茭鸭共作人工湿地消纳养殖池塘富营养化水的初步研究

张家宏，王桂良，徐 荣，寇祥明，韩光明，王守红，朱凌宇，毕建花，金银根

(1.江苏省生态农业工程技术研究中心，江苏 扬州 225008；2.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏 扬州 225007；3.扬州大学生物科学与技术学院，江苏 扬州 225001)

茭鸭共作人工湿地消纳养殖池塘富营养化水的初步研究

张家宏1，王桂良1，徐 荣1，寇祥明2，韩光明2，王守红2，朱凌宇2，毕建花2，金银根3

(1.江苏省生态农业工程技术研究中心，江苏 扬州 225008；2.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏 扬州 225007；3.扬州大学生物科学与技术学院，江苏 扬州 225001)

依托江苏省扬州市小纪镇水生蔬菜基地，设置4个处理：茭白(Zizanialatifolia)单作人工湿地，不施肥(DF0)；茭白单作人工湿地，当地农民习惯施肥量(DFC)；茭鸭共作人工湿地，当地农民习惯施肥量(GFC)；茭鸭共作人工湿地，50%当地农民习惯施肥量(GF50%C)。试验用水为试验地附近养鱼池塘水，分析各处理茭白田面水TN和TP以及土壤有机质和速效养分动态变化。结果表明：灌溉养殖池塘富营养化水7 d后DF0处理田面水TN和TP浓度平均降至峰值的21.27%和15.58%；施肥7 d后各施肥处理田面水TN和TP浓度平均降至峰值的8.21%和6.51%；减量施肥后，GF50%C处理田面水TN和TP去除率分别为82.81%和84.25%，与DF0处理之间无显著差异；减量施肥后，与DFC处理相比，GF50%C处理在维持茭白产量和经济效益的同时，可提高土壤有机质和土壤速效养分含量。就各茭鸭共作人工湿地处理而言，茭白整个生长期用养殖池塘富营养化水按约4 500 m3·hm-2进行灌溉，其输入的氮、磷量相当于83.55 kg尿素和46.50 kg过磷酸钙。可见，茭鸭共作人工湿地在消纳养殖池塘富营养化水体方面有较大潜力，在适当降低施肥量的前提下，可有效去除富营养化水体中氮、磷含量，提高土壤质量和经济效益。

茭鸭共作；人工湿地；富营养化水；土壤养分；经济效益

集约化养殖池塘富营养化水随意排放加剧周围水域污染的问题日益严峻,如何消纳养殖池塘富营养化水体,降低周边河道水体营养盐含量,恢复水体生态平衡,一直是全球环境问题的研究热点[1-3]。构建高等水生植物人工湿地是消纳富营养化水、改善水体质量的一条重要途径[4-5]。茭白是我国特有的水生蔬菜,其肉质鲜美可口,营养丰富,具有较高的经济价值。江苏里下河地区水网交织,水资源丰富,茭白田分布广阔,种植面积大,构建的茭白人工湿地在处理养殖池塘富营养化水体方面有巨大潜力。因此,进行茭白人工湿地消纳养殖池塘富营养化水的应用研究,具有非常重要的现实意义。目前,有关茭白人工湿地的相关研究认为,茭白是挺水植物,具有生长快、生物量大、吸收能力强的特点,并且是一种经济作物,茭白田作为人工湿地用于消纳养殖池塘富营养化水时,一方面可以达到净化养殖肥水的目的,另一方面可以降低生产成本,增加经济收入。茭白对富营养水体中氮、磷的去除率分别达到10%～50%和20%～75%[6-8]。近年来,江苏里下河地区积极推广茭鸭共作种养结合生态循环农业模式,该模式以一季茭白田放养两批鸭(俗称“一茭两鸭”),实现养殖肥水育茭、以茭护鸭、以鸭促茭的良好生态种养效果[9]。与常规茭白人工湿地相比,茭鸭共作人工湿地中鸭在田间进行除草、灭虫、排泄和浑水等活动,而且氮、磷养分投入增加,使得茭白生长环境得到改善。至于该系统消纳富营养化水的应用效果如何,尚不清楚。笔者主要比较常规茭白人工湿地和茭鸭共作人工湿地对养殖池塘富营养化水体中氮、磷的去除效果,以及土壤养分和系统经济效益的变化情况,进而为茭鸭共作人工湿地消纳养殖池塘富营养化水的推广应用提供相关科学依据。

