鹽堿池塘生態(tài)工程化種養(yǎng)系統(tǒng)氮磷的變化特征

朱 浩，王 健，劉興國，么宗利，來琦芳

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090)

全球25%的土地面積受鹽漬化影響[1-2]，且鹽堿地面積每年都在增加[3]。目前，中國鹽堿地面積約3 460萬hm2[4]，已開墾種植面積576.84 hm2(8 652.58萬畝)[5]，開發(fā)利用潛力巨大，合理利用改良和開發(fā)鹽漬土地資源的潛力，已成為當(dāng)前進(jìn)一步發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)[6-9]。由于鹽漬土分布地區(qū)生物氣候等環(huán)境因素的差異，大致可將中國鹽漬土分為濱海鹽土與灘涂、黃淮海平原鹽漬土、東北松嫩平原鹽土和堿土、半漠境內(nèi)陸鹽土、青新極端干旱的漠境鹽土等5大片區(qū)[10-12]。本文以西北寧夏硫酸鹽型鹽堿地為研究對象。2016年在寧夏石嘴山地區(qū)，針對鹽堿水特點(diǎn)，設(shè)計并構(gòu)建了一種內(nèi)陸池塘—抬田生態(tài)工程化種養(yǎng)系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)利用抬田和預(yù)埋暗管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)洗鹽壓堿，利用排水渠、蓄水池收集鹽堿水，利用池塘回用鹽堿水，實現(xiàn)抬田鹽堿水的綜合利用，達(dá)到“節(jié)水、減排、生態(tài)”的漁農(nóng)復(fù)合目的。為進(jìn)一步研究該系統(tǒng)的運(yùn)行效果，對復(fù)合種養(yǎng)系統(tǒng)中的土壤、水體中氮、磷營養(yǎng)鹽進(jìn)行綜合分析，探討該系統(tǒng)營養(yǎng)鹽的變化規(guī)律，以期為該系統(tǒng)洗鹽壓堿工藝以及后續(xù)的優(yōu)化管理提供理論依據(jù)，也為鹽堿水綜合利用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

在寧夏石嘴山泰嘉漁業(yè)有限公司養(yǎng)殖場設(shè)計并構(gòu)建了一套鹽堿池塘生態(tài)工程化復(fù)合種養(yǎng)系統(tǒng)[13]。該試驗系統(tǒng)地理坐標(biāo)為經(jīng)度106°21′31″～106°21′43″E 、緯度38°54′20″～38°55′25″N。試驗地點(diǎn)屬于溫帶大陸性氣候，7月份降水量最大，約為24 mm。通過對高含鹽土壤進(jìn)行沖洗，沖洗后的土壤種植耐鹽植物枸杞；洗脫后的水用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，從而減輕土壤中鹽分含量。

1.2 試驗時間及采樣

試驗時間2017年8月10日—2018年2月10日。試驗期間分別在排水渠(1#、2#、3#)、抬田(4#、5#)、蓄水池(6#)、養(yǎng)殖池塘(7#)選擇了7個取樣點(diǎn)(圖1)，具體采樣內(nèi)容見表1。

試驗期間，抬田枸杞種植不施肥、不用藥。養(yǎng)殖池塘養(yǎng)殖南美白對蝦，養(yǎng)殖負(fù)荷變動范圍為50～100 kg/667 m2(畝)。灌水量3 000 m3/d。

1.3 水樣土樣采集與分析

水樣采集和處理方法采用《水質(zhì)和廢水監(jiān)測分析方法》[14]，土壤采樣采用對0～20 cm 土層取樣, 每次取樣重復(fù)3次。水體和土壤中的氮磷營養(yǎng)鹽的分析采用國標(biāo)法[15]測定，試驗數(shù)據(jù)用Excel 軟件統(tǒng)計進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

圖1 鹽堿池塘生態(tài)工程化種養(yǎng)系統(tǒng)平面布置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)水體總氮、氨氮的變化規(guī)律

