圍堤養(yǎng)魚鹽堿地改良過程中魚塘水質(zhì)和土壤理化性質(zhì)變化研究

武延民, 范 富, 馬金慧, 李豐義, 張慶國

(1.延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉133002；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué),內(nèi)蒙古 通遼 028000)

鹽堿地是我國最主要的后備土壤資源，改良利用鹽堿地可以增加耕地面積，緩解人地矛盾。我國鹽堿地面積約為100×105km2，遍及全國17個省、市、自治區(qū)，其中各類可利用鹽堿地資源37×105km2，具有農(nóng)業(yè)利用前景的約12×105km2[1-3]。受地形、地貌、水文條件和氣候等多種因素影響，我國鹽堿地可劃分為鹽土、堿土及其他不同程度鹽化、堿化土地及其水域等[4]。內(nèi)蒙古通遼市位于科爾沁沙地中心，由于降雨時空分布不均，水資源調(diào)蓄空間小，地下水埋深淺礦化度高以及人類活動等因素制約，該地區(qū)土壤鹽堿化危害嚴(yán)重，旱季返鹽強(qiáng)烈，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

我國大規(guī)模的鹽堿地池塘養(yǎng)殖已開展了十幾年, 養(yǎng)殖面積已擴(kuò)展到數(shù)百萬畝[6]。在鹽堿地上采取圍堤養(yǎng)魚的方法，不但開辟了新的淡水漁業(yè)生產(chǎn)路線，還有效地改善了鹽堿地土壤質(zhì)量[6]。魚類排放到鹽堿土中的代謝物可以通過吸附、淋溶、沉淀等反應(yīng)與土壤中的鹽堿成分相互作用，進(jìn)而降低土壤鹽堿度，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。已有研究顯示，圍堤養(yǎng)魚5年后的鹽堿土壤已經(jīng)適合水稻生長[7]。關(guān)于圍堤養(yǎng)魚對通遼鹽堿地的土壤生物性狀的影響已取得初步進(jìn)展。研究結(jié)果表明，圍堤養(yǎng)魚5年后，鹽堿地細(xì)菌、纖維素分解菌、亞硝酸細(xì)菌、磷細(xì)菌的數(shù)量均呈上升趨勢；諸如脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、纖維素酶等土壤酶的活性也較未改良的鹽堿地有所提高[8]。

迄今為止, 關(guān)于鹽堿地池塘養(yǎng)殖的研究大多集中在高產(chǎn)試驗(yàn)技術(shù)方面, 對生態(tài)的影響少有報(bào)道。為此該研究以蘇打鹽堿地水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)“水生植物凈化原理”和“仿自然原理”，在通遼市科爾沁左翼中旗代力吉鎮(zhèn)建造魚塘以及圍堤養(yǎng)魚后種植水稻的試驗(yàn)田。通過分析不同養(yǎng)魚年限魚塘水質(zhì)變化，以及魚塘土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、pH值、堿化度、碳酸鈣含量以及土壤養(yǎng)分含量，明確圍堤養(yǎng)魚年限和方式對通遼鹽堿地理化性質(zhì)的影響。該研究可為該區(qū)域鹽堿地利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼中旗代力吉鎮(zhèn)(121°08′～123°32′E，43°32′～44°32′N)，該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地勢平坦，光照資源充足，晝夜溫差大，年均氣溫6.5 ℃，年平均降水量399 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為蘇打堿土。試驗(yàn)前0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤初始的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該研究采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共計(jì)5個處理。2016年10月通過對角線采樣法分別采集0～20 cm的魚塘淤泥樣品以及0～20 cm稻田和鹽堿裸地土樣樣品。圍堤養(yǎng)魚3、5和8年后魚塘淤泥和圍堤養(yǎng)魚5年后稻田土壤樣品依次標(biāo)記為Y1、Y2、Y3和Y4。選取魚塘周圍無人為干擾的鹽堿裸地土作為對照，標(biāo)記為CK。土壤樣品挑除根系和其他雜質(zhì)，混合均勻后放入冰箱中低溫保存。

