马铃薯淀粉加工废水灌溉对土壤质量及玉米生长的影响

雷晓婷，何进勤，雷金银，祁焕军,2，徐瑾瑜，金建新，王天宁

（1宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002；2宁夏大学农学院，银川 750021）

0 引言

马铃薯是世界四大经济作物之一，在中国西北主产区种植面积约占全国的25%[1]，被誉为宁夏南部山区的“救济粮”。马铃薯淀粉加工业已成为宁夏固原市农业产业化进程中的龙头支柱产业，有力推动了宁南山区农民脱贫致富，但随之产生的淀粉加工废水的污染及资源化利用问题日益突出。仅固原市每年排放的淀粉加工废水就近3×106t[2,3]。马铃薯淀粉加工废水中COD含量高，同时含有大量的有机物，如蛋白质、糖类、纤维和淀粉等，直接排放不仅会污染环境，也会造成巨大的资源浪费[4-5]。

农产品加工副产物资源化利用和清洁生产，是农业产业化发展趋势和必由之路[6-8]。国内外研究证明，马铃薯淀粉加工废水还田，可提高土壤肥力，既降低了种植成本，又解决了企业废水的污染问题。国外将淀粉废水作为有机肥，利用淀粉废水种植玉米，研究玉米对不同废水量的适应性，以及玉米受到营养元素积累的影响[9-10]。马铃薯淀粉废水中富含农作物生长所必需的N、P、K元素，经过合适的预处理及科学地控制废水用量可进行农田灌溉[11]。宁夏固原市利用处理后的淀粉废水进行农田灌溉，经过3年试验发现，处理后的淀粉废水灌溉可以增加土壤肥力，改良土壤，农作物增产超过25%[12]；淀粉废水在土壤中能够快速分解转化，在冬季将淀粉废水排入田地，80天左右废水中的有机质几乎被完全分解，次年农田中的作物生长良好[13]。经测算，固原市将马铃薯淀粉废水用于农田灌溉，每年可减少COD排放960 t。不仅可以节约水资源，还可以减少化肥的施用量，降低马铃薯淀粉废水处理费用，有效提高马铃薯淀粉加工厂的经济效益。

但是长期施用会使农田土壤质量下降、影响作物生长，也潜藏着污染地下水的风险。因此，在利用淀粉废水进行灌溉的过程中，如何做到扬长避短是一个值得长期探索的问题。笔者研究马铃薯淀粉加工废水灌溉对土壤性质及作物生长的影响，探明最适废水还田量，以期为农村环境保护及淀粉加工产业的可持续性发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2017—2018年在西吉县将台乡火沟村进行，土壤质地为壤土。试验选择以前未灌溉废水的休闲农田，地势平坦，土层深厚，种植玉米。废水取自西吉县某马铃薯淀粉加工企业，冬前一次性灌溉，灌溉时避免积水。试验前土壤养分状况及废水化学性质如表1～2。

表1 马铃薯淀粉加工废水灌溉前土壤养分状况

表2 马铃薯淀粉加工废水化学性质

1.2 试验设计

分别于2017、2018年11月在当地马铃薯淀粉加工厂采集废水并一次性灌溉至农田，分别于2018年5月、2019年5月种植玉米。共设5个处理，W1(CK)为清水 3000 m3/hm2，W2为废水 600 m3/hm2，W3为废水900 m3/hm2，W4为 废 水 1200 m3/hm2，W5为 废 水3000 m3/hm2，完全随机排列，重复3次。各试验处理均不施肥，小区面积均为4 m×11 m。种植玉米株行距为20 cm×30 cm。

1.3 观测指标与计算方法

1.3.1 土壤样品采集 分别于2018年10月、2019年10月在玉米种植行内用土钻采集耕层0～20 cm土壤样品，带回实验室，风干后测定土壤有机质、碱解氮、有效磷及速效钾含量。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定[14]，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用0.5 mol/LNaHCO3浸提钼锑抗比色法测定，速效钾采用1 mol/LNH4OAc浸提火焰光度计法测定。

