围堤养鱼盐碱地改良过程中鱼塘水质和土壤理化性质变化研究

2022-11-16武延民马金慧李丰义张庆国

延边大学农学学报 2022年3期

武延民, 范富, 马金慧, 李丰义, 张庆国

(1.延边大学农学院，吉林延吉133002；2.内蒙古民族大学,内蒙古通辽 028000)

盐碱地是我国最主要的后备土壤资源，改良利用盐碱地可以增加耕地面积，缓解人地矛盾。我国盐碱地面积约为100×105km2，遍及全国17个省、市、自治区，其中各类可利用盐碱地资源37×105km2，具有农业利用前景的约12×105km2[1-3]。受地形、地貌、水文条件和气候等多种因素影响，我国盐碱地可划分为盐土、碱土及其他不同程度盐化、碱化土地及其水域等[4]。内蒙古通辽市位于科尔沁沙地中心，由于降雨时空分布不均，水资源调蓄空间小，地下水埋深浅矿化度高以及人类活动等因素制约，该地区土壤盐碱化危害严重，旱季返盐强烈，严重制约了当地经济的可持续发展[5]。

我国大规模的盐碱地池塘养殖已开展了十几年, 养殖面积已扩展到数百万亩[6]。在盐碱地上采取围堤养鱼的方法，不但开辟了新的淡水渔业生产路线，还有效地改善了盐碱地土壤质量[6]。鱼类排放到盐碱土中的代谢物可以通过吸附、淋溶、沉淀等反应与土壤中的盐碱成分相互作用，进而降低土壤盐碱度，改善土壤结构，提高土壤肥力。已有研究显示，围堤养鱼5年后的盐碱土壤已经适合水稻生长[7]。关于围堤养鱼对通辽盐碱地的土壤生物性状的影响已取得初步进展。研究结果表明，围堤养鱼5年后，盐碱地细菌、纤维素分解菌、亚硝酸细菌、磷细菌的数量均呈上升趋势；诸如脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、纤维素酶等土壤酶的活性也较未改良的盐碱地有所提高[8]。

迄今为止, 关于盐碱地池塘养殖的研究大多集中在高产试验技术方面, 对生态的影响少有报道。为此该研究以苏打盐碱地水产养殖技术为基础，根据“水生植物净化原理”和“仿自然原理”，在通辽市科尔沁左翼中旗代力吉镇建造鱼塘以及围堤养鱼后种植水稻的试验田。通过分析不同养鱼年限鱼塘水质变化，以及鱼塘土壤容重、水稳性团聚体含量、pH值、碱化度、碳酸钙含量以及土壤养分含量，明确围堤养鱼年限和方式对通辽盐碱地理化性质的影响。该研究可为该区域盐碱地利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗代力吉镇(121°08′～123°32′E，43°32′～44°32′N)，该地区属于典型的温带大陆性季风气候，地势平坦，光照资源充足，昼夜温差大，年均气温6.5 ℃，年平均降水量399 mm。试验区土壤类型为苏打碱土。试验前0～20 cm土层土壤理化性质如表1所示。

表1 供试土壤初始的理化性质

1.2 试验设计

该研究采用随机区组设计，共计5个处理。2016年10月通过对角线采样法分别采集0～20 cm的鱼塘淤泥样品以及0～20 cm稻田和盐碱裸地土样样品。围堤养鱼3、5和8年后鱼塘淤泥和围堤养鱼5年后稻田土壤样品依次标记为Y1、Y2、Y3和Y4。选取鱼塘周围无人为干扰的盐碱裸地土作为对照，标记为CK。土壤样品挑除根系和其他杂质，混合均匀后放入冰箱中低温保存。

取围堤养鱼3、5、8年以及深井水样进行水质分析。

1.3 测定项目及方法

土壤样品的测定方法根据《土壤农化分析》中方法进行[9]。其中，土壤pH值采用电位法测定[土水比为1∶2.5(w/v)]，土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，全磷和速效磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定，速效钾、交换性钠采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。土壤容重采用环刀法测定，水稳性团聚体采用土壤团聚体分析仪(HB403-TTF-100)测定。

对于水质样品，采用电位法测定pH值，铂钴比色法测定色度[10]，分光光度法测定浊度[11]，水样溶解性固体总量根据刘建坤等提供的方法测定[12]；硝酸银滴定法测定氯化物含量[13]，紫外分光光度法测定硝酸盐氮含量[14]，纳氏试剂分光光度法测定氨态氮含量[15]。

