馬鈴薯淀粉加工廢水灌溉對土壤質(zhì)量及玉米生長的影響

雷曉婷，何進(jìn)勤，雷金銀，祁煥軍,2，徐瑾瑜，金建新，王天寧

（1寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002；2寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

馬鈴薯是世界四大經(jīng)濟(jì)作物之一，在中國西北主產(chǎn)區(qū)種植面積約占全國的25%[1]，被譽(yù)為寧夏南部山區(qū)的“救濟(jì)糧”。馬鈴薯淀粉加工業(yè)已成為寧夏固原市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的龍頭支柱產(chǎn)業(yè)，有力推動了寧南山區(qū)農(nóng)民脫貧致富，但隨之產(chǎn)生的淀粉加工廢水的污染及資源化利用問題日益突出。僅固原市每年排放的淀粉加工廢水就近3×106t[2,3]。馬鈴薯淀粉加工廢水中COD含量高，同時(shí)含有大量的有機(jī)物，如蛋白質(zhì)、糖類、纖維和淀粉等，直接排放不僅會污染環(huán)境，也會造成巨大的資源浪費(fèi)[4-5]。

農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物資源化利用和清潔生產(chǎn)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢和必由之路[6-8]。國內(nèi)外研究證明，馬鈴薯淀粉加工廢水還田，可提高土壤肥力，既降低了種植成本，又解決了企業(yè)廢水的污染問題。國外將淀粉廢水作為有機(jī)肥，利用淀粉廢水種植玉米，研究玉米對不同廢水量的適應(yīng)性，以及玉米受到營養(yǎng)元素積累的影響[9-10]。馬鈴薯淀粉廢水中富含農(nóng)作物生長所必需的N、P、K元素，經(jīng)過合適的預(yù)處理及科學(xué)地控制廢水用量可進(jìn)行農(nóng)田灌溉[11]。寧夏固原市利用處理后的淀粉廢水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，經(jīng)過3年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，處理后的淀粉廢水灌溉可以增加土壤肥力，改良土壤，農(nóng)作物增產(chǎn)超過25%[12]；淀粉廢水在土壤中能夠快速分解轉(zhuǎn)化，在冬季將淀粉廢水排入田地，80天左右廢水中的有機(jī)質(zhì)幾乎被完全分解，次年農(nóng)田中的作物生長良好[13]。經(jīng)測算，固原市將馬鈴薯淀粉廢水用于農(nóng)田灌溉，每年可減少COD排放960 t。不僅可以節(jié)約水資源，還可以減少化肥的施用量，降低馬鈴薯淀粉廢水處理費(fèi)用，有效提高馬鈴薯淀粉加工廠的經(jīng)濟(jì)效益。

但是長期施用會使農(nóng)田土壤質(zhì)量下降、影響作物生長，也潛藏著污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在利用淀粉廢水進(jìn)行灌溉的過程中，如何做到揚(yáng)長避短是一個(gè)值得長期探索的問題。筆者研究馬鈴薯淀粉加工廢水灌溉對土壤性質(zhì)及作物生長的影響，探明最適廢水還田量，以期為農(nóng)村環(huán)境保護(hù)及淀粉加工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2017—2018年在西吉縣將臺鄉(xiāng)火溝村進(jìn)行，土壤質(zhì)地為壤土。試驗(yàn)選擇以前未灌溉廢水的休閑農(nóng)田，地勢平坦，土層深厚，種植玉米。廢水取自西吉縣某馬鈴薯淀粉加工企業(yè)，冬前一次性灌溉，灌溉時(shí)避免積水。試驗(yàn)前土壤養(yǎng)分狀況及廢水化學(xué)性質(zhì)如表1～2。

表1 馬鈴薯淀粉加工廢水灌溉前土壤養(yǎng)分狀況

表2 馬鈴薯淀粉加工廢水化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別于2017、2018年11月在當(dāng)?shù)伛R鈴薯淀粉加工廠采集廢水并一次性灌溉至農(nóng)田，分別于2018年5月、2019年5月種植玉米。共設(shè)5個(gè)處理，W1(CK)為清水 3000 m3/hm2，W2為廢水 600 m3/hm2，W3為廢水900 m3/hm2，W4為 廢 水 1200 m3/hm2，W5為 廢 水3000 m3/hm2，完全隨機(jī)排列，重復(fù)3次。各試驗(yàn)處理均不施肥，小區(qū)面積均為4 m×11 m。種植玉米株行距為20 cm×30 cm。

