池塘养殖废水灌溉与减量施肥对水稻产量及土壤氮磷迁移的影响

晏 军，朱建强，马 艳，蒋舜尧，吴启侠

(1.长江大学农学院，湖北 荆州 434025；2. 湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025)

水稻种植和水产养殖都是农业中的重要产业，对维护我国粮食安全和促进农民增收具有举足轻重的作用。我国南方平原湖区水土资源优越，适宜水稻种植和水产养殖，但是近年来也面临诸多矛盾。一方面，我国水资源紧缺，水资源时空分布极不均匀，而占全国总用水量45%～50%的水稻种植系统，水浪费现象却相当严重[1]。而稻田过量施用化肥可导致氮磷等化学元素的大量流失和稻田周边水体的污染[2,3]。另一方面，我国池塘养殖已越来越多地采用高密度、高投饵的精养技术模式，70%～80%投喂饲料以溶解和颗粒物的形式排入水体中，而被鱼类食用饲料中的营养物质最终约有51%的氮和64%的磷会成为废弃物[4]。在池塘换水期间被集中排入外部环境后，会进一步加剧了周围江河和湖泊等水域的富营养化程度，也造成一定的水资源浪费。因此，合理利用池塘养殖废水来灌溉稻田，进行农业利用是一条有效的途径。

许多学者就养殖废水灌溉作物做了大量的研究，陈柏湘[5]、吴启侠等[6]分析了不同水管理模式下稻田对养殖废水的净化效果，杜会英等[7-9]研究了牛场肥水灌溉对冬小麦-夏玉米产量，养分吸收利用及土壤氮素平衡，黄红英等[10]研究表明猪粪沼液施用可替代化肥50%～75%，可获得与化肥处理相当的产量，且在一定程度上提高水稻氮素利用率，章明奎等[11]调查研究表明长期畜禽养殖污水灌溉可促进氮、磷在土壤剖面中的垂直迁移，增加对地下水的污染风险。这些研究多集中畜禽养殖肥水灌溉对作物产量、土壤理化性质、修复及其处理工艺上，且研究多集中在北方旱地作物上，针对我国南方平原湖区，池塘养殖废水灌溉对水稻产量、养分吸收及土壤养分残留等方面研究较少。本试验探究了减量施肥条件下，池塘养殖废水灌溉对水稻氮磷吸收量、不同生育期稻田养分供应及收获后稻田土壤剖面氮磷残留量进行了研究分析。旨在实现池塘养殖废水水分及其养分的再利用，节水节肥，达到水资源综合利用，降低水田的灌溉施肥成本，为我国南方滨湖地区池塘养殖和水稻生产的有机结合提供数据理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2015年在湖北省荆州市荆州区太湖农场梅槐分场进行，该地区属于亚热带季风气候区，年平均气温为16～16.4 ℃，年平均降水量为904～1 127 mm，是典型的渔农混作平原湖区，周围密集分布着稻田与鱼塘。用于本试验的水稻田0.667 hm2，南北方向长133 m，东西方向长50 m，属于典型的水稻田。试验前耕层(0～20 cm)土壤化学性状为：全氮量为1.91 g/kg、碱解氮量为69.4 mg/kg、全磷量为0.34 g/kg、速效磷量为24.1 mg/kg、全钾量为3.34 g/kg、速效钾量为118.7 mg/kg。养殖池塘位于水稻田的西北方向，池塘总面积2 000 m2，养殖鱼类以四大家鱼为主，养鱼总量为1 000 kg左右，每天早上8点左右进行投饵喂食，饵料以鸡粪、猪粪、发酵后的小麦、杂草和农作物秸秆为主，每次投喂量约20 kg。通过输水管和抽水泵将鱼塘和稻田联系在一起，灌溉时将鱼塘水通过水泵抽到稻田各个小区内。供试水稻品种为荆楚优148(晚稻)，6月1日播种，6月30日人工移栽，种植的株行距为25 cm×30 cm。每蔸1株，移栽前稻田内撒施基肥，7月15日追施分蘖肥，8月24日齐穗，10月22日收割。

1.2 试验设计

在0.667 hm2的水稻田内沿东西向划分为12个320 m2(40 m×8 m)的小区，设4个处理：常规施肥量和清水灌溉(对照，CK)、常规施肥量+池塘养殖废水灌溉(T1)、80%常规施肥+池塘养殖废水灌溉(T2)及60%常规施肥+池塘养殖废水灌溉(T3)，每个处理3个重复。各小区间用高50 cm PVC隔水板隔开，防止试验过程中小区间的串水。稻田灌溉与池塘换水时期相结合，每次换水量约为500 m3，废水和清水的灌水定额均为950 m3/hm2，利用水表计量，灌溉误差在5%以内，本试验过程中共有6次灌水，分别在分蘖期和灌浆期各2次、拔节孕穗期和抽穗扬花期各1次，整个生育期灌溉量约为5 700 m3/hm2。各处理具体的养分投入量如表1所示。

