沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失和Cu、Pb变化的影响*

宋 蝶, 何忠虎, 董永华, 戴 巍, 杨晓磊, 曹林奎, 沙之敏**

沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失和Cu、Pb变化的影响*

宋 蝶1, 何忠虎2, 董永华3, 戴 巍1, 杨晓磊4, 曹林奎1, 沙之敏1**

(1. 上海交通大学农业与生物学院 上海 200240; 2. 上海新农饲料股份有限公司 上海 201600; 3.上海市农产品质量安全中心 上海 201799; 4. 上海市农业技术推广服务中心 上海 201103)

养分流失和重金属积累是沼液还田资源化利用过程中的主要问题。为探讨利用浮萍吸收氮磷、富集重金属的能力调控沼液施用中环境污染问题的可行性, 在上海市金山区开展了水稻田间试验, 研究沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失和Cu、Pb的影响。试验设置4个处理: 常规化肥、常规化肥+浮萍、沼液全量替代化肥和沼液全量替代化肥+浮萍, 测定并比较了不同处理下稻田田面水氮素浓度变化、径流水氮素流失负荷, 土壤、水稻籽粒及秸秆中Cu和Pb含量差异。结果表明: 不同处理田面水总氮、铵态氮(NH4+-N)浓度变化趋势基本一致, 均在每次施肥后第1 d达到峰值, 此后逐日递减, 在施肥后第5 d降至峰值的30%以下; 硝态氮(NO3–-N)浓度峰值滞后3~7 d。稻田中添加浮萍能够显著降低田面水TN含量, 沼液全量替代化肥+浮萍处理的TN总径流流失负荷为3.67 kg∙hm-2, 比常规化肥处理显著降低37.2%。沼液全量替代化肥+浮萍处理土壤Cu和Pb含量为22.65 mg∙kg-1和49.05 mg∙kg-1, 与其他处理间无显著差异; 但土壤有效态Cu和Pb含量较常规化肥处理显著提高18.6%和17.5%。不同处理水稻秸秆Cu和Pb、籽粒Pb含量无显著差异, 但沼液全量替代化肥+浮萍处理水稻籽粒Cu含量较沼液全量替代化肥处理显著减少41.1%。综上, 沼液施用条件下添加浮萍可以降低稻田氮素流失, 在控制土壤、籽粒和秸秆中重金属Cu和Pb含量增加方面具有一定效果, 在短期内可以作为沼液还田模式下水体和土壤污染有效的调控手段。

稻田; 沼液; 浮萍; 氮素流失; 流失负荷; 重金属

浮萍()为浮萍科(Lemnaceae)水生维管束植物, 生于沼池、湖泊或静水中, 具有繁殖快、产量高、个体小、易从污染水体中快速富集重金属等优点[21]。浮萍科植物对污水中的氨、重金属等均具有较高的耐受性[22-25], 能在多种富含营养的污水中生长, 在污水中相对生长速率可达0.10~0.35 g(DW)∙g(DW)-1∙d-1[26]。近年来, 我国已在相关领域开展了大量的基础和应用研究, 如pH[22]和温度[27]等环境因子对浮萍生长影响等基础研究, 以及浮萍污水净化系统的除氮途径[28]、富集重金属的浮萍品种筛选[29]、浮萍对猪场废水中氮磷去除[30]、沼液浓度对浮萍生长的影响[31]等应用研究。沈根祥[32]早于2005年在利用浮萍净化氮磷污水方面研究取得相关进展。于斌[33]研究表明, 浮萍投放密度为60%~100%时对氮磷的去除率较高。

