马铃薯淀粉加工汁水灌溉对土壤养分和苜蓿生长的影响

贾渊超，毕江涛，曹学海，孙权，毛瑞璠，惠治兵，刘鹏

（1.宁夏大学农学院，银川 750021；2.宁夏大学生态环境学院，银川 750021；3.宁夏彭阳县种子管理站，宁夏 彭阳 756599）

中国是世界上种植马铃薯面积最大的国家。目前，我国已有2 000多家马铃薯淀粉生产企业，其年产量已超过1 000万t，与此同时也产生了大量的马铃薯淀粉加工汁水（每生产1 t 淀粉产生9 t 汁水），其主要包括马铃薯原料的清洗水、淀粉分离过程产生的细胞水、淀粉精制洗涤过程产生的洗涤水以及生产设备清洗和清洁用水。马铃薯淀粉加工汁水COD 浓度较高，含有大量蛋白质、糖类等有机物，如未妥善处理而直接排入河流则会导致水面产生大量白色泡沫、水体发黑、散发恶臭，引发水体污染；如直接排入土壤还会引发土壤板结等一系列问题。我国马铃薯淀粉加工产业主要分布在西北、华北和东北等地区，淀粉生产集中在寒冷的冬季，生产周期不足3个月，在短时间内实现大量马铃薯淀粉加工汁水的达标排放非常困难。因此，如何合理有效地处置马铃薯淀粉加工汁水成为目前的研究热点。

研究显示，马铃薯淀粉加工汁水中含有较高浓度的蛋白质、糖类、纤维素等有机物和氮、磷、钾等营养元素，其产生过程完全为物理过程，除了以马铃薯块茎和水为原料之外不添加任何有害物质，是一种具有重要利用价值的肥水资源，如果用于农业灌溉则可以在很大程度上实现废弃物资源化利用。另有研究显示，马铃薯淀粉加工汁水灌溉农田可以明显提高土壤耕作层中有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，土壤剖面中氮和磷元素有明显向下迁移并被矿化的趋势，与未灌溉马铃薯淀粉加工汁水的农田土壤相比，重金属含量无显著差异，表明马铃薯淀粉加工汁水不仅可以提高土壤肥力，而且对土壤的污染风险较小，可以进行资源化利用。

苜蓿（）富含蛋白质、维生素等大量营养元素，被誉为“牧草之王”。苜蓿生长过程中需要大量的氮、磷、钾养分。李天琦等和许瑞轩等的研究显示：连续多年种植苜蓿会大量消耗土壤中的养分，水肥结合可为苜蓿草地补充养分，并提高苜蓿蛋白质、粗纤维、粗脂肪等养分含量。宁夏马铃薯产业分布在水资源短缺的南部山区，水肥协同效率低等问题严重制约着农业生产的发展，利用马铃薯淀粉加工汁水灌溉农田不但能够实现水肥结合，有效补充土壤养分，满足植物对营养元素和水分的需求，而且可以实现废弃物资源化利用。本试验在宁南山区干旱条件下进行，通过大田试验开展马铃薯淀粉加工汁水苜蓿灌溉试验，分析不同灌溉量对土壤养分和苜蓿品质的影响，以期为马铃薯淀粉加工汁水资源化利用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试苜蓿品种：紫花苜蓿。

供试材料：马铃薯淀粉加工汁水由宁夏某淀粉加工企业提供，加工工艺为沉淀法。全氮0.89 g·L，全磷0.09 g·L，全钾1.24 g·L，氨氮0.20 g·L，pH 6.13，电导率2.12 mS·cm，多糖0.25 mg·L，可溶性固形物2.3%。

1.2 试验区概况

试验于2021 年4 月10 日—8 月1 日在宁夏固原市彭阳县李家河（106°40'30″E、35°49'38″N）开展。试验地位于六盘山东麓黄土高原中部沟壑区，海拔1 766 m，年平均气温7.4～8.5 ℃，全年无霜期140～170 d，降水量350～550 mm，属温带大陆性气候，土壤为黄绵土，有机质14.11 g·kg，pH 8.56，电导率108.50µS·cm，碱解氮119.14 mg·kg，有效磷90.08 mg·kg，速效钾172.96 mg·kg。

