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莱州湾地区海水养殖废水灌溉耐盐植物—菊芋和油葵的研究

赵耕毛  
【摘要】: 我国拥有18000 km的海岸线,海涂面积达200万公顷。20世纪80年代以来,随着我国滩涂开发力度的不断加大,海岸带地区资源与环境矛盾日益突出。淡水资源短缺、土壤盐渍化、海水增养殖区以及近海海洋污染明显影响和制约着该地区农业与渔业经济健康、稳定和持续发展。在不破坏生态环境的前提条件下,如何合理利用现有资源,走可持续发展之路,已经成为该地区农业、渔业经济发展中亟需解决的问题。海水养殖废水是海水养殖过程中产生的、富含氮、磷等营养盐的副产物,如果不加处理直接向海洋排放,必将造成近海海洋污染。因此,根据水土资源优化配制原则,将海水养殖废水直接灌溉耐盐或盐生经济植物,建立起海水农业-渔业新型复合生态体系,通过其系统内部净化机制,实现海水农业、渔业及海洋环境互赢,是既具有科学理论意义又有重要应用价值的切实可行的举措。2004~2005年,在山东莱州(半湿润易旱地区),通过布置蒸渗、微区、~(15)N同位素示踪和田间试验,研究了海水养殖废水灌溉菊芋和油葵条件下的水分、盐分和养分通量;海水养殖废水灌溉对土壤发育安全的影响;海水养殖废水灌溉对菊芋和油葵生长和产量的影响;海水养殖废水灌溉对地下水环境的影响;同时利用Watsuit模型对海水养殖废水灌溉耐盐植物体系的安全性作了初步评估。旨在为海水农业.渔业复合生态体系的创建,提供理论与实践依据。 1.通过蒸渗试验、微区试验和~(15)N同位素示踪试验,分别研究了海水养殖废水菊芋和油葵条件下的水分、盐分和养分通量。 蒸渗试验结果表明:(1)对于淋洗分数(LF)为0.1、0.2、0.3、0.4的海水养殖废水灌溉处理,用于蒸散的海水养殖废水量分别占菊芋生育期总蒸散量的36.5、36.2、37.0和37.3%,而有效降水量分别占总蒸散量的49.5、46.3、41.9和38.7%;对于油葵,用于蒸散的海水养殖废水量分别占油葵生育期总蒸散量的40.3、45.3、50.2和60.1%。(2)对于LF分别为0.1、0.2、0.3、0.4的处理,菊芋生育期因灌溉携入土体的总盐分分别达到了108.5、122.1、139.5、162.8g,深层渗漏的盐分分别为17.5、28.1、40.8、55.7g,土壤盐分的净积累量分别达到了91.0、94.0、98.7、107.1g;油葵生育期因灌溉携入土体的总盐分分别为54.3、61.1、69.8、81.4g,深层渗漏的盐分分别为15.8、27.9、37.4、52.8g;土壤盐分的净积累量分别达到了38.5、33.2、32.4、28.6g。(3)对于LF分别为0.1、0.2、0.3、0.4的处理,菊芋生育期因灌溉携入耕层土壤的铵态氮(NH_4-N)分别为2.37、2.67、3.05、3.56 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的铵态氮分别为0.37、0.38、0.79、0.75 mg,土壤中铵态氮的净积累量分别达到了2.00、2.29、2.27、2.82 mg;携入耕层土壤的硝态氮(NO_3-N)分别为9.84、11.07、12.64、14.76 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的硝态氮分别为8.03、9.20、11.35、13.84 mg,土壤中硝态氮的净积累量分别达到了1.81、1.40、1.29、0.92 mg;携入耕层土壤的活性磷酸盐(PO_4-P)分别为4.41、4.96、5.67、6.61mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的活性磷酸盐分别为1.38、2.28、3.23、4.95 mg;土壤中活性磷酸盐的净积累量分别达到了3.03、2.68、2.44、1.67 mg。