目前浮萍相关研究大多数为室内模拟试验, 缺乏大田试验验证, 而养分流失和重金属积累是沼液还田资源化利用过程中的主要问题, 浮萍具有吸收氮磷、富集重金属的优点, 在沼液还田中环境污染问题的调控具有较大的潜力。但针对沼液施用下添加浮萍对稻田氮素流失的减少效果和对土壤重金属Cu和Pb含量影响程度的研究目前尚不清楚。因此, 本研究拟通过大田试验, 研究在上海郊区沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失和土壤重金属Cu和Pb含量的影响, 以期为沼液的稻田安全利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在上海市金山区某规模化猪场附近稻田中(30°54′N, 121°9′E)开展, 该地区位于上海市西南远郊, 属北亚热带季风地区, 雨量充沛, 年平均降雨量1 156.7 mm。试验田长期种植水稻, 土壤质地为黏壤土, 试验前土壤基本理化性质为: 全氮1.82 g∙kg-1、全磷0.68 g∙kg-1、全钾2.35 g∙kg-1、有效磷17.69 mg∙kg-1、速效钾123.96 mg∙kg-1、有机质39.49 g∙kg-1、pH 7.60、全Cu 26.42 mg∙kg-1、全Pb 55.64 mg∙kg-1。

1.2 试验材料与设计

试验设置4个处理: 1)常规化肥处理(CF), 施用以尿素、过磷酸钙、硫酸钾为肥源的氮、磷、钾肥, 用量按上海地区推荐施肥设置, 分别为300 kg(N)∙hm-2、75 kg(P2O5)∙hm-2、120 kg(K2O)∙hm-2; 2)常规化肥+浮萍处理(CF+D); 3)沼液全量替代化肥处理(BS); 4)沼液全量替代化肥+浮萍处理(BS+D)。不同处理具体施肥量见表1, 每处理施氮量均为300 kg(N)∙hm-2。试验设3次重复, 随机区组排列, 小区面积为400 m2。水稻于6月23日插秧, 11月9日收获。试验中沼液按常规水稻氮肥施用时期分3次施入, 比例为2∶1∶1。根据前人研究结果, 浮萍投放初始密度设置为80%[33], 在稻田灌水插秧时投入, 其他田间管理措施按当地常规进行。

1.3 采样及测定方法

1.4 数据处理与计算方法

氮素流失负荷(kg∙hm-2)=径流水氮素浓度(mg∙L-1)×径流量(L∙m-2) (1)

径流量(L∙m-2)=0.899×降雨量(mm)-14.017[35](2)

试验数据采用Excel 2016、SPSS 22、Origin 2017软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 沼液施用条件下添加浮萍对稻田田面水氮素浓度动态变化的影响

从图2可知, 不同处理田面水TN浓度均在每次施肥后1 d达到峰值, 此后逐日递减。CF、CF+D、BS、BS+D处理田面水TN浓度在第1次施肥后1 d分别达到峰值45.09 mg∙L-1、31.05 mg∙L-1、45.92 mg∙L-1、33.55 mg∙L-1, 第2次施肥后1 d分别达到峰值23.76 mg∙L-1、24.03 mg∙L-1、20.50 mg∙L-1、31.94 mg∙L-1, 第3次施肥后1 d分别达到峰值29.45 mg∙L-1、27.26 mg∙L-1、20.98 mg∙L-1、8.90 mg∙L-1。田面水TN浓度在施肥后5 d降至峰值的30%以下, 7 d降至峰值的20%以下, 10 d降至峰值的10%以下, 并趋于稳定。整个水稻生长季CF、CF+D、BS、BS+D处理田面水TN平均浓度分别为13.14 mg∙L-1、12.10 mg∙L-1、12.40 mg∙L-1、10.40 mg∙L-1(15次), BS+D处理最低, 氮流失风险最低。

