宋 蝶, 何忠虎, 董永華, 戴 巍, 楊曉磊, 曹林奎, 沙之敏**

沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田氮素流失和Cu、Pb變化的影響*

宋 蝶1, 何忠虎2, 董永華3, 戴 巍1, 楊曉磊4, 曹林奎1, 沙之敏1**

(1. 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院 上海 200240; 2. 上海新農(nóng)飼料股份有限公司 上海 201600; 3.上海市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心 上海 201799; 4. 上海市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心 上海 201103)

養(yǎng)分流失和重金屬積累是沼液還田資源化利用過程中的主要問題。為探討利用浮萍吸收氮磷、富集重金屬的能力調(diào)控沼液施用中環(huán)境污染問題的可行性, 在上海市金山區(qū)開展了水稻田間試驗(yàn), 研究沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田氮素流失和Cu、Pb的影響。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理: 常規(guī)化肥、常規(guī)化肥+浮萍、沼液全量替代化肥和沼液全量替代化肥+浮萍, 測(cè)定并比較了不同處理下稻田田面水氮素濃度變化、徑流水氮素流失負(fù)荷, 土壤、水稻籽粒及秸稈中Cu和Pb含量差異。結(jié)果表明: 不同處理田面水總氮、銨態(tài)氮(NH4+-N)濃度變化趨勢(shì)基本一致, 均在每次施肥后第1 d達(dá)到峰值, 此后逐日遞減, 在施肥后第5 d降至峰值的30%以下; 硝態(tài)氮(NO3–-N)濃度峰值滯后3~7 d。稻田中添加浮萍能夠顯著降低田面水TN含量, 沼液全量替代化肥+浮萍處理的TN總徑流流失負(fù)荷為3.67 kg?hm-2, 比常規(guī)化肥處理顯著降低37.2%。沼液全量替代化肥+浮萍處理土壤Cu和Pb含量為22.65 mg?kg-1和49.05 mg?kg-1, 與其他處理間無顯著差異; 但土壤有效態(tài)Cu和Pb含量較常規(guī)化肥處理顯著提高18.6%和17.5%。不同處理水稻秸稈Cu和Pb、籽粒Pb含量無顯著差異, 但沼液全量替代化肥+浮萍處理水稻籽粒Cu含量較沼液全量替代化肥處理顯著減少41.1%。綜上, 沼液施用條件下添加浮萍可以降低稻田氮素流失, 在控制土壤、籽粒和秸稈中重金屬Cu和Pb含量增加方面具有一定效果, 在短期內(nèi)可以作為沼液還田模式下水體和土壤污染有效的調(diào)控手段。

稻田; 沼液; 浮萍; 氮素流失; 流失負(fù)荷; 重金屬

浮萍()為浮萍科(Lemnaceae)水生維管束植物, 生于沼池、湖泊或靜水中, 具有繁殖快、產(chǎn)量高、個(gè)體小、易從污染水體中快速富集重金屬等優(yōu)點(diǎn)[21]。浮萍科植物對(duì)污水中的氨、重金屬等均具有較高的耐受性[22-25], 能在多種富含營養(yǎng)的污水中生長, 在污水中相對(duì)生長速率可達(dá)0.10~0.35 g(DW)?g(DW)-1?d-1[26]。近年來, 我國已在相關(guān)領(lǐng)域開展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究, 如pH[22]和溫度[27]等環(huán)境因子對(duì)浮萍生長影響等基礎(chǔ)研究, 以及浮萍污水凈化系統(tǒng)的除氮途徑[28]、富集重金屬的浮萍品種篩選[29]、浮萍對(duì)豬場(chǎng)廢水中氮磷去除[30]、沼液濃度對(duì)浮萍生長的影響[31]等應(yīng)用研究。沈根祥[32]早于2005年在利用浮萍凈化氮磷污水方面研究取得相關(guān)進(jìn)展。于斌[33]研究表明, 浮萍投放密度為60%~100%時(shí)對(duì)氮磷的去除率較高。

