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        太湖流域稻田對3種低污染水氮的消納利用及化肥減量效果

        2016-08-08 09:48:26馬資厚薛利紅潘復(fù)燕徐珊珊楊林章
        關(guān)鍵詞:氮肥利用率水稻產(chǎn)量

        馬資厚,薛利紅,潘復(fù)燕,徐珊珊,高 倩,楊林章

        (1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,江蘇 南京 210014;3.中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇 南京 210008;4.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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        太湖流域稻田對3種低污染水氮的消納利用及化肥減量效果

        馬資厚1,2,薛利紅2①,潘復(fù)燕3,4,徐珊珊1,2,高倩1,2,楊林章2

        (1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京210095;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,江蘇 南京210014;3.中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇 南京210008;4.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)

        摘要:為探討稻田對不同低污染水氮的消納利用效果以及化肥減量潛力,選用生活污水處理尾水、沼液和富營養(yǎng)化河塘水3種來源的低污染水,采用盆栽試驗研究稻田直接回用對水稻生長和產(chǎn)量、氮養(yǎng)分吸收、田面水氮徑流風(fēng)險、氨揮發(fā)和土壤養(yǎng)分的影響及對化肥減量的貢獻。結(jié)果表明:(1)3種污染水回用均可保證水稻的正常生長,提高了氮肥利用率,對產(chǎn)量則無顯著影響。(2)與清水灌溉相比,3種低污染水回用的田面水總氮濃度在基肥期降低21.6%~48.2%,蘗肥期基本持平,穗肥期及灌漿期則明顯提高。(3)3種低污染水回用降低了基肥期和穗肥期的日均氨揮發(fā)量,增加了蘗肥期和灌漿期的日均氨揮發(fā)量,但稻季氨揮發(fā)總量(以N計)差異不明顯,為41.58~45.45 kg·hm-2。(4)3種低污染水回用均增加了土壤堿解氮、總磷、有效磷和有機碳含量,以生活污水處理尾水回用最為明顯。(5)整個生育期稻田可消納生活污水處理尾水、富營養(yǎng)化河塘水和沼液4 858~5 441 m3·hm-2,回用的氮量分別為107.1、31.4和132.9 kg·hm-2,分別替代化肥用量44.41%、12.83%和55.11%。綜合產(chǎn)量以及環(huán)境效益,生活污水尾水回用顯著提高了氮肥利用率,降低了生育前期的徑流損失風(fēng)險,并具有提升土壤肥力的功效。

        關(guān)鍵詞:水稻;產(chǎn)量;氮肥利用率;田面水氮濃度;氨揮發(fā);低污染水灌溉

        農(nóng)村面源污染已取代點源污染成為太湖流域水體環(huán)境惡化的主要原因之一,面源污染中總氮的貢獻率為34%~52%[1],是水體環(huán)境污染的最重要來源[2],是當前水污染控制和改善的重點和難點[3]。生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水以及農(nóng)田面源污染排放是面源污染的3大來源。在江蘇省污水排放的化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(以NH4+-N計)負荷中,生活污水排放分別占67.5%和76.2%[4]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致畜禽糞尿排棄物急速增加,目前主要處理方式為集約型沼氣工程[5-6]。隨著排入自然水體的污染物總量逐年增加,加之水體自凈能力較低,導(dǎo)致許多流域的氮磷污染嚴重。以太湖流域的直湖港為例,2009年下半年至2010年上半年水體中ρ(總氮)平均值高達7.57 mg·L-1[7]。

        為了從源頭上減少污染,江蘇省已建立了許多沼氣工程和污水處理廠及處理設(shè)施,污染削減效果顯著。但是沼液和其他達標排放的污水中依然含有較高濃度的氮。如何對污水中富含的氮進行農(nóng)田循環(huán)利用,進一步削減其污染排放,成為當前研究的熱點[2]。

