麥草秸稈浸泡過程中污染物釋放過程研究

摘" " " 要： 以建湖縣、漣水縣和阜寧縣農田地塊為研究對象，研究了不同地區、不同環境下麥草秸稈在浸泡過程中污染物的釋放情況，通過檢測pH、CODMn、總氮、總磷、鐵和錳含量等水質指標來動態監測污染物的含量變化。試驗結果表明：4個地區的麥草秸稈在浸泡過程中污染物釋放情況具有共性，秸稈浸出液的pH降低、CODMn升高，水體中的總氮和Fe含量緩慢增加；同時各個地塊又具有各自的特點，建湖田塊的秸稈浸出液CODMn高達400 mg·L-1，阜寧田塊的秸稈浸出液pH低至4.95。在秸稈與土壤同時存在的環境下，水體的錳含量顯著增高。

關" 鍵" 詞：不同地區；麥草還田；污染物釋放；pH；CODMn；錳

中圖分類號：X701" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）02-0194-07

秸稈還田是當今世界上普遍重視的一項培肥地力的增產措施，在杜絕了秸稈焚燒所造成的大氣污染的同時還有增肥增產作用[1]。秸稈還田能增加土壤有機質[2]、改良土壤結構[3]、使土壤疏松[4]、孔隙度增加[5]、容量減輕[6]、促進微生物活力[7]和作物根系的發育[8]。田平等[9]經研究后發現，翻埋還田30 cm處理降低耕層土壤容重和緊實度，提高土壤水穩性大團聚體含量，固持土壤有機碳和全氮含量，同時提高10～30 cm土層土壤細菌和真菌豐度以及脲酶和酸性磷酸酶活性，對土壤培肥效果明顯的一種秸稈還田方式。

在常規施肥條件下，秸稈還田可以實現作物的增產增收，降低農田徑流氮磷流失負荷，減輕化肥投入對環境的潛在威脅[10-12]。但是，秸稈中的有機物質在自然條件下分解后產生腐殖質，這些腐殖質可通過多種途徑進入水體而進一步分解釋放出各類有機物、氮、磷等物質而最終造成水體富營養化，形成水環境污染[13-15]，而且腐植酸等有機酸的解離性質及官能團活性對Mn的釋放有重要影響[16]。

1" 實驗部分

1.1" 材料與試劑

所有藥品均采購于國藥集團化學試劑有限公司。試驗樣本來自于建湖縣、漣水縣和阜寧縣農田地塊，分別是麥草和土壤。

1.2" 測試分析方法

水質指標均按照《水和廢水監測分析方法》（第四版）分析方法進行檢測。

1.3" 試驗設計

試驗于2021年7月至8月開始，反應裝置為玻璃燒杯，規格為3 L，高245 mm，外徑160 mm。將麥草秸稈剪成適當的小段，大顆粒的土壤進行粉碎，依次置于燒杯中，然后加水至3 L刻度線。每個地塊設置4個實驗裝置，具體如表2所示。

2" 結果與討論

首先，以阜寧地塊2采集的麥草秸稈和土壤為實驗材料，通過對比分析實驗組13、14、15和16的數據，探究同一地塊不同環境下秸稈浸泡過程中污染物的釋放情況；然后以4個地塊的實驗組1、5、9和13為研究對象，探討同一環境下不同地區麥草秸稈在水體中的污染物釋放情況；然后，對4個地塊的1、3、5、7、9、11、13和15實驗組進行數據對比分析，探究土壤的加入對麥草秸稈浸泡過程中污染物釋放情況的影響。

以阜寧地塊2采集的麥草秸稈和土壤為實驗材料，通過對比分析實驗組13、14、15和16數據，探究同一地塊不同環境下秸稈浸泡過程中污染物的釋放情況。

2.1" 同一地塊麥草秸稈在不同環境下浸泡過程中水體pH、CODMn的變化

如圖1 所示，實驗1（水+秸稈）浸出液的pH先降低后上升，前3天迅速降低，在第10天降至5.74左右，之后逐漸升高。

實驗2（水+土壤）和實驗3（水+秸稈+土壤）的浸出液pH在初始3天內也持續降低，下降速度較慢，之后保持相對平穩的范圍，并且實驗2（水+土壤）浸出液的pH保持著較平穩狀態，實驗3（水+秸稈+土壤）浸出液的pH有持續降低的趨勢。實驗4（水+秸稈+土壤+爆氣）浸出液的pH在初期則保持平緩的上升趨勢，升至8.45左右保持穩定狀態。