目前浮萍相關(guān)研究大多數(shù)為室內(nèi)模擬試驗(yàn), 缺乏大田試驗(yàn)驗(yàn)證, 而養(yǎng)分流失和重金屬積累是沼液還田資源化利用過程中的主要問題, 浮萍具有吸收氮磷、富集重金屬的優(yōu)點(diǎn), 在沼液還田中環(huán)境污染問題的調(diào)控具有較大的潛力。但針對(duì)沼液施用下添加浮萍對(duì)稻田氮素流失的減少效果和對(duì)土壤重金屬Cu和Pb含量影響程度的研究目前尚不清楚。因此, 本研究擬通過大田試驗(yàn), 研究在上海郊區(qū)沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田氮素流失和土壤重金屬Cu和Pb含量的影響, 以期為沼液的稻田安全利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在上海市金山區(qū)某規(guī)?；i場(chǎng)附近稻田中(30°54′N, 121°9′E)開展, 該地區(qū)位于上海市西南遠(yuǎn)郊, 屬北亞熱帶季風(fēng)地區(qū), 雨量充沛, 年平均降雨量1 156.7 mm。試驗(yàn)田長期種植水稻, 土壤質(zhì)地為黏壤土, 試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)為: 全氮1.82 g?kg-1、全磷0.68 g?kg-1、全鉀2.35 g?kg-1、有效磷17.69 mg?kg-1、速效鉀123.96 mg?kg-1、有機(jī)質(zhì)39.49 g?kg-1、pH 7.60、全Cu 26.42 mg?kg-1、全Pb 55.64 mg?kg-1。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理: 1)常規(guī)化肥處理(CF), 施用以尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀為肥源的氮、磷、鉀肥, 用量按上海地區(qū)推薦施肥設(shè)置, 分別為300 kg(N)?hm-2、75 kg(P2O5)?hm-2、120 kg(K2O)?hm-2; 2)常規(guī)化肥+浮萍處理(CF+D); 3)沼液全量替代化肥處理(BS); 4)沼液全量替代化肥+浮萍處理(BS+D)。不同處理具體施肥量見表1, 每處理施氮量均為300 kg(N)?hm-2。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組排列, 小區(qū)面積為400 m2。水稻于6月23日插秧, 11月9日收獲。試驗(yàn)中沼液按常規(guī)水稻氮肥施用時(shí)期分3次施入, 比例為2∶1∶1。根據(jù)前人研究結(jié)果, 浮萍投放初始密度設(shè)置為80%[33], 在稻田灌水插秧時(shí)投入, 其他田間管理措施按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)進(jìn)行。

1.3 采樣及測(cè)定方法

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

氮素流失負(fù)荷(kg?hm-2)=徑流水氮素濃度(mg?L-1)×徑流量(L?m-2) (1)

徑流量(L?m-2)=0.899×降雨量(mm)-14.017[35](2)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016、SPSS 22、Origin 2017軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田田面水氮素濃度動(dòng)態(tài)變化的影響

從圖2可知, 不同處理田面水TN濃度均在每次施肥后1 d達(dá)到峰值, 此后逐日遞減。CF、CF+D、BS、BS+D處理田面水TN濃度在第1次施肥后1 d分別達(dá)到峰值45.09 mg?L-1、31.05 mg?L-1、45.92 mg?L-1、33.55 mg?L-1, 第2次施肥后1 d分別達(dá)到峰值23.76 mg?L-1、24.03 mg?L-1、20.50 mg?L-1、31.94 mg?L-1, 第3次施肥后1 d分別達(dá)到峰值29.45 mg?L-1、27.26 mg?L-1、20.98 mg?L-1、8.90 mg?L-1。田面水TN濃度在施肥后5 d降至峰值的30%以下, 7 d降至峰值的20%以下, 10 d降至峰值的10%以下, 并趨于穩(wěn)定。整個(gè)水稻生長季CF、CF+D、BS、BS+D處理田面水TN平均濃度分別為13.14 mg?L-1、12.10 mg?L-1、12.40 mg?L-1、10.40 mg?L-1(15次), BS+D處理最低, 氮流失風(fēng)險(xiǎn)最低。

表1 不同處理的施肥量

圖1 徑流裝置示意圖

2.2 沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田氮素徑流流失的影響

2018年水稻季發(fā)生強(qiáng)降雨并產(chǎn)生徑流共6次, 不同處理徑流總氮流失量為0.14~2.21 kg?hm-2(圖3); 不同日期TN流失負(fù)荷存在較大差異。7月4日, CF處理TN徑流流失負(fù)荷高達(dá)1.95 kg?hm-2, 顯著高于其他3種處理, 且該天的徑流量為13.4 L?m-2; 7月6日各處理平均TN徑流流失負(fù)荷為0.19 kg?hm-2, 僅占TN總徑流流失負(fù)荷(4.74kg?hm-2)的4.01%, 因?yàn)樵撎焓堑?次施肥后的13 d, 此時(shí)田面水中TN濃度較低, 且產(chǎn)生的徑流量也較低。盡管8月21日已是第3次施肥后的11 d, 但試驗(yàn)區(qū)遇臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水, 產(chǎn)生徑流量平均高達(dá)70.6 L?m-2, CF、CF+D、BS和BS+D處理的TN徑流流失負(fù)荷均較高, 分別為1.12 kg?hm-2、1.71 kg?hm-2、1.61 kg?hm-2和1.33 kg?hm-2, 占對(duì)應(yīng)處理生育期TN總徑流流失負(fù)荷(5.84 kg?hm-2、4.17 kg?hm-2、5.27 kg?hm-2、3.67 kg?hm-2)的20.7%、40.9%、33.3%和36.2%。因此, 徑流水中TN濃度和降雨量是氮素流失的主要影響因素。

圖2 浮萍對(duì)沼液施用條件下稻田田面水總氮(TN)、和濃度的動(dòng)態(tài)變化

圖3 浮萍對(duì)沼液施用條件下稻田總氮(TN)徑流流失動(dòng)態(tài)變化

不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

表2 浮萍對(duì)沼液施用條件下稻田氮素總徑流流失負(fù)荷

不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

2.3 稻田氮素徑流流失風(fēng)險(xiǎn)分析

為了能夠更好地評(píng)估浮萍對(duì)沼液施用條件下不同施肥時(shí)期稻田氮素流失風(fēng)險(xiǎn), 假設(shè)每次施肥后1 d、3 d、5 d、7 d產(chǎn)生相同的徑流排水量, 用此排水量與施肥后田面水氮素濃度的乘積來估算[36]稻田TN流失負(fù)荷并進(jìn)行分析。