1.3 测定项目与方法

试验开始前采集基础土样。于水稻分蘖期、拔节孕穗期、抽穗扬花期、灌浆期和成熟期利用土钻采集土壤耕层样品，采样时间于灌溉后一周内，采样深度为20 cm，收获后采集土壤样品深度为60 cm，每层20 cm，各小区样品按“五点取样法”采集。水稻成熟后每个小区收获10株，分籽粒和秸秆2部分称其干质量，风干、脱粒、称量干质量。籽粒和秸秆风干后粉碎分别测定全氮和全磷量。各小区按处理测定其实际产量，并进行考种和分析比较。

表1 各处理的养分投入量 kg/hm2

土样和水稻植株样测定指标及方法为：全氮量采用浓H2SO4-H2O2消煮凯氏定氮法，全磷量采用浓H2SO4-H2O2消煮钒钼黄比色法[12]。

1.4 数据分析

应用DPS15.10高级版进行方差，采用LSD法进行处理间多重比较，利用Microsoft Excel 2010作图。

作物吸氮或磷量=(籽粒烘干质量×籽粒含氮或磷量)+(秸秆干质量×秸秆含氮或磷量)

2 结果与分析

2.1 池塘养殖废水灌溉与减量施肥对水稻产量的影响

收割后各处理水稻产量及其构成见表2，由于各处理施肥水平不同，灌溉池塘养殖废水后水稻产量也不尽相同。水稻产量以T1处理最高，为8 211 kg/hm2，相对CK处理可增产2.3%；以T3处理最低，为7 261 kg/hm2，相对CK处理减产9.6%，而T2处理其产量可获得CK处理的99.4%。对各处理水稻产量进行差异性比较，结果表明，各个处理间以及各处理与对照处理之间，有效穗和千粒质量均为差异不显著；每穗粒数、结实率和实际产量，T3与CK处理之间差异显著，T2与CK处理之间相比实际产量有所下降，但差异不显著。说明池塘养殖污水灌溉只能在一定程度上可替代部分化学肥料，起到一定的增肥作用。

表2 池塘养殖废水灌溉对水稻产量及构成因素的影响

2.2 池塘养殖废水灌溉与减量施肥对水稻养分吸收的影响

对收获后水稻吸收氮磷量进行显著性分析，结果见图1，氮

磷的吸收量以T1处理最高，相对于CK处理分别增加了4.4和2.0 kg/hm2，以T3处理最低，相对于CK处理降低了15.8和4.0 kg/hm2，T2处理相对于CK虽略有降低，但差异性并不显著。表明在减量施肥的条件下，池塘养殖废水中的营养物质可以补充水稻生长所需的养分，80%常规施肥量条件下，用池塘养殖废水进行养分投入，对水稻吸收氮磷量的影响不显著。

图1 不同处理水稻的氮磷吸收量注:图中不同字母表示在5%的水平上显著差异(P<0.05)，下同。

2.3 池塘养殖废水灌溉与减量施肥对耕层土壤养分的影响

土壤全氮全磷是衡量土壤氮磷素供应状况的重要指标。在水稻生长的几个关键生育期稻田耕层土壤氮磷养分状况如图3所示，可以看出，各处理耕层土壤氮磷含量随生育期变化的趋势基本一致，在分蘖期由于施肥和灌溉因素，其氮磷养分含量都有所提升，可见在水稻的营养生长期，其稻田养分供应是相对充足的。在拔节孕穗期后，T2和T3处理全氮含量降低趋势明显，全磷含量除T3处理外其各处理降低趋势相对较一致。总体上看，各生育期稻田耕层土壤氮磷量大小表现为T1>CK>T2>T3，说明灌溉池塘养殖废水能够提高稻田土壤氮磷量，但是在灌溉池塘养殖废水带入养分量相同的情况下，施肥量还是影响稻田土壤氮磷量的主要因素。从分蘖期至灌浆期总共计灌溉6次，在这个灌溉周期中，与CK相比，T1、T2和T3处理全氮含量分别平均增加3.8%、-2.3%和-10.1%，全磷含量分别平均增加3.3%、-4.2%和-10.7%，可见池塘养殖废水灌溉条件下，水稻生长期内减量施肥20%稻田土壤全氮全磷含量没有减量施肥40%降低趋势大。

