周 瓊，石 偉，邱小琮，楊 涓

（1.寧夏大學(xué)，a.土木與水利工程學(xué)院；b.生命科學(xué)學(xué)院，銀川 750021；2.銀川市水產(chǎn)技術(shù)推廣服務(wù)中心，銀川 750001）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)往往通過(guò)施用化肥供給作物生長(zhǎng)，投喂飼料、餌料進(jìn)行動(dòng)物養(yǎng)殖，但若過(guò)量使用氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)對(duì)作物、動(dòng)物產(chǎn)生危害［1-3］，對(duì)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(fù)合系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)、漁業(yè)兩者結(jié)合，資源得到高效利用，生態(tài)彈性更好，可持續(xù)性更強(qiáng)［6，7］，經(jīng)濟(jì)效益更好［8，9］，系統(tǒng)可以對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)化和利用。

2016年孟祥海等［10］對(duì)農(nóng)牧漁復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行研究，表明農(nóng)牧漁復(fù)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益比單一系統(tǒng)更好；2017年陶玲［11］通過(guò)研究稻田-池塘復(fù)合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，表明可以通過(guò)調(diào)節(jié)水質(zhì)和優(yōu)化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行池塘微生態(tài)環(huán)境調(diào)控；2017年陸詩(shī)敏等［12］探討了稻蟹種養(yǎng)比例，認(rèn)為不施肥或少施肥時(shí)，螃蟹輸出的氮、磷能達(dá)到水稻生長(zhǎng)要求；2020年管衛(wèi)兵等［13］進(jìn)行了稻漁共生-池塘復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究，表明該復(fù)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(fù)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和技術(shù)研究，對(duì)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素運(yùn)移機(jī)理研究較少。本次試驗(yàn)中，基于2021年4月至9月寧夏鹽堿地稻蟹共作-精養(yǎng)魚(yú)塘耦合系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱稻漁復(fù)合系統(tǒng)）水土及稻蟹的營(yíng)養(yǎng)元素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用截留率分析和物質(zhì)流分析，對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素累積和運(yùn)移特征進(jìn)行研究，旨在探明稻漁復(fù)合系統(tǒng)生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的利用情況和整個(gè)運(yùn)作過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)元素運(yùn)移情況，從而為稻漁復(fù)合系統(tǒng)的適用性和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)設(shè)置

稻漁復(fù)合系統(tǒng)由精養(yǎng)魚(yú)塘、稻蟹共作、循環(huán)主溝3部分組成。魚(yú)塘尾水通過(guò)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(yú)塘循環(huán)利用。采水樣點(diǎn)根據(jù)水流方向及主溝節(jié)點(diǎn)、稻田環(huán)溝進(jìn)出水口設(shè)置了35個(gè)，在稻田進(jìn)出水口加設(shè)泥采樣點(diǎn)，泥采樣點(diǎn)有63個(gè)（圖1）。

圖1 工程布置

1.2 樣品測(cè)定

水體指標(biāo)共檢測(cè)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(guò)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(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定。

土壤指標(biāo)共檢測(cè)7種，總氮（TN）采用自動(dòng)定氮儀法（NY/T 1121.24—2012）；總磷（TP）采用土壤全磷測(cè)定法（NY/T 88—1988）；全鉀（K）采用土壤全鉀的測(cè)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(cè) 第7部分：土壤有效磷的測(cè)定》（NY/T 1121.7-2014）；有機(jī)質(zhì)采用《土壤檢測(cè) 第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)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(yíng)養(yǎng)元素的累積效果，若水體截留率大，表明系統(tǒng)累積營(yíng)養(yǎng)元素能力強(qiáng)，截留率為負(fù)時(shí)，表明系統(tǒng)釋放了營(yíng)養(yǎng)元素。水體截留率計(jì)算公式如下［14］：

式中，ηi為水體營(yíng)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(yíng)養(yǎng)元素截留率表示土壤對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸納能力。若土壤截留率大，表明土壤對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素有所累積，截留率為負(fù)數(shù)時(shí)，表明土壤釋放了營(yíng)養(yǎng)元素。因?yàn)楫?dāng)土壤積累營(yíng)養(yǎng)元素，初始含量一般小于終末含量，故土壤截留率計(jì)算公式如下：

式中，ηj為土壤營(yíng)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(jié)果與分析

2.1 水體營(yíng)養(yǎng)元素截留計(jì)算

因?yàn)樗w置換較快，水體營(yíng)養(yǎng)元素截留率按月計(jì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。稻漁復(fù)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(shuō)明稻漁復(fù)合系統(tǒng)水體營(yíng)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?yàn)?月中溫度高溶氧低，而水體才泵氧，氨氮還未得到有效轉(zhuǎn)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?yàn)槿苎鯗p少，生物活動(dòng)性降低，對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的利用減少；9月各營(yíng)養(yǎng)元素截留率降低，因?yàn)樗镆殉墒?，?duì)營(yíng)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?yàn)楫?dāng)月魚(yú)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(jié)實(shí)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(shí)，稻漁復(fù)合系統(tǒng)對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮截留率一直較高，其他營(yíng)養(yǎng)元素也得到了有效截留。