1.3 试验设计

依据文献[21]，并考虑前期试验出现的烧苗现象和灌溉季节，试验设置5个灌溉处理，具体见表1。不同灌溉量的马铃薯淀粉加工汁水所含的营养成分和含水量不同，为避免因含水量不同而造成的系统误差，本试验采取等额灌溉方式，即每个处理的灌水总量为300 m，不足300 m的处理以清水进行补灌（马铃薯淀粉加工汁水+清水=300 m·hm），以人工浇灌形式进行灌溉（下文中灌溉量均指汁水灌溉量）。每个处理设置3 个重复，共15 个小区，小区面积为40 m，小区间设置1 m 保护行。分别于2021 年5 月20 日、6 月20 日进行灌溉，7 月21 日苜蓿盛花期进行植物样品的生长和营养指标测定。各处理的田间管理（除杂草、防治病虫害等）同当地苜蓿田间管理保持一致。

表1 马铃薯汁水灌溉苜蓿试验设计Table 1 Experimental design of alfalfa irrigation with potato juice water

1.4 测定指标及方法

土壤化学指标测定：土壤化学指标测定参照《土壤农化分析》进行，其中有机质采用重铬酸钾容量法，pH 采用电极法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用NaHCO浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度计法。

生长指标测定：苜蓿刈割前，各小区采用随机取样的方法测定苜蓿株高，测量每株从主茎距地面3 cm至主茎顶部的高度，每个小区随机测定10 株，取其平均值；用SPAD 502叶绿素仪测定叶绿素含量。

产量及茎叶比测定：在苜蓿盛花期，每个小区随机选取长势均一，能代表该小区长势的1 m×1 m 样方，留茬3 cm 刈割，称其鲜质量，用牛皮纸袋封存带回，放置烘箱中，于105 ℃杀青30 min后，70 ℃烘干至质量恒定，称其干质量，根据干质量计算每公顷干草产量；然后将烘干草样进行茎叶分离，分别称取茎和叶的质量（花序质量计为叶片质量），计算其茎叶比。

营养成分测定：将烘干草样粉碎，过0.25 mm筛，粗灰分（Crude ash）含量采用灼烧法，粗脂肪（Crude fat）含量采用索氏抽提法，粗蛋白（Crude protein）含量采用凯氏定氮法，酸性洗涤纤维（Acid detergent fiber）和中性洗涤纤维（Neutral detergent fiber）含量采用Van Soest洗涤法；相对饲喂价值（Relative feeding value）=（88.9-0.779×酸性洗涤纤维含量）×（120/中性洗涤纤维含量）/1.29

植株氮、磷、钾测定：采用HSO-HO消化-凯氏定氮法测定氮含量，采用HSO-HO消化-钼锑抗比色法测定磷含量，采用HSO-HO消化-火焰分光光度法测定钾含量。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 进行试验数据处理和计算，使用SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析（LSD 法）和主成分分析，使用Origin 2019做图。

2 结果与分析

2.1 马铃薯淀粉加工汁水水质评价

灌溉水水质是影响农业生产安全和环境的重要因素，《农业灌溉水质标准》（GB 5084—2021）是国家为防止土壤、地下水和农产品污染，维护生态平衡所制定的标准。在沉淀法工艺处理的马铃薯淀粉加工汁水理化性状中（表2），全盐、pH 和砷、铅、汞、镉、六价铬的含量均低于《农业灌溉水质标准》，BOD 和COD 值均超过100 mg·L和200 mg·L的标准值，表明经沉淀法工艺处理后的马铃薯淀粉加工汁水除BOD 和COD 含量较高外，其余各指标均符合国家灌溉水质标准。

表2 马铃薯淀粉加工汁水理化性状Table 2 Physicochemical properties of potato starch processing juice

