養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)土壤易氧化碳與碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

廖林仙，郭 航，黃 俊，徐俊增，劉詩(shī)夢(mèng)，陳麗娜

（河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

在水資源緊缺的背景下，如何利用非常規(guī)水開展灌溉是緩解農(nóng)業(yè)用水緊張的重要舉措之一［1-3］。養(yǎng)殖業(yè)，包括畜牧和水產(chǎn)等的廢水具有有機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素高、對(duì)土壤和作物有毒有害的物質(zhì)少的特點(diǎn)［4，5］，其中富含的N、P 營(yíng)養(yǎng)元素及有機(jī)物質(zhì)［6］，用于農(nóng)田灌溉能夠提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)［7-9］，是一條有效地減少化肥施用的農(nóng)業(yè)利用途徑［10-12］；其所含的鹽基離子也能夠改變土壤理化性質(zhì)，增加土壤孔隙度［13-16］，為作物生長(zhǎng)提供有利條件。

我國(guó)目前關(guān)于養(yǎng)殖廢水灌溉的研究多集中于土壤理化性質(zhì)、硝態(tài)氮、微生物以及鹽堿化等方向，對(duì)土壤碳庫(kù)的影響研究則較為模糊。然而，土壤有機(jī)碳庫(kù)是土壤碳庫(kù)中最活躍的部分，能夠指示土壤中有機(jī)碳的循環(huán)，土壤理化性質(zhì)變化以及生物活動(dòng)進(jìn)程［17-20］。有研究表明，碳庫(kù)中的易氧化碳可基本區(qū)別于土壤中的穩(wěn)定性碳［21，22］，能夠作為表征土壤有機(jī)質(zhì)的有效組分變化、土壤肥力變化和土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)［23，24］。同時(shí)，碳庫(kù)管理指數(shù)作為土壤綜合性質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠定量地表示外界因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)組分的影響［25-27］。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)越高，表示土壤有機(jī)碳分解越快，土壤質(zhì)量越高［28，29］。因此，明確養(yǎng)殖廢水灌溉下土壤易氧化碳與碳庫(kù)管理指數(shù)的變化，對(duì)合理利用養(yǎng)殖廢水灌溉緩解農(nóng)業(yè)用水緊張具有指導(dǎo)作用。

本研究通過(guò)設(shè)置不同水質(zhì)和灌水量水平的處理，探討清水灌溉和養(yǎng)殖廢水灌溉下土壤有機(jī)碳庫(kù)中易氧化碳的分布及碳庫(kù)管理指數(shù)的變化情況，并對(duì)不同灌溉處理的影響做出評(píng)價(jià)，以期結(jié)果為科學(xué)合理地將養(yǎng)殖廢水用于灌溉、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于江蘇省南京市蔬菜花卉研究所橫溪基地塑料大棚內(nèi)進(jìn)行（31°43＇N、118°47＇E），該地區(qū)位于亞熱帶，受季風(fēng)影響，常年氣候濕潤(rùn)，年日照時(shí)長(zhǎng)為2 017.2 h，平均氣溫15.7 ℃，年平均降雨天數(shù)117 d，降雨量為1 072.9 mm，無(wú)霜期237 d/a。供試土壤為黃棕壤，質(zhì)地黏重，有機(jī)質(zhì)含量14.209 g/kg，全氮含量0.900 g/kg，堿解氮含量129.9 mg/kg，全磷含量0.363 g/kg，速效磷含量27.2 mg/kg，pH 5.87。種植玉米前，測(cè)得土壤的總有機(jī)碳平均為17.51 g/kg；易氧化碳平均為1.385 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)種植作物為江蘇省南京市蔬菜花卉研究所提供的“晶甜八號(hào)”玉米，采取塑料桶（高80 cm，直徑56.5 cm）進(jìn)行試驗(yàn)，桶內(nèi)填土高度70 cm，土壤容重為1.38 g/cm3。試驗(yàn)設(shè)置灌溉水質(zhì)和灌水量?jī)蓚€(gè)因素，共6個(gè)處理，分別為：①W1，64 mm灌水量的清水灌溉；②W2，76 mm 灌水量的清水灌溉；③W3，88 mm 灌水量的清水灌溉；④R1，64 mm 灌水量的養(yǎng)殖廢水灌溉；⑤R2，76 mm 灌水量的養(yǎng)殖廢水灌溉；⑥R3，88 mm 灌水量的養(yǎng)殖廢水灌溉。每個(gè)處理設(shè)置3 次重復(fù)，第一次灌水在8月4日（玉米已長(zhǎng)出4～5 片葉子）進(jìn)行，之后每隔2 周按上述灌水定額灌水一次，種植期間共灌水4次。

試驗(yàn)所用養(yǎng)殖廢水取于橫溪鎮(zhèn)奶牛場(chǎng)，為奶牛尿液和沖刷廢水的混合液，水質(zhì)穩(wěn)定。取水后靜置適當(dāng)時(shí)間，將靜置后的上層液體按照1∶10的比例稀釋作為灌溉水源，并于每次灌水前取樣進(jìn)行水質(zhì)分析，試驗(yàn)期間共測(cè)定4次。灌溉用養(yǎng)殖廢水（稀釋后）及清水的性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 灌溉用養(yǎng)殖廢水及清水性質(zhì)Tab.1 Basic characteristics of livestock-farm wastewater and clear water for irrigation

