长期施用马铃薯淀粉加工废水后土壤的氮磷累积与分配特征

2021-05-31赵博超窦广玉王雪婷苑喜男朱克松王天宁潘涔轩

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2021年5期

赵博超，窦广玉，王雪婷，苑喜男，朱克松，刘刚，王天宁，潘涔轩

(1 中国环境科学研究院，北京 100012；2 中国科学院兰州化学物理研究所,甘肃兰州 730000；3 宁夏农林科学院，宁夏银川 750000)

农业是人类衣食之源、生存之本。但是近年来，农业面源污染成为环境污染的重要来源，污染贡献率逐年增加，已成为制约农业可持续发展和实现农村现代化的主要瓶颈。氮磷淋失作为农业面源污染的一种重要形式，越来越受到国内外学者的关注。研究表明，化肥的不合理投入是造成氮磷淋失污染的主要原因[1-3]。此外，肥料品类也是影响氮磷淋失规律的主要因素[4-6]。有研究表明，施用有机肥或有机肥与化肥配施，可以显著降低农田中的氮磷淋失量[7-10]，同时改善土壤结构，增加土壤生物量，协调土壤中的水、肥、气、热，提高土壤肥力[11-13]；但过量施用同样存在土壤氮、磷淋失，以及随地表径流污染地表水和地下水的环境风险[14-16]。

马铃薯淀粉加工废水产生于马铃薯原料清洗过程、马铃薯淀粉与细胞汁水分离过程及清洗过程，是一种富含小颗粒淀粉、多糖、蛋白、磷、钾等的有机废水[17]。美国加州食品加工商联盟2006年出版的《食品加工/冲洗用水的土地处理操作手册》(Manual of Good Practice for Land Application of Food Processing/Rinse Water)(第二版)中，详细说明了马铃薯淀粉加工废水等食品加工废水的土地利用与监管细则，经过多年监测尚未发现对土壤、农作物及环境有不良影响。在我国西北、华北的部分马铃薯淀粉主产区，马铃薯淀粉加工废水常被作为肥料长期大量还田施用，但其施用方式及施用量与美国有很大区别。国内对于马铃薯淀粉加工废水还田利用的相关研究较少[18]，尤其是长期大量施用马铃薯淀粉加工废水对土壤氮磷累积与淋失的影响尚未见报道。为此，本研究采集宁夏固原市某马铃薯淀粉企业流转农田(已连续施用马铃薯淀粉加工废水8年)的土壤样本，研究长期大量施用该废水对农田土壤氮、磷累积及淋失的影响，以期为马铃薯淀粉加工废水的科学还田提供指导。

1 材料与方法

1.1 马铃薯淀粉加工废水还田地块的基本情况

马铃薯淀粉加工废水还田地块为宁夏回族自治区固原市原州区某马铃薯淀粉加工企业的流转农田。当地地貌属于半湿润、半干旱黄土高原，海拔1 870 m，年平均降水量300～550 mm，年平均蒸发量1 200～1 800 mm，土壤为黑垆土，土壤体积质量1.37～1.48 g/cm3，土层深厚，地势平坦。该企业自2010年开始向该农田施用马铃薯淀粉加工废水，每年在马铃薯淀粉生产结束后(11-12月)，采用畦灌将马铃薯淀粉加工废水施用于作物收获后的空闲农田，于当年12月底前施用完成，施用量约3 000 m3/hm2，至采样时该地块已连续施用马铃薯淀粉加工废水8年。施用马铃薯淀粉加工废水后的农田翌年种植青贮玉米、马铃薯等作物，种植时不再施用化肥或其他有机肥。

对照地块不施用马铃薯淀粉加工废水和有机肥，常规施肥，根据作物需求施用尿素、过磷酸钙、硫酸钾等氮、磷、钾化肥。对照地块与还田地块直线距离约50 m，主要种植青贮玉米、马铃薯等作物，还田地块与对照地块均无灌溉设施。

1.2 样品采集与处理

在还田地块和对照地块按照梅花点法分别设置9个采样点(相距30 m)，用挖掘机挖出1 m×1 m×3 m的采样剖面，分别采集0～20，40～60，80～100，100～150，200～250 cm土层的土壤样品，每个样品量不少于0.5 kg，将同一深度剖面的每3个采样点样品混合均匀，用自封袋封存，作为待检测样品。

1.3 分析指标及其检测方法

1.4 数据处理

试验数据用“平均值±标准误(mean±SD)”表示。利用Microsoft Excel 2019 软件、SPSS 21.0 数据分析软件进行试验数据的计算和统计检验，采用Origin 9.0绘图，采用最小显著性差异法分析不同处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 还田地块和对照地块全氮、全磷及有机碳的年投入量