        太湖流域稻田廣泛分布,而稻田是一種特殊的人工濕地系統(tǒng),不僅承載著重要的糧食生產(chǎn)功能,而且對氮、磷等污染物具有較強的消納能力,是一種環(huán)境友好、生態(tài)健康、可持續(xù)利用的水質(zhì)凈化修復(fù)系統(tǒng)。稻田不僅能凈化周圍河道水體[8-10],還能通過對生活污水中氮磷的消納起到減少化肥投入、保證糧食生產(chǎn)的作用[11-12]。稻田施灌沼液可促進氮向籽粒轉(zhuǎn)移,提高氮肥利用率,也能替代部分化肥氮并保證水稻產(chǎn)量或增產(chǎn)[13-14]。但稻田對氮的消納利用能力有多大,在保證產(chǎn)量的前提下能替代減少多少化肥,是否會增加稻田的徑流、氨揮發(fā)等氮損失風(fēng)險,這些問題還缺乏系統(tǒng)綜合的研究。為此,筆者比較了生活污水處理尾水、沼液和富營養(yǎng)化河塘水直接回用對水稻產(chǎn)量、氮吸收、田面水氮徑流風(fēng)險、氨揮發(fā)損失和土壤養(yǎng)分含量的影響,以期為太湖流域稻田回用低污染水提供理論依據(jù)。

        1材料與方法

        1.1試驗設(shè)計

        于2014年7月10日至2014年10月25日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室大棚進行盆栽試驗。供試土壤為水稻土,取自太湖流域宜興市周鐵鎮(zhèn),pH值為5.03,w(有機質(zhì))為14.09 g·kg-1,w(全氮)為1.56 g·kg-1,w(堿解氮)為131.7 mg·kg-1,w(全磷)為0.94 g·kg-1,w(有效磷)為47.6 mg·kg-1,w(速效鉀)為136 mg·kg-1。盆缽直徑30 cm,高50 cm,底部密封。每盆裝干土35 kg,栽種3穴,每穴3株。供試水稻(Oryzasativa)品種為武運粳23號。試驗共設(shè)4種灌溉水源處理:清水(SF)、富營養(yǎng)化河塘水(RW)、生活污水處理尾水(DS)和沼液(BS)灌溉,每個處理設(shè)3次重復(fù)。各處理總氮投入量(以N計)保持一致,為0.048 g·kg-1,折合大田用量為240 kg·hm-2[15],其中基肥、蘗肥和穗肥期氮用量(含灌溉帶入氮量)分別占總氮投入量的25%、25%和50%。灌溉之前取樣分析污水的pH值、TP和TN含量等指標,記錄灌溉水量,并保持各處理灌溉水量一致。稻季生育期保持2~5 cm高的水層。當灌漿期RW、DS和BS處理總氮投入達240 kg·hm-2時,就采用自來水灌溉至收獲。磷肥和鉀肥用量分別按照150 和100 kg·hm-2水平一次性基施,折合干土為0.03和0.02 g·kg-1。為了計算氮肥利用率,同時設(shè)置不施氮肥處理作為空白對照(CK),磷鉀肥用量、灌溉時間和水量均與其他處理一致。灌溉所用污水的理化性質(zhì)見表1。

        表1供試污水的理化性質(zhì)

        Table 1Physico-chemical properties of the wastewaters tested in the experiment

        灌溉用水pH值ρ(TN)/(mg·L-1)ρ(NH4+-N)/(mg·L-1)ρ(TP)/(mg·L-1)ρ(TK)/(mg·L-1)ρ(TC)/(mg·L-1)ρ(TOC)/(mg·L-1)C/N比清水7.78±0.022.22±0.050.07±0.010.13±0.020.14±0.0118.24±0.575.61±0.288.20富營養(yǎng)化河塘水7.97±0.025.24±0.272.62±0.140.64±0.050.78±0.0820.76±1.6216.14±0.733.96生活污水處理尾水7.61±0.0521.47±0.3618.14±2.041.23±0.201.61±0.1379.66±5.7755.72±6.213.71沼液7.60±0.0326.72±0.6124.75±2.833.17±0.3212.78±1.7528.57±2.0221.86±1.731.07