2.2 马铃薯淀粉加工汁水对土壤养分的影响

不同灌溉量的马铃薯淀粉加工汁水均对土壤养分产生显著影响（表3）。与CK 相比，各处理土壤有机质含量均显著增加（＜0.05），增幅为12.02%～22.25%；灌溉量较高的T3 和T4 处理土壤pH 显著降低（＜0.05），降幅为1.88%～2.71%，灌溉量较低的T1和T2 处理pH 虽有降低，但与CK 差异不显著（＞0.05）；土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量均随汁水灌溉量增加而增加，除T1外，各处理土壤碱解氮含量显著增加（＜0.05），增幅为9.60%～46.90%，各处理有效磷和速效钾含量均显著增加（＜0.05），分别增长11.93%～20.62%和2.78%～10.01%。由此表明，灌溉马铃薯淀粉加工汁水可有效增加土壤养分含量，提升土壤肥力。

表3 马铃薯淀粉加工汁水对土壤养分的影响Table 3 Effects of potato starch processing juice on soil nutrients

2.3 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿株高及产量的影响

马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿株高及产量的影响显著（表4）。鲜草产量随着马铃薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而增加，株高和干草产量表现出先增长后略有降低的趋势。与CK 相比，各处理株高显著增长（＜0.05），增幅为12.86%～38.06%，其中T3 增幅最大，T4 次之，但二者差异不显著（＞0.05）；鲜草产量显著增加（＜0.05），增幅为33.82%～160.29%，其中灌溉量最高的T4处理增幅最大，T3次之，但二者差异不显著（＞0.05）；干草产量显著增加（＜0.05），增幅为27.03%～172.30%，其中T3 增幅最大，T4 次之，但二者差异不显著（＞0.05）。适量灌溉马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿株高、鲜草产量和干草产量均有促进作用，但灌溉量过多会对株高和干草产量产生抑制作用。

表4 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿株高和产量的影响Table 4 Effects of potato starch processing juice on alfalfa plant height and yield

2.4 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿生长的影响

马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿生长的影响显著（表5）。与CK 相比，T1 处理苜蓿干鲜比降低，T2、T3 和T4 处理苜蓿增长，其中T3 显著增长7.69%（＜0.05）；各处理茎叶比显著降低（＜0.05），其中T3 最低，降低26.42%；叶绿素含量随着马铃薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而增长，其中T2、T3和T4处理增长显著（＜0.05），增幅为15.68%～29.61%。由此说明马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿生长起到了促进作用。

表5 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿生长的影响Table 5 Effects of potato starch processing juice on the growth performance of alfalfa

2.5 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿营养品质及相对饲喂价值的影响

从表6 可以得知，马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿营养品质及相对饲喂价值具有显著影响。与CK 相比，各处理粗灰分含量显著降低（＜0.05），降幅为0.75～3.25个百分点，T1降幅最大；粗脂肪含量显著增长（＜0.05），增幅为0.36～0.68 个百分点，T1 增幅最大；粗蛋白含量显著增长（＜0.05），增幅为3.69～6.97 个百分点，T4 增幅最大；各处理酸性洗涤纤维含量差异显著（＜0.05），T1 最高；CK 中性洗涤纤维含量最高，显著高于其他处理组（＜0.05）；各处理相对饲喂价值显著增长（＜0.05），增幅为5.41～36.54 个百分点，T3增幅最大。由此说明马铃薯淀粉加工汁水可以改善苜蓿的营养品质，提升牧草相对饲喂价值。

表6 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿营养品质及相对饲喂价值的影响（%）Table 6 Effects of potato starch processing juice on the nutritional quality and relative feeding value of alfalfa（%）

