甜菜冲洗废水灌溉对土壤化学性质的影响

张颖，李鑫

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

甜菜冲洗废水灌溉对土壤化学性质的影响

张颖，李鑫

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

研究评价甜菜冲洗废水经氧化塘越冬贮存后灌溉对土壤的安全效应。结果表明，同井水灌溉及灌前相比，废水灌溉使0～20 cm土层pH值有所降低，速效养分含量显著增加，有利于改善土壤品质，促进作物生长。废水灌溉下整体土壤剖面未产生次生盐渍化风险。相关性分析表明，废水灌溉下阳离子交换量与土壤速效养分呈极显著相关（P＜0.01）。通过甜菜冲洗废水灌溉对土壤化学性质研究，表明水资源利用既能有效缓解农业灌溉缺水问题，又能提高土壤肥力。

甜菜冲洗废水；灌溉；速效养分;次生盐渍化

水资源循环利用是实现可持续发展的重要保障[1-2]。农业生产缺水导致多数地区直接采用工业、生活排放的废（污）水进行灌溉[3]，但传统的废水中有毒、有害成分含量相对较高，易使土壤受到重金属及病原微生物污染，土壤品质下降[4-6]。

食品加工行业排出废水中通常含有氮磷钾等作物生长必须元素，由于生产及安全卫生规范的制约，最终排水不含重金属以及病源微生物等有毒有害物质。国外利用此种废水灌溉农田有成功案例。美国Morstarch工厂于1995年起利用淀粉加工废水对牧草草场及苜蓿进行回用，至今未见其对植物及土壤出现任何不良影响[7]。日本对马铃薯加工汁水进行农田灌溉，经两年灌溉土壤0～30 cm土层碱解氮、速效磷、速效钾含量较灌前分别增加26.28、7.09、8.64 mg·kg-1[8]。而目前国内对于食品加工行业废水土地利用研究相对较少。

本文针对黑龙江省独特的地理条件、气候条件及土壤状况，选取大豆地土壤为测试对象，研究甜菜冲洗废水经氧化塘越冬贮存后灌溉对土壤化学性质影响，为制定废水土地利用安全性评价及控制方案提供理论依据。

1 试验区概况

1.1 采样点位置

试验区位于黑龙江省东部三江平原腹地，位于松花江流域（东经131°38′45.31″，北纬46°42′19.93″）。东侧与双鸭山市交界，西侧与佳木斯市接壤。

1.2 气象条件

试验区地处中高纬度，气候类型属寒温带大陆性季风气候。四季气候特征较为分明：春季风多，雨量稀少；夏季日照时数较长，气温较高，降雨密集；秋季受东南季风影响，降温明显；冬季受蒙古高压控制的极地大陆气团影响，气候严寒、干燥。

主要气象资料如下：最高气温为37℃，最低气温达到-39℃，年平均气温2.3℃；年平均降水量500 mm，最大降水量为700 mm；无霜期为120～130 d；最大积雪密度为0.29 g·cm-3；冻土最大深度为2.2 m；年日照时数为2 276.9 h。

2 材料与方法

2.1 试验设计

甜菜冲洗废水（以下简称废水，简写为SBRW）排放到距工厂5 km之外氧化塘中，经越冬贮存后，于次年在作物生长季节按作物生长需水量进行投配，灌溉试验共3年（2009～2011）。每年灌溉3个月（5～7月），平均每月废水灌溉量933 m3·hm-2，8月份降雨量充足，故不进行灌溉。供试大豆品种为垦鉴23。每年依据当地气候条件在4月末或5月初在播种，施入底肥种类及用量如下：CO（NH2）250 kg·hm-2，（NH4）2HPO480 kg·hm-2及K2SO425 kg·hm-2。大豆在生长过程不再人为投加其他肥料。井水（图中简写为WW）灌区水源取自当地地下水，水量施用强度及底肥施用量与废水灌区完全一致。废水及井水水质指标如表1所示。