        整個水稻生育期通過灌溉消納的富營養(yǎng)化河塘水、生活污水處理尾水和沼液量分別為5 441.43、4 865.71和4 858.57 t·hm-2,灌溉帶入的氮量為0.22、0.76和0.94 g·盆-1,折合田間用量約為31.43、107.14和132.86 kg·hm-2,分別減少化肥氮量12.83%、44.41%和55.11%(表2);灌溉帶入的磷量為0.02、0.03和0.07 g·盆-1,鉀量為0.02、0.04和0.28 g·盆-1,總有機碳為0.42、1.23和0.48 g·盆-1。

        表2不同生育期進入稻田系統(tǒng)的氮量

        Table 2Input of nitrogen into the paddy field system in different rice growing periodskg·hm-2

        SF為清水灌溉,RW為富營養(yǎng)化河塘水灌溉,DS為生活污水處理尾水灌溉,BS為沼液灌溉。

        1.2測定項目和分析方法

        水稻關(guān)鍵生育期(分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期)非破壞性測定水稻株高、植被覆蓋指數(shù)(NDVI)以及葉綠素值(SPAD)。SPAD值用日本產(chǎn)的葉綠素儀SPAD-502測定每盆所有主莖的第1片全展葉,取平均值;NDVI值采用Trimble公司的GreenSeeker手持式光譜儀測定,保持離冠層高度0.5 m,每盆重復(fù)測定3次,取平均值。

        氨揮發(fā)采用密閉室間隔通氣法-硼酸吸收法收集測定[16]。每次施肥后7 d內(nèi)連續(xù)每天測定,其他時間每隔5~7 d測定1次。每次測定時間為9:00—11:00和15:00—17:00,共計4 h。

        分別在施肥后第1、2、3、5、7天采集田面水水樣,之后每隔5~7 d取1次樣。用德國Bran+Luebbe公司生產(chǎn)的AA3流動分析儀測定總氮(TN)濃度。

        水稻收獲后用直徑25 mm土鉆采集0~15 cm土層土壤樣品3處,混合后裝入自封袋,帶回實驗室自然風(fēng)干。部分樣品研磨過0.9 mm孔徑篩后用堿解擴散法測定堿解氮含量,用碳酸氫鈉法測定有效磷含量,用乙酸銨提取法測定速效鉀含量;部分樣品研磨過0.15 mm孔徑篩后采用開氏消煮-半自動凱氏定氮法測定土壤總氮含量,用酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷含量,用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定有機碳含量[17]109-110。

        水稻成熟后,剪下其地上部分,稱取各處理生物量和每盆實際所得籽粒質(zhì)量。植株和籽粒烘干粉碎過篩后,H2SO4-H2O2消煮,半自動凱氏定氮儀測定總氮含量,鉬銻抗比色法測定總磷含量[17]146-168,并計算每盆植物氮磷積累總量、氮肥恢復(fù)效率(REN)、氮肥農(nóng)學(xué)效率(AEN)和氮肥生理效率(PEN),計算公式如下:

        植株氮積累總量=植株氮含量×地上部生物量;

        植株磷積累總量=植株磷含量×地上部生物量;

        氮肥恢復(fù)效率=(施氮處理氮積累總量-不施肥處理氮積累總量)/施氮量×100%;

        氮肥生理效率=(施氮處理籽粒質(zhì)量-不施肥處理籽粒質(zhì)量)/(施氮處理氮積累總量-不施肥處理氮積累總量);

        氮肥農(nóng)學(xué)效率=(施氮處理籽粒質(zhì)量-不施肥處理籽粒質(zhì)量)/施氮量;