表1 不同处理的施肥量

图1 径流装置示意图

2.2 沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素径流流失的影响

2018年水稻季发生强降雨并产生径流共6次, 不同处理径流总氮流失量为0.14~2.21 kg∙hm-2(图3); 不同日期TN流失负荷存在较大差异。7月4日, CF处理TN径流流失负荷高达1.95 kg∙hm-2, 显著高于其他3种处理, 且该天的径流量为13.4 L∙m-2; 7月6日各处理平均TN径流流失负荷为0.19 kg∙hm-2, 仅占TN总径流流失负荷(4.74kg∙hm-2)的4.01%, 因为该天是第1次施肥后的13 d, 此时田面水中TN浓度较低, 且产生的径流量也较低。尽管8月21日已是第3次施肥后的11 d, 但试验区遇台风强降水, 产生径流量平均高达70.6 L∙m-2, CF、CF+D、BS和BS+D处理的TN径流流失负荷均较高, 分别为1.12 kg∙hm-2、1.71 kg∙hm-2、1.61 kg∙hm-2和1.33 kg∙hm-2, 占对应处理生育期TN总径流流失负荷(5.84 kg∙hm-2、4.17 kg∙hm-2、5.27 kg∙hm-2、3.67 kg∙hm-2)的20.7%、40.9%、33.3%和36.2%。因此, 径流水中TN浓度和降雨量是氮素流失的主要影响因素。

图2 浮萍对沼液施用条件下稻田田面水总氮(TN)、和浓度的动态变化

图3 浮萍对沼液施用条件下稻田总氮(TN)径流流失动态变化

不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

表2 浮萍对沼液施用条件下稻田氮素总径流流失负荷

不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

2.3 稻田氮素径流流失风险分析

为了能够更好地评估浮萍对沼液施用条件下不同施肥时期稻田氮素流失风险, 假设每次施肥后1 d、3 d、5 d、7 d产生相同的径流排水量, 用此排水量与施肥后田面水氮素浓度的乘积来估算[36]稻田TN流失负荷并进行分析。

上海地区多年降水量约为1 200 mm, 6—8月降水总量450~480 mm, 而此时是稻田施肥的关键时期,也是试验区大到暴雨最集中的月份, 极易产生径流。本研究中, 径流排水口高出土壤10 cm, 田面水高度一般为8 cm左右, 连续降雨量大于20 mm后就会产生径流。现假设径流排水量为10 mm, 不同施肥时期TN流失负荷如表3所示。结果表明, CF、CF+D、BS、BS+D处理的TN流失负荷在第1次施肥后的1 d为3.11~4.59 kg∙hm-2, 施肥后3 d、5 d和7 d降为施肥后1 d的45.7%~80.5%、17.5%~44.8%和13.4%~26.5%; 第2次施肥后1 d为2.05~3.19 kg∙hm-2, 施肥后5 d、7 d降为施肥后1 d的23.4%~34.1%和13.8%~25.4%; 第3次施肥后1 d为0.89~2.95 kg∙hm-2, 施肥后5 d、7 d降为施肥后1 d的4.1%~28.1%和4.4%~20.0%。TN的流失负荷随时间推移逐渐降低。当径流排水与施肥时间越接近, TN流失风险越大。此外, CF、CF+D、BS、BS+D处理在3次施肥后产生10 mm的径流排水量的情况下4次测定的TN流失总负荷分别为18.77 kg∙hm-2、17.32 kg∙hm-2、17.13 kg∙hm-2、14.77 kg∙hm-2。其中, 相比于CF处理, CF+D、BS和BS+D处理的TN流失负荷分别减少7.7%、8.7%和21.3%。沼液代替化肥灌施稻田可以减少约9%的TN流失负荷, 而添加浮萍可以减少约8%~22%的TN流失负荷, 因此在沼液中添加浮萍对于减少稻田TN流失负荷的效果更明显。

2.4 沼液施用条件下添加浮萍对稻田土壤及水稻Cu和Pb含量的影响

2.4.1 对土壤Cu和Pb含量的影响

由表4可知, 土壤Cu和Pb全量在各处理间差异不显著, 含量为22.65~24.38 mg∙kg-1和48.45~53.28 mg∙kg-1。一年内沼液施用不会显著增加土壤Cu和Pb全量。相比于CF处理, CF+D和BS+D处理的土壤Cu和Pb全量均有一定程度的减少。

表3 假设产生10 mm径流排水量浮萍对沼液施用条件下不同施肥时期稻田总氮的流失负荷动态变化

表4 浮萍对沼液施用条件下稻田土壤Cu和Pb全量和有效态含量

同列不同小写字母表示处理间差异显著(< 0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05).

