糖廠污水灌溉對土壤理化特性的影響

梁杰，張玉霜

（1．甘肅省武威市涼州區(qū)金山鄉(xiāng)人民政府農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測中心，武威733000；2．黑龍江大學農(nóng)作物研究院/中國農(nóng)業(yè)科學院甜

菜研究所，哈爾濱150080；3．農(nóng)業(yè)部糖料產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室/農(nóng)業(yè)部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心，哈爾濱150080；4．中國農(nóng)業(yè)科學院北方糖料作物資源與利用重點開放實驗室，哈爾濱150080）

糖廠污水灌溉對土壤理化特性的影響

梁杰1，張玉霜2，3，4*

（1．甘肅省武威市涼州區(qū)金山鄉(xiāng)人民政府農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測中心，武威733000；2．黑龍江大學農(nóng)作物研究院/中國農(nóng)業(yè)科學院甜

菜研究所，哈爾濱150080；3．農(nóng)業(yè)部糖料產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室/農(nóng)業(yè)部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心，哈爾濱150080；4．中國農(nóng)業(yè)科學院北方糖料作物資源與利用重點開放實驗室，哈爾濱150080）

綜述了不同濃度糖廠污水灌溉土壤對土壤水分含量、土壤質(zhì)地、持水量、容重、pH和電導率、陽離子交換量、礦物質(zhì)等理化特性的影響。

糖廠污水；灌溉；土壤理化特性；持水量；pH；微量營養(yǎng)素

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生的污水量加大，在有限的土地空間，廢水的處理是所面臨的主要問題。另一方面，廢水也是一種資源，可應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，廢水中含有的營養(yǎng)物質(zhì)，在農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和其他活動有應用潛力[1]。廢水對土壤、作物以及民生均有影響，灌溉污水可能含有對土壤環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的不利影響因素。制糖工業(yè)在經(jīng)濟發(fā)展中具有著重要的作用，但排放的污水對水生和陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生高度的污染，排入江河的污水也改變水生水體的理化特性，影響水生動植物。糖廠污水（sugar mill effluent，SME）排入環(huán)境，對農(nóng)事、農(nóng)村和半城市人口的健康也產(chǎn)生危害影響，農(nóng)民已用這些污水進行不科學的灌溉，發(fā)現(xiàn)作物生長、產(chǎn)量和土壤健康下降了，由各工業(yè)的污水排放出的氯化物、硫酸鹽、磷酸鹽和硝酸鹽等污染物，由于其氣味難聞等影響生態(tài)環(huán)境[2]。目前，印度將近650家糖廠生產(chǎn)約1500萬噸糖和1300萬噸糖蜜。糖廠每天排放大量的廢水而沒有任何處理。據(jù)報道，SME含有高污染負荷，對土壤和生物系統(tǒng)造成不利影響[3－4]。大多數(shù)作物灌溉廢水可達到更高的潛在產(chǎn)量，減少化肥的需求，節(jié)省種植成本。因此，不同作物灌溉廢水在灌溉中適當應用，了解和掌握不同濃度的糖廠污水對灌溉土壤理化特性的影響[5]，為改善和修復土壤，促進植物生長、保證作物品質(zhì)，向現(xiàn)代有機農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要意義。

1 糖廠污水特性

經(jīng)測定，100%糖廠污水顏色呈淡黃色，有糖的氣味，pH 8．23，總懸浮固體（total suspended solids，TSS）220 mg/L，濁度32．56 NTU，生化需氧量（BOD）1635．50 mg/L，化學需氧量（COD）2265 mg/L，Cl－1245．75 mg/L，含堿量684．50 mg/L，硬度998．50 mg/L，鈣835 mg/L，F(xiàn)e2+22．750 mg/L，總氮136 mg/L，NO32－782．25 mg/L，大腸菌群最可能數(shù)（MPN）6．35×106/100 mL，均超出了印度灌溉標準規(guī)定的限制[5]。在聯(lián)營糖廠、羅塔克、哈里亞納邦糖廠，pH值（8．05）、較高的總固體（2395 mg/L），電導率EC（12．8 dS/m），Na（3200 mg/L）和COD（142 mg/L），表明均具有較高的無機和有機負荷[5]。在Tamil Nadu埃羅德區(qū)一個糖廠的固體含量1224 mg/L，硬度1100 mg/L，BOD 1010 mg/L，Ca 480 mg/L，Mg 620 mg/L和SO42－400 mg/L較高[3]。

