2. 云南省农业科学院热区生态农业研究所, 云南 元谋 651300
2. Institute of Tropical Eco-Agriculture Science, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Yuanmou 651300, China
我国是世界上化肥生产量和施用量最大的国家[1]，化肥施用比例过高，有机肥比重较少，导致土壤物理性状变差、团粒结构被破坏、土块板结、保水保肥能力降低，从而加大了养分的地表径流，养分流失加剧[2]。与此同时，养殖业产生的粪尿也已成为我国最大的农业污染源[3]，然而，养殖废弃物同时也是物质和能量的载体，是特殊形态的潜在农业资源[4]。有机肥可以提高土壤有机质含量，改善土壤质量，因此，土壤施用有机肥是农业生产中维持及提高土壤肥力的重要举措[5]。有机肥可以降低农民的化肥成本，同时还可以提供土壤碳源、维持物理性质、提供作物需要的大量及微量元素[6]。因此，畜禽粪便施用于农田是实现畜禽粪便资源化的有效途径，能够促进种养殖良性循环、维持生态平衡，在减少化肥施用量、降低农业环境压力方面具有重要意义[7]。
水稻是我国主要的粮食作物，年均种植面积为2 900万hm2[8]。我国稻田湿地占人工湿地面积的95%，可以作为环境污染的净化器[9]。然而，在生产实践中稻田管理多以追求经济效益为主，忽视了其湿地的功能。与此同时，不合理的施肥和灌溉也导致稻田成为农业面源污染的主要来源之一[10]。沟塘系统既是农田排水中污染物的"汇"，又是下游水体污染物的"源"，也是实现农田流失污染物"源-汇"功能转换的重要场所[11]。因此，将具有净化能力的土地利用类型与农田在空间上进行科学镶嵌组合，可以减少农业面源污染负荷[12]。为减少洱海流域农业面源污染负荷、保护洱海水质，使农田生态系统持续健康发展，该研究结合大理当地的奶牛养殖粪便，对N肥设置不同替代比例，将稻田-沟-塘作为一个整体来研究，测定不同植物配置对农田退水的净化效果和植物的N、P产出特征，以期为洱海保护提供科学依据。
1 研究区与研究方法 1.1 研究区概况研究区位于云南省大理白族自治州农业农村部环保所大理综合实验站（25°50'01'' N，100°07'42'' E，海拔1 974.49 m）。该区位于洱海流域，属亚热带高原季风气候区，年平均气温15.7 ℃，年降水量1 000~1 200 mm，降水主要集中在雨季（6-10月），约占年降水量的85%~90%，旱季为11月至次年5月，约占年降水量的10%~15%。研究在2017年7-9月进行，期间的日降水量如图 1所示。
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图 1 2017年6—9月日降水量 Fig. 1 Daily rainfall from June to September in 2017 |
水稻为小区种植，各小区长6 m，宽5 m，面积30 m2，田埂用土夯实，宽0.5 m，土埂加塑料膜防渗，地面高0.4 m，地下深入0.4 m，每种施肥处理设置3个重复小区，随机分配。
小区的出水口直接连接直型生态沟，小区的径流及农田退水进入3条平行的直型沟（直型沟-1、直型沟-2、直型沟-3）后又被引入曲型生态沟，曲型生态沟与氧化塘连接，氧化塘分3级，每级长8 m，宽8 m，池子间用1 m宽的田埂隔开。池壁和田埂面铺设带孔花砖进行半硬化。曲型生态沟与氧化塘、各级生态池间采用直径为10 cm的PVC管连接。生态池地下深0.4 m，地上土埂高0.4 m。
1.3 植物配置种植小区中为水稻，直型生态沟中分别种植茨菇（Sagittaria sagittifolia）+多年生黑麦草（Lolium perenne）、野菱（Trapa incisa）+白三叶（Trifolium repens）、茭白（Zizania latifolia）+高羊茅（Festuca elata）。曲型生态沟中种植稗草（Echinochloa crusgalli）和茭草（Zizania latifolia）。3个氧化塘中分别种植狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、水葫芦（Eichhornia crassipes）和睡莲（Nymphaea tetragona）。农田退水从种植小区顺序流入直型生态沟、曲型生态沟和3个好氧生态池（图 2）。
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图 2 农田水循环系统模式 Fig. 2 Model of farmland water circulation system |