從圖2可以看出，實驗1（水+秸稈）浸出液的CODMn高于其他3個實驗，一直維持在200 mg·L-1上下。其他3個實驗的浸出液CODMn一直處在低于100 mg·L-1的水平。對比實驗組實驗1（水+秸稈）和實驗3（水+秸稈+土壤）可以發現，土壤的加入大大降低了浸出液的CODMn。

實驗1（水+秸稈）浸出液的pH降低、CODMn升高，表明有大量的腐植酸進入水體。實驗3（水+秸稈+土壤）的pH和CODMn均沒有顯著變化，說明土壤的存在消耗了秸稈產生的腐植酸。

2.2" 同一地塊麥草秸稈在不同環境下浸泡過程中水體Fe、Mn含量的變化

圖3為浸出液Fe含量變化過程，從圖中可以發現，實驗3（水+秸稈+土壤）和實驗4（水+秸稈+土壤+爆氣）浸出液的Fe含量波動較大，實驗1（水+秸稈）浸出液的Fe含量保持上升趨勢，實驗2（水+土壤）浸出液一直保持較低水平。

圖4為浸出液Mn含量變化過程，從圖中可以看出，實驗1（水+秸稈）和實驗2（水+土壤）的浸出液的Mn含量一直處于一個較低水平，并且實驗1（水+秸稈）浸出液的Mn含量稍微高于實驗2（水+土壤）。而實驗3（水+秸稈+土壤）的浸出液Mn含量則呈現波動上升的趨勢，最高達到了8 mg·L-1；實驗4（水+秸稈+土壤+曝氣）浸出液Mn含量也在前期出現了上升趨勢，之后逐漸降低至初始水平。

與圖1中的pH數據相結合可以發現，實驗3（水+秸稈+土壤）浸出液的Mn含量之所以波動上升，是因為土壤中的含Mn物質與腐植酸等酸性物質發生反應，并且反應產物中含Mn物質進入水體。

2.3" 同一地塊麥草秸稈在不同環境下浸泡過程中水體Fe、Mn含量的變化

各個實驗的總氮（TN）變化如圖5所示。隨著時間的推移，各實驗組TN總體呈現上升趨勢，只有實驗2（水+土壤）保持較低且穩定的水平，而且實驗1（水+秸稈）浸出液的TN要高于其他3組。TN的上升可能來源于秸稈內積累的化學肥料，或者微生物的作用。在大氣環境中， 微生物活動會對秸稈進行腐蝕降解， 可溶性有機氮等有機物水解形成氨基酸態氮進入水中， 并釋放銨離子。

浸出過程中總磷（TP）的變化如圖6所示。實驗1（水+秸稈）、實驗3（水+秸稈+土壤）、實驗4（水+秸稈+土壤+曝氣）浸出液的TP均先升高后降低再升高的波動變化趨勢，只有實驗2（水+土壤） 浸出液一直處于較低的水平。

下面以4個不同地塊的實驗組1、5、9和13為研究對象，探討同一環境下不同地區麥草秸稈在水體中的污染物釋放情況。

2.4" 不同地區麥草秸稈浸泡過程中水體pH、CODMn的變化

如圖所示，長期的跟蹤監測數據顯示出了4個地塊秸稈浸出液的共性和不同。從圖7可以看出，在初始的3天里，4個地塊的秸稈浸出液的pH均快速下降，呈現酸性。而且，在監測的大部分時間內一直維持酸性環境。建湖地塊和淮安地塊的秸稈浸出液pH呈現波動式的變化過程，阜寧地塊1的秸稈浸出液pH則持續降低。

圖8記錄了4個地塊秸稈浸出液的CODMn變化過程，可以看出在初始的2天內秸稈浸出液CODMn迅速增加，之后則維持在較穩定的狀態，而且，四個地塊的秸稈浸出液CODMn都處于較高水平，建湖地塊最高達到了400 mg·L-1，總體處于200～400 mg·L-1的范圍內。

秸稈浸出液pH的降低說明水體中出現了酸性物質，秸稈在浸泡時產生大量的腐植酸等，進入水體引起酸化。同時，腐植酸多為大分子有機酸，造成水體耗氧量增大，高錳酸鉀指數升高。

2.5" 不同地區麥草秸稈浸泡過程中水體TN、TP的變化

各個田塊的秸稈浸出液TN變化如圖9所示，4個田塊的秸稈浸出液TN逐漸升高，最高由10 mg·L-1升高至60 mg·L-1左右，且變化趨勢一致。

圖10的TP在數值上則各不相同，分布在1 mg·L-1到5 mg·L-1之間，但是總體上呈現上下波動的變化狀態。

秸稈中殘留的尿素等肥料在浸泡時會分解并進入水體，導致TN升高。總磷的變化趨勢與pH有一定的相關性，與建湖地塊秸稈浸出液的pH數據對比可以發現，總磷的含量與浸出液pH保持基本一致的變化趨勢。因此可以認為，總磷主要來自于秸稈浸泡產生的腐植酸等物質。

