水热炭化废水灌溉对水稻生长及土壤理化性质的影响

2023-03-11黎福斌李亚洲夏宏蕾边颢昊韩佳琳胡晓飘王敏艳张进

浙江农业科学 2023年3期

黎福斌，李亚洲，夏宏蕾，边颢昊，韩佳琳，胡晓飘，王敏艳，张进

(1.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240； 2.浙江科技学院环境与资源学院，浙江杭州 310023；3.浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室，浙江杭州 310023； 4.浙江农林大学环境与资源学院，浙江杭州 311300)

我国水资源十分短缺，而农业生产需要大量灌溉水。据统计，2020年，农业用水3 612.4亿 m3，占用水总量的62.1%，耕地实际灌溉平均667 m2用水量达近356 m3[1]。预测结果显示，未来30年将有6亿人受到缺水的影响，中国将有一半土地面临水资源短缺和污染问题，并且缺水压力可能会扩大，缺水程度将加剧[2-3]。因此，将部分废水用作农业灌溉或景观用水等，能够节约天然水资源并且有效减少废水排放[4]。农区利用废水进行农业灌溉的做法在我国已较为普遍，并且污废水灌溉面积和区域在不断增加[5]。伴随着自然灾害等的影响，全球用水量持续增加，废水灌溉逐渐成为农业灌溉中重要的组成部分[6]。废水中含有丰富的氮、磷、钾等营养物质，用于灌溉不仅能够缓解水资源短缺问题，还能为植物提供养分。但是，部分废水对农业生产也有不良影响，能够造成土壤板结，有害物质被作物吸收后会造成减产，废水偏酸或偏碱导致作物出现死苗等问题[7]。

生物炭是一种由生物质通过热化学转化而形成的含碳量较高的材料[8]。由于其具有比表面积大、密度小、稳定性好、官能团丰富等特征，被广泛应用于农业土壤改良、能源储存、养殖业水质净化和重金属吸附等方面[9]。当生物质材料含水量较低时，热解等干化工艺制备生物炭具有产量高和能量损失低的特点，但大多数生物质材料水含量较高，需要单独进行干燥处理，而水热法能够弥补干化工艺的这一缺点，可以省去干燥生物质的步骤[10]。水热法制备生物炭的耗水量和废水产量巨大，例如，在260 ℃的热解温度下以芒草为原料生产1 t生物炭需要12 t水，这限制了水热炭化工艺的普及[11]，而参与炭化反应后的水又会以有机废水的形式排出，其主要成分包括酚类衍生物、呋喃化合物和有机酸等[12]。若将这些废水排放到环境中，不仅需要进一步处理，加重成本负担，还会造成其中有机物的浪费。

将水热炭化废水进行资源化利用，可以降低废水的处理成本和排放量。目前资源化利用水热炭化废水的途径主要是培养藻类、厌氧消化和再进入水热反应体系循环利用，关于水热炭化废水用于农业灌溉对主要农作物和土壤的影响的研究较少。水稻的种植和食用历史悠久，是人类重要的粮食作物，也是我国南方地区主要的农作物，并且对土壤质量的要求不高[13]。为探究水热炭化废水用于农业灌溉的可行性，本研究采用盆栽试验，用不同浓度的水热炭化废水替代灌溉水种植水稻，分析不同浓度水热炭化废水浇灌对水稻株高、分蘖数和产量以及土壤理化性质的影响，以期为资源化利用水热炭化废水提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 废水

试验用废水为上海发电设备成套设计研究院有限责任公司以玉米秸秆为原料，经水热炭化(温度210 ℃，终温停留时间1 h)处理后的废水，主要理化指标：pH 5.67，色度2 400倍，化学需氧量2 540 mg·L-1，五日生化需氧量1 345 mg·L-1，总氮27.95 mg·L-1，硝态氮 7.64 mg·L-1，氨态氮 4.43 mg·L-1，总磷 9.30 mg·L-1，磷酸盐3.82 mg·L-1。

1.2 试验设置

以水稻为目标作物，采用盆栽种植方式，进行水热炭化废水替代灌溉水源试验。试验在浙江科技学院校内试验基地大棚(30.13°N，120.1°E，年日照时数1 522.4 h)内进行。废水替代灌溉，设置25%、50%、75%、100% 4种体积分数比例，并设置清水浇灌为对照组。依据盆栽土壤覆水层水量决定补水时间，一般3～4 d补充1次。每次灌溉后，记录灌溉用水量。

试验用土取自试验基地周边土壤，土壤类型为黏土，肥力中等。试验用盆高27 cm，直径25 cm，每盆装土8 kg，每盆定植长势一致的水稻苗3株。试验前在土壤中施用基肥(P2O50.081 g·kg-1，K2O 0.165 g·kg-1，N 0.164 g·kg-1)。盆栽试验自2021年7月1日开始，2021年10月18日结束。在作物整个生育过程中，除灌溉用水外，其他农事操作按常规进行，盆栽试验每处理重复3次，水稻全生育期用水量见表1。

表1 全生育期水稻用水量

1.3 指标测定

每次定期补水时记录1次水稻株高，分蘖期记录分蘖数，成熟期测定籽粒产量、茎秆干质量，取表层土测定土壤理化指标。其中，水稻株高采用尺量法(毫米刻度钢尺定期量取水稻株高)进行测定，水稻分蘖数采用计数法(分蘖高峰期、孕穗期、灌浆期分别进行计数)进行测定，稻谷产量采用称重法(0.001 g天平称量稻谷和秸秆质量)进行测定[14]。水稻收获后及时取其表层土，将土样进行风干、磨碎、过筛(0.2 mm)后，备用，对理化指标的分析测定参考《土壤农业化学分析方法》[15]。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2013进行数据录入和整理，利用SPSS Statistics 26进行不同处理间差异显著性分析，利用Origin 2021进行数据统计制图。