种植水稻品种为"云粳25"，高羊茅为"猎狗6号"，白三叶为"海法"，多年生黑麦草为"热销"，狐尾藻为当地野生的羽状狐尾藻，其他植物都为当地品种，水稻种植密度为40 000穴·(667 m)-2，每穴2~3株幼苗，高羊茅、白三叶、黑麦草使用种子种植，密度为5 g·m-2，狐尾藻及水葫芦为5株·m-2。
1.4 施肥处理水稻设置4个施肥处理：全施化学肥料（100% F）、70%化肥+30%鲜牛粪（70% F+30% M）、50%化肥+50%鲜牛粪（50% F+50% M）、30%化肥+70%鲜牛粪（30% F+70% M）。测定出的鲜牛粪养分含量为：w(全N)为2.248%±0.226%，w(全P)为0.877%±0.046%，w(全K)为0.477%±0.105%，含水量w为78.20%±2.66%（其中营养物质含量是以烘干牛粪计）。供试化肥为尿素〔w（N）=46.4%〕、过磷酸钙〔w（P2O5）=16%〕、硫酸钾〔w（K2O）=50%〕。
根据巨晓棠等[13]提出的理论施氮量计算氮肥需要量，设定施氮量为160 kg·hm-2。牛粪替代化肥采用只替代施入总氮的方式，100% F尿素施肥基:蘖:穗肥比例为1:1:1，磷钾肥作为底肥一次施入，其他有牛粪的施肥处理组把牛粪和磷钾化肥作为底肥在水稻插秧时一次性施入，尿素作为追肥分2次施入。实际施入每个小区的肥量如表 1所示。
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表 1 水稻季各小区实际施入的肥量 Table 1 The actual amount of fertilizer applied in each plot during rice season |
在沟塘植物定植后对沟塘水进行取样，每20 d取一次样，取样点固定。每次采样使用脚踏式真空泵抽取采样点中层的水样，在沟塘取水的同时对各个水稻小区进行田面水取样，在每个小区靠近中心位置的3个点取样、混合，带回实验室于4 ℃冰箱中冷藏，并在48 h内测完。取样共进行4次，分别为2017年7月28日、2017年8月17日、2017年9月6日、2017年9月26日。
水样测定指标有pH值、TN、TP、硝态氮、氨氮浓度和COD、其中TN浓度采用碱性过硫酸钾氧化分光光度法测定；TP浓度采用过硫酸钾氧化分光光度法测定；pH值采用pH计测定；COD采用微波消解重铬酸钾氧化法测定；硝态氮采用酚二磺酸分光光度法测定；氨氮浓度采用纳氏试剂比色法测定。
1.6 植物样品采样及分析方法在2017年10月1日水稻收割时对整个系统的植物进行样方取样。每个小区及沟塘的植物用1 m 1 m的样方框随机取样（睡莲用于观赏且生物量小因此未取样），把整个样方的地上部收割，放入网袋中，带回实验室称重。再把每个样方的植物充分混合，取部分样品烘干、磨细、过筛，测定生物量及N、P含量。植物磨碎样品用H2SO4-H2O2消煮，全磷含量用钼锑抗吸光光度法测定，全氮含量用凯氏定氮法测定。
1.7 种植前土壤背景值水稻种植前于2017年3月用土钻采集各层土壤，风干过筛，进行相关指标的测定。其土壤背景值的测定结果如表 2所示，各指标随着土壤深度的增加而呈逐渐降低的趋势。
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表 2 种植前农田土壤背景值 Table 2 Soil background value of farmland before planting |
实验数据采用Excel 2013和IBM SPSS Statistics 22软件统计分析，OriginPro 9.1软件制图。
田面水中污染物的时间间隔加权浓度计算公式为
| $ {C_{\rm{t}}} = \sum {\rm{ }}[C \times T]/{T_{\rm{t}}}。$ | (1) |
式（1）中，Ct为时间间隔加权污染物浓度，mg·L-1；C为每次取样的污染物质量浓度，mg·L-1；T为两次取样的间隔时间，d；Tt为总生长时间，d，总生长时间为80 d。
| $ P = ({C_{{\rm{in}}}} - {C_{{\rm{out}}}}) \times 100\% /{C_{{\rm{in}}}}。$ | (2) |
式（2）中，P为污染物净化率，%；Cin为进口水体污染物质量浓度，mg·L-1；Cout为出口水体污染物质量浓度，mg·L-1。其中Cin为3条直沟进入曲型沟处的平均浓度（假设入水量一致），Cout为三级生态池的出水口处浓度。