2.6" 不同地區麥草秸稈浸泡過程中水體Fe、Mn含量的變化

如圖11所示，隨著時間的推移，各個田塊的秸稈浸出液的Fe含量逐漸升高，最高由0.2 mg·L-1升高至4.0 mg·L-1左右。

建湖田塊的秸稈浸出液的錳含量先升高再降低后又逐漸升高，最高達到了2.0 mg·L-1；而其他3個地塊“秸稈”浸出液的錳含量則在小范圍內上下波動，最高不超過1.0 mg·L-1。總的來看，秸稈浸出液的Fe含量逐漸升高，Mn含量在一定范圍內上下波動。

接著對4個不同地塊的1、3、5、7、9、11、13和15實驗組進行數據對比分析，探究土壤的加入對麥草秸稈浸泡過程中污染物釋放情況的影響。

2.7" 不同環境下不同地塊麥草秸稈浸泡過程中水體pH的變化

圖13記錄了4個地塊兩個實驗組的水體pH變化情況。可以看出，“水+秸稈”和“水+秸稈+土壤”兩個實驗組之間的水體pH變化趨勢相差較大，圖13中的“水+秸稈”實驗組中，4個田塊的浸出液水體pH均在初始3天內快速下降，之后的變化趨勢各有不同；建湖田塊和淮安田塊的水體pH呈現上下波動變化趨勢，而阜寧田塊的水體pH則持續降低。

圖14中“水+秸稈+土壤”實驗組中，4個田塊的浸出液水體pH進本保持一致，而且數值上也一直維持在初始的pH上下。

從“水+秸稈”浸出液的pH變化情況可以說明，秸稈在浸泡過程中釋放出大量的腐植酸等酸性物質，而且不同地區田塊之間都顯示出了同樣的結果，只是不同地區田塊的pH變化趨勢不同。與“水+秸稈+土壤”實驗組的pH變化趨勢相對比可以發現，土壤的加入起到了穩定水體pH的作用。

2.8" 不同環境下不同地塊麥草還田過程中水體CODMn的變化

圖15是4個地塊 “水+秸稈”實驗組的水體CODMn變化情況。4個田塊的“水+秸稈”實驗組的水體CODMn均保持同樣的變化趨勢，“水+秸稈”浸出液的CODMn在浸泡1天后即達到較高水平，之后變化緩慢。

圖16是四個地塊 “水+秸稈+土壤”實驗組的水體CODMn變化情況，該實驗組浸出液CODMn則不斷升高，前期增速較快，后期增速變緩。

水體CODMn升高說明水體中耗氧物質增加。對比四個地塊的“水+秸稈”和“水+秸稈+土壤”實驗組的水體CODMn可以發現，土壤的加入大大降低了秸稈浸出液的CODMn，說明土壤消耗了部分耗氧物質，而且前期消耗量大、消耗速度快，后期消耗量和消耗速度減緩。

2.9" 不同環境下不同地塊麥草還田過程中水體Mn含量的變化

三個田塊的秸稈浸出液Mn含量變化趨勢如圖17所示，阜寧田塊和淮安田塊的秸稈浸出液Mn含量一直低于0.5 mg·L-1，建湖田塊則呈現波動式的變化趨勢，但也維持在1 mg·L-1上下。

相比于“秸稈”實驗組，3個田塊的“秸稈+土壤”實驗組的水體Mn含量均呈現出波動式上升的趨勢，而且Mn含量均高于2 mg·L-1，所以水體中的Mn大部分是來自于土壤。

3" 結 論

1）從阜寧地塊2的4組實驗數據中可以看出，水體中僅有秸稈時，秸稈會釋放腐殖酸等有機物，直接造成水體環境酸化，CODMn顯著升高；土壤中混有秸稈時，秸稈產生的腐殖酸等酸性物質可以與土壤中的含Mn化合物發生反應，促進土壤中的Mn元素進入水體，造成水體中Mn含量逐漸升高。

2）從四個地塊的對比試驗中可以得到，不同地區麥草秸稈在浸泡過程中的污染物釋放具有共性，均會引起水體環境酸化，CODMn增大，會產生微量的含Fe、Mn的化合物，當有土壤存在時Mn含量迅速升高；

3）水體中Mn含量的升高主要來自于土壤，土壤中的含Mn物質能夠與腐植酸等酸性物質反應，含Mn產物進入水體，引起Mn含量升高。

參考文獻：

[1] 白云， 鄧威，李玉成. 水稻秸稈預處理還田對土壤養分淋溶及COD的影響［J］．2020， 34 （3）： 238-244.

