马铃薯淀粉加工废水还田对土壤氮磷钾迁移转化的影响

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　　摘要 選取固原市某淀粉厂试验基地，对其有机废水还田种植作物后，连续2年采取土样分析土壤耕作层（0～30 cm）肥力变化和土壤剖面（30～60、60～90 cm）氮磷钾迁移规律。结果表明，施用马铃薯淀粉有机废水还田，还田量在600～900 m3/hm2时，能明显提高土壤耕作层中有机质、全氮、有效磷、速效钾含量，使土壤耕作层中全氮、有效磷、速效钾养分等级从Ⅲ级提高到Ⅰ级，有机质提高到Ⅲ级。有机废水还田量为600 m3/hm2时，30～60和60～90 cm剖面中氮元素无明显迁移趋势。超过900 m3/hm2时，在30～60和60～90 cm 2个剖面氮元素有明显迁移变化。随着还田量、还田和耕作次数的增加，氮元素向下迁移量增加。施用600 m3/hm2有机废水还田，土壤中磷和钾元素已经开始向下迁移。且随着还田量、还田和耕作次数的增加，磷和钾元素向下迁移越明显。在向下迁移过程中，有效磷和速效钾有逐渐转化为矿化磷和矿物质钾的固化趋势。
　　关键词 马铃薯淀粉加工废水;氮磷钾;迁移转化;还田利用
　　中图分类号 X 703文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）17-0091-06
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.024
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Effects of Returning Potato Starch Processing Wastewater to Soil on Nitrogen， Phosphorus， and Potassium Migration in Soil
　　LI Xiao ting1， LIU Gang1， WANG Tianning2 et al
　　（1.Research & Development Center for Ecomaterial and Ecochemistry， Lanzhou Institute of Chemical Physics， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou， Gansu 730000;2.Institute of Agricultural Resources and Environment， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002）
　　Abstract In this experiment， a starch plant test base in Guyuan was selected. After the organic wastewater was returned to the field， soil samples were taken to analyze the fertility changes of the soil tillage layer （0-30 cm） and the nitrogen， phosphorus， and potassium migration in the soil profile （30-60， 60-90 cm）. The results showed that when the potato starch organic wastewater was returned to the field and the return amount was in the range of 600-900 m3/hm2， the content of organic matter， total nitrogen， available phosphorus， and available potassium in the soil tillage layer could be significantly increased. The levels of available phosphorus， available phosphorus， and available potassium nutrients were increased from Ⅲ to Ⅰ， and organic matter was improved to Ⅲ. When the amount of organic wastewater returned to the field was 600 m3/hm2， the nitrogen element in the 30-60 and 60-90 cm had no obvious migration trend. When it exceeded 900 m3/hm2， the nitrogen elements in the 30-60 and 60-90 cm sections had obvious migration changes. With the increase in the amount of returning fields， the number of returning fields and the