水熱炭化廢水灌溉對水稻