1 材料与方法

1.1 自然条件

试验于2015年在扬州市江都区小纪镇纪西村(32°37′20″ N,119°44′51″ E)进行,该地区属亚热带湿润气候区,季风显著,四季分明,夏季炎热多雨,冬季凉爽干燥,平均海拔5 m。平均气温14.9 ℃,最高气温39.1 ℃,最低气温-8 ℃。平均降水量为978.7 mm。年平均日照时数为2 140 h,年无霜期为220 d。

1.2 供试土壤与试验设计

试验地一直用于茭白-慈姑-荸荠等浅水水生蔬菜轮作,前作为慈姑。供试土壤为潮土,基础土样(0～20 cm土层)pH值为5.65,w(有机质)为26.5 g·kg-1,w(全氮)为2.3 g·kg-1,w(碱解氮)为155.1 mg·kg-1,w(速效磷)为36.3 mg·kg-1,w(速效钾)为113.8 mg·kg-1。

试验共设置4个处理:(1)茭白单作人工湿地,不施肥(DF0);(2)茭白单作人工湿地,当地农民习惯施肥量(DFC);(3)茭鸭共作人工湿地,当地农民习惯施肥量(GFC);(4)茭鸭共作人工湿地,50%当地农民习惯施肥量(GF50%C)。小区面积为300 m2(15 m×20 m),设3次重复,随机排列。各试验处理模式的实施流程见图1。

图1 各试验处理模式的实施流程Fig.1 Flow chart of the experiment

当地农民习惯施肥量:基肥施用尿素225 kg·hm-2(4月9日),分蘖肥施用尿素300 kg·hm-2(5月16日),调节肥(茭白二次分蘖期)施用尿素225 kg·hm-2和复合肥300 kg·hm-2(7月27日),孕茭肥施用尿素300 kg·hm-2和复合肥450 kg·hm-2(9月12日)。50%当地农民习惯施肥量指每次施肥量为当地农民习惯施肥量的50%。各时期N和P2O5施用量见表1。尿素N质量分数为46%,复合肥N质量分数为15%,P2O5质量分数为15%。根据天气预报,尽量确保施肥后7 d内无明显降雨。该试验在施肥后7 d内未出现明显降雨,各水分管理时期田面水位都保持在合理范围内,因此没有考虑雨水稀释和径流对田面水氮、磷浓度的影响。每次施用肥料,先落浅田面水位至1～2 cm,然后顺行撒施肥料,第2天复水。茭白水位管理以“浅—深—浅”为原则,用周边养殖池塘肥水灌溉。移栽茭白前需浅水泡田,4月10日移栽茭白苗,至分蘖之前保持3～5 cm浅水位,有利于提高地温,促进发根(茭苗浅水期);分蘖开始后水位保持在5～7 cm,促进分蘖(分蘖浅水期);分蘖后期,水位保持在10～15 cm较深水位,控制无效分蘖(分蘖深水期);进入孕茭期,水位加深至20～25 cm,促进茭白增大(孕茭深水期);孕茭后期至收获,水位逐渐下降至2～5 cm,便于采收(收获浅水期)。

试验地北侧有2个养鱼池塘,面积分别为0.62和0.23 hm2。为了降低污水处理成本,追求更高的经济效益,当地养殖户常常把大量未经处理的养殖肥水直接排放到沟渠或河流中。试验地与池塘之间有宽0.6 m、长5 m的沟渠相连。每次茭白田需要灌溉时,通过该沟渠将养殖池塘肥水引流到茭白田。各水分管理时期消纳养殖池塘富营养化水的总量和氮、磷含量见表2。

表1 试验处理及肥料施用量Table 1 Treatments and fertilization rates

表2 人工湿地各水分管理时期消纳养殖池塘富营养化水总量和氮、磷含量Table 2 Amount of eutrophied water, and nitrogen and phosphorus assimilated by artificial wetland relative to treatment

