紅薯淀粉廢水還田對小麥初期生長影響研究

程麗萍，海子彬，宗 梅

(安徽省生態環境科學研究院，安徽 合肥 230071)

1 引言

我國是傳統的紅薯種植大國，種植面積和產量均居世界前列。我國紅薯種植大致分為食用型、淀粉型和紫薯型3種類型，長江中下游包括安徽在內的地區多為淀粉型和食用型，其中淀粉型比例超半[1，2]。以八里河流域為例，該流域年產紅薯約18萬t，其中安徽省潁上縣耿棚鎮被稱為“中原三粉第一鎮”，紅薯淀粉產品暢銷全國各地。同時，淀粉加工廢水也對環境產生較大的影響，由于農村紅薯淀粉加工大多是家庭作坊式，生產方式粗放落后，淀粉生產耗水量大，八里河流域每年9～12月份約有180萬t高濃度淀粉廢水未經任何污水處理措施直接排入河流水體，對流域的水生態環境造成較嚴重的污染[3]。常見的淀粉加工廢水處理方法有絮凝沉淀法、膜過濾法、生物降解法等[4～12]，但由于廢水產生集中且量大、污染負荷高、加工期溫度低等原因，依靠現有的末端治理技術，難以實現經濟可行的穩定達標排放。淀粉加工廢水富含磷、鉀、蛋白質、氨基酸等有機物和纖維素等固體顆粒，如直接排放不僅會造成嚴重的環境污染，也會造成資源的浪費。因此紅薯淀粉廢水資源化利用研究不僅有利于降低環境影響、減輕企業處理負擔，還具有一定的經濟效益。目前，已有多項研究表明廢水還田利用是解決薯類淀粉廢水處理問題的有效途徑[13，14]，淀粉廢水作為肥料在我國多個地區已被大量地還田施用。本文研究了經處理后的紅薯淀粉廢水還田對小麥生長初期的影響，以探究小麥生長的最佳澆灌條件。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

試驗地位于阜陽市潁上縣耿棚鎮某淀粉廠，廢水類型為農村生產紅薯淀粉廢水。試驗地氣候屬北溫帶與亞熱帶之間過度型氣候，年平均溫度15.0 ℃；流域內降水量常年平均降水904.6 mm，受季風氣候影響，降水有季節性變化，年際間差異大，夏季多冬季少，春雨多于秋雨。

2.2 試驗設計

試驗設計6塊模擬小麥田，面積為0.15 m2(30 cm×50 cm)，小麥種子播種密度約為每公頃300 kg，每塊模擬麥田播種約5 g。配合施用800 kg/hm2復合肥，折合每塊模擬田施用12 g復合肥，控制水量，分別采用紅薯淀粉廢水(原水)、經厭氧生化反應處理后的紅薯淀粉廢水(IC出水)、清水進行澆灌。廢水原水COD約4000 mg/L，IC出水COD約1000 mg/L。澆灌水量控制為500 m3/hm2、1000 m3/hm2、1500 m3/hm2，折合成每塊模擬麥田的澆灌水量分別為7.5 L、15 L、22.5 L(表1)。模擬麥田埋好土，保證光照條件一致。

2.3 測定項目及方法

土壤含水率和溫度：采用DECAGON Em50土壤性質測定儀測試土壤含水率和溫度，分別在1、2與6號模擬麥田內地表以下10 cm處安放監測土壤探頭，測量土壤溫度以及灌溉后土壤含水率的變化。

表1 模擬麥田施用條件

土壤含氧量：采用Apogee MO-200手持式氧含量測量儀，探頭放置于模擬麥田土壤10 cm以下深處，用于測量土壤含氧量的變化情況。

麥苗株高：每隔一定的時間測定每塊模擬田內具有代表性的麥苗植株株高若干，由根部量至麥苗頂端最高處，計算平均株高。

3 結果與分析

3.1 不同澆灌方式對土壤含水率的影響

土壤水分含量是影響小麥生長發育的首要因素之一，對小麥出苗和生長發育過程有著顯著的影響，特別是生長發育前期，不同的土壤含水率小麥出苗狀況差別較大，含水量較低時則麥苗生長受到抑制。水分的虧缺也會引起小麥莖稈生長緩慢、減少葉面積降低葉綠素相對含量，同時對營養物質如氮素的吸收累積影響也較大[15～17]。土壤水分過高或過低均不利于小麥的出苗和麥苗生長發育，有研究表明小麥出苗和苗期生長最適宜的耕層土壤含水量為18%～20%，小麥出苗所需最低含水量在13%～14%，低于這個標準小麥則不能正常出苗[18]。對1號、2號及6號模擬麥田內土壤含水率變化進行監測，如圖1所示，可以看出，經原水和IC出水澆灌的模擬麥田含水率普遍比較高，且變化幅度更小，其中IC出水澆灌土壤含水率在小麥苗期生長的適宜范圍內，有利于小麥的出苗和生長發育。因此，利用紅薯淀粉廢水還田灌溉對土壤有著較好的保濕作用，對農作物生育期的影響更加有利。

