晏 軍，朱建強(qiáng)，馬 艷，蔣舜堯，吳啟俠

(1.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2. 濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025)

水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖都是農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)，對維護(hù)我國糧食安全和促進(jìn)農(nóng)民增收具有舉足輕重的作用。我國南方平原湖區(qū)水土資源優(yōu)越，適宜水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖，但是近年來也面臨諸多矛盾。一方面，我國水資源緊缺，水資源時空分布極不均勻，而占全國總用水量45%～50%的水稻種植系統(tǒng)，水浪費(fèi)現(xiàn)象卻相當(dāng)嚴(yán)重[1]。而稻田過量施用化肥可導(dǎo)致氮磷等化學(xué)元素的大量流失和稻田周邊水體的污染[2,3]。另一方面，我國池塘養(yǎng)殖已越來越多地采用高密度、高投餌的精養(yǎng)技術(shù)模式，70%～80%投喂飼料以溶解和顆粒物的形式排入水體中，而被魚類食用飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)最終約有51%的氮和64%的磷會成為廢棄物[4]。在池塘換水期間被集中排入外部環(huán)境后，會進(jìn)一步加劇了周圍江河和湖泊等水域的富營養(yǎng)化程度，也造成一定的水資源浪費(fèi)。因此，合理利用池塘養(yǎng)殖廢水來灌溉稻田，進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用是一條有效的途徑。

許多學(xué)者就養(yǎng)殖廢水灌溉作物做了大量的研究，陳柏湘[5]、吳啟俠等[6]分析了不同水管理模式下稻田對養(yǎng)殖廢水的凈化效果，杜會英等[7-9]研究了牛場肥水灌溉對冬小麥-夏玉米產(chǎn)量，養(yǎng)分吸收利用及土壤氮素平衡，黃紅英等[10]研究表明豬糞沼液施用可替代化肥50%～75%，可獲得與化肥處理相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量，且在一定程度上提高水稻氮素利用率，章明奎等[11]調(diào)查研究表明長期畜禽養(yǎng)殖污水灌溉可促進(jìn)氮、磷在土壤剖面中的垂直遷移，增加對地下水的污染風(fēng)險。這些研究多集中畜禽養(yǎng)殖肥水灌溉對作物產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)、修復(fù)及其處理工藝上，且研究多集中在北方旱地作物上，針對我國南方平原湖區(qū)，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收及土壤養(yǎng)分殘留等方面研究較少。本試驗探究了減量施肥條件下，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉對水稻氮磷吸收量、不同生育期稻田養(yǎng)分供應(yīng)及收獲后稻田土壤剖面氮磷殘留量進(jìn)行了研究分析。旨在實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖廢水水分及其養(yǎng)分的再利用，節(jié)水節(jié)肥，達(dá)到水資源綜合利用，降低水田的灌溉施肥成本，為我國南方濱湖地區(qū)池塘養(yǎng)殖和水稻生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合提供數(shù)據(jù)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2015年在湖北省荊州市荊州區(qū)太湖農(nóng)場梅槐分場進(jìn)行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為16～16.4 ℃，年平均降水量為904～1 127 mm，是典型的漁農(nóng)混作平原湖區(qū)，周圍密集分布著稻田與魚塘。用于本試驗的水稻田0.667 hm2，南北方向長133 m，東西方向長50 m，屬于典型的水稻田。試驗前耕層(0～20 cm)土壤化學(xué)性狀為：全氮量為1.91 g/kg、堿解氮量為69.4 mg/kg、全磷量為0.34 g/kg、速效磷量為24.1 mg/kg、全鉀量為3.34 g/kg、速效鉀量為118.7 mg/kg。養(yǎng)殖池塘位于水稻田的西北方向，池塘總面積2 000 m2，養(yǎng)殖魚類以四大家魚為主，養(yǎng)魚總量為1 000 kg左右，每天早上8點(diǎn)左右進(jìn)行投餌喂食，餌料以雞糞、豬糞、發(fā)酵后的小麥、雜草和農(nóng)作物秸稈為主，每次投喂量約20 kg。通過輸水管和抽水泵將魚塘和稻田聯(lián)系在一起，灌溉時將魚塘水通過水泵抽到稻田各個小區(qū)內(nèi)。供試水稻品種為荊楚優(yōu)148(晚稻)，6月1日播種，6月30日人工移栽，種植的株行距為25 cm×30 cm。每蔸1株，移栽前稻田內(nèi)撒施基肥，7月15日追施分蘗肥，8月24日齊穗，10月22日收割。

