2022, Vol. 54
2. 宁夏大学农学院, 银川 750021;
3. 宁夏西吉县农技推广中心, 宁夏西吉 756200
宁夏南部山区生态环境恶劣，干旱缺水是当地农业发展的最大限制因素[1]。马铃薯由于适应能力强，成为当地经济发展和脱贫致富的支柱产业，在当地经济和社会发展中处于无法替代的地位。区内西吉县素有“中国马铃薯之乡”之称。每年西吉马铃薯加工业给当地农民带来的经济收入占总收入的1/4以上，占工业经济的1/2左右。20世纪90年代初期，马铃薯淀粉产业的兴起为山区农民脱贫致富找到了一条出路，有力地拉动了当地经济的增长，取得了良好的经济效益和显著的社会效益。目前，马铃薯淀粉加工成为宁南山区马铃薯鲜薯消化的重要途径，每年全区1/3的马铃薯用于生产淀粉，产值达2亿多元。但随之而产生的淀粉加工废水的污染问题也日益凸现出来，据测算，每加工生产1 t精淀粉需耗水12 t，每年排放的淀粉废水将近3×106 t[2-3]。何进勤等[4]、李晓婷等[5]和赵博超等[6]研究指出，马铃薯淀粉的生产加工过程主要是物理变化过程，生产中一般不添加任何有毒、有害化学物质，只需加入少量的柠檬酸(用于漂白淀粉)，废水中含有大量氨基酸、氮、磷、钾等作物需要的营养物质。以“肥水”还田加以利用，不仅可以避免对环境造成严重污染，而且减少水肥资源的巨大浪费。国内外关于废水灌溉发展农业开展了大量研究，许多研究表明废水灌溉能够提高土壤肥力、增加土壤酶活性、促进种植作物生长[7-13]；但也有专家研究指出，长期施用高含量碳耗氧有机物的淀粉废水会使农田土壤腐殖质组分变劣、土壤物理结构变差。此外，在污灌过程中NO3–、Ca2+和Mg2+等物质下移，潜伏着污染地下水的危险[14-15]。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。本文针对马铃薯淀粉加工废水灌溉农田后营养物质在土壤中的稳定性及其肥效特征进行研究，探讨施肥措施对其养分的影响，提出基于马铃薯废水灌溉的旱作农田土壤肥力调控技术，为完善马铃薯废水还田和可持续利用提供技术保障。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验地位于宁夏原州区西吉县将台乡火沟村，该区海拔1 830 ~ 2 052 m，年干燥度1.42，年均气温5.3 ℃，多年平均降雨量378 mm，无霜期123 d，≥10℃年活动积温1 928.4 ℃。土壤为黑垆土，种植前表层0 ~ 20 cm土壤肥力状况为有机质12.25 g/kg，碱解氮75 mg/kg，有效磷15.75 mg/kg，速效钾167.5 mg/kg。试验废水取自附近西吉万里马铃薯淀粉加工有限公司生产废水，废水基本成分见表 1。
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表 1 马铃薯淀粉加工废水基本成分含量 Table 1 Contents of basic components of potato starch processing wastewater |
试验在种植前利用马铃薯淀粉加工废水灌溉一次，然后以废水灌溉农田为研究对象，采用完全随机试验设计，共设7个施肥处理：T1(CK)，不施肥；T2，常规施肥；T3，优化施肥(减氮增磷)；T4，优化施肥+增氧剂；T5，优化施肥70%+生物有机肥；T6，优化施肥70%+生物有机肥+增氧剂；T7，缓释肥(沃夫特26-10-12)。每个小区面积4 m × 10 m，重复3次。供试作物为青贮玉米，选用屯玉188和辽单565两个品种。于灌溉2个月后开展施肥、播种，所有肥料均在播种前一次性施入，各小区试验方案见表 2。
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表 2 施肥方案(kg/hm2) Table 2 Fertilization program |
马铃薯淀粉加工废水COD、BOD5、pH、硝态氮、铵态氮、总磷、粗纤维、淀粉、蛋白质等测定参考文献[16]。
1.3.2 土壤养分指标测定土壤有机质测定采用K2Cr2O7容量法-外加热法；碱解氮测定采用碱解扩散法；有效磷测定采用NaHCO3浸提-分光光度计法；速效钾采用乙酸氨浸提-火焰光度计法[17]。
1.3.3 土壤微生物数量及其区系特征在播种前和收获后采集各处理土壤，主要测定表层0 ~ 20 cm土壤微生物区系组成。细菌、真菌和放线菌采用平板培养计数法测定，培养基分别用牛肉膏蛋白胨琼脂、PDA和改良高氏1号琼脂培养基[18]。
1.3.4 玉米株高和生物量测定株高标记测定，生物量采用样方法测定。
1.4 数据统计分析应用Excel 2007进行数据处理和作图，Minitab 17.0进行ANOVA统计分析和LSD法均值两两比较分析。
