng)效果[9]。與常規(guī)茭白人工濕地相比,茭鴨共作人工濕地中鴨在田間進(jìn)行除草、滅蟲、排泄和渾水等活動(dòng),而且氮、磷養(yǎng)分投入增加,使得茭白生長環(huán)境得到改善。至于該系統(tǒng)消納富營養(yǎng)化水的應(yīng)用效果如何,尚不清楚。筆者主要比較常規(guī)茭白人工濕地和茭鴨共作人工濕地對(duì)養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水體中氮、磷的去除效果,以及土壤養(yǎng)分和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的變化情況,進(jìn)而為茭鴨共作人工濕地消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的推廣應(yīng)用提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然條件

試驗(yàn)于2015年在揚(yáng)州市江都區(qū)小紀(jì)鎮(zhèn)紀(jì)西村(32°37′20″ N,119°44′51″ E)進(jìn)行,該地區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū),季風(fēng)顯著,四季分明,夏季炎熱多雨,冬季涼爽干燥,平均海拔5 m。平均氣溫14.9 ℃,最高氣溫39.1 ℃,最低氣溫-8 ℃。平均降水量為978.7 mm。年平均日照時(shí)數(shù)為2 140 h,年無霜期為220 d。

1.2 供試土壤與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地一直用于茭白-慈姑-荸薺等淺水水生蔬菜輪作,前作為慈姑。供試土壤為潮土,基礎(chǔ)土樣(0～20 cm土層)pH值為5.65,w(有機(jī)質(zhì))為26.5 g·kg-1,w(全氮)為2.3 g·kg-1,w(堿解氮)為155.1 mg·kg-1,w(速效磷)為36.3 mg·kg-1,w(速效鉀)為113.8 mg·kg-1。

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理:(1)茭白單作人工濕地,不施肥(DF0);(2)茭白單作人工濕地,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量(DFC);(3)茭鴨共作人工濕地,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量(GFC);(4)茭鴨共作人工濕地,50%當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量(GF50%C)。小區(qū)面積為300 m2(15 m×20 m),設(shè)3次重復(fù),隨機(jī)排列。各試驗(yàn)處理模式的實(shí)施流程見圖1。

圖1 各試驗(yàn)處理模式的實(shí)施流程Fig.1 Flow chart of the experiment

當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量:基肥施用尿素225 kg·hm-2(4月9日),分蘗肥施用尿素300 kg·hm-2(5月16日),調(diào)節(jié)肥(茭白二次分蘗期)施用尿素225 kg·hm-2和復(fù)合肥300 kg·hm-2(7月27日),孕茭肥施用尿素300 kg·hm-2和復(fù)合肥450 kg·hm-2(9月12日)。50%當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量指每次施肥量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量的50%。各時(shí)期N和P2O5施用量見表1。尿素N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%,復(fù)合肥N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。根據(jù)天氣預(yù)報(bào),盡量確保施肥后7 d內(nèi)無明顯降雨。該試驗(yàn)在施肥后7 d內(nèi)未出現(xiàn)明顯降雨,各水分管理時(shí)期田面水位都保持在合理范圍內(nèi),因此沒有考慮雨水稀釋和徑流對(duì)田面水氮、磷濃度的影響。每次施用肥料,先落淺田面水位至1～2 cm,然后順行撒施肥料,第2天復(fù)水。茭白水位管理以“淺—深—淺”為原則,用周邊養(yǎng)殖池塘肥水灌溉。移栽茭白前需淺水泡田,4月10日移栽茭白苗,至分蘗之前保持3～5 cm淺水位,有利于提高地溫,促進(jìn)發(fā)根(茭苗淺水期);分蘗開始后水位保持在5～7 cm,促進(jìn)分蘗(分蘗淺水期);分蘗后期,水位保持在10～15 cm較深水位,控制無效分蘗(分蘗深水期);進(jìn)入孕茭期,水位加深至20～25 cm,促進(jìn)茭白增大(孕茭深水期);孕茭后期至收獲,水位逐漸下降至2～5 cm,便于采收(收獲淺水期)。

