馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉對土壤養(yǎng)分和苜蓿生長的影響

賈淵超，畢江濤，曹學海，孫權(quán)，毛瑞璠，惠治兵，劉鵬

（1.寧夏大學農(nóng)學院，銀川 750021；2.寧夏大學生態(tài)環(huán)境學院，銀川 750021；3.寧夏彭陽縣種子管理站，寧夏 彭陽 756599）

中國是世界上種植馬鈴薯面積最大的國家。目前，我國已有2 000多家馬鈴薯淀粉生產(chǎn)企業(yè)，其年產(chǎn)量已超過1 000萬t，與此同時也產(chǎn)生了大量的馬鈴薯淀粉加工汁水（每生產(chǎn)1 t 淀粉產(chǎn)生9 t 汁水），其主要包括馬鈴薯原料的清洗水、淀粉分離過程產(chǎn)生的細胞水、淀粉精制洗滌過程產(chǎn)生的洗滌水以及生產(chǎn)設(shè)備清洗和清潔用水。馬鈴薯淀粉加工汁水COD 濃度較高，含有大量蛋白質(zhì)、糖類等有機物，如未妥善處理而直接排入河流則會導致水面產(chǎn)生大量白色泡沫、水體發(fā)黑、散發(fā)惡臭，引發(fā)水體污染；如直接排入土壤還會引發(fā)土壤板結(jié)等一系列問題。我國馬鈴薯淀粉加工產(chǎn)業(yè)主要分布在西北、華北和東北等地區(qū)，淀粉生產(chǎn)集中在寒冷的冬季，生產(chǎn)周期不足3個月，在短時間內(nèi)實現(xiàn)大量馬鈴薯淀粉加工汁水的達標排放非常困難。因此，如何合理有效地處置馬鈴薯淀粉加工汁水成為目前的研究熱點。

研究顯示，馬鈴薯淀粉加工汁水中含有較高濃度的蛋白質(zhì)、糖類、纖維素等有機物和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，其產(chǎn)生過程完全為物理過程，除了以馬鈴薯塊莖和水為原料之外不添加任何有害物質(zhì)，是一種具有重要利用價值的肥水資源，如果用于農(nóng)業(yè)灌溉則可以在很大程度上實現(xiàn)廢棄物資源化利用。另有研究顯示，馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉農(nóng)田可以明顯提高土壤耕作層中有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量，土壤剖面中氮和磷元素有明顯向下遷移并被礦化的趨勢，與未灌溉馬鈴薯淀粉加工汁水的農(nóng)田土壤相比，重金屬含量無顯著差異，表明馬鈴薯淀粉加工汁水不僅可以提高土壤肥力，而且對土壤的污染風險較小，可以進行資源化利用。

苜蓿（）富含蛋白質(zhì)、維生素等大量營養(yǎng)元素，被譽為“牧草之王”。苜蓿生長過程中需要大量的氮、磷、鉀養(yǎng)分。李天琦等和許瑞軒等的研究顯示：連續(xù)多年種植苜蓿會大量消耗土壤中的養(yǎng)分，水肥結(jié)合可為苜蓿草地補充養(yǎng)分，并提高苜蓿蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪等養(yǎng)分含量。寧夏馬鈴薯產(chǎn)業(yè)分布在水資源短缺的南部山區(qū)，水肥協(xié)同效率低等問題嚴重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，利用馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉農(nóng)田不但能夠?qū)崿F(xiàn)水肥結(jié)合，有效補充土壤養(yǎng)分，滿足植物對營養(yǎng)元素和水分的需求，而且可以實現(xiàn)廢棄物資源化利用。本試驗在寧南山區(qū)干旱條件下進行，通過大田試驗開展馬鈴薯淀粉加工汁水苜蓿灌溉試驗，分析不同灌溉量對土壤養(yǎng)分和苜蓿品質(zhì)的影響，以期為馬鈴薯淀粉加工汁水資源化利用提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試苜蓿品種：紫花苜蓿。

供試材料：馬鈴薯淀粉加工汁水由寧夏某淀粉加工企業(yè)提供，加工工藝為沉淀法。全氮0.89 g·L，全磷0.09 g·L，全鉀1.24 g·L，氨氮0.20 g·L，pH 6.13，電導率2.12 mS·cm，多糖0.25 mg·L，可溶性固形物2.3%。