小区之间作泥埂并用塑料布隔离,以防肥、水混串。田埂四周用尼龙网围栏,每隔2～3 m打1根桩固定,围网下端埋入土中,地上网高约为50 cm,以防鸭子在各小区间乱窜。茭鸭共作人工湿地田块空地按6 只·m-2搭建简易鸭舍。鸭舍四周用竹、木围筑,石棉瓦盖顶,外围再用尼龙网围起。

根据茭白与鸭共作技术规程[10],茭白分蘖后按450只·hm-2放第1批雏鸭(10 d龄)下田(5月24日),分蘖后期收成鸭(90 d龄)(8月11日);15 d后,按450 只·hm-2放第2批雏鸭(10 d龄)下田(8月26日),11月13日收第2批成鸭(90 d龄)。起初3 d,雏鸭喂食3 次·d-1,即早、中、晚各1次。每只鸭喂食饲料约为150 g·d-1。3 d后,随着雏鸭下田自行觅食,喂食次数与数量宜逐渐减少,具体次数、数量可根据茭白田内杂草与水生小动物数量及鸭的大小而定。茭鸭共作人工湿地中,由于鸭的踩踏和啃食作用,田间几乎没有杂草,各小区每天投喂鸭饲料量保持一致,鸭整个生长期平均喂食总量为8.5 kg·只-1。每日傍晚将鸭集中赶入田头鸭舍。经常派专人在田间巡逻,防止天敌侵扰鸭。茭鸭共作人工湿地不喷施化学农药。

茭白种苗选择当地广泛采用的耐肥、抗病、优质、高产的短日照“六安茭”品种。鸭苗选择当地役鸭性品种“高邮麻鸭”,其体小灵活,生活力强,田间活动时间长,嗜食野性生物,能生产出高品质鸭肉和蛋品,繁殖力强。

1.3 测定项目及方法

自每次灌溉富营养化水当天到灌溉后第1、3和7天以及收第2批成鸭当天、收成鸭后第1、3和7天分别取水样。09:00—10:00采集田间水样品,每小区均采用对角线5点取样法取样后组成混合样约100 mL。样品过滤后,总氮(TN)采用过磷酸钾氧化-紫外分光光度法测定,总磷(TP)采用硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定。同样,采用5点取样法,在茭苗浅水期(5月3日)、分蘖浅水期(7月1日)、分蘖深水期(8月26日)、孕茭深水期(9月27日)和收获浅水期(11月13日)采集耕层0～20 cm土壤样品。有机质含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定,碱解氮含量采用氢氧化钠碱解扩散法测定,速效磷含量采用盐酸-硫酸提取法测定。

自2015年10月1日开始,各小区每隔1 d采收1次茭白,10月15日测产结束。茭白开始采收时,各小区按“S”形状用标签标记5株长势均匀的茭白植株,将每次采收的肉质茎切成片状装袋,采收结束后取茭白株样。所有样品在105 ℃烘箱中杀青30 min后降至80 ℃烘干称重,之后粉碎测定N含量。植株全N含量采用凯氏定氮法测定。

1.4 分析方法

采用SPSS 19.0软件对各组数据进行单因素方差分析和多重比较(LSD法检验,P<0.05)。采用Excel 10.0和SigmaPlot 10.0软件对所有数据进行计算并制图。

茭白人工湿地中,将灌入的池塘富营养化水体中养分含量与排出的水体中养分含量之差定义为茭白人工湿地系统对富营养化水体中养分去除量,将去除量占池塘富营养化水体中养分含量比例定义为茭白人工湿地系统对养分的去除率。没有分别考虑土壤和肥料养分供应、作物吸收和各途径损失对富营养化水体中养分去除的贡献大小。