試驗(yàn)地北側(cè)有2個(gè)養(yǎng)魚池塘,面積分別為0.62和0.23 hm2。為了降低污水處理成本,追求更高的經(jīng)濟(jì)效益,當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖戶常常把大量未經(jīng)處理的養(yǎng)殖肥水直接排放到溝渠或河流中。試驗(yàn)地與池塘之間有寬0.6 m、長5 m的溝渠相連。每次茭白田需要灌溉時(shí),通過該溝渠將養(yǎng)殖池塘肥水引流到茭白田。各水分管理時(shí)期消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的總量和氮、磷含量見表2。

表1 試驗(yàn)處理及肥料施用量Table 1 Treatments and fertilization rates

表2 人工濕地各水分管理時(shí)期消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水總量和氮、磷含量Table 2 Amount of eutrophied water, and nitrogen and phosphorus assimilated by artificial wetland relative to treatment

小區(qū)之間作泥埂并用塑料布隔離,以防肥、水混串。田埂四周用尼龍網(wǎng)圍欄,每隔2～3 m打1根樁固定,圍網(wǎng)下端埋入土中,地上網(wǎng)高約為50 cm,以防鴨子在各小區(qū)間亂竄。茭鴨共作人工濕地田塊空地按6 只·m-2搭建簡易鴨舍。鴨舍四周用竹、木圍筑,石棉瓦蓋頂,外圍再用尼龍網(wǎng)圍起。

根據(jù)茭白與鴨共作技術(shù)規(guī)程[10],茭白分蘗后按450只·hm-2放第1批雛鴨(10 d齡)下田(5月24日),分蘗后期收成鴨(90 d齡)(8月11日);15 d后,按450 只·hm-2放第2批雛鴨(10 d齡)下田(8月26日),11月13日收第2批成鴨(90 d齡)。起初3 d,雛鴨喂食3 次·d-1,即早、中、晚各1次。每只鴨喂食飼料約為150 g·d-1。3 d后,隨著雛鴨下田自行覓食,喂食次數(shù)與數(shù)量宜逐漸減少,具體次數(shù)、數(shù)量可根據(jù)茭白田內(nèi)雜草與水生小動(dòng)物數(shù)量及鴨的大小而定。茭鴨共作人工濕地中,由于鴨的踩踏和啃食作用,田間幾乎沒有雜草,各小區(qū)每天投喂鴨飼料量保持一致,鴨整個(gè)生長期平均喂食總量為8.5 kg·只-1。每日傍晚將鴨集中趕入田頭鴨舍。經(jīng)常派專人在田間巡邏,防止天敵侵?jǐn)_鴨。茭鴨共作人工濕地不噴施化學(xué)農(nóng)藥。

茭白種苗選擇當(dāng)?shù)貜V泛采用的耐肥、抗病、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的短日照“六安茭”品種。鴨苗選擇當(dāng)?shù)匾埒喰云贩N“高郵麻鴨”,其體小靈活,生活力強(qiáng),田間活動(dòng)時(shí)間長,嗜食野性生物,能生產(chǎn)出高品質(zhì)鴨肉和蛋品,繁殖力強(qiáng)。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

自每次灌溉富營養(yǎng)化水當(dāng)天到灌溉后第1、3和7天以及收第2批成鴨當(dāng)天、收成鴨后第1、3和7天分別取水樣。09:00—10:00采集田間水樣品,每小區(qū)均采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣法取樣后組成混合樣約100 mL。樣品過濾后,總氮(TN)采用過磷酸鉀氧化-紫外分光光度法測定,總磷(TP)采用硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測定。同樣,采用5點(diǎn)取樣法,在茭苗淺水期(5月3日)、分蘗淺水期(7月1日)、分蘗深水期(8月26日)、孕茭深水期(9月27日)和收獲淺水期(11月13日)采集耕層0～20 cm土壤樣品。有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定,堿解氮含量采用氫氧化鈉堿解擴(kuò)散法測定,速效磷含量采用鹽酸-硫酸提取法測定。