取圍堤養(yǎng)魚3、5、8年以及深井水樣進(jìn)行水質(zhì)分析。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

土壤樣品的測定方法根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》中方法進(jìn)行[9]。其中，土壤pH值采用電位法測定[土水比為1∶2.5(w/v)]，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，全磷和速效磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定，速效鉀、交換性鈉采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定，水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用土壤團(tuán)聚體分析儀(HB403-TTF-100)測定。

對于水質(zhì)樣品，采用電位法測定pH值，鉑鈷比色法測定色度[10]，分光光度法測定濁度[11]，水樣溶解性固體總量根據(jù)劉建坤等提供的方法測定[12]；硝酸銀滴定法測定氯化物含量[13]，紫外分光光度法測定硝酸鹽氮含量[14]，納氏試劑分光光度法測定氨態(tài)氮含量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均為各重復(fù)測定的平均值。采用origin9.0 軟件進(jìn)行方差分析，顯著性水平為(P<0.05，n=5)，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚塘水pH值、色度和濁度變化

不同圍堤養(yǎng)魚年限魚塘水色度和濁度變化如表2所示。深井水色度為14.000°。隨養(yǎng)魚年限增加魚塘水色度逐漸增加，3、5和8年魚塘水色度分別為15.667°，30.776°和45.333°。與之相似，魚塘水濁度也隨養(yǎng)魚年限的增加而增加，深井水、3、5和8年魚塘水濁度分別為0.376°、9.796°、17.000°和35.333°。

表2也顯示了不同養(yǎng)魚年限魚塘水pH值的變化。深井水pH值為7.53。養(yǎng)魚3年后魚塘水pH值為7.90，與深井水pH值無顯著差異。而后隨著養(yǎng)魚年限增加魚塘水pH值顯著升高，5年和8年魚塘水pH值分別為8.24和8.70。

表2 養(yǎng)魚年限對魚塘水pH值、色度和濁度的影響

2.2 魚塘水溶解性物質(zhì)變化

2.2.1 溶解性固體總量

不同年份的養(yǎng)魚水及深井水溶解性固體總量變化如表3所示。地下深井水溶解性固體總量為833.49 mg/L。隨著年份的增加溶解性固體總量逐年增加。3、5和8年魚塘水固體總量分別為1 333.27、1 563.33和1 640 mg/L，較地下深井水增加了60%、87.6%和96.8%。不同年份的養(yǎng)魚水與深井水之間差異極顯著。

2.2.2 氯化物含量

由表3可知，與深井水相比，圍堤養(yǎng)魚顯著增加了樣品中氯化物含量。地下深井水氯化物含量為88.40 mg/L。3、5和8年魚塘水氯化物分別為133.15、148.92和168.35 mg/L，較地下深井水增加了了90.5%、68.5%和50.6%。對于魚塘水樣，隨著養(yǎng)魚年限的增加氯化物含量逐漸降低。

2.2.3 硝態(tài)氮(NO3--N)含量

地下深井水硝態(tài)氮為40.51 μg/L。圍堤養(yǎng)魚導(dǎo)致樣品中硝態(tài)氮含量顯著增加。3、5和8年魚塘水氯化物分別為62.25、69.95和78.13 μg/L，較地下深井水增加了53.7%、72.7%和92.9%。對于魚塘水樣，隨著養(yǎng)魚年限的增加硝態(tài)氮含量逐漸增高。

2.2.4 銨態(tài)氮(NH4+-N)含量

地下深井水銨態(tài)氮為53 μg/L。圍堤養(yǎng)魚導(dǎo)致樣品中銨態(tài)氮含量顯著增加。3、5和8年魚塘水銨態(tài)氮分別為62.7、75.3和87.7 μg/L，較地下深井水增加了了18.3%、42.1%和65.5%。對于魚塘水樣，隨著養(yǎng)魚年限的增加氨態(tài)氮含量逐漸增高。

