养殖废水灌溉对土壤易氧化碳与碳库管理指数的影响

2021-11-29廖林仙徐俊增刘诗梦陈丽娜

中国农村水利水电 2021年11期

廖林仙，郭航，黄俊，徐俊增，刘诗梦，陈丽娜

（河海大学农业科学与工程学院，南京210098）

在水资源紧缺的背景下，如何利用非常规水开展灌溉是缓解农业用水紧张的重要举措之一［1-3］。养殖业，包括畜牧和水产等的废水具有有机营养元素高、对土壤和作物有毒有害的物质少的特点［4，5］，其中富含的N、P 营养元素及有机物质［6］，用于农田灌溉能够提高土壤肥力，促进植物生长［7-9］，是一条有效地减少化肥施用的农业利用途径［10-12］；其所含的盐基离子也能够改变土壤理化性质，增加土壤孔隙度［13-16］，为作物生长提供有利条件。

我国目前关于养殖废水灌溉的研究多集中于土壤理化性质、硝态氮、微生物以及盐碱化等方向，对土壤碳库的影响研究则较为模糊。然而，土壤有机碳库是土壤碳库中最活跃的部分，能够指示土壤中有机碳的循环，土壤理化性质变化以及生物活动进程［17-20］。有研究表明，碳库中的易氧化碳可基本区别于土壤中的稳定性碳［21，22］，能够作为表征土壤有机质的有效组分变化、土壤肥力变化和土壤碳库稳定性的重要指标［23，24］。同时，碳库管理指数作为土壤综合性质的评价指标，能够定量地表示外界因素对土壤有机质组分的影响［25-27］。土壤碳库管理指数越高，表示土壤有机碳分解越快，土壤质量越高［28，29］。因此，明确养殖废水灌溉下土壤易氧化碳与碳库管理指数的变化，对合理利用养殖废水灌溉缓解农业用水紧张具有指导作用。

本研究通过设置不同水质和灌水量水平的处理，探讨清水灌溉和养殖废水灌溉下土壤有机碳库中易氧化碳的分布及碳库管理指数的变化情况，并对不同灌溉处理的影响做出评价，以期结果为科学合理地将养殖废水用于灌溉、实现农业的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于江苏省南京市蔬菜花卉研究所横溪基地塑料大棚内进行（31°43＇N、118°47＇E），该地区位于亚热带，受季风影响，常年气候湿润，年日照时长为2 017.2 h，平均气温15.7 ℃，年平均降雨天数117 d，降雨量为1 072.9 mm，无霜期237 d/a。供试土壤为黄棕壤，质地黏重，有机质含量14.209 g/kg，全氮含量0.900 g/kg，碱解氮含量129.9 mg/kg，全磷含量0.363 g/kg，速效磷含量27.2 mg/kg，pH 5.87。种植玉米前，测得土壤的总有机碳平均为17.51 g/kg；易氧化碳平均为1.385 g/kg。

1.2 试验设计

试验种植作物为江苏省南京市蔬菜花卉研究所提供的“晶甜八号”玉米，采取塑料桶（高80 cm，直径56.5 cm）进行试验，桶内填土高度70 cm，土壤容重为1.38 g/cm3。试验设置灌溉水质和灌水量两个因素，共6个处理，分别为：①W1，64 mm灌水量的清水灌溉；②W2，76 mm 灌水量的清水灌溉；③W3，88 mm 灌水量的清水灌溉；④R1，64 mm 灌水量的养殖废水灌溉；⑤R2，76 mm 灌水量的养殖废水灌溉；⑥R3，88 mm 灌水量的养殖废水灌溉。每个处理设置3 次重复，第一次灌水在8月4日（玉米已长出4～5 片叶子）进行，之后每隔2 周按上述灌水定额灌水一次，种植期间共灌水4次。

试验所用养殖废水取于横溪镇奶牛场，为奶牛尿液和冲刷废水的混合液，水质稳定。取水后静置适当时间，将静置后的上层液体按照1∶10的比例稀释作为灌溉水源，并于每次灌水前取样进行水质分析，试验期间共测定4次。灌溉用养殖废水（稀释后）及清水的性质见表1。

表1 灌溉用养殖废水及清水性质Tab.1 Basic characteristics of livestock-farm wastewater and clear water for irrigation