1.2 試驗區(qū)概況

試驗于2021 年4 月10 日—8 月1 日在寧夏固原市彭陽縣李家河（106°40'30″E、35°49'38″N）開展。試驗地位于六盤山東麓黃土高原中部溝壑區(qū)，海拔1 766 m，年平均氣溫7.4～8.5 ℃，全年無霜期140～170 d，降水量350～550 mm，屬溫帶大陸性氣候，土壤為黃綿土，有機質(zhì)14.11 g·kg，pH 8.56，電導率108.50μS·cm，堿解氮119.14 mg·kg，有效磷90.08 mg·kg，速效鉀172.96 mg·kg。

1.3 試驗設(shè)計

依據(jù)文獻[21]，并考慮前期試驗出現(xiàn)的燒苗現(xiàn)象和灌溉季節(jié)，試驗設(shè)置5個灌溉處理，具體見表1。不同灌溉量的馬鈴薯淀粉加工汁水所含的營養(yǎng)成分和含水量不同，為避免因含水量不同而造成的系統(tǒng)誤差，本試驗采取等額灌溉方式，即每個處理的灌水總量為300 m，不足300 m的處理以清水進行補灌（馬鈴薯淀粉加工汁水+清水=300 m·hm），以人工澆灌形式進行灌溉（下文中灌溉量均指汁水灌溉量）。每個處理設(shè)置3 個重復，共15 個小區(qū)，小區(qū)面積為40 m，小區(qū)間設(shè)置1 m 保護行。分別于2021 年5 月20 日、6 月20 日進行灌溉，7 月21 日苜蓿盛花期進行植物樣品的生長和營養(yǎng)指標測定。各處理的田間管理（除雜草、防治病蟲害等）同當?shù)剀俎Ｌ镩g管理保持一致。

表1 馬鈴薯汁水灌溉苜蓿試驗設(shè)計Table 1 Experimental design of alfalfa irrigation with potato juice water

1.4 測定指標及方法

土壤化學指標測定：土壤化學指標測定參照《土壤農(nóng)化分析》進行，其中有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，pH 采用電極法，堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度計法。

生長指標測定：苜蓿刈割前，各小區(qū)采用隨機取樣的方法測定苜蓿株高，測量每株從主莖距地面3 cm至主莖頂部的高度，每個小區(qū)隨機測定10 株，取其平均值；用SPAD 502葉綠素儀測定葉綠素含量。

產(chǎn)量及莖葉比測定：在苜蓿盛花期，每個小區(qū)隨機選取長勢均一，能代表該小區(qū)長勢的1 m×1 m 樣方，留茬3 cm 刈割，稱其鮮質(zhì)量，用牛皮紙袋封存帶回，放置烘箱中，于105 ℃殺青30 min后，70 ℃烘干至質(zhì)量恒定，稱其干質(zhì)量，根據(jù)干質(zhì)量計算每公頃干草產(chǎn)量；然后將烘干草樣進行莖葉分離，分別稱取莖和葉的質(zhì)量（花序質(zhì)量計為葉片質(zhì)量），計算其莖葉比。

營養(yǎng)成分測定：將烘干草樣粉碎，過0.25 mm篩，粗灰分（Crude ash）含量采用灼燒法，粗脂肪（Crude fat）含量采用索氏抽提法，粗蛋白（Crude protein）含量采用凱氏定氮法，酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber）和中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber）含量采用Van Soest洗滌法；相對飼喂價值（Relative feeding value）=（88.9-0.779×酸性洗滌纖維含量）×（120/中性洗滌纖維含量）/1.29

植株氮、磷、鉀測定：采用HSO-HO消化-凱氏定氮法測定氮含量，采用HSO-HO消化-鉬銻抗比色法測定磷含量，采用HSO-HO消化-火焰分光光度法測定鉀含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進行試驗數(shù)據(jù)處理和計算，使用SPSS 19.0 軟件進行單因素方差分析（LSD 法）和主成分分析，使用Origin 2019做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯淀粉加工汁水水質(zhì)評價

灌溉水水質(zhì)是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和環(huán)境的重要因素，《農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標準》（GB 5084—2021）是國家為防止土壤、地下水和農(nóng)產(chǎn)品污染，維護生態(tài)平衡所制定的標準。在沉淀法工藝處理的馬鈴薯淀粉加工汁水理化性狀中（表2），全鹽、pH 和砷、鉛、汞、鎘、六價鉻的含量均低于《農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標準》，BOD 和COD 值均超過100 mg·L和200 mg·L的標準值，表明經(jīng)沉淀法工藝處理后的馬鈴薯淀粉加工汁水除BOD 和COD 含量較高外，其余各指標均符合國家灌溉水質(zhì)標準。

