水熱炭化廢水灌溉對水稻生長及土壤理化性質(zhì)的影響

黎福斌， 李亞洲， 夏宏蕾， 邊顥昊， 韓佳琳， 胡曉飄， 王敏艷， 張進(jìn)

(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240； 2.浙江科技學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院， 浙江 杭州 310023；3.浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點實驗室， 浙江 杭州 310023； 4.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 浙江 杭州 311300)

我國水資源十分短缺，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要大量灌溉水。據(jù)統(tǒng)計，2020年，農(nóng)業(yè)用水3 612.4億 m3，占用水總量的62.1%，耕地實際灌溉平均667 m2用水量達(dá)近356 m3[1]。預(yù)測結(jié)果顯示，未來30年將有6億人受到缺水的影響，中國將有一半土地面臨水資源短缺和污染問題，并且缺水壓力可能會擴(kuò)大，缺水程度將加劇[2-3]。因此，將部分廢水用作農(nóng)業(yè)灌溉或景觀用水等，能夠節(jié)約天然水資源并且有效減少廢水排放[4]。農(nóng)區(qū)利用廢水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉的做法在我國已較為普遍，并且污廢水灌溉面積和區(qū)域在不斷增加[5]。伴隨著自然災(zāi)害等的影響，全球用水量持續(xù)增加，廢水灌溉逐漸成為農(nóng)業(yè)灌溉中重要的組成部分[6]。廢水中含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，用于灌溉不僅能夠緩解水資源短缺問題，還能為植物提供養(yǎng)分。但是，部分廢水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有不良影響，能夠造成土壤板結(jié)，有害物質(zhì)被作物吸收后會造成減產(chǎn)，廢水偏酸或偏堿導(dǎo)致作物出現(xiàn)死苗等問題[7]。

生物炭是一種由生物質(zhì)通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化而形成的含碳量較高的材料[8]。由于其具有比表面積大、密度小、穩(wěn)定性好、官能團(tuán)豐富等特征，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤改良、能源儲存、養(yǎng)殖業(yè)水質(zhì)凈化和重金屬吸附等方面[9]。當(dāng)生物質(zhì)材料含水量較低時，熱解等干化工藝制備生物炭具有產(chǎn)量高和能量損失低的特點，但大多數(shù)生物質(zhì)材料水含量較高，需要單獨進(jìn)行干燥處理，而水熱法能夠彌補干化工藝的這一缺點，可以省去干燥生物質(zhì)的步驟[10]。水熱法制備生物炭的耗水量和廢水產(chǎn)量巨大，例如，在260 ℃的熱解溫度下以芒草為原料生產(chǎn)1 t生物炭需要12 t水，這限制了水熱炭化工藝的普及[11]，而參與炭化反應(yīng)后的水又會以有機(jī)廢水的形式排出，其主要成分包括酚類衍生物、呋喃化合物和有機(jī)酸等[12]。若將這些廢水排放到環(huán)境中，不僅需要進(jìn)一步處理，加重成本負(fù)擔(dān)，還會造成其中有機(jī)物的浪費。

將水熱炭化廢水進(jìn)行資源化利用，可以降低廢水的處理成本和排放量。目前資源化利用水熱炭化廢水的途徑主要是培養(yǎng)藻類、厭氧消化和再進(jìn)入水熱反應(yīng)體系循環(huán)利用，關(guān)于水熱炭化廢水用于農(nóng)業(yè)灌溉對主要農(nóng)作物和土壤的影響的研究較少。水稻的種植和食用歷史悠久，是人類重要的糧食作物，也是我國南方地區(qū)主要的農(nóng)作物，并且對土壤質(zhì)量的要求不高[13]。為探究水熱炭化廢水用于農(nóng)業(yè)灌溉的可行性，本研究采用盆栽試驗，用不同濃度的水熱炭化廢水替代灌溉水種植水稻，分析不同濃度水熱炭化廢水澆灌對水稻株高、分蘗數(shù)和產(chǎn)量以及土壤理化性質(zhì)的影響，以期為資源化利用水熱炭化廢水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 廢水

試驗用廢水為上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司以玉米秸稈為原料，經(jīng)水熱炭化(溫度210 ℃，終溫停留時間1 h)處理后的廢水，主要理化指標(biāo)：pH 5.67，色度2 400倍，化學(xué)需氧量2 540 mg·L-1，五日生化需氧量1 345 mg·L-1，總氮27.95 mg·L-1，硝態(tài)氮 7.64 mg·L-1，氨態(tài)氮 4.43 mg·L-1，總磷 9.30 mg·L-1，磷酸鹽3.82 mg·L-1。

