養殖廢水灌溉對土壤易氧化碳與碳庫管理指數的影響

廖林仙，郭 航，黃 俊，徐俊增，劉詩夢，陳麗娜

（河海大學農業科學與工程學院，南京210098）

在水資源緊缺的背景下，如何利用非常規水開展灌溉是緩解農業用水緊張的重要舉措之一［1-3］。養殖業，包括畜牧和水產等的廢水具有有機營養元素高、對土壤和作物有毒有害的物質少的特點［4，5］，其中富含的N、P 營養元素及有機物質［6］，用于農田灌溉能夠提高土壤肥力，促進植物生長［7-9］，是一條有效地減少化肥施用的農業利用途徑［10-12］；其所含的鹽基離子也能夠改變土壤理化性質，增加土壤孔隙度［13-16］，為作物生長提供有利條件。

我國目前關于養殖廢水灌溉的研究多集中于土壤理化性質、硝態氮、微生物以及鹽堿化等方向，對土壤碳庫的影響研究則較為模糊。然而，土壤有機碳庫是土壤碳庫中最活躍的部分，能夠指示土壤中有機碳的循環，土壤理化性質變化以及生物活動進程［17-20］。有研究表明，碳庫中的易氧化碳可基本區別于土壤中的穩定性碳［21，22］，能夠作為表征土壤有機質的有效組分變化、土壤肥力變化和土壤碳庫穩定性的重要指標［23，24］。同時，碳庫管理指數作為土壤綜合性質的評價指標，能夠定量地表示外界因素對土壤有機質組分的影響［25-27］。土壤碳庫管理指數越高，表示土壤有機碳分解越快，土壤質量越高［28，29］。因此，明確養殖廢水灌溉下土壤易氧化碳與碳庫管理指數的變化，對合理利用養殖廢水灌溉緩解農業用水緊張具有指導作用。

本研究通過設置不同水質和灌水量水平的處理，探討清水灌溉和養殖廢水灌溉下土壤有機碳庫中易氧化碳的分布及碳庫管理指數的變化情況，并對不同灌溉處理的影響做出評價，以期結果為科學合理地將養殖廢水用于灌溉、實現農業的可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于江蘇省南京市蔬菜花卉研究所橫溪基地塑料大棚內進行（31°43＇N、118°47＇E），該地區位于亞熱帶，受季風影響，常年氣候濕潤，年日照時長為2 017.2 h，平均氣溫15.7 ℃，年平均降雨天數117 d，降雨量為1 072.9 mm，無霜期237 d/a。供試土壤為黃棕壤，質地黏重，有機質含量14.209 g/kg，全氮含量0.900 g/kg，堿解氮含量129.9 mg/kg，全磷含量0.363 g/kg，速效磷含量27.2 mg/kg，pH 5.87。種植玉米前，測得土壤的總有機碳平均為17.51 g/kg；易氧化碳平均為1.385 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗種植作物為江蘇省南京市蔬菜花卉研究所提供的“晶甜八號”玉米，采取塑料桶（高80 cm，直徑56.5 cm）進行試驗，桶內填土高度70 cm，土壤容重為1.38 g/cm3。試驗設置灌溉水質和灌水量兩個因素，共6個處理，分別為：①W1，64 mm灌水量的清水灌溉；②W2，76 mm 灌水量的清水灌溉；③W3，88 mm 灌水量的清水灌溉；④R1，64 mm 灌水量的養殖廢水灌溉；⑤R2，76 mm 灌水量的養殖廢水灌溉；⑥R3，88 mm 灌水量的養殖廢水灌溉。每個處理設置3 次重復，第一次灌水在8月4日（玉米已長出4～5 片葉子）進行，之后每隔2 周按上述灌水定額灌水一次，種植期間共灌水4次。

試驗所用養殖廢水取于橫溪鎮奶牛場，為奶牛尿液和沖刷廢水的混合液，水質穩定。取水后靜置適當時間，將靜置后的上層液體按照1∶10的比例稀釋作為灌溉水源，并于每次灌水前取樣進行水質分析，試驗期間共測定4次。灌溉用養殖廢水（稀釋后）及清水的性質見表1。

表1 灌溉用養殖廢水及清水性質Tab.1 Basic characteristics of livestock-farm wastewater and clear water for irrigation

1.3 土樣采集

分別在玉米灌漿期（9月5日）、完熟收獲后（9月26日）利用土鉆采集土樣，采集深度為0～20、20～40、40～60 cm 三個層次。每次采集3個點，混合均勻后，一部分新鮮土樣用于測定土壤易氧化碳；另一部分風干、磨碎、過篩后用于測定總有機碳。