2 结果与分析

2.1 茭鸭共作人工湿地田面水TN和TP动态变化

各处理田面水TN和TP含量动态变化见图2～3。由图2可知,不施肥条件下 DF0处理自茭苗浅水期至孕茭深水期灌溉富营养化水当天ρ(TN)最高,平均为9.73 mg·L-1,之后逐渐下降,7 d时ρ(TN)降至峰值的21.27%,平均为2.07 mg·L-1。与DF0处理相比,施肥处理(DFC、GFC和 GF50%C)ρ(TN)显著增加,在灌溉富营养化水后1 d达到峰值,平均为84.38 mg·L-1,之后逐渐下降,7 d 时ρ(TN)降至峰值的8.21%,平均为6.93 mg·L-1。自分蘖深水期至孕茭深水期,在当地农民习惯施肥量条件下GFC处理ρ(TN)比DFC处理高,可能与鸭粪向田面水中释放氮素有关;减量施肥后,GF50%C处理ρ(TN)峰值平均为61.96 mg·L-1,比GFC和DFC处理分别降低36.59%和33.60%。收获第2批成鸭后7 d内各处理ρ(TN)变化不显著,施肥处理ρ(TN)平均为2.43 mg·L-1,显著高于DF0处理(1.21 mg·L-1)。

就同一水分管理时期而言，相同灌溉时间的同一组直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间TN浓度差异显著(P<0.05)。不同处理样品在环境变量及其延长线上的图2 不同处理田面水TN浓度动态变化Fig.2 Dynamics of the concentration of TN in surface water relative to treatment

由图3可知,不施肥条件下DF0处理自茭苗浅水期至孕茭深水期灌溉富营养化水当天ρ(TP)最高,平均为0.77 mg·L-1,之后逐渐下降,7 d时ρ(TP)降至峰值的15.58%,平均为0.12 mg·L-1。与DF0处理相比,DFC、GFC和 GF50%C处理分蘖深水期和孕茭深水期施复合肥,ρ(TP)显著增加,在灌溉富营养化水后1 d达到峰值,平均为4.15 mg·L-1,之后逐渐下降,7 d时ρ(TP)降至峰值的6.51%,平均为0.27 mg·L-1。自分蘖深水期至孕茭深水期,在当地农民习惯施肥量条件下,由于鸭粪供磷的作用,GFC处理ρ(TP)比DFC处理高;减量施肥后,GF50%C处理ρ(TP)峰值平均为2.78 mg·L-1,比GFC和DFC处理分别降低44.6%和40.3%。收获第2批成鸭后7 d内ρ(TP)变化不显著,施肥处理ρ(TP)平均为0.22 mg·L-1,显著高于DF0处理(0.10 mg·L-1)。

就同一水分管理时期而言，相同灌溉时间的同一组直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间TP浓度差异显著(P<0.05)。不同处理样品在环境变量及其延长线上的图3 不同处理田面水TP浓度动态变化Fig.3 Dynamics of the concentration of TP in surface water relative to treatment

2.2 茭鸭共作人工湿地土壤有机质、碱解氮和速效磷动态变化

由图4可见，不施肥条件下,DF0处理土壤w(有机质)呈下降趋势,从茭苗浅水期的26.35 g·kg-1下降至收获第2批鸭后的20.57 g·kg-1。与DF0处理相比,在当地农民习惯施肥量条件下,DFC处理土壤w(有机质)无显著变化;而GFC处理土壤w(有机质)显著增加,且呈上升趋势。减量施肥后,GF50%C处理土壤w(有机质)与GFC处理之间无显著差异,从茭苗浅水期的26.75 g·kg-1上升至收获第2批鸭后的31.29 g·kg-1,鸭粪在田间积累可能是土壤w(有机质)提高的主要原因。

不施肥条件下,DF0处理土壤w(碱解氮)呈下降趋势,从茭苗浅水期的151.37 mg·kg-1下降至收获第2批鸭后的100.74 mg·kg-1。与DF0处理相比,在当地农民习惯施氮量条件下,DFC和GFC处理土壤w(碱解氮)显著增加,在茭鸭共作时段维持在219.83 mg·kg-1左右。收获第2批鸭时,GFC处理土壤w(碱解氮)显著高于DFC处理,可能与前者积累鸭粪逐渐释放氮素有关;减量施肥后,GF50%C处理土壤w(碱解氮)比GFC处理降低18.41%。