2 结果与分析 2.1 农田系统田面水水质的动态变化图 3为稻田田面水水质随时间的变化特征。4个施肥处理间pH值无显著差异，但是随着时间的推移，田面水pH值呈先降低后逐渐升高的趋势。COD随着时间推移呈先增高后降低特征，且每次不同施肥处理间COD有显著差异，30% F+70% M处理COD较高。TP浓度在水稻生长后期有一个升高的过程，而30% F+70% M处理的ρ（TP）3次取样均最高。第1次取样中50% F+50% M处理的ρ（TN）最高，为0.94 mg·L-1；而30% F+70% M最低，为0.55 mg·L-1，后面3次取样中各施肥处理间无显著差异，但随时间升高较快。NO3--N浓度在研究期间浓度逐渐升高，而NH4+-N浓度则先增加后降低趋势。
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100% F-全施化学肥料，70% F+30% M-70%化肥+30%鲜牛粪，50% F+50% M-50%化肥+50%鲜牛粪，30% F+70% M-30%化肥+70%鲜牛粪。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著（P < 0.05），n=3。 图 3 不同牛粪化肥配施下水稻田面水水质变化 Fig. 3 Change of water quality of field surface in different paddy field under different manure and fertilizer application |
田面水各污染物的时间间隔加权平均值（表 3）反应了污染物的浓度综合水平。COD在各施肥处理间有显著差异，其中70%F+30%M和30%F+70%M处理显著高于100%F和50%F+50%M处理，而TP浓度则70%F+30%M处理显著低于50%F+50%M和30%F+70%M处理（P < 0.05）。TN、NO3--N、NH4+-N的加权浓度在4个施肥处理间无显著差异。
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表 3 水稻田面水4次取样的污染物时间间隔加权浓度 Table 3 Time interval weighted concentration of pollutants in surface water of paddy field |
由图 4可知，3个直型沟水的pH值数值相当，而整个沟塘系统的水样随着水流方向pH值呈升高趋势。COD在第1、2次取样时在水从沟进入塘后急剧下降，而第3、4次取样变化不显著，但最后一个塘中的COD仍有大幅降低。TP浓度在3条平行的直型生态沟汇聚入曲型沟后就大幅降低，在进入第1个生态塘后又进一步降低，但是后2个生态塘对TP的净化效果不显著。直沟3对TN的净化效果较差，而直沟2的效果最佳，在直沟的水汇入曲型沟后，TN浓度又进一步降低，而第2、3塘中的TN浓度有小幅升高，这可能是由于植物生长后期会有一定程度的N释放现象。在4次采样中，直沟汇总的NO3--N浓度在曲型沟及塘中均进一步降低。NH4+-N浓度在直沟汇到曲型沟和一号氧化塘后有较大的降幅，而2号和3号氧化塘对NH4+-N的净化效果不明显。
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100% F-全施化学肥料，70% F+30% M-70%化肥+30%鲜牛粪，50% F+50%M-50%化肥+50%鲜牛粪，30% F+70% M-30%化肥+70%鲜牛粪。 图 4 生态沟塘系统水质变化 Fig. 4 Water quality changes in trench-pond wetland system |
表 4为生态沟塘系统水质各个指标的净化情况。系统对COD的净化率为28.91%~51.77%，对照GB 3838-2002，COD在前2次取样中已达到地表Ⅱ类水标准（ 15 mg·L-1），而后2次取样则达到了地表Ⅲ类水标准（ 20 mg·L-1）。生态沟塘系统TP的净化效果最显著，净化率高达79.59%~91.57%，其4次取样均达到了地表水Ⅱ类标准（ 0.1 mg·L-1）。TN的净化率为4.19%~46.28%，其净化后的水质基本上都达到地表水Ⅲ类标准（ 1.0 mg·L-1）。NO3--N的净化率为6.82%~31.26%；而NH4+-N的净化率为7.77%~41.42%，达到地表水Ⅱ类标准（ 0.5 mg·L-1）。因此，从生态沟塘系统对稻田退水及径流的净化效果及净化率来看，排放的水质总体达到了地表Ⅲ类水的标准。
