馬鈴薯淀粉加工廢水還田對土壤氮磷鉀遷移轉化的影響

李曉婷 劉剛 王天寧 竇廣玉

摘要?選取固原市某淀粉廠試驗基地，對其有機廢水還田種植作物后，連續(xù)2年采取土樣分析土壤耕作層（0～30 cm）肥力變化和土壤剖面（30～60、60～90 cm）氮磷鉀遷移規(guī)律。結果表明，施用馬鈴薯淀粉有機廢水還田，還田量在600～900 m3/hm2時，能明顯提高土壤耕作層中有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量，使土壤耕作層中全氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分等級從Ⅲ級提高到Ⅰ級，有機質提高到Ⅲ級。有機廢水還田量為600 m3/hm2時，30～60和60～90 cm剖面中氮元素無明顯遷移趨勢。超過900 m3/hm2時，在30～60和60～90 cm 2個剖面氮元素有明顯遷移變化。隨著還田量、還田和耕作次數(shù)的增加，氮元素向下遷移量增加。施用600 m3/hm2有機廢水還田，土壤中磷和鉀元素已經開始向下遷移。且隨著還田量、還田和耕作次數(shù)的增加，磷和鉀元素向下遷移越明顯。在向下遷移過程中，有效磷和速效鉀有逐漸轉化為礦化磷和礦物質鉀的固化趨勢。

關鍵詞?馬鈴薯淀粉加工廢水;氮磷鉀;遷移轉化;還田利用

中圖分類號?X?703文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）17-0091-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.024

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Returning Potato Starch Processing Wastewater to Soil on Nitrogen， Phosphorus， and Potassium Migration in Soil

LI Xiao ting1， LIU Gang1， WANG Tianning2 et al

（1.Research & Development Center for Ecomaterial and Ecochemistry， Lanzhou Institute of Chemical Physics， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou， Gansu 730000;2.Institute of Agricultural Resources and Environment， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract?In this experiment， a starch plant test base in Guyuan was selected. After the organic wastewater was returned to the field， soil samples were taken to analyze the fertility changes of the soil tillage layer （0-30 cm） and the nitrogen， phosphorus， and potassium migration in the soil profile （30-60， 60-90 cm）. The results showed that when the potato starch organic wastewater was returned to the field and the return amount was in the range of 600-900 m3/hm2， the content of organic matter， total nitrogen， available phosphorus， and available potassium in the soil tillage layer could be significantly increased. The levels of available phosphorus， available phosphorus， and available potassium nutrients were increased from Ⅲ to Ⅰ， and organic matter was improved to Ⅲ. When the amount of organic wastewater returned to the field was 600 m3/hm2， the nitrogen element in the 30-60 and 60-90 cm had no obvious migration trend. When it exceeded 900 m3/hm2， the nitrogen elements in the 30-60 and 60-90 cm sections had obvious migration changes. With the increase in the amount of returning fields， the number of returning fields and the number of tillages， the downward migration of nitrogen increased. When 600 m3/hm2 of organic wastewater was returned to the field， the phosphorus and potassium elements in the soil began to migrate downward. And with the increase of the amount of returning fields， the number of returning fields and the number of tillages， the downward migration of phosphorus and potassium elements became more obvious. In the downward migration process， available phosphorus and available potassium had a tendency to solidify into mineralized phosphorus and mineral potassium.

Key words?Potato starch processing wastewater;Nitrogen， phosphorus and potassium;Migration and conversion;Returning field

隨著農業(yè)經濟的快速發(fā)展，農業(yè)產出逐年增加，但也造成了嚴重的農業(yè)面源污染問題。而化肥被認為是農業(yè)面源污染的主要原因，主要是由于農戶不合理的施肥方式造成土壤污染以及大量施肥所帶來的剩余養(yǎng)分經過雨水沖刷、灌溉進入水體造成水環(huán)境污染給農業(yè)生態(tài)環(huán)境造成極大壓力[1-3]。目前農業(yè)面源污染已逐步成為我國嚴重的環(huán)境問題，其不僅對農業(yè)生態(tài)環(huán)境造成影響，還對我國農產品安全、生態(tài)文明建設帶來威脅。因此，加強農業(yè)面源污染防控對推進現(xiàn)代農業(yè)建設、實現(xiàn)農業(yè)綠色發(fā)展、改善農村生態(tài)環(huán)境意義重大[2]。