不施肥条件下,DF0处理土壤w(速效磷)从茭苗浅水期的35.32 mg·kg-1下降至收获第2批鸭后的21.80 mg·kg-1。与DF0处理相比,自分蘖深水期开始,在当地农民习惯施肥量条件下,DFC和GFC处理土壤w(速效磷)显著增加,维持在33.75 mg·kg-1左右。

同一幅图中，同一组直方柱上方英文小写字母不同表示同一水分管理时期不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。不同处理样品在环境变量及其延长线上的图4 不同处理土壤有机质、碱解氮和速效磷含量动态变化Fig.4 Dynamics of the content of soil organic matter, alkali-hydrolysis N, and available P relative to treatment

收获第2批鸭时,GFC处理土壤w(速效磷)显著高于DFC处理,可能与前者积累的鸭粪逐渐释放磷素有关;减量施肥后,GF50%C处理土壤w(速效磷)比GFC处理降低14.50%。

2.3 茭鸭共作人工湿地茭白产量、氮磷吸收量及对养殖池塘富营养化水中氮磷去除量

不施肥条件下,DF0处理茭白产量最低,为9 482.55 kg·hm-2,在当地农民习惯施肥量条件下,DFC处理茭白产量显著增至22 654.65 kg·hm-2(表3)。与DFC处理相比,GFC和GF50%C处理茭白产量都无显著差异。同样,不施肥条件下,DF0处理茭白吸氮量最小,DFC处理茭白吸氮量显著增加。与DFC处理相比,GFC和GF50%C处理茭白吸氮量无显著差异。

DF0处理对富营养化水体中TN的去除量和去除率最大,分别为40.80 kg·hm-2和87.92%。在当地农民习惯施肥量条件下,DFC处理对富营养化水体中TN的去除量和去除率显著降低,分别为35.10 kg·hm-2和75.84%。与DFC处理相比,GFC和GF50%C处理对富营养化水体中TN的去除量和去除率无显著差异。DF0处理对富营养化水体中TP的去除量和去除率最大,分别为3.60 kg·hm-2和89.47%。在当地农民习惯施肥量条件下,DFC处理对富营养化水体中TP的去除量和去除率显著降低,分别为3.15 kg·hm-2和77.78%。与DFC处理相比,GFC和GF50%C处理对富营养化水体中TP的去除量和去除率无显著差异。与DF0处理相比,各施肥处理茭白氮、磷吸收量虽然增加,但同时田面水中氮、磷含量也增加,从而促使其对富营养化水中氮、磷的去除量和去除率降低。

2.4 茭鸭共作人工湿地经济效益分析

各处理经济效益分析见表4。

表3 各处理茭白产量、对富营养化水体中氮磷的去除量和去除率Table 3 Yeild of Zizania latifolia, and N and P removal amount and removal rate relative to treatment

DF0为茭白单作+不施肥;DFC为茭白单作+习惯施肥量;GFC为茭鸭共作+习惯施肥量;GF50%C为茭鸭共作+50%习惯施肥量。数据为平均值±标准差。同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

表4 各处理投入成本、产品产值及经济效益Table 4 Input cost, product output value and economic benefit relative to treatment 元·hm-2

DF0为茭白单作+不施肥;DFC为茭白单作+习惯施肥量;GFC为茭鸭共作+习惯施肥量;GF50%C为茭鸭共作+50%习惯施肥量。1) 数据为平均值±标准差。同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

表4显示，不施肥条件下,DF0处理投入成本最小,为24 300元·hm-2,GFC处理投入成本最大,为70 950元·hm-2。GFC处理养鸭投入成本包括雏鸭、育雏费用、鸭饲料和围网与鸭舍等,共计40 230元·hm-2,占投入总成本的56.70%。GF50%C处理养鸭投入成本占投入总成本的58.61%。DF0处理茭白产值最低,为37 935元·hm-2,DFC处理茭白产值显著增至90 615元·hm-2。与DFC处理相比,GFC和GF50%C处理茭白产值无显著变化。对GFC和GF50%C处理而言,除茭白外还有成鸭产值,成鸭产值分别占两者总产值的31.20%和34.38%。不施肥条件下,DF0处理经济效益最低,为13 635元·hm-2,DFC处理经济效益显著增至61 695元·hm-2。与DFC处理相比,GFC和GF50%C处理经济效益无显著差异。