2.6 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿养分积累的影响

图1显示，苜蓿的全氮、全磷、全钾含量变化趋势基本相同，大小顺序均为T4＞T3＞T2＞T1＞CK，均随马铃薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而显著增加。与CK相比，各处理全氮含量显著增长（＜0.05），T4 最大，为15.04 mg·kg，T1、T2和T3分别为12.62、13.74 mg·kg和14.00 mg · kg，T1～T4 分 别 增 长15.67%、25.93%、28.32%和37.86%；全磷含量显著增长（＜0.05），T4 最大，为4.26 mg·kg，T1、T2 和T3 分别为3.08、3.70 mg·kg和3.77 mg·kg，T1～T4 分别增长13.65%、36.53%、39.11%和57.20%；全钾含量显著增长（＜0.05），T4最大，为4.93 mg·kg，T1、T2和T3分别为2.44、3.34 mg·kg和4.13 mg·kg，T1～T4 分别增长201.23%、312.35%、409.88%和508.64%。由此表明马铃薯淀粉加工汁水可显著提升苜蓿全氮、全磷、全钾的积累量。

图1 不同马铃薯淀粉加工汁水处理下苜蓿氮、磷、钾积累量Figure 1 Nitrogen，phosphorus and potassium accumulation of alfalfa under different potato starch processing juice treatments

2.7 马铃薯淀粉加工汁水效果综合评价

选取有机质、pH、碱解氮、有效磷、速效钾、株高、鲜草产量、叶绿素、粗脂肪、粗蛋白和相对饲喂价值11 项主要指标，采用极差标准化方法将原始数据标准化处理，处理后的数据均位于[0，1]区间，然后利用SPSS 软件进行主成分分析，获得两个主成分的相关分析数据，主成分系数等于各变量因子载荷向量除以各自主成分特征根的算术平方根。由表7 可知，前两个主成分的累积贡献率为94.03%，高于90%，因此，可以选取前两个主成分建立综合评价模型。

表7 各指标主成分矩阵表Table 7 Principal component matrix of each index

=0.323×粗蛋白+0.320×有机质+0.320×有效磷+0.319×叶绿素+0.317×鲜草产量+0.316×速效钾+0.313×株高-0.308×pH+0.295×碱解氮+0.284×相对饲喂价值+0.169×粗脂肪

=0.098×粗蛋白+0.152×有机质+0.174×有效磷-0.091×叶绿素-0.108×鲜草产量-0.047×速效钾+0.074×株高+0.287×pH-0.350×碱解氮-0.099×相对饲喂价值+0.831×粗脂肪

根据主成分得分计算综合得分，综合得分越高表明汁水灌溉效果越好，综合得分以主成分的贡献率对主成分得分进行加权平均，即主成分综合得分=（主成分1 得分×84.512+主成分2 得分×9.518）/94.030，根据综合得分排序为T4＞T3＞T2＞T1＞CK（表8）。

表8 主成分分析综合得分Table 8 Comprehensive score of principal component analysis

3 讨论

3.1 马铃薯淀粉加工汁水对土壤养分的影响

马铃薯淀粉加工汁水各项重金属指标均符合《农业灌溉水质标准》，但BOD 和COD 含量较高，因此，马铃薯淀粉加工汁水需要通过一定的工程或工艺措施进行处理。何进勤等的试验结果表明，静置24 h后马铃薯淀粉加工汁水的BOD 和COD 含量均有所减少，且在植被收获后土壤中COD 基本被降解。在本试验研究中，马铃薯淀粉加工汁水采取了好氧发酵，并在灌溉时进行了稀释处理。

土壤是农业发展的基础，土壤养分是农业发展的重中之重，施肥和灌水条件可显著影响土壤养分状况。马铃薯淀粉加工汁水灌溉农田与清水灌溉相比，可显著提高土壤养分含量，尤其是速效钾含量在玉米收获后提升7 倍以上，并且没有对土壤造成重金属污染。张彤的研究表明，马铃薯淀粉加工汁水制成的液体肥料，可减少960 t的COD排放，并且可以循环利用废水蛋白质和水资源，切实改良土壤，提高土壤养分。赵磊从马铃薯淀粉汁水中筛选出固氮菌属的裸色球形固氮菌（），该菌施入土壤后可以将外界的氮源转化为土壤系统内的氮源，从而提高了土壤氮含量；马骏等的研究显示，经马铃薯淀粉加工汁水灌溉后，土壤过氧化氢酶、磷酸酶和脲酶活性增加，土壤肥力提高。在本研究中，随着马铃薯淀粉加工汁水灌溉量增加，土壤中有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著增加：一方面可能由于马铃薯淀粉加工汁水本身含有淀粉、蛋白质等有机物质和氮、磷、钾营养元素，其进入土壤后经历物理、化学、生物等一系列迁移转化过程，对土壤有机质和氮、磷、钾含量进行补充，从而提高了农田土壤的养分；另一方面可能是进入土壤的汁水改善了土壤的水分和营养条件，有利于土壤微生物的繁殖，增强了固氮和解磷、解钾等功能微生物的活性，从而促进了土壤养分的转化。