number of tillages， the downward migration of nitrogen increased. When 600 m3/hm2 of organic wastewater was returned to the field， the phosphorus and potassium elements in the soil began to migrate downward. And with the increase of the amount of returning fields， the number of returning fields and the number of tillages， the downward migration of phosphorus and potassium elements became more obvious. In the downward migration process， available phosphorus and available potassium had a tendency to solidify into mineralized phosphorus and mineral potassium. 　　Key words Potato starch processing wastewater;Nitrogen， phosphorus and potassium;Migration and conversion;Returning field
　　随着农业经济的快速发展，农业产出逐年增加，但也造成了严重的农业面源污染问题。而化肥被认为是农业面源污染的主要原因，主要是由于农户不合理的施肥方式造成土壤污染以及大量施肥所带来的剩余养分经过雨水冲刷、灌溉进入水体造成水环境污染给农业生态环境造成极大压力[1-3]。目前农业面源污染已逐步成为我国严重的环境问题，其不仅对农业生态环境造成影响，还对我国农产品安全、生态文明建设带来威胁。因此，加强农业面源污染防控对推进现代农业建设、实现农业绿色发展、改善农村生态环境意义重大[2]。
　　研发既能解决农业生产废弃物的资源化利用、又能适宜农作物安全高效生产并易于推广应用的有机肥，充分发挥有机肥在提高土壤供肥能力、提高作物肥料利用率、增加作物产量、改善农产品品质方面的优势，提升有机废弃物的资源化再利用能力，促进土壤良性生态循环，改善农业生态环境，已成为旱地农业面源污染源头控制的关键环节和技术难点[4-6]。马铃薯原料清洗过程、马铃薯淀粉与细胞汁水分离和清洗过程产生的马铃薯淀粉加工废水，是一种富含磷、钾、小颗粒淀粉、多糖、蛋白、氨基酸的高浓度有机肥水[7-10]，多年来已经在我国西北、东北、华北地区被作为肥料大量还田施用。多年实践证明马铃薯淀粉加工废水仅靠末端治理无法实现达标排放，还田利用是解决马铃薯淀粉加工废水处理问题的最佳途径。马铃薯淀粉加工废水主要包括马铃薯清洗废水、马铃薯汁水（马铃薯细胞液等）和淀粉洗涤精制废水。笔者以固原市某淀粉企业流转的农田土壤为对象，研究长期大量施用马铃薯淀粉加工废水对土壤中氮、磷、钾迁移转化的影响，以期为马铃薯淀粉加工废水科学利用提供理论依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验地点与时间
　　试验自2017年11月开始实施，在固原市某淀粉厂试验地开展，2017年11月进行了第一次废水汁水还田试验，分别在2018年6月（作物种植初期）、2018年9月（作物收获期）对土壤中营养元素含量等进行了检测;2018年11月继续实施废水汁水还田利用，2019年6月（播种前期）、2019年10月（作物收获期）对土壤中营养元素含量等进行了检测，种植作物为玉米和马铃薯。
　　1.2 试验材料采集与处理
　　试验材料采自马铃薯淀粉加工废水还田后种植玉米和马铃薯农田的土壤。分别采集还田后作物种植初期（2018年6月）、作物收获期（2018年9月）、再还田后作物种植初期（2019年6月）、作物收获期（2019年10月）4个阶段土样，土样分别从0～30 cm（土壤耕作层）、30～60和60～90 cm（土壤剖面）3个深度采取，每个深度选取3个位点进行取样混合后分装进自封袋中，注明采样深度、地点、经纬度、种植作物、时间等。
　　采集好的土样置于样品盘中摊成薄层（厚约2 cm），放在室内阴凉通风处自行干燥。风干后的样品挑出植物根、叶、虫体、沙石等，使全部样品用研钵研磨通过2 mm孔径筛。将过2 mm孔径筛的土样采用四分法分样直至剩余约50 g样品，取出其中约25 g样品继续碾磨研磨使之全部通过0.25 mm孔径筛，用于检测分析，另外约25 g样品做好标签用自封袋封存。
　　1.3 试验设计
　　共设置5个处理，还田量分别为混合有机废水0（清水3 000 m3/hm2补足）为对照、600 m3/hm2（清水2 400 m3/hm2补足）、900 m3/hm2（清水2 100 m3/hm2补足）、1 200 m3/hm2（清水1 800 m3/hm2补足）、3 000 m3/hm2（清水为0）。3次重复试验;大区展示4个。小区面积为4 m×12 m;大区试验分别为22 m×15 m和26 m×15 m。小区畦埂底宽50 cm，顶宽40 cm，高40 cm。玉米点播采取拉线等距精量播种株行距27 cm×50 cm。种植密度74 100株/hm2，玉米品种屯玉99;马铃薯播种株行距为45 cm×50 cm。种植密度44 460株/hm2，马铃薯品种青薯9号。分别对不同还田量的试验地块连续2年（4个阶段）的同步试验地采取土样带回实验室测试分析。