1.3 土樣采集

分別在玉米灌漿期（9月5日）、完熟收獲后（9月26日）利用土鉆采集土樣，采集深度為0～20、20～40、40～60 cm 三個(gè)層次。每次采集3個(gè)點(diǎn)，混合均勻后，一部分新鮮土樣用于測(cè)定土壤易氧化碳；另一部分風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩后用于測(cè)定總有機(jī)碳。

1.4 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤總有機(jī)碳，稱取通過(guò)0.149 mm 篩孔的風(fēng)干土樣0.3 g，加入30 mL 的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.80 mol/L）和5 mL 濃硫酸充分搖勻，利用油浴法加熱維持溫度在170～180 ℃煮沸5 min，再用硫酸亞鐵溶液（0.20 mol/L）滴定終點(diǎn)計(jì)算總有機(jī)碳含量。

采用高錳酸鉀比色法測(cè)定土壤易氧化碳，稱取新鮮土樣2 g，加入25 mL 高錳酸鉀溶液（0.333 mol/L）后振蕩處理1 h，再以4 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心處理5 min，取上層清液，用去離子水按照1∶250 的比例稀釋，然后用分光光度計(jì)在565 nm 處比色測(cè)定，根據(jù)高錳酸鉀的濃度變化計(jì)算易氧化碳含量。

1.5 土壤碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 25.0 單因素方差分析及Duncan 多重比較方法進(jìn)行顯著差異性分析及均值比較，并采用Origin 2019b 軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳分布

如表2 所示，在6 種灌溉處理下，隨著土壤深度的增加，土壤易氧化碳含量均呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，且養(yǎng)殖廢水灌溉相較于清水灌溉處理對(duì)于0～20 cm 土層中易氧化碳含量有顯著提升。在0～20 cm 土層中，隨灌水量的增加，養(yǎng)殖廢水灌溉處理后土壤易氧化碳含量增加量變小，在灌水量為64 mm 時(shí)，土壤易氧化碳含量最高，比相同灌水量下的清水灌溉處理W1增加43.75%；而清水灌溉處理后土壤表層（0～20 cm）易氧化碳含量隨灌水量增加變大，在灌水量為88 mm 時(shí)，土壤易氧化碳含量最高。在20～40 cm 土層中，各處理間差異顯著。清水灌溉下，76 mm 的灌溉處理后土層中易氧化碳含量最高；養(yǎng)殖廢水灌溉下，64 mm的灌溉處理后土層中易氧化碳含量最高，且隨灌水量增加易氧化碳含量逐漸減小。在40～60 cm 土層中，隨時(shí)間推移，易氧化碳含量在清水灌溉和養(yǎng)殖廢水灌溉中呈現(xiàn)顯著差異，且養(yǎng)殖廢水灌溉后土壤易氧化碳含量高于清水灌溉處理。

表2 不同灌溉處理下土壤剖面易氧化碳含量 g/kgTab.2 Content of LOC in soil profile under different treatments

2.2 不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳占比

如圖1所示，隨著土壤深度的增加，土壤總有機(jī)碳含量在各處理中均呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。隨著灌水量的增加，養(yǎng)殖廢水灌溉相較于清水灌溉對(duì)于0～20 cm 土層中總有機(jī)碳含量有提升作用，其中，處理R3作用最顯著，與相同灌水量下的處理W3相比，土壤總有機(jī)碳含量增加了10.79%。隨著土層深度增加，各處理間土壤總有機(jī)碳含量未呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。

圖1 不同灌溉處理下土壤剖面總有機(jī)碳含量Fig.1 Content of SOC in soil profile under different treatments

本研究中不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳占比如圖2 所示：在養(yǎng)殖廢水灌溉處理中，經(jīng)R1處理后土壤各土層易氧化碳占比高于其他兩個(gè)處理，且在這3 個(gè)處理中20～40 cm 土層中的易氧化碳占比均高于其他兩個(gè)土層。從整體來(lái)看，在清水灌溉處理中，土壤表層（0～20 cm）易氧化碳占比隨灌水量增加而增大，在養(yǎng)殖廢水灌溉處理中，土壤表層（0～20 cm）易氧化碳占比隨灌水量增加而減少。在9月5日，在相同灌水量水平下，養(yǎng)殖廢水灌溉后土壤各土層的易氧化碳占比明顯高于清水灌溉處理，隨著時(shí)間推移，除處理W2的20～40 cm 土層外，這種趨勢(shì)仍然顯著。

圖2 不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳占比Fig.2 Content ratio of LOC to SOC in soil profile under different treatments

2.3 不同灌溉處理土壤剖面碳庫(kù)管理指數(shù)

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)能夠反映農(nóng)田管理措施對(duì)土壤碳庫(kù)的影響，還能指示土壤碳庫(kù)中各組分的變化情況。9月5日和9月26日在不同灌水處理下土壤剖面碳庫(kù)管理指數(shù)變化情況如表3所示。