上海地區(qū)多年降水量約為1 200 mm, 6—8月降水總量450~480 mm, 而此時(shí)是稻田施肥的關(guān)鍵時(shí)期,也是試驗(yàn)區(qū)大到暴雨最集中的月份, 極易產(chǎn)生徑流。本研究中, 徑流排水口高出土壤10 cm, 田面水高度一般為8 cm左右, 連續(xù)降雨量大于20 mm后就會(huì)產(chǎn)生徑流?，F(xiàn)假設(shè)徑流排水量為10 mm, 不同施肥時(shí)期TN流失負(fù)荷如表3所示。結(jié)果表明, CF、CF+D、BS、BS+D處理的TN流失負(fù)荷在第1次施肥后的1 d為3.11~4.59 kg?hm-2, 施肥后3 d、5 d和7 d降為施肥后1 d的45.7%~80.5%、17.5%~44.8%和13.4%~26.5%; 第2次施肥后1 d為2.05~3.19 kg?hm-2, 施肥后5 d、7 d降為施肥后1 d的23.4%~34.1%和13.8%~25.4%; 第3次施肥后1 d為0.89~2.95 kg?hm-2, 施肥后5 d、7 d降為施肥后1 d的4.1%~28.1%和4.4%~20.0%。TN的流失負(fù)荷隨時(shí)間推移逐漸降低。當(dāng)徑流排水與施肥時(shí)間越接近, TN流失風(fēng)險(xiǎn)越大。此外, CF、CF+D、BS、BS+D處理在3次施肥后產(chǎn)生10 mm的徑流排水量的情況下4次測(cè)定的TN流失總負(fù)荷分別為18.77 kg?hm-2、17.32 kg?hm-2、17.13 kg?hm-2、14.77 kg?hm-2。其中, 相比于CF處理, CF+D、BS和BS+D處理的TN流失負(fù)荷分別減少7.7%、8.7%和21.3%。沼液代替化肥灌施稻田可以減少約9%的TN流失負(fù)荷, 而添加浮萍可以減少約8%~22%的TN流失負(fù)荷, 因此在沼液中添加浮萍對(duì)于減少稻田TN流失負(fù)荷的效果更明顯。

2.4 沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田土壤及水稻Cu和Pb含量的影響

2.4.1 對(duì)土壤Cu和Pb含量的影響

由表4可知, 土壤Cu和Pb全量在各處理間差異不顯著, 含量為22.65~24.38 mg?kg-1和48.45~53.28 mg?kg-1。一年內(nèi)沼液施用不會(huì)顯著增加土壤Cu和Pb全量。相比于CF處理, CF+D和BS+D處理的土壤Cu和Pb全量均有一定程度的減少。

表3 假設(shè)產(chǎn)生10 mm徑流排水量浮萍對(duì)沼液施用條件下不同施肥時(shí)期稻田總氮的流失負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化

表4 浮萍對(duì)沼液施用條件下稻田土壤Cu和Pb全量和有效態(tài)含量

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05).

BS+D處理土壤有效銅含量比CF處理顯著高18.6%, 但與BS、CF+D處理間差異不顯著。BS+D處理土壤中有效鉛含量最高, 比CF處理顯著提高17.5%, 而與BS、CF+D處理間差異不顯著。浮萍添加雖然不會(huì)增加土壤Cu和Pb全量含量, 但能增加土壤Cu和Pb的有效態(tài)含量。

2.4.2 對(duì)水稻植株Cu和Pb含量的影響

不同處理對(duì)水稻籽粒和秸稈Cu和Pb含量的影響如圖4所示。與CF和CF+D處理相比, BS沒有顯著增加水稻籽粒Cu含量, 但BS+D處理籽粒Cu含量較BS處理顯著減少41.05%。不同處理下秸稈Cu含量差異不顯著。

水稻籽粒Pb含量平均僅為秸稈的13%。不同處理間籽粒和秸稈中Pb的含量均無顯著差異, 但添加浮萍后, 籽粒和秸稈中Pb含量均有一定程度的降低。說明施用沼液不會(huì)影響水稻籽粒和秸稈的Pb含量, 而浮萍具有降低水稻植株P(guān)b含量的潛力。

2.5 土壤、植株重金屬與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可知(圖5), 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤TN極顯著正相關(guān)(2=0.74); 土壤Cu與土壤Pb(2=0.96)和秸稈Cu(2=0.72)均呈極顯著正相關(guān)、與土壤TP顯著正相關(guān); 土壤Pb與秸稈Pb顯著負(fù)相關(guān)、與籽粒Pb顯著正相關(guān); 土壤有效鉛與有效銅極顯著正相關(guān); 土壤pH與土壤有效銅和土壤有效鉛負(fù)相關(guān), 但未達(dá)顯著水平; 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤有效鉛和土壤總鉛均呈正相關(guān), 但未達(dá)顯著水平。

