長期施用馬鈴薯淀粉加工廢水后土壤的氮磷累積與分配特征

趙博超，竇廣玉，王雪婷，苑喜男，朱克松，劉 剛，王天寧，潘涔軒

(1 中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；2 中國科學院 蘭州化學物理研究所,甘肅 蘭州 730000；3 寧夏農(nóng)林科學院，寧夏 銀川 750000)

農(nóng)業(yè)是人類衣食之源、生存之本。但是近年來，農(nóng)業(yè)面源污染成為環(huán)境污染的重要來源，污染貢獻率逐年增加，已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)農(nóng)村現(xiàn)代化的主要瓶頸。氮磷淋失作為農(nóng)業(yè)面源污染的一種重要形式，越來越受到國內(nèi)外學者的關注。研究表明，化肥的不合理投入是造成氮磷淋失污染的主要原因[1-3]。 此外，肥料品類也是影響氮磷淋失規(guī)律的主要因素[4-6]。有研究表明，施用有機肥或有機肥與化肥配施，可以顯著降低農(nóng)田中的氮磷淋失量[7-10]，同時改善土壤結構，增加土壤生物量，協(xié)調(diào)土壤中的水、肥、氣、熱，提高土壤肥力[11-13]；但過量施用同樣存在土壤氮、磷淋失，以及隨地表徑流污染地表水和地下水的環(huán)境風險[14-16]。

馬鈴薯淀粉加工廢水產(chǎn)生于馬鈴薯原料清洗過程、馬鈴薯淀粉與細胞汁水分離過程及清洗過程，是一種富含小顆粒淀粉、多糖、蛋白、磷、鉀等的有機廢水[17]。美國加州食品加工商聯(lián)盟2006年出版的《食品加工/沖洗用水的土地處理操作手冊》(Manual of Good Practice for Land Application of Food Processing/Rinse Water)(第二版)中，詳細說明了馬鈴薯淀粉加工廢水等食品加工廢水的土地利用與監(jiān)管細則，經(jīng)過多年監(jiān)測尚未發(fā)現(xiàn)對土壤、農(nóng)作物及環(huán)境有不良影響。在我國西北、華北的部分馬鈴薯淀粉主產(chǎn)區(qū)，馬鈴薯淀粉加工廢水常被作為肥料長期大量還田施用，但其施用方式及施用量與美國有很大區(qū)別。國內(nèi)對于馬鈴薯淀粉加工廢水還田利用的相關研究較少[18]，尤其是長期大量施用馬鈴薯淀粉加工廢水對土壤氮磷累積與淋失的影響尚未見報道。為此，本研究采集寧夏固原市某馬鈴薯淀粉企業(yè)流轉(zhuǎn)農(nóng)田(已連續(xù)施用馬鈴薯淀粉加工廢水8年)的土壤樣本，研究長期大量施用該廢水對農(nóng)田土壤氮、磷累積及淋失的影響，以期為馬鈴薯淀粉加工廢水的科學還田提供指導。

1 材料與方法

1.1 馬鈴薯淀粉加工廢水還田地塊的基本情況

馬鈴薯淀粉加工廢水還田地塊為寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)某馬鈴薯淀粉加工企業(yè)的流轉(zhuǎn)農(nóng)田。當?shù)氐孛矊儆诎霛駶?、半干旱黃土高原，海拔1 870 m，年平均降水量300～550 mm，年平均蒸發(fā)量1 200～1 800 mm，土壤為黑壚土，土壤體積質(zhì)量1.37～1.48 g/cm3，土層深厚，地勢平坦。該企業(yè)自2010年開始向該農(nóng)田施用馬鈴薯淀粉加工廢水，每年在馬鈴薯淀粉生產(chǎn)結束后(11-12月)，采用畦灌將馬鈴薯淀粉加工廢水施用于作物收獲后的空閑農(nóng)田，于當年12月底前施用完成，施用量約3 000 m3/hm2，至采樣時該地塊已連續(xù)施用馬鈴薯淀粉加工廢水8年。施用馬鈴薯淀粉加工廢水后的農(nóng)田翌年種植青貯玉米、馬鈴薯等作物，種植時不再施用化肥或其他有機肥。