表3 養(yǎng)魚年限對魚塘水溶解性物質(zhì)的影響

2.3 圍堤養(yǎng)魚對土壤物理性狀的影響

2.3.1 土壤容重

不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤容重變化如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤容重為1.54 g/cm3。圍堤養(yǎng)魚在一定程度上降低了土壤容重。圍堤養(yǎng)魚3(Y1)、5(Y2)和8年(Y3)后，土壤容重相較于鹽堿裸地(CK)分別降低了20.12%、21.80%和22.98%，表明在當(dāng)前試驗(yàn)條件下圍堤養(yǎng)魚年限可顯著降低土壤容重。此外，圍堤養(yǎng)魚5年(Y2)處理與圍堤養(yǎng)魚后種稻處理(Y4)無顯著差異，表明圍堤養(yǎng)魚后種稻對土壤容重?zé)o顯著影響。

2.3.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

圖1顯示了不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量變化。相比于試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)，圍堤養(yǎng)魚顯著增加了土壤中大于0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。圍堤養(yǎng)魚3年(Y1)、5年(Y2)和8年(Y3)后,供試土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量分別為16.1%、15.4%和23.5%，表明長期圍堤養(yǎng)魚有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成，進(jìn)而增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。圍堤養(yǎng)魚5年(Y2)處理與圍堤養(yǎng)魚后種稻處理(Y4)大于0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量無顯著差異，表明當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下圍堤養(yǎng)魚后種稻對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成沒有顯著的促進(jìn)作用。

圖1 圍堤養(yǎng)魚對土壤容重和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響

2.4 圍堤養(yǎng)魚對土壤化學(xué)性狀的影響

2.4.1 土壤pH值

圖2顯示了不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤pH值的變化。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)pH值為9.51，表現(xiàn)出強(qiáng)堿性。隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加，供試土壤堿性在一定程度上得到緩解。圍堤養(yǎng)魚3年(Y1)、5年(Y2)和8年(Y3)后土壤pH值分別為8.82、8.66和7.79。特別是圍堤養(yǎng)魚8年后供試土壤堿性得到明顯的改善。圍堤養(yǎng)魚后種稻處理(Y4)土壤pH值為8.81。相比于圍堤養(yǎng)魚5年(Y2)處理，土壤pH值增加了1.7%，但無顯著差異。

2.4.2 土壤堿化度

堿化度是指土壤膠體上吸咐的交換性鈉離子占陽離子交換量(CEC)的百分率。一般來說堿化度越高，土壤堿化程度越高，土壤性狀越惡劣。不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤堿化度變化如圖2所示。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤堿化度為78.14%。圍堤養(yǎng)魚明顯降低了土壤堿化度。圍堤養(yǎng)魚3年(Y1)、5年(Y2)和8年(Y3)后，土壤堿化度相較于鹽堿裸地(CK)分別降低了9.67%、37.16%和92.12%。與土壤pH值不同，圍堤養(yǎng)魚后種稻明顯降低了土壤堿化度。圍堤養(yǎng)魚后種稻處理(Y4)鹽堿度較試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)和圍堤養(yǎng)魚5年(Y2)處理分別降低了60.25%和36.73%。

圖2 圍堤養(yǎng)魚對土壤pH值和堿化度的影響

2.5 圍堤養(yǎng)魚對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.5.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量

不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤有機(jī)質(zhì)含量變化如圖3所示。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤有機(jī)質(zhì)含量為7.21 g/kg。圍堤養(yǎng)魚后土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。圍堤養(yǎng)魚3年(Y1)和5年(Y2)后土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為5.30和 5.28 g/kg。圍堤養(yǎng)魚8年(Y3)后土壤有機(jī)質(zhì)含量為6.91 g/kg。圍堤養(yǎng)魚后種稻導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)一步降低。圍堤養(yǎng)魚后種稻處理(Y4)較圍堤養(yǎng)魚5年(Y2)處理有機(jī)質(zhì)含量降低了13.25%。