油葵生育期因灌溉携入耕层土壤的铵态氮(NH_4-N)分别为2.97、3.34、3.80、4.45 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的铵态氮分别为0.42、0.58、0.75、0.58 mg,土壤中铵态氮的净积累量分别达到了2.55、2.76、3.06、3.88 mg;携入耕层土壤的硝态氮(NO_3-N)分别为5.18、5.82、6.65、7.76 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的硝态氮分别为8.03、9.20、11.35、13.84mg,土壤中硝态氮的净积累量为负值,分别为-0.63、-3.96、-2.05、-0.77mg;携入耕层土壤的活性磷酸盐(PO_4-P)分别为1.53、1.72、1.96、2.29 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的活性磷酸盐分别为0.78、1.00、1.54、2.72 mg,土壤中活性磷酸盐的净积累量分别达到了0.75、0.71、0.45、-0.43 mg。 微区试验结果表明:(1)不同处理菊芋的蒸散量(ET)也不同,CK1、CK2、1:1、1:2、1:3、1:4处理,其总蒸散量分别为456.0、747.6、673.9、684.8、720.8、722.0 mm;不同处理油葵的总蒸散量分别为243.9、409.8、364.1、372.9、381.0、372.6 mm。(2)对于1:1、1:2、1:3、1:4的海水养殖废水处理,菊芋生育期单个微区因灌溉携入土体的总盐分分别为48.0、6960.0、5070.0、4110.0、3534.0 g,深层渗漏的盐分分别为1302.6、1134.0、812.4、711.0 g,土壤中盐分的净积累量分别达到了5687.4、3936.0、3297.6、2823.0 g;同样对于1:1、1:2、1:3、1:4的海水养殖废水处理,油葵生育期单个微区因灌溉携入土体的总盐分分别为2688.0、1971.0、1614.0、1398.0 g,深层渗漏的盐分分别为774.0、601.8、397.8、402.0 g,土壤中盐分的净积累量分别达到了2914.0、1369.2、1216.2、996.0 g。(3)对于1:1、1:2、1:3、1:4的海水养殖废水处理,菊芋生育期因灌溉而携入耕层土壤的铵态氮(NH_4-N)分别为336.0、276.0、246.0、228.0 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的铵态氮分别为123.0、154.8、141.6、84.0mg,土壤中铵态氮的净积累量达到了213.0、121.2、104.4、144.0 mg;携入土壤耕层的硝态氮(NO_3-N)的量分别为942.0、750.0、648.0、594.0mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的硝态氮分别为531.0、300.6、334.2、333.0 mg,土壤中硝态氮的净积累量分别达到了411.0、449.4、313.8、261.0 mg;携入耕层土壤的活性磷酸盐(PO_4-P)分别为438.0、360.0、318.0、294.0 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的活性磷酸盐分别为244.8、174.6、277.8、227.4 mg,土壤中活性磷酸盐的净积累量分别达到了193.2、185.4、40.2、66.6 mg。