3.2 不同澆灌方式對土壤溫度的影響

對1號、2號及6號(暫未澆水，澆灌方式為出芽后澆水)模擬麥田24 h內的土壤溫度變化進行監測，結果如圖2所示。監測時間段內天氣狀況為晴天，可以看出在正午時分(12:00左右)未澆水的6號田塊溫度明顯高于澆灌原水的1號和IC出水的2號田塊，這主要是由于土壤澆水后，一方面水分會吸收熱量，另一方面濕潤的土壤空隙相比于干燥土壤的較小，地面上的干熱空氣無法有效與土壤內部較低溫度空氣進行交換。中午之后，所有田塊土壤溫度均呈現不斷降低的趨勢，在次日5：00～6：00達到最低。6號的土壤溫度下降速率最快，且最低點的溫度是3個監測樣品中最小。澆灌原水的1號土壤最低溫度高于IC出水澆灌的2號，推測由于廢水原水COD含量較IC出水高，在土壤中產生的發酵作用強于經過處理的IC出水，故1號田塊土壤溫度稍高于2號。之后，隨著氣溫的升高，6號樣土壤溫度提升速度最快，與前一日趨勢一致，且1號樣模擬田塊土壤溫度均略高于2號。

圖1 不同澆灌方式下土壤含水率變化情況

圖2 不同澆灌方式下土壤溫度變化情況

3.3 不同澆灌方式對土壤含氧量的影響

對澆灌原水和清水的模擬田塊土壤含氧量進行監測，觀察2個田塊在澆灌后土壤含氧量48 h的變化過程，結果如圖3所示。初始狀態下，2個田塊土壤中的含氧量為18.5%左右，略低于空氣的含氧量。澆灌之后，2個田塊土壤的含氧量均有不同程度的下降，然而可以看出明顯的差異。澆灌清水的6號模擬田土壤含氧量在經歷了短暫的下降之后，含氧量恢復到17%，而后逐漸升高；而澆灌原水的1號土壤含氧量持續下降，在24 h后的次日中午達到最低，含氧量最低值僅為11.8%，且含氧量低于13%的時長維持了12 h以上。澆灌淀粉廢水30 h以后，1號田塊土壤的含氧量顯著恢復，達到17%以上。因此，紅薯淀粉廢水原水澆灌會大幅降低土壤含氧量，對土壤的透氣性能及植物根系對養分的吸收帶來不利影響。

圖3 不同澆灌方式下土壤含氧量的變化情況

3.4 不同澆灌條件對小麥出苗狀況的影響

為了研究澆灌類型、澆灌量與澆灌時機對小麥出苗與生長狀況的影響，探索最適宜的澆灌條件，分別研究對比了6個模擬麥田種植后不同階段小麥的出芽率與株高情況(表2)。麥種種植一周后，經原水及IC出水澆灌的1、2、3、4、5號模擬田內小麥均已出芽，生長情況各有快慢，2號基本全部出芽且長勢最好。種植一月后，對比各麥苗生長情況，1號種植麥種后澆灌原水15 L、2號種植麥種后澆灌IC出水15 L、3號種植麥種后澆灌IC出水7.5 L，這3組生長較為迅速，且出芽率為100%；而4號種植小麥前澆灌IC出水15 L、5號種植小麥后澆灌IC出水22.5 L的也有生長，但是生長緩慢；6號也有少量發芽，生長最為緩慢。繼續觀察種植37 d之后的麥苗狀況，生長情況跟之前基本一致。因此可知，在本實驗控制條件下，澆灌原水及IC出水對小麥生長更有利。由于原水澆灌后，土壤內有機質含量較高，產生較強的發酵作用，且含氧量較低，抑制了根系的呼吸作用，削弱根系吸收水肥的能力，故前期生長較為緩慢。IC出水經過了厭氧處理，有機物含量降低，因此在土壤中的發酵作用較弱，且IC出水灌溉能夠很好的保持土壤的含水率，故較有利于小麥的生長發育，又因為IC出水中含有一定量的有機質和營養鹽，因此對麥苗的生長有很好的促進作用。4號小麥發芽生長狀況一般，可知先澆灌后種植對小麥生長不利；對比2、3和5號模擬田麥苗生長狀況可知，IC出水澆灌量為15 L(1000 m3/hm2)左右最為適宜。

表2 不同灌溉條件下小麥發芽狀況與株高

4 結論與討論

研究發現，在本實驗設計條件下，經原水及IC出水澆灌的土壤含水率較適宜小麥苗期的生長且對土壤有著較好的保濕作用；而紅薯淀粉廢水原水在土壤中產生較強的發酵作用，澆灌后大幅降低土壤含氧量并導致土壤升溫，對于小麥發芽及麥苗初期生長會帶來不利影響；IC出水有機質含量較原水低，發酵作用較弱，但又保留一定量的營養物質，澆灌的小麥發芽最為迅速，長勢最好。因此，經過處理的紅薯淀粉廢水能直接對小麥進行灌溉并保證其正常生長，小麥生長的最佳灌溉條件為：利用經過厭氧生化處理的紅薯淀粉廢水進行還田灌溉，灌溉量為1000 m3/hm2，方式為種植小麥后進行灌溉。