2.5.2 土壤全氮和堿解氮

不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤全氮和堿解氮含量變化如圖3所示。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤全氮含量為0.21 g/kg。圍堤養(yǎng)魚后土壤全氮含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。圍堤養(yǎng)魚3年(Y1)后土壤全氮含量為0.13 g/kg。圍堤養(yǎng)魚5年(Y2)和8年(Y3)后土壤全氮含量分別為0.15和0.18 g/kg。圍堤養(yǎng)魚后種稻未對土壤全氮含量產(chǎn)生顯著影響。

試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤堿解氮含量為7.21 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚后3年(Y1)和5年(Y2)后土壤堿解氮含量持續(xù)降低，分別為40.37和12.36 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚8年(Y3)后土壤堿解氮含量顯著升高至53.20 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚后種稻導(dǎo)致土壤堿解氮含量進(jìn)一步降低至6.53 mg/kg。

2.5.3 土壤全磷和速效磷

不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤全磷和速效磷變化如圖3所示。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤全磷含量為0.20 g/kg。圍堤養(yǎng)魚導(dǎo)致土壤全磷含量明顯降低。但隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加，土壤全磷含量呈現(xiàn)升高的趨勢。圍堤養(yǎng)魚3年(Y1)5年(Y2)和8年(Y3)后土壤全磷含量分別為0.06、0.08和0.13 g/kg。圍堤養(yǎng)魚后種稻未對土壤全磷含量產(chǎn)生顯著影響。

與土壤全磷含量變化趨勢不同，圍堤養(yǎng)魚后土壤速效磷含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤速效磷含量為11.01 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚后3年(Y1)和5年(Y2)后土壤速效磷含量持續(xù)降低，分別為8.42和7.22 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚8年(Y3)后土壤速效磷含量顯著升高至15.96 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚后種稻導(dǎo)致土壤速效磷含量進(jìn)一步降低至5.93 mg/kg。

2.5.4 土壤全鉀和速效鉀

不同圍堤養(yǎng)魚年限及圍堤養(yǎng)魚后種稻土壤全鉀和速效鉀變化如圖3所示。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤全鉀含量為3.21 g/kg。圍堤養(yǎng)魚后3年(Y1)后圍堤養(yǎng)魚土壤全鉀含量降低至3.05 g/kg。隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加，土壤全鉀含量呈現(xiàn)增加的趨勢。圍堤養(yǎng)魚5年(Y2)和8年(Y3)后土壤全鉀含量分別為3.17和3.32 g/kg。圍堤養(yǎng)魚后種稻未對土壤全鉀含量產(chǎn)生顯著影響。

圍堤養(yǎng)魚導(dǎo)致土壤速效鉀含量明顯降低。但隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加，土壤速效鉀含量呈現(xiàn)升高的趨勢。試驗(yàn)區(qū)鹽堿裸地(CK)土壤速效鉀含量為255.56 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚3年(Y1)5年(Y2)和8年(Y3)后土壤速效鉀含量分別為72.41、163.96和171.62 mg/kg。圍堤養(yǎng)魚后種稻導(dǎo)致土壤速效鉀含量進(jìn)一步降低至64.78 mg/kg。

圖3 圍堤養(yǎng)魚對土壤養(yǎng)分含量的影響

3 討論

土壤容重是反映土壤物理性狀的重要指標(biāo)，其大小直接影響土壤水、熱狀況，以及作物根系在土壤中的伸長[16]。已有研究顯示，稻田養(yǎng)魚有利于降低土壤容重，提高土壤透氣性，進(jìn)而為好氧微生物活動創(chuàng)造良好環(huán)境[17]。在蘇打鹽堿地上應(yīng)用圍堤養(yǎng)魚和圍堤養(yǎng)魚后種稻技術(shù)能顯著降低土壤容重 (圖1)。與之相應(yīng)，之前的研究結(jié)果顯示，在圍堤養(yǎng)魚3、5和8年后，蘇打鹽堿地中細(xì)菌、纖維素分解菌、磷細(xì)菌的數(shù)量都呈上升趨勢。因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤速效磷含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(表3)，隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加而增加(圖3)。

