盐碱地稻渔复合系统营养元素累积与运移特征

周 琼，石 伟，邱小琮，杨 涓

（1.宁夏大学，a.土木与水利工程学院；b.生命科学学院，银川 750021；2.银川市水产技术推广服务中心，银川 750001）

现代农业往往通过施用化肥供给作物生长，投喂饲料、饵料进行动物养殖，但若过量使用氮磷等营养盐会对作物、动物产生危害［1-3］，对种养区域和周边生态环境产生不利影响［4，5］。稻渔复合系统将农业、渔业两者结合，资源得到高效利用，生态弹性更好，可持续性更强［6，7］，经济效益更好［8，9］，系统可以对营养元素进行内部转化和利用。

2016年孟祥海等［10］对农牧渔复合系统进行研究，表明农牧渔复合系统经济效益比单一系统更好；2017年陶玲［11］通过研究稻田-池塘复合循环水养殖系统，表明可以通过调节水质和优化细菌群落结构进行池塘微生态环境调控；2017年陆诗敏等［12］探讨了稻蟹种养比例，认为不施肥或少施肥时，螃蟹输出的氮、磷能达到水稻生长要求；2020年管卫兵等［13］进行了稻渔共生-池塘复合生态系统研究，表明该复合系统生产和生态效益均较高。以上研究多聚焦于稻渔复合系统经济价值和技术研究，对系统营养元素运移机理研究较少。本次试验中，基于2021年4月至9月宁夏盐碱地稻蟹共作-精养鱼塘耦合系统（以下简称稻渔复合系统）水土及稻蟹的营养元素监测数据，应用截留率分析和物质流分析，对营养元素累积和运移特征进行研究，旨在探明稻渔复合系统生物对营养元素的利用情况和整个运作过程中营养元素运移情况，从而为稻渔复合系统的适用性和推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样点设置

稻渔复合系统由精养鱼塘、稻蟹共作、循环主沟3部分组成。鱼塘尾水通过循环主沟提供稻蟹共作系统用水，经稻蟹共作系统和主沟净化后的水重新泵入精养鱼塘循环利用。采水样点根据水流方向及主沟节点、稻田环沟进出水口设置了35个，在稻田进出水口加设泥采样点，泥采样点有63个（图1）。

图1 工程布置

1.2 样品测定

水体指标共检测6种，总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法（GB/T 11893—1989）；总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）；氨氮（NH3-N）采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）；硝酸盐氮（NO3--N）采用酚二磺酸分光光度法（GB 7480—1987）；亚硝酸盐氮（NO2--N）采用分光光度法（GB 7493—1987）；正磷酸盐（PO4+-P）使用AMS全自动间断化学分析仪测定。

土壤指标共检测7种，总氮（TN）采用自动定氮仪法（NY/T 1121.24—2012）；总磷（TP）采用土壤全磷测定法（NY/T 88—1988）；全钾（K）采用土壤全钾的测定（NY/T 87—1988）；铵态氮采用比色法（NY/T 1848—2010）；硝态氮采用紫外分光光度法（GB/T 32737—2016）；有效磷采用《土壤检测 第7部分：土壤有效磷的测定》（NY/T 1121.7-2014）；有机质采用《土壤检测 第6部分：土壤有机质的测定》（NY/T 1121.6—2006）。

1.3 数据处理及分析

截留率可以明晰表示营养元素的累积效果，若水体截留率大，表明系统累积营养元素能力强，截留率为负时，表明系统释放了营养元素。水体截留率计算公式如下［14］：

式中，ηi为水体营养元素i截留率（%）；ρ0i为i的初始浓度（mg/L）；ρ1i为i最终浓度（mg/L）。

土壤营养元素截留率表示土壤对营养元素的吸纳能力。若土壤截留率大，表明土壤对营养元素有所累积，截留率为负数时，表明土壤释放了营养元素。因为当土壤积累营养元素，初始含量一般小于终末含量，故土壤截留率计算公式如下：

式中，ηj为土壤营养元素j截留率（%）；ρ0j为j的初始浓度（g/kg）；ρ1j为最终浓度（g/kg）。

2 结果与分析

2.1 水体营养元素截留计算

因为水体置换较快，水体营养元素截留率按月计算，选取入主沟部分平均值作为初始浓度，出主沟部分平均值作为最终浓度，计算结果见表1。稻渔复合系统氨氮截留效果最好，其余依次为亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总磷、正磷酸盐、总氮、全钾，说明稻渔复合系统水体营养元素都得到了有效截留。但也存在一些特殊情况，7月中氨氮截留率仅19.6%，总氮为15.2%，因为7月中温度高溶氧低，而水体才泵氧，氨氮还未得到有效转化就跟随水体流失；7月中和7月底总磷、正磷酸盐截留率明显降低，因为溶氧减少，生物活动性降低，对氮磷营养盐的利用减少；9月各营养元素截留率降低，因为水生生物已成熟，对营养盐的利用减少；8月中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮截留率降低，因为当月鱼池水直接抽入主沟中间段，影响了出主沟部分硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的含量。水稻的分蘖期、结实期需钾较多，所以5、6、8月全钾截留率较高。在保证溶氧充足时，稻渔复合系统对氨氮、亚硝酸盐氮截留率一直较高，其他营养元素也得到了有效截留。