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表 4 生态沟塘系统各水质指标 Table 4 The water quality purification rate of ecological ditch and pond system |
植物吸收带走的N、P是生态沟塘系统N、P主要的吸收移除途径。该研究中沟塘植物的生物量及N、P含量见表 5。其中生物量最高的为野菱+白三叶，高达13.55 t·hm-2，而茨菇+多年生黑麦草的生物量也高达8.66 t·hm-2。植物样中w(N)最高的是羽状狐尾藻，为16.26 g·kg-1，水葫芦的w(N)仅次于狐尾藻，为13.98 g·kg-1。植物的w(P)是茭白+高羊茅和野菱+白三叶最高，均为2.91 g·kg-1。然而，单独的生物量和N、P含量不能说明N、P的移除量，只有将两者相结合才能决定植物最终的移除效果。N产出最高的植物为羽状狐尾藻和水葫芦，分别为100.26和98.06 kg·hm-2，P产出最高的是野菱+白三叶, 为39.43 kg·hm-2，其次为茨菇+多年生黑麦草，为20.03 kg·hm-2。
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表 5 沟塘水处理系统植物收割带走的氮磷 Table 5 The amount of nitrogen and phosphorus taken away by the plant harvesting in the ditch and pond water treatment system |
水稻产量及氮、磷含量是其品质及肥料利用的重要参数。4个施肥处理的水稻籽粒、茎叶产量及氮、磷含量见表 6。水稻籽粒产量、氮、磷含量和茎叶产量在4个施肥处理间没有显著差异，而50% F+50% M和70% F+30% M处理茎叶氮含量显著高于100% F和30% F+70% M处理，100% F和70% F+30% M处理茎叶磷含量显著高于50% F+50% M和30% F+70% M处理（P < 0.05）。因此，综合考虑产量及氮、磷含量，则70% F+30% M的施肥处理效果最优。
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表 6 水稻产量及氮磷含量特征 Table 6 The yield and contents of nitrogen and phosphorus of rice |
该研究中田面水TN、NO3--N、NH4+-N浓度在4种稻田施肥处理间差异不显著。姜利红等[14]研究发现用堆肥替代20%氮肥处理比单施化肥更能降低水稻田径流水中N流失负荷，这与该研究田面水TN浓度的变化规律不尽相同。周江明[15]研究表明，有机肥氮施用比例为20%时水稻氮素累积量最高，有利于氮素的吸收利用，有机肥施用比例过高则土壤有效N前期不足，导致水稻营养不良。相对于化肥而言，在相同的P投入条件下，施用粪肥对土壤活性P的积累贡献更大[16]。有研究表明，相比于化肥，粪肥P具有同等甚至更高的作物有效性[17]。长期施用粪肥能够加速土壤中P的积累量，造成额外的P盈余[18]。农田中过量施用粪肥，提供了多于植物需求的P，就会导致土壤总P的增加，通过地表径流或淋溶增加地表水和地下水污染的风险[19]。李喜喜等[4]研究表明，相比于常规施肥，猪粪化肥配施和单独施用猪粪均提高了田面水P浓度，增加了P流失的风险。刘勤等[20]的研究也显示，畜禽粪便中的P较易转化为水溶态。而笔者研究发现，相较于100% F处理来说，50% F+50% M和30% F+70% M处理确实增加了田面水TP浓度，但是70% F+30% M处理的水稻田面水TP浓度却降低了，这可能是由于70% F+30% M处理可最大限度提供水稻生长所需养分，因此田面水浓度较低。COD是衡量水体有机物质多少的指标。该研究中100% F和50% F+50% M处理的田面水COD较70% F+30% M和30%F+70%M处理低，但是4个施肥处理的田面水COD均接近地表水Ⅰ类和Ⅱ类标准，对环境的威胁不大。同时，综合考虑水稻籽粒及茎叶的产量和氮磷含量，则70% F+30% M处理最优。