表1 甜菜冲洗废水及井水水质Table 1 Characteristics of SBRW and WW

2.2 土样采集

分别于废水灌溉前（2009年5月初）及灌溉后作物收获期（2011年9月初）对废水灌区土壤样品（土壤种类为粉质粘土）进行采集。收获期同时采集井水灌区的土壤样品以作参比对照。对每个灌区随机选取5个土壤采样点，按如下方式采集：0～20 cm每5 cm采样，20～60 cm每10 cm采样，并对不同采样点同一土层土壤剖面样品进行充分混合。

2.3 测定项目与方法

土样经自然风干后，经充分研磨，过1 mm筛并除去肉眼可见的植物体残根。土样分析检测方法参照鲍士旦方法[9]，具体指标检测方法如下：pH值及EC采用土水比1∶5浸提液法（10 g土壤样品中加入50 mL去离子水），分别使用酸度计及电导率仪测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用Olsen法（用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提土样）测定；速效钾、交换性钠采用火焰光度法测定。

2.4 试验仪器

紫外分光光度仪（UV-1800,岛津公司）、水浴锅（HH-1，江苏环宇）、火焰光度计（FP640，上海洪纪）、电子天平（TE124S，常州诺基）、电导率仪（DDS-307A，上海楚柏）、精密pH计（PHS-3C，上海虹益）、低温离心机（LD5-2A，北京医用）、全温振荡培养箱（HZQ-F160，哈尔滨东联）等。

2.5 数据统计及分析

试验所得数据全部经统计学分析，不同处理之间采用最小显著差异（LSD）。利用Sigmaplot 11.0软件对数据绘图。采用Microsoft Word 2003以及Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理，统计部分应用SPSS 13.0软件进行分析。

3 结果与分析

3.1 废水灌溉对土壤pH值的影响

经废水灌溉后，土壤pH随土层加深大体呈现缓慢增加趋势。在0～20 cm土层，pH较灌前及井水灌区略有降低。由氧化塘水质监测发现，pH呈酸性，随着灌溉进行，废水中的酸性物质及相应菌群不断进入土壤中。土壤pH呈弱碱性，与废水进行酸碱中和，使土壤pH降低。由于灌溉强度有限，土壤自身又具有较强缓冲能力[10]，因此废水灌溉未明显降低土壤pH，也未对20 cm以下土层土壤pH产生影响。

3.2 废水灌溉对土壤速效养分的影响

3.2.1 废水灌溉对土壤碱解氮的影响

结果见图2。

图2 废水灌区灌溉前及灌溉后对井水灌区土壤剖面碱解氮含量影响Fig.2 Content of alkali-hydrolyzable nitrogen（AN）in soil profile with pre-irrigation,SBRW irrigation and WW irrigation

不同灌溉处理条件下土壤碱解氮含量均呈现随深度增加而逐渐下降趋势。废水灌溉后，碱解氮含量较井水灌区及灌前均有一定程度增加。从整体土壤剖面含量分布情况分析，0～20 cm土层废水灌区碱解氮含量有明显增加，与灌前含量（138.3 mg·kg-1）及井水灌区含量（140.3 mg·kg-1）相比，分别增加14.9%与13.3%。显著性分析结果表明废水灌区土壤碱解氮含量与灌前及井水灌区土壤相比差异均达到极显著性水平（P＜0.01）。土壤碱解氮含量的增加有益于作物对无机氮素的吸收，利于作物生长。20～30 cm土层碱·解氮含量也较灌前略有增加，但增加幅度不及0～20 cm土层明显。40～60 cm土层不同灌溉处理较灌前增加不明显，显著性分析结果显示不同灌溉处理间无显著性差异。