自2015年10月1日開始,各小區(qū)每隔1 d采收1次茭白,10月15日測產(chǎn)結(jié)束。茭白開始采收時(shí),各小區(qū)按“S”形狀用標(biāo)簽標(biāo)記5株長勢均勻的茭白植株,將每次采收的肉質(zhì)莖切成片狀裝袋,采收結(jié)束后取茭白株樣。所有樣品在105 ℃烘箱中殺青30 min后降至80 ℃烘干稱重,之后粉碎測定N含量。植株全N含量采用凱氏定氮法測定。

1.4 分析方法

采用SPSS 19.0軟件對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和多重比較(LSD法檢驗(yàn),P<0.05)。采用Excel 10.0和SigmaPlot 10.0軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并制圖。

茭白人工濕地中,將灌入的池塘富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分含量與排出的水體中養(yǎng)分含量之差定義為茭白人工濕地系統(tǒng)對(duì)富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分去除量,將去除量占池塘富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分含量比例定義為茭白人工濕地系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)分的去除率。沒有分別考慮土壤和肥料養(yǎng)分供應(yīng)、作物吸收和各途徑損失對(duì)富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分去除的貢獻(xiàn)大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 茭鴨共作人工濕地田面水TN和TP動(dòng)態(tài)變化

各處理田面水TN和TP含量動(dòng)態(tài)變化見圖2～3。由圖2可知,不施肥條件下 DF0處理自茭苗淺水期至孕茭深水期灌溉富營養(yǎng)化水當(dāng)天ρ(TN)最高,平均為9.73 mg·L-1,之后逐漸下降,7 d時(shí)ρ(TN)降至峰值的21.27%,平均為2.07 mg·L-1。與DF0處理相比,施肥處理(DFC、GFC和 GF50%C)ρ(TN)顯著增加,在灌溉富營養(yǎng)化水后1 d達(dá)到峰值,平均為84.38 mg·L-1,之后逐漸下降,7 d 時(shí)ρ(TN)降至峰值的8.21%,平均為6.93 mg·L-1。自分蘗深水期至孕茭深水期,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下GFC處理ρ(TN)比DFC處理高,可能與鴨糞向田面水中釋放氮素有關(guān);減量施肥后,GF50%C處理ρ(TN)峰值平均為61.96 mg·L-1,比GFC和DFC處理分別降低36.59%和33.60%。收獲第2批成鴨后7 d內(nèi)各處理ρ(TN)變化不顯著,施肥處理ρ(TN)平均為2.43 mg·L-1,顯著高于DF0處理(1.21 mg·L-1)。

就同一水分管理時(shí)期而言，相同灌溉時(shí)間的同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間TN濃度差異顯著(P<0.05)。不同處理樣品在環(huán)境變量及其延長線上的圖2 不同處理田面水TN濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of the concentration of TN in surface water relative to treatment

由圖3可知,不施肥條件下DF0處理自茭苗淺水期至孕茭深水期灌溉富營養(yǎng)化水當(dāng)天ρ(TP)最高,平均為0.77 mg·L-1,之后逐漸下降,7 d時(shí)ρ(TP)降至峰值的15.58%,平均為0.12 mg·L-1。與DF0處理相比,DFC、GFC和 GF50%C處理分蘗深水期和孕茭深水期施復(fù)合肥,ρ(TP)顯著增加,在灌溉富營養(yǎng)化水后1 d達(dá)到峰值,平均為4.15 mg·L-1,之后逐漸下降,7 d時(shí)ρ(TP)降至峰值的6.51%,平均為0.27 mg·L-1。自分蘗深水期至孕茭深水期,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下,由于鴨糞供磷的作用,GFC處理ρ(TP)比DFC處理高;減量施肥后,GF50%C處理ρ(TP)峰值平均為2.78 mg·L-1,比GFC和DFC處理分別降低44.6%和40.3%。收獲第2批成鴨后7 d內(nèi)ρ(TP)變化不顯著,施肥處理ρ(TP)平均為0.22 mg·L-1,顯著高于DF0處理(0.10 mg·L-1)。