3 討論

3.1 沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田氮素流失的影響

圖4 浮萍對(duì)沼液施用條件下水稻籽粒和秸稈的Cu和Pb含量

不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

圖5 稻田土壤、水稻植株重金屬含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

Soil TN: 土壤全氮; Soil TP: 土壤全磷; Soil TK: 土壤全鉀; Ec: 電導(dǎo)率; OM: 土壤有機(jī)質(zhì); Soil Pb: 土壤總鉛; Soil Cu: 土壤總銅; Avail Pb: 土壤有效鉛; Avail Cu: 土壤有效銅; Grain Cu: 籽粒銅; Grain Pb: 籽粒鉛; Straw Pb: 秸稈鉛; Straw Cu: 秸稈銅。Soil TN: soil total nitrogen content; Soil TP: soil total phosphorus content; Soil TK: soil total potassium content; Ec: soil electrical conductivity; OM: soil organic matter content; Soil Pb: soil Pb content; Soil Cu: soil Cu content; Avail Pb: soil available Pb content; Avail Cu: soil available Cu content; Grain Cu: grain Cu content; Grain Pb: grain Pb content; Straw Pb: straw Pb content; Straw Cu: straw Cu content.

3.2 沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田土壤和水稻Cu和Pb含量的影響

從本試驗(yàn)結(jié)果看, 沼液施用條件下, 土壤和水稻籽粒、秸稈Cu和Pb含量并沒有明顯大于常規(guī)化肥處理, 這與史一鳴[39]和黃繼川等[40]研究表明在稻田施用沼液對(duì)土壤、植株重金屬Cu和Pb沒有明顯積累甚至表現(xiàn)出下降基本一致。因此適量的沼液添加能有效實(shí)現(xiàn)沼液的資源化利用, 且短期內(nèi)不會(huì)對(duì)土壤和植物造成重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[41]。同時(shí)本試驗(yàn)研究結(jié)果表明, 添加浮萍不會(huì)顯著增加土壤和水稻籽粒、秸稈全Cu和全Pb含量, 這與李天煜[25]和谷兆萍[42]研究得出浮萍具有吸附重金屬作用的研究結(jié)果相近。雖然沼液施用條件下添加浮萍不會(huì)增加土壤全Cu和全Pb含量, 但卻顯著提高了土壤有效態(tài)Cu和Pb含量, 這可能是因?yàn)檎右汉透∑嫉穆?lián)合作用增加了土壤有機(jī)質(zhì), 降低了土壤pH。而土壤增加的這部分有效態(tài)Cu和Pb并未被水稻地上部分吸收, 可能與浮萍快速繁殖并吸收有關(guān)。王強(qiáng)[43]研究就表明, 浮萍對(duì)水中Pb2+和Cu2+的去除率分別為97.83%和87.11%。

相關(guān)性分析表明, 土壤有效態(tài)Cu和Pb與有機(jī)質(zhì)正相關(guān), 與pH負(fù)相關(guān), 這與目前大部分研究結(jié)果一致[44-45]。在本試驗(yàn)中, BS+D處理有機(jī)質(zhì)含量高于其他3種處理, 土壤pH低于其他3種處理。鐘曉蘭等[45]通過通徑系數(shù)、相關(guān)系數(shù)和決策系數(shù)評(píng)價(jià), 發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)對(duì)金屬有效態(tài)含量有較大的正向作用。姚榮江等[44]研究認(rèn)為土壤Pb有效態(tài)與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)。這可能與土壤有機(jī)質(zhì)中含有較高的富里酸有關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)主要成分是腐殖質(zhì)(以胡敏酸和富里酸為主), 其對(duì)重金屬有效性的影響通過靜電吸附、絡(luò)合、螯合等作用來實(shí)現(xiàn)[46], 其中胡敏酸和胡敏素與金屬形成的絡(luò)合物是不易溶的, 但富里酸和金屬的絡(luò)合物易溶, 富里酸呈強(qiáng)酸性, 移動(dòng)性大, 能顯著促進(jìn)污染土壤重金屬的解吸, 從而提高其有效性[47-48]。而當(dāng)pH升高后, 金屬易于生成沉淀而降低有效性[49]。

3.3 沼液全量替代化肥和浮萍添加對(duì)環(huán)境重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

為了進(jìn)行重金屬安全性分析, 將重金屬數(shù)據(jù)與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量》GB 15618—2018, 土壤污染物限量標(biāo)準(zhǔn)為Cu≤100 mg?kg-1、Pb≤240 mg?kg-1。本研究中土壤Cu和Pb全量含量均低于此標(biāo)準(zhǔn), 土壤Cu和Pb污染風(fēng)險(xiǎn)低。GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》的水稻籽粒Pb標(biāo)準(zhǔn)為≤0.2 mg?kg-1, GB 15199—1994《食品中銅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的糧食Cu限值為≤10 mg?kg-1。本研究中水稻籽粒Pb含量超標(biāo), 籽粒Cu含量符合標(biāo)準(zhǔn)。Pb超過限值可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)區(qū)土壤有效態(tài)Pb含量相對(duì)較高, 水稻易從土壤中吸收Pb從而在籽粒中對(duì)Pb產(chǎn)生了富集, 同時(shí)也可能與試驗(yàn)區(qū)水稻的品種相關(guān); 但另一方面, 添加浮萍的處理(CF+D和BS+D處理)相較于不加浮萍的處理(CF和BS處理)水稻籽粒和秸稈中Pb含量均有一定程度的減少。

