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)林科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002；2寧夏大學農(nóng)學院，銀川 750021）

0 引言

馬鈴薯是世界四大經(jīng)濟作物之一，在中國西北主產(chǎn)區(qū)種植面積約占全國的25%[1]，被譽為寧夏南部山區(qū)的“救濟糧”。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，同時含有大量的有機物，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[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)處理及科學地控制廢水用量可進行農(nóng)田灌溉[11]。寧夏固原市利用處理后的淀粉廢水進行農(nóng)田灌溉，經(jīng)過3年試驗發(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用，有效提高馬鈴薯淀粉加工廠的經(jīng)濟效益。

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險。因此，在利用淀粉廢水進行灌溉的過程中，如何做到揚長避短是一個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 試驗地點與材料

試驗于2017—2018年在西吉縣將臺鄉(xiāng)火溝村進行，土壤質(zhì)地為壤土。試驗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，灌溉時避免積水。試驗前土壤養(yǎng)分狀況及廢水化學性質(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性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

分別于2017、2018年11月在當?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，完全隨機排列，重復3次。各試驗處理均不施肥，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 觀測指標與計算方法

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，帶回實驗室，風干后測定土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷及速效鉀含量。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定[14]，堿解氮采用堿解擴散法測定，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浸提火焰光度計法測定。

1.3.2 土壤水穩(wěn)性團聚體測定 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)飯盒帶回實驗室風干以備土壤團聚體測定。

水穩(wěn)性團聚體測定采用濕篩法[15]，按照干篩各級別團聚體的質(zhì)量比例配成50 g風干土樣，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，播種后7天開始觀測，14天后結(jié)束。收獲時取每個小區(qū)中間20 m2計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與計算

采用Excel和SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計處理及方差分析(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同廢水灌溉量對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

耕地土壤水穩(wěn)性團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。土壤有機碳主要富集在0.25～2 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團聚體內(nèi)，該粒級土壤水穩(wěn)性團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)性團聚體質(zhì)組成的影響

2.2 不同廢水灌溉量對土壤化學性質(zhì)的影響

如圖2所示，廢水灌溉能增加土壤有機質(zhì)含量，廢水灌溉處理W2、W3、W4、W5土壤有機質(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)性團聚體，表層0～20 cm土壤堿解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)含量，以及土壤酶活性；提高土壤肥力，促進養(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?shù)伛R鈴薯淀粉有加工季節(jié)性特點和生產(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行成本高、受當?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重浪費等[16-17]，因此，提出符合當?shù)伛R鈴薯淀粉加工實際的廢水處理方法成為當務(wù)之急。近年來基于土壤處理法的廢水還田利用被認為是西北地區(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。0.25～2 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團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聚體穩(wěn)定性的影響表明灌溉廢水5年增加了土壤團聚體的穩(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，提高土壤有機碳水平[24]。土壤酶是土壤微生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)運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[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，當廢水灌溉量超過1200 m3/hm2時玉米出苗率明顯降低，與有機物積累過多有關(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行更加深入的研究。