2 糖廠污水灌溉后的土壤特性

土壤含水量對pH值、通氣性和植物養(yǎng)分是重要的影響因子。土壤含水量取決于土壤水分的進出量，土壤顆粒大降低土壤含水量；持水量（WHC）是指土壤的吸收和保留的水量，持水量與土壤孔隙數(shù)量和大小分布有關；土壤容重（BD）隨土地利用和管理實踐而變化[6]?；屎陀袡C肥在土壤中的施用能大幅改良和降低土壤容重，有利于作物根系發(fā)育，有機物通過污泥和其他類型的廢物也降低容重[7]。土壤的基本pH降低所有微量營養(yǎng)素的溶解度（氯、硼、鉬除外），尤其是鐵、鋅、銅、錳；土壤pH值也可以通過影響微生物的活動影響植物的生長；土壤酸化逐漸導致基本陽離子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+等）浸出，Al3+作為主導交換性陽離子殘留[8]。pH值≥8．5的土壤交換復合體中含有較多的Na，當無可溶性鹽時，則被歸為堿性土壤[5[8]。離子交換是土壤中最重要的功能之一。離子交換是礦物電荷同構置換的結(jié)果，pH依賴的電荷位點。這些電荷位點是離子化的結(jié)果（H+分解）或非帶電部位的質(zhì)子化；離子化導致負電荷位點，質(zhì)子化導致正電荷位點。這些反應都依賴于pH值，被稱為pH依賴性電荷。由于pH值及其pH依賴帶電位點數(shù)量的增加，土壤陽離子交換量（CEC）通常更大[9]。碳酸氫鹽和碳酸鹽高濃度增加土壤的堿度，而低濃度增加土壤的鹽度。堿性土壤往往具有較高的pH值和顯著多的鉀、鈣、鈉、鎂[10]。較高濃度的Na通過降低粘土中的孔隙率降低容重和持水量（由于鈉的含量較高粘土呈顆粒懸?。?，因為它會影響土壤的CEC和對種子發(fā)芽和植物生長影響不利。污水灌溉一般使土壤含鹽大量增加，如硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽，陽離子鈉、鈣、鉀和鎂的氯化物[11]。鉀在土壤溶液中是一種非常易溶的陽離子，但它在土壤中只能緩慢移動。鉀離子在被膠體吸附時，取代其它離子如鈣、鎂或鈉。土壤陽離子交換場所吸引水中的鉀離子，降低土壤鉀素遷移率[6]。由于植物根系以NO32-和NH4+形式吸收氮，因此硝酸鹽是植物吸收氮的最基本和最有效的形式。由于灌溉廢水中含有較高的氮量，灌溉可增加總氮含量。當硝酸鹽的投入超過土壤的固定潛力，即是氮的飽和狀態(tài)[5]。

2.1 水分含量、土壤質(zhì)地、WHC、BD、pH和EC

2.1.1 土壤水分含量、土壤質(zhì)地、WHC和BD灌溉不同濃度的糖廠污水（SME）土壤水分含量下降67.38%～53.61%。SME大大降低了地表土壤的容重。灌溉100%濃度SME土壤BD是最小的（1.39 g/cm3），依次為75%、50%、25%、10%和5%，均與對照的BD（1.45 g/cm3）差異不顯著。灌溉100%的SME土壤有效含水量從48.23%降到41.57%。方差分析顯示不同濃度的SME灌溉土壤含水量、WHC和BD與對照差異不顯著，其回歸方程的R2值分別為88%、88%和95%。土壤特性由于灌溉SME而發(fā)生變化。據(jù)觀察，土壤的顆粒大小為壤質(zhì)砂土類型。灌溉高濃度的SME由于較高的有機物質(zhì)使BD降低[5]。由于有機質(zhì)增加使BD減少，BD與土壤有機碳呈不顯著的負線性關系[12]。由于通過改善土壤聚集增加小毛孔的數(shù)量使WHC增加（在低張力）[5]。土壤含水量是影響土壤pH值、養(yǎng)分有效性和通氣量的重要因素，任何時刻的土壤含水量和總水量都受土壤水分進出量的制約，大顆粒的存在會降低土壤水分含量[6]。WHC與土壤孔隙數(shù)量和大小分布有關，隨土壤有機質(zhì)含量的增加而增加，與土壤水分含量、質(zhì)地分級、結(jié)構、含鹽量和有機質(zhì)有關[5]。土壤含水量并沒有隨有機質(zhì)的比率和類型而改變[16]。通過污泥和其他類型廢物提供的有機物也降低BD[7]。