BS+D处理土壤有效铜含量比CF处理显著高18.6%, 但与BS、CF+D处理间差异不显著。BS+D处理土壤中有效铅含量最高, 比CF处理显著提高17.5%, 而与BS、CF+D处理间差异不显著。浮萍添加虽然不会增加土壤Cu和Pb全量含量, 但能增加土壤Cu和Pb的有效态含量。

2.4.2 对水稻植株Cu和Pb含量的影响

不同处理对水稻籽粒和秸秆Cu和Pb含量的影响如图4所示。与CF和CF+D处理相比, BS没有显著增加水稻籽粒Cu含量, 但BS+D处理籽粒Cu含量较BS处理显著减少41.05%。不同处理下秸秆Cu含量差异不显著。

水稻籽粒Pb含量平均仅为秸秆的13%。不同处理间籽粒和秸秆中Pb的含量均无显著差异, 但添加浮萍后, 籽粒和秸秆中Pb含量均有一定程度的降低。说明施用沼液不会影响水稻籽粒和秸秆的Pb含量, 而浮萍具有降低水稻植株Pb含量的潜力。

2.5 土壤、植株重金属与土壤理化性质的相关性分析

相关性分析可知(图5), 土壤有机质与土壤TN极显著正相关(2=0.74); 土壤Cu与土壤Pb(2=0.96)和秸秆Cu(2=0.72)均呈极显著正相关、与土壤TP显著正相关; 土壤Pb与秸秆Pb显著负相关、与籽粒Pb显著正相关; 土壤有效铅与有效铜极显著正相关; 土壤pH与土壤有效铜和土壤有效铅负相关, 但未达显著水平; 土壤有机质与土壤有效铅和土壤总铅均呈正相关, 但未达显著水平。

3 讨论

3.1 沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失的影响

图4 浮萍对沼液施用条件下水稻籽粒和秸秆的Cu和Pb含量

不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

图5 稻田土壤、水稻植株重金属含量与土壤理化性质的相关性

Soil TN: 土壤全氮; Soil TP: 土壤全磷; Soil TK: 土壤全钾; Ec: 电导率; OM: 土壤有机质; Soil Pb: 土壤总铅; Soil Cu: 土壤总铜; Avail Pb: 土壤有效铅; Avail Cu: 土壤有效铜; Grain Cu: 籽粒铜; Grain Pb: 籽粒铅; Straw Pb: 秸秆铅; Straw Cu: 秸秆铜。Soil TN: soil total nitrogen content; Soil TP: soil total phosphorus content; Soil TK: soil total potassium content; Ec: soil electrical conductivity; OM: soil organic matter content; Soil Pb: soil Pb content; Soil Cu: soil Cu content; Avail Pb: soil available Pb content; Avail Cu: soil available Cu content; Grain Cu: grain Cu content; Grain Pb: grain Pb content; Straw Pb: straw Pb content; Straw Cu: straw Cu content.

3.2 沼液施用条件下添加浮萍对稻田土壤和水稻Cu和Pb含量的影响

从本试验结果看, 沼液施用条件下, 土壤和水稻籽粒、秸秆Cu和Pb含量并没有明显大于常规化肥处理, 这与史一鸣[39]和黄继川等[40]研究表明在稻田施用沼液对土壤、植株重金属Cu和Pb没有明显积累甚至表现出下降基本一致。因此适量的沼液添加能有效实现沼液的资源化利用, 且短期内不会对土壤和植物造成重金属污染风险[41]。同时本试验研究结果表明, 添加浮萍不会显著增加土壤和水稻籽粒、秸秆全Cu和全Pb含量, 这与李天煜[25]和谷兆萍[42]研究得出浮萍具有吸附重金属作用的研究结果相近。虽然沼液施用条件下添加浮萍不会增加土壤全Cu和全Pb含量, 但却显著提高了土壤有效态Cu和Pb含量, 这可能是因为沼液和浮萍的联合作用增加了土壤有机质, 降低了土壤pH。而土壤增加的这部分有效态Cu和Pb并未被水稻地上部分吸收, 可能与浮萍快速繁殖并吸收有关。王强[43]研究就表明, 浮萍对水中Pb2+和Cu2+的去除率分别为97.83%和87.11%。