        氮收獲指數(shù)(NHI)=籽粒氮積累總量/植株氮積累總量×100%。

        1.3數(shù)據(jù)處理

        采用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行計算和繪圖,采用SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析(P<0.05)。

        2結(jié)果與分析

        2.1水稻生長狀況與產(chǎn)量

        2.1.1水稻生長狀況

        圖1顯示了不同生育期不同水源灌溉下水稻生長指標的變化規(guī)律。結(jié)果表明,RW、DS、BS與SF處理相比,水稻的株高、葉片SPAD值和NDVI值均無顯著差異(P>0.05),低污染水灌溉均可保證水稻的正常生長。NDVI值是水稻冠層生物量及葉面積指數(shù)的間接體現(xiàn),與葉面積指數(shù)和生物量均呈良好的正相關(guān)關(guān)系。RW處理NDVI值在4個關(guān)鍵生育期均最高,其次是DS和BS處理,但與SF處理相比均無顯著差異。

        2.1.2成熟期水稻地上部生物量和籽粒產(chǎn)量

        如表3所示SF、RW、DS和BS處理水稻地上部生物量和籽粒產(chǎn)量均顯著高于CK處理,但SF、RW、DS和BS處理間無顯著差異(P>0.05),說明低污染水作為灌溉水源對水稻產(chǎn)量無顯著影響。RW、DS和BS處理的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著高于CK處理(P<0.05),但結(jié)實率和千粒重與SF處理相比均無顯著差異(P>0.05)。

        2.1.3氮的吸收和利用

        與SF處理相比,低污染水處理對水稻植株和籽粒氮含量無顯著影響(表4)。BS處理植株氮累積總量則顯著低于SF處理(P<0.05),這可能與其地上部生物量較低有關(guān)。RW和DS處理植株氮積累總量則略高于SF處理,但差異不顯著(P<0.05)。

        低污染水處理均提高了REN和AEN,其中DS和BS處理REN分別較SF處理顯著提高108.8%和38.2%,AEN顯著提高73.60%和58.29%(P<0.05)。各處理間PEN略有不同,RW和DS處理顯著低于SF處理(P<0.05),BS處理則略高于SF處理。各處理間NHI無顯著差異。

        CK─不施肥對照;SF─清水灌溉;RW─富營養(yǎng)化河塘水灌溉;DS─生活污水尾水灌溉;BS─沼液灌溉。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生育期不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

        表3不同處理對水稻地上部生物量、產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

        Table 3Biomass of rice ground parts, yield and its composition relative to treatment

        處理有效穗數(shù)/(穗·盆-1)穗粒數(shù)/(?!に?1)結(jié)實率/%千粒重/g籽粒產(chǎn)量/(g·盆-1)地上部生物量/(g·盆-1)CK267±31.59b91.91±5.39b94.70±0.44a30.87±1.16a78.64±19.31b159.36±17.79bSF345±22.65a106.39±3.70a95.08±1.02a30.51±0.82a110.95±15.28a216.62±20.81aRW333±18.00a108.40±4.23a94.01±2.34a30.01±0.30a110.01±13.11a236.16±19.29aDS336±34.07a106.74±1.26a94.88±0.85a30.93±0.23a108.60±7.24a229.19±5.61aBS294±42.53ab109.70±3.52a95.68±1.35a31.45±0.83a104.40±10.26a207.86±10.99a

        CK為不施肥對照,SF為清水灌溉,RW為富營養(yǎng)化河塘水灌溉,DS為生活污水尾水灌溉,BS為沼液灌溉。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差異顯著(P<0.05)。