就同一水分管理時(shí)期而言，相同灌溉時(shí)間的同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間TP濃度差異顯著(P<0.05)。不同處理樣品在環(huán)境變量及其延長線上的圖3 不同處理田面水TP濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamics of the concentration of TP in surface water relative to treatment

2.2 茭鴨共作人工濕地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷動(dòng)態(tài)變化

由圖4可見，不施肥條件下,DF0處理土壤w(有機(jī)質(zhì))呈下降趨勢,從茭苗淺水期的26.35 g·kg-1下降至收獲第2批鴨后的20.57 g·kg-1。與DF0處理相比,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下,DFC處理土壤w(有機(jī)質(zhì))無顯著變化;而GFC處理土壤w(有機(jī)質(zhì))顯著增加,且呈上升趨勢。減量施肥后,GF50%C處理土壤w(有機(jī)質(zhì))與GFC處理之間無顯著差異,從茭苗淺水期的26.75 g·kg-1上升至收獲第2批鴨后的31.29 g·kg-1,鴨糞在田間積累可能是土壤w(有機(jī)質(zhì))提高的主要原因。

不施肥條件下,DF0處理土壤w(堿解氮)呈下降趨勢,從茭苗淺水期的151.37 mg·kg-1下降至收獲第2批鴨后的100.74 mg·kg-1。與DF0處理相比,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施氮量條件下,DFC和GFC處理土壤w(堿解氮)顯著增加,在茭鴨共作時(shí)段維持在219.83 mg·kg-1左右。收獲第2批鴨時(shí),GFC處理土壤w(堿解氮)顯著高于DFC處理,可能與前者積累鴨糞逐漸釋放氮素有關(guān);減量施肥后,GF50%C處理土壤w(堿解氮)比GFC處理降低18.41%。

不施肥條件下,DF0處理土壤w(速效磷)從茭苗淺水期的35.32 mg·kg-1下降至收獲第2批鴨后的21.80 mg·kg-1。與DF0處理相比,自分蘗深水期開始,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下,DFC和GFC處理土壤w(速效磷)顯著增加,維持在33.75 mg·kg-1左右。

同一幅圖中，同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示同一水分管理時(shí)期不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。不同處理樣品在環(huán)境變量及其延長線上的圖4 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷含量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamics of the content of soil organic matter, alkali-hydrolysis N, and available P relative to treatment

收獲第2批鴨時(shí),GFC處理土壤w(速效磷)顯著高于DFC處理,可能與前者積累的鴨糞逐漸釋放磷素有關(guān);減量施肥后,GF50%C處理土壤w(速效磷)比GFC處理降低14.50%。

2.3 茭鴨共作人工濕地茭白產(chǎn)量、氮磷吸收量及對(duì)養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水中氮磷去除量

不施肥條件下,DF0處理茭白產(chǎn)量最低,為9 482.55 kg·hm-2,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下,DFC處理茭白產(chǎn)量顯著增至22 654.65 kg·hm-2(表3)。與DFC處理相比,GFC和GF50%C處理茭白產(chǎn)量都無顯著差異。同樣,不施肥條件下,DF0處理茭白吸氮量最小,DFC處理茭白吸氮量顯著增加。與DFC處理相比,GFC和GF50%C處理茭白吸氮量無顯著差異。

DF0處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中TN的去除量和去除率最大,分別為40.80 kg·hm-2和87.92%。在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下,DFC處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中TN的去除量和去除率顯著降低,分別為35.10 kg·hm-2和75.84%。與DFC處理相比,GFC和GF50%C處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中TN的去除量和去除率無顯著差異。DF0處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中TP的去除量和去除率最大,分別為3.60 kg·hm-2和89.47%。在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下,DFC處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中TP的去除量和去除率顯著降低,分別為3.15 kg·hm-2和77.78%。與DFC處理相比,GFC和GF50%C處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中TP的去除量和去除率無顯著差異。與DF0處理相比,各施肥處理茭白氮、磷吸收量雖然增加,但同時(shí)田面水中氮、磷含量也增加,從而促使其對(duì)富營養(yǎng)化水中氮、磷的去除量和去除率降低。