3.2.2 废水灌溉对土壤速效磷的影响

结果见图3。

不同灌溉处理土壤速效磷含量随深度的加深呈现逐渐下降趋势。经废水灌溉，0～20 cm土层速效磷含量均较灌前及井水灌区有一定幅度的提升（分别为12.5%及10.4%）。经统计学分析，废水灌区速效磷含量与井水灌区及灌前相比存在极显著性差异（P＜0.01）。速效磷含量增加有利于促进作物生长发育，改善土壤肥力。磷素在适宜范围内累积对作物生长影响具有积极意义。细胞质及细胞核的主要构成成分是磷脂，其在糖类代谢、脂肪代谢和蛋白质代谢过程中起到极为重要作用。当磷素相对缺乏时，蛋白合成会受到严重阻碍，影响细胞分裂，最终导致作物生长相对滞后，表现为植株矮小，作物开花期及成熟期将会向后推迟，产量下降[11]。20～60 cm土层经废水灌溉，速效磷含量并无明显增加。

模板质量控制之二就是要求侧面模板的强度、刚度和稳定性符合浇筑时对模板产生的侧向压力，保证混凝土成型后不产生位移变形。为此，首先在技术方面，使用全站仪对模板进行中线、边线初始定位；侧模板架设完成后，测量员对侧面模板进行定位复核；在发现误差时，采用调整模板外侧支撑和对拉螺栓的方法进行模板校正，模板上口拉线检查，垂直度用吊垂线检查。其次在材料方面，每仓侧面模板采用10 mm木模板；模板外侧使用48.3 mm×3.6 mm（直径×壁厚）钢管、500 mm×100 mm×2 m木枋支撑，模板内侧使用直径8 mm对拉螺栓与外侧钢管配合进行加固。

图3 废水灌区灌溉前及灌溉后对井水灌区土壤剖面速效磷含量影响Fig.3 Content of available phosphorus（AP）in soil profile with pre-irrigation,SBRW irrigation and WW irrigation

3.2.3 废水灌溉对土壤速效钾的影响

结果见图4。

图4 废水灌区灌溉前及灌溉后对井水灌区土壤剖面速效钾含量影响Fig.4 Content of available potassium（AK）in soil profile with pre-irrigation,SBRW irrigation and WW irrigation

同井水灌区及灌前相比，经废水灌溉土壤中速效钾含量均有一定水平提高。0～20 cm土层含量增幅较大，差异均达极显著性水平（P＜0.01）。钾素的增加也有利于改善土壤供钾能力，有利于植物对叶绿素的有效合成，激发酶在植物体内的活化作用。废水灌区20～60 cm土层速效钾含量较灌前及井水灌区略有增加，但不及0～20 cm增幅明显。由于本试验的喷灌设备灌溉均匀度高，试验地平整度相对较好，因此不会出现大水漫灌现象，故20 cm以下土壤受废水影响较小。速效钾含量的增加有助于提高土壤肥力，进而提高大豆品质及产量。

3.3 废水灌溉对土壤次生盐渍化的影响

由于废水中所含的水溶性离子较多，盐分含量较井水高，考虑废水灌溉后的安全性，需要对灌后土壤进行分析，以评价是否对土壤产生次生盐渍化风险。目前，世界上广泛使用两项重要指标（盐害和碱害）对水质灌溉进行评价。盐害以含盐量（矿化度）或电导率（EC）为标准，碱害多以碱化度（ESP）或钠吸附比（SAR）为指标[12]进行测定。本研究选取EC和ESP两项分析指标对废水灌溉后土壤的次生盐渍化风险进行安全性评价。

3.3.1 废水灌溉对土壤EC的影响

结果见图5。

图5 废水灌区灌溉前及灌溉后与井水灌区土壤剖面ECFig.5 EC in soil profile with pre-irrigation, SBRW irrigation and WW irrigation

废水灌区土壤EC仅在0～10 cm土层较灌前及井水灌区略有增加，30 cm以上土层未出现盐分积累。30 cm以下土层，土壤EC较灌前有所上升，但与井水灌区差别不大。废水灌区0～10 cm土层EC较灌前及井水灌区相同土层略有增加，同时高于该灌区10～20 cm土层，原因如下：①土壤自身含盐量较低，废水存在一定盐分，施加到土壤中，由于土壤具有较强吸附及拦截能力，使得该土层含盐量稍有增加；②土壤对离子吸收存在一个先饱和再释放的过程，即当表层土壤对施入其中的盐分离子吸收达到盐基饱和最大量时，多余的离子才会表现出向下迁移的趋势[13]。30 cm以下土层盐分迁移趋势不明显，说明废水灌溉未对该区域土层造成盐分积累。