1.2 試驗設(shè)計

在0.667 hm2的水稻田內(nèi)沿東西向劃分為12個320 m2(40 m×8 m)的小區(qū)，設(shè)4個處理：常規(guī)施肥量和清水灌溉(對照，CK)、常規(guī)施肥量+池塘養(yǎng)殖廢水灌溉(T1)、80%常規(guī)施肥+池塘養(yǎng)殖廢水灌溉(T2)及60%常規(guī)施肥+池塘養(yǎng)殖廢水灌溉(T3)，每個處理3個重復(fù)。各小區(qū)間用高50 cm PVC隔水板隔開，防止試驗過程中小區(qū)間的串水。稻田灌溉與池塘換水時期相結(jié)合，每次換水量約為500 m3，廢水和清水的灌水定額均為950 m3/hm2，利用水表計量，灌溉誤差在5%以內(nèi)，本試驗過程中共有6次灌水，分別在分蘗期和灌漿期各2次、拔節(jié)孕穗期和抽穗揚(yáng)花期各1次，整個生育期灌溉量約為5 700 m3/hm2。各處理具體的養(yǎng)分投入量如表1所示。

1.3 測定項目與方法

試驗開始前采集基礎(chǔ)土樣。于水稻分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期利用土鉆采集土壤耕層樣品，采樣時間于灌溉后一周內(nèi)，采樣深度為20 cm，收獲后采集土壤樣品深度為60 cm，每層20 cm，各小區(qū)樣品按“五點(diǎn)取樣法”采集。水稻成熟后每個小區(qū)收獲10株，分籽粒和秸稈2部分稱其干質(zhì)量，風(fēng)干、脫粒、稱量干質(zhì)量。籽粒和秸稈風(fēng)干后粉碎分別測定全氮和全磷量。各小區(qū)按處理測定其實際產(chǎn)量，并進(jìn)行考種和分析比較。

表1 各處理的養(yǎng)分投入量 kg/hm2

土樣和水稻植株樣測定指標(biāo)及方法為：全氮量采用濃H2SO4-H2O2消煮凱氏定氮法，全磷量采用濃H2SO4-H2O2消煮釩鉬黃比色法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用DPS15.10高級版進(jìn)行方差，采用LSD法進(jìn)行處理間多重比較，利用Microsoft Excel 2010作圖。

作物吸氮或磷量=(籽粒烘干質(zhì)量×籽粒含氮或磷量)+(秸稈干質(zhì)量×秸稈含氮或磷量)

2 結(jié)果與分析

2.1 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對水稻產(chǎn)量的影響

收割后各處理水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成見表2，由于各處理施肥水平不同，灌溉池塘養(yǎng)殖廢水后水稻產(chǎn)量也不盡相同。水稻產(chǎn)量以T1處理最高，為8 211 kg/hm2，相對CK處理可增產(chǎn)2.3%；以T3處理最低，為7 261 kg/hm2，相對CK處理減產(chǎn)9.6%，而T2處理其產(chǎn)量可獲得CK處理的99.4%。對各處理水稻產(chǎn)量進(jìn)行差異性比較，結(jié)果表明，各個處理間以及各處理與對照處理之間，有效穗和千粒質(zhì)量均為差異不顯著；每穗粒數(shù)、結(jié)實率和實際產(chǎn)量，T3與CK處理之間差異顯著，T2與CK處理之間相比實際產(chǎn)量有所下降，但差異不顯著。說明池塘養(yǎng)殖污水灌溉只能在一定程度上可替代部分化學(xué)肥料，起到一定的增肥作用。

表2 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

2.2 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對水稻養(yǎng)分吸收的影響

對收獲后水稻吸收氮磷量進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果見圖1，氮

磷的吸收量以T1處理最高，相對于CK處理分別增加了4.4和2.0 kg/hm2，以T3處理最低，相對于CK處理降低了15.8和4.0 kg/hm2，T2處理相對于CK雖略有降低，但差異性并不顯著。表明在減量施肥的條件下，池塘養(yǎng)殖廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)可以補(bǔ)充水稻生長所需的養(yǎng)分，80%常規(guī)施肥量條件下，用池塘養(yǎng)殖廢水進(jìn)行養(yǎng)分投入，對水稻吸收氮磷量的影響不顯著。