2.4 茭鴨共作人工濕地經(jīng)濟(jì)效益分析

各處理經(jīng)濟(jì)效益分析見表4。

表3 各處理茭白產(chǎn)量、對(duì)富營養(yǎng)化水體中氮磷的去除量和去除率Table 3 Yeild of Zizania latifolia, and N and P removal amount and removal rate relative to treatment

DF0為茭白單作+不施肥;DFC為茭白單作+習(xí)慣施肥量;GFC為茭鴨共作+習(xí)慣施肥量;GF50%C為茭鴨共作+50%習(xí)慣施肥量。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

表4 各處理投入成本、產(chǎn)品產(chǎn)值及經(jīng)濟(jì)效益Table 4 Input cost, product output value and economic benefit relative to treatment 元·hm-2

DF0為茭白單作+不施肥;DFC為茭白單作+習(xí)慣施肥量;GFC為茭鴨共作+習(xí)慣施肥量;GF50%C為茭鴨共作+50%習(xí)慣施肥量。1) 數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

表4顯示，不施肥條件下,DF0處理投入成本最小,為24 300元·hm-2,GFC處理投入成本最大,為70 950元·hm-2。GFC處理養(yǎng)鴨投入成本包括雛鴨、育雛費(fèi)用、鴨飼料和圍網(wǎng)與鴨舍等,共計(jì)40 230元·hm-2,占投入總成本的56.70%。GF50%C處理養(yǎng)鴨投入成本占投入總成本的58.61%。DF0處理茭白產(chǎn)值最低,為37 935元·hm-2,DFC處理茭白產(chǎn)值顯著增至90 615元·hm-2。與DFC處理相比,GFC和GF50%C處理茭白產(chǎn)值無顯著變化。對(duì)GFC和GF50%C處理而言,除茭白外還有成鴨產(chǎn)值,成鴨產(chǎn)值分別占兩者總產(chǎn)值的31.20%和34.38%。不施肥條件下,DF0處理經(jīng)濟(jì)效益最低,為13 635元·hm-2,DFC處理經(jīng)濟(jì)效益顯著增至61 695元·hm-2。與DFC處理相比,GFC和GF50%C處理經(jīng)濟(jì)效益無顯著差異。

3 討論

3.1 茭鴨共作人工濕地對(duì)養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水中氮、磷的有效去除

構(gòu)建茭鴨共作人工濕地,在消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的同時(shí),還能獲得經(jīng)濟(jì)效益,值得推廣[6,11]。筆者研究表明,DF0處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中TN和TP的去除率為87.92%和89.47%,而前人研究為30.2%和34.3%[7,11]。這是因?yàn)榍叭瞬捎眠B續(xù)流方式使富營養(yǎng)化水體流入茭白浮床,水體滯留時(shí)間較短。筆者研究中養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水在田間滯留至少20 d。已有研究發(fā)現(xiàn)茭白對(duì)滯留5和15 d的富營養(yǎng)化水中TN去除率分別為79.7%和91.9%,TP去除率分別為81.6%和92.8%[8]。而構(gòu)建不施肥的單作茭白人工濕地缺乏實(shí)用價(jià)值,茭鴨共作效益是其4.4～5.0倍(表4)。

施肥后田面水TN和TP濃度出現(xiàn)峰值,這種變化規(guī)律出現(xiàn)在類似研究[12-15]中。筆者研究中,施肥前落淺田面水,第2天灌溉養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水。灌水后1 d,田面水氮、磷濃度達(dá)到最高,之后由于土壤吸附、氨揮發(fā)、硝化反硝化、淋洗和作物吸收等作用,田面水氮、磷濃度急劇下降。在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量條件下,DFC和GFC處理田面水TN和TP濃度峰值是不施肥處理的8～10倍,通過各種途徑損失,其二次環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)較大。減量施肥后,GF50%C處理田面水TN和TP濃度峰值顯著降低,且TN和TP去除率較高,與不施肥處理相比無顯著差異(表3)?？梢?茭鴨共作人工濕地中,施肥7 d內(nèi)是控制氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期,減少氮、磷投入能降低田面水氮、磷濃度,有效降低茭白人工濕地施肥導(dǎo)致的二次環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 茭鴨共作人工濕地對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量的促進(jìn)作用