相关性分析表明, 土壤有效态Cu和Pb与有机质正相关, 与pH负相关, 这与目前大部分研究结果一致[44-45]。在本试验中, BS+D处理有机质含量高于其他3种处理, 土壤pH低于其他3种处理。钟晓兰等[45]通过通径系数、相关系数和决策系数评价, 发现有机质对金属有效态含量有较大的正向作用。姚荣江等[44]研究认为土壤Pb有效态与有机质呈显著正相关。这可能与土壤有机质中含有较高的富里酸有关。土壤有机质主要成分是腐殖质(以胡敏酸和富里酸为主), 其对重金属有效性的影响通过静电吸附、络合、螯合等作用来实现[46], 其中胡敏酸和胡敏素与金属形成的络合物是不易溶的, 但富里酸和金属的络合物易溶, 富里酸呈强酸性, 移动性大, 能显著促进污染土壤重金属的解吸, 从而提高其有效性[47-48]。而当pH升高后, 金属易于生成沉淀而降低有效性[49]。

3.3 沼液全量替代化肥和浮萍添加对环境重金属污染风险评估

为了进行重金属安全性分析, 将重金属数据与国家相关标准进行对比。根据《土壤环境质量》GB 15618—2018, 土壤污染物限量标准为Cu≤100 mg∙kg-1、Pb≤240 mg∙kg-1。本研究中土壤Cu和Pb全量含量均低于此标准, 土壤Cu和Pb污染风险低。GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》的水稻籽粒Pb标准为≤0.2 mg∙kg-1, GB 15199—1994《食品中铜限量卫生标准》的粮食Cu限值为≤10 mg∙kg-1。本研究中水稻籽粒Pb含量超标, 籽粒Cu含量符合标准。Pb超过限值可能是因为在试验区土壤有效态Pb含量相对较高, 水稻易从土壤中吸收Pb从而在籽粒中对Pb产生了富集, 同时也可能与试验区水稻的品种相关; 但另一方面, 添加浮萍的处理(CF+D和BS+D处理)相较于不加浮萍的处理(CF和BS处理)水稻籽粒和秸秆中Pb含量均有一定程度的减少。

根据沼液和浮萍Cu和Pb含量, 计算得出整个水稻季, 随沼液灌溉进入稻田环境的Cu为209.99 g∙hm-2, Pb为0.759 g∙hm-2; 随浮萍进入稻田环境的Cu为1.775 g∙hm-2, Pb为0.735 g∙hm-2, 而耕层土Cu为54.36~63.41 kg∙hm-2, Pb为116.28~133.54 kg∙hm-2。假设沼液和浮萍中的Cu和Pb全部进入土壤, 则随沼液进入土壤的Cu和Pb分别占土壤Cu和Pb总量的0.33%~0.38%和0.000 56%~0.000 65%, 随浮萍进入土壤中的Cu和Pb分别占土壤Cu和Pb总量的0.002 8%~0.003 3%和0.000 56%~0.000 65%。因此, 短期内沼液施用及添加浮萍不会显著增加环境中Cu和Pb含量。

4 结论

在稻田中添加浮萍能够显著降低田面水TN含量, 施用沼液时添加浮萍稻田径流水氮素流失负荷为3.67 kg∙hm-2, 与常规施用化肥相比降低37.2%, 施肥后3 d是控制稻田氮素流失的关键时期。

不同处理间土壤、水稻秸秆Cu和Pb含量无显著差异, 但施用沼液时添加浮萍土壤Cu和Pb有效态含量较化肥处理显著增加18.6%和17.5%, BS+D处理籽粒Cu含量较BS处理显著减少41.1%。