3 讨论

3.1 茭鸭共作人工湿地对养殖池塘富营养化水中氮、磷的有效去除

构建茭鸭共作人工湿地,在消纳养殖池塘富营养化水的同时,还能获得经济效益,值得推广[6,11]。笔者研究表明,DF0处理对富营养化水体中TN和TP的去除率为87.92%和89.47%,而前人研究为30.2%和34.3%[7,11]。这是因为前人采用连续流方式使富营养化水体流入茭白浮床,水体滞留时间较短。笔者研究中养殖池塘富营养化水在田间滞留至少20 d。已有研究发现茭白对滞留5和15 d的富营养化水中TN去除率分别为79.7%和91.9%,TP去除率分别为81.6%和92.8%[8]。而构建不施肥的单作茭白人工湿地缺乏实用价值,茭鸭共作效益是其4.4～5.0倍(表4)。

施肥后田面水TN和TP浓度出现峰值,这种变化规律出现在类似研究[12-15]中。笔者研究中,施肥前落浅田面水,第2天灌溉养殖池塘富营养化水。灌水后1 d,田面水氮、磷浓度达到最高,之后由于土壤吸附、氨挥发、硝化反硝化、淋洗和作物吸收等作用,田面水氮、磷浓度急剧下降。在当地农民习惯施肥量条件下,DFC和GFC处理田面水TN和TP浓度峰值是不施肥处理的8～10倍,通过各种途径损失,其二次环境污染风险较大。减量施肥后,GF50%C处理田面水TN和TP浓度峰值显著降低,且TN和TP去除率较高,与不施肥处理相比无显著差异(表3)。可见,茭鸭共作人工湿地中,施肥7 d内是控制氮素流失的关键时期,减少氮、磷投入能降低田面水氮、磷浓度,有效降低茭白人工湿地施肥导致的二次环境污染风险。

3.2 茭鸭共作人工湿地对提高土壤有机质和速效养分含量的促进作用

笔者研究表明,DF0处理土壤有机质、碱解氮和速效磷含量都呈下降趋势。田间增施有机肥是农田可持续发展的保障[16-17]。据统计,每667 m2茭白田养2批鸭共60只,每批鸭与茭白共作90 d,每只鸭日平均产鲜粪为0.15 kg,则共排鲜粪810.00 kg,可增加稻田有机质198.31 kg,纯氮10.37 kg,磷11.26 kg[18-20]。因此,GFC和GF50%C处理分蘖浅水期,茭白与鸭共作之后,土壤有机质和速效养分含量呈增加趋势,鸭粪起到关键作用。然而,与鸭共作处理增加的有机质、土壤速效养分存在后续分解释放的风险。GFC处理土壤碱解氮和速效磷平均含量比DFC处理分别提高7.4%和9.3%。因此,在茭鸭共作人工湿地中不能忽视鸭粪中养分的后续释放。在农民习惯施肥量的基础上,减半施肥后,GF50%C处理土壤碱解氮和速效磷含量降低,能有效降低茭鸭共作人工湿地施肥后带来的二次环境污染风险。笔者试验中,茭鸭共作人工湿地各小区每天投喂鸭饲料量保持一致,因此没有考虑饲料投喂量对结果的影响。然而,在改变鸭饲料投喂量及其养分含量后,由于排泄的鸭粪中有机质及养分含量发生变化,将如何影响土壤有机质和速效养分含量、茭白产量和田面水养分含量,这些问题将有待于进一步研究。

