鹽堿地稻漁復合系統(tǒng)營養(yǎng)元素累積與運移特征

周 瓊，石 偉，邱小琮，楊 涓

（1.寧夏大學，a.土木與水利工程學院；b.生命科學學院，銀川 750021；2.銀川市水產(chǎn)技術推廣服務中心，銀川 750001）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)往往通過施用化肥供給作物生長，投喂飼料、餌料進行動物養(yǎng)殖，但若過量使用氮磷等營養(yǎng)鹽會對作物、動物產(chǎn)生危害［1-3］，對種養(yǎng)區(qū)域和周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響［4，5］。稻漁復合系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)、漁業(yè)兩者結合，資源得到高效利用，生態(tài)彈性更好，可持續(xù)性更強［6，7］，經(jīng)濟效益更好［8，9］，系統(tǒng)可以對營養(yǎng)元素進行內(nèi)部轉化和利用。

2016年孟祥海等［10］對農(nóng)牧漁復合系統(tǒng)進行研究，表明農(nóng)牧漁復合系統(tǒng)經(jīng)濟效益比單一系統(tǒng)更好；2017年陶玲［11］通過研究稻田-池塘復合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，表明可以通過調(diào)節(jié)水質(zhì)和優(yōu)化細菌群落結構進行池塘微生態(tài)環(huán)境調(diào)控；2017年陸詩敏等［12］探討了稻蟹種養(yǎng)比例，認為不施肥或少施肥時，螃蟹輸出的氮、磷能達到水稻生長要求；2020年管衛(wèi)兵等［13］進行了稻漁共生-池塘復合生態(tài)系統(tǒng)研究，表明該復合系統(tǒng)生產(chǎn)和生態(tài)效益均較高。以上研究多聚焦于稻漁復合系統(tǒng)經(jīng)濟價值和技術研究，對系統(tǒng)營養(yǎng)元素運移機理研究較少。本次試驗中，基于2021年4月至9月寧夏鹽堿地稻蟹共作-精養(yǎng)魚塘耦合系統(tǒng)（以下簡稱稻漁復合系統(tǒng)）水土及稻蟹的營養(yǎng)元素監(jiān)測數(shù)據(jù)，應用截留率分析和物質(zhì)流分析，對營養(yǎng)元素累積和運移特征進行研究，旨在探明稻漁復合系統(tǒng)生物對營養(yǎng)元素的利用情況和整個運作過程中營養(yǎng)元素運移情況，從而為稻漁復合系統(tǒng)的適用性和推廣提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點設置

稻漁復合系統(tǒng)由精養(yǎng)魚塘、稻蟹共作、循環(huán)主溝3部分組成。魚塘尾水通過循環(huán)主溝提供稻蟹共作系統(tǒng)用水，經(jīng)稻蟹共作系統(tǒng)和主溝凈化后的水重新泵入精養(yǎng)魚塘循環(huán)利用。采水樣點根據(jù)水流方向及主溝節(jié)點、稻田環(huán)溝進出水口設置了35個，在稻田進出水口加設泥采樣點，泥采樣點有63個（圖1）。

圖1 工程布置

1.2 樣品測定

水體指標共檢測6種，總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—1989）；總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）；氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）；硝酸鹽氮（NO3--N）采用酚二磺酸分光光度法（GB 7480—1987）；亞硝酸鹽氮（NO2--N）采用分光光度法（GB 7493—1987）；正磷酸鹽（PO4+-P）使用AMS全自動間斷化學分析儀測定。

土壤指標共檢測7種，總氮（TN）采用自動定氮儀法（NY/T 1121.24—2012）；總磷（TP）采用土壤全磷測定法（NY/T 88—1988）；全鉀（K）采用土壤全鉀的測定（NY/T 87—1988）；銨態(tài)氮采用比色法（NY/T 1848—2010）；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法（GB/T 32737—2016）；有效磷采用《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》（NY/T 1121.7-2014）；有機質(zhì)采用《土壤檢測 第6部分：土壤有機質(zhì)的測定》（NY/T 1121.6—2006）。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

截留率可以明晰表示營養(yǎng)元素的累積效果，若水體截留率大，表明系統(tǒng)累積營養(yǎng)元素能力強，截留率為負時，表明系統(tǒng)釋放了營養(yǎng)元素。水體截留率計算公式如下［14］：

式中，ηi為水體營養(yǎng)元素i截留率（%）；ρ0i為i的初始濃度（mg/L）；ρ1i為i最終濃度（mg/L）。

土壤營養(yǎng)元素截留率表示土壤對營養(yǎng)元素的吸納能力。若土壤截留率大，表明土壤對營養(yǎng)元素有所累積，截留率為負數(shù)時，表明土壤釋放了營養(yǎng)元素。因為當土壤積累營養(yǎng)元素，初始含量一般小于終末含量，故土壤截留率計算公式如下：