2 结果与分析

2.1 废水灌溉对水稻生长的影响

2.1.1 对株高的影响

对于一般作物而言，在一定的范围内随着株高的增加，产量也相应增加。而超出一定范围后，随着株高的增加，产量反而会下降，并且植株过高，易于倒伏，降低产量。

由图1可知，从水稻定植至9月22日，各处理水稻生长均较快，9月22日后水稻株高基本没有变化，逐渐停止生长，这表明水稻进入抽穗期和灌浆期。取前60 d生长高度计算水稻日平均生长速率，清水(对照组)、25%废水处理组、50%废水处理组、75%废水处理组、100%废水处理组前60 d平均日生长速率分别为1.28、1.21、1.08、1.03、1.00 cm·d-1。25%、50%、75%、100%废水灌溉下前60 d平均日生长速率分别比对照组低5.47%、15.63%、19.53%、21.88%，株高在60 d分别比对照组低4.56%、8.07%、12.16%、15.25%。表明废水替代灌溉对水稻的生长造成了一定的抑制作用，这与前人就污水灌溉对水稻生长影响的模拟结果是一致的[16]，且随着废水施用比例的增加，抑制作用逐渐增强。

图1 水稻株高动态变化

2.1.2 对分蘖的影响

不同比例废水替代灌溉下，水稻分蘖数如表2所示。对总分蘖数、有效分蘖数等数据进行分析可见，清水作为对照组，其总分蘖数为13.00个·盆-1，25%、50%、75%、100%废水灌溉下水稻植株总分蘖数分别为14.00、14.33、13.67、15.00个·盆-1，但不同比例废水灌溉下水稻分蘖数和有效分蘖数与对照相比没有显著差异，表明废水替代灌溉对水稻分蘖没有负面影响。

表2 水稻分蘖数

2.2 废水灌溉对水稻产量的影响

由图2可见，25%、50%、75%废水灌溉下水稻平均籽粒产量分别为43.82、45.69、48.86 g·盆-1，但与对照组(清水)相比差异不显著。而100%废水灌溉下，籽粒产量降低明显，仅为39.75 g·株-1，比对照组的籽粒产量低14.20%，有明显的减产效应。虽然在100%废水灌溉下，水稻总分蘖数和有效分蘖数均是最多的，但籽粒产量却是最低的，表明该废水虽然对水稻的分蘖能力没有负面影响，但却抑制了水稻的灌浆能力。过高比例废水(100%废水)的施用对水稻生长抑制作用较为明显，会显著降低水稻的籽粒产量。

柱上无相同小写字母表示不同处理组间差异显著(P<0.05)。图2 籽粒产量及生物产量

各处理生物产量即地上部总干物质重(籽粒产量与秸秆产量之和)如图2所示，100%废水灌溉处理下的生物产量同样明显低于其他处理，与株高的变化趋势一致。各比例废水灌溉下水稻植株的收获指数均达约62%，差异不显著。

2.3 废水灌溉对土壤理化性质的影响

2.3.1 对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是植物的重要营养来源之一，与土壤肥力呈正相关，是能表征土壤肥力的重要指标[17]。观察发现，浇灌废水后的土壤与对照(清水)相比，颜色变黑、土质变松，说明该废水可能有改善土壤结构的作用。水稻收获后土壤的理化指标如表3所示，经一季水稻栽培试验后，与对照组相比，25%、50%、75%、100%废水灌溉的土壤有机质含量分别显著提高了36.18%、74.12%、85.93%、103.77%。随着废水施用比例的增加，土壤有机质含量呈上升趋势。

虽然在不同比例废水灌溉下，土壤有机质含量与对照组相比都有显著提高，但水稻产量没有显著增加，甚至在100%废水灌溉下出现了水稻减产情况。表明废水灌溉虽然增加了土壤有机质含量，但废水中的有机组分中可能含有有害成分，如酚类衍生物、呋喃化合物和有机酸等对水稻产生了一定的毒害作用[18]。因此，废水中的有害组分分析及其毒害作用消减机制值得深入研究，这对该废水的资源化循环利用具有重要意义。

2.3.2 对土壤氮含量的影响

土壤全氮是有机氮和无机氮之和，氮含量充足能够促进植物叶片生长，从而增强光合作用。如表3所示，经一季水稻栽培试验后，与对照相比，25%、50%、75%、100%废水灌溉的土壤全氮含量分别提高了26.52%、73.47%、67.35%、75.51%。通过灌溉废水，土壤中全氮含量与对照组相比显著增加，但高比例废水(50%、75%、100%废水)灌溉之间的土壤全氮含量差异并不显著。

与对照相比，25%、50%、75%、100%废水灌溉土壤氨态氮含量分别提高了113.18%、241.81%、312.81%、171.75%，其中高比例废水(50%、75%、100%废水)灌溉氨态氮含量与对照(清水)相比差异显著，硝态氮含量则无明显差异。氨态氮中含有的铵根离子易于被吸收到土壤中，能够确保土壤肥力不流失；硝态氮中含有的硝酸根离子能够更好地与水相融，肥效快。因此，在水稻种植初期对氨态氮需求较高，而硝态氮则在水稻种植后期土壤肥力不足时作追肥使用。高浓度比例水热碳化废水灌溉后土壤中氨态氮含量显著增加，可为下一季轮作作物提供肥力保障。