3.3 茭鸭共作人工湿地对实现养殖池塘富营养化水资源化利用的影响

高密度养殖池塘中,残饵和鱼类粪便日积月累,导致养殖池塘水体富营养化程度日益严重[3,21]。笔者分别于4、5、7和9月用养殖池塘水进行灌溉,水体ρ(TN)分别为8.78、9.52、10.29和10.32 mg·L-1,水体ρ(TP)分别为0.55、0.66、0.80和1.06 mg·L-1(图2～3),超过SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》(一级标准:ρ(TN)≤3.0 mg·L-1,ρ(TP)≤0.5 mg·L-1;二级标准:ρ(TN)≤5.0 mg·L-1,ρ(TP)≤1.0 mg·L-1)[22]。养殖池塘富营养化水在茭鸭共作人工湿地滞留后,每次施肥前落浅田面水水体TN和TP浓度大大降低,都能达到排放标准。如DF0、DFC、GFC和GF50%C处理排水水体中ρ(TN)平均值分别为1.25、2.72、2.46和1.61 mg·L-1，ρ(TP)平均值分别为0.09、0.17、0.18和0.13 mg·L-1。其中,DFC和GFC处理排水水体中TN和TP浓度较其他处理高,主要是由于较高施肥量和鸭粪释放养分的原因。茭鸭共作人工湿地茭白整个生长期,用养殖池塘富营养化水按约4 500 m3·hm-2进行灌溉,其输入的氮、磷养分量相当于83.55 kg尿素和46.50 kg过磷酸钙。可见,茭鸭共作人工湿地在消纳养殖池塘富营养化水方面有较大潜力,在优化施肥量的前提下,适当增加养殖池塘富营养化水的灌溉次数,特别是夏季养殖池塘经常换水时,可供给更多的氮、磷养分,从而保证茭白生长对氮、磷养分的需求。

3.4 茭鸭共作人工湿地对实现种养一体化协调发展、提高经济效益的作用

DF0处理茭白产量最低,为9 482.55 kg·hm-2,DFC处理茭白产量为22 654.65 kg·hm-2。与DFC处理相比,GF50%C处理虽然减半施肥,但其产量并无显著变化。这是因为就GF50%C处理而言,一方面,鸭粪为茭白补充了养分,另一方面,鸭子在田间中耕、浑水、除草、灭虫等活动改善了土壤质量和田间通风透光条件,起到保肥增肥、促进茭白生长的作用[20]。可见,茭鸭共作人工湿地中,应根据茭白养分需求量及鸭活动对茭白产量的贡献进行优化施肥管理,在保证产量的同时减少施肥带来的二次环境污染风险。与DF0处理比较,GFC处理不仅使茭白增产,而且利用套养多收获鸭,效益最高为68 355元·hm-2(表3～4)。然而,单从养鸭的经济效益来看,鸭产投比仅约为1∶1;其主要原因是围网和鸭舍投入成本仅用于当季茭白与鸭共作生产,利用效率较低。实际生产中,围网和鸭舍可以重复利用约5次。第2次利用时,鸭产投比可提高至1.2∶1。另外,适当扩大茭鸭共作人工湿地规模,可以提高鸭的产投比。根据相应的养鸭和日常管理投入成本估算,当茭鸭共作人工湿地面积达到6.67 hm2时,鸭产投比则为1.7∶1。可见,在茭鸭共作人工湿地的推广应用中,应注重投入资源的重复利用,特别是将来土地流转,由一家一户的分散经营向专业大户、家庭农场、农民合作社等多种形式的规模经营方式转变时则更为有利。

然而,由于受试验条件限制,笔者无法阐明茭鸭共作人工湿地消纳养殖池塘富营养化水的试验效果在年际间的差异。比如,减量施肥后,与DFC处理相比,GF50%C处理茭白产量无显著差异,这个效果在不同年份能否持续,值得继续研究。6 a的调研结果表明,与水稻单作相比,稻鱼共作系统中减少24%化肥施用量条件下水稻产量无显著变化,然而在年际间有所差异,最低减产4.00%,最高增产4.34%[23]。另外,笔者研究中施肥后7 d内无明显降雨天气,如果不同年份施肥后出现强降雨天气,将对田面水氮、磷浓度产生影响。因此,为了探讨茭鸭共作人工湿地消纳养殖池塘富营养化水效果的普遍性规律,在今后的研究中,需要通过多年试验,分析试验结果在年际间的变化特征及其影响因素。

4 结论

(1)茭鸭共作人工湿地能有效去除养殖池塘富营养化水中氮、磷。DF0处理灌溉养殖池塘富营养化水7 d后田面水TN和TP浓度降至峰值的21.27%和15.58%;各施肥处理在施肥7 d后田面水TN和TP浓度平均降至峰值的8.21%和6.51%。养殖池塘富营养化水通过茭鸭共作人工湿地的消纳,排放的田面水都达到SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》。