2 结果与分析 2.1 施肥对马铃薯加工废水灌溉农田土壤养分特征的影响 2.1.1 土壤有机质马铃薯淀粉加工废水灌溉农田极显著地增加了土壤有机质含量(P < 0.01)。灌溉后60 d种植前表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤有机质比灌溉前分别增加68.65% 和70.73%(表 3)。废水灌溉带来的土壤有机质增加，经过一季玉米生长，土壤有机质仍然有所增加，与废水灌溉前相比，收获后T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理下表层0 ~ 20 cm土壤有机质分别增加17.14%、3.59%、16.24%、2.94%、13.4%、16.98%、23.02%，底层20 ~ 50 cm土壤有机质除T5处理略有下降外，T1、T2、T3、T4、T6、T7处理下均有所增加，分别提高32.26%、35.56%、57.59%、55.77%、53.42%、60.68%。废水灌溉带入的有机物料，导致土壤有机质激增，但是其很不稳定，与废水灌溉后种植前相比，收获后T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理下表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤有机质极显著下降，分别降低30.54%、22.53%，38.58%、20.71%，31.07%、7.7%，38.96%、8.76%，32.72%、46.31%，30.64%、10.14% 和27.06%、5.88%。表层0 ~ 20 cm土壤有机质T2和T7处理差异极显著，其他各处理间差异不显著。其中T2、T4处理有机质最低，T7最高，表明常规施肥氮肥过量和增施增氧剂增加土壤氧气含量，促进土壤有机质矿化，合理施肥有利于有机质固持与蓄存。底层20 ~ 50 cm土壤有机质T5和T7分别与各处理差异极显著，其他各处理之间差异不显著，其中T5处理最低，T7最高，表明增施有机肥导致深层土壤有机质的消耗。
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表 3 马铃薯淀粉加工废水灌溉前后土壤养分特征变化 Table 3 Soil nutrient contents before and after potato starch processing wastewater irrigation |
马铃薯淀粉加工废水灌溉农田极显著地增加土壤碱解氮含量(P < 0.01)。灌溉后种植前土壤表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤碱解氮比废水灌溉前分别增加95.47% 和86.41%(表 3)。玉米在生长过程中氮的消耗较大，各施肥处理下土壤碱解氮含量均有所下降，与废水灌溉前相比，收获后T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理下表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤碱解氮显著下降，分别下降93.87%、96.10%，53.97%、56.66%，59.37%、70.39%，22.91%、51.15%，73.84%、86.21%，28.64%、2.91% 和40.49%、61.59%。通过废水增加土壤碱解氮极不稳定，在生长季内快速降低，与废水灌溉后种植前相比，收获后T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤碱解氮也均极显著下降，分别降低96.86%、97.91%，76.45%、76.75%，79.22%、84.11%，60.56%、73.79%，86.62%、92.60%，63.49%、47.92% 和69.56%、79.40%。表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤碱解氮各处理之间差异极显著。其中T1和T5处理最低，表明不施肥处理碱解氮失衡，而增施生物有机肥促进土壤氮矿化和吸收利用，T6处理最高，在优化施肥的基础上，增施增氧剂和生物有机肥对氮素的稳定有影响。可知，合理的施肥处理，可将废水的肥力优势发挥出来，维持氮的稳定和平衡，同时降低氮的无效损失和对土壤环境的影响。
