红薯淀粉废水还田对小麦初期生长影响研究

程丽萍，海子彬，宗 梅

(安徽省生态环境科学研究院，安徽 合肥 230071)

1 引言

我国是传统的红薯种植大国，种植面积和产量均居世界前列。我国红薯种植大致分为食用型、淀粉型和紫薯型3种类型，长江中下游包括安徽在内的地区多为淀粉型和食用型，其中淀粉型比例超半[1，2]。以八里河流域为例，该流域年产红薯约18万t，其中安徽省颍上县耿棚镇被称为“中原三粉第一镇”，红薯淀粉产品畅销全国各地。同时，淀粉加工废水也对环境产生较大的影响，由于农村红薯淀粉加工大多是家庭作坊式，生产方式粗放落后，淀粉生产耗水量大，八里河流域每年9～12月份约有180万t高浓度淀粉废水未经任何污水处理措施直接排入河流水体，对流域的水生态环境造成较严重的污染[3]。常见的淀粉加工废水处理方法有絮凝沉淀法、膜过滤法、生物降解法等[4～12]，但由于废水产生集中且量大、污染负荷高、加工期温度低等原因，依靠现有的末端治理技术，难以实现经济可行的稳定达标排放。淀粉加工废水富含磷、钾、蛋白质、氨基酸等有机物和纤维素等固体颗粒，如直接排放不仅会造成严重的环境污染，也会造成资源的浪费。因此红薯淀粉废水资源化利用研究不仅有利于降低环境影响、减轻企业处理负担，还具有一定的经济效益。目前，已有多项研究表明废水还田利用是解决薯类淀粉废水处理问题的有效途径[13，14]，淀粉废水作为肥料在我国多个地区已被大量地还田施用。本文研究了经处理后的红薯淀粉废水还田对小麦生长初期的影响，以探究小麦生长的最佳浇灌条件。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

试验地位于阜阳市颍上县耿棚镇某淀粉厂，废水类型为农村生产红薯淀粉废水。试验地气候属北温带与亚热带之间过度型气候，年平均温度15.0 ℃；流域内降水量常年平均降水904.6 mm，受季风气候影响，降水有季节性变化，年际间差异大，夏季多冬季少，春雨多于秋雨。

2.2 试验设计

试验设计6块模拟小麦田，面积为0.15 m2(30 cm×50 cm)，小麦种子播种密度约为每公顷300 kg，每块模拟麦田播种约5 g。配合施用800 kg/hm2复合肥，折合每块模拟田施用12 g复合肥，控制水量，分别采用红薯淀粉废水(原水)、经厌氧生化反应处理后的红薯淀粉废水(IC出水)、清水进行浇灌。废水原水COD约4000 mg/L，IC出水COD约1000 mg/L。浇灌水量控制为500 m3/hm2、1000 m3/hm2、1500 m3/hm2，折合成每块模拟麦田的浇灌水量分别为7.5 L、15 L、22.5 L(表1)。模拟麦田埋好土，保证光照条件一致。

2.3 测定项目及方法

土壤含水率和温度：采用DECAGON Em50土壤性质测定仪测试土壤含水率和温度，分别在1、2与6号模拟麦田内地表以下10 cm处安放监测土壤探头，测量土壤温度以及灌溉后土壤含水率的变化。

表1 模拟麦田施用条件

土壤含氧量：采用Apogee MO-200手持式氧含量测量仪，探头放置于模拟麦田土壤10 cm以下深处，用于测量土壤含氧量的变化情况。

麦苗株高：每隔一定的时间测定每块模拟田内具有代表性的麦苗植株株高若干，由根部量至麦苗顶端最高处，计算平均株高。

3 结果与分析

3.1 不同浇灌方式对土壤含水率的影响

土壤水分含量是影响小麦生长发育的首要因素之一，对小麦出苗和生长发育过程有着显著的影响，特别是生长发育前期，不同的土壤含水率小麦出苗状况差别较大，含水量较低时则麦苗生长受到抑制。水分的亏缺也会引起小麦茎秆生长缓慢、减少叶面积降低叶绿素相对含量，同时对营养物质如氮素的吸收累积影响也较大[15～17]。土壤水分过高或过低均不利于小麦的出苗和麦苗生长发育，有研究表明小麦出苗和苗期生长最适宜的耕层土壤含水量为18%～20%，小麦出苗所需最低含水量在13%～14%，低于这个标准小麦则不能正常出苗[18]。对1号、2号及6号模拟麦田内土壤含水率变化进行监测，如图1所示，可以看出，经原水和IC出水浇灌的模拟麦田含水率普遍比较高，且变化幅度更小，其中IC出水浇灌土壤含水率在小麦苗期生长的适宜范围内，有利于小麦的出苗和生长发育。因此，利用红薯淀粉废水还田灌溉对土壤有着较好的保湿作用，对农作物生育期的影响更加有利。