        表4水稻吸收利用氮相關(guān)指標

        Table 4Relevant indices of N uptake and utilization by rice

        處理植株w(氮)/(mg·g-1)籽粒w(氮)/(mg·g-1)植株氮積累總量/(g·盆-1)氮肥恢復(fù)效率(REN)/%氮肥生理效率(PEN)/(kg·kg-1)氮肥農(nóng)學(xué)效率(AEN)/(kg·kg-1)氮收獲指數(shù)(NHI)/%CK8.55±0.56a9.30±0.17a1.36±0.07c———53.60±5.86aSF8.62±0.05a9.44±0.15a1.87±0.18a31.69±2.40c75.33±9.42a22.61±1.17b55.97±3.35aRW8.17±0.59a8.62±0.63a1.92±0.08a38.36±2.90bc58.00±2.11b23.83±2.28b49.08±2.87aDS8.64±0.36a9.51±0.83a1.98±0.04a66.18±4.40a60.38±3.80b39.25±3.88a52.06±3.51aBS8.15±0.58a9.23±0.30a1.69±0.05b43.79±4.10b85.28±5.01a35.79±2.99a57.08±6.28a

        CK為不施肥對照,SF為清水灌溉,RW為富營養(yǎng)化河塘水灌溉,DS為生活污水尾水灌溉,BS為沼液灌溉。“—”表示無數(shù)據(jù)。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差異顯著(P<0.05)。

        2.2田面水氮流失風(fēng)險

        田面水氮濃度越高,徑流氮損失風(fēng)險也越大。由圖2可知,基肥期所有污水處理均降低了田面水中ρ(總氮),RW、BS和DS處理平均降幅分別為26.7%、24.7%和48.2%,其中RW和DS處理與SF處理差異顯著(P<0.05)。施入蘗肥7 d內(nèi),RW、BS和DS處理與SF處理的ρ(總氮)基本持平。施入穗肥第1天,RW、DS與SF處理田面水中ρ(總氮)急劇增加,其中SF處理達最大(117.61 mg·L-1),隨后RW、DS和BS處理ρ(總氮)明顯降低。施入穗肥第5天,DS處理ρ(總氮)顯著高于其他處理。穗期10 d時,SF和RW處理田面水中ρ(總氮)處于較低且穩(wěn)定狀態(tài),而BS和DS處理ρ(總氮)明顯高于SF處理。

        CK─不施肥對照;SF─清水灌溉;RW─富營養(yǎng)化河塘水灌溉;DS─生活污水尾水灌溉;BS─沼液灌溉。

        2.3稻田氨揮發(fā)量

        由圖3可知,基肥期氨揮發(fā)強度最高,其次是蘗肥期,穗肥期和灌漿期較低。污水灌溉降低了基肥期和穗肥期日均氨揮發(fā)量,基肥期DS、RW和BS處理日均氨揮發(fā)量較SF處理分別顯著降低35.22%、26.17%和16.43%(P<0.05);穗肥期BS、RW和DS處理日均氨揮發(fā)量較SF處理分別降低80.2%、33.8% 和30.7%,其中僅BS處理與SF處理差異達極顯著水平(P<0.05)。但是,DS、BS和RW處理增加了蘗肥期和灌漿期日均氨揮發(fā)量,尤其是DS處理比SF處理分別顯著增加55.0% 和61.3%(P<0.05)。4個處理之間整個稻季的氨揮發(fā)總量(以N計)無顯著差異(P>0.05),為41.58~45.45 kg·hm-2,占總氮投入量的17.33%~18.94%。

        CK─不施肥對照;SF─清水灌溉;RW─富營養(yǎng)化河塘水灌溉;DS─生活污水尾水灌溉;BS─沼液灌溉。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示同一生育期不同處理間日均氨揮發(fā)量差異顯著(P<0.05)。1)以N計。

        2.4水稻收獲后土壤養(yǎng)分狀況

        由表5可知,與SF處理相比,DS、BS和RW處理土壤總氮含量無顯著差異,但土壤堿解氮含量有所提高,其中RW處理最高,與SF處理的差異達顯著水平(P<0.05)。由于低污染水灌溉在帶入氮的同時也帶入磷、鉀以及有機碳源,因此,低污染水處理的土壤總磷、有效磷、速效鉀以及有機碳含量均略高于SF處理,但差異不顯著(P>0.05)。