表1 水体营养元素截留率

2.2 土壤营养元素截留计算

主沟土壤、稻田土壤及其环沟土壤之间相互影响小，且营养元素置换较慢，系统分3部分进行截留计算。4月土壤营养元素平均值为初始浓度，8月底平均值作为最终浓度，计算结果如表2。主沟的硝态氮、总磷、全钾、有机质截留效果较好；环沟仅对全钾有所截留；稻田土壤营养元素截留率优于环沟和主沟，对总氮、全钾、铵态氮、有效磷和有机质均有效截留；全钾在主沟、稻田及其环沟土壤均得到有效截留；整体上看，稻渔复合系统土壤释放了营养元素，仅全钾有所累积，所以土壤截留营养元素表现为稻田＞主沟＞环沟。结果表明，水稻对土壤硝态氮利用能力更强，稻田土壤对铵态氮等累积能力更强；环沟中螃蟹等对土壤总氮、总磷、铵态氮、硝态氮、有效磷和有机质等利用能力良好；主沟中的睡莲等生物对土壤总氮、铵态氮利用能力强，土壤截留硝态氮、有机质效果好；稻渔复合系统土壤对全钾有所积累，生物对其他营养元素都进行了有效地利用。

表2 土壤营养元素截留率

2.3 稻渔复合系统物质流分析

物质流可以反映生产水平和土壤及其他生物的养分得失，为维持生态系统的平衡提供科学依据［15］。通过稻渔复合系统中输入与输出的总氮、总磷、全钾含量来计算物质流，从而了解稻渔复合系统营养元素运移情况。基肥、饲料和水体是稻渔复合系统营养元素的主要输入来源，稻蟹、土壤和终末水体是系统营养元素主要输出去向，除此之外，还有淋失、蒸散发等输出方式。从表3、表4可知，水体营养元素降低，水稻对于营养元素利用效果突出，稻渔复合系统氮磷钾出入比为0.72∶1，产投比为0.88∶1。稻渔复合系统总氮、总磷、全钾的盈余为21.657、32.819、107.192 kg/hm2。稻渔复合系统总氮、总磷、全钾的产出/输入分别为0.816、0.516、0.288，总氮＞总磷＞全钾；稻渔复合系统总氮、总磷、全钾的盈余/输入分别为0.090、0.461、0.392，总磷＞全钾＞总氮。结果表明，稻渔复合系统对营养元素的利用能力强，利用总氮效果最好，土壤和其他生物对于总磷和全钾的利用能力较强。所以稻渔复合系统中输入的营养元素能够满足作物和水产生物的生长需求，且在土壤及系统中的芦苇、水草、藻类、水鸟等生物中有所积累。

表3 稻渔复合系统的物质流分析（单位：kg/hm2）

表4 稻渔复合系统的物质产投分析

2.4 稻渔复合系统营养元素累积特征与运移

通过截留率可知，水体中营养元素能得到有效截留，稻渔复合系统可以加强营养盐利用能力和实现水体循环，由于稻渔复合系统运作时间长等因素，土壤营养元素累积效果差，甚至释放了部分营养元素。通过物质流分析可知，稻渔复合系统中总氮主要被水稻和螃蟹利用，总磷和全钾盈余较多。土壤截留率表明，稻渔复合系统土壤截留了全钾，释放了总磷，而物质流的盈余/输出表明，稻渔复合系统流失或被其他生物利用的营养元素呈现总磷＞全钾＞总氮，稻蟹对营养元素利用能力呈现总氮＞总磷＞全钾，可知盈余的全钾主要贮存于土壤和被其他生物利用，而总磷更多是被其他生物所利用。稻渔复合系统营养元素的运移，在空间上，系统输出水体的营养元素含量低于输入水体，土壤营养元素的累积为稻田＞主沟＞环沟，这与生物的利用和泥土扰动有关。在时间上，水体营养元素含量减少，土壤主要释放了营养元素，所以营养元素主要运移到稻蟹及其他生物体内。稻渔复合系统可以对池塘尾水进行有效净化，而且系统输入的营养元素在满足稻蟹生长需求的同时，还可以为系统其他生物的生长提供物质能量。

2009年陈柏湘［16］研究表明，稻田湿地净化尾水主要依靠悬浮物沉淀和稻泥吸附，其次为水稻植株吸收；2014年章明奎等［17］研究表明，土壤氮磷含量随灌溉时间的增加而上涨；国外学者Bihari等［18］研究表明，稻渔共作下系统内部物质流动和能量循环更顺畅；秦琳［19］研究表明，池塘种稻可以对沉积物中氮磷进行利用；2017年陆诗敏等［12］通过研究稻蟹种养比例，认为不施肥或少施肥时还需施用钾肥［12］；2019年杨玲霞等［20］通过稻渔共作研究表明，肥料和饲料主要向系统输入氮磷，沉积物和系统所收获的水产生物则主要输出氮磷。稻渔复合系统的营养元素主要来源于水体、饲料和基肥，土壤也会释放部分营养元素，所以净化鱼池尾水主要依靠稻蟹等生物，系统的营养元素得到有效利用，无须再补充化肥，水体得到有效净化。故稻渔复合系统实现池塘尾水循环利用的同时，还可以减少系统肥料的施用，并满足作物和水产生物所需的营养，拥有更好的经济收益。

3 小结

1）空间上，系统输出水体的营养元素含量低于输入水体，土壤营养元素累积呈现稻田＞主沟＞环沟，稻蟹利用营养元素能力呈现总氮＞总磷＞全钾。在时间上，水体营养元素减少，土壤释放了部分营养元素。

2）系统运作后，水体营养元素含量降低，土壤释放了一些营养元素，主要截留了全钾，而物质流显示系统总磷和全钾盈余较多。所以总氮主要运移到稻蟹体内，全钾主要运移到土壤和其他生物体内，而总磷主要运移到稻蟹和其他生物体内。稻渔复合系统能有效实现水体循环，输入的营养元素能得到高效利用并满足稻蟹及其他生物生长需求。