表2 馬鈴薯淀粉加工汁水理化性狀Table 2 Physicochemical properties of potato starch processing juice

2.2 馬鈴薯淀粉加工汁水對土壤養(yǎng)分的影響

不同灌溉量的馬鈴薯淀粉加工汁水均對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生顯著影響（表3）。與CK 相比，各處理土壤有機質(zhì)含量均顯著增加（＜0.05），增幅為12.02%～22.25%；灌溉量較高的T3 和T4 處理土壤pH 顯著降低（＜0.05），降幅為1.88%～2.71%，灌溉量較低的T1和T2 處理pH 雖有降低，但與CK 差異不顯著（＞0.05）；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量均隨汁水灌溉量增加而增加，除T1外，各處理土壤堿解氮含量顯著增加（＜0.05），增幅為9.60%～46.90%，各處理有效磷和速效鉀含量均顯著增加（＜0.05），分別增長11.93%～20.62%和2.78%～10.01%。由此表明，灌溉馬鈴薯淀粉加工汁水可有效增加土壤養(yǎng)分含量，提升土壤肥力。

表3 馬鈴薯淀粉加工汁水對土壤養(yǎng)分的影響Table 3 Effects of potato starch processing juice on soil nutrients

2.3 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿株高及產(chǎn)量的影響

馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿株高及產(chǎn)量的影響顯著（表4）。鮮草產(chǎn)量隨著馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而增加，株高和干草產(chǎn)量表現(xiàn)出先增長后略有降低的趨勢。與CK 相比，各處理株高顯著增長（＜0.05），增幅為12.86%～38.06%，其中T3 增幅最大，T4 次之，但二者差異不顯著（＞0.05）；鮮草產(chǎn)量顯著增加（＜0.05），增幅為33.82%～160.29%，其中灌溉量最高的T4處理增幅最大，T3次之，但二者差異不顯著（＞0.05）；干草產(chǎn)量顯著增加（＜0.05），增幅為27.03%～172.30%，其中T3 增幅最大，T4 次之，但二者差異不顯著（＞0.05）。適量灌溉馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿株高、鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量均有促進作用，但灌溉量過多會對株高和干草產(chǎn)量產(chǎn)生抑制作用。

表4 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿株高和產(chǎn)量的影響Table 4 Effects of potato starch processing juice on alfalfa plant height and yield

2.4 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿生長的影響

馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿生長的影響顯著（表5）。與CK 相比，T1 處理苜蓿干鮮比降低，T2、T3 和T4 處理苜蓿增長，其中T3 顯著增長7.69%（＜0.05）；各處理莖葉比顯著降低（＜0.05），其中T3 最低，降低26.42%；葉綠素含量隨著馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而增長，其中T2、T3和T4處理增長顯著（＜0.05），增幅為15.68%～29.61%。由此說明馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿生長起到了促進作用。

表5 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿生長的影響Table 5 Effects of potato starch processing juice on the growth performance of alfalfa

2.5 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)及相對飼喂價值的影響

從表6 可以得知，馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)及相對飼喂價值具有顯著影響。與CK 相比，各處理粗灰分含量顯著降低（＜0.05），降幅為0.75～3.25個百分點，T1降幅最大；粗脂肪含量顯著增長（＜0.05），增幅為0.36～0.68 個百分點，T1 增幅最大；粗蛋白含量顯著增長（＜0.05），增幅為3.69～6.97 個百分點，T4 增幅最大；各處理酸性洗滌纖維含量差異顯著（＜0.05），T1 最高；CK 中性洗滌纖維含量最高，顯著高于其他處理組（＜0.05）；各處理相對飼喂價值顯著增長（＜0.05），增幅為5.41～36.54 個百分點，T3增幅最大。由此說明馬鈴薯淀粉加工汁水可以改善苜蓿的營養(yǎng)品質(zhì)，提升牧草相對飼喂價值。

表6 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)及相對飼喂價值的影響（%）Table 6 Effects of potato starch processing juice on the nutritional quality and relative feeding value of alfalfa（%）