3.3.2 废水灌溉对土壤碱化度的影响

碱化度（ESP）是判定土壤碱化程度主要指标之一[12]。经废水灌溉后试验田各层土壤的ESP见表2。

表2结果显示，废水灌溉后大豆地各层土壤中ESP最高值在50～60 cm土层，为2.65%。中国科学院南京土壤研究所对土壤碱化分级制定了相应标准[12]，该标准说明ESP＜5%属非碱化土，本试验结果显示各土层均远低于此标准临界值，说明废水灌溉未对土壤产生潜在碱化风险。

表2 废水灌溉对土壤ESP的影响Table 2 Effect of SBRW irrigation on soil ESP

3.4 废水灌溉后土壤化学性质之间的相关性

将废水灌溉后不同土层的pH、EC、速效养分、交换性钠、阳离子交换量（CEC）及ESP进行相关性分析，结果如表3所示。

表3 土壤化学性质之间的相关系数Table 3 Correlation coefficient for variables of soil chemical properties with SBRW irrigation

表3结果表明，废水灌溉后土壤中速效养分与CEC呈极显著正相关（P＜0.01）。CEC的高低可作为评价土壤保肥能力关键指标，是土壤缓冲性能主要来源，废水灌溉能有效提高土壤养分含量。两者可共同表征废水灌溉条件下土壤肥力特征。

3.5 废水灌溉后土壤化学性质的主成分分析

主成分分析也可称作主组元分析[14-15]，是多元统计学方法，为更直观评价土壤质量，选取易检测的、可检验的、敏感的、与环境变化影响和土壤管理有密切联系的变量作为主成分[16]。本研究采用主成分分析法评价废水灌区土壤整体化学性质的改变。该方法认为特征值大主成分及其所含相应变量能较好反映该成分及变量对整个系统的贡献程度，故要选择特征值＞1的主成分进行相应分析[16]。为对主成分解释更为合理，更为便捷，本研究将利用4次最大正交旋转化方法对初始变量负荷矩阵进行转化，以使各个变量的负荷矩阵向0～1两极分化[16]。结果如表4所示。

表4 废水灌溉后土壤化学性质各主成分的负荷量Table 4 Loadings of principal component analysis（PCA）of soil chemical properties with SBRW irrigation

由表4可知，废水灌溉条件下土壤化学性质第一个主成分Z1的特征值为5.956，对总方差的贡献率为74.44%。第一主成分Z1中土壤速效养分（碱解氮、速效磷、速效钾）及CEC特征向量的贡献量较大，由表3相关性分析可以看出，4种指标间相关性程度均达到极显著性水平（P＜0.01）。第二个主成分Z2的特征值为1.428，对总方差的贡献率达到17.85%，其中ESP为主要影响因子。此分析结果可以说明，经废水灌溉土壤各层化学性质出现变化，首先发生变化的是土壤碱解氮、速效磷、速效钾及CEC，其次是土壤ESP。累计贡献率表明Z1及Z2两种主成分反映了全部信息的92.29%，较为真实且全面地说明废水灌溉后土壤肥力程度与安全性状。其中第一主成分Z1对总方差贡献率要远超过第二主成分Z2，这一结果表明废水灌溉条件下土壤养分肥力的变化较土壤碱化度的变化明显，有利于提升土壤营养水平。

3.6 废水灌溉对作物产量及经济效益的影响

灌溉后农田大豆平均产量及收益情况见表5。废水灌溉后农田大豆平均产量为2 550 kg·hm-2，比井水灌区增产120 kg·hm-2，增幅为4.94%，作物生长良好，发育未见异常。废水灌区灌溉面积为130 hm2，按市场价格3.5元·kg-1进行计算，产量增加使收益增加54 600元。

