鹽堿地稻漁復合系統營養元素累積與運移特征

周 瓊，石 偉，邱小琮，楊 涓

（1.寧夏大學，a.土木與水利工程學院；b.生命科學學院，銀川 750021；2.銀川市水產技術推廣服務中心，銀川 750001）

現代農業往往通過施用化肥供給作物生長，投喂飼料、餌料進行動物養殖，但若過量使用氮磷等營養鹽會對作物、動物產生危害［1-3］，對種養區域和周邊生態環境產生不利影響［4，5］。稻漁復合系統將農業、漁業兩者結合，資源得到高效利用，生態彈性更好，可持續性更強［6，7］，經濟效益更好［8，9］，系統可以對營養元素進行內部轉化和利用。

2016年孟祥海等［10］對農牧漁復合系統進行研究，表明農牧漁復合系統經濟效益比單一系統更好；2017年陶玲［11］通過研究稻田-池塘復合循環水養殖系統，表明可以通過調節水質和優化細菌群落結構進行池塘微生態環境調控；2017年陸詩敏等［12］探討了稻蟹種養比例，認為不施肥或少施肥時，螃蟹輸出的氮、磷能達到水稻生長要求；2020年管衛兵等［13］進行了稻漁共生-池塘復合生態系統研究，表明該復合系統生產和生態效益均較高。以上研究多聚焦于稻漁復合系統經濟價值和技術研究，對系統營養元素運移機理研究較少。本次試驗中，基于2021年4月至9月寧夏鹽堿地稻蟹共作-精養魚塘耦合系統（以下簡稱稻漁復合系統）水土及稻蟹的營養元素監測數據，應用截留率分析和物質流分析，對營養元素累積和運移特征進行研究，旨在探明稻漁復合系統生物對營養元素的利用情況和整個運作過程中營養元素運移情況，從而為稻漁復合系統的適用性和推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣點設置

稻漁復合系統由精養魚塘、稻蟹共作、循環主溝3部分組成。魚塘尾水通過循環主溝提供稻蟹共作系統用水，經稻蟹共作系統和主溝凈化后的水重新泵入精養魚塘循環利用。采水樣點根據水流方向及主溝節點、稻田環溝進出水口設置了35個，在稻田進出水口加設泥采樣點，泥采樣點有63個（圖1）。

圖1 工程布置

1.2 樣品測定

水體指標共檢測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全自動間斷化學分析儀測定。

土壤指標共檢測7種，總氮（TN）采用自動定氮儀法（NY/T 1121.24—2012）；總磷（TP）采用土壤全磷測定法（NY/T 88—1988）；全鉀（K）采用土壤全鉀的測定（NY/T 87—1988）；銨態氮采用比色法（NY/T 1848—2010）；硝態氮采用紫外分光光度法（GB/T 32737—2016）；有效磷采用《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》（NY/T 1121.7-2014）；有機質采用《土壤檢測 第6部分：土壤有機質的測定》（NY/T 1121.6—2006）。

1.3 數據處理及分析

截留率可以明晰表示營養元素的累積效果，若水體截留率大，表明系統累積營養元素能力強，截留率為負時，表明系統釋放了營養元素。水體截留率計算公式如下［14］：

式中，ηi為水體營養元素i截留率（%）；ρ0i為i的初始濃度（mg/L）；ρ1i為i最終濃度（mg/L）。

土壤營養元素截留率表示土壤對營養元素的吸納能力。若土壤截留率大，表明土壤對營養元素有所累積，截留率為負數時，表明土壤釋放了營養元素。因為當土壤積累營養元素，初始含量一般小于終末含量，故土壤截留率計算公式如下：

式中，ηj為土壤營養元素j截留率（%）；ρ0j為j的初始濃度（g/kg）；ρ1j為最終濃度（g/kg）。

2 結果與分析

2.1 水體營養元素截留計算

因為水體置換較快，水體營養元素截留率按月計算，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，計算結果見表1。稻漁復合系統氨氮截留效果最好，其余依次為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總磷、正磷酸鹽、總氮、全鉀，說明稻漁復合系統水體營養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%，因為7月中溫度高溶氧低，而水體才泵氧，氨氮還未得到有效轉化就跟隨水體流失；7月中和7月底總磷、正磷酸鹽截留率明顯降低，因為溶氧減少，生物活動性降低，對氮磷營養鹽的利用減少；9月各營養元素截留率降低，因為水生生物已成熟，對營養鹽的利用減少；8月中硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮截留率降低，因為當月魚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、結實期需鉀較多，所以5、6、8月全鉀截留率較高。在保證溶氧充足時，稻漁復合系統對氨氮、亞硝酸鹽氮截留率一直較高，其他營養元素也得到了有效截留。