同样对于1:1、1:2、1:3、1:4的海水养殖废水处理,油葵生育期因灌溉携入耕层土壤的铵态氮(NH_4-N)分别为201.0、162.0、144.0、132.0 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的铵态氮分别为72.6、93.6、88.8、62.4 mg,土壤中铵态氮的净积累量分别达到了128.4、68.4、55.2、69.6mg;携入耕层土壤的硝态氮(NO_3-N)分别为654.0、492.0、411.0、360.0 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的硝态氮分别为262.8、225.6、331.8、209.4mg,土壤中硝态氮的净积累量分别达到了391.2、266.4、79.2、150.6 mg;携入耕层土壤的活性磷酸盐(PO_4-P)分别为171.0、132.0、114.0、105.0 mg,深层渗漏淋洗出耕层土壤的活性磷酸盐分别为109.2、112.2、87.0、103.2 mg,土壤中活性磷酸盐的净积累量分别达到了61.8、19.8、27.0、1.8 mg。 ~(15)N同位素示踪试验结果表明:海水养殖废水中的N素,26.1%和27.6%分别被菊芋和油葵吸收利用,45.0%和40.3%被耕层土壤截留,28.9%和32.1%的N素挥发或淋洗损失。 2.通过微区试验研究了海水养殖废水灌溉对土壤发育安全的影响。结果表明:(1)在菊芋关键生育期,利用海水养殖废水灌溉补充灌溉2次,土壤饱和电导率(ECe)发生了明显变化。海水养殖废水灌溉处理较不灌溉(CK1)或淡水灌溉处理(CK2)明显提高,而且随着灌溉水矿化度的增加,ECe也有明显增加的趋势。油葵生育期用海水养殖废水补充灌溉1次,土壤表层ECe没有表现出明显差异,这主要归功于油葵播种前的淡水淋洗作用。土壤中下层ECe有所增加,且随着灌溉水矿化度的增加,ECe也有增加的趋势。(2)海水养殖废水灌溉明显增加了土壤溶液浓度,菊芋收获期土壤溶液的测定结果表明:各海水养殖废水灌溉处理,土壤溶液浓度均超过了莱州湾海水的矿化度(33.1 g L~(-1))。对于油葵,海水养殖废水灌溉后,除不灌溉处理外,土壤溶液浓度均大于20.0 g L~(-1)。(3)海水养殖废水灌溉后,土壤pH发生了明显变化。无论菊芋还是油葵,随着海水养殖废水矿化度的增加,土壤饱和溶液pH值都有增加的趋势,而且1:1、1:2和1:3的海水养殖废水处理,其pH值与对照处理相比具有显著差异。(4)海水养殖废水灌溉下饱和土壤溶液的钠吸附比(SARs)较CK1、CK2明显增加,但随着灌溉水矿化度的增加,土壤SAR值却有降低的趋势。(5)淡水灌溉或低矿化度的海水养殖废水灌溉都使土壤入渗性能明显下降;反之,高矿化度的海水养殖废水灌溉有利于土壤入渗性能增强。(6)耕层(0-40cm)土壤水分的变化受降水、蒸发等因素影响较大,表现出明显的波动性;而耕层以下土壤恰恰相反,水分含量相对比较稳定。从水分的层次分布来看,随着土层深度的增加,土壤含水量有逐渐增加的趋势。(7)海水养殖废水灌溉处理,0-60 cm土层中Na~+和Cl~-较对照处理(CK1、CK2、CK3)明显增加,尤其0-5 cm的土壤表层,上述2种离子的积累非常明显。(8)海水养殖废水灌溉菊芋和油葵,土壤全氮含量没有明显变化。而土壤有效磷含量除1:4处理0-20 cm土层明显增加外,其它海水养殖废水灌溉处理与对照处理没有明显差异。 3.通过微区试验研究了海水养殖废水灌溉对菊芋和油葵生长和产量的影响,明确了菊芋和油葵的耐盐性,同时率定了上述两种耐盐作物的水分利用效率等关键参数,分析了菊芋和油葵对N、P养分吸收的影响。结果表明:(1)低矿化度的海水养殖废水灌溉条件下,尽管菊芋株高受到影响,但茎粗有增加趋势,表明低盐胁迫促进了菊芋株型的改善和优化;对于油葵,株高和茎粗均小于对照处理,尤其是株高,则达到了显著水平(P<0.05),表明盐分胁迫明显抑制了油葵生长。