1.3.2 土壤水稳性团聚体测定 分别在2018、2019年作物播种前和收获后采集原状土样，采样深度为0～20 cm，用一次性硬质饭盒带回实验室风干以备土壤团聚体测定。

水稳性团聚体测定采用湿筛法[15]，按照干筛各级别团聚体的质量比例配成50 g风干土样，沉降后将饱和土样转移至装满去离子水的水桶套筛（孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 mm）的顶部，将筛组整体在水中慢慢升降处理5 min，将各级筛子上的团聚体小心洗入铝盒，低温烘箱烘干并在空气中平衡2 h后称重得到湿筛后各级团聚体的百分含量。

1.3.3 出苗率及产量 出苗以叶片露出表土2 cm为准，播种后7天开始观测，14天后结束。收获时取每个小区中间20 m2计产。

1.4 数据分析与计算

采用Excel和SPSS 16.0软件进行统计处理及方差分析(LSD)。

2 结果与分析

2.1 不同废水灌溉量对土壤水稳性团聚体的影响

耕地土壤水稳性团聚体含量能够更好地反映土壤保持和供应养分能力。如图1所示，不同量废水灌溉土壤水稳性团聚体含量均大于清水灌溉，由高到低依次为 W3＞W2＞W5＞W4＞W1。土壤有机碳主要富集在0.25～2 mm粒级的土壤水稳性团聚体内，该粒级土壤水稳性团聚体含量随废水灌溉量的增加呈先增加后减少又增加的趋势，分别比W1增加了14.90%、17.04%、4.09%和16.67%。

图1 废水灌溉对土壤水稳性团聚体质组成的影响

2.2 不同废水灌溉量对土壤化学性质的影响

如图2所示，废水灌溉能增加土壤有机质含量，废水灌溉处理W2、W3、W4、W5土壤有机质比W1分别增加了7.14%、12.64%、26.92%、30.22%。

图2 废水灌溉对0～20 cm土壤有机质含量的影响

灌溉1年，废水灌溉表层0～20 cm土壤碱解氮、速效钾和有效磷含量均高于对照（图3～5）。相比对照，W2、W3、W4、W5碱 解 氮 分 别 增 加 55.66% 、7.34% 、66.67%和49.03%，速效钾分别增加183.33%、71.30%、456.48%和554.32%，有效磷分别增加188.76%、73.90%、49.40%和161.04%。灌溉2年表层0～20 cm土壤碱解氮、速效钾和有效磷含量均比灌溉1年高。

图3 废水灌溉对0～20 cm土壤碱解氮含量的影响

图4 废水灌溉对0～20 cm土壤速效钾的影响

图5 废水灌溉对0～20 cm土壤有效磷的影响

2.3 对土壤酶活性的影响

灌溉1年，废水灌溉表层0～20 cm土壤过氧化氢酶和磷酸酶含量均高于对照，而脲酶含量在W2时比对照增加，后随废水灌溉量增加而下降（图6～8）。与W1相比，W2、W3、W4、W5处理下过氧化氢酶活性分别增加了8.47%、0.03%、9.64%、5.34%；磷酸酶活性分别增加13.48%、3.83%、17.24%、11.71%。脲酶在W2处理下增加 5.37%，在 W3、W4、W5处理下分别减少9.94%、13.25%和21.50%。连续灌溉2年，各处理表层0～20 cm脲酶比灌溉1年均增加。

图6 废水灌溉对土壤表层0～20 cm过氧化氢酶活性的影响

图7 废水灌溉对土壤表层0～20 cm脲酶活性的影响

图8 废水灌溉对土壤表层0～20 cm磷酸酶活性的影响

2.4 不同废水灌溉量对玉米出苗率及产量的影响

由表3可知，初播后12天，W2、W3、W4的玉米出苗率高于W1，但处理之间差异不大，而W5明显低于清水灌溉。灌溉1年W3玉米出苗率最高为55.5%，W5最低为19.3%；灌溉2年W4最高为55.9%，W5最低为18.6%。表明适量灌溉废水可略提高玉米出苗率，过量灌溉则严重影响玉米出苗。总体来看，废水灌溉量不宜超过1200 m3/hm2。