筆者研究表明,DF0處理土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷含量都呈下降趨勢。田間增施有機(jī)肥是農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的保障[16-17]。據(jù)統(tǒng)計(jì),每667 m2茭白田養(yǎng)2批鴨共60只,每批鴨與茭白共作90 d,每只鴨日平均產(chǎn)鮮糞為0.15 kg,則共排鮮糞810.00 kg,可增加稻田有機(jī)質(zhì)198.31 kg,純氮10.37 kg,磷11.26 kg[18-20]。因此,GFC和GF50%C處理分蘗淺水期,茭白與鴨共作之后,土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量呈增加趨勢,鴨糞起到關(guān)鍵作用。然而,與鴨共作處理增加的有機(jī)質(zhì)、土壤速效養(yǎng)分存在后續(xù)分解釋放的風(fēng)險(xiǎn)。GFC處理土壤堿解氮和速效磷平均含量比DFC處理分別提高7.4%和9.3%。因此,在茭鴨共作人工濕地中不能忽視鴨糞中養(yǎng)分的后續(xù)釋放。在農(nóng)民習(xí)慣施肥量的基礎(chǔ)上,減半施肥后,GF50%C處理土壤堿解氮和速效磷含量降低,能有效降低茭鴨共作人工濕地施肥后帶來的二次環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。筆者試驗(yàn)中,茭鴨共作人工濕地各小區(qū)每天投喂鴨飼料量保持一致,因此沒有考慮飼料投喂量對(duì)結(jié)果的影響。然而,在改變鴨飼料投喂量及其養(yǎng)分含量后,由于排泄的鴨糞中有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量發(fā)生變化,將如何影響土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量、茭白產(chǎn)量和田面水養(yǎng)分含量,這些問題將有待于進(jìn)一步研究。

3.3 茭鴨共作人工濕地對(duì)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水資源化利用的影響

高密度養(yǎng)殖池塘中,殘餌和魚類糞便日積月累,導(dǎo)致養(yǎng)殖池塘水體富營養(yǎng)化程度日益嚴(yán)重[3,21]。筆者分別于4、5、7和9月用養(yǎng)殖池塘水進(jìn)行灌溉,水體ρ(TN)分別為8.78、9.52、10.29和10.32 mg·L-1,水體ρ(TP)分別為0.55、0.66、0.80和1.06 mg·L-1(圖2～3),超過SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》(一級(jí)標(biāo)準(zhǔn):ρ(TN)≤3.0 mg·L-1,ρ(TP)≤0.5 mg·L-1;二級(jí)標(biāo)準(zhǔn):ρ(TN)≤5.0 mg·L-1,ρ(TP)≤1.0 mg·L-1)[22]。養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水在茭鴨共作人工濕地滯留后,每次施肥前落淺田面水水體TN和TP濃度大大降低,都能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。如DF0、DFC、GFC和GF50%C處理排水水體中ρ(TN)平均值分別為1.25、2.72、2.46和1.61 mg·L-1，ρ(TP)平均值分別為0.09、0.17、0.18和0.13 mg·L-1。其中,DFC和GFC處理排水水體中TN和TP濃度較其他處理高,主要是由于較高施肥量和鴨糞釋放養(yǎng)分的原因。茭鴨共作人工濕地茭白整個(gè)生長期,用養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水按約4 500 m3·hm-2進(jìn)行灌溉,其輸入的氮、磷養(yǎng)分量相當(dāng)于83.55 kg尿素和46.50 kg過磷酸鈣?？梢?茭鴨共作人工濕地在消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水方面有較大潛力,在優(yōu)化施肥量的前提下,適當(dāng)增加養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的灌溉次數(shù),特別是夏季養(yǎng)殖池塘經(jīng)常換水時(shí),可供給更多的氮、磷養(yǎng)分,從而保證茭白生長對(duì)氮、磷養(yǎng)分的需求。