2.1.3 土壤有效磷马铃薯淀粉加工废水灌溉农田极显著地增加土壤有效磷含量(P < 0.01)。灌溉后60 d种植前土壤表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤有效磷比灌溉前分别增加434.60% 和931.05%(表 3)。废水灌溉带入的养分成分造成的土壤有效磷增加，经过一季玉米生长，土壤有效磷仍然有所增加，与废水灌溉前相比，收获后表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤有效磷极显著增加，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7分别增加41.84%、312.63%，321.08%、582.37%，250.03%、1386.84%，259.81%、982.37%，173.08%、292.37%，147.05%、856.58% 和359.05%、1562.11%。同样地，废水灌溉导致土壤有效磷的激增，但是很不稳定，与废水灌溉后种植前相比，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理表层0 ~ 20 cm土壤有效磷均极显著下降，分别降低73.47%、21.24%、34.52%、32.70%、48.92%、53.79%、14.13%。T3、T4、T7底层20 ~ 50 cm土壤有效磷分别增加44.21%、4.98%、61.20%，T1、T3、T5、T6处理分别下降59.98%、33.82%、61.94%、7.22%。各处理表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤有效磷差异极显著。其中T7最高、T1最低。
2.1.4 土壤速效钾马铃薯淀粉加工废水灌溉农田极显著地增加土壤速效钾含量(P < 0.01)。灌溉后60 d种植前土壤表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤速效钾比灌溉前分别增加485.07% 和580.31%(表 3)。废水灌溉带入的养分成分造成的土壤速效钾增加，经过一季玉米生长，各施肥处理土壤速效钾仍然极显著增加，与废水灌溉前相比，收获后T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理下表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤分别增加251.08%、324.52%，280.29%、353.88%，367.91%、440.09%，338.70%、594.17%，280.29%、497.87%，251.08%、478.61% 和382.51%、555.65%。废水灌溉导致土壤速效钾的激增，但是很不稳定，与废水灌溉后种植前相比，收获后T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7各处理表层0 ~ 20 cm土壤速效钾极显著下降，分别降低39.99%、35.00%、20.03%、25.02%、35.00%、39.99%、17.53%。底层20 ~ 50 cm土壤速效钾除T4处理有所增加外，T1、T2、T3、T5、T6、T7各处理均显著下降，分别降低37.60%、33.28%、20.61%、12.12%、14.95%、3.63%。不同施肥处理之间差异显著，其中T7最高、T1最低。
2.2 施肥对马铃薯加工废水灌溉农田土壤微生物区系及数量特征影响由表 4可知，马铃薯淀粉加工废水灌溉对土壤微生物区系及其数量特征具有极显著影响(P < 0.01)。与废水灌溉前相比，灌溉后种植前表层0 ~ 20 cm土壤真菌、细菌和放线菌分别增加10倍、50倍和1.5倍，微生物总量增加34倍。与土壤养分相似，土壤微生物量亦呈现出灌溉之初激增的不稳定性和经过种植与和施肥管理后的初步平衡稳定的过程，不同施肥处理对土壤真菌、细菌、放线菌和微生物总量的影响极显著(P < 0.01)。与废水灌溉前相比，收获后T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理表层0 ~ 20 cm土壤真菌、细菌、放线菌和微生物总量显著增加，其中真菌分别增加800.61%、885.37%、1296.34%、1816.26%、1214.63%、1354.07%、1004.88%，细菌分别增加467.55%、860.38%、1157.74%、897.36%、1218.49%、1449.43%、733.21%，放线菌增加314.15%、60%、196.04%、249.81%、354.72%、406.23%、187.55%，微生物总量分别增加447.37%、729.10%、1001.86%、804.95%、1076.47%、1276.47%、647.68%。