1.4 試驗測定項目與方法

采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤總有機碳，稱取通過0.149 mm 篩孔的風干土樣0.3 g，加入30 mL 的重鉻酸鉀標準溶液（0.80 mol/L）和5 mL 濃硫酸充分搖勻，利用油浴法加熱維持溫度在170～180 ℃煮沸5 min，再用硫酸亞鐵溶液（0.20 mol/L）滴定終點計算總有機碳含量。

采用高錳酸鉀比色法測定土壤易氧化碳，稱取新鮮土樣2 g，加入25 mL 高錳酸鉀溶液（0.333 mol/L）后振蕩處理1 h，再以4 000 r/min 的轉速離心處理5 min，取上層清液，用去離子水按照1∶250 的比例稀釋，然后用分光光度計在565 nm 處比色測定，根據高錳酸鉀的濃度變化計算易氧化碳含量。

1.5 土壤碳庫管理指數計算

1.6 數據統計分析

采用SPSS 25.0 單因素方差分析及Duncan 多重比較方法進行顯著差異性分析及均值比較，并采用Origin 2019b 軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳分布

如表2 所示，在6 種灌溉處理下，隨著土壤深度的增加，土壤易氧化碳含量均呈現明顯下降的趨勢，且養殖廢水灌溉相較于清水灌溉處理對于0～20 cm 土層中易氧化碳含量有顯著提升。在0～20 cm 土層中，隨灌水量的增加，養殖廢水灌溉處理后土壤易氧化碳含量增加量變小，在灌水量為64 mm 時，土壤易氧化碳含量最高，比相同灌水量下的清水灌溉處理W1增加43.75%；而清水灌溉處理后土壤表層（0～20 cm）易氧化碳含量隨灌水量增加變大，在灌水量為88 mm 時，土壤易氧化碳含量最高。在20～40 cm 土層中，各處理間差異顯著。清水灌溉下，76 mm 的灌溉處理后土層中易氧化碳含量最高；養殖廢水灌溉下，64 mm的灌溉處理后土層中易氧化碳含量最高，且隨灌水量增加易氧化碳含量逐漸減小。在40～60 cm 土層中，隨時間推移，易氧化碳含量在清水灌溉和養殖廢水灌溉中呈現顯著差異，且養殖廢水灌溉后土壤易氧化碳含量高于清水灌溉處理。

表2 不同灌溉處理下土壤剖面易氧化碳含量 g/kgTab.2 Content of LOC in soil profile under different treatments

2.2 不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳占比

如圖1所示，隨著土壤深度的增加，土壤總有機碳含量在各處理中均呈現明顯下降的趨勢。隨著灌水量的增加，養殖廢水灌溉相較于清水灌溉對于0～20 cm 土層中總有機碳含量有提升作用，其中，處理R3作用最顯著，與相同灌水量下的處理W3相比，土壤總有機碳含量增加了10.79%。隨著土層深度增加，各處理間土壤總有機碳含量未呈現明顯的變化規律。

圖1 不同灌溉處理下土壤剖面總有機碳含量Fig.1 Content of SOC in soil profile under different treatments

本研究中不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳占比如圖2 所示：在養殖廢水灌溉處理中，經R1處理后土壤各土層易氧化碳占比高于其他兩個處理，且在這3 個處理中20～40 cm 土層中的易氧化碳占比均高于其他兩個土層。從整體來看，在清水灌溉處理中，土壤表層（0～20 cm）易氧化碳占比隨灌水量增加而增大，在養殖廢水灌溉處理中，土壤表層（0～20 cm）易氧化碳占比隨灌水量增加而減少。在9月5日，在相同灌水量水平下，養殖廢水灌溉后土壤各土層的易氧化碳占比明顯高于清水灌溉處理，隨著時間推移，除處理W2的20～40 cm 土層外，這種趨勢仍然顯著。

圖2 不同灌溉處理土壤剖面易氧化碳占比Fig.2 Content ratio of LOC to SOC in soil profile under different treatments

2.3 不同灌溉處理土壤剖面碳庫管理指數

土壤碳庫管理指數能夠反映農田管理措施對土壤碳庫的影響，還能指示土壤碳庫中各組分的變化情況。9月5日和9月26日在不同灌水處理下土壤剖面碳庫管理指數變化情況如表3所示。