1.4 数据处理

试验中所有数据均为各重复测定的平均值。采用origin9.0 软件进行方差分析，显著性水平为(P<0.05，n=5)，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 鱼塘水pH值、色度和浊度变化

不同围堤养鱼年限鱼塘水色度和浊度变化如表2所示。深井水色度为14.000°。随养鱼年限增加鱼塘水色度逐渐增加，3、5和8年鱼塘水色度分别为15.667°，30.776°和45.333°。与之相似，鱼塘水浊度也随养鱼年限的增加而增加，深井水、3、5和8年鱼塘水浊度分别为0.376°、9.796°、17.000°和35.333°。

表2也显示了不同养鱼年限鱼塘水pH值的变化。深井水pH值为7.53。养鱼3年后鱼塘水pH值为7.90，与深井水pH值无显著差异。而后随着养鱼年限增加鱼塘水pH值显著升高，5年和8年鱼塘水pH值分别为8.24和8.70。

表2 养鱼年限对鱼塘水pH值、色度和浊度的影响

2.2 鱼塘水溶解性物质变化

2.2.1 溶解性固体总量

不同年份的养鱼水及深井水溶解性固体总量变化如表3所示。地下深井水溶解性固体总量为833.49 mg/L。随着年份的增加溶解性固体总量逐年增加。3、5和8年鱼塘水固体总量分别为1 333.27、1 563.33和1 640 mg/L，较地下深井水增加了60%、87.6%和96.8%。不同年份的养鱼水与深井水之间差异极显著。

2.2.2 氯化物含量

由表3可知，与深井水相比，围堤养鱼显著增加了样品中氯化物含量。地下深井水氯化物含量为88.40 mg/L。3、5和8年鱼塘水氯化物分别为133.15、148.92和168.35 mg/L，较地下深井水增加了了90.5%、68.5%和50.6%。对于鱼塘水样，随着养鱼年限的增加氯化物含量逐渐降低。

2.2.3 硝态氮(NO3--N)含量

地下深井水硝态氮为40.51 μg/L。围堤养鱼导致样品中硝态氮含量显著增加。3、5和8年鱼塘水氯化物分别为62.25、69.95和78.13 μg/L，较地下深井水增加了53.7%、72.7%和92.9%。对于鱼塘水样，随着养鱼年限的增加硝态氮含量逐渐增高。

2.2.4 铵态氮(NH4+-N)含量

地下深井水铵态氮为53 μg/L。围堤养鱼导致样品中铵态氮含量显著增加。3、5和8年鱼塘水铵态氮分别为62.7、75.3和87.7 μg/L，较地下深井水增加了了18.3%、42.1%和65.5%。对于鱼塘水样，随着养鱼年限的增加氨态氮含量逐渐增高。

表3 养鱼年限对鱼塘水溶解性物质的影响

2.3 围堤养鱼对土壤物理性状的影响

2.3.1 土壤容重

不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤容重变化如图1所示。试验区盐碱裸地(CK)土壤容重为1.54 g/cm3。围堤养鱼在一定程度上降低了土壤容重。围堤养鱼3(Y1)、5(Y2)和8年(Y3)后，土壤容重相较于盐碱裸地(CK)分别降低了20.12%、21.80%和22.98%，表明在当前试验条件下围堤养鱼年限可显著降低土壤容重。此外，围堤养鱼5年(Y2)处理与围堤养鱼后种稻处理(Y4)无显著差异，表明围堤养鱼后种稻对土壤容重无显著影响。

2.3.2 土壤水稳性团聚体含量

图1显示了不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤水稳性团聚体含量变化。相比于试验区盐碱裸地(CK)，围堤养鱼显著增加了土壤中大于0.25 mm粒级的水稳性团聚体含量。围堤养鱼3年(Y1)、5年(Y2)和8年(Y3)后,供试土壤水稳性团聚体的含量分别为16.1%、15.4%和23.5%，表明长期围堤养鱼有利于水稳性团聚体形成，进而增强土壤结构稳定性。围堤养鱼5年(Y2)处理与围堤养鱼后种稻处理(Y4)大于0.25 mm粒级的水稳性团聚体含量无显著差异，表明当前实验条件下围堤养鱼后种稻对水稳性团聚体的形成没有显著的促进作用。