根據(jù)沼液和浮萍Cu和Pb含量, 計(jì)算得出整個(gè)水稻季, 隨沼液灌溉進(jìn)入稻田環(huán)境的Cu為209.99 g?hm-2, Pb為0.759 g?hm-2; 隨浮萍進(jìn)入稻田環(huán)境的Cu為1.775 g?hm-2, Pb為0.735 g?hm-2, 而耕層土Cu為54.36~63.41 kg?hm-2, Pb為116.28~133.54 kg?hm-2。假設(shè)沼液和浮萍中的Cu和Pb全部進(jìn)入土壤, 則隨沼液進(jìn)入土壤的Cu和Pb分別占土壤Cu和Pb總量的0.33%~0.38%和0.000 56%~0.000 65%, 隨浮萍進(jìn)入土壤中的Cu和Pb分別占土壤Cu和Pb總量的0.002 8%~0.003 3%和0.000 56%~0.000 65%。因此, 短期內(nèi)沼液施用及添加浮萍不會(huì)顯著增加環(huán)境中Cu和Pb含量。

4 結(jié)論

在稻田中添加浮萍能夠顯著降低田面水TN含量, 施用沼液時(shí)添加浮萍稻田徑流水氮素流失負(fù)荷為3.67 kg?hm-2, 與常規(guī)施用化肥相比降低37.2%, 施肥后3 d是控制稻田氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期。

不同處理間土壤、水稻秸稈Cu和Pb含量無顯著差異, 但施用沼液時(shí)添加浮萍土壤Cu和Pb有效態(tài)含量較化肥處理顯著增加18.6%和17.5%, BS+D處理籽粒Cu含量較BS處理顯著減少41.1%。

綜合比較而言, 在用沼液等氮替代化肥時(shí)添加浮萍可減少當(dāng)季氮素流失風(fēng)險(xiǎn), 但對(duì)于連續(xù)沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田氮素流失影響和重金屬的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)需進(jìn)一步研究。

[1] 朱利群, 夏小江, 胡清宇, 等. 不同耕作方式與秸稈還田對(duì)稻田氮磷養(yǎng)分徑流流失的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2012, 26(6): 6–10 ZHU L Q, XIA X J, HU Q Y, et al. Effects of different tillage and straw return on nitrogen and phosphorus runoff loss from paddy fields[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(6): 6–10

[2] 楊詩貴, 洪寧, 李鑄, 等. 沼液施用背景下稻田土壤養(yǎng)分的含量特征[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 45(2): 239–244 YANG S G, HONG N, LI Z, et al. Characteristics of soil nutrient content in paddy field under biogas slurry application[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2017, 45(2): 239–244

[3] GARG R N, PATHAK H, DAS D K, et al. Use of flyash and biogas slurry for improving wheat yield and physical properties of soil[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2005, 107(1/2/3): 1–9

[4] 周楊, 章明奎. 長三角城郊區(qū)沼液化學(xué)組分特點(diǎn)及其農(nóng)用重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2016, 32(20): 101–106ZHOU Y, ZHANG M K. Characteristics of chemical component and agricultural potential risk assessment of heavy metals of biogas slurry in suburban areas of Yangtze Delta[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2016, 32(20): 101–106

[5] OMAR A E D K, BELAL E B, EL-ABD A E N A. Effects of foliar application with compost tea and filtrate biogas slurry liquid on yield and fruit quality of Washington navel orange (sinenesis Osbeck) trees[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2012, 62(7): 767–772

[6] WU J, YANG Q, YANG G, et al. Effects of biogas slurry on yield and quality of oil-seed rape[J]. Journal of Plant Nutrition, 2013, 36(13): 2084–2098

[7] 楊潤, 孫欽平, 趙海燕, 等. 沼液在稻田的精確施用及其環(huán)境效應(yīng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 36(8): 1566–1572 YANG R, SUN Q P, ZHAO H Y, et al. Precision application of biogas slurry and its environmental effects in paddy fields[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(8): 1566–1572

[8] 姜麗娜, 王強(qiáng), 陳丁江, 等. 沼液稻田消解對(duì)水稻生產(chǎn)、土壤與環(huán)境安全影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(7): 1328–1336 JIANG L N, WANG Q, CHEN D J, et al. Effects of paddy field disposal of biogas slurry on the rice production, soil quality and environmental safety[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(7): 1328–1336

[9] 倪亮, 孫廣輝, 羅光恩, 等. 沼液灌溉對(duì)土壤質(zhì)量的影響[J]. 土壤, 2008, (4): 608–611 NI L, SUN G H, LUO G E, et al. Effect of marsh gas sewage irrigation on soil quality[J]. Soils, 2008, (4): 608–611

[10] LYU W L, WU J, GOU S Z, et al. The research of biogas slurry on yield and safety[J]. Applied Mechanics and Materials, 2011, 71/78: 3142–3146