3.2 生态沟塘系统对污染物的净化效果沟塘湿地是一个土壤-植物-微生物的复合系统，通过底泥的吸附和截留、微生物降解、植物吸收、根区反应等综合作用，以达到对农田排水中氮磷的净化作用[21]。水体中N一方面通过植物的吸收同化作用，一方面通过微生物的硝化和反硝化作用去除[22]；P主要通过沉淀、基质吸附、植物吸收同化、聚磷菌的聚合作用去除[23]；而COD主要通过沉降、基质吸附、微生物作用去除[24]。RAY等[25]的研究发现，农田排水沟渠对径流污染物的去除率可达到35%~90%。该研究中沟塘系统对农田退水TN的净化率为4.19%~46.28%，对TP的净化率为79.59%~91.57%，对COD的净化率为28.91%~51.77%，同一沟塘处理系统在不同的时间对TN、TP、COD的净化率不尽相同，但是对TP和COD的净化效果尤为突出。徐芳等[26]的研究中，试验前期COD下降迅速，随后下降缓慢，表明COD在经历了前期较好的净化后，水中剩余一部分有机质很难去除。VYMAZL等[27]的研究中也提到污水中有一部分不易降解的有机物质。MONTEMURRO等[28]研究表明，植物对水体中某种营养物质的吸收利用率与它的供应浓度有关。在一定的浓度范围内，植物吸收离子的速度随介质中浓度的升高而增加，浓度降低则吸收速率降低[29]。该研究中也表现出污染物在生态沟及一级好氧池中的净化效果显著，但是在二级、三级好氧池中则无更优的去除效果，这也说明污染物浓度降低到一定程度后净化速度变缓。这是因为在一定的浓度范围内N、P等营养物质浓度增加，一方面促进植物的吸收作用，另一方面促进了微生物降解作用，因而提高了水体营养物质的净化率[30]。周玥等[30]对4种湿地植物对污水的去除效果研究中也发现，水体中TN浓度、TP浓度和COD呈现试验前期快速下降，后期缓慢下降的趋势，且湿地植物对高浓度污水中TN、TP和COD的净化效果优于低浓度污水。大量研究表明，施用畜禽粪便易带来的问题就是土壤P的积累和有机质的增加，反应到田面水则为水体TP浓度和COD的增加，而人工沟塘系统正好在降低这2个污染物上有较好的效用。徐芳等[26]对几种禾草对水体的净化效果研究表明，处理20 d供试植物对TP和COD的去除率分别达到79%和59%以上。
3.3 沟塘植物的氮磷特征植物可直接吸收水体及沉积物中的N、P，并将其转化成自身所需物质，最后通过植物收割体移除[31]。金树权等[32]比较了10种水生植物对水体的净化，发现植物净增长生物量是决定植物的水质净化效果的重要因素。ZHU等[33]研究了水体净化过程中植物的生物量累积，结果表明植物的水上部分比重越大，越利于通过收获而达到水体净化的目的。该研究中野菱+白三叶的地上生物量最高，虽然N、P含量不是最高，但是通过植物收割去除的N高达68.33 kg·hm-2，P高达39.43 kg·hm-2，能够高效去除水体中的N、P。徐德福等[34]对湿地植物的研究发现，不同湿地植物地上部分w(N)的变化范围为22.13~33.03 mg·g-1，其中w(N)最高的是凤眼莲；湿地植物地上部分w(P)的变化范围是2.53~5.38 mg·g-1。而该研究沟塘植物中w(N)的变化范围较大，为1.87~10.65 g·kg-1，而w(P)为2.15~5.20 g·kg-1，这可能是由于植物种类不同所致。韩例娜等[35]研究发现，农田沟渠中几种水生植物地上部的w(N)为8.08~16.39 g·kg-1，w(P)为1.34~3.82 g·kg-1，其中狐尾藻的w(N)和w(P)分别为9.83和2.26 g·kg-1，表明狐尾藻是具有较大潜力的N、P富集植物。该研究在对几种单种植物样的测定中发现，w(N)和w(P)最高值均为羽状狐尾藻，分别为16.26和2.36 g·kg-1，而最低的均为稗草，分别为1.68和1.04 g·kg-1。鲁静等[36]也对洱海流域的湿地植物进行过N、P含量测定，表明植物中w(TN)变化范围为6.4~34.3 mg·g-1，w(TP)变化范围为1.4~6.5 mg·g-1，不同种植物间N、P的含量变异很大。因此，提高生物量产出是移除N、P的有效途径。
4 结论（1）70% F+30% M处理的田面水TP浓度显著低于其他施肥处理组，综合考虑水稻产量及N、P含量，70% F+30% M处理可以作为水稻施肥的首选配比。
（2）生态沟塘系统对TP和COD的净化效果最强，净化率分别为79.59%~91.57%和28.91%~51.77%，因此生态沟塘可以有效降低稻田中施用牛粪带来的负面生态效应。
（3）野菱+白三叶可以优先选用为生态沟系统的配置植物，其在P的移除上效果显著；狐尾藻和水葫芦在好氧池中对N的移除效果显著，可以用来吸收农田系统多余的N。
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