2.1.2 pH和EC土壤pH在灌溉SME前為7.53，呈堿性，100%濃度的MSE灌溉后pH為8.25，呈強堿性。50%、75%和100%的MSE濃度對土壤pH值的影響差異顯著（P＜0.05）。MSE與土壤pH值的回歸方程R2值為94%。土壤pH值向堿性變化與MSE應用顯著。粘土高的緩沖能力和任何弱鹽碳酸鹽或碳酸氫鹽的存在，溶出釋放游離陽離子，可能是土壤反應穩(wěn)定性的原因[5]。這是土壤中最大養(yǎng)分有效性的pH值范圍，土壤不同污染程度的pH值水平都對生物和化學反應有利[13]。污水應用濃度對土壤EC增加差異極顯著（P＜0.01）。由于MSE高的鹽負荷EC（8.65 dS/m），污水處理土壤的EC（3.45 dS/m）顯著高于對照（2.10 dS/m）[5]。

2.2 有效陽離子交換量（ECEC）

100%濃度的MSE灌溉土壤ECEC從初始12.00 cmol/kg增加到29.91 cmol/kg。50%～100%濃度MSE灌溉土壤ECEC與對照差異極顯著（P＜0.01），MSE灌溉與ECEC回歸方程的R2值為92%[5]。

2.3 氯化物、有機碳

2.3.1 氯化物MSE灌溉土壤氯化物隨污水濃度的增加而增加，5%～100%濃度MSE氯化物含量與對照差異極顯著（P＜0.01）。100%濃度MSE灌溉土壤氯化物從89.43 mg/kg顯著增加到263.56 mg/kg[5]。

2.3.2 有機碳MSE灌溉土壤有機碳含量隨污水濃度的增加大大增加，5%～100%濃度MSE的有機碳含量與對照差異極顯著（P＜0.01）。100%濃度MSE灌溉土壤有機碳從0.45 mg/kg增加到14.98 mg/kg。MSE與土壤有機碳回歸方程的R2值為89%。此外，尤其是高濃度MSE增加了有機物，隨著植物根生物量的增加生長狀況更好，其原因可能是有機碳含量得到提高[5]。

2.4 總氮與鹽類

2.4.1 總氮、硝酸鹽、磷酸鹽和硫酸鹽100%濃度SME灌溉土壤，總氮、硝酸鹽、磷酸鹽和硫酸鹽含量分別由32.21、39.32、53.00和74.37 mg/kg增加到420.78、71.1、178.10和127.98 mg/kg。25%～100%濃度SME處理土壤總氮、硝酸鹽、磷酸鹽和硫酸鹽含量與對照比差異極顯著（P＜0.01）；5%和10%濃度SME處理土壤總氮和磷酸鹽含量與對照比差異也極顯著。

2.4.2 碳酸氫鹽和碳酸鹽土壤碳酸氫鹽和碳酸鹽含量隨MSE濃度的增加而顯著增加，10%～100%濃度MSE灌溉的碳酸氫鹽和碳酸鹽含量與對照差異極顯著。100%濃度MSE灌溉土壤使碳酸氫鹽和碳酸鹽含量分別從383.64和229.65 mg/kg增加到469.36和297.12 mg/kg。5%濃度MSE灌溉土壤與對照碳酸氫鹽含量也有顯著差異。MSE與土壤中碳酸氫鹽和碳酸鹽回歸方程的R2值分別為95%和98%。粘土、Al和Fe的有機氧化物、Ca和Mg的碳酸鹽是負責大多數(shù)土壤pH緩沖的組分。土壤pH值通過影響有益微生物的活性也會影響植物的生長。絕大多數(shù)豆科固氮菌在強酸性土壤中不活躍，分解有機物的細菌從而為植物釋放氮或營養(yǎng)成分也受到強酸性的阻礙[5]。因此灌溉SME使碳酸鹽增加，可提高土壤pH。

2.5 交換性鈉、鉀、鈣、鎂與微量營養(yǎng)素

2.5.1 交換性鈉、鉀、鈣、鎂不同濃度的SME灌溉土壤交換態(tài)鈉、鉀、鈣、鎂含量均發(fā)生增加的變化。10%～100%污水濃度處理Na、K、Mg和Ca含量與對照差異極顯著（P＜0．01）。5%污水濃度處理K和Ca的含量也與對照差異極顯著（P＜0．01）。在100%濃度SME處理下，交換性鈉、鉀、鈣、鎂的含量分別由18．81、155．34、15．36、1．70 mg/kg增加到53．70、238．29、209．24和32．61 mg/kg[5]。