表3 废水灌溉对玉米出苗率及产量的影响

废水灌溉可显著提高玉米产量。灌溉1年W2、W3、W4、W5的玉米产量比W1分别提高35.9%、77.1%、44.0%、24.1%，灌溉2年分别提高41.5%、43.9%、33.8%、13.1%。随着废水灌水量的增加玉米产量表现为先增加后减小的趋势，2年灌溉W3玉米产量最高，分别为69171.0、59404.5 kg/hm2。W5产量最低，分别为48462.0、46684.5 kg/hm2。因此，在合理灌溉量内，马铃薯加工废水可作为肥水再次还田利用，总体来看，从玉米产量角度出发，最佳废水灌溉量为900 kg/hm2。

3 结论

马铃薯淀粉加工废水灌溉能增加0.25～2 mm粒级的土壤水稳性团聚体，表层0～20 cm土壤碱解氮、速效钾、有效磷和有机质含量，以及土壤酶活性；提高土壤肥力，促进养分吸收转化，从而增产增收。但是，过量灌溉会降低玉米出苗率，影响作物生长。总体来看，最适废水灌溉量为900 m3/hm2。

4 讨论

当地马铃薯淀粉有加工季节性特点和生产工艺限制。常用的物化法和生化法处理马铃薯淀粉废水方法存在投资运行成本高、受当地低温环境影响处理效果不佳的问题；另一方面，马铃薯淀粉生产工艺相对落后，无法将马铃薯中大量的蛋白质和淀粉完全提取，造成处理难度增大和资源严重浪费等[16-17]，因此，提出符合当地马铃薯淀粉加工实际的废水处理方法成为当务之急。近年来基于土壤处理法的废水还田利用被认为是西北地区马铃薯淀粉加工废水资源化利用的有效途径[18]。废水灌溉还田的基本前提是保证土壤质量健康安全和废水资源的高效利用。

土壤团聚体结构是土壤肥力基础，是土壤健康的重要物理指标。0.25～2 mm粒级的土壤水稳性团聚体含量越高土壤稳定性越好[19-21]。研究橄榄油厂废水灌溉对土壤团聚体稳定性的影响表明灌溉废水5年增加了土壤团聚体的稳定性[22]。本研究证明，废水灌溉能增加0.25～2 mm粒级团聚体含量。马铃薯淀粉加工废水灌溉对土壤肥力的影响，反映了高分子有机物在土壤中的分解、转化特征[23]。研究表明，马铃薯淀粉废水灌溉草地增加土壤氮磷钾含量，提高土壤有机碳水平[24]。土壤酶是土壤微生态环境中物质运动和能量交换等活动中的活跃物质，酶活性是衡量土壤肥力及养分吸收转化的重要指标[25]。土壤中磷酸酶、脲酶活性与磷含量、尿素转化有密切联系，过氧化氢酶能够影响土壤中微环境氧化还原反应，从而减弱根系氧化反应的危害[26-27]。本研究中，与对照相比，废水灌溉处理过氧化氢酶及磷酸酶活性均有所增加，且与废水灌溉量呈正相关。用处理过的废水灌溉可增加玉米对养分的吸收及产量[28]。本研究中，当废水灌溉量超过1200 m3/hm2时玉米出苗率明显降低，与有机物积累过多有关，出现了烧苗的情况。笔者研究了马铃薯淀粉加工废水灌溉对土壤质量及玉米生长的影响，提出最适灌溉量，为进一步研究废水灌溉对农田土壤环境的影响及废水资源化利用提供了参考。今后将对废水灌溉提高农田土壤对污水的消纳、分解能力和作物对养分吸收利用率等方面进行更加深入的研究。