3.4 茭鴨共作人工濕地對(duì)實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)一體化協(xié)調(diào)發(fā)展、提高經(jīng)濟(jì)效益的作用

DF0處理茭白產(chǎn)量最低,為9 482.55 kg·hm-2,DFC處理茭白產(chǎn)量為22 654.65 kg·hm-2。與DFC處理相比,GF50%C處理雖然減半施肥,但其產(chǎn)量并無顯著變化。這是因?yàn)榫虶F50%C處理而言,一方面,鴨糞為茭白補(bǔ)充了養(yǎng)分,另一方面,鴨子在田間中耕、渾水、除草、滅蟲等活動(dòng)改善了土壤質(zhì)量和田間通風(fēng)透光條件,起到保肥增肥、促進(jìn)茭白生長的作用[20]?？梢?茭鴨共作人工濕地中,應(yīng)根據(jù)茭白養(yǎng)分需求量及鴨活動(dòng)對(duì)茭白產(chǎn)量的貢獻(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化施肥管理,在保證產(chǎn)量的同時(shí)減少施肥帶來的二次環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。與DF0處理比較,GFC處理不僅使茭白增產(chǎn),而且利用套養(yǎng)多收獲鴨,效益最高為68 355元·hm-2(表3～4)。然而,單從養(yǎng)鴨的經(jīng)濟(jì)效益來看,鴨產(chǎn)投比僅約為1∶1;其主要原因是圍網(wǎng)和鴨舍投入成本僅用于當(dāng)季茭白與鴨共作生產(chǎn),利用效率較低。實(shí)際生產(chǎn)中,圍網(wǎng)和鴨舍可以重復(fù)利用約5次。第2次利用時(shí),鴨產(chǎn)投比可提高至1.2∶1。另外,適當(dāng)擴(kuò)大茭鴨共作人工濕地規(guī)模,可以提高鴨的產(chǎn)投比。根據(jù)相應(yīng)的養(yǎng)鴨和日常管理投入成本估算,當(dāng)茭鴨共作人工濕地面積達(dá)到6.67 hm2時(shí),鴨產(chǎn)投比則為1.7∶1?？梢?在茭鴨共作人工濕地的推廣應(yīng)用中,應(yīng)注重投入資源的重復(fù)利用,特別是將來土地流轉(zhuǎn),由一家一戶的分散經(jīng)營向?qū)I(yè)大戶、家庭農(nóng)場、農(nóng)民合作社等多種形式的規(guī)模經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變時(shí)則更為有利。

然而,由于受試驗(yàn)條件限制,筆者無法闡明茭鴨共作人工濕地消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的試驗(yàn)效果在年際間的差異。比如,減量施肥后,與DFC處理相比,GF50%C處理茭白產(chǎn)量無顯著差異,這個(gè)效果在不同年份能否持續(xù),值得繼續(xù)研究。6 a的調(diào)研結(jié)果表明,與水稻單作相比,稻魚共作系統(tǒng)中減少24%化肥施用量條件下水稻產(chǎn)量無顯著變化,然而在年際間有所差異,最低減產(chǎn)4.00%,最高增產(chǎn)4.34%[23]。另外,筆者研究中施肥后7 d內(nèi)無明顯降雨天氣,如果不同年份施肥后出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣,將對(duì)田面水氮、磷濃度產(chǎn)生影響。因此,為了探討茭鴨共作人工濕地消納養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水效果的普遍性規(guī)律,在今后的研究中,需要通過多年試驗(yàn),分析試驗(yàn)結(jié)果在年際間的變化特征及其影響因素。

4 結(jié)論

(1)茭鴨共作人工濕地能有效去除養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水中氮、磷。DF0處理灌溉養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水7 d后田面水TN和TP濃度降至峰值的21.27%和15.58%;各施肥處理在施肥7 d后田面水TN和TP濃度平均降至峰值的8.21%和6.51%。養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水通過茭鴨共作人工濕地的消納,排放的田面水都達(dá)到SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》。