式中，ηj為土壤營養(yǎng)元素j截留率（%）；ρ0j為j的初始濃度（g/kg）；ρ1j為最終濃度（g/kg）。

2 結果與分析

2.1 水體營養(yǎng)元素截留計算

因為水體置換較快，水體營養(yǎng)元素截留率按月計算，選取入主溝部分平均值作為初始濃度，出主溝部分平均值作為最終濃度，計算結果見表1。稻漁復合系統(tǒng)氨氮截留效果最好，其余依次為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總磷、正磷酸鹽、總氮、全鉀，說明稻漁復合系統(tǒng)水體營養(yǎng)元素都得到了有效截留。但也存在一些特殊情況，7月中氨氮截留率僅19.6%，總氮為15.2%，因為7月中溫度高溶氧低，而水體才泵氧，氨氮還未得到有效轉化就跟隨水體流失；7月中和7月底總磷、正磷酸鹽截留率明顯降低，因為溶氧減少，生物活動性降低，對氮磷營養(yǎng)鹽的利用減少；9月各營養(yǎng)元素截留率降低，因為水生生物已成熟，對營養(yǎng)鹽的利用減少；8月中硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮截留率降低，因為當月魚池水直接抽入主溝中間段，影響了出主溝部分硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的含量。水稻的分蘗期、結實期需鉀較多，所以5、6、8月全鉀截留率較高。在保證溶氧充足時，稻漁復合系統(tǒng)對氨氮、亞硝酸鹽氮截留率一直較高，其他營養(yǎng)元素也得到了有效截留。

表1 水體營養(yǎng)元素截留率

2.2 土壤營養(yǎng)元素截留計算

主溝土壤、稻田土壤及其環(huán)溝土壤之間相互影響小，且營養(yǎng)元素置換較慢，系統(tǒng)分3部分進行截留計算。4月土壤營養(yǎng)元素平均值為初始濃度，8月底平均值作為最終濃度，計算結果如表2。主溝的硝態(tài)氮、總磷、全鉀、有機質(zhì)截留效果較好；環(huán)溝僅對全鉀有所截留；稻田土壤營養(yǎng)元素截留率優(yōu)于環(huán)溝和主溝，對總氮、全鉀、銨態(tài)氮、有效磷和有機質(zhì)均有效截留；全鉀在主溝、稻田及其環(huán)溝土壤均得到有效截留；整體上看，稻漁復合系統(tǒng)土壤釋放了營養(yǎng)元素，僅全鉀有所累積，所以土壤截留營養(yǎng)元素表現(xiàn)為稻田＞主溝＞環(huán)溝。結果表明，水稻對土壤硝態(tài)氮利用能力更強，稻田土壤對銨態(tài)氮等累積能力更強；環(huán)溝中螃蟹等對土壤總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷和有機質(zhì)等利用能力良好；主溝中的睡蓮等生物對土壤總氮、銨態(tài)氮利用能力強，土壤截留硝態(tài)氮、有機質(zhì)效果好；稻漁復合系統(tǒng)土壤對全鉀有所積累，生物對其他營養(yǎng)元素都進行了有效地利用。

表2 土壤營養(yǎng)元素截留率

2.3 稻漁復合系統(tǒng)物質(zhì)流分析

物質(zhì)流可以反映生產(chǎn)水平和土壤及其他生物的養(yǎng)分得失，為維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡提供科學依據(jù)［15］。通過稻漁復合系統(tǒng)中輸入與輸出的總氮、總磷、全鉀含量來計算物質(zhì)流，從而了解稻漁復合系統(tǒng)營養(yǎng)元素運移情況?；?、飼料和水體是稻漁復合系統(tǒng)營養(yǎng)元素的主要輸入來源，稻蟹、土壤和終末水體是系統(tǒng)營養(yǎng)元素主要輸出去向，除此之外，還有淋失、蒸散發(fā)等輸出方式。從表3、表4可知，水體營養(yǎng)元素降低，水稻對于營養(yǎng)元素利用效果突出，稻漁復合系統(tǒng)氮磷鉀出入比為0.72∶1，產(chǎn)投比為0.88∶1。稻漁復合系統(tǒng)總氮、總磷、全鉀的盈余為21.657、32.819、107.192 kg/hm2。稻漁復合系統(tǒng)總氮、總磷、全鉀的產(chǎn)出/輸入分別為0.816、0.516、0.288，總氮＞總磷＞全鉀；稻漁復合系統(tǒng)總氮、總磷、全鉀的盈余/輸入分別為0.090、0.461、0.392，總磷＞全鉀＞總氮。結果表明，稻漁復合系統(tǒng)對營養(yǎng)元素的利用能力強，利用總氮效果最好，土壤和其他生物對于總磷和全鉀的利用能力較強。所以稻漁復合系統(tǒng)中輸入的營養(yǎng)元素能夠滿足作物和水產(chǎn)生物的生長需求，且在土壤及系統(tǒng)中的蘆葦、水草、藻類、水鳥等生物中有所積累。