表3 不同灌溉處理下土壤剖面碳庫管理指數Tab.3 Effects of different treatments on CMI in soil profile

對于土壤碳庫活度和碳庫活度指數，在0～20 cm 土層中，其變化范圍分別是0.06～0.10和0.79～1.05；在20～40 cm 土層中，其變化范圍分別是0.08～0.14和0.82～1.75；在40～60 cm 土層中，其變化范圍分別是0.05～0.14和0.55～1.28。在6種灌溉處理下，土壤碳庫活度和碳庫活度指數與灌水水質和灌水量之間未呈現出明顯的變化規律。

對于碳庫指數和碳庫管理指數，隨著土壤深度的增加，均呈現明顯下降的趨勢。在0～20 cm 土層中，相較于清水灌溉處理，養殖廢水灌溉處理后土壤碳庫指數更高，在相同灌水量下，養殖廢水灌溉處理后比清水灌溉處理高約3.07%～30.27%，而土壤碳庫管理指數在兩種灌溉水質下均隨灌水量增加而增大。隨著時間推移，養殖廢水灌溉處理后的0～20 cm 土層的土壤碳庫管理指數明顯高于清水灌溉處理。在20～40 cm 土層中，隨著時間推移，在灌水量為76 mm 的處理中，土壤碳庫指數顯著低于其他四個處理；在灌水量為88 mm 的處理中，土壤碳庫管理指數顯著低于其他4 個處理。在40～60 cm 土層中，土壤碳庫指數在W1處理中最高，而土壤碳庫管理指數經W2和W3處理后與其他灌溉處理相比明顯減小。

3 討 論

本試驗研究表明，養殖廢水灌溉相較于清水灌溉能夠提升0～20 cm 土層中總有機碳含量，此結果與戴婷［30］、BARKLE G F［31］等研究結論一致，說明養殖廢水灌溉能夠增加農田有機碳含量［30-33］，為作物提供生長的養分［34］。同時，養殖廢水灌溉相較于清水灌溉對于0～20 cm 土層中易氧化碳的含量也有顯著提升，但隨著土層深度增加，顯著性逐漸減弱或消失。這種現象可能是因為養殖廢水較清水含有更多的氮、磷以及有機物等，所以養殖廢水灌溉處理后在0～20 cm 土層中，土壤易氧化碳含量顯著高于清水灌溉處理。但隨著水流入滲深度增加，養殖廢水中的大部分有機碳被表層土壤吸附固持，流經深層土壤的水中有機碳含量減少，因此兩種灌溉水質處理在深層土壤中易氧化碳含量差異變小。

低灌溉量下土壤有機碳淋失較少，中灌水量下土壤表層淋失的有機碳可以在下層截留，而高灌水量下土壤有機碳淋失則較多［35］。因此，兩種灌溉水質引起土壤的各類有機碳含量變化會受到灌水量的影響。比如，在養殖廢水灌溉中，20～40 cm 土層的易氧化碳占比會明顯高于其他兩個土層，這就可能與表層土壤中的易氧化碳少量被淋失到下層，同時總有機碳含量隨土壤深度增加的下降速度遠大于易氧化碳有關。

本試驗還發現，隨著時間推移，養殖廢水灌溉處理后的0～20 cm 土層的土壤碳庫管理指數明顯高于清水灌溉處理，這是因為養殖廢水灌溉提高了各土層中的易氧化碳含量，而易氧化碳作為影響土壤碳庫的重要因子，其含量的變化與土壤碳庫管理指數的改變密切相關［36］。這反映出養殖廢水灌溉相較于清水灌溉對于提高土壤質量確有成效。

綜上所述，本試驗研究了養殖廢水灌溉對土壤剖面總有機碳和易氧化碳的分布情況及碳庫管理指數的影響，但對各處理中土壤易氧化碳含量、易氧化碳占比、碳庫指數和碳庫管理指數隨灌水量以及時間推移的變化機理還需進一步探索。

4 結 論

（1）相較于清水灌溉，養殖廢水灌溉對于土壤表層（0～20 cm）易氧化碳的積累具有明顯的促進作用。

（2）養殖廢水灌溉能夠提高土壤表層（0～20 cm）的易氧化碳占比，增強土壤表層有機碳的有效性，有利于土壤養分的轉化和供應。

（3）養殖廢水灌溉后土壤各層有機碳含量受灌水量影響較大，根據各層土壤的易氧化碳占比情況和碳庫管理指數，本研究中64 mm灌水量的養殖廢水灌溉處理為最佳。 □