研發(fā)既能解決農業(yè)生產廢棄物的資源化利用、又能適宜農作物安全高效生產并易于推廣應用的有機肥，充分發(fā)揮有機肥在提高土壤供肥能力、提高作物肥料利用率、增加作物產量、改善農產品品質方面的優(yōu)勢，提升有機廢棄物的資源化再利用能力，促進土壤良性生態(tài)循環(huán)，改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境，已成為旱地農業(yè)面源污染源頭控制的關鍵環(huán)節(jié)和技術難點[4-6]。馬鈴薯原料清洗過程、馬鈴薯淀粉與細胞汁水分離和清洗過程產生的馬鈴薯淀粉加工廢水，是一種富含磷、鉀、小顆粒淀粉、多糖、蛋白、氨基酸的高濃度有機肥水[7-10]，多年來已經在我國西北、東北、華北地區(qū)被作為肥料大量還田施用。多年實踐證明馬鈴薯淀粉加工廢水僅靠末端治理無法實現(xiàn)達標排放，還田利用是解決馬鈴薯淀粉加工廢水處理問題的最佳途徑。馬鈴薯淀粉加工廢水主要包括馬鈴薯清洗廢水、馬鈴薯汁水（馬鈴薯細胞液等）和淀粉洗滌精制廢水。筆者以固原市某淀粉企業(yè)流轉的農田土壤為對象，研究長期大量施用馬鈴薯淀粉加工廢水對土壤中氮、磷、鉀遷移轉化的影響，以期為馬鈴薯淀粉加工廢水科學利用提供理論依據。

1?材料與方法

1.1?試驗地點與時間

試驗自2017年11月開始實施，在固原市某淀粉廠試驗地開展，2017年11月進行了第一次廢水汁水還田試驗，分別在2018年6月（作物種植初期）、2018年9月（作物收獲期）對土壤中營養(yǎng)元素含量等進行了檢測;2018年11月繼續(xù)實施廢水汁水還田利用，2019年6月（播種前期）、2019年10月（作物收獲期）對土壤中營養(yǎng)元素含量等進行了檢測，種植作物為玉米和馬鈴薯。

1.2?試驗材料采集與處理

試驗材料采自馬鈴薯淀粉加工廢水還田后種植玉米和馬鈴薯農田的土壤。分別采集還田后作物種植初期（2018年6月）、作物收獲期（2018年9月）、再還田后作物種植初期（2019年6月）、作物收獲期（2019年10月）4個階段土樣，土樣分別從0～30 cm（土壤耕作層）、30～60和60～90 cm（土壤剖面）3個深度采取，每個深度選取3個位點進行取樣混合后分裝進自封袋中，注明采樣深度、地點、經緯度、種植作物、時間等。

采集好的土樣置于樣品盤中攤成薄層（厚約2 cm），放在室內陰涼通風處自行干燥。風干后的樣品挑出植物根、葉、蟲體、沙石等，使全部樣品用研缽研磨通過2 mm孔徑篩。將過2 mm孔徑篩的土樣采用四分法分樣直至剩余約50 g樣品，取出其中約25 g樣品繼續(xù)碾磨研磨使之全部通過0.25 mm孔徑篩，用于檢測分析，另外約25 g樣品做好標簽用自封袋封存。

1.3?試驗設計

共設置5個處理，還田量分別為混合有機廢水0（清水3 000 m3/hm2補足）為對照、600 m3/hm2（清水2 400 m3/hm2補足）、900 m3/hm2（清水2 100 m3/hm2補足）、1 200 m3/hm2（清水1 800 m3/hm2補足）、3 000 m3/hm2（清水為0）。3次重復試驗;大區(qū)展示4個。小區(qū)面積為4 m×12 m;大區(qū)試驗分別為22 m×15 m和26 m×15 m。小區(qū)畦埂底寬50 cm，頂寬40 cm，高40 cm。玉米點播采取拉線等距精量播種株行距27 cm×50 cm。種植密度74 100株/hm2，玉米品種屯玉99;馬鈴薯播種株行距為45 cm×50 cm。種植密度44 460株/hm2，馬鈴薯品種青薯9號。分別對不同還田量的試驗地塊連續(xù)2年（4個階段）的同步試驗地采取土樣帶回實驗室測試分析。