图2 水稻不同生育期各处理耕层土壤氮磷量

2.4 池塘养殖废水灌溉与减量施肥对土壤剖面氮磷残留的影响

水稻收获后，不同土层全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量如图3所示。可以看出，土壤全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量在0～60 cm土层深度随着土壤深度的增加而呈现降低的趋势，而在同一土层深度下，T1处理都高于CK处理，但会随着施肥量的减少而减少，表明池塘养殖废水灌溉配合常规施肥处理会增加土体中氮磷残留量，说明氮磷素供应量超过作物需求后，将会导致更多的氮磷素残留在土壤中，从而增加土壤中氮磷的累积量。各处理间差异性分析表明，土壤全氮(图a)和碱解氮(图b)含量分别在0～20 cm和40～60 cm土层各处理间无显著差异，分别在20～60 cm和0～40 cm土层，T2和T3处理都显著低于CK；土壤全磷(图c)和速效磷(图d)含量分别在0～20 cm和20～60 cm土层，T2和T3处理都显著低于CK。同时，由表3可知，水稻收获后的实际产量、土壤全氮、碱解氮、全磷和速效磷都与氮磷的总输入量呈显著正相关。速效养分是能直接指示土壤供给植物吸收利用的，而全量养分可以用来衡量作物收获后土壤中的残留量。上述结果表明，减量施肥20%～40%条件下，池塘养殖废水灌溉不会影响水稻对养分的吸收，同时也不会导致土壤剖面中氮磷的累积，从而可以降低氮磷对浅层地下水的环境风险。

图3 不同处理土壤氮磷量的垂直分布

实际产量土壤全氮土壤全磷土壤速效磷土壤碱解氮总氮输入量土壤全氮0.93*土壤全磷0.750.88*土壤速效磷0.870.810.89*土壤碱解氮0.89*0.98**0.96**0.88*总氮输入量0.96*0.94*0.89*0.96**0.96*总磷输入量0.95*0.99**0.90*0.89*0.99**0.97**

注：*p<0.05 ，**p<0.01。

3 讨 论

氮磷是作物增产的主要限制因子，适量施入可显著提高作物产量，过量的养分投入，降低养分利用率同时增加环境风险[8,13]。张兴良等[14]研究表明猪场污水还田与化肥配施水稻、小麦产量与常规对照无显著差异，杜会英等[8]研究表明麦季肥水灌溉能显著提高冬小麦和夏玉米产量，但郭海刚等[15]研究表明灌溉牛场废水次数过多会对冬小麦造成一定的负面影响，导致产量略有降低，本研究表明水稻产量以池塘养殖废水灌溉常规施肥量下处理最高可达8 211 kg/hm2，相对常规处理可增产2.3%，当80%常规施肥时，其产量没有降低，这与周元等[16]研究结果相一致。本研究中各生育期稻田耕层土壤氮磷量大小表现为T1>CK>T2>T3，说明灌溉池塘养殖废水能够提高稻田土壤氮磷量，而抽穗期至灌浆期的水分养分管理对水稻产量形成的影响较大，池塘养殖废水灌溉下减量施肥20%，抽穗扬花期至灌浆期、灌浆期至成熟期稻田土壤养分没有显著下降，可见池塘养殖废水中的营养物质能满足后期水稻生长的养分需求。同时有研究[17]表明，农田土壤中养分的积累与不合理施肥有关，其中因长期高量施用化肥或畜禽粪便引起土壤磷、氮积累已成为许多农区地表径流中养分流失的主要原因。本研究表明，在水稻生长季节，池塘养殖废水灌溉条件下施肥水平在常规施肥量的80%左右，能够有效减少稻田土壤氮磷的积累，降低对农田周围水体污染的风险。

稻田土壤氮磷流失主要通过地表径流、侵蚀、淋溶(渗漏或亚表层径流)和稻田排水进入地表和地下水[18]，这都与土壤中养分积累程度有关。相关研究指出[19,20]，我国粮食作物的氮肥利用率只有20%～40%，当季施用的磷至少有75% 以上以不同形态残留在土壤中，因此，现代农业对土壤肥力管理已不同于传统农业，希望达到的土壤肥力既要能满足农作物正常生长的需要，又不能使养分过度积累影响环境。有研究表明长期[11]或过多[21]畜禽养殖污水直接灌溉可显著地提高稻田表层土壤中氮和磷的积累，积累量随灌溉年限的增长而增加，会大大增加了对地下水污染的风险。本研究表明，土壤全氮和土壤全磷分别在20～60 cm和0～20 cm土层，T2和T3处理都显著低于CK，说明减量施肥20%～40%条件下，池塘养殖废水灌溉不会导致土壤剖面中氮磷的累积，从而降低了氮磷的淋溶作用，这可能与作物品种、土壤类型、土壤微生物、水体中营养物质的负荷和环境因素(如光照和温度等)等因素有关，且该研究主要侧重于水稻生长和土壤质量的监测评估，监测时间仅为1 a。因此，研究长期池塘养殖废水还田的经济环境效益，还需要长期试验进一步深入研究确认。

4 结 语

常规施肥量下池塘养殖废水灌溉水稻增产潜能低，减量施肥20%后，在养分供应减弱的情况下，保证水稻整个生长期池塘养殖废水灌溉，稻田土壤氮磷养分含量没有显著降低，且产量可达常规水平的99.4%。同时，收获后0～60 cm土层深度中氮磷量也是随着施肥量的降低而降低。综合考虑作物的产量效应和土壤氮磷素累积的环境风险，水稻全生育期池塘养殖废水灌溉条件下，可节约化肥20%和清水灌溉量5 700 m3/hm2。

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