表1 水體營養元素截留率

2.2 土壤營養元素截留計算

主溝土壤、稻田土壤及其環溝土壤之間相互影響小，且營養元素置換較慢，系統分3部分進行截留計算。4月土壤營養元素平均值為初始濃度，8月底平均值作為最終濃度，計算結果如表2。主溝的硝態氮、總磷、全鉀、有機質截留效果較好；環溝僅對全鉀有所截留；稻田土壤營養元素截留率優于環溝和主溝，對總氮、全鉀、銨態氮、有效磷和有機質均有效截留；全鉀在主溝、稻田及其環溝土壤均得到有效截留；整體上看，稻漁復合系統土壤釋放了營養元素，僅全鉀有所累積，所以土壤截留營養元素表現為稻田＞主溝＞環溝。結果表明，水稻對土壤硝態氮利用能力更強，稻田土壤對銨態氮等累積能力更強；環溝中螃蟹等對土壤總氮、總磷、銨態氮、硝態氮、有效磷和有機質等利用能力良好；主溝中的睡蓮等生物對土壤總氮、銨態氮利用能力強，土壤截留硝態氮、有機質效果好；稻漁復合系統土壤對全鉀有所積累，生物對其他營養元素都進行了有效地利用。

表2 土壤營養元素截留率

2.3 稻漁復合系統物質流分析

物質流可以反映生產水平和土壤及其他生物的養分得失，為維持生態系統的平衡提供科學依據［15］。通過稻漁復合系統中輸入與輸出的總氮、總磷、全鉀含量來計算物質流，從而了解稻漁復合系統營養元素運移情況。基肥、飼料和水體是稻漁復合系統營養元素的主要輸入來源，稻蟹、土壤和終末水體是系統營養元素主要輸出去向，除此之外，還有淋失、蒸散發等輸出方式。從表3、表4可知，水體營養元素降低，水稻對于營養元素利用效果突出，稻漁復合系統氮磷鉀出入比為0.72∶1，產投比為0.88∶1。稻漁復合系統總氮、總磷、全鉀的盈余為21.657、32.819、107.192 kg/hm2。稻漁復合系統總氮、總磷、全鉀的產出/輸入分別為0.816、0.516、0.288，總氮＞總磷＞全鉀；稻漁復合系統總氮、總磷、全鉀的盈余/輸入分別為0.090、0.461、0.392，總磷＞全鉀＞總氮。結果表明，稻漁復合系統對營養元素的利用能力強，利用總氮效果最好，土壤和其他生物對于總磷和全鉀的利用能力較強。所以稻漁復合系統中輸入的營養元素能夠滿足作物和水產生物的生長需求，且在土壤及系統中的蘆葦、水草、藻類、水鳥等生物中有所積累。

表3 稻漁復合系統的物質流分析（單位：kg/hm2）

表4 稻漁復合系統的物質產投分析

2.4 稻漁復合系統營養元素累積特征與運移

通過截留率可知，水體中營養元素能得到有效截留，稻漁復合系統可以加強營養鹽利用能力和實現水體循環，由于稻漁復合系統運作時間長等因素，土壤營養元素累積效果差，甚至釋放了部分營養元素。通過物質流分析可知，稻漁復合系統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，稻漁復合系統土壤截留了全鉀，釋放了總磷，而物質流的盈余/輸出表明，稻漁復合系統流失或被其他生物利用的營養元素呈現總磷＞全鉀＞總氮，稻蟹對營養元素利用能力呈現總氮＞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。稻漁復合系統營養元素的運移，在空間上，系統輸出水體的營養元素含量低于輸入水體，土壤營養元素的累積為稻田＞主溝＞環溝，這與生物的利用和泥土擾動有關。在時間上，水體營養元素含量減少，土壤主要釋放了營養元素，所以營養元素主要運移到稻蟹及其他生物體內。稻漁復合系統可以對池塘尾水進行有效凈化，而且系統輸入的營養元素在滿足稻蟹生長需求的同時，還可以為系統其他生物的生長提供物質能量。

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間的增加而上漲；國外學者Bihari等［18］研究表明，稻漁共作下系統內部物質流動和能量循環更順暢；秦琳［19］研究表明，池塘種稻可以對沉積物中氮磷進行利用；2017年陸詩敏等［12］通過研究稻蟹種養比例，認為不施肥或少施肥時還需施用鉀肥［12］；2019年楊玲霞等［20］通過稻漁共作研究表明，肥料和飼料主要向系統輸入氮磷，沉積物和系統所收獲的水產生物則主要輸出氮磷。稻漁復合系統的營養元素主要來源于水體、飼料和基肥，土壤也會釋放部分營養元素，所以凈化魚池尾水主要依靠稻蟹等生物，系統的營養元素得到有效利用，無須再補充化肥，水體得到有效凈化。故稻漁復合系統實現池塘尾水循環利用的同時，還可以減少系統肥料的施用，并滿足作物和水產生物所需的營養，擁有更好的經濟收益。

3 小結

1）空間上，系統輸出水體的營養元素含量低于輸入水體，土壤營養元素累積呈現稻田＞主溝＞環溝，稻蟹利用營養元素能力呈現總氮＞總磷＞全鉀。在時間上，水體營養元素減少，土壤釋放了部分營養元素。

2）系統運作后，水體營養元素含量降低，土壤釋放了一些營養元素，主要截留了全鉀，而物質流顯示系統總磷和全鉀盈余較多。所以總氮主要運移到稻蟹體內，全鉀主要運移到土壤和其他生物體內，而總磷主要運移到稻蟹和其他生物體內。稻漁復合系統能有效實現水體循環，輸入的營養元素能得到高效利用并滿足稻蟹及其他生物生長需求。