2.5.2 微量營養(yǎng)素25%～100%濃度SME處理下微量營養(yǎng)素鐵、鋅、鎘、銅、鉛、鉻濃度均極顯著增加。10%濃度SME處理的鐵、鋅、鎘、銅、鉻含量與對照差異也達極顯著水平（P＜0．01），而且5%濃度SME處理的鐵、鎘、銅含量與對照差異也達極顯著水平（P＜0．01）。SME與鉻、鐵、銅、鋅和鎘含量回歸方程的R2值分別為98%、92%、88%、85%、81%和80%。在微量營養(yǎng)素中，鉻的富集因子（Ef）最高（11．24），鋅（4．18）最低，SME灌溉后Ef順序為：鉻＞鉛＞鎘＞銅＞鋅。在酸性條件下，諸如鐵、鋁、錳和重金屬（鋅、銅和鉻）元素會變得高度可溶，并可能為植被帶來問題[5]。隨著SME濃度的增加，鐵、鋅、鎘、銅、鉛、鉻含量顯著增加。0%和100%濃度SME處理下，微量營養(yǎng)素含量幅度為：鐵（2．65～8．86 mg/kg）、鋅（0．790～3．300 mg/kg）、鉻（0．046～0．232 mg/kg）、銅（2．028～9．631 mg/kg）、鉛（0．035～0．261 mg/kg）和鉻（0．125～1．406 mg/kg）[5]。

3 展望

不同的糖廠灌溉不同環(huán)境條件的土壤其理化特性會不同，因此，需進行不同的試驗研究。糖廠污水灌溉土壤，如果對土壤理化性狀有良好作用的，對植物生長和環(huán)境都有利；如果有不良影響的，一是要減少灌溉量和灌溉濃度，二是要進行修復。修復中最主要的是生物修復。生物修復是使用微生物、綠色植物及其酶將污染物改變到原始狀態(tài)回歸到自然環(huán)境的過程。植物修復是利用綠色植物來固定、吸收、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化和降解土壤中污染物的過程，（1）利用超富集植物修復污染土壤：我國發(fā)現(xiàn)的超富集植物有10多種，如砷的超富集植物蜈蚣草，鎘的超富集植物寶山堇菜，鉻的超富集植物李氏禾，錳的超富集植物商陸，鋅的超富集植物東南景天等；（2）應用能源植物修復污染的土壤：柳枝稷、芒草、象草、香根草、蘆葦和甜高粱等[14]。微生物修復[15]是利用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、粘質(zhì)沙雷氏菌（Serratia marcescens）和阿氏腸桿菌（Enterobacter asburiae）等對污水在灌溉應用前進行聯(lián)合修復，可使COD、TSS、TDS、重金屬（鐵、鋅、銅、鉛和錳）性質(zhì)大幅降低。

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Effects of Sugar Mill Effluent Irrigation on Soil Physicochemical Properties

LIANG Jie1,ZHANG Yu-shuang2,3,4*
(1.Agricultural Products Monitoring Center of Liangzhou District Jinshan Town People's Government,Wuwei 733000,Gansu; 2.Sugarbeet Research Institute Chinese Academy of Agricultural Sciences/Crop Academy of Heilongjiang University,Harbin 150080, Heilongjiang;3.Laboratory of Quality＆Safety Risk Assessment for Sugar Crops Products(Harbin),Ministry of Agriculture/The Ministry of Agriculture Beet Quality Supervision,Inspection and Testing Center,P.R China,Harbin 150080,Heilongjiang;4.Key Laboratory of North Sugar Crop Resource and Utilization,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080,Heilongjiang)

The effects of different concentration of sugar mill wastewater irrigation on soil physicochemical properties that included moisture content,texture,water-holding capacity,bulk density,pH,conductivity,cation exchange capacity,minerals,etc.,was summarized.

sugar mill wastewater;irrigation;physicochemical properties of soil;water-holding capacity;pH; micronutrients

TS248

B

1007－2624（2017）05－0065－03

10．13570/j．cnki．scc．2017．05．020

2017－05－08

梁杰（1984－），女，助理農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)技術服務和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測工作。

張玉霜（1972－），男，助理研究員，碩士研究生，從事糖料產(chǎn)品風險評估研究，E－mail：zyx0807@163．com