1.3 觀測指標(biāo)與計(jì)算方法

1.3.1 土壤樣品采集 分別于2018年10月、2019年10月在玉米種植行內(nèi)用土鉆采集耕層0～20 cm土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后測定土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷及速效鉀含量。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定[14]，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷采用0.5 mol/LNaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用1 mol/LNH4OAc浸提火焰光度計(jì)法測定。

1.3.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定 分別在2018、2019年作物播種前和收獲后采集原狀土樣，采樣深度為0～20 cm，用一次性硬質(zhì)飯盒帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干以備土壤團(tuán)聚體測定。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定采用濕篩法[15]，按照干篩各級別團(tuán)聚體的質(zhì)量比例配成50 g風(fēng)干土樣，沉降后將飽和土樣轉(zhuǎn)移至裝滿去離子水的水桶套篩（孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm）的頂部，將篩組整體在水中慢慢升降處理5 min，將各級篩子上的團(tuán)聚體小心洗入鋁盒，低溫烘箱烘干并在空氣中平衡2 h后稱重得到濕篩后各級團(tuán)聚體的百分含量。

1.3.3 出苗率及產(chǎn)量 出苗以葉片露出表土2 cm為準(zhǔn)，播種后7天開始觀測，14天后結(jié)束。收獲時(shí)取每個(gè)小區(qū)中間20 m2計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

采用Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理及方差分析(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同廢水灌溉量對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量能夠更好地反映土壤保持和供應(yīng)養(yǎng)分能力。如圖1所示，不同量廢水灌溉土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均大于清水灌溉，由高到低依次為 W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)5＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1。土壤有機(jī)碳主要富集在0.25～2 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體內(nèi)，該粒級土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨廢水灌溉量的增加呈先增加后減少又增加的趨勢，分別比W1增加了14.90%、17.04%、4.09%和16.67%。

圖1 廢水灌溉對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)組成的影響

2.2 不同廢水灌溉量對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

如圖2所示，廢水灌溉能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，廢水灌溉處理W2、W3、W4、W5土壤有機(jī)質(zhì)比W1分別增加了7.14%、12.64%、26.92%、30.22%。

圖2 廢水灌溉對0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

灌溉1年，廢水灌溉表層0～20 cm土壤堿解氮、速效鉀和有效磷含量均高于對照（圖3～5）。相比對照，W2、W3、W4、W5堿 解 氮 分 別 增 加 55.66% 、7.34% 、66.67%和49.03%，速效鉀分別增加183.33%、71.30%、456.48%和554.32%，有效磷分別增加188.76%、73.90%、49.40%和161.04%。灌溉2年表層0～20 cm土壤堿解氮、速效鉀和有效磷含量均比灌溉1年高。

圖3 廢水灌溉對0～20 cm土壤堿解氮含量的影響

圖4 廢水灌溉對0～20 cm土壤速效鉀的影響

圖5 廢水灌溉對0～20 cm土壤有效磷的影響

2.3 對土壤酶活性的影響

灌溉1年，廢水灌溉表層0～20 cm土壤過氧化氫酶和磷酸酶含量均高于對照，而脲酶含量在W2時(shí)比對照增加，后隨廢水灌溉量增加而下降（圖6～8）。與W1相比，W2、W3、W4、W5處理下過氧化氫酶活性分別增加了8.47%、0.03%、9.64%、5.34%；磷酸酶活性分別增加13.48%、3.83%、17.24%、11.71%。脲酶在W2處理下增加 5.37%，在 W3、W4、W5處理下分別減少9.94%、13.25%和21.50%。連續(xù)灌溉2年，各處理表層0～20 cm脲酶比灌溉1年均增加。

圖6 廢水灌溉對土壤表層0～20 cm過氧化氫酶活性的影響

圖7 廢水灌溉對土壤表層0～20 cm脲酶活性的影響

圖8 廢水灌溉對土壤表層0～20 cm磷酸酶活性的影響

2.4 不同廢水灌溉量對玉米出苗率及產(chǎn)量的影響

由表3可知，初播后12天，W2、W3、W4的玉米出苗率高于W1，但處理之間差異不大，而W5明顯低于清水灌溉。灌溉1年W3玉米出苗率最高為55.5%，W5最低為19.3%；灌溉2年W4最高為55.9%，W5最低為18.6%。表明適量灌溉廢水可略提高玉米出苗率，過量灌溉則嚴(yán)重影響玉米出苗?？傮w來看，廢水灌溉量不宜超過1200 m3/hm2。