表5 灌溉后大豆产量及收益Table 5 Yield and income of soybean with irrigation

4 讨论

甜菜冲洗废水灌溉降低土壤pH，有效提高土壤中速效养分含量，改善土壤品质，促进作物产量形成，结论与Xu等研究[17]一致。制糖前甜菜块茎需经冲洗压榨等预处理过程，块根糖浆泥土等物质进入洗涤水中，使此种废水富含较多的糖类有机物及氮磷钾等营养元素。与传统工业废水外排直接用于灌溉不同，甜菜冲洗废水经氧化塘越冬储存，此过程中产酸菌分解糖类、蛋白质等营养物质并形成酸性化合物，将有机质分解成CO2和有机酸。废水灌溉将菌群、酸性物质及氮磷钾等养分带入土壤中，降低土壤pH，使其处在作物生长适宜范围内，提升土壤养分水平。此类废水的应用符合循环经济的要求，对于减少废水外排，降低治理成本及提高土壤质量具有重要意义。甜菜生长到生产预处理环节均未接触任何有毒有害的重金属及致病菌等物质，故不具有生物学意义上的毒性，因此该废水较之传统工业废水灌溉对土壤及作物安全性方面表现出明显优势。

土壤化学性质间相关性分析结果表明，废水灌溉后土壤速效养分与CEC呈现出极显著相关性（P＜0.01），此结果与Brady等研究相一致[18]，表明废水灌溉对土壤肥效提升具有重要意义。结果显示CEC与pH呈现负线性相关性（P＜0.05），此结论与Brady等研究结果并不相同。存在原因是：①废水中有机物质影响土壤中CEC，抵消pH产生的影响；②不同研究所选取土壤种类、灌溉年限、强度及方式不同。此原因需进行深入研究。

本试验着重研究甜菜冲洗废水灌溉对土壤化学性质影响，表明废水灌溉对土壤肥力、作物产量等方面提升具有重要意义，同时未对土壤造成盐碱化影响。今后需将研究重心放在废水灌溉下土壤酶活性、微生物组成及其特性、物理特性以及作物生长过程品质等方面，同时需对长期废水灌溉条件下土壤品质、作物产量及地下水水质量安全等方面做深入探讨，对甜菜冲洗废水土地利用的安全响应进行全面分析与评价。

5 结论

a.与井水灌溉及灌前相比，甜菜冲洗废水灌溉对0～20 cm土层pH值有降低作用，20 cm以下土层pH值没有明显变化。土壤速效养分含量均有相应程度提高，其中在0～20 cm土层显著增加。

b.废水灌溉使得0～10 cm土层EC略有升高，整体土壤剖面未表现出盐分积累趋势；土壤各层ESP均远低于土壤碱化临界值（5%）。废水灌溉对土壤形成潜在盐碱化风险概率较低，长期灌溉条件下需进一步监测分析。

c.相关性分析表明，废水灌区土壤速效养分及CEC存在极显著相关性，说明废水灌溉能明显改善土壤肥力。主成分分析结果显示，废水灌溉显著提升土壤肥力程度，出现次生盐渍化风险几率较低。

d.甜菜冲洗废水农田灌溉可有效提高产量，增加经济效益。作为经济环保“液体肥”，可为废水资源化利用开辟新途径。

[1]于洪贤,孙家言,覃雪波.黑龙江省水资源现状与可持续利用对策研究[J].东北农业大学学报,2006,37(3):427-432.

[2]徐亚幸,郑政伟,辛国荣,等.制糖工业废水处理后的灌溉生态效应[J].中山大学学报,2003,42(6):78-82.

[3]Thomas V G,Cristina Forti M,Lucas Y,et al.Soil solution chem⁃istry of a brazilian oxisol irrigated with treated sewage effluent[J]. Agricultural Water Management,2007,88(1-3):119-131.

[4]Wang J F,Wang G X,Wang Y H.Treated wastewater irrigation ef⁃ fect on soil,crop and environment:Wastewater recycling in the loess area of China[J].Journal of Environment Science,2007,19: 1093-1099.