(2)茭鴨共作人工濕地有利于提高經(jīng)濟(jì)效益、土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量。不施肥條件下,DF0處理經(jīng)濟(jì)效益最低,為13 635元·hm-2,DFC處理經(jīng)濟(jì)效益顯著增至61 695元·hm-2。與DFC處理相比,GF50%C處理經(jīng)濟(jì)效益無顯著差異。與茭白單作處理相比,GF50%C處理土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷含量顯著增加。

(3)茭鴨共作人工濕地可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的資源化利用。在茭鴨共作人工濕地中茭白的整個(gè)生長期,用養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水按約4 500 m3·hm-2進(jìn)行灌溉,其輸入的氮、磷量相當(dāng)于83.55 kg尿素和46.50 kg過磷酸鈣。在優(yōu)化施肥量的前提下,適當(dāng)增加養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的灌溉次數(shù),可為茭白提供更多的氮、磷養(yǎng)分。

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(責(zé)任編輯：李祥敏)

Nutrient Assimilating Effects ofZizanialatifolia-Duck Symbiotic Artificial Wetland on Eutrophied Water From Fishing Ponds.

ZHANGJia-hong1,WANGGui-liang1,XURong1,KOUXiang-ming2,HANGuang-ming2,WANGShou-hong2,ZHULing-yu2,BIJian-hua2,JINYin-gen3

(1.Ecological Agricultural Engineering Technology Research Center of Jiangsu, Yangzhou 225008, China;2.Lixiahe District Agricultural Scientific Institute of Jiangsu, Yangzhou 225007, China;3.College of Biological Science, Yangzhou University, Yangzhou 225001, China)

A field experiment consisting of four treatments: Treatment DF0(artificial wetland with monoculture of wild rice stem orZizanialatifoliawithout fertilization), Treatment DFC(artificial wetland with monoculture of wild rice stem with conventional fertilization), Treatment GFC(artificial wetland with wild rice stem-duck symbiosis and conventional fertilization), and Treatment GF50%C(artificial wetland with wild rice stem-duck symbiosis and 50% of the conventional fertilization), was laid out and carried out at the Aquatic Vegetable Production Base in Xiaoji Town of Yangzhou, Jiangsu Province. The water used in the experiment was diverted from fish ponds near the test area. Dynamics of total nitrogen and total phosphorus in the surface water and organic matter and available nutrients in the soil of the treatments were analyzed. Results show that in Treatment DF0, seven days after the eutrophied water was diverted from the fish ponds, the concentration of total nitrogen and total phosphorus fell to 21.27% and 15.58% of the peak value, respectively. For treatments with normal fertilizeration (DFC), seven days after fertilization the concentration of total nitrogen and total phosphorus in surface water fell down to 8.21% and 6.51% of their peak value, respectively. In Treatment GF50%C, about 82.81% and 84.25%, respectively, of the N and P in the eutrophic water was removed, and there was no significant difference found between Treatment GF50%Cand Treatment DFCin N and P removal rate. Compared with Treatment DFC, Treatment GF50%Cnot only maintained the yield of wild rice stem and the economic benefits of the system at the same level, but also improved the contents of soil organic matter and available nutrients. In Treatment GFCand Treatment GF50%Cabout 4 500 m3·hm-2of eutrophied water from the fish ponds were used to sustain growth of wild rice stem, containing N and P, equal to 83.55 kg urea and 46.50 kg superphosphate. Consequently, Treatment GF50%Ccan not only purify the eutrophied water effectively by removing N and P through harvesting of the crop, but also improve soil quality and economic benefits.

Zizanialatifolia-duck symbiotic farming; artificial wetland; eutrophied water; soil nutrient; economic benefit

2016-04-06

江蘇省水產(chǎn)三新工程項(xiàng)目(Y2013-28)；江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2014360)；中央財(cái)政支農(nóng)項(xiàng)目〔TG(15)110〕

X52；[X171.3]

A

1673-4831(2017)06-0546-09

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.06.009

張家宏(1965—),男,江蘇高郵人,研究員,主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)和生態(tài)農(nóng)業(yè)投入品的研發(fā)和示范推廣工作。E-mail: yzzhangjh@126.com