于秀丽研究认为，在偏碱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随着马铃薯淀粉加工汁水灌溉量的增加而降低，可能是马铃薯淀粉加工汁水本身pH 为6.13，对当地偏碱性土壤起到了调和作用，在一定程度上有利于土壤养分的活化和转化，从而促进了植物对养分的有效利用。

3.2 马铃薯淀粉加工汁水对苜蓿生长发育的影响

氮素是紫花苜蓿生长发育过程所必需的营养元素，也是合成蛋白质的重要组成部分。王丹等的研究显示，苜蓿主要是通过与根瘤菌共生固氮来获取氮素，苜蓿每年的固氮量为100～300 m·hm，根瘤每日固定的氮素有94%供给植株，只有6%留在根瘤中；韩可等认为高效的苜蓿根瘤菌可以有效提升紫花苜蓿的生产力；XU 等的研究显示红薯淀粉废水是培育菌良好的原料，将两者结合生产的微生物肥料可以有效提升茶树产量和茶叶品质；关晓欢用马铃薯淀粉废水培养解淀粉芽孢杆菌24 h后，微生物活菌数为2.2×10cfu·mL，说明马铃薯淀粉加工汁水可以为微生物提供良好的生长环境和充足的氮源、碳源。马铃薯淀粉加工汁水中含有的大量淀粉、蛋白质和纤维素等有机物质，可为微生物活动提供充足养分。本研究结果显示，马铃薯淀粉加工汁水灌溉苜蓿对苜蓿产量和品质产生了显著影响，鲜草和干草产量显著增长，粗蛋白和粗脂肪等营养成分含量显著增加，相对饲喂价值显著提升，其原因是马铃薯淀粉加工汁水灌溉给土壤带来的大量有机物质，对苜蓿根瘤菌等固氮微生物的生长及活性起到了促进作用，从而为苜蓿生长提供了充足的氮素等营养，从而使苜蓿产量增加和品质改善。

有研究表明，施氮可以显著提升植株的氮素积累量及干物质含量。FIXEN 等研究发现，在播种期施磷可以提升植株体内磷元素的积累量；孙国峰等的研究发现，施用等氮量沼液可以使氮肥利用率高达40.9%～44.3%，从而促进了水稻氮素积累。在本研究中，随着马铃薯淀粉加工汁水施用量的增加，苜蓿氮、磷、钾积累量也增加，这可能是由于马铃薯淀粉加工汁水中含有的氮、磷、钾元素，被苜蓿生长所吸收利用，从而促进了苜蓿氮、磷、钾的积累量；另外可能是灌溉的汁水降低了土壤pH，改善了土壤水分状况，提高了土壤微生物活性，促进了苜蓿对养分的吸收，客观上增加了苜蓿氮、磷、钾的积累量。

4 结论

（1）灌溉马铃薯淀粉加工汁水增加了土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等养分含量，对提高土壤养分具有积极意义。

（2）灌溉马铃薯淀粉加工汁水增加了植株高度、叶绿素含量、苜蓿产量和氮、磷、钾元素积累量，提高了粗脂肪和粗蛋白含量，降低了粗灰分和粗纤维含量，对苜蓿生长起到了积极作用。

（3）通过主成分分析法计算综合得分，确定300 m·hm为马铃薯淀粉加工汁水最优灌溉量。

（4）马铃薯淀粉加工汁水是一种无毒无害的废弃物资源，通过科学处理可作为有益再生资源加以利用。