糖厂污水灌溉对土壤理化特性的影响

梁杰，张玉霜

（1．甘肃省武威市凉州区金山乡人民政府农产品监测中心，武威733000；2．黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜

菜研究所，哈尔滨150080；3．农业部糖料产品质量安全风险评估实验室/农业部甜菜品质监督检验测试中心，哈尔滨150080；4．中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨150080）

糖厂污水灌溉对土壤理化特性的影响

梁杰1，张玉霜2，3，4*

（1．甘肃省武威市凉州区金山乡人民政府农产品监测中心，武威733000；2．黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜

菜研究所，哈尔滨150080；3．农业部糖料产品质量安全风险评估实验室/农业部甜菜品质监督检验测试中心，哈尔滨150080；4．中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨150080）

综述了不同浓度糖厂污水灌溉土壤对土壤水分含量、土壤质地、持水量、容重、pH和电导率、阳离子交换量、矿物质等理化特性的影响。

糖厂污水；灌溉；土壤理化特性；持水量；pH；微量营养素

随着工农业的发展，产生的污水量加大，在有限的土地空间，废水的处理是所面临的主要问题。另一方面，废水也是一种资源，可应用于农业生产中，废水中含有的营养物质，在农业、水产养殖和其他活动有应用潜力[1]。废水对土壤、作物以及民生均有影响，灌溉污水可能含有对土壤环境和农产品的不利影响因素。制糖工业在经济发展中具有着重要的作用，但排放的污水对水生和陆地生态系统产生高度的污染，排入江河的污水也改变水生水体的理化特性，影响水生动植物。糖厂污水（sugar mill effluent，SME）排入环境，对农事、农村和半城市人口的健康也产生危害影响，农民已用这些污水进行不科学的灌溉，发现作物生长、产量和土壤健康下降了，由各工业的污水排放出的氯化物、硫酸盐、磷酸盐和硝酸盐等污染物，由于其气味难闻等影响生态环境[2]。目前，印度将近650家糖厂生产约1500万吨糖和1300万吨糖蜜。糖厂每天排放大量的废水而没有任何处理。据报道，SME含有高污染负荷，对土壤和生物系统造成不利影响[3－4]。大多数作物灌溉废水可达到更高的潜在产量，减少化肥的需求，节省种植成本。因此，不同作物灌溉废水在灌溉中适当应用，了解和掌握不同浓度的糖厂污水对灌溉土壤理化特性的影响[5]，为改善和修复土壤，促进植物生长、保证作物品质，向现代有机农业发展有重要意义。

1 糖厂污水特性

经测定，100%糖厂污水颜色呈淡黄色，有糖的气味，pH 8．23，总悬浮固体（total suspended solids，TSS）220 mg/L，浊度32．56 NTU，生化需氧量（BOD）1635．50 mg/L，化学需氧量（COD）2265 mg/L，Cl－1245．75 mg/L，含碱量684．50 mg/L，硬度998．50 mg/L，钙835 mg/L，Fe2+22．750 mg/L，总氮136 mg/L，NO32－782．25 mg/L，大肠菌群最可能数（MPN）6．35×106/100 mL，均超出了印度灌溉标准规定的限制[5]。在联营糖厂、罗塔克、哈里亚纳邦糖厂，pH值（8．05）、较高的总固体（2395 mg/L），电导率EC（12．8 dS/m），Na（3200 mg/L）和COD（142 mg/L），表明均具有较高的无机和有机负荷[5]。在Tamil Nadu埃罗德区一个糖厂的固体含量1224 mg/L，硬度1100 mg/L，BOD 1010 mg/L，Ca 480 mg/L，Mg 620 mg/L和SO42－400 mg/L较高[3]。