對照地塊不施用馬鈴薯淀粉加工廢水和有機肥，常規(guī)施肥，根據(jù)作物需求施用尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀等氮、磷、鉀化肥。對照地塊與還田地塊直線距離約50 m，主要種植青貯玉米、馬鈴薯等作物，還田地塊與對照地塊均無灌溉設施。

1.2 樣品采集與處理

在還田地塊和對照地塊按照梅花點法分別設置9個采樣點(相距30 m)，用挖掘機挖出1 m×1 m×3 m的采樣剖面，分別采集0～20，40～60，80～100，100～150，200～250 cm土層的土壤樣品，每個樣品量不少于0.5 kg，將同一深度剖面的每3個采樣點樣品混合均勻，用自封袋封存，作為待檢測樣品。

1.3 分析指標及其檢測方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用“平均值±標準誤(mean±SD)”表示。利用Microsoft Excel 2019 軟件、SPSS 21.0 數(shù)據(jù)分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)的計算和統(tǒng)計檢驗，采用Origin 9.0繪圖，采用最小顯著性差異法分析不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 還田地塊和對照地塊全氮、全磷及有機碳的年投入量

經(jīng)檢測,還田地塊長期施用的馬鈴薯淀粉加工廢水pH為6.72～7.43，近中性；總有機碳4.68 g/L，全氮941 mg/L，全磷103 mg/L，具有一定的肥力。根據(jù)還田地塊馬鈴薯淀粉加工廢水施用量及其成分計算，還田地塊隨馬鈴薯淀粉加工廢水施入的總有機碳、全氮、全磷總量和對照地塊的化肥全氮、全磷施用總量見表1。從表1可知，還田地塊氮、磷投入總量遠遠超過對照地塊，分別為對照地塊的10.8和4.1倍。此外，還田地塊隨馬鈴薯淀粉加工廢水施入的總有機碳為14.04 t/hm2，而對照地塊不施入有機碳(有機質(zhì))。

表1 馬鈴薯淀粉加工廢水還田地塊和對照地塊全氮、全磷、總有機碳的年均施用量Table 1 Annual amounts of total N,P and C in potato starch processing wastewater application farmland and non-application farmland

2.2 還田地塊和對照地塊土壤水解氮的累積特性

土壤水解氮為土壤中作物生長所需的生物有效性氮源。由表2可知，還田地塊0～250 cm土層土壤水解氮含量為48.9～140.0 mg/kg，對照地塊為10.8～73.2 mg/kg，還田地塊各層土壤中水解氮含量均極顯著高于對照地塊。與對照地塊相比，還田地塊各層土壤水解氮含量的增幅自耕作層向下呈增加趨勢。還田地塊每年施用大量(3 000 m3/hm2)馬鈴薯淀粉加工廢水，廢水中的氮隨廢水向下入滲，大幅提高了還田地塊各層土壤的水解氮含量。本研究中，還田地塊和對照地塊土壤水解氮含量在各剖面土壤中的變化情況基本相同，均隨剖面深度增加呈近似線性下降趨勢。在200～250 cm土層，對照地塊中水解氮含量已下降到10.8 mg/kg，降幅為85.24%;但還田地塊中水解氮含量仍有48.9 mg/kg，降幅為65.07%，表明馬鈴薯淀粉加工廢水經(jīng)過多年施用已滲入至農(nóng)田250 cm土層以下。

表2 馬鈴薯淀粉加工廢水還田地塊和對照地塊土壤的水解氮含量Table 2 Content of hydrolyzed nitrogen in potato starch processing wastewater application and non-application farmlands

2.3 還田地塊和對照地塊土壤硝態(tài)氮的累積特性

硝態(tài)氮為土壤中供作物生長所需的速效氮源。由表3可知，還田地塊0～250 cm土層土壤硝態(tài)氮含量為37.6～53.0 mg/kg，對照地塊為1.82～7.34 mg/kg，還田地塊各層土壤硝態(tài)氮含量均極顯著高于對照地塊，但相較于對照地塊的增幅自耕作層以下基本保持不變。

表3 馬鈴薯淀粉加工廢水還田地塊和對照地塊土壤的硝態(tài)氮含量Table 3 Content of nitrate in potato starch processing wastewater application and non-application farmland