1.4?測試指標與方法

土壤養(yǎng)分指標：有機質、全氮、有效磷（P2O5）、速效鉀（K2O）（表1）。

2?結果與分析

2.1?馬鈴薯淀粉加工廢水水質特征

從表2可以看出，綜合廢水COD為7 000～35 000 mg/L，總氮500～1 500 mg/L，總磷30～160 mg/L，總鉀800～3 000 mg/L。廢水重金屬含量均較低，可以達到《農田灌溉水質標準》（GB5084—2005），廢水汁水存在的主要問題為全鹽量較高，主要有2個原因：一是生產用水的鹽分本底值較高，二是馬鈴薯本身含鉀鹽較高，導致全鹽量中鉀鹽濃度偏高，而鉀是對農業(yè)生產活動有益的元素，廢水汁水的還田利用起到施用鉀肥的作用。因此馬鈴薯加工廢水富含土壤和農作物生長所需的營養(yǎng)成分，是“好水”，是“肥水”。

2.2?有機廢水還田對土壤耕作層肥力的影響

不同作物不同還田量土壤耕作層（0～30 cm）全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量見表3。土壤養(yǎng)分分級標準見表4。

施用汁水與沖洗混合廢水（有機廢水）能夠明顯提高土壤中全氮、有效磷、速效鉀的含量，對于土壤有機質影響較小。從表3可以看出，萬里試驗地土壤在未施用有機廢水時，種植玉米的土地土壤耕作層的全氮、有效磷、速效鉀和有機質含量分別為1.117 g/kg、17.64 mg/kg、142.62 mg/kg、12.28 g/kg;種植馬鈴薯的土地土壤耕作層的全氮、有效磷、速效鉀和有機質含量分別為1.114 g/kg、18.88 mg/kg、16873 mg/kg、11.78 g/kg。相當于Ⅲ級土壤，有機質是Ⅳ級水平[11-13]。

有機廢水施用量為600 m3/hm2時，在2017年11月第一次施用有機廢水后，2018年6月開始播種玉米和馬鈴薯，種植玉米的土地土壤耕作層中全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量分別為1.433 g/kg、35.73 mg/kg、176.61 mg/kg、15.69 g/kg;種植馬鈴薯的土地土壤耕作層的全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量分別為1.416 g/kg、37.71 mg/kg、237.82 mg/kg、16.75 g/kg。全氮基本仍屬于Ⅲ級土壤，磷和鉀含量已經提高到Ⅱ級和Ⅰ級，有機質還是Ⅳ級水平;2018年11月施用第二次有機廢水還田后，2019年6月測得種植玉米的土地土壤含氮量繼續(xù)提高到1.933 g/kg，有效磷含量43.00 mg/kg，速效鉀含量520.48 mg/kg，有機質含量21.25 g/kg;種植馬鈴薯的土地土壤含氮量繼續(xù)提高到1.944 g/kg，有效磷含量5332 mg/kg，速效鉀含量540.52 mg/kg，有機質含量20.15 g/kg。氮達到Ⅱ級土壤標準，磷、鉀超過Ⅰ級土壤標準，有機質是Ⅲ級土壤水平。種植玉米和馬鈴薯后，2019年10月測得全氮含量略有降低，仍保持Ⅱ級土壤。種植玉米的土地有效磷含量37.35 mg/kg，速效鉀含量580.51 mg/kg，有機質含量20.95 g/kg;種植馬鈴薯的土地有效磷含量1999 mg/kg，速效鉀含量450.24 mg/kg，有機質含量20.63 g/kg。有機質還在Ⅳ級水平，磷保持Ⅱ級水平，但鉀仍在Ⅰ級標準以上。