1.3 土样采集

分别在玉米灌浆期（9月5日）、完熟收获后（9月26日）利用土钻采集土样，采集深度为0～20、20～40、40～60 cm 三个层次。每次采集3个点，混合均匀后，一部分新鲜土样用于测定土壤易氧化碳；另一部分风干、磨碎、过筛后用于测定总有机碳。

1.4 试验测定项目与方法

采用重铬酸钾外加热法测定土壤总有机碳，称取通过0.149 mm 筛孔的风干土样0.3 g，加入30 mL 的重铬酸钾标准溶液（0.80 mol/L）和5 mL 浓硫酸充分摇匀，利用油浴法加热维持温度在170～180 ℃煮沸5 min，再用硫酸亚铁溶液（0.20 mol/L）滴定终点计算总有机碳含量。

采用高锰酸钾比色法测定土壤易氧化碳，称取新鲜土样2 g，加入25 mL 高锰酸钾溶液（0.333 mol/L）后振荡处理1 h，再以4 000 r/min 的转速离心处理5 min，取上层清液，用去离子水按照1∶250 的比例稀释，然后用分光光度计在565 nm 处比色测定，根据高锰酸钾的浓度变化计算易氧化碳含量。

1.5 土壤碳库管理指数计算

1.6 数据统计分析

采用SPSS 25.0 单因素方差分析及Duncan 多重比较方法进行显著差异性分析及均值比较，并采用Origin 2019b 软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理土壤剖面易氧化碳分布

如表2 所示，在6 种灌溉处理下，随着土壤深度的增加，土壤易氧化碳含量均呈现明显下降的趋势，且养殖废水灌溉相较于清水灌溉处理对于0～20 cm 土层中易氧化碳含量有显著提升。在0～20 cm 土层中，随灌水量的增加，养殖废水灌溉处理后土壤易氧化碳含量增加量变小，在灌水量为64 mm 时，土壤易氧化碳含量最高，比相同灌水量下的清水灌溉处理W1增加43.75%；而清水灌溉处理后土壤表层（0～20 cm）易氧化碳含量随灌水量增加变大，在灌水量为88 mm 时，土壤易氧化碳含量最高。在20～40 cm 土层中，各处理间差异显著。清水灌溉下，76 mm 的灌溉处理后土层中易氧化碳含量最高；养殖废水灌溉下，64 mm的灌溉处理后土层中易氧化碳含量最高，且随灌水量增加易氧化碳含量逐渐减小。在40～60 cm 土层中，随时间推移，易氧化碳含量在清水灌溉和养殖废水灌溉中呈现显著差异，且养殖废水灌溉后土壤易氧化碳含量高于清水灌溉处理。

表2 不同灌溉处理下土壤剖面易氧化碳含量 g/kgTab.2 Content of LOC in soil profile under different treatments

2.2 不同灌溉处理土壤剖面易氧化碳占比

如图1所示，随着土壤深度的增加，土壤总有机碳含量在各处理中均呈现明显下降的趋势。随着灌水量的增加，养殖废水灌溉相较于清水灌溉对于0～20 cm 土层中总有机碳含量有提升作用，其中，处理R3作用最显著，与相同灌水量下的处理W3相比，土壤总有机碳含量增加了10.79%。随着土层深度增加，各处理间土壤总有机碳含量未呈现明显的变化规律。

图1 不同灌溉处理下土壤剖面总有机碳含量Fig.1 Content of SOC in soil profile under different treatments

本研究中不同灌溉处理土壤剖面易氧化碳占比如图2 所示：在养殖废水灌溉处理中，经R1处理后土壤各土层易氧化碳占比高于其他两个处理，且在这3 个处理中20～40 cm 土层中的易氧化碳占比均高于其他两个土层。从整体来看，在清水灌溉处理中，土壤表层（0～20 cm）易氧化碳占比随灌水量增加而增大，在养殖废水灌溉处理中，土壤表层（0～20 cm）易氧化碳占比随灌水量增加而减少。在9月5日，在相同灌水量水平下，养殖废水灌溉后土壤各土层的易氧化碳占比明显高于清水灌溉处理，随着时间推移，除处理W2的20～40 cm 土层外，这种趋势仍然显著。