图1 围堤养鱼对土壤容重和水稳性团聚体含量的影响

2.4 围堤养鱼对土壤化学性状的影响

2.4.1 土壤pH值

图2显示了不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤pH值的变化。试验区盐碱裸地(CK)pH值为9.51，表现出强碱性。随着围堤养鱼年限的增加，供试土壤碱性在一定程度上得到缓解。围堤养鱼3年(Y1)、5年(Y2)和8年(Y3)后土壤pH值分别为8.82、8.66和7.79。特别是围堤养鱼8年后供试土壤碱性得到明显的改善。围堤养鱼后种稻处理(Y4)土壤pH值为8.81。相比于围堤养鱼5年(Y2)处理，土壤pH值增加了1.7%，但无显著差异。

2.4.2 土壤碱化度

碱化度是指土壤胶体上吸咐的交换性钠离子占阳离子交换量(CEC)的百分率。一般来说碱化度越高，土壤碱化程度越高，土壤性状越恶劣。不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤碱化度变化如图2所示。试验区盐碱裸地(CK)土壤碱化度为78.14%。围堤养鱼明显降低了土壤碱化度。围堤养鱼3年(Y1)、5年(Y2)和8年(Y3)后，土壤碱化度相较于盐碱裸地(CK)分别降低了9.67%、37.16%和92.12%。与土壤pH值不同，围堤养鱼后种稻明显降低了土壤碱化度。围堤养鱼后种稻处理(Y4)盐碱度较试验区盐碱裸地(CK)和围堤养鱼5年(Y2)处理分别降低了60.25%和36.73%。

图2 围堤养鱼对土壤pH值和碱化度的影响

2.5 围堤养鱼对土壤养分含量的影响

2.5.1 土壤有机质含量

不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤有机质含量变化如图3所示。试验区盐碱裸地(CK)土壤有机质含量为7.21 g/kg。围堤养鱼后土壤有机质含量呈现先降低后升高的趋势。围堤养鱼3年(Y1)和5年(Y2)后土壤有机质含量分别为5.30和 5.28 g/kg。围堤养鱼8年(Y3)后土壤有机质含量为6.91 g/kg。围堤养鱼后种稻导致土壤有机质含量进一步降低。围堤养鱼后种稻处理(Y4)较围堤养鱼5年(Y2)处理有机质含量降低了13.25%。

2.5.2 土壤全氮和碱解氮

不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤全氮和碱解氮含量变化如图3所示。试验区盐碱裸地(CK)土壤全氮含量为0.21 g/kg。围堤养鱼后土壤全氮含量呈现先降低后升高的趋势。围堤养鱼3年(Y1)后土壤全氮含量为0.13 g/kg。围堤养鱼5年(Y2)和8年(Y3)后土壤全氮含量分别为0.15和0.18 g/kg。围堤养鱼后种稻未对土壤全氮含量产生显著影响。

试验区盐碱裸地(CK)土壤碱解氮含量为7.21 mg/kg。围堤养鱼后3年(Y1)和5年(Y2)后土壤碱解氮含量持续降低，分别为40.37和12.36 mg/kg。围堤养鱼8年(Y3)后土壤碱解氮含量显著升高至53.20 mg/kg。围堤养鱼后种稻导致土壤碱解氮含量进一步降低至6.53 mg/kg。

2.5.3 土壤全磷和速效磷

不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤全磷和速效磷变化如图3所示。试验区盐碱裸地(CK)土壤全磷含量为0.20 g/kg。围堤养鱼导致土壤全磷含量明显降低。但随着围堤养鱼年限的增加，土壤全磷含量呈现升高的趋势。围堤养鱼3年(Y1)5年(Y2)和8年(Y3)后土壤全磷含量分别为0.06、0.08和0.13 g/kg。围堤养鱼后种稻未对土壤全磷含量产生显著影响。

与土壤全磷含量变化趋势不同，围堤养鱼后土壤速效磷含量呈现先降低后升高的趋势。试验区盐碱裸地(CK)土壤速效磷含量为11.01 mg/kg。围堤养鱼后3年(Y1)和5年(Y2)后土壤速效磷含量持续降低，分别为8.42和7.22 mg/kg。围堤养鱼8年(Y3)后土壤速效磷含量显著升高至15.96 mg/kg。围堤养鱼后种稻导致土壤速效磷含量进一步降低至5.93 mg/kg。