有機廢水施用量分別為900、1200、3 000 m3/hm2時，第一次還田后2018年6月測得全氮含量1.605～2.309 g/kg，有效磷含量54.35～95.64 mg/kg，速效鉀含量316.80～1 083.2 mg/kg，有機質含量19.83～31.37 g/kg，全氮達到Ⅱ級標準。且在還田量3 000 m3/hm2時全氮含量為Ⅰ級，有效磷達到Ⅰ級，速效鉀遠超Ⅰ級，有機質達到Ⅲ級;種植玉米和馬鈴薯后，全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量略有下降，第二次還田后至作物收獲前2019年10月測得全氮含量2.012～2.988 g/kg，有效磷59.00～146.87 mg/kg，速效鉀含量710.09～1 560.14 mg/kg，有機質含量29.02～42.44 g/kg。全氮、有效磷、速效鉀整體仍在Ⅰ級以上。

土壤有機質是土壤生態(tài)系統(tǒng)中一個重要的成分，有機質含量是衡量土壤肥力的重要因素，直接影響土壤的保肥性、保水性、緩沖性、耕性和通氣狀況等。土壤有機質的缺乏能夠引起團聚體性狀不好，土壤持水量下降，土壤侵蝕加劇，提供營養(yǎng)的能力下降，減少土壤生物和酶的活性。這些因素綜合到一起就會引起土壤的生產力下降。因此維持和提高農業(yè)土壤中有機質含量對于農業(yè)可持續(xù)發(fā)展非常關鍵。馬鈴薯加工廢水還田不僅提高了土壤有機質含量，改善了土壤的理化性質，為微生物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境和豐富的碳源、氮源，同時，微生物可以利用廢水中的碳源物質大量進行自身繁殖，將廢水中的碳同化為微生物體碳。認為土壤中凈增的氮素除部分來自還田外，更主要是由于還田促進微生物固氮作用所作的間接貢獻。廢水還田能促進真菌和細菌的大量繁殖，提高土壤中微生物的數(shù)量。

2.3?有機廢水還田利用對土壤剖面氮磷鉀遷移變化的影響

2.3.1?氮元素。

氮是所有活有機體所需要的最重要營養(yǎng)元素之一，也是限制作物生長的最重要因素之一。結合表5和圖1可知，在2017年11月和2018年11月2次不同施用量的有機廢水還田和2次種植玉米和馬鈴薯后，30～60和60～90 cm 2個斷面的氮含量都有不同程度的增加。還田量為600 m3/hm2時，30～60 cm剖面中氮含量逐步提高，在剖面60～90 cm氮的含量基本沒有明顯變化，與清水對照的同等斷面基本一致[14-16]。

還田量900 m3/hm2與清水還田對照相比，2個斷面的氮含量均稍有提高。當還田量達1 200 m3/hm2時，30～60 cm剖面的氮含量：1.462～1.296、1.388～1.368、1.526～1.608和1706～1.612 g/kg。60～90 cm剖面的氮含量：1.285～1.198、1217～1.187、1.185～1.211和1.224～1.399 g/kg。與清水還田對照相比，2個斷面的氮含量都有很大的提高。當還田量達3 000 m3/hm2時，2個斷面的氮含量與清水還田對照相比整體提高2倍。

2.3.2?磷元素。從表6可以看出，施用清水還田的土壤，30～60和60～90 cm剖面中磷含量為10.01～11.80、8.93～10.28 mg/kg。連續(xù)2年施用有機廢水還田2個斷面的磷含量都有不同程度的增加。連續(xù)2次同樣的還田量600 m3/hm2，30～60 cm剖面中磷含量從11.74～17.50 mg/kg逐步提高，每灌一次地和種植一次作物的耕作過程都提高此剖面的磷含量。在剖面60～90 cm磷含量與清水對照相比基本無明顯變化。