图2 不同灌溉处理土壤剖面易氧化碳占比Fig.2 Content ratio of LOC to SOC in soil profile under different treatments

2.3 不同灌溉处理土壤剖面碳库管理指数

土壤碳库管理指数能够反映农田管理措施对土壤碳库的影响，还能指示土壤碳库中各组分的变化情况。9月5日和9月26日在不同灌水处理下土壤剖面碳库管理指数变化情况如表3所示。

表3 不同灌溉处理下土壤剖面碳库管理指数Tab.3 Effects of different treatments on CMI in soil profile

对于土壤碳库活度和碳库活度指数，在0～20 cm 土层中，其变化范围分别是0.06～0.10和0.79～1.05；在20～40 cm 土层中，其变化范围分别是0.08～0.14和0.82～1.75；在40～60 cm 土层中，其变化范围分别是0.05～0.14和0.55～1.28。在6种灌溉处理下，土壤碳库活度和碳库活度指数与灌水水质和灌水量之间未呈现出明显的变化规律。

对于碳库指数和碳库管理指数，随着土壤深度的增加，均呈现明显下降的趋势。在0～20 cm 土层中，相较于清水灌溉处理，养殖废水灌溉处理后土壤碳库指数更高，在相同灌水量下，养殖废水灌溉处理后比清水灌溉处理高约3.07%～30.27%，而土壤碳库管理指数在两种灌溉水质下均随灌水量增加而增大。随着时间推移，养殖废水灌溉处理后的0～20 cm 土层的土壤碳库管理指数明显高于清水灌溉处理。在20～40 cm 土层中，随着时间推移，在灌水量为76 mm 的处理中，土壤碳库指数显著低于其他四个处理；在灌水量为88 mm 的处理中，土壤碳库管理指数显著低于其他4 个处理。在40～60 cm 土层中，土壤碳库指数在W1处理中最高，而土壤碳库管理指数经W2和W3处理后与其他灌溉处理相比明显减小。

3 讨论

本试验研究表明，养殖废水灌溉相较于清水灌溉能够提升0～20 cm 土层中总有机碳含量，此结果与戴婷［30］、BARKLE G F［31］等研究结论一致，说明养殖废水灌溉能够增加农田有机碳含量［30-33］，为作物提供生长的养分［34］。同时，养殖废水灌溉相较于清水灌溉对于0～20 cm 土层中易氧化碳的含量也有显著提升，但随着土层深度增加，显著性逐渐减弱或消失。这种现象可能是因为养殖废水较清水含有更多的氮、磷以及有机物等，所以养殖废水灌溉处理后在0～20 cm 土层中，土壤易氧化碳含量显著高于清水灌溉处理。但随着水流入渗深度增加，养殖废水中的大部分有机碳被表层土壤吸附固持，流经深层土壤的水中有机碳含量减少，因此两种灌溉水质处理在深层土壤中易氧化碳含量差异变小。

低灌溉量下土壤有机碳淋失较少，中灌水量下土壤表层淋失的有机碳可以在下层截留，而高灌水量下土壤有机碳淋失则较多［35］。因此，两种灌溉水质引起土壤的各类有机碳含量变化会受到灌水量的影响。比如，在养殖废水灌溉中，20～40 cm 土层的易氧化碳占比会明显高于其他两个土层，这就可能与表层土壤中的易氧化碳少量被淋失到下层，同时总有机碳含量随土壤深度增加的下降速度远大于易氧化碳有关。

本试验还发现，随着时间推移，养殖废水灌溉处理后的0～20 cm 土层的土壤碳库管理指数明显高于清水灌溉处理，这是因为养殖废水灌溉提高了各土层中的易氧化碳含量，而易氧化碳作为影响土壤碳库的重要因子，其含量的变化与土壤碳库管理指数的改变密切相关［36］。这反映出养殖废水灌溉相较于清水灌溉对于提高土壤质量确有成效。

综上所述，本试验研究了养殖废水灌溉对土壤剖面总有机碳和易氧化碳的分布情况及碳库管理指数的影响，但对各处理中土壤易氧化碳含量、易氧化碳占比、碳库指数和碳库管理指数随灌水量以及时间推移的变化机理还需进一步探索。