经检测,还田地块长期施用的马铃薯淀粉加工废水pH为6.72～7.43，近中性；总有机碳4.68 g/L，全氮941 mg/L，全磷103 mg/L，具有一定的肥力。根据还田地块马铃薯淀粉加工废水施用量及其成分计算，还田地块随马铃薯淀粉加工废水施入的总有机碳、全氮、全磷总量和对照地块的化肥全氮、全磷施用总量见表1。从表1可知，还田地块氮、磷投入总量远远超过对照地块，分别为对照地块的10.8和4.1倍。此外，还田地块随马铃薯淀粉加工废水施入的总有机碳为14.04 t/hm2，而对照地块不施入有机碳(有机质)。

表1 马铃薯淀粉加工废水还田地块和对照地块全氮、全磷、总有机碳的年均施用量Table 1 Annual amounts of total N,P and C in potato starch processing wastewater application farmland and non-application farmland

2.2 还田地块和对照地块土壤水解氮的累积特性

土壤水解氮为土壤中作物生长所需的生物有效性氮源。由表2可知，还田地块0～250 cm土层土壤水解氮含量为48.9～140.0 mg/kg，对照地块为10.8～73.2 mg/kg，还田地块各层土壤中水解氮含量均极显著高于对照地块。与对照地块相比，还田地块各层土壤水解氮含量的增幅自耕作层向下呈增加趋势。还田地块每年施用大量(3 000 m3/hm2)马铃薯淀粉加工废水，废水中的氮随废水向下入渗，大幅提高了还田地块各层土壤的水解氮含量。本研究中，还田地块和对照地块土壤水解氮含量在各剖面土壤中的变化情况基本相同，均随剖面深度增加呈近似线性下降趋势。在200～250 cm土层，对照地块中水解氮含量已下降到10.8 mg/kg，降幅为85.24%;但还田地块中水解氮含量仍有48.9 mg/kg，降幅为65.07%，表明马铃薯淀粉加工废水经过多年施用已渗入至农田250 cm土层以下。

表2 马铃薯淀粉加工废水还田地块和对照地块土壤的水解氮含量Table 2 Content of hydrolyzed nitrogen in potato starch processing wastewater application and non-application farmlands

2.3 还田地块和对照地块土壤硝态氮的累积特性

硝态氮为土壤中供作物生长所需的速效氮源。由表3可知，还田地块0～250 cm土层土壤硝态氮含量为37.6～53.0 mg/kg，对照地块为1.82～7.34 mg/kg，还田地块各层土壤硝态氮含量均极显著高于对照地块，但相较于对照地块的增幅自耕作层以下基本保持不变。

表3 马铃薯淀粉加工废水还田地块和对照地块土壤的硝态氮含量Table 3 Content of nitrate in potato starch processing wastewater application and non-application farmland

土壤各层硝态氮含量与氮肥种类、施用量、降水和灌溉有很大关系。由表3可知，还田地块和对照地块各剖面土壤中硝态氮含量的变化情况略有不同，对照地块土壤硝态氮含量自表层的7.34 mg/kg向下急剧下降至40～60 cm土层的1.96 mg/kg，之后缓慢下降，至200～250 cm土层，硝态氮含量为1.82 mg/kg，相比表层硝态氮含量下降幅度达到75.20%。还田地块土壤硝态氮含量自耕作层向下缓慢下降，至200～250 cm土层硝态氮含量仍达37.6 mg/kg，相比表层土壤硝态氮含量下降幅度仅有29.06%。宁夏固原市降水较少，研究地块无灌溉系统，导致由降雨及灌溉引起的硝态氮向下淋滤作用较小。对照地块只施用无机化肥，施到表层的氮肥(硝态氮)基本不会向下淋滤，故自表层向下硝态氮含量急剧降低。还田地块马铃薯淀粉加工废水施入对土壤硝态氮产生的影响可深至250 cm土层以下，废水中的有机态氮在土壤微生物作用下转化为无机态氮(硝态氮)，故自耕作层向下硝态氮含量缓慢降低，这与还田地块各层土壤硝态氮含量较对照地块增加幅度(倍数)的变化趋势一致。

2.4 还田地块和对照地块土壤有效磷的累积特性

还田地块和对照地块农田土壤不同土层的有效磷累积量见表4。由表4可知，还田地块0～250 cm土层土壤有效磷含量为0.8～35.4 mg/kg，对照地块为0.2～22.2 mg/kg，还田地块各层土壤有效磷含量均极显著高于对照地块。

表4 马铃薯淀粉加工废水还田地块和对照地块土壤的有效磷含量Table 4 Content of available phosphorus in potato starch processing wastewater application and non-application farmland