土壤各層硝態(tài)氮含量與氮肥種類、施用量、降水和灌溉有很大關系。由表3可知，還田地塊和對照地塊各剖面土壤中硝態(tài)氮含量的變化情況略有不同，對照地塊土壤硝態(tài)氮含量自表層的7.34 mg/kg向下急劇下降至40～60 cm土層的1.96 mg/kg，之后緩慢下降，至200～250 cm土層，硝態(tài)氮含量為1.82 mg/kg，相比表層硝態(tài)氮含量下降幅度達到75.20%。還田地塊土壤硝態(tài)氮含量自耕作層向下緩慢下降，至200～250 cm土層硝態(tài)氮含量仍達37.6 mg/kg，相比表層土壤硝態(tài)氮含量下降幅度僅有29.06%。寧夏固原市降水較少，研究地塊無灌溉系統(tǒng)，導致由降雨及灌溉引起的硝態(tài)氮向下淋濾作用較小。對照地塊只施用無機化肥，施到表層的氮肥(硝態(tài)氮)基本不會向下淋濾，故自表層向下硝態(tài)氮含量急劇降低。還田地塊馬鈴薯淀粉加工廢水施入對土壤硝態(tài)氮產(chǎn)生的影響可深至250 cm土層以下，廢水中的有機態(tài)氮在土壤微生物作用下轉(zhuǎn)化為無機態(tài)氮(硝態(tài)氮)，故自耕作層向下硝態(tài)氮含量緩慢降低，這與還田地塊各層土壤硝態(tài)氮含量較對照地塊增加幅度(倍數(shù))的變化趨勢一致。

2.4 還田地塊和對照地塊土壤有效磷的累積特性

還田地塊和對照地塊農(nóng)田土壤不同土層的有效磷累積量見表4。由表4可知，還田地塊0～250 cm土層土壤有效磷含量為0.8～35.4 mg/kg，對照地塊為0.2～22.2 mg/kg，還田地塊各層土壤有效磷含量均極顯著高于對照地塊。

表4 馬鈴薯淀粉加工廢水還田地塊和對照地塊土壤的有效磷含量Table 4 Content of available phosphorus in potato starch processing wastewater application and non-application farmland

由表4還可知，還田地塊和對照地塊各剖面土壤中有效磷含量變化情況與硝態(tài)氮變化情況相似。對照地塊土壤有效磷含量自表層的22.2 mg/kg急劇下降至40～60 cm土層的1.1 mg/kg(降低95%), 然后再緩慢下降；至200～250 cm土層，對照地塊有效磷含量僅為0.2 mg/kg，相比表層有效磷含量下降幅度達到99.10%。還田地塊土壤有效磷含量下降趨勢則相對平緩，但至200～250 cm土層，還田地塊中有效磷含量也降至0.8 mg/kg，相比表層土壤有效磷含量下降幅度達到97.74%，與對照地塊土壤有效磷含量的降幅相當。

3 討 論

3.1 馬鈴薯淀粉加工廢水施用與作物產(chǎn)量

水、肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵要素，在農(nóng)田空閑期或播種前進行灌溉，可以起到蓄水保墑的作用。各省根據(jù)當?shù)貧夂驐l件制定了相應的灌溉定額，寧夏回族自治區(qū)在農(nóng)田空閑期或播種前的灌溉定額(畦灌)一般為1 050 m3/hm2。據(jù)統(tǒng)計，2016年全國平均氮肥、磷肥的施用量分別為138.64 和49.81 kg/hm2[19]。還田地塊馬鈴薯淀粉加工廢水的施用量平均約3 000 m3/hm2，遠遠超過當?shù)氐墓嗨~，而隨廢水平均施用量所帶入的全氮約2 823 kg/hm2、全磷(以P2O5計)約708 kg/hm2，同樣遠遠超過作物對氮、磷的需求量及全國平均氮肥、磷肥投入量。這主要是因為馬鈴薯淀粉加工廢水是企業(yè)生產(chǎn)原淀粉過程中產(chǎn)生的廢水，對企業(yè)無其他價值，且廢水還田過程幾乎沒有成本，導致廢水施用量沒有約束。