综合比较而言, 在用沼液等氮替代化肥时添加浮萍可减少当季氮素流失风险, 但对于连续沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失影响和重金属的超标风险需进一步研究。

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Nitrogen losses and Cu, Pb changes of paddy field affected by adding duckweed under biogas slurry application*

SONG Die1, HE Zhonghu2, DONG Yonghua3, DAI Wei1, YANG Xiaolei4, CAO Linkui1, SHA Zhimin1**

(1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai New Type Feed Co., Ltd, Shanghai 201600, China; 3. Shanghai Agricultural Product Quality and Safety Center, Shanghai 201799, China; 4. Shanghai Agricultural Technology Extension Service Center, Shanghai 201103, China)

Nutrient loss and heavy metal accumulation are major problems in the utilization of biogas slurry as a resource. Duckweed, which can absorb nitrogen and phosphorus and take up heavy metals, can be used to control environmental pollution in biogas slurry irrigation. To study the effects of duckweed on nitrogen loss and reduction in Cu and Pb heavy metals in a paddy field fertilized with biogas slurry, a field experiment was conducted in Jinshan District, Shanghai, China. The experiment comprised four treatments: (1) chemical fertilization (CF); (2) chemical fertilization + duckweed (CF + D); (3) biogas slurry (BS); (4) biogas slurry + duckweed (BS + D). The changes in nitrogen concentration in paddy field surface water, nitrogen-loss load in runoff water, and the levels of Cu and Pb in soil, rice grain and straw under different treatments were measured and compared. The results showed that the trends in the variation of total nitrogen (TN) and ammonia nitrogen (NH4+-N) concentrations in the surface water of different treatments were the same. The concentrations reached peak values on the first day after each fertilization, and then decreased day by day. On the fifth day after fertilization, they dropped below 30% of the peak. The peak value of nitrate nitrogen (NO3–-N) concentration lagged by 3–7 days. The addition of duckweed when biogas slurry application significantly reduced TN content in surface water, and the total TN loss load of BS+D treatment was 3.67 kg∙hm-2. Compared with the CF treatment, the TN loss load with BS+D treatment was lower by 37.2%. The Cu and Pb contents of the soil treated with BS+D was 22.65 mg∙kg-1and 49.05 mg∙kg-1, which was not significantly different to levels in the other treatments, but the available Cu and Pb levels in the soil treated with BS+D treatment were significantly higher than those treated with CF, by 18.6% and 17.5%, respectively. There was no significant difference in the contents of Cu and Pb in rice straw and grain, but the grain content of Cu in BS+D treatment decreased by 41.1% compared with BS treatment. In summary, adding duckweed to field applied with biogas slurry can reduce nitrogen loss in paddy fields, and can control the increase of Cu and Pb in soil and rice grain and straw to a certain extent. It can be an effective means to control water and soil pollution under biogas slurry irrigation mode.

Paddy field; Biogas slurry; Duckweed; Nitrogen loss; Loss load; Heavy metals

S157.1

10.13930/j.cnki.cjea.190825

宋蝶, 何忠虎, 董永华, 戴巍, 杨晓磊, 曹林奎, 沙之敏. 沼液施用条件下添加浮萍对稻田氮素流失和Cu、Pb变化的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(4): 608-618

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* 国家重点研发计划课题(2016YFD08011106)、上海市科技兴农推广项目[沪农科推字(2018)第4-7号, 沪农科推字(2019)第2-1号]资助

沙之敏, 主要研究方向为植物营养学与农业面源污染控制。E-mail: zhiminsha@sjtu.edu.cn

宋蝶, 主要研究方向为农业生态学。E-mail: lmtsd681@163.com

2019-11-22

2020-02-11

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD08011106), the Shanghai Science and Technology Promotion Project [(2018) No. 4-7, (2019) No. 2-1].

, E-mail: zhiminsha@sjtu.edu.cn

Nov. 22, 2019;

Feb. 11, 2020