由圖2可知，不同月份之間水體中的總氮、氨氮值有所波動，各采樣點(diǎn)鹽堿水體中總氮隨時間的延長而上升，進(jìn)入冬季結(jié)冰期后，土壤總氮的洗脫作用降低，鹽堿水體中總氮降低，這表明通過土壤滲透、浸洗兩種方式使得水體中的總氮得到積累；各采樣點(diǎn)鹽堿水體中氨氮隨時間的延長而下降，但蓄水池(6#)中氨氮顯著高于其他高點(diǎn)且呈上升趨勢。這說明，通過土壤浸洗方式對土壤中的氨氮洗脫作用較弱，而土壤滲透對氨氮的洗脫作用較強(qiáng)。養(yǎng)殖試驗期間，池塘養(yǎng)殖水體中的總氮<4 mg/L。

表1 采樣點(diǎn)設(shè)置

圖2 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)水體中總氮、氨氮的變化規(guī)律

2.2 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)水體總磷、正磷酸鹽的變化規(guī)律

不同月份各采樣點(diǎn)水體中總磷變化規(guī)律見圖3。由圖3可知，不同月份之間各采樣點(diǎn)鹽堿水體中總磷隨時間的延長而上升，進(jìn)入冬季結(jié)冰期后，土壤總磷的洗脫作用降低，6#水體中總磷低于其他各點(diǎn)，養(yǎng)殖試驗期間，池塘養(yǎng)殖水體中的總磷<1.3 mg/L。水體中正磷酸鹽的變化規(guī)律與總磷相類似，各采樣點(diǎn)鹽堿水體中正磷酸鹽隨時間的延長而上升，進(jìn)入冬季結(jié)冰期后土壤正磷酸鹽的洗脫作用也降低，1#、2#、3#和7#號鹽堿水體中的正磷酸鹽高于6#，這表明，通過土壤滲透的方式對正磷酸鹽的洗脫作用較低。

圖3 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)水體中總磷、正磷酸鹽的變化規(guī)律

2.3 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)土壤氮營養(yǎng)鹽的變化規(guī)律

由圖4可知，2#排水渠、7#養(yǎng)殖池塘土壤總氮總體平穩(wěn)且呈上升趨勢，4#抬田、5#抬田以及6#蓄水池總氮隨時間延長逐漸下降，土壤中的總氮在水體浸洗作用下向排水渠中遷移。各采樣點(diǎn)土壤中氨氮總體平穩(wěn)且呈上升趨勢，其中2#排水渠和6#蓄水池顯著高于其他各點(diǎn)，這表明氮營養(yǎng)鹽經(jīng)浸洗、滲透后在排水渠和蓄水池中富集并在土壤中轉(zhuǎn)化成氨氮，且排水渠中收集浸洗水水量較大，氨氮富集作用較明顯。

圖4 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)土壤中總氮、氨氮的變化規(guī)律

由圖5可知，各采樣點(diǎn)土壤中硝酸鹽氮均有不同程度的上升，其中4#抬田先下降后上升，7#養(yǎng)殖池塘先上升后下降；土壤中亞硝酸鹽氮變化波動較大，總體呈現(xiàn)上升趨勢，這可能與土壤中硝化、反硝化細(xì)菌活動有關(guān)，硝酸鹽氮和亞硝酸氮總量均顯著低于土壤中總氮，這也反映出土壤中氮營養(yǎng)鹽以其他形成存在。

圖5 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)土壤中硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的變化規(guī)律

2.4 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)土壤磷營養(yǎng)鹽的變化規(guī)律

各采樣點(diǎn)土壤中總磷均有不同程度的下降，其中5#抬田下降較快且低于其他各點(diǎn)。這表明，抬田土壤經(jīng)水體浸泡滲透后總磷下降，鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)對磷的去除效果較為明顯。各采樣點(diǎn)土壤中有效磷變化規(guī)律見圖6，由圖6可知，各采樣點(diǎn)土壤中有效磷相對平穩(wěn)，其中2#排水渠上升較快。這說明，通過土壤浸洗后鹽堿水中的磷以有效磷的形態(tài)積累在排水渠中。