表3 稻漁復合系統(tǒng)的物質(zhì)流分析（單位：kg/hm2）

表4 稻漁復合系統(tǒng)的物質(zhì)產(chǎn)投分析

2.4 稻漁復合系統(tǒng)營養(yǎng)元素累積特征與運移

通過截留率可知，水體中營養(yǎng)元素能得到有效截留，稻漁復合系統(tǒng)可以加強營養(yǎng)鹽利用能力和實現(xiàn)水體循環(huán)，由于稻漁復合系統(tǒng)運作時間長等因素，土壤營養(yǎng)元素累積效果差，甚至釋放了部分營養(yǎng)元素。通過物質(zhì)流分析可知，稻漁復合系統(tǒng)中總氮主要被水稻和螃蟹利用，總磷和全鉀盈余較多。土壤截留率表明，稻漁復合系統(tǒng)土壤截留了全鉀，釋放了總磷，而物質(zhì)流的盈余/輸出表明，稻漁復合系統(tǒng)流失或被其他生物利用的營養(yǎng)元素呈現(xiàn)總磷＞全鉀＞總氮，稻蟹對營養(yǎng)元素利用能力呈現(xiàn)總氮＞總磷＞全鉀，可知盈余的全鉀主要貯存于土壤和被其他生物利用，而總磷更多是被其他生物所利用。稻漁復合系統(tǒng)營養(yǎng)元素的運移，在空間上，系統(tǒng)輸出水體的營養(yǎng)元素含量低于輸入水體，土壤營養(yǎng)元素的累積為稻田＞主溝＞環(huán)溝，這與生物的利用和泥土擾動有關。在時間上，水體營養(yǎng)元素含量減少，土壤主要釋放了營養(yǎng)元素，所以營養(yǎng)元素主要運移到稻蟹及其他生物體內(nèi)。稻漁復合系統(tǒng)可以對池塘尾水進行有效凈化，而且系統(tǒng)輸入的營養(yǎng)元素在滿足稻蟹生長需求的同時，還可以為系統(tǒng)其他生物的生長提供物質(zhì)能量。

2009年陳柏湘［16］研究表明，稻田濕地凈化尾水主要依靠懸浮物沉淀和稻泥吸附，其次為水稻植株吸收；2014年章明奎等［17］研究表明，土壤氮磷含量隨灌溉時間的增加而上漲；國外學者Bihari等［18］研究表明，稻漁共作下系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)流動和能量循環(huán)更順暢；秦琳［19］研究表明，池塘種稻可以對沉積物中氮磷進行利用；2017年陸詩敏等［12］通過研究稻蟹種養(yǎng)比例，認為不施肥或少施肥時還需施用鉀肥［12］；2019年楊玲霞等［20］通過稻漁共作研究表明，肥料和飼料主要向系統(tǒng)輸入氮磷，沉積物和系統(tǒng)所收獲的水產(chǎn)生物則主要輸出氮磷。稻漁復合系統(tǒng)的營養(yǎng)元素主要來源于水體、飼料和基肥，土壤也會釋放部分營養(yǎng)元素，所以凈化魚池尾水主要依靠稻蟹等生物，系統(tǒng)的營養(yǎng)元素得到有效利用，無須再補充化肥，水體得到有效凈化。故稻漁復合系統(tǒng)實現(xiàn)池塘尾水循環(huán)利用的同時，還可以減少系統(tǒng)肥料的施用，并滿足作物和水產(chǎn)生物所需的營養(yǎng)，擁有更好的經(jīng)濟收益。

3 小結

1）空間上，系統(tǒng)輸出水體的營養(yǎng)元素含量低于輸入水體，土壤營養(yǎng)元素累積呈現(xiàn)稻田＞主溝＞環(huán)溝，稻蟹利用營養(yǎng)元素能力呈現(xiàn)總氮＞總磷＞全鉀。在時間上，水體營養(yǎng)元素減少，土壤釋放了部分營養(yǎng)元素。

2）系統(tǒng)運作后，水體營養(yǎng)元素含量降低，土壤釋放了一些營養(yǎng)元素，主要截留了全鉀，而物質(zhì)流顯示系統(tǒng)總磷和全鉀盈余較多。所以總氮主要運移到稻蟹體內(nèi)，全鉀主要運移到土壤和其他生物體內(nèi)，而總磷主要運移到稻蟹和其他生物體內(nèi)。稻漁復合系統(tǒng)能有效實現(xiàn)水體循環(huán)，輸入的營養(yǎng)元素能得到高效利用并滿足稻蟹及其他生物生長需求。