由表4还可知，还田地块和对照地块各剖面土壤中有效磷含量变化情况与硝态氮变化情况相似。对照地块土壤有效磷含量自表层的22.2 mg/kg急剧下降至40～60 cm土层的1.1 mg/kg(降低95%), 然后再缓慢下降；至200～250 cm土层，对照地块有效磷含量仅为0.2 mg/kg，相比表层有效磷含量下降幅度达到99.10%。还田地块土壤有效磷含量下降趋势则相对平缓，但至200～250 cm土层，还田地块中有效磷含量也降至0.8 mg/kg，相比表层土壤有效磷含量下降幅度达到97.74%，与对照地块土壤有效磷含量的降幅相当。

3 讨论

3.1 马铃薯淀粉加工废水施用与作物产量

水、肥是农业生产的关键要素，在农田空闲期或播种前进行灌溉，可以起到蓄水保墒的作用。各省根据当地气候条件制定了相应的灌溉定额，宁夏回族自治区在农田空闲期或播种前的灌溉定额(畦灌)一般为1 050 m3/hm2。据统计，2016年全国平均氮肥、磷肥的施用量分别为138.64 和49.81 kg/hm2[19]。还田地块马铃薯淀粉加工废水的施用量平均约3 000 m3/hm2，远远超过当地的灌水定额，而随废水平均施用量所带入的全氮约2 823 kg/hm2、全磷(以P2O5计)约708 kg/hm2，同样远远超过作物对氮、磷的需求量及全国平均氮肥、磷肥投入量。这主要是因为马铃薯淀粉加工废水是企业生产原淀粉过程中产生的废水，对企业无其他价值，且废水还田过程几乎没有成本，导致废水施用量没有约束。

经调研，2016、2017和2018年废水还田地块青贮玉米产量较对照地块分别增加6.85%(还田地块54.6 t/hm2，对照地块51.1 t/hm2)，6.17%(还田地块48.2 t/hm2，对照地块45.4 t/hm2)和9.55%(还田地块58.5 t/hm2，对照地块53.4 t/hm2)，平均增加7.52%。这说明农田连续多年施用马铃薯淀粉加工废水后青贮玉米产量略有增加，而且在保证作物产量的前提下，废水还田可以实现减施(不施)化肥的效果。按对照地块化肥施用标准计算，马铃薯淀粉加工废水还田后每公顷可减施氮肥(尿素，N含量46.4%)564 kg，磷肥(过磷酸钙，有效P2O5含量16%)1 075.5 kg。但同时也应注意，当地过量施用马铃薯淀粉加工废水以及畦灌的施用方式，不但造成氮、磷养分的严重浪费，还会增加氮、磷淋失的环境污染风险，因此应根据马铃薯淀粉加工废水的成分特点，结合《测土配方施肥技术规范》，综合确定马铃薯淀粉加工废水及其他肥料的施用方案。

3.2 水肥施用与土壤氮磷淋失风险

硝态氮、有效磷含量是评价土壤氮、磷淋失的重要指标，对于相同土质的农田，肥料类型及施用量、降水与灌溉是影响氮、磷淋失的关键因素。研究表明，土壤氮、磷淋失量随施肥量及降水或灌溉量的增加而增加，减量施肥是降低氮、磷淋失的有效措施[20-21]。与单独施用化肥相比，有机与无机肥配施可显著降低氮的淋失，但对降低磷流失的作用因试验条件不同而有不同的结论[22-25]。本研究中马铃薯淀粉加工废水施用不同于一般的肥料施用和灌溉过程，近似水肥一体施用过程。马铃薯淀粉加工废水携带的氮、磷一边向下入渗，一边对已吸附在各层的氮磷向下淋滤。还田地块与对照地块各层土壤中硝态氮、有效磷含量自60 cm以下下降趋势较缓，说明当地降雨对氮、磷淋滤影响较小，这与当地干旱少雨的气候特征相符合[26]。还田地块各层土壤中较高的硝态氮、有效磷含量主要由马铃薯淀粉加工废水入渗本身携带的氮、磷所致。

土壤本身对磷有很强的固定能力[27]，通过对比分析本研究中还田地块土壤硝态氮和有效磷含量的下降趋势、幅度也可证明，土壤对磷有更强的吸附固定作用。研究表明，土壤有效磷的淋失存在突变点，而突变点与土壤pH、有机质含量有显著关系[28]；当土壤有效磷淋失超过突变点时，导致通过淋溶流失的有效磷量急剧提高[29-30]。有报道表明，有效磷突变点为63.7[31]，80.3[32]，47.8[33]和53 mg/kg[34]。本研究中还田地块耕作层有效磷含量为35.4 mg/kg，低于上述研究中土壤有效磷淋失的突变点，因此在特大降雨的情况下发生磷大量淋失的可能性较小，但仍需注意施用方式，避免施用过程本身造成有效磷淋失。