[11] 王瑋, 孫巖斌, 周祺, 等. 國內(nèi)畜禽厭氧消化沼液還田研究進(jìn)展[J]. 中國沼氣, 2015, 33(2): 51–57 WANG W, SUN Y B, ZHOU Q, et al. A review on irrigation of biogas slurry from livestock manure anaerobic fermentation in China[J]. China Biogas, 2015, 33(2): 51–57

[12] 趙志鵬, 曹東杰, 謝志奎, 等. 金山區(qū)水稻良種補(bǔ)貼政策實(shí)施效果及優(yōu)化建議[J]. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 29(3): 82–85 ZHAO Z P, CAO D J, XIE Z K, et al. The implementing effect and improvement proposal of subsidy policy of superior rice cultivars in Jinshan District of Shanghai[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 2013, 29(3): 82–85

[13] 張振宇. 上海農(nóng)業(yè)碳排估算、結(jié)構(gòu)特征及經(jīng)濟(jì)脫鉤彈性[J]. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 32(3): 150–154 ZHANG Z Y. Shanghai agricultural carbon emission: Estimation, structure and economic decoupling elasticity[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 2016, 32(3): 150–154

[14] 曹其煒, 茅國芳, 吳永興. 滬郊農(nóng)田化肥施用特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)探討[J]. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2008, 24(4): 20–24 CAO Q W, MAO G F, WU Y X. Study on the characteristics and development trend of fertilizer application in the farmland of Shanghai suburb[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 2008, 24(4): 20–24

[15] 王玉軍, 劉存, 周東美, 等. 客觀地看待我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀——關(guān)于《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中有關(guān)問題的討論和建議[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(8): 1465–1473 WANG Y J, LIU C, ZHOU D M, et al. A critical view on the status quo of the farmland soil environmental quality in China: Discussion[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(8): 1465–1473

[16] MUYUMBA D K, LIENARD A, MAHY G, et al. Characterization of soil-plant systems in the hills of the copper belt in Katanga. A review[J]. Biotechnologie, Agronomie Societe et Environnement, 2015, 19(2): 204–214

[17] SHAHID M, DUMAT C, KHALID S, et al. Cadmium bioavailability, uptake, toxicity and detoxification in soil-plant system[J]. Reviews of Environmental Contamination & Toxicology, 2016, 241: 73–137

[18] 趙江寧, 王云霞, 沈春曉, 等. 土壤銅污染對(duì)水稻產(chǎn)量形成的影響: 5年定位試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 31(11): 2073–2081 ZHAO J N, WANG Y X, SHEN C X, et al. Effect of soil copper contamination on rice yield formation: A 5-year located experiment [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2012, 31(11): 2073–2081

[19] 張小敏, 張秀英, 鐘太洋, 等. 中國農(nóng)田土壤重金屬富集狀況及其空間分布研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(2): 692–703 ZHANG X M, ZHANG X Y, ZHONG T Y, et al. Study on the enrichment and spatial distribution of heavy metals in farmland soils in China[J]. Environmental Science, 2014, 35(2): 692–703

[20] 佟亞歐, 金蘭淑. 土壤鉛污染現(xiàn)狀及鈍化修復(fù)技術(shù)探討[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備, 2010, (6): 31–32 TONG Y O, JIN L S. Discussion on the current soil lead pollution and inactivation restoring technology[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2010, (6): 31–32

[21] 吳建勛, 張姍姍. Cr、Co、Pb單一脅迫對(duì)浮萍SOD、POD、MDA的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2013, 29(15): 188–194 WU J X, ZHANG S S. Effect of metal icon Cr, Co, Pb on SOD, POD, MDA inL.[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(15): 188–194

[22] CAICEDO J. Effect of total ammonia nitrogen concentration and pH on growth rates of duckweed ()[J]. Water Research, 2000, 34(15): 3829–3835

[23] ORON G, WILLERS H. Effect of wastes quality on treatment efficiency with duckweed[M]//Water Pollution Research and Control. Brighton: Elsevier, 1988: 639–645

[24] HOU W, XIAO C, SONG G, et al. Effects of copper and cadmium on heavy metal polluted waterbody restoration by duckweed ()[J]. Plant Physiology Biochemistry (Paris), 2007, 45(1): 62–69

[25] 李天煜. 稀脈萍()和紫萍()的重金屬生態(tài)毒理學(xué)研究[D]: 武漢: 武漢大學(xué), 2003 LI T Y. Ecotoxicological of heavy metals onand[D].Wuhan: Wuhan University, 2003

[26] ORON G, PORATH D, WILDSCHUT L R. Wastewater treatment and renovation by different duckweed species[J]. Journal of Environmental Engineering, 1986, 112(2): 247–263

[27] BASIGLINI E, PINTORE M, FORNI C. Effects of treated industrial wastewaters and temperatures on growth and enzymatic activities of duckweed (L.)[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2018, 153: 54–59

[28] 沈根祥, 徐介樂, 胡雙慶, 等. 淺水體浮萍污水凈化系統(tǒng)的除氮途徑[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2006, 22(1): 42–47 SHEN G X, XU J L, HU S Q, et al. Nitrogen removal pathways in shallow-water duckweed-based wastewater treatment systems[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2006, 22(1): 42–47