　　1.4 测试指标与方法
　　土壤养分指标：有机质、全氮、有效磷（P2O5）、速效钾（K2O）（表1）。
　　2 结果与分析
　　2.1 馬铃薯淀粉加工废水水质特征
　　从表2可以看出，综合废水COD为7 000～35 000 mg/L，总氮500～1 500 mg/L，总磷30～160 mg/L，总钾800～3 000 mg/L。废水重金属含量均较低，可以达到《农田灌溉水质标准》（GB5084—2005），废水汁水存在的主要问题为全盐量较高，主要有2个原因：一是生产用水的盐分本底值较高，二是马铃薯本身含钾盐较高，导致全盐量中钾盐浓度偏高，而钾是对农业生产活动有益的元素，废水汁水的还田利用起到施用钾肥的作用。因此马铃薯加工废水富含土壤和农作物生长所需的营养成分，是“好水”，是“肥水”。
　　2.2 有机废水还田对土壤耕作层肥力的影响
　　不同作物不同还田量土壤耕作层（0～30 cm）全氮、有效磷、速效钾、有机质含量见表3。土壤养分分级标准见表4。
　　施用汁水与冲洗混合废水（有机废水）能够明显提高土壤中全氮、有效磷、速效钾的含量，对于土壤有机质影响较小。从表3可以看出，万里试验地土壤在未施用有机废水时，种植玉米的土地土壤耕作层的全氮、有效磷、速效钾和有机质含量分别为1.117 g/kg、17.64 mg/kg、142.62 mg/kg、12.28 g/kg;种植马铃薯的土地土壤耕作层的全氮、有效磷、速效钾和有机质含量分别为1.114 g/kg、18.88 mg/kg、16873 mg/kg、11.78 g/kg。相当于Ⅲ级土壤，有机质是Ⅳ级水平[11-13]。 　　有机废水施用量为600 m3/hm2时，在2017年11月第一次施用有机废水后，2018年6月开始播种玉米和马铃薯，种植玉米的土地土壤耕作层中全氮、有效磷、速效钾、有机质含量分别为1.433 g/kg、35.73 mg/kg、176.61 mg/kg、15.69 g/kg;种植马铃薯的土地土壤耕作层的全氮、有效磷、速效钾、有机质含量分别为1.416 g/kg、37.71 mg/kg、237.82 mg/kg、16.75 g/kg。全氮基本仍属于Ⅲ级土壤，磷和钾含量已经提高到Ⅱ级和Ⅰ级，有机质还是Ⅳ级水平;2018年11月施用第二次有机废水还田后，2019年6月测得种植玉米的土地土壤含氮量继续提高到1.933 g/kg，有效磷含量43.00 mg/kg，速效钾含量520.48 mg/kg，有机质含量21.25 g/kg;种植马铃薯的土地土壤含氮量继续提高到1.944 g/kg，有效磷含量5332 mg/kg，速效钾含量540.52 mg/kg，有机质含量20.15 g/kg。氮达到Ⅱ级土壤标准，磷、钾超过Ⅰ级土壤标准，有机质是Ⅲ级土壤水平。种植玉米和马铃薯后，2019年10月测得全氮含量略有降低，仍保持Ⅱ级土壤。种植玉米的土地有效磷含量37.35 mg/kg，速效钾含量580.51 mg/kg，有机质含量20.95 g/kg;种植马铃薯的土地有效磷含量1999 mg/kg，速效钾含量450.24 mg/kg，有机质含量20.63 g/kg。有机质还在Ⅳ级水平，磷保持Ⅱ级水平，但钾仍在Ⅰ级标准以上。
　　有机废水施用量分别为900、1200、3 000 m3/hm2时，第一次还田后2018年6月测得全氮含量1.605～2.309 g/kg，有效磷含量54.35～95.64 mg/kg，速效钾含量316.80～1 083.2 mg/kg，有机质含量19.83～31.37 g/kg，全氮达到Ⅱ级标准。且在还田量3 000 m3/hm2时全氮含量为Ⅰ级，有效磷达到Ⅰ级，速效钾远超Ⅰ级，有机质达到Ⅲ级;种植玉米和马铃薯后，全氮、有效磷、速效钾、有机质含量略有下降，第二次还田后至作物收获前2019年10月测得全氮含量2.012～2.988 g/kg，有效磷59.00～146.87 mg/kg，速效钾含量710.09～1 560.14 mg/kg，有机质含量29.02～42.44 g/kg。全氮、有效磷、速效钾整体仍在Ⅰ级以上。
　　土壤有机质是土壤生态系统中一个重要的成分，有机质含量是衡量土壤肥力的重要因素，直接影响土壤的保肥性、保水性、缓冲性、耕性和通气状况等。土壤有机质的缺乏能够引起团聚体性状不好，土壤持水量下降，土壤侵蚀加剧，提供营养的能力下降，减少土壤生物和酶的活性。这些因素综合到一起就会引起土壤的生产力下降。因此维持和提高农业土壤中有机质含量对于农业可持续发展非常关键。马铃薯加工废水还田不仅提高了土壤有机质含量，改善了土壤的理化性质，为微生物的生长繁殖提供了良好的环境和丰富的碳源、氮源，同时，微生物可以利用废水中的碳源物质大量进行自身繁殖，将废水中的碳同化为微生物体碳。认为土壤中净增的氮素除部分来自还田外，更主要是由于还田促进微生物固氮作用所作的间接贡献。废水还田能促进真菌和细菌的大量繁殖，提高土壤中微生物的数量。
　　2.3 有机废水还田利用对土壤剖面氮磷钾迁移变化的影响
　　2.3.1 氮元素。
　　氮是所有活有机体所需要的最重要营养元素之一，也是限制作物生长的最重要因素之一。结合表5和图1可知，在2017年11月和2018年11月2次不同施用量的有机废水还田和2次种植玉米和馬铃薯后，30～60和60～90 cm 2个断面的氮含量都有不同程度的增加。还田量为600 m3/hm2时，30～60 cm剖面中氮含量逐步提高，在剖面60～90 cm氮的含量基本没有明显变化，与清水对照的同等断面基本一致[14-16]。