土壤大團(tuán)聚體(粒徑>0.25 mm)是良好土壤結(jié)構(gòu)的綜合體現(xiàn)，對改善土壤肥力、提升土壤生產(chǎn)力等具有重要意義。有機(jī)質(zhì)作為團(tuán)聚體重要的膠結(jié)劑，可提高土壤中大團(tuán)聚體的數(shù)量，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成以及增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[18]。該研究中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)(表3)，因此水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加而增加(圖1)。土壤團(tuán)聚體與土壤全氮含量有著密切的聯(lián)系。這是由于土壤氮素主要是以氨基酸、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)等形式存在的有機(jī)氮，在團(tuán)聚體形成過程中大量的有機(jī)氮裹挾在團(tuán)聚體內(nèi)部，從而延緩有機(jī)氮礦化、損失[19]。該研究中，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)(表2)，因此土壤全氮含量隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加而增加(圖3)。

土壤pH值和堿化度是蘇打鹽堿地的重要屬性之一，對于土壤營養(yǎng)成分有效性、土壤微生物活性及作物的生長發(fā)育均有顯著影響[20]。該研究中試驗(yàn)區(qū)土壤pH值和堿化度隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加而下降。土壤有機(jī)質(zhì)可能是土壤pH值和堿化度降低的主要原因。有機(jī)質(zhì)對土壤結(jié)構(gòu)有一定的改善作用，通過形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞鹽分沿土壤毛管孔隙隨水分上升的條件，降低土壤耕層的鹽分積累。另一方面，有機(jī)質(zhì)可以吸附土壤溶液中的鹽分離子，從而降低土壤中鹽含量。

綜上所述，圍堤養(yǎng)魚有效的改善土壤的理化性質(zhì)，可以增加土壤中的速效養(yǎng)分，然而對全氮全磷全鉀等指標(biāo)影響不大，也就是說，鹽堿地圍堤養(yǎng)魚對土壤中養(yǎng)分的活化有促進(jìn)作用。種植水稻對土壤養(yǎng)分指標(biāo)、物理指標(biāo)以及pH值沒有顯著影響，但是可以有效的降低土壤堿化度，也可以理解為種植水稻可以吸收土壤中的鹽分，對土壤的理化性質(zhì)有促進(jìn)作用。已有研究表明，養(yǎng)魚后種稻能促進(jìn)蘇打鹽堿地脫鹽。但在改良初期由于土壤溶液中存在HCO3-，所以土壤會表現(xiàn)出一定程度的殘余堿化現(xiàn)象，土壤剖面通透性較差[21-22]。本研究結(jié)果表明，應(yīng)用圍堤養(yǎng)魚后種稻改良技術(shù)蘇打鹽堿地土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、土壤pH值與應(yīng)用圍堤養(yǎng)魚改良技術(shù)無顯著差異。土壤養(yǎng)分含量有所下降，這可能與地上植物吸收有關(guān)。更詳細(xì)的研究有待繼續(xù)。

4 結(jié)論

1) 圍堤養(yǎng)魚可使魚塘水中溶解性固體總量、氯化物含量、硝態(tài)氮(NO3--N)含量、氨態(tài)氮(NH3+-N)含量隨養(yǎng)魚年限增加而增加。

2) 圍堤養(yǎng)魚在一定程度上改善了蘇打鹽堿地的物理性狀。

3) 圍堤養(yǎng)魚可以有效降低蘇打鹽堿地的pH值和堿化度，年限越長效果越好。

4) 隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤堿解氮含量、土壤速效磷含量以及速效鉀含量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，其中，速效鉀效果最為明顯。土壤全磷和全鉀含量隨著圍堤養(yǎng)魚年限的增加而增加。

5) 在圍堤養(yǎng)魚的基礎(chǔ)上種稻技術(shù)可以有效的降低土壤堿化度。