表1 水體營(yíng)養(yǎng)元素截留率

2.2 土壤營(yíng)養(yǎng)元素截留計(jì)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(yíng)養(yǎng)元素置換較慢，系統(tǒng)分3部分進(jìn)行截留計(jì)算。4月土壤營(yíng)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(jì)算結(jié)果如表2。主溝的硝態(tài)氮、總磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)截留效果較好；環(huán)溝僅對(duì)全鉀有所截留；稻田土壤營(yíng)養(yǎng)元素截留率優(yōu)于環(huán)溝和主溝，對(duì)總氮、全鉀、銨態(tài)氮、有效磷和有機(jī)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(fù)合系統(tǒng)土壤釋放了營(yíng)養(yǎng)元素，僅全鉀有所累積，所以土壤截留營(yíng)養(yǎng)元素表現(xiàn)為稻田＞主溝＞環(huán)溝。結(jié)果表明，水稻對(duì)土壤硝態(tài)氮利用能力更強(qiáng)，稻田土壤對(duì)銨態(tài)氮等累積能力更強(qiáng)；環(huán)溝中螃蟹等對(duì)土壤總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)等利用能力良好；主溝中的睡蓮等生物對(duì)土壤總氮、銨態(tài)氮利用能力強(qiáng)，土壤截留硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)效果好；稻漁復(fù)合系統(tǒng)土壤對(duì)全鉀有所積累，生物對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素都進(jìn)行了有效地利用。

表2 土壤營(yíng)養(yǎng)元素截留率

2.3 稻漁復(fù)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(xué)依據(jù)［15］。通過(guò)稻漁復(fù)合系統(tǒng)中輸入與輸出的總氮、總磷、全鉀含量來(lái)計(jì)算物質(zhì)流，從而了解稻漁復(fù)合系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素運(yùn)移情況?；省暳虾退w是稻漁復(fù)合系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素的主要輸入來(lái)源，稻蟹、土壤和終末水體是系統(tǒng)營(yíng)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(yíng)養(yǎng)元素降低，水稻對(duì)于營(yíng)養(yǎng)元素利用效果突出，稻漁復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)果表明，稻漁復(fù)合系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的利用能力強(qiáng)，利用總氮效果最好，土壤和其他生物對(duì)于總磷和全鉀的利用能力較強(qiáng)。所以稻漁復(fù)合系統(tǒng)中輸入的營(yíng)養(yǎng)元素能夠滿足作物和水產(chǎn)生物的生長(zhǎng)需求，且在土壤及系統(tǒng)中的蘆葦、水草、藻類、水鳥(niǎo)等生物中有所積累。

表3 稻漁復(fù)合系統(tǒng)的物質(zhì)流分析（單位：kg/hm2）

表4 稻漁復(fù)合系統(tǒng)的物質(zhì)產(chǎn)投分析

2.4 稻漁復(fù)合系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素累積特征與運(yùn)移

通過(guò)截留率可知，水體中營(yíng)養(yǎng)元素能得到有效截留，稻漁復(fù)合系統(tǒng)可以加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)鹽利用能力和實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)，由于稻漁復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)間長(zhǎng)等因素，土壤營(yíng)養(yǎng)元素累積效果差，甚至釋放了部分營(yíng)養(yǎng)元素。通過(guò)物質(zhì)流分析可知，稻漁復(fù)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(fù)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(fù)合系統(tǒng)流失或被其他生物利用的營(yíng)養(yǎng)元素呈現(xiàn)總磷＞全鉀＞總氮，稻蟹對(duì)營(yíng)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(fù)合系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素的運(yùn)移，在空間上，系統(tǒng)輸出水體的營(yíng)養(yǎng)元素含量低于輸入水體，土壤營(yíng)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(dòng)有關(guān)。在時(shí)間上，水體營(yíng)養(yǎng)元素含量減少，土壤主要釋放了營(yíng)養(yǎng)元素，所以營(yíng)養(yǎng)元素主要運(yùn)移到稻蟹及其他生物體內(nèi)。稻漁復(fù)合系統(tǒng)可以對(duì)池塘尾水進(jìn)行有效凈化，而且系統(tǒng)輸入的營(yíng)養(yǎng)元素在滿足稻蟹生長(zhǎng)需求的同時(shí)，還可以為系統(tǒng)其他生物的生長(zhǎng)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(shí)間的增加而上漲；國(guó)外學(xué)者Bihari等［18］研究表明，稻漁共作下系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)流動(dòng)和能量循環(huán)更順暢；秦琳［19］研究表明，池塘種稻可以對(duì)沉積物中氮磷進(jìn)行利用；2017年陸詩(shī)敏等［12］通過(guò)研究稻蟹種養(yǎng)比例，認(rèn)為不施肥或少施肥時(shí)還需施用鉀肥［12］；2019年楊玲霞等［20］通過(guò)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(fù)合系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)元素主要來(lái)源于水體、飼料和基肥，土壤也會(huì)釋放部分營(yíng)養(yǎng)元素，所以凈化魚(yú)池尾水主要依靠稻蟹等生物，系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)元素得到有效利用，無(wú)須再補(bǔ)充化肥，水體得到有效凈化。故稻漁復(fù)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)池塘尾水循環(huán)利用的同時(shí)，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(yíng)養(yǎng)，擁有更好的經(jīng)濟(jì)收益。

3 小結(jié)

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

2）系統(tǒng)運(yùn)作后，水體營(yíng)養(yǎng)元素含量降低，土壤釋放了一些營(yíng)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(yùn)移到稻蟹體內(nèi)，全鉀主要運(yùn)移到土壤和其他生物體內(nèi)，而總磷主要運(yùn)移到稻蟹和其他生物體內(nèi)。稻漁復(fù)合系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)，輸入的營(yíng)養(yǎng)元素能得到高效利用并滿足稻蟹及其他生物生長(zhǎng)需求。