[29] 唐利萍, 方揚(yáng), 靳艷玲, 等. 重金屬鎘超富集浮萍品種篩選及其對(duì)水體中鎘的去除效果[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2015, 21(5): 830–836 TANG L P, FANG Y, JIN Y L, et al. Preliminary study on screening of cadmium hyperaccumulator duckweed strain and removal of cadmium in water[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2015, 21(5): 830–836

[30] XU J L, SHEN G X. Growing duckweed in swine wastewater for nutrient recovery and biomass production[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(2): 848–853

[31] 李妍, 席運(yùn)官, 徐欣. 浮萍凈化與資源化利用沼液初步研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(34): 16739–16740 LI Y, XI Y G, XU X. Initial study on purification and resource utilization of the biogas slurry by duckweed[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2012, 40(34): 16739–16740

[32] 沈根祥. 利用浮萍凈化氮磷污水機(jī)理及其優(yōu)化工藝條件研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2005 SHEN G X. Research on mechanism and technological conditions of nitrogen-phosphorus wastewater treatment by duckweed[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2005

[33] 于斌. 浮萍對(duì)污水中氮、磷去除作用的初步研究[D]. 揚(yáng)州: 揚(yáng)州大學(xué), 2010 YU B. Studies on effects of duckweed on removal of nitrogen and phosphorus from polluted water bodies[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2010

[34] 李發(fā)生, 韓梅, 熊代群, 等. 不同浸提劑對(duì)幾種典型土壤中重金屬有效態(tài)的浸提效率研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 22(6): 704–706 LI F S, HAN M, XIONG D Q, et al. Efficiency of some extractants for available heavy metals from several typical soils[J]. Journal of Agro-Environmental Science, 2003, 22(6): 704–706

[35] 沙之敏, 陳平, 曹林奎. 稻田徑流量預(yù)測(cè)及氮磷流失估測(cè)方法[P]. 中國專利: 109117984, 2019-01-01. SHA Z M, CHEN P, CAO L K. Prediction of runoff and estimation of nitrogen and phosphorus loss in rice field [P]. Chinese patent: 109117984, 2019-01-01

[36] 李娟. 不同施肥處理對(duì)稻田氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)及水稻產(chǎn)量的影響[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2016 LI J. Effect of different fertilization treatments on rice yield and the risk of nitrogen and phosphorous losses from paddy field[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016

[37] 王子臣, 梁永紅, 盛婧, 等. 稻田消解沼液工程措施的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(5): 213–220 WANG Z C, LIANG Y H, SHENG J, et al. Analysis of water environment risk on biogas slurry disposal in paddy field[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(5): 213–220

[38] 李華, 陳英旭, 梁新強(qiáng), 等. 浮萍對(duì)稻田田面水中氮素轉(zhuǎn)化與可溶性氮的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2006, 20(5): 92–94 LI H, CHEN Y X, LIANG X Q, et al. Influence of duckweed on N conversion and dissolved N in floodwater after urea application into paddy field[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(5): 92–94

[39] 史一鳴. 稻田生態(tài)系統(tǒng)消解沼液的潛力及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2010 SHI Y M. The potential capacity for paddy field ecosystem to decontaminate biogas slurry and its risks assessment[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2010

[40] 黃繼川, 彭智平, 徐培智, 等. 沼液稻田消解對(duì)水稻生產(chǎn)、土壤肥力及環(huán)境安全的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 43(10): 69–76 HUANG J C, PENG Z P, XU P Z, et al. Effects of paddy field disposal of biogas slurry on rice production, soil fertility and environmental safety[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2016, 43(10): 69–76

[41] 趙麒淋, 伍鈞, 陳璧瑕, 等. 施用沼液對(duì)土壤和玉米重金屬累積的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2012, 26(2): 251–255 ZHAO Q L, WU J, CHEN B X, et al. Effect of biogas slurry on heavy metal accumulation of soil and maize[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(2): 251–255

[42] 谷兆萍. 復(fù)合污染下浮萍(L.)對(duì)重金屬吸收、富集特征和機(jī)理[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2011 GU Z P. Heavy metal uptake, accumulation and mechanisms in duckweed (L.) under metal-combined pollution conditions[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2011

[43] 王強(qiáng). 漂浮植物浮萍對(duì)Pb2+, Cu2+, Mn2+的吸附特征的研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2007 WANG Q. Biosorption characteristics for Pb2+, Cu2+, Mn2+onto aquatic plant:[D]. Jinan: Shandong University, 2007

[44] 姚榮江, 楊勁松, 謝文萍, 等. 沿海灘涂區(qū)土壤重金屬含量分布及其有效態(tài)影響因素[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(2): 287–298 YAO R J, YANG J S, XIE W P, et al. Content and bioavailability factors of soil heavy metals in mudflat coastal areas[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(2): 287–298

[45] 鐘曉蘭, 周生路, 李江濤, 等. 土壤有效態(tài)Cd、Cu、Pb的分布特征及影響因素研究[J]. 地理科學(xué), 2010, 30(2): 254–260 ZHONG X L, ZHOU S L, LI J T, et al. Soil available Cd, Cu, Pb distribution characteristic and its influencing factors[J]. Scientia Geographica Sinica, 2010, 30(2): 254–260