2.5.4 土壤全钾和速效钾

不同围堤养鱼年限及围堤养鱼后种稻土壤全钾和速效钾变化如图3所示。试验区盐碱裸地(CK)土壤全钾含量为3.21 g/kg。围堤养鱼后3年(Y1)后围堤养鱼土壤全钾含量降低至3.05 g/kg。随着围堤养鱼年限的增加，土壤全钾含量呈现增加的趋势。围堤养鱼5年(Y2)和8年(Y3)后土壤全钾含量分别为3.17和3.32 g/kg。围堤养鱼后种稻未对土壤全钾含量产生显著影响。

围堤养鱼导致土壤速效钾含量明显降低。但随着围堤养鱼年限的增加，土壤速效钾含量呈现升高的趋势。试验区盐碱裸地(CK)土壤速效钾含量为255.56 mg/kg。围堤养鱼3年(Y1)5年(Y2)和8年(Y3)后土壤速效钾含量分别为72.41、163.96和171.62 mg/kg。围堤养鱼后种稻导致土壤速效钾含量进一步降低至64.78 mg/kg。

图3 围堤养鱼对土壤养分含量的影响

3 讨论

土壤容重是反映土壤物理性状的重要指标，其大小直接影响土壤水、热状况，以及作物根系在土壤中的伸长[16]。已有研究显示，稻田养鱼有利于降低土壤容重，提高土壤透气性，进而为好氧微生物活动创造良好环境[17]。在苏打盐碱地上应用围堤养鱼和围堤养鱼后种稻技术能显著降低土壤容重 (图1)。与之相应，之前的研究结果显示，在围堤养鱼3、5和8年后，苏打盐碱地中细菌、纤维素分解菌、磷细菌的数量都呈上升趋势。因此，土壤有机质含量、土壤速效磷含量与土壤容重呈极显著负相关(表3)，随着围堤养鱼年限的增加而增加(图3)。

土壤大团聚体(粒径>0.25 mm)是良好土壤结构的综合体现，对改善土壤肥力、提升土壤生产力等具有重要意义。有机质作为团聚体重要的胶结剂，可提高土壤中大团聚体的数量，促进团聚体的形成以及增强团聚体的稳定性[18]。该研究中土壤水稳性团聚体含量与土壤有机质含量呈极显著正相关(表3)，因此水稳性团聚体含量随着围堤养鱼年限的增加而增加(图1)。土壤团聚体与土壤全氮含量有着密切的联系。这是由于土壤氮素主要是以氨基酸、蛋白质、腐殖质等形式存在的有机氮，在团聚体形成过程中大量的有机氮裹挟在团聚体内部，从而延缓有机氮矿化、损失[19]。该研究中，土壤水稳性团聚体含量与土壤全氮含量呈极显著正相关(表2)，因此土壤全氮含量随着围堤养鱼年限的增加而增加(图3)。

土壤pH值和碱化度是苏打盐碱地的重要属性之一，对于土壤营养成分有效性、土壤微生物活性及作物的生长发育均有显著影响[20]。该研究中试验区土壤pH值和碱化度随着围堤养鱼年限的增加而下降。土壤有机质可能是土壤pH值和碱化度降低的主要原因。有机质对土壤结构有一定的改善作用，通过形成团粒结构破坏盐分沿土壤毛管孔隙随水分上升的条件，降低土壤耕层的盐分积累。另一方面，有机质可以吸附土壤溶液中的盐分离子，从而降低土壤中盐含量。

综上所述，围堤养鱼有效的改善土壤的理化性质，可以增加土壤中的速效养分，然而对全氮全磷全钾等指标影响不大，也就是说，盐碱地围堤养鱼对土壤中养分的活化有促进作用。种植水稻对土壤养分指标、物理指标以及pH值没有显著影响，但是可以有效的降低土壤碱化度，也可以理解为种植水稻可以吸收土壤中的盐分，对土壤的理化性质有促进作用。已有研究表明，养鱼后种稻能促进苏打盐碱地脱盐。但在改良初期由于土壤溶液中存在HCO3-，所以土壤会表现出一定程度的残余碱化现象，土壤剖面通透性较差[21-22]。本研究结果表明，应用围堤养鱼后种稻改良技术苏打盐碱地土壤容重、水稳性团聚体含量、土壤pH值与应用围堤养鱼改良技术无显著差异。土壤养分含量有所下降，这可能与地上植物吸收有关。更详细的研究有待继续。