1.2 試驗設(shè)置

以水稻為目標(biāo)作物，采用盆栽種植方式，進(jìn)行水熱炭化廢水替代灌溉水源試驗。試驗在浙江科技學(xué)院校內(nèi)試驗基地大棚(30.13°N，120.1°E，年日照時數(shù)1 522.4 h)內(nèi)進(jìn)行。廢水替代灌溉，設(shè)置25%、50%、75%、100% 4種體積分?jǐn)?shù)比例，并設(shè)置清水澆灌為對照組。依據(jù)盆栽土壤覆水層水量決定補水時間，一般3～4 d補充1次。每次灌溉后，記錄灌溉用水量。

試驗用土取自試驗基地周邊土壤，土壤類型為黏土，肥力中等。試驗用盆高27 cm，直徑25 cm，每盆裝土8 kg，每盆定植長勢一致的水稻苗3株。試驗前在土壤中施用基肥(P2O50.081 g·kg-1，K2O 0.165 g·kg-1，N 0.164 g·kg-1)。盆栽試驗自2021年7月1日開始，2021年10月18日結(jié)束。在作物整個生育過程中，除灌溉用水外，其他農(nóng)事操作按常規(guī)進(jìn)行，盆栽試驗每處理重復(fù)3次，水稻全生育期用水量見表1。

表1 全生育期水稻用水量

1.3 指標(biāo)測定

每次定期補水時記錄1次水稻株高，分蘗期記錄分蘗數(shù)，成熟期測定籽粒產(chǎn)量、莖稈干質(zhì)量，取表層土測定土壤理化指標(biāo)。其中，水稻株高采用尺量法(毫米刻度鋼尺定期量取水稻株高)進(jìn)行測定，水稻分蘗數(shù)采用計數(shù)法(分蘗高峰期、孕穗期、灌漿期分別進(jìn)行計數(shù))進(jìn)行測定，稻谷產(chǎn)量采用稱重法(0.001 g天平稱量稻谷和秸稈質(zhì)量)進(jìn)行測定[14]。水稻收獲后及時取其表層土，將土樣進(jìn)行風(fēng)干、磨碎、過篩(0.2 mm)后，備用，對理化指標(biāo)的分析測定參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和整理，利用SPSS Statistics 26進(jìn)行不同處理間差異顯著性分析，利用Origin 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢水灌溉對水稻生長的影響

2.1.1 對株高的影響

對于一般作物而言，在一定的范圍內(nèi)隨著株高的增加，產(chǎn)量也相應(yīng)增加。而超出一定范圍后，隨著株高的增加，產(chǎn)量反而會下降，并且植株過高，易于倒伏，降低產(chǎn)量。

由圖1可知，從水稻定植至9月22日，各處理水稻生長均較快，9月22日后水稻株高基本沒有變化，逐漸停止生長，這表明水稻進(jìn)入抽穗期和灌漿期。取前60 d生長高度計算水稻日平均生長速率，清水(對照組)、25%廢水處理組、50%廢水處理組、75%廢水處理組、100%廢水處理組前60 d平均日生長速率分別為1.28、1.21、1.08、1.03、1.00 cm·d-1。25%、50%、75%、100%廢水灌溉下前60 d平均日生長速率分別比對照組低5.47%、15.63%、19.53%、21.88%，株高在60 d分別比對照組低4.56%、8.07%、12.16%、15.25%。表明廢水替代灌溉對水稻的生長造成了一定的抑制作用，這與前人就污水灌溉對水稻生長影響的模擬結(jié)果是一致的[16]，且隨著廢水施用比例的增加，抑制作用逐漸增強。

圖1 水稻株高動態(tài)變化

2.1.2 對分蘗的影響

不同比例廢水替代灌溉下，水稻分蘗數(shù)如表2所示。對總分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可見，清水作為對照組，其總分蘗數(shù)為13.00個·盆-1，25%、50%、75%、100%廢水灌溉下水稻植株總分蘗數(shù)分別為14.00、14.33、13.67、15.00個·盆-1，但不同比例廢水灌溉下水稻分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)與對照相比沒有顯著差異，表明廢水替代灌溉對水稻分蘗沒有負(fù)面影響。

表2 水稻分蘗數(shù)

2.2 廢水灌溉對水稻產(chǎn)量的影響

由圖2可見，25%、50%、75%廢水灌溉下水稻平均籽粒產(chǎn)量分別為43.82、45.69、48.86 g·盆-1，但與對照組(清水)相比差異不顯著。而100%廢水灌溉下，籽粒產(chǎn)量降低明顯，僅為39.75 g·株-1，比對照組的籽粒產(chǎn)量低14.20%，有明顯的減產(chǎn)效應(yīng)。雖然在100%廢水灌溉下，水稻總分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)均是最多的，但籽粒產(chǎn)量卻是最低的，表明該廢水雖然對水稻的分蘗能力沒有負(fù)面影響，但卻抑制了水稻的灌漿能力。過高比例廢水(100%廢水)的施用對水稻生長抑制作用較為明顯，會顯著降低水稻的籽粒產(chǎn)量。