2.6 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿養(yǎng)分積累的影響

圖1顯示，苜蓿的全氮、全磷、全鉀含量變化趨勢基本相同，大小順序均為T4＞T3＞T2＞T1＞CK，均隨馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而顯著增加。與CK相比，各處理全氮含量顯著增長（＜0.05），T4 最大，為15.04 mg·kg，T1、T2和T3分別為12.62、13.74 mg·kg和14.00 mg · kg，T1～T4 分 別 增 長15.67%、25.93%、28.32%和37.86%；全磷含量顯著增長（＜0.05），T4 最大，為4.26 mg·kg，T1、T2 和T3 分別為3.08、3.70 mg·kg和3.77 mg·kg，T1～T4 分別增長13.65%、36.53%、39.11%和57.20%；全鉀含量顯著增長（＜0.05），T4最大，為4.93 mg·kg，T1、T2和T3分別為2.44、3.34 mg·kg和4.13 mg·kg，T1～T4 分別增長201.23%、312.35%、409.88%和508.64%。由此表明馬鈴薯淀粉加工汁水可顯著提升苜蓿全氮、全磷、全鉀的積累量。

圖1 不同馬鈴薯淀粉加工汁水處理下苜蓿氮、磷、鉀積累量Figure 1 Nitrogen，phosphorus and potassium accumulation of alfalfa under different potato starch processing juice treatments

2.7 馬鈴薯淀粉加工汁水效果綜合評價

選取有機質(zhì)、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、株高、鮮草產(chǎn)量、葉綠素、粗脂肪、粗蛋白和相對飼喂價值11 項主要指標，采用極差標準化方法將原始數(shù)據(jù)標準化處理，處理后的數(shù)據(jù)均位于[0，1]區(qū)間，然后利用SPSS 軟件進行主成分分析，獲得兩個主成分的相關(guān)分析數(shù)據(jù)，主成分系數(shù)等于各變量因子載荷向量除以各自主成分特征根的算術(shù)平方根。由表7 可知，前兩個主成分的累積貢獻率為94.03%，高于90%，因此，可以選取前兩個主成分建立綜合評價模型。

表7 各指標主成分矩陣表Table 7 Principal component matrix of each index

=0.323×粗蛋白+0.320×有機質(zhì)+0.320×有效磷+0.319×葉綠素+0.317×鮮草產(chǎn)量+0.316×速效鉀+0.313×株高-0.308×pH+0.295×堿解氮+0.284×相對飼喂價值+0.169×粗脂肪

=0.098×粗蛋白+0.152×有機質(zhì)+0.174×有效磷-0.091×葉綠素-0.108×鮮草產(chǎn)量-0.047×速效鉀+0.074×株高+0.287×pH-0.350×堿解氮-0.099×相對飼喂價值+0.831×粗脂肪

根據(jù)主成分得分計算綜合得分，綜合得分越高表明汁水灌溉效果越好，綜合得分以主成分的貢獻率對主成分得分進行加權(quán)平均，即主成分綜合得分=（主成分1 得分×84.512+主成分2 得分×9.518）/94.030，根據(jù)綜合得分排序為T4＞T3＞T2＞T1＞CK（表8）。

表8 主成分分析綜合得分Table 8 Comprehensive score of principal component analysis

3 討論

3.1 馬鈴薯淀粉加工汁水對土壤養(yǎng)分的影響

馬鈴薯淀粉加工汁水各項重金屬指標均符合《農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標準》，但BOD 和COD 含量較高，因此，馬鈴薯淀粉加工汁水需要通過一定的工程或工藝措施進行處理。何進勤等的試驗結(jié)果表明，靜置24 h后馬鈴薯淀粉加工汁水的BOD 和COD 含量均有所減少，且在植被收獲后土壤中COD 基本被降解。在本試驗研究中，馬鈴薯淀粉加工汁水采取了好氧發(fā)酵，并在灌溉時進行了稀釋處理。

土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重，施肥和灌水條件可顯著影響土壤養(yǎng)分狀況。馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉農(nóng)田與清水灌溉相比，可顯著提高土壤養(yǎng)分含量，尤其是速效鉀含量在玉米收獲后提升7 倍以上，并且沒有對土壤造成重金屬污染。張彤的研究表明，馬鈴薯淀粉加工汁水制成的液體肥料，可減少960 t的COD排放，并且可以循環(huán)利用廢水蛋白質(zhì)和水資源，切實改良土壤，提高土壤養(yǎng)分。趙磊從馬鈴薯淀粉汁水中篩選出固氮菌屬的裸色球形固氮菌（），該菌施入土壤后可以將外界的氮源轉(zhuǎn)化為土壤系統(tǒng)內(nèi)的氮源，從而提高了土壤氮含量；馬駿等的研究顯示，經(jīng)馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉后，土壤過氧化氫酶、磷酸酶和脲酶活性增加，土壤肥力提高。在本研究中，隨著馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉量增加，土壤中有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著增加：一方面可能由于馬鈴薯淀粉加工汁水本身含有淀粉、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)和氮、磷、鉀營養(yǎng)元素，其進入土壤后經(jīng)歷物理、化學、生物等一系列遷移轉(zhuǎn)化過程，對土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀含量進行補充，從而提高了農(nóng)田土壤的養(yǎng)分；另一方面可能是進入土壤的汁水改善了土壤的水分和營養(yǎng)條件，有利于土壤微生物的繁殖，增強了固氮和解磷、解鉀等功能微生物的活性，從而促進了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。