圖1 不同處理水稻的氮磷吸收量注:圖中不同字母表示在5%的水平上顯著差異(P<0.05)，下同。

2.3 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對耕層土壤養(yǎng)分的影響

土壤全氮全磷是衡量土壤氮磷素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。在水稻生長的幾個關(guān)鍵生育期稻田耕層土壤氮磷養(yǎng)分狀況如圖3所示，可以看出，各處理耕層土壤氮磷含量隨生育期變化的趨勢基本一致，在分蘗期由于施肥和灌溉因素，其氮磷養(yǎng)分含量都有所提升，可見在水稻的營養(yǎng)生長期，其稻田養(yǎng)分供應(yīng)是相對充足的。在拔節(jié)孕穗期后，T2和T3處理全氮含量降低趨勢明顯，全磷含量除T3處理外其各處理降低趨勢相對較一致。總體上看，各生育期稻田耕層土壤氮磷量大小表現(xiàn)為T1>CK>T2>T3，說明灌溉池塘養(yǎng)殖廢水能夠提高稻田土壤氮磷量，但是在灌溉池塘養(yǎng)殖廢水帶入養(yǎng)分量相同的情況下，施肥量還是影響稻田土壤氮磷量的主要因素。從分蘗期至灌漿期總共計灌溉6次，在這個灌溉周期中，與CK相比，T1、T2和T3處理全氮含量分別平均增加3.8%、-2.3%和-10.1%，全磷含量分別平均增加3.3%、-4.2%和-10.7%，可見池塘養(yǎng)殖廢水灌溉條件下，水稻生長期內(nèi)減量施肥20%稻田土壤全氮全磷含量沒有減量施肥40%降低趨勢大。

圖2 水稻不同生育期各處理耕層土壤氮磷量

2.4 池塘養(yǎng)殖廢水灌溉與減量施肥對土壤剖面氮磷殘留的影響

水稻收獲后，不同土層全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量如圖3所示。可以看出，土壤全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量在0～60 cm土層深度隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢，而在同一土層深度下，T1處理都高于CK處理，但會隨著施肥量的減少而減少，表明池塘養(yǎng)殖廢水灌溉配合常規(guī)施肥處理會增加土體中氮磷殘留量，說明氮磷素供應(yīng)量超過作物需求后，將會導(dǎo)致更多的氮磷素殘留在土壤中，從而增加土壤中氮磷的累積量。各處理間差異性分析表明，土壤全氮(圖a)和堿解氮(圖b)含量分別在0～20 cm和40～60 cm土層各處理間無顯著差異，分別在20～60 cm和0～40 cm土層，T2和T3處理都顯著低于CK；土壤全磷(圖c)和速效磷(圖d)含量分別在0～20 cm和20～60 cm土層，T2和T3處理都顯著低于CK。同時，由表3可知，水稻收獲后的實際產(chǎn)量、土壤全氮、堿解氮、全磷和速效磷都與氮磷的總輸入量呈顯著正相關(guān)。速效養(yǎng)分是能直接指示土壤供給植物吸收利用的，而全量養(yǎng)分可以用來衡量作物收獲后土壤中的殘留量。上述結(jié)果表明，減量施肥20%～40%條件下，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉不會影響水稻對養(yǎng)分的吸收，同時也不會導(dǎo)致土壤剖面中氮磷的累積，從而可以降低氮磷對淺層地下水的環(huán)境風(fēng)險。

圖3 不同處理土壤氮磷量的垂直分布

實際產(chǎn)量土壤全氮土壤全磷土壤速效磷土壤堿解氮總氮輸入量土壤全氮0.93*土壤全磷0.750.88*土壤速效磷0.870.810.89*土壤堿解氮0.89*0.98**0.96**0.88*總氮輸入量0.96*0.94*0.89*0.96**0.96*總磷輸入量0.95*0.99**0.90*0.89*0.99**0.97**