(2)海水养殖废水灌溉抑制了菊芋地上部生长,但低矿化度的海水养殖废水灌溉却能促进菊芋地下部的生长。淡水和海水养殖废水灌溉使油葵的生物量明显降低,这充明表明油葵具有另一明显特点,即耐旱性,适度的水分胁迫有利于油葵生长。(3)1:3和1:4的海水养殖废水灌溉处理菊芋的块茎产量明显高于对照处理,表明低盐胁迫可以促进菊芋块茎产量的形成;然而油葵的结果却相反,海水养殖废水灌溉处理的籽粒产量较不灌溉处理有不同程度的下降,且除1:4处理外均与不灌溉处理产生明显差异,表明盐分胁迫不利于油葵籽粒产量的形成。进一步结果显示,千粒重和盘粒数是影响油葵籽粒产量的主要因素,而秕壳率和皮壳率与籽粒产量形成无关。(4)低矿化度的海水养殖废水灌溉菊芋的收获指数较高;而油葵相反,高矿化度的海水养殖废水处理取得较高的收获指数。(5)菊芋的临界耐盐矿化度为5.97 dS m~(-1),每增加1个单位的电导率,菊芋块茎相对产量下降5.21%。菊芋的耐盐性表达式为:Yr=100-5.21(ECw-5.97)。油葵的耐盐性明显小于菊芋,其临界耐盐矿化度为2.18 dSm~(-1),每增加1个单位的电导率,油葵籽粒相对产量下降5.80%。油葵的耐盐性表达式为:Yr=100-5.80(ECw-2.18)。(6)海水养殖废水灌溉下,菊芋和油葵的水分利用效率较对照均有不同程度的下降,表明盐胁迫影响了作物对水分的吸收和利用。(7)Na~+含量由低到高依次为:CK2、CK1、CK3、1:4、1:2和1:1处理。各部位Na~+含量均是根大于茎、叶和块茎。海水养殖废水灌溉对菊芋叶和块茎中的Na~+影响较小,而对根系和茎影响较大。Cl~-则在根、茎、叶、块茎中均有明显积累的趋势,尤其是块茎部分。海水养殖废水灌溉对油葵的叶、葵盘、籽粒中Na~+影响较小,而对根系和奎影响较大。Cl~-与Na~+的分配规律基本相似。(8)淡水灌溉促进了菊芋和油葵对N、P养分的吸收,而海水养殖废水灌溉不同程度地抑制了作物对养分的吸收,因此菊芋和油葵对N、P养分的吸收与灌溉水的矿化度有关。 4.采用对比的方法,在试验区和邻近的非试验区设立2口定位观测井,对菊芋和油葵试验期间地下水的电导率(EC)、硝酸盐(NO_3-N)、氨氮(NH_4-N)和活性磷酸盐进行了监测。结果表明:(1)菊芋和油葵试验期间,试验区和邻近的非试验区的地下水电导率年度和年际变化均小于2个电导度单位。(2)试验区和邻近非试验区地下水中的硝酸盐含量均在4.0~5.0 mg L~(-1)之间,属于Ⅱ类水质标准。(3)试验区和邻近非试验区的地下水中的氨氮含量较低,范围为0.05~0.31 mg L~(-1)之间,属于Ⅱ-Ⅳ类水质标准。(4)海水养殖废水灌溉下地下水中活性磷酸盐的含量为0.24~0.73 mg L~(-1)。统计分析结果表明,2口定位观测井之间各项监测指标均无明显差异,说明试验区地下水未受到污染。 5.运用联合国粮农组织推荐的Watsuit模型对海水养殖废水灌溉菊芋和油葵条件下土壤和作物安全作了初步评价。结果表明:(1)1:3和1:4的海水养殖废水灌溉处理,根区ECe在3.0~6.0 dS m~(-1)之间,在菊芋耐盐范围之内,说明用上述两种矿化度的海水养殖废水灌溉,可以确保土壤安全和作物高效。海水养殖废水灌溉条件下,油葵的籽量产量明显下降,根区ECe均大于3.0 dS m~(-1),超出了油葵的耐盐范围(1.5~3.0 ds m~(-1)),因此各海水养殖废水处理已经对土壤和作物安全产生负面影响。(2)海水养殖废水灌溉SAR值较低(<10 mmol~(1/2)L~(-1/2)),而Ca~(2+)浓度大于2mmolL~(-1),表明海水养殖废水灌溉不会引起土壤碱化和作物营养失调。


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