        表5水稻收獲后土壤養(yǎng)分狀況

        Table 5Soil nutrient status after rice harvesting relative to treatment

        處理w(總氮)/(g·kg-1)w(堿解氮)/(mg·kg-1)w(總磷)/(g·kg-1)w(有效磷)/(mg·kg-1)w(速效鉀)/(mg·kg-1)w(有機碳)/(g·kg-1)CK1.22±0.14b104.37±8.27ab0.87±0.11a43.27±4.58a127.19±7.15a7.51±0.88aSF1.44±0.11a99.10±5.70b0.87±0.13a40.39±12.51a126.43±3.16a7.29±0.68aRW1.40±0.03a119.46±14.45a0.89±0.14a45.89±2.93a127.60±6.52a7.36±0.78aDS1.43±0.05a111.30±2.97ab0.92±0.04a49.19±4.97a130.55±5.54a8.07±0.36aBS1.32±0.10ab112.04±7.82ab0.87±0.06a46.99±4.77a136.43±4.83a7.41±0.52a

        CK為不施肥對照,SF為清水灌溉,RW為富營養(yǎng)化河塘水灌溉,DS為生活污水尾水灌溉,BS為沼液灌溉。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差異顯著(P<0.05)。

        3討論

        低污染水是指那些主要水質(zhì)指標優(yōu)于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準,但又達不到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水體標準的那部分污染水體。生活污水廠排放的尾水即使達到Ⅰ級A標準,ρ(TN)依然高達15 mg·L-1,沼液中ρ(TN)高達20~30 mg·L-1,遠高于地表水V類水ρ(TN)標準(2 mg·L-1),直接排入河道易造成富營養(yǎng)化。因此,如何有效控制生活污水處理尾水、沼液向河道的直接排放,并降低河道水體中氮濃度是目前農(nóng)業(yè)面源污染控制的重要內(nèi)容。該研究結(jié)果表明,生活污水處理尾水、沼液以及富營養(yǎng)化河塘水對水稻生長、產(chǎn)量以及生物量均無顯著影響。李龍山等[18]也發(fā)現(xiàn)生活污水培養(yǎng)的作物葉綠素、株高較對照均有所提高,這可能是因為生活污水中含有氮,且氮更易被水稻植株吸收。沼液中部分有機養(yǎng)分釋放較化肥緩慢,且養(yǎng)分的平衡狀況不一定符合水稻生長的需要[19],因此沼液灌溉的植物生物量略低。KWUN等[20]發(fā)現(xiàn)稀釋后的生活污水與化肥配施處理,水稻可正常生長,且產(chǎn)量和生物量均略有增加。王文博等[21]發(fā)現(xiàn)隨著沼液施用量增加,水稻產(chǎn)量呈先增加后降低趨勢,追肥沼液(以N計)為198 kg·hm-2處理的水稻產(chǎn)量低于化肥處理,而沼液(以N計)為396 kg·hm-2處理水稻產(chǎn)量高于化肥處理。因此,該研究中BS處理產(chǎn)量略有降低,除了沼液施入方式不同外,還可能與沼液施入量較少(132.86 kg·hm-2,以N計)有關(guān)。試驗中DS和BS處理均顯著提高REN和AEN,主要因為其替代化肥比例分別為44.41%和55.11%,降低了化肥氮的施入量。王輝等[22]發(fā)現(xiàn)秸稈等原料在厭氧發(fā)酵過程中水解為離子形式,從而使沼液中鹽離子濃度升高,施用沼液會造成土壤及田面水中鹽分過高,影響氮的吸收。低污染水回用有助于提高土壤堿解氮含量,這與前人研究結(jié)果[23]一致。這可能是因為低污染水回用使微生物活性逐漸增強[24]。C/N比是衡量土壤C、N營養(yǎng)平衡狀況的指標,被用以衡量土壤氮素礦化能力。一般認為,當C/N比>30時,氮礦化作用的最初階段不能對植物產(chǎn)生供氮效應(yīng);當C/N比<15時,氮礦化作用最初所提供的氮量會超過微生物的同化量[25]。而該試驗選用的低污染水C/N比均遠低于15,更利于土壤有效態(tài)氮的礦化。