當還田量達900 m3/hm2時，30～60和60～90 cm剖面的磷含量分別為15.12～26.99、13.56～16.99 mg/kg，與清水還田對照相比，2個斷面的磷含量都有較大幅度的提高。還田量1 200 m3/hm2時，30～60 cm剖面的磷含量從19.86 mg/kg增加到32.49 mg/kg，60～90 cm剖面的磷含量從14.24 mg/kg增加到21.42 mg/kg，與清水還田對照相比，2個斷面磷含量都提高2～3倍。當還田量達3 000 m3/hm2時，2個斷面磷含量整體提高了3～6倍（圖2）。

磷在土壤中的遷移轉化過程，即是磷在土壤中的物理、化學、生物轉化過程。其中主要形式是和土壤中的鐵、鋁、鈣結合形成無機磷。而由于不同的溶解度，對植物的效用也不同，且會發(fā)生變化，如施肥、培養(yǎng)時間等會影響相互之間的關系及相互之間的遷移轉化，最終導致磷的特性發(fā)生改變。鑒于富含磷馬鈴薯加工廢水的大量施用，造成各種環(huán)境下土壤磷素形態(tài)發(fā)生遷移轉化，磷有效性提高。

2.3.3?鉀元素。

從表7可以看出，一直施用清水灌地的土壤在30～60和60～90 cm 2個不同剖面中鉀含量在95.87～190.51、81.35～130.11 mg/kg。同樣還田量600 m3/hm2，第一次還田和種植耕作過程中30～60 cm剖面鉀含量為110.30～160.89 mg/kg，基本在對照清水范圍內。第二次還田和種植耕作過程30～60 cm剖面鉀含量略有提高。60～90 cm剖面鉀含量變化不明顯且在清水對照范圍內。

當還田量達900 m3/hm2時，30～60和60～90 cm 2個剖面的鉀含量：172.44～299.44、93.63～196.47 mg/kg。與清水還田對照相比，2個斷面鉀含量都有較大幅度的提高。還田量為1 200 m3/hm2時，30～60 cm剖面的鉀含量：248.34～269.00 mg/kg（2018年6月）、300.37～310.05 mg/kg（2018年10月）、350.05～360.32 mg/kg（2019年6月）和390.19～500.41 mg/kg（2019年10月）;60～90 cm剖面的磷含量：12688～170.70 mg/kg（2018年6月）、185.87～200.02 mg/kg（2018年10月）、220.38～310.31 mg/kg（2019年6月）和22027～31009 mg/kg（2019年10月）。與清水還田對照相比，2個斷面的鉀含量都提高2～3倍。當還田量達到3 000 m3/hm2時，2個斷面的鉀含量整體提高了3～6倍（圖3）。

3?結論

（1）在試驗基地Ⅲ級土壤上施用馬鈴薯淀粉原汁水與沖洗水混合水還田時，還田量600～900 m3/hm2時，能明顯提高土壤中有機質、全氮、有效磷、速效鉀的含量，使土壤中全氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分等級從Ⅲ級提高到Ⅰ級，有機質提高到Ⅲ級。因此，還田量600～900 m3/hm2能明顯提高土壤養(yǎng)分等級，增加土壤肥力。還田量超過900 m3/hm2時，在0～30 cm耕作層中明顯出現(xiàn)氮磷鉀的富集，尤其是第二次重復還田施用時，氮富集量增加較快，過量磷鉀通常容易被土壤固化。

（2）試驗基地相比較清水對照還田的土壤，有機廢水還田量為600 m3/hm2時，30～60和60～90 cm剖面中氮元素無明顯遷移趨勢。有機廢水還田量超過900 m3/hm2時，在30～60、60～90 cm 2個剖面氮元素有明顯遷移變化，隨著還田量、還田和耕作次數(shù)的增加，氮向下遷移的量越大。

（3）當有機廢水還田量達600 m3/hm2時，磷和鉀元素已經開始向下遷移，隨著還田量、還田和耕作次數(shù)的增加，磷和鉀元素向下遷移量越明顯。而且在向下遷移過程中，有效磷和速效鉀有逐漸轉化為礦化磷和礦物質鉀的固化趨勢。

（4）馬鈴薯淀粉加工廢水施用到耕地中可有效降低化肥施用量，并且可以提升農產品品質，有助于實現(xiàn)有機農業(yè)生產，是“好水”，是“肥水”。

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