[46] DEAN J R. Heavy metal bioavailability and bioaccessibility in soil[J]. Methods in Molecular Biology, 2010, 599: 15–36

[47] 王宏康. 土壤中若干有毒元素的環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 1993, (4): 162–165 WANG H K. Environmental quality standard of several toxic elements in siol[J]. Agro-Environmental Protection, 1993, (4): 162–165

[48] GUO X F, WEI Z B, PENN C J, et al. Effect of soil washing and liming on bioavailability of heavy metals in acid contaminated soil[J]. Soil Science Society of America Journal, 2013, 77(2): 432–441

[49] 孟昭福, 張?jiān)鰪?qiáng), 張一平, 等. 幾種污泥中重金屬生物有效性及其影響因素的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 23(1): 115–118MENG Z F, ZHANG Z Q, ZHANG Y P, et al. Bioavailability of heavy metals and affecting factors in sewage sludge[J]. Journal of Agro-Environmental Science, 2004, 23(1): 115–118

Nitrogen losses and Cu, Pb changes of paddy field affected by adding duckweed under biogas slurry application*

SONG Die1, HE Zhonghu2, DONG Yonghua3, DAI Wei1, YANG Xiaolei4, CAO Linkui1, SHA Zhimin1**

(1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai New Type Feed Co., Ltd, Shanghai 201600, China; 3. Shanghai Agricultural Product Quality and Safety Center, Shanghai 201799, China; 4. Shanghai Agricultural Technology Extension Service Center, Shanghai 201103, China)

Nutrient loss and heavy metal accumulation are major problems in the utilization of biogas slurry as a resource. Duckweed, which can absorb nitrogen and phosphorus and take up heavy metals, can be used to control environmental pollution in biogas slurry irrigation. To study the effects of duckweed on nitrogen loss and reduction in Cu and Pb heavy metals in a paddy field fertilized with biogas slurry, a field experiment was conducted in Jinshan District, Shanghai, China. The experiment comprised four treatments: (1) chemical fertilization (CF); (2) chemical fertilization + duckweed (CF + D); (3) biogas slurry (BS); (4) biogas slurry + duckweed (BS + D). The changes in nitrogen concentration in paddy field surface water, nitrogen-loss load in runoff water, and the levels of Cu and Pb in soil, rice grain and straw under different treatments were measured and compared. The results showed that the trends in the variation of total nitrogen (TN) and ammonia nitrogen (NH4+-N) concentrations in the surface water of different treatments were the same. The concentrations reached peak values on the first day after each fertilization, and then decreased day by day. On the fifth day after fertilization, they dropped below 30% of the peak. The peak value of nitrate nitrogen (NO3–-N) concentration lagged by 3–7 days. The addition of duckweed when biogas slurry application significantly reduced TN content in surface water, and the total TN loss load of BS+D treatment was 3.67 kg?hm-2. Compared with the CF treatment, the TN loss load with BS+D treatment was lower by 37.2%. The Cu and Pb contents of the soil treated with BS+D was 22.65 mg?kg-1and 49.05 mg?kg-1, which was not significantly different to levels in the other treatments, but the available Cu and Pb levels in the soil treated with BS+D treatment were significantly higher than those treated with CF, by 18.6% and 17.5%, respectively. There was no significant difference in the contents of Cu and Pb in rice straw and grain, but the grain content of Cu in BS+D treatment decreased by 41.1% compared with BS treatment. In summary, adding duckweed to field applied with biogas slurry can reduce nitrogen loss in paddy fields, and can control the increase of Cu and Pb in soil and rice grain and straw to a certain extent. It can be an effective means to control water and soil pollution under biogas slurry irrigation mode.

Paddy field; Biogas slurry; Duckweed; Nitrogen loss; Loss load; Heavy metals

S157.1

10.13930/j.cnki.cjea.190825

宋蝶, 何忠虎, 董永華, 戴巍, 楊曉磊, 曹林奎, 沙之敏. 沼液施用條件下添加浮萍對(duì)稻田氮素流失和Cu、Pb變化的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(4): 608-618

SONG D, HE Z H, DONG Y H, DAI W, YANG X L, CAO L K, SHA Z M. Nitrogen losses and Cu, Pb changes of paddy field affected by adding duckweed under biogas slurry application[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(4): 608-618

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFD08011106)、上海市科技興農(nóng)推廣項(xiàng)目[滬農(nóng)科推字(2018)第4-7號(hào), 滬農(nóng)科推字(2019)第2-1號(hào)]資助

沙之敏, 主要研究方向?yàn)橹参餇I養(yǎng)學(xué)與農(nóng)業(yè)面源污染控制。E-mail: zhiminsha@sjtu.edu.cn

宋蝶, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: lmtsd681@163.com

2019-11-22

2020-02-11

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD08011106), the Shanghai Science and Technology Promotion Project [(2018) No. 4-7, (2019) No. 2-1].

, E-mail: zhiminsha@sjtu.edu.cn

Nov. 22, 2019;

Feb. 11, 2020