表3 廢水灌溉對玉米出苗率及產(chǎn)量的影響

廢水灌溉可顯著提高玉米產(chǎn)量。灌溉1年W2、W3、W4、W5的玉米產(chǎn)量比W1分別提高35.9%、77.1%、44.0%、24.1%，灌溉2年分別提高41.5%、43.9%、33.8%、13.1%。隨著廢水灌水量的增加玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，2年灌溉W3玉米產(chǎn)量最高，分別為69171.0、59404.5 kg/hm2。W5產(chǎn)量最低，分別為48462.0、46684.5 kg/hm2。因此，在合理灌溉量內(nèi)，馬鈴薯加工廢水可作為肥水再次還田利用，總體來看，從玉米產(chǎn)量角度出發(fā)，最佳廢水灌溉量為900 kg/hm2。

3 結(jié)論

馬鈴薯淀粉加工廢水灌溉能增加0.25～2 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，表層0～20 cm土壤堿解氮、速效鉀、有效磷和有機(jī)質(zhì)含量，以及土壤酶活性；提高土壤肥力，促進(jìn)養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)化，從而增產(chǎn)增收。但是，過量灌溉會降低玉米出苗率，影響作物生長。總體來看，最適廢水灌溉量為900 m3/hm2。

4 討論

當(dāng)?shù)伛R鈴薯淀粉有加工季節(jié)性特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝限制。常用的物化法和生化法處理馬鈴薯淀粉廢水方法存在投資運(yùn)行成本高、受當(dāng)?shù)氐蜏丨h(huán)境影響處理效果不佳的問題；另一方面，馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝相對落后，無法將馬鈴薯中大量的蛋白質(zhì)和淀粉完全提取，造成處理難度增大和資源嚴(yán)重浪費(fèi)等[16-17]，因此，提出符合當(dāng)?shù)伛R鈴薯淀粉加工實(shí)際的廢水處理方法成為當(dāng)務(wù)之急。近年來基于土壤處理法的廢水還田利用被認(rèn)為是西北地區(qū)馬鈴薯淀粉加工廢水資源化利用的有效途徑[18]。廢水灌溉還田的基本前提是保證土壤質(zhì)量健康安全和廢水資源的高效利用。

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是土壤肥力基礎(chǔ)，是土壤健康的重要物理指標(biāo)。0.25～2 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高土壤穩(wěn)定性越好[19-21]。研究橄欖油廠廢水灌溉對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響表明灌溉廢水5年增加了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[22]。本研究證明，廢水灌溉能增加0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體含量。馬鈴薯淀粉加工廢水灌溉對土壤肥力的影響，反映了高分子有機(jī)物在土壤中的分解、轉(zhuǎn)化特征[23]。研究表明，馬鈴薯淀粉廢水灌溉草地增加土壤氮磷鉀含量，提高土壤有機(jī)碳水平[24]。土壤酶是土壤微生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)運(yùn)動和能量交換等活動中的活躍物質(zhì)，酶活性是衡量土壤肥力及養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)[25]。土壤中磷酸酶、脲酶活性與磷含量、尿素轉(zhuǎn)化有密切聯(lián)系，過氧化氫酶能夠影響土壤中微環(huán)境氧化還原反應(yīng)，從而減弱根系氧化反應(yīng)的危害[26-27]。本研究中，與對照相比，廢水灌溉處理過氧化氫酶及磷酸酶活性均有所增加，且與廢水灌溉量呈正相關(guān)。用處理過的廢水灌溉可增加玉米對養(yǎng)分的吸收及產(chǎn)量[28]。本研究中，當(dāng)廢水灌溉量超過1200 m3/hm2時(shí)玉米出苗率明顯降低，與有機(jī)物積累過多有關(guān)，出現(xiàn)了燒苗的情況。筆者研究了馬鈴薯淀粉加工廢水灌溉對土壤質(zhì)量及玉米生長的影響，提出最適灌溉量，為進(jìn)一步研究廢水灌溉對農(nóng)田土壤環(huán)境的影響及廢水資源化利用提供了參考。今后將對廢水灌溉提高農(nóng)田土壤對污水的消納、分解能力和作物對養(yǎng)分吸收利用率等方面進(jìn)行更加深入的研究。