　　还田量900 m3/hm2与清水还田对照相比，2个断面的氮含量均稍有提高。当还田量达1 200 m3/hm2时，30～60 cm剖面的氮含量：1.462～1.296、1.388～1.368、1.526～1.608和1706～1.612 g/kg。60～90 cm剖面的氮含量：1.285～1.198、1217～1.187、1.185～1.211和1.224～1.399 g/kg。与清水还田对照相比，2个断面的氮含量都有很大的提高。当还田量达3 000 m3/hm2时，2个断面的氮含量与清水还田对照相比整体提高2倍。
　　2.3.2 磷元素。从表6可以看出，施用清水还田的土壤，30～60和60～90 cm剖面中磷含量为10.01～11.80、8.93～10.28 mg/kg。连续2年施用有机废水还田2个断面的磷含量都有不同程度的增加。连续2次同样的还田量600 m3/hm2，30～60 cm剖面中磷含量从11.74～17.50 mg/kg逐步提高，每灌一次地和种植一次作物的耕作过程都提高此剖面的磷含量。在剖面60～90 cm磷含量与清水对照相比基本无明显变化。
　　当还田量达900 m3/hm2时，30～60和60～90 cm剖面的磷含量分别为15.12～26.99、13.56～16.99 mg/kg，与清水还田对照相比，2个断面的磷含量都有较大幅度的提高。还田量1 200 m3/hm2时，30～60 cm剖面的磷含量从19.86 mg/kg增加到32.49 mg/kg，60～90 cm剖面的磷含量从14.24 mg/kg增加到21.42 mg/kg，与清水还田对照相比，2个断面磷含量都提高2～3倍。当还田量达3 000 m3/hm2时，2个断面磷含量整体提高了3～6倍（图2）。
　　磷在土壤中的迁移转化过程，即是磷在土壤中的物理、化学、生物转化过程。其中主要形式是和土壤中的铁、铝、钙结合形成无机磷。而由于不同的溶解度，对植物的效用也不同，且会发生变化，如施肥、培养时间等会影响相互之间的关系及相互之间的迁移转化，最终导致磷的特性发生改变。鉴于富含磷马铃薯加工废水的大量施用，造成各种环境下土壤磷素形态发生迁移转化，磷有效性提高。 　　2.3.3 钾元素。
　　从表7可以看出，一直施用清水灌地的土壤在30～60和60～90 cm 2个不同剖面中钾含量在95.87～190.51、81.35～130.11 mg/kg。同样还田量600 m3/hm2，第一次还田和种植耕作过程中30～60 cm剖面钾含量为110.30～160.89 mg/kg，基本在对照清水范围内。第二次还田和种植耕作过程30～60 cm剖面钾含量略有提高。60～90 cm剖面钾含量变化不明显且在清水对照范围内。
　　当还田量达900 m3/hm2时，30～60和60～90 cm 2个剖面的钾含量：172.44～299.44、93.63～196.47 mg/kg。与清水还田对照相比，2个断面钾含量都有较大幅度的提高。还田量为1 200 m3/hm2时，30～60 cm剖面的钾含量：248.34～269.00 mg/kg（2018年6月）、300.37～310.05 mg/kg（2018年10月）、350.05～360.32 mg/kg（2019年6月）和390.19～500.41 mg/kg（2019年10月）;60～90 cm剖面的磷含量：12688～170.70 mg/kg（2018年6月）、185.87～200.02 mg/kg（2018年10月）、220.38～310.31 mg/kg（2019年6月）和22027～31009 mg/kg（2019年10月）。与清水还田对照相比，2个断面的钾含量都提高2～3倍。当还田量达到3 000 m3/hm2时，2个断面的钾含量整体提高了3～6倍（图3）。
　　3 结论
　　（1）在试验基地Ⅲ级土壤上施用马铃薯淀粉原汁水与冲洗水混合水还田时，还田量600～900 m3/hm2时，能明显提高土壤中有机质、全氮、有效磷、速效钾的含量，使土壤中全氮、有效磷、速效钾养分等级从Ⅲ级提高到Ⅰ级，有机质提高到Ⅲ级。因此，还田量600～900 m3/hm2能明显提高土壤养分等级，增加土壤肥力。还田量超过900 m3/hm2时，在0～30 cm耕作层中明显出现氮磷钾的富集，尤其是第二次重复还田施用时，氮富集量增加较快，过量磷钾通常容易被土壤固化。
　　（2）试验基地相比较清水对照还田的土壤，有机废水还田量为600 m3/hm2时，30～60和60～90 cm剖面中氮元素无明显迁移趋势。有机废水还田量超过900 m3/hm2时，在30～60、60～90 cm 2个剖面氮元素有明显迁移变化，随着还田量、还田和耕作次数的增加，氮向下迁移的量越大。
　　（3）当有机废水还田量达600 m3/hm2时，磷和钾元素已经开始向下迁移，随着还田量、还田和耕作次数的增加，磷和钾元素向下迁移量越明显。而且在向下迁移过程中，有效磷和速效钾有逐渐转化为矿化磷和矿物质钾的固化趋势。
　　（4）马铃薯淀粉加工废水施用到耕地中可有效降低化肥施用量，并且可以提升农产品品质，有助于实现有机农业生产，是“好水”，是“肥水”。
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