圖6 鹽堿池塘生態(tài)系統(tǒng)土壤中總磷、有效磷的變化規(guī)律

3 討論

鹽堿池塘生態(tài)復(fù)合種養(yǎng)系統(tǒng)主要將抬田中的鹽堿洗脫至蓄水池和排水渠中，再由蓄水池抽至養(yǎng)殖池塘。該系統(tǒng)的主要目的是在改良鹽堿土壤的過程中，綜合利用洗鹽脫鹽的鹽堿水，但在洗鹽脫鹽的過程中，也淋洗出土壤中的氮磷營養(yǎng)鹽，從而導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的富營養(yǎng)化[16]。本研究中，抬田土壤中總氮、總磷呈現(xiàn)不同程度的下降，而水體中的總氮、總磷呈現(xiàn)不同程度的上升，這說明鹽堿池塘生態(tài)復(fù)合種養(yǎng)系統(tǒng)在洗鹽脫堿的過程中，同時轉(zhuǎn)移了一部分氮、磷營養(yǎng)鹽[17-19]，有研究表明，鹽堿土壤的氮磷營養(yǎng)鹽表現(xiàn)出明顯的隨水遷移性[20]，這與本研究結(jié)果相一致。

含氮化合物在土壤中的轉(zhuǎn)化是土壤代謝的中心環(huán)節(jié)之一，進(jìn)入土壤和累積在土壤中的含氮有機(jī)化合物經(jīng)復(fù)雜的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，最后轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟梢岳玫男问絒21]。土壤中的氮，除被作物吸收外，還可隨降水和灌溉水淋入到土壤深層，或經(jīng)氨揮發(fā)、 反硝化作用, 以氨、氮氧化物[22]等氣體形式進(jìn)入大氣中。其中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮易隨水淋失[23]。本研究中，通過土壤浸洗方式對水體中的氨氮洗脫作用較弱，而土壤滲透對氨氮的洗脫作用較強(qiáng)；氨氮向排水渠和蓄水池中遷移，且排水渠中收集浸洗水水量較大，氨氮富集作用較明顯。氨氮作為水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)的重要指標(biāo)，對魚蝦的生長影響較大[24]。本研究中，蓄水池中氨氮顯著高于其他各點(diǎn)，不能直接作為水產(chǎn)養(yǎng)殖用水，需經(jīng)稀釋后才能用于養(yǎng)殖。

國內(nèi)鹽堿地改良的研究結(jié)果顯示，土壤中不同離子洗脫效果差異較大[25-26]。前期研究[13]將蓄水池作為抬田鹽堿水浸洗收集池，其pH、鹽度、氯化物均顯著高于其他各點(diǎn)。本次研究，水體中正磷酸鹽卻低于其他各點(diǎn)，這說明該系統(tǒng)對正磷酸鹽的洗脫作用較弱，與國內(nèi)的相關(guān)研究結(jié)果相一致[27]。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，有些營養(yǎng)鹽指標(biāo)呈現(xiàn)不規(guī)律的特征，這可能是由于室外抬田在實驗周期內(nèi)出現(xiàn)布水不均勻的現(xiàn)象，抬田中易形成斑塊化濕地，使得營養(yǎng)鹽在坑洼處富集，造成數(shù)據(jù)的波動和不規(guī)律。因此，在工程構(gòu)建過程中還需進(jìn)一步考慮布水方式和平整土地。

養(yǎng)殖試驗期間，池塘養(yǎng)殖水體中的總氮<4 mg/L、總磷<1.3 mg/L，符合養(yǎng)殖需求[28]。但鹽堿水在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用，目前國內(nèi)研究相對較少，鹽堿復(fù)合種養(yǎng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用還需根據(jù)種養(yǎng)品種做進(jìn)一步的優(yōu)化，這對于完善鹽堿池塘生態(tài)工程化種養(yǎng)復(fù)合系統(tǒng)、實現(xiàn)技術(shù)推廣是必要的。

4 結(jié)論

鹽堿池塘生態(tài)復(fù)合種養(yǎng)系統(tǒng)通過滲透、浸洗兩種方式對土壤進(jìn)行洗鹽脫堿，抬田土壤中一部分氮、磷營養(yǎng)鹽得到轉(zhuǎn)移，其中，通過土壤浸洗方式對土壤中氨氮、硝酸鹽氮、正磷酸鹽洗脫作用較弱，但通過土壤滲透方式對土壤中氨氮洗脫作用較強(qiáng)；蓄水池作為土壤滲透后的鹽堿水收集池，水體中氨氮較高，可以作為養(yǎng)殖補(bǔ)充用水。在鹽堿池塘生態(tài)工程化種養(yǎng)系統(tǒng)中，養(yǎng)殖水體總氮<4 mg/L，總磷<1.3 mg/L，符合養(yǎng)殖需求。