3.2 不同浇灌方式对土壤温度的影响

对1号、2号及6号(暂未浇水，浇灌方式为出芽后浇水)模拟麦田24 h内的土壤温度变化进行监测，结果如图2所示。监测时间段内天气状况为晴天，可以看出在正午时分(12:00左右)未浇水的6号田块温度明显高于浇灌原水的1号和IC出水的2号田块，这主要是由于土壤浇水后，一方面水分会吸收热量，另一方面湿润的土壤空隙相比于干燥土壤的较小，地面上的干热空气无法有效与土壤内部较低温度空气进行交换。中午之后，所有田块土壤温度均呈现不断降低的趋势，在次日5：00～6：00达到最低。6号的土壤温度下降速率最快，且最低点的温度是3个监测样品中最小。浇灌原水的1号土壤最低温度高于IC出水浇灌的2号，推测由于废水原水COD含量较IC出水高，在土壤中产生的发酵作用强于经过处理的IC出水，故1号田块土壤温度稍高于2号。之后，随着气温的升高，6号样土壤温度提升速度最快，与前一日趋势一致，且1号样模拟田块土壤温度均略高于2号。

图1 不同浇灌方式下土壤含水率变化情况

图2 不同浇灌方式下土壤温度变化情况

3.3 不同浇灌方式对土壤含氧量的影响

对浇灌原水和清水的模拟田块土壤含氧量进行监测，观察2个田块在浇灌后土壤含氧量48 h的变化过程，结果如图3所示。初始状态下，2个田块土壤中的含氧量为18.5%左右，略低于空气的含氧量。浇灌之后，2个田块土壤的含氧量均有不同程度的下降，然而可以看出明显的差异。浇灌清水的6号模拟田土壤含氧量在经历了短暂的下降之后，含氧量恢复到17%，而后逐渐升高；而浇灌原水的1号土壤含氧量持续下降，在24 h后的次日中午达到最低，含氧量最低值仅为11.8%，且含氧量低于13%的时长维持了12 h以上。浇灌淀粉废水30 h以后，1号田块土壤的含氧量显著恢复，达到17%以上。因此，红薯淀粉废水原水浇灌会大幅降低土壤含氧量，对土壤的透气性能及植物根系对养分的吸收带来不利影响。

图3 不同浇灌方式下土壤含氧量的变化情况

3.4 不同浇灌条件对小麦出苗状况的影响

为了研究浇灌类型、浇灌量与浇灌时机对小麦出苗与生长状况的影响，探索最适宜的浇灌条件，分别研究对比了6个模拟麦田种植后不同阶段小麦的出芽率与株高情况(表2)。麦种种植一周后，经原水及IC出水浇灌的1、2、3、4、5号模拟田内小麦均已出芽，生长情况各有快慢，2号基本全部出芽且长势最好。种植一月后，对比各麦苗生长情况，1号种植麦种后浇灌原水15 L、2号种植麦种后浇灌IC出水15 L、3号种植麦种后浇灌IC出水7.5 L，这3组生长较为迅速，且出芽率为100%；而4号种植小麦前浇灌IC出水15 L、5号种植小麦后浇灌IC出水22.5 L的也有生长，但是生长缓慢；6号也有少量发芽，生长最为缓慢。继续观察种植37 d之后的麦苗状况，生长情况跟之前基本一致。因此可知，在本实验控制条件下，浇灌原水及IC出水对小麦生长更有利。由于原水浇灌后，土壤内有机质含量较高，产生较强的发酵作用，且含氧量较低，抑制了根系的呼吸作用，削弱根系吸收水肥的能力，故前期生长较为缓慢。IC出水经过了厌氧处理，有机物含量降低，因此在土壤中的发酵作用较弱，且IC出水灌溉能够很好的保持土壤的含水率，故较有利于小麦的生长发育，又因为IC出水中含有一定量的有机质和营养盐，因此对麦苗的生长有很好的促进作用。4号小麦发芽生长状况一般，可知先浇灌后种植对小麦生长不利；对比2、3和5号模拟田麦苗生长状况可知，IC出水浇灌量为15 L(1000 m3/hm2)左右最为适宜。

表2 不同灌溉条件下小麦发芽状况与株高

4 结论与讨论

研究发现，在本实验设计条件下，经原水及IC出水浇灌的土壤含水率较适宜小麦苗期的生长且对土壤有着较好的保湿作用；而红薯淀粉废水原水在土壤中产生较强的发酵作用，浇灌后大幅降低土壤含氧量并导致土壤升温，对于小麦发芽及麦苗初期生长会带来不利影响；IC出水有机质含量较原水低，发酵作用较弱，但又保留一定量的营养物质，浇灌的小麦发芽最为迅速，长势最好。因此，经过处理的红薯淀粉废水能直接对小麦进行灌溉并保证其正常生长，小麦生长的最佳灌溉条件为：利用经过厌氧生化处理的红薯淀粉废水进行还田灌溉，灌溉量为1000 m3/hm2，方式为种植小麦后进行灌溉。