2 糖厂污水灌溉后的土壤特性

土壤含水量对pH值、通气性和植物养分是重要的影响因子。土壤含水量取决于土壤水分的进出量，土壤颗粒大降低土壤含水量；持水量（WHC）是指土壤的吸收和保留的水量，持水量与土壤孔隙数量和大小分布有关；土壤容重（BD）随土地利用和管理实践而变化[6]。化肥和有机肥在土壤中的施用能大幅改良和降低土壤容重，有利于作物根系发育，有机物通过污泥和其他类型的废物也降低容重[7]。土壤的基本pH降低所有微量营养素的溶解度（氯、硼、钼除外），尤其是铁、锌、铜、锰；土壤pH值也可以通过影响微生物的活动影响植物的生长；土壤酸化逐渐导致基本阳离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+等）浸出，Al3+作为主导交换性阳离子残留[8]。pH值≥8．5的土壤交换复合体中含有较多的Na，当无可溶性盐时，则被归为碱性土壤[5[8]。离子交换是土壤中最重要的功能之一。离子交换是矿物电荷同构置换的结果，pH依赖的电荷位点。这些电荷位点是离子化的结果（H+分解）或非带电部位的质子化；离子化导致负电荷位点，质子化导致正电荷位点。这些反应都依赖于pH值，被称为pH依赖性电荷。由于pH值及其pH依赖带电位点数量的增加，土壤阳离子交换量（CEC）通常更大[9]。碳酸氢盐和碳酸盐高浓度增加土壤的碱度，而低浓度增加土壤的盐度。碱性土壤往往具有较高的pH值和显著多的钾、钙、钠、镁[10]。较高浓度的Na通过降低粘土中的孔隙率降低容重和持水量（由于钠的含量较高粘土呈颗粒悬浮），因为它会影响土壤的CEC和对种子发芽和植物生长影响不利。污水灌溉一般使土壤含盐大量增加，如硫酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐，阳离子钠、钙、钾和镁的氯化物[11]。钾在土壤溶液中是一种非常易溶的阳离子，但它在土壤中只能缓慢移动。钾离子在被胶体吸附时，取代其它离子如钙、镁或钠。土壤阳离子交换场所吸引水中的钾离子，降低土壤钾素迁移率[6]。由于植物根系以NO32-和NH4+形式吸收氮，因此硝酸盐是植物吸收氮的最基本和最有效的形式。由于灌溉废水中含有较高的氮量，灌溉可增加总氮含量。当硝酸盐的投入超过土壤的固定潜力，即是氮的饱和状态[5]。

2.1 水分含量、土壤质地、WHC、BD、pH和EC

2.1.1 土壤水分含量、土壤质地、WHC和BD灌溉不同浓度的糖厂污水（SME）土壤水分含量下降67.38%～53.61%。SME大大降低了地表土壤的容重。灌溉100%浓度SME土壤BD是最小的（1.39 g/cm3），依次为75%、50%、25%、10%和5%，均与对照的BD（1.45 g/cm3）差异不显著。灌溉100%的SME土壤有效含水量从48.23%降到41.57%。方差分析显示不同浓度的SME灌溉土壤含水量、WHC和BD与对照差异不显著，其回归方程的R2值分别为88%、88%和95%。土壤特性由于灌溉SME而发生变化。据观察，土壤的颗粒大小为壤质砂土类型。灌溉高浓度的SME由于较高的有机物质使BD降低[5]。由于有机质增加使BD减少，BD与土壤有机碳呈不显著的负线性关系[12]。由于通过改善土壤聚集增加小毛孔的数量使WHC增加（在低张力）[5]。土壤含水量是影响土壤pH值、养分有效性和通气量的重要因素，任何时刻的土壤含水量和总水量都受土壤水分进出量的制约，大颗粒的存在会降低土壤水分含量[6]。WHC与土壤孔隙数量和大小分布有关，随土壤有机质含量的增加而增加，与土壤水分含量、质地分级、结构、含盐量和有机质有关[5]。土壤含水量并没有随有机质的比率和类型而改变[16]。通过污泥和其他类型废物提供的有机物也降低BD[7]。

2.1.2 pH和EC土壤pH在灌溉SME前为7.53，呈碱性，100%浓度的MSE灌溉后pH为8.25，呈强碱性。50%、75%和100%的MSE浓度对土壤pH值的影响差异显著（P＜0.05）。MSE与土壤pH值的回归方程R2值为94%。土壤pH值向碱性变化与MSE应用显著。粘土高的缓冲能力和任何弱盐碳酸盐或碳酸氢盐的存在，溶出释放游离阳离子，可能是土壤反应稳定性的原因[5]。这是土壤中最大养分有效性的pH值范围，土壤不同污染程度的pH值水平都对生物和化学反应有利[13]。污水应用浓度对土壤EC增加差异极显著（P＜0.01）。由于MSE高的盐负荷EC（8.65 dS/m），污水处理土壤的EC（3.45 dS/m）显著高于对照（2.10 dS/m）[5]。

2.2 有效阳离子交换量（ECEC）

100%浓度的MSE灌溉土壤ECEC从初始12.00 cmol/kg增加到29.91 cmol/kg。50%～100%浓度MSE灌溉土壤ECEC与对照差异极显著（P＜0.01），MSE灌溉与ECEC回归方程的R2值为92%[5]。

2.3 氯化物、有机碳

2.3.1 氯化物MSE灌溉土壤氯化物随污水浓度的增加而增加，5%～100%浓度MSE氯化物含量与对照差异极显著（P＜0.01）。100%浓度MSE灌溉土壤氯化物从89.43 mg/kg显著增加到263.56 mg/kg[5]。