注：*p<0.05 ，**p<0.01。

3 討 論

氮磷是作物增產(chǎn)的主要限制因子，適量施入可顯著提高作物產(chǎn)量，過量的養(yǎng)分投入，降低養(yǎng)分利用率同時增加環(huán)境風(fēng)險[8,13]。張興良等[14]研究表明豬場污水還田與化肥配施水稻、小麥產(chǎn)量與常規(guī)對照無顯著差異，杜會英等[8]研究表明麥季肥水灌溉能顯著提高冬小麥和夏玉米產(chǎn)量，但郭海剛等[15]研究表明灌溉牛場廢水次數(shù)過多會對冬小麥造成一定的負(fù)面影響，導(dǎo)致產(chǎn)量略有降低，本研究表明水稻產(chǎn)量以池塘養(yǎng)殖廢水灌溉常規(guī)施肥量下處理最高可達(dá)8 211 kg/hm2，相對常規(guī)處理可增產(chǎn)2.3%，當(dāng)80%常規(guī)施肥時，其產(chǎn)量沒有降低，這與周元等[16]研究結(jié)果相一致。本研究中各生育期稻田耕層土壤氮磷量大小表現(xiàn)為T1>CK>T2>T3，說明灌溉池塘養(yǎng)殖廢水能夠提高稻田土壤氮磷量，而抽穗期至灌漿期的水分養(yǎng)分管理對水稻產(chǎn)量形成的影響較大，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉下減量施肥20%，抽穗揚(yáng)花期至灌漿期、灌漿期至成熟期稻田土壤養(yǎng)分沒有顯著下降，可見池塘養(yǎng)殖廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)能滿足后期水稻生長的養(yǎng)分需求。同時有研究[17]表明，農(nóng)田土壤中養(yǎng)分的積累與不合理施肥有關(guān)，其中因長期高量施用化肥或畜禽糞便引起土壤磷、氮積累已成為許多農(nóng)區(qū)地表徑流中養(yǎng)分流失的主要原因。本研究表明，在水稻生長季節(jié)，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉條件下施肥水平在常規(guī)施肥量的80%左右，能夠有效減少稻田土壤氮磷的積累，降低對農(nóng)田周圍水體污染的風(fēng)險。

稻田土壤氮磷流失主要通過地表徑流、侵蝕、淋溶(滲漏或亞表層徑流)和稻田排水進(jìn)入地表和地下水[18]，這都與土壤中養(yǎng)分積累程度有關(guān)。相關(guān)研究指出[19,20]，我國糧食作物的氮肥利用率只有20%～40%，當(dāng)季施用的磷至少有75% 以上以不同形態(tài)殘留在土壤中，因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對土壤肥力管理已不同于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，希望達(dá)到的土壤肥力既要能滿足農(nóng)作物正常生長的需要，又不能使養(yǎng)分過度積累影響環(huán)境。有研究表明長期[11]或過多[21]畜禽養(yǎng)殖污水直接灌溉可顯著地提高稻田表層土壤中氮和磷的積累，積累量隨灌溉年限的增長而增加，會大大增加了對地下水污染的風(fēng)險。本研究表明，土壤全氮和土壤全磷分別在20～60 cm和0～20 cm土層，T2和T3處理都顯著低于CK，說明減量施肥20%～40%條件下，池塘養(yǎng)殖廢水灌溉不會導(dǎo)致土壤剖面中氮磷的累積，從而降低了氮磷的淋溶作用，這可能與作物品種、土壤類型、土壤微生物、水體中營養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷和環(huán)境因素(如光照和溫度等)等因素有關(guān)，且該研究主要側(cè)重于水稻生長和土壤質(zhì)量的監(jiān)測評估，監(jiān)測時間僅為1 a。因此，研究長期池塘養(yǎng)殖廢水還田的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，還需要長期試驗進(jìn)一步深入研究確認(rèn)。

4 結(jié) 語

常規(guī)施肥量下池塘養(yǎng)殖廢水灌溉水稻增產(chǎn)潛能低，減量施肥20%后，在養(yǎng)分供應(yīng)減弱的情況下，保證水稻整個生長期池塘養(yǎng)殖廢水灌溉，稻田土壤氮磷養(yǎng)分含量沒有顯著降低，且產(chǎn)量可達(dá)常規(guī)水平的99.4%。同時，收獲后0～60 cm土層深度中氮磷量也是隨著施肥量的降低而降低。綜合考慮作物的產(chǎn)量效應(yīng)和土壤氮磷素累積的環(huán)境風(fēng)險，水稻全生育期池塘養(yǎng)殖廢水灌溉條件下，可節(jié)約化肥20%和清水灌溉量5 700 m3/hm2。

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