經(jīng)調(diào)研，2016、2017和2018年廢水還田地塊青貯玉米產(chǎn)量較對照地塊分別增加6.85%(還田地塊54.6 t/hm2，對照地塊51.1 t/hm2)，6.17%(還田地塊48.2 t/hm2，對照地塊45.4 t/hm2)和9.55%(還田地塊58.5 t/hm2，對照地塊53.4 t/hm2)，平均增加7.52%。這說明農(nóng)田連續(xù)多年施用馬鈴薯淀粉加工廢水后青貯玉米產(chǎn)量略有增加，而且在保證作物產(chǎn)量的前提下，廢水還田可以實現(xiàn)減施(不施)化肥的效果。按對照地塊化肥施用標準計算，馬鈴薯淀粉加工廢水還田后每公頃可減施氮肥(尿素，N含量46.4%)564 kg，磷肥(過磷酸鈣，有效P2O5含量16%)1 075.5 kg。但同時也應注意，當?shù)剡^量施用馬鈴薯淀粉加工廢水以及畦灌的施用方式，不但造成氮、磷養(yǎng)分的嚴重浪費，還會增加氮、磷淋失的環(huán)境污染風險，因此應根據(jù)馬鈴薯淀粉加工廢水的成分特點，結合《測土配方施肥技術規(guī)范》，綜合確定馬鈴薯淀粉加工廢水及其他肥料的施用方案。

3.2 水肥施用與土壤氮磷淋失風險

硝態(tài)氮、有效磷含量是評價土壤氮、磷淋失的重要指標，對于相同土質(zhì)的農(nóng)田，肥料類型及施用量、降水與灌溉是影響氮、磷淋失的關鍵因素。研究表明，土壤氮、磷淋失量隨施肥量及降水或灌溉量的增加而增加，減量施肥是降低氮、磷淋失的有效措施[20-21]。與單獨施用化肥相比，有機與無機肥配施可顯著降低氮的淋失，但對降低磷流失的作用因試驗條件不同而有不同的結論[22-25]。本研究中馬鈴薯淀粉加工廢水施用不同于一般的肥料施用和灌溉過程，近似水肥一體施用過程。馬鈴薯淀粉加工廢水攜帶的氮、磷一邊向下入滲，一邊對已吸附在各層的氮磷向下淋濾。還田地塊與對照地塊各層土壤中硝態(tài)氮、有效磷含量自60 cm以下下降趨勢較緩，說明當?shù)亟涤陮Φ⒘琢転V影響較小，這與當?shù)馗珊瞪儆甑臍夂蛱卣飨喾蟍26]。還田地塊各層土壤中較高的硝態(tài)氮、有效磷含量主要由馬鈴薯淀粉加工廢水入滲本身攜帶的氮、磷所致。

土壤本身對磷有很強的固定能力[27]，通過對比分析本研究中還田地塊土壤硝態(tài)氮和有效磷含量的下降趨勢、幅度也可證明，土壤對磷有更強的吸附固定作用。研究表明，土壤有效磷的淋失存在突變點，而突變點與土壤pH、有機質(zhì)含量有顯著關系[28]；當土壤有效磷淋失超過突變點時，導致通過淋溶流失的有效磷量急劇提高[29-30]。有報道表明，有效磷突變點為63.7[31]，80.3[32]，47.8[33]和53 mg/kg[34]。本研究中還田地塊耕作層有效磷含量為35.4 mg/kg，低于上述研究中土壤有效磷淋失的突變點，因此在特大降雨的情況下發(fā)生磷大量淋失的可能性較小，但仍需注意施用方式，避免施用過程本身造成有效磷淋失。

4 結 論

(1)當?shù)伛R鈴薯淀粉加工廢水還田施用量過大，隨廢水引入的氮、磷遠超作物生長所需，造成水、肥資源的嚴重浪費。

(2)相對于對照地塊，還田地塊土層中氮、磷累積量更高，存在一定的環(huán)境污染風險，但在當?shù)馗珊瞪儆甑臍夂驐l件下，還田地塊農(nóng)田土層中氮、磷淋失的風險較小。

(3)馬鈴薯淀粉加工廢水作為“水肥”施用時，有利于作物(青貯玉米)增產(chǎn)，同時可以達到減施(不施)化肥的效果。

(4)應結合《測土配方施肥技術規(guī)范》確定馬鈴薯淀粉加工廢水及其他肥料的施用總量，并結合土壤性質(zhì)確定施用方式，控制滲入深度，避免廢水滲入耕作層以下，造成資源浪費及環(huán)境污染風險。