2.3.2 有机碳MSE灌溉土壤有机碳含量随污水浓度的增加大大增加，5%～100%浓度MSE的有机碳含量与对照差异极显著（P＜0.01）。100%浓度MSE灌溉土壤有机碳从0.45 mg/kg增加到14.98 mg/kg。MSE与土壤有机碳回归方程的R2值为89%。此外，尤其是高浓度MSE增加了有机物，随着植物根生物量的增加生长状况更好，其原因可能是有机碳含量得到提高[5]。

2.4 总氮与盐类

2.4.1 总氮、硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐100%浓度SME灌溉土壤，总氮、硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐含量分别由32.21、39.32、53.00和74.37 mg/kg增加到420.78、71.1、178.10和127.98 mg/kg。25%～100%浓度SME处理土壤总氮、硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐含量与对照比差异极显著（P＜0.01）；5%和10%浓度SME处理土壤总氮和磷酸盐含量与对照比差异也极显著。

2.4.2 碳酸氢盐和碳酸盐土壤碳酸氢盐和碳酸盐含量随MSE浓度的增加而显著增加，10%～100%浓度MSE灌溉的碳酸氢盐和碳酸盐含量与对照差异极显著。100%浓度MSE灌溉土壤使碳酸氢盐和碳酸盐含量分别从383.64和229.65 mg/kg增加到469.36和297.12 mg/kg。5%浓度MSE灌溉土壤与对照碳酸氢盐含量也有显著差异。MSE与土壤中碳酸氢盐和碳酸盐回归方程的R2值分别为95%和98%。粘土、Al和Fe的有机氧化物、Ca和Mg的碳酸盐是负责大多数土壤pH缓冲的组分。土壤pH值通过影响有益微生物的活性也会影响植物的生长。绝大多数豆科固氮菌在强酸性土壤中不活跃，分解有机物的细菌从而为植物释放氮或营养成分也受到强酸性的阻碍[5]。因此灌溉SME使碳酸盐增加，可提高土壤pH。

2.5 交换性钠、钾、钙、镁与微量营养素

2.5.1 交换性钠、钾、钙、镁不同浓度的SME灌溉土壤交换态钠、钾、钙、镁含量均发生增加的变化。10%～100%污水浓度处理Na、K、Mg和Ca含量与对照差异极显著（P＜0．01）。5%污水浓度处理K和Ca的含量也与对照差异极显著（P＜0．01）。在100%浓度SME处理下，交换性钠、钾、钙、镁的含量分别由18．81、155．34、15．36、1．70 mg/kg增加到53．70、238．29、209．24和32．61 mg/kg[5]。

2.5.2 微量营养素25%～100%浓度SME处理下微量营养素铁、锌、镉、铜、铅、铬浓度均极显著增加。10%浓度SME处理的铁、锌、镉、铜、铬含量与对照差异也达极显著水平（P＜0．01），而且5%浓度SME处理的铁、镉、铜含量与对照差异也达极显著水平（P＜0．01）。SME与铬、铁、铜、锌和镉含量回归方程的R2值分别为98%、92%、88%、85%、81%和80%。在微量营养素中，铬的富集因子（Ef）最高（11．24），锌（4．18）最低，SME灌溉后Ef顺序为：铬＞铅＞镉＞铜＞锌。在酸性条件下，诸如铁、铝、锰和重金属（锌、铜和铬）元素会变得高度可溶，并可能为植被带来问题[5]。随着SME浓度的增加，铁、锌、镉、铜、铅、铬含量显著增加。0%和100%浓度SME处理下，微量营养素含量幅度为：铁（2．65～8．86 mg/kg）、锌（0．790～3．300 mg/kg）、铬（0．046～0．232 mg/kg）、铜（2．028～9．631 mg/kg）、铅（0．035～0．261 mg/kg）和铬（0．125～1．406 mg/kg）[5]。

3 展望

不同的糖厂灌溉不同环境条件的土壤其理化特性会不同，因此，需进行不同的试验研究。糖厂污水灌溉土壤，如果对土壤理化性状有良好作用的，对植物生长和环境都有利；如果有不良影响的，一是要减少灌溉量和灌溉浓度，二是要进行修复。修复中最主要的是生物修复。生物修复是使用微生物、绿色植物及其酶将污染物改变到原始状态回归到自然环境的过程。植物修复是利用绿色植物来固定、吸收、转移、转化和降解土壤中污染物的过程，（1）利用超富集植物修复污染土壤：我国发现的超富集植物有10多种，如砷的超富集植物蜈蚣草，镉的超富集植物宝山堇菜，铬的超富集植物李氏禾，锰的超富集植物商陆，锌的超富集植物东南景天等；（2）应用能源植物修复污染的土壤：柳枝稷、芒草、象草、香根草、芦苇和甜高粱等[14]。微生物修复[15]是利用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）和阿氏肠杆菌（Enterobacter asburiae）等对污水在灌溉应用前进行联合修复，可使COD、TSS、TDS、重金属（铁、锌、铜、铅和锰）性质大幅降低。