[5]Masoud T,Azadeh S.Long-term impact of municipal sewage irri⁃gation on treated soil and black locust trees in a semi-arid subur⁃ban area of Iran[J].Journal of Environmental Sciences,2009,10: 1438-1445.

[6]Chary N S,Kamala C T,Raj D S S.Assessing risk of heavy metals from consuming food grown on sewage irrigated soils and food chain transfer[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2008: 69(3):513-524.

[7]Toze S.Reuse of effluent water-benefits and risks[J].Agricultural Water Management,2006,80:147-159.

[8]Travis M J,Wiel-Shafran A,Weisbrod N,et al.Greywater reuse for irrigation:Effect on soil properties[J].Science of the Total En⁃vironment,2010,408:2501-2508.

[9]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000: 100-162.

[10]杨林林,杨培岭,任树梅,等.再生水灌溉对土壤理化性质影响的试验研究[J].水土保持学报,2006,20(2):82-85.

[11]杨林林,杨培岭,任树梅,等.再生水灌溉对土壤理化性质影响的试验研究[J].水土保持学报,2006,20(2):82-85.

[12]焦志华.再生水灌溉对植物生长及土壤微生物生态系统的影响研究[D].北京:中国矿业大学,2010:3-8.

[13]刘述强.土壤水分空间变异性的研究[J].东北农业大学学报, 2008,39(8):122-126.

[14]裴鑫德.多元统计分析及其应用[M].北京:北京农业大学出版社,1991:50-54.

[15]夏建国,李廷轩,邓良基,等.主成分分析法在耕地质量评价中的应用[J].西南农业学报,2000,13(2):51-55.

[16]郭笃发,王秋兵.主成分分析法对土壤养分与小麦产量关系的研究[J].土壤学报,2005,42(3):523-527.

[17]Xu J,Wub L S,Chang Andrew C,Zhang Y.Impact of long-term reclaimed wastewater irrigation on agricultural soils:A prelimi⁃nary assessment[J].Journal of Hazardous Materials,2010,183: 780-786.

[18]Brady N C,Weil R R.The nature and properties of soils[M].13th ed.New Jersey:Prentice-Hall Inc,2002:124-135.

Effect of irrigation with sugar beet rinse water on soil chemical proper⁃ties/

ZHANG Ying,LI Xin(School of Resource and Environmental Sciences,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

Study mainly focused on the current situation that irrigation with oxidation pond treatment sugar beet rinse water(SBRW)and evaluated effect of irrigation on soil safety.After irrigation,compared with pre-irrigation and well water(WW)irrigation area,the pH value declined at SBRW irrigation area and the available nutrient contents were improved at the depth of 0-20 cm.SBRW,which was characterized by high salinity,could not cause soil emerge the risk of secondary salinization.Correlation analysis results indicated that there were significant(P＜0.01)relations between CEC and soil available nutrients in SBRW irrigation area.Through studying on chemical properties of soil irrigated with SBRW,the results showed that it could not only ease water shortage problem effectively,but also improve on soil fertility as a special"liquid fertilizer".The research played a significant and further role in land application with SBRW.

sugar beet rinse water;irrigation;available nutrient;secondary salinization

S151.9

A

1005-9369（2014）06-0038-07

时间 2014-6-11 16:04:06 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140611.1604.002.html

张颖,李鑫.甜菜冲洗废水灌溉对土壤化学性质的影响[J].东北农业大学学报,2014,45(6):38-44.

Zhang Ying,Li Xin.Effect of irrigation with sugar beet rinse water on soil chemical properties[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(6):38-44.(in Chinese with English abstract)

2012-03-12

黑龙江省高校创新团队建设计划项目（2013TD003）；哈尔滨市科技创新人才研究专项基金（2012RFXXN013）；黑龙江省科技攻关项目（GC12C20）

张颖（1972-），女，教授，博士，博士生导师，研究方向为土壤修复及农田节水灌溉研究。E-mail:zhangyinghr@hotmail.com