[2] 茌文靜．小麥秸稈浸提液中主要水質污染因子組分研究水［J］．能源與環境，2021， 5 （1）： 73-74

[3] 曹勛，韓睿明，章婷曦，等.冬季水生植物分解過程及其對水質的影響研究［J］．農業環境科學學報，2015， 34 （2）： 361-369．

[4] 孫志祥， 韓上， 武際，等. 秸稈還田對雙季稻產量和土壤鉀素平衡的影響[J].中國農學通報， 2020 （9）： 9-13.

[5] 李煥運， 李恒奕， 宋堋嘉，等.油菜秸稈腐解對自然水體的影響研究［J］．四川環境， 2018， 37 （4）： 35-40.

[6] 于寒， 高春梅， 谷巖.秸稈腐解液對玉米幼苗根系生長及生理特性的影響[J]. 分子植物育種， 2018， 16 （23）： 7795-7799.

[7] 侯雪迪， 龔靜靜， 繆杰杰，等. 秸稈還田及化肥配施的經濟環境效益分析［J］. 紅河學院學報， 2019，17（5）：130-133.

[8] 鄭險峰， 黃婷苗， 王朝輝. 還田玉米秸稈氮釋放對關中黃土供氮和冬小麥氮吸收的影響［J］. 中國農業科學， 2015， 48 （14）： 2785-2795.

[9] 田平.還田方式對玉米秸稈腐解及土壤理化生物學性狀的影響[D].沈陽農業大學，2020.

[10] 楊世琦，王永生，韓瑞蕓，等. 寧夏引黃灌區秸稈還田對麥田土壤硝態氮淋失的影響［J］. 生態學報， 2015， 35 （16）： 5537-5544.

[11] 賀敏雯.農村秸稈綜合利用途徑初探[J].環境科學與技術， 2012， 35 （6I）： 171-173.

[12] 鄒文秀，韓曉增，陸欣春，等.秸稈還田后效對玉米氮肥利用率的影響[J].中國農業科學，2020，53（20）：4237-4247.

[13] 鄭金玉，劉武仁，羅洋，等. 秸稈還田對玉米生長發育及產量的影響[J]. 吉林農業科學， 2014， 39 （2）： 42-46.

[14] 黃婷苗. 秸稈還田條件下冬小麥高產高效的氮素管理與調控[D].西北農林科技， 2014.

[15] 張赟. 模擬水分對秸稈釋放主要面源污染物的影響[D]. 西南大學， 2008.

[16] 楊杰文，鐘來元，郭榮發.有機酸溶解磚紅壤過程中Mn（Ⅱ）的釋放規律[J]. 環境化學， 2011， 7： 1348-1353.

Research on the Release Process of Pollutants

During the Soaking of Wheat Straw

YANG Dao-lin¹， BIAN Wei-lin^2，3， XV Ru-chao^2，3， WANG Qing-qing^2，3， WANG Lin-gang^2，3，JIANG Hao^2，3

（1. Yancheng Funing Ecological Environment Monitoring Station， Yancheng Jiangsu 224499， China;

2. Nanjing University Yancheng Institute of Environmental Technology and Engineering， Yancheng Jiangsu 224499， China;

3. Research Institute of Water Environment Engineering Technology，

Jiangsu Institute of Industrial Technology， Yancheng Jiangsu 224499， China）

Abstract：" Taking the farmland plots of Jianhu county， Lianshui county and Funing county as the research objects， the release of pollutants during the soaking process of wheat straw in different regions and different environments was studied. By detecting pH， COD_Mn， total nitrogen， total phosphorus， the change of water quality indicators such as iron and manganese content was dynamically monitored in the content of pollutants. The test results showed that the release of pollutants during the soaking process of wheat straw in the four regions was common， the pH of the straw leachate decreased， the COD_Mn increased， and the total nitrogen and Fe content in the water increased slowly; at the same time， each plot had its own characteristics. Characteristic， the COD_Mn of straw leachate from Jianhu field was as high as 400 mg·L^-1， and the pH of straw leachate from Funing field was as low as 4.95. In the environment where straw and soil coexisted， the manganese content in the water body increased significantly.

Key words：" Different regions; Wheat grass returning to field; Pollutant release; pH; COD_Mn; Mn