        SF、DS、BS和RW處理田面水總氮含量在施肥后均呈現(xiàn)先上升后緩慢下降趨勢,與前人研究結(jié)果[10,26]一致。低污染水回用顯著降低了基肥期田面水中總氮濃度,顯著提高了穗肥期及灌漿期田面水中的總氮濃度,尤其是DS和BS處理?;势诳偟獫舛鹊慕档椭饕c化肥氮用量的減少有關(guān);而后期田面水中氮濃度的增加則主要是因為低污染水回用帶入的氮使田面水總氮濃度整體保持在較高水平。施入穗肥后第1天各處理田面水中總氮濃度急劇增加且增幅各不相同,主要是因為穗肥期各處理施入的化肥氮量不同所致。實際生產(chǎn)中水稻生長前期苗小,養(yǎng)分需求量低,且需要保持一定的水層,加上7—8月是太湖流域的雨季,因此降雨時產(chǎn)生徑流的可能性更大。低污染水回用田面水中總氮濃度大幅降低,可有效降低前期氮的徑流損失風(fēng)險。生育后期水稻生長旺盛,水分需求量較大,加上9—10月雨水也較少,因此徑流發(fā)生的幾率較小。

        大量研究表明,氨揮發(fā)是稻季氮素的重要損失途徑,太湖流域稻田氨揮發(fā)損失可占施氮量的9%~42%[27-30],其中基肥期和蘗肥期氨揮發(fā)強度較高。俞映倞等[30]發(fā)現(xiàn)常規(guī)化肥處理基肥期氨揮發(fā)損失占基肥用量的30%以上;XU等[31]發(fā)現(xiàn)農(nóng)戶施肥處理下基肥期氨揮發(fā)損失量(以N計)可高達8.2~9.9 kg·hm-2·d-1。筆者研究發(fā)現(xiàn)基肥期氨揮發(fā)強度最高,其次是蘗肥期,穗肥期和灌漿期較低,與基肥期和蘗肥期是控制氨揮發(fā)的關(guān)鍵時期這一結(jié)論[30]相符。氨揮發(fā)主要受田面水深、pH值、氨濃度以及風(fēng)速、空氣濕度等因素影響。與SF處理相比,DS處理降低了基肥期田面水pH值,減少了化肥氮用量,顯著降低了田面水總氮濃度,因此氨揮發(fā)量極顯著降低。穗肥期田面郁閉度較高,不利于氨揮發(fā)[32]。沼液的施用顯著降低了穗肥期日均氨揮發(fā)量,主要是因為穗肥期無化肥施氮,因此田面水氨濃度大幅降低[30]。盡管蘗肥期低污染水灌溉處理化肥氮用量低于SF處理,日均氨揮發(fā)量卻高于SF處理,這可能與低污染水處理是持續(xù)零散地投入氮源有關(guān)。灌漿期BS和DS處理氨揮發(fā)強度增加,主要是因為田面水中氮濃度高于常規(guī)灌溉處理。整個水稻生育期,DS、RW和BS處理氨揮發(fā)總量與SF處理相比無顯著差異。姜麗娜等[13]研究表明,施用沼液后氨揮發(fā)量增加達10倍以上,筆者研究結(jié)果與之不一致??赡苁且驗榻惸鹊萚13]的研究中施灌沼液量(以N計)為135~540 kg·hm-2,且分3次施入;而筆者試驗中施灌量(以N計)為132.26 kg·hm-2,且為持續(xù)零散施入。

        經(jīng)檢測,3種低污染水的重金屬含量均符合GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》的限量要求,收獲后土壤和籽粒的重金屬含量均遠低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》和GB 2762—2012《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中的限量標準。