表3 不同灌溉處理下土壤剖面碳庫(kù)管理指數(shù)Tab.3 Effects of different treatments on CMI in soil profile

對(duì)于土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)，在0～20 cm 土層中，其變化范圍分別是0.06～0.10和0.79～1.05；在20～40 cm 土層中，其變化范圍分別是0.08～0.14和0.82～1.75；在40～60 cm 土層中，其變化范圍分別是0.05～0.14和0.55～1.28。在6種灌溉處理下，土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)與灌水水質(zhì)和灌水量之間未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

對(duì)于碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)，隨著土壤深度的增加，均呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。在0～20 cm 土層中，相較于清水灌溉處理，養(yǎng)殖廢水灌溉處理后土壤碳庫(kù)指數(shù)更高，在相同灌水量下，養(yǎng)殖廢水灌溉處理后比清水灌溉處理高約3.07%～30.27%，而土壤碳庫(kù)管理指數(shù)在兩種灌溉水質(zhì)下均隨灌水量增加而增大。隨著時(shí)間推移，養(yǎng)殖廢水灌溉處理后的0～20 cm 土層的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)明顯高于清水灌溉處理。在20～40 cm 土層中，隨著時(shí)間推移，在灌水量為76 mm 的處理中，土壤碳庫(kù)指數(shù)顯著低于其他四個(gè)處理；在灌水量為88 mm 的處理中，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)顯著低于其他4 個(gè)處理。在40～60 cm 土層中，土壤碳庫(kù)指數(shù)在W1處理中最高，而土壤碳庫(kù)管理指數(shù)經(jīng)W2和W3處理后與其他灌溉處理相比明顯減小。

3 討 論

本試驗(yàn)研究表明，養(yǎng)殖廢水灌溉相較于清水灌溉能夠提升0～20 cm 土層中總有機(jī)碳含量，此結(jié)果與戴婷［30］、BARKLE G F［31］等研究結(jié)論一致，說(shuō)明養(yǎng)殖廢水灌溉能夠增加農(nóng)田有機(jī)碳含量［30-33］，為作物提供生長(zhǎng)的養(yǎng)分［34］。同時(shí)，養(yǎng)殖廢水灌溉相較于清水灌溉對(duì)于0～20 cm 土層中易氧化碳的含量也有顯著提升，但隨著土層深度增加，顯著性逐漸減弱或消失。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)轲B(yǎng)殖廢水較清水含有更多的氮、磷以及有機(jī)物等，所以養(yǎng)殖廢水灌溉處理后在0～20 cm 土層中，土壤易氧化碳含量顯著高于清水灌溉處理。但隨著水流入滲深度增加，養(yǎng)殖廢水中的大部分有機(jī)碳被表層土壤吸附固持，流經(jīng)深層土壤的水中有機(jī)碳含量減少，因此兩種灌溉水質(zhì)處理在深層土壤中易氧化碳含量差異變小。

低灌溉量下土壤有機(jī)碳淋失較少，中灌水量下土壤表層淋失的有機(jī)碳可以在下層截留，而高灌水量下土壤有機(jī)碳淋失則較多［35］。因此，兩種灌溉水質(zhì)引起土壤的各類有機(jī)碳含量變化會(huì)受到灌水量的影響。比如，在養(yǎng)殖廢水灌溉中，20～40 cm 土層的易氧化碳占比會(huì)明顯高于其他兩個(gè)土層，這就可能與表層土壤中的易氧化碳少量被淋失到下層，同時(shí)總有機(jī)碳含量隨土壤深度增加的下降速度遠(yuǎn)大于易氧化碳有關(guān)。

本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間推移，養(yǎng)殖廢水灌溉處理后的0～20 cm 土層的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)明顯高于清水灌溉處理，這是因?yàn)轲B(yǎng)殖廢水灌溉提高了各土層中的易氧化碳含量，而易氧化碳作為影響土壤碳庫(kù)的重要因子，其含量的變化與土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的改變密切相關(guān)［36］。這反映出養(yǎng)殖廢水灌溉相較于清水灌溉對(duì)于提高土壤質(zhì)量確有成效。

綜上所述，本試驗(yàn)研究了養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)土壤剖面總有機(jī)碳和易氧化碳的分布情況及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響，但對(duì)各處理中土壤易氧化碳含量、易氧化碳占比、碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)隨灌水量以及時(shí)間推移的變化機(jī)理還需進(jìn)一步探索。

4 結(jié) 論

（1）相較于清水灌溉，養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)于土壤表層（0～20 cm）易氧化碳的積累具有明顯的促進(jìn)作用。

（2）養(yǎng)殖廢水灌溉能夠提高土壤表層（0～20 cm）的易氧化碳占比，增強(qiáng)土壤表層有機(jī)碳的有效性，有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)。

（3）養(yǎng)殖廢水灌溉后土壤各層有機(jī)碳含量受灌水量影響較大，根據(jù)各層土壤的易氧化碳占比情況和碳庫(kù)管理指數(shù)，本研究中64 mm灌水量的養(yǎng)殖廢水灌溉處理為最佳。 □