于秀麗研究認為，在偏堿性土壤中降低灌溉水pH 可以有效提升土壤肥力；在本研究中，土壤pH隨著馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而降低，可能是馬鈴薯淀粉加工汁水本身pH 為6.13，對當?shù)仄珘A性土壤起到了調(diào)和作用，在一定程度上有利于土壤養(yǎng)分的活化和轉(zhuǎn)化，從而促進了植物對養(yǎng)分的有效利用。

3.2 馬鈴薯淀粉加工汁水對苜蓿生長發(fā)育的影響

氮素是紫花苜蓿生長發(fā)育過程所必需的營養(yǎng)元素，也是合成蛋白質(zhì)的重要組成部分。王丹等的研究顯示，苜蓿主要是通過與根瘤菌共生固氮來獲取氮素，苜蓿每年的固氮量為100～300 m·hm，根瘤每日固定的氮素有94%供給植株，只有6%留在根瘤中；韓可等認為高效的苜蓿根瘤菌可以有效提升紫花苜蓿的生產(chǎn)力；XU 等的研究顯示紅薯淀粉廢水是培育菌良好的原料，將兩者結(jié)合生產(chǎn)的微生物肥料可以有效提升茶樹產(chǎn)量和茶葉品質(zhì)；關(guān)曉歡用馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)解淀粉芽孢桿菌24 h后，微生物活菌數(shù)為2.2×10cfu·mL，說明馬鈴薯淀粉加工汁水可以為微生物提供良好的生長環(huán)境和充足的氮源、碳源。馬鈴薯淀粉加工汁水中含有的大量淀粉、蛋白質(zhì)和纖維素等有機物質(zhì)，可為微生物活動提供充足養(yǎng)分。本研究結(jié)果顯示，馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉苜蓿對苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響，鮮草和干草產(chǎn)量顯著增長，粗蛋白和粗脂肪等營養(yǎng)成分含量顯著增加，相對飼喂價值顯著提升，其原因是馬鈴薯淀粉加工汁水灌溉給土壤帶來的大量有機物質(zhì)，對苜蓿根瘤菌等固氮微生物的生長及活性起到了促進作用，從而為苜蓿生長提供了充足的氮素等營養(yǎng)，從而使苜蓿產(chǎn)量增加和品質(zhì)改善。

有研究表明，施氮可以顯著提升植株的氮素積累量及干物質(zhì)含量。FIXEN 等研究發(fā)現(xiàn)，在播種期施磷可以提升植株體內(nèi)磷元素的積累量；孫國峰等的研究發(fā)現(xiàn)，施用等氮量沼液可以使氮肥利用率高達40.9%～44.3%，從而促進了水稻氮素積累。在本研究中，隨著馬鈴薯淀粉加工汁水施用量的增加，苜蓿氮、磷、鉀積累量也增加，這可能是由于馬鈴薯淀粉加工汁水中含有的氮、磷、鉀元素，被苜蓿生長所吸收利用，從而促進了苜蓿氮、磷、鉀的積累量；另外可能是灌溉的汁水降低了土壤pH，改善了土壤水分狀況，提高了土壤微生物活性，促進了苜蓿對養(yǎng)分的吸收，客觀上增加了苜蓿氮、磷、鉀的積累量。

4 結(jié)論

（1）灌溉馬鈴薯淀粉加工汁水增加了土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量，對提高土壤養(yǎng)分具有積極意義。

（2）灌溉馬鈴薯淀粉加工汁水增加了植株高度、葉綠素含量、苜蓿產(chǎn)量和氮、磷、鉀元素積累量，提高了粗脂肪和粗蛋白含量，降低了粗灰分和粗纖維含量，對苜蓿生長起到了積極作用。

（3）通過主成分分析法計算綜合得分，確定300 m·hm為馬鈴薯淀粉加工汁水最優(yōu)灌溉量。

（4）馬鈴薯淀粉加工汁水是一種無毒無害的廢棄物資源，通過科學處理可作為有益再生資源加以利用。