        4結(jié)論

        DS、RW和BS 處理均可保證水稻正常生長和產(chǎn)量,降低基肥期和穗肥期氨揮發(fā)量,增加蘗肥期和灌漿期氨揮發(fā)量,但對整個稻季氨揮發(fā)總量無顯著影響。與SF處理相比,低污染水回用明顯降低了基肥期田面水總氮濃度,降低了水稻生育前期徑流損失風(fēng)險。

        整個水稻生育期生活污水工程尾水、富營養(yǎng)化河塘水和沼液灌溉量分別為4 865.71、5 441.43和4 858.57 t·hm-2,分別消納水中的氮量107.14、31.43和132.86 kg·hm-2,分別減少化肥氮投入量44.41%、12.83%和55.11%,表明利用稻田這一人工濕地可有效消納低污染水,并可充分利用水中的氮等營養(yǎng)元素,促進水稻生產(chǎn),減少化肥氮投入,維持土壤肥力,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境治理的雙贏。

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        (責任編輯: 陳昕)

        收稿日期:2015-09-28

        基金項目:江蘇省自主創(chuàng)新項目〔cx(14)2050〕;農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項 (201503106)

        通信作者①E-mail: 26706773@qq.com

        中圖分類號:X824

        文獻標志碼:A

        文章編號:1673-4831(2016)04-0570-07

        DOI:10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.009

        作者簡介:馬資厚(1989─),女,河北衡水人,碩士生,主要從事農(nóng)業(yè)面源污染方面的研究。E-mail: mazihou@126.com

        Utilization of Nitrogen in Wastewater Low in Pollution Degree in Paddy Fields and Its Effect on Reducing Fertilizer Application in Tai Lake Region.

        MA Zi-hou1,2, XUE Li-hong2, PAN Fu-yan3,4, XU Shan-shan1,2, GAO Qian1,2, YANG Lin-zhang2

        (1.College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;2.Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;3.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

        Abstract:A pot experiment was designed to study the potential capacity of paddy fields in reducing fertilizer application rates with the irrigation of 3 kinds of low-polluted wastewater: eutrophied river water (RW), tail water from a domestic sewage treatment plant (DS) and biogas slurry (BS), as well as the effects on the growth and yield of Oryza sativa, N uptake, N loss in field runoff, ammonia volatilization, soil nutrients. Results show that 1) in Treatments BS, DS and RW, the plants all grew normally and yield of the crop was not affected with a higher N uptake efficiency. 2)Compared to Treatment SF (irrigated with tap water), Treatments BS, DS and RW were 21.6%-48.2% lower in concentration of total N in the overlaying surface water during the peiord before tillering. N concentration was more or less the same during the tillering period, and much higher during the panicle fertilization period and the milking period. 3) Treatments BS, DS and RW reduced the daily mean N volatilization during the basal and panicle fertilization periods, but increased the rate during the tillering and milking periods. However, the total ammonia volatilization of the whole growing season did not vary much between treatments and ranged from 41.58 to 45.45 kg·hm-2. 4) Soil available N, P, K and organic carbon after harvesting was a bit higher in Treatments BS, DS and RW than in Treatment SF, especially in Treatment DS. 5)Throughout the whole rice growing season, the paddy field could accommodate 4 858-5 441 m3·hm-2for low polluted water. Treatment DS, RW, and BS removed 107.1, 31.4 and 132.9 kg·hm-2, respectively, and could reduce the use of chemical N fertilizer by 44.41%, 12.83% and 55.11%, respectively. In terms of integrated yield and environmental benefits, Treatment DS significantly increased N fertilizer utilization rate and minimize the risk of N loss with runoff during the early rice growing season, and improved effectiveness of soil fertility of the paddy fields in the Tai Lake Region.

        Key words:Oryza sativa; yield; nitrogen use efficiency; nitrogen concentration in field water; ammonia volatilization; low-polluted water irrigation

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