与废水灌溉后种植前相比，收获后除T1处理土壤真菌有所下降外，T2、T3、T4、T5、T6、T7处理土壤真菌显著增加，分别增加8.46%、53.69%、110.92%、44.65%、60.04%、21.26%；T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7土壤细菌显著降低，分别降低85.27%、75.08%、67.36%、74.12%、65.79%、59.79%、78.38%；放线菌显著增加，分别增加184.70%、9.99%、103.50%、140.47%、212.58%、247.99%、97.67%；微生物总量显著降低，分别下降82.89%、74.09%、65.56%、71.71%、63.23%、56.98%、76.63%。其中T5、T6处理细菌、放线菌和微生物总量最高，T4处理真菌最高，表明增施生物有机肥和增氧剂处理能够有效改善土壤微生物的生存环境，提高土壤微生物数量，从而更加有利于发挥土壤对废水的消纳、利用作用。
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表 4 马铃薯淀粉加工废水灌溉前后表层0 ~ 20 cm土壤微生物区系及其数量特征变化 Table 4 Soil microbial flora and population in topsoil (0-20 cm) before and after potato starch processing wastewater irrigation |
废水灌溉农田后，不同施肥处理对玉米生长发育影响显著(图 1)。两种供试玉米品种屯玉188和辽单565均表现出T6处理株高最高，T1处理株高最矮，两个品种各处理株高由高到低均为：T6 > T5 > T7 > T3 > T4 > T2 > T1，T1与其余各施肥处理之间差异显著。表明废水灌溉后仍然需要一定的肥料配施，且减化肥、增施生物有机肥和增氧剂对废水灌溉后的玉米生长影响效果最佳。
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(图中小写字母不同表示同一玉米品种不同处理间差异达P < 0.05显著水平，下图同) 图 1 不同施肥处理对玉米株高的影响 Fig. 1 Cron heights under different fertilization |
废水灌溉农田后，不同施肥处理对玉米地上生物量影响显著(图 2)，两种供试玉米品种屯玉188和辽单565，不同施肥处理之间差异显著，其中T6处理生物量最高，T1处理最低，生物量由高到低顺序为T6 > T5 > T7 > T3 > T4 > T2 > T1，相对于T1，各施肥处理分别增加71.49、50.34%，51.32、33.57%，39.71%、25.58%，37.94%、19.95%，25.27%、18.60% 和20.08%、16.23%。表明废水灌溉后仍然需要一定的肥料配施，且减化肥、增施生物有机肥和增氧剂处理玉米生物量最高。
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图 2 不同施肥处理对玉米地上生物量的影响 Fig. 2 Cron aboveground biomass under different fertilization |
最早开始废水处理的技术就是应用废水灌溉土地，究其原因主要是：①废水还田处理成本低，简单易行；②废水中含有丰富的营养元素，可当做“肥水”补充植物生长必需的养分，避免随意排放导致的环境污染和资源浪费问题；③利用废水灌溉解决水资源短缺的问题。废水灌溉能够提供植物生长必需的营养元素，提高土壤养分含量。Castro等[19]研究表明，城市污水灌溉草坪草通过增加土壤有机质和改善土壤物理性质促进植物养分吸收和增加产量。Krause等[20]研究表明，废水灌溉提高土壤导电率，增加土壤养分和微生物活性。同样地，马铃薯淀粉废水灌溉携带大量有机无机营养物质进入土壤，必然导致土壤养分的变化，且马铃薯淀粉加工废水相较于其他工业废水，由于其生产过程中没有任何化学物品的添加，不存在人们普遍关注的重金属污染的问题。宰松梅等[21]和黄爽等[22]研究指出，基于土地净化和肥水灌溉理论进行的灌溉还田处理以土地净化和肥水灌溉理论为基础的废水“还田模式”不失为解决马铃薯废水处理问题的有效途径。Marzec[23]研究认为马铃薯淀粉加工废水灌溉增加草地土壤养分，但是土壤养分不稳定，在灌溉8个月后出现显著下降。本试验也得出相似的结果，相比灌溉前，马铃薯淀粉加工废水灌溉农田极显著地增加土壤养分含量(P < 0.01)。