(2)茭鸭共作人工湿地有利于提高经济效益、土壤有机质和速效养分含量。不施肥条件下,DF0处理经济效益最低,为13 635元·hm-2,DFC处理经济效益显著增至61 695元·hm-2。与DFC处理相比,GF50%C处理经济效益无显著差异。与茭白单作处理相比,GF50%C处理土壤有机质、碱解氮和速效磷含量显著增加。

(3)茭鸭共作人工湿地可实现养殖池塘富营养化水的资源化利用。在茭鸭共作人工湿地中茭白的整个生长期,用养殖池塘富营养化水按约4 500 m3·hm-2进行灌溉,其输入的氮、磷量相当于83.55 kg尿素和46.50 kg过磷酸钙。在优化施肥量的前提下,适当增加养殖池塘富营养化水的灌溉次数,可为茭白提供更多的氮、磷养分。

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(责任编辑：李祥敏)

Nutrient Assimilating Effects ofZizanialatifolia-Duck Symbiotic Artificial Wetland on Eutrophied Water From Fishing Ponds.

ZHANGJia-hong1,WANGGui-liang1,XURong1,KOUXiang-ming2,HANGuang-ming2,WANGShou-hong2,ZHULing-yu2,BIJian-hua2,JINYin-gen3

(1.Ecological Agricultural Engineering Technology Research Center of Jiangsu, Yangzhou 225008, China;2.Lixiahe District Agricultural Scientific Institute of Jiangsu, Yangzhou 225007, China;3.College of Biological Science, Yangzhou University, Yangzhou 225001, China)

A field experiment consisting of four treatments: Treatment DF0(artificial wetland with monoculture of wild rice stem orZizanialatifoliawithout fertilization), Treatment DFC(artificial wetland with monoculture of wild rice stem with conventional fertilization), Treatment GFC(artificial wetland with wild rice stem-duck symbiosis and conventional fertilization), and Treatment GF50%C(artificial wetland with wild rice stem-duck symbiosis and 50% of the conventional fertilization), was laid out and carried out at the Aquatic Vegetable Production Base in Xiaoji Town of Yangzhou, Jiangsu Province. The water used in the experiment was diverted from fish ponds near the test area. Dynamics of total nitrogen and total phosphorus in the surface water and organic matter and available nutrients in the soil of the treatments were analyzed. Results show that in Treatment DF0, seven days after the eutrophied water was diverted from the fish ponds, the concentration of total nitrogen and total phosphorus fell to 21.27% and 15.58% of the peak value, respectively. For treatments with normal fertilizeration (DFC), seven days after fertilization the concentration of total nitrogen and total phosphorus in surface water fell down to 8.21% and 6.51% of their peak value, respectively. In Treatment GF50%C, about 82.81% and 84.25%, respectively, of the N and P in the eutrophic water was removed, and there was no significant difference found between Treatment GF50%Cand Treatment DFCin N and P removal rate. Compared with Treatment DFC, Treatment GF50%Cnot only maintained the yield of wild rice stem and the economic benefits of the system at the same level, but also improved the contents of soil organic matter and available nutrients. In Treatment GFCand Treatment GF50%Cabout 4 500 m3·hm-2of eutrophied water from the fish ponds were used to sustain growth of wild rice stem, containing N and P, equal to 83.55 kg urea and 46.50 kg superphosphate. Consequently, Treatment GF50%Ccan not only purify the eutrophied water effectively by removing N and P through harvesting of the crop, but also improve soil quality and economic benefits.

Zizanialatifolia-duck symbiotic farming; artificial wetland; eutrophied water; soil nutrient; economic benefit

2016-04-06

江苏省水产三新工程项目(Y2013-28)；江苏省科技支撑计划(BE2014360)；中央财政支农项目〔TG(15)110〕

X52；[X171.3]

A

1673-4831(2017)06-0546-09

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.06.009

张家宏(1965—),男,江苏高邮人,研究员,主要从事生态农业技术和生态农业投入品的研发和示范推广工作。E-mail: yzzhangjh@126.com