柱上無相同小寫字母表示不同處理組間差異顯著(P<0.05)。圖2 籽粒產(chǎn)量及生物產(chǎn)量

各處理生物產(chǎn)量即地上部總干物質(zhì)重(籽粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量之和)如圖2所示，100%廢水灌溉處理下的生物產(chǎn)量同樣明顯低于其他處理，與株高的變化趨勢一致。各比例廢水灌溉下水稻植株的收獲指數(shù)均達(dá)約62%，差異不顯著。

2.3 廢水灌溉對土壤理化性質(zhì)的影響

2.3.1 對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，是植物的重要營養(yǎng)來源之一，與土壤肥力呈正相關(guān)，是能表征土壤肥力的重要指標(biāo)[17]。觀察發(fā)現(xiàn)，澆灌廢水后的土壤與對照(清水)相比，顏色變黑、土質(zhì)變松，說明該廢水可能有改善土壤結(jié)構(gòu)的作用。水稻收獲后土壤的理化指標(biāo)如表3所示，經(jīng)一季水稻栽培試驗后，與對照組相比，25%、50%、75%、100%廢水灌溉的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別顯著提高了36.18%、74.12%、85.93%、103.77%。隨著廢水施用比例的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢。

雖然在不同比例廢水灌溉下，土壤有機(jī)質(zhì)含量與對照組相比都有顯著提高，但水稻產(chǎn)量沒有顯著增加，甚至在100%廢水灌溉下出現(xiàn)了水稻減產(chǎn)情況。表明廢水灌溉雖然增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，但廢水中的有機(jī)組分中可能含有有害成分，如酚類衍生物、呋喃化合物和有機(jī)酸等對水稻產(chǎn)生了一定的毒害作用[18]。因此，廢水中的有害組分分析及其毒害作用消減機(jī)制值得深入研究，這對該廢水的資源化循環(huán)利用具有重要意義。

2.3.2 對土壤氮含量的影響

土壤全氮是有機(jī)氮和無機(jī)氮之和，氮含量充足能夠促進(jìn)植物葉片生長，從而增強光合作用。如表3所示，經(jīng)一季水稻栽培試驗后，與對照相比，25%、50%、75%、100%廢水灌溉的土壤全氮含量分別提高了26.52%、73.47%、67.35%、75.51%。通過灌溉廢水，土壤中全氮含量與對照組相比顯著增加，但高比例廢水(50%、75%、100%廢水)灌溉之間的土壤全氮含量差異并不顯著。

與對照相比，25%、50%、75%、100%廢水灌溉土壤氨態(tài)氮含量分別提高了113.18%、241.81%、312.81%、171.75%，其中高比例廢水(50%、75%、100%廢水)灌溉氨態(tài)氮含量與對照(清水)相比差異顯著，硝態(tài)氮含量則無明顯差異。氨態(tài)氮中含有的銨根離子易于被吸收到土壤中，能夠確保土壤肥力不流失；硝態(tài)氮中含有的硝酸根離子能夠更好地與水相融，肥效快。因此，在水稻種植初期對氨態(tài)氮需求較高，而硝態(tài)氮則在水稻種植后期土壤肥力不足時作追肥使用。高濃度比例水熱碳化廢水灌溉后土壤中氨態(tài)氮含量顯著增加，可為下一季輪作作物提供肥力保障。

表3 水稻土壤理化指標(biāo)

2.3.3 對土壤磷鉀含量的影響

水熱碳化廢水的施用對土壤中全磷、全鉀含量基本沒有影響。不同比例廢水施用后土壤全磷、全鉀和速效磷含量與對照組相比無顯著差異。

綜上，生物質(zhì)水熱碳化廢水輸入土壤后，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、氨態(tài)氮含量均有提高，土壤整體理化性質(zhì)得到了改善，但是其營養(yǎng)的流失性還有待考察。

3 小結(jié)

與對照組相比，不同比例廢水灌溉對水稻株高生長都一定的抑制作用，并且隨著廢水施用比例的增加，對水稻株高的抑制作用逐漸增強。低比例廢水灌溉對水稻產(chǎn)量影響不大，但廢水完全替代清水(100%廢水)灌溉下水稻減產(chǎn)14.20%。

廢水施用下，土壤肥力有一定的提高，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、氨態(tài)氮含量明顯增加，但全磷、全鉀、硝態(tài)氮和速效磷含量沒有顯著變化。

本試驗結(jié)果表明，水稻生產(chǎn)中，生物質(zhì)水熱碳化廢水的最大施用比例以75%為宜，既可以獲得較好的作物產(chǎn)量，又對土壤理化性質(zhì)有一定改善，增加土壤肥力。