灌溉后60 d种植前土壤表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾激增，分别增加68.65%、70.73%，95.47%、86.41%，434.60%、931.05% 和485.07%、580.31%。但是激增的土壤养分及其不稳定，不施肥或者常规施肥管理下，收获后仅以对照处理看，收获后与废水灌溉后种植前相比，收获后不施肥及常规施肥处理下表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤有机质极显著下降，分别降低30.54%、22.53% 和38.58%、20.71%；播种前灌溉后比收获后不施肥处理下表层0 ~ 20 cm和底层20 ~ 50 cm土壤碱解氮也均极显著下降，分别降低96.86%、97.91%；有效磷分别降低73.47%、21.24%，速效钾分别降低39.99%、35.00%。本研究鉴于以往研究过多重视肥效和环境效应研究，而对于配套的施肥管理措施研究不足的现状，通过开展不同施肥对废水灌溉土壤养分的影响研究，结果表明，从不同施肥处理差异来看，在优化施肥的基础上增施生物有机肥和增氧剂、施用缓释肥两种处理下土壤养分状况优于其他施肥处理，可有效调控大量有机物进入农田后营养物质的蓄存、转化、吸收过程，从而实现消除对土壤的不利影响，最大化发挥废水肥效作用的目的。由此可知，废水灌溉后的配套施肥管理措施，是保持土壤健康、废水养分高效利用的关键举措。今后尚需进一步加强废水灌溉后养分转化、吸收利用、迁移特征及其微生物过程、土壤物理性质等方面的研究。
废水灌溉农田带入大量的碳、氮有机物质，为促进微生物的迅速生长和繁殖提供了可利用的碳源、氮源，同时土壤微生物又是促进有机物质分解、养分循环的主要源动力。郭晓明等[24]提出污水中的营养物质输入土壤后引发微生物活性提高的“激发效应”；白璐等[25]利用废水灌溉修复盐碱土研究表明，造纸废水灌溉增加土壤微生物量，尤其是增加了放线菌在微生物总量中所占的比重。商冉等[26]人利用啤酒废水与清水的不同比例灌溉盆栽小麦和玉米发现：随着污水浓度的不断增大，细菌、放线菌、好气性纤维素分解菌、硝酸菌、亚硝酸菌、自生固氮菌等的数量均呈先增加后减少的变化规律。本试验结果表明，马铃薯淀粉加工废水灌溉对土壤微生物区系及其数量特征具有极显著影响。与废水灌溉前相比，灌溉后种植前表层0 ~ 20 cm土壤真菌、细菌和放线菌分别增加10倍、50倍和1.5倍，微生物总量增加34倍。但是这种废水灌溉导致的土壤微生物量激增极其不稳定，尚需配套的施肥技术对微生物量的平衡稳定进行调控。在经过一季作物种植后，不施肥处理下土壤真菌、细菌分别下降0.8%、85.27%，放线菌增加184.70%，微生物总量下降82.89%。收获后增施有机肥处理和增施有机肥+增氧剂两个处理细菌、放线菌和微生物总量最高，增施增氧剂处理真菌最高，表明增施生物有机肥和增氧剂处理能够有效补充废水耗费土壤中的氧气，改善土壤微生物的生存环境，提高土壤微生物数量，从而更加有利于发挥土壤对废水有机物的消纳、利用。
废水灌溉通过增加土壤养分、微生物特征，从而对作物生长和产量具有明显的促进作用。Daneshvar等[27]、夏伟立等[28]和齐志明等[290]通过城市废水灌溉玉米、草坪草研究发现，废水灌溉促进草坪草的生长。方海军等[7]通过在固原市定位3a马铃薯淀粉加工废水灌溉试验表明，废水灌溉农田后，促进作物生长，增加作物产量。本试验研究表明，两种供试玉米品种屯玉188和辽单565株高均在70%常规施肥+生物有机肥+增氧剂处理下最高，不施肥处理株高最矮，地上生物量分别比对照增产71.49% 和50.34%。表明废水灌溉后仍然需要一定的肥料配施，且减化肥、增施生物有机肥和增氧剂对废水灌溉后的玉米生长影响效果最佳。
综上所述，马铃薯淀粉加工废水具有较高的营养成分，可以当作污水灌溉的一种资源进行农田利用。但是，单纯的废水灌溉带入的肥效不稳定，容易出现脱肥造成减产。因此，废水灌溉农田要有配套的合理施肥管理策略，从而保证废水灌溉农田的土壤养分平衡稳定，增加土壤微生物活性，促进作物生长发育。本试验结果表明，减施化肥、增施生物有机肥和配施增氧剂对于玉米的生长发育和生物量均具有显著效果。为进一步摸清废水灌溉对土壤养分的影响机理与农田环境质量“预警”研究，尚需进一步开展不同施肥条件下土壤对不同浓度灌溉废水有机物质的消纳、转化能力及其分解途径的研究。
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2. Agricultural College, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;
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