[1]I Hussain，L Raschid，MA Hanjra，et al．A framework for analysing socioeconomic,health and environmental impacts of wastewater use in agriculture in developing countries[D]．Colombo,Sri Lanka:International Water Management Institute．IWMI,2001

[2]Baruah,A．K．,Sharma,R．N．and Borah,G．C．Impact of sugar mill and distillery effluent on water quality of river Galabil,Assam[J]．Indian J Environ Hlth．,1993,35:288－293

[3]Ayyasamy,P．M．,Yasodha,R．,Rajakumar S．,et al．Impact of Sugar Factory Effluent on the growth and Biochemical characteristics of Terrestrial and Aquatic Plants[J]．Bull Environ Contam Toxicol,2008,81:449－454．

[4]Arindam,K．and Prasad,A．B．Alteration in physicochemical characteristics of soil under stress of carbonaceous sugar mill[J]．Ad．Plant Sci．,1999,12:103－109

[5]V Kumar，AK Chopra．Influence of sugar mill effluent on physicochemical characterstics of soil at Haridwar(Uttarakhand),India[J]．Journal of Applied&Natural Science,2010,2(2):269－279

[6]Miller,C．E．and Turk,L．M．Fundamentals of soil science[M]．Biotech．Books,1123/74,Trinagar,Delhi:2002,157

[7]Ramulu Sree,U．S．DR．Reuse of municipal sewage and sludge in agriculture[J]．Journal of Fisheries of China,2001,36(9):1313－1321 [8]Charman,P．E．V．and Murphy,B．W．In:Soils:Their Properties and Management．In a Soil Conservation Handbook for New South Wales[C]．Sydney University Press．Sydney,1991

[9]Carter,M．R．Soil sampling and method of analysis[M]．Bosa Roca,United States,2007

[10]Thompson,G．,Swain,J．,Kay,M．and Forster,C．F．The treatment of pulp and paper－mill effluent:A review[J]．Bioresource Technology,2001,77(3):275－286

[11]Patterson,S．J．,Chanasyk D．S．,Mapfumo,E．and Naeth,M．A．Effects of diluted Kraft pulp mill effluent on hybrid poplar and soil chemical properties[J]．Irrig Sci,2008,26(6):547－560．

[12]Celik,I．Land use effects on organic matter and physical properties of soil in a southern Mediterranean highland of Turkey[J]．Soil &Tillage Research,2005,83(2):270－277

[13]Brady,N．C．and Weil,R．R．The nature and properties of soils(13th ed)[J]．Delhi:Pearson Education,2005．

[14]贾伟涛，吕素莲，冯娟娟，等．利用能源植物治理土壤重金属污染[J]．中国生物工程杂志，2015，35(1):88－95

[15]S Jp．Bioremediation of sugar mill effluent by immobilized bacterial consortium[J]．International Journal of Research in Pure and Applied Microbiology,2012;2(4):43－48

Effects of Sugar Mill Effluent Irrigation on Soil Physicochemical Properties

LIANG Jie1,ZHANG Yu-shuang2,3,4*
(1.Agricultural Products Monitoring Center of Liangzhou District Jinshan Town People's Government,Wuwei 733000,Gansu; 2.Sugarbeet Research Institute Chinese Academy of Agricultural Sciences/Crop Academy of Heilongjiang University,Harbin 150080, Heilongjiang;3.Laboratory of Quality＆Safety Risk Assessment for Sugar Crops Products(Harbin),Ministry of Agriculture/The Ministry of Agriculture Beet Quality Supervision,Inspection and Testing Center,P.R China,Harbin 150080,Heilongjiang;4.Key Laboratory of North Sugar Crop Resource and Utilization,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080,Heilongjiang)

The effects of different concentration of sugar mill wastewater irrigation on soil physicochemical properties that included moisture content,texture,water-holding capacity,bulk density,pH,conductivity,cation exchange capacity,minerals,etc.,was summarized.

sugar mill wastewater;irrigation;physicochemical properties of soil;water-holding capacity;pH; micronutrients

TS248

B

1007－2624（2017）05－0065－03

10．13570/j．cnki．scc．2017．05．020

2017－05－08

梁杰（1984－），女，助理农艺师，主要从事农业技术服务和农产品质量安全监测工作。

张玉霜（1972－），男，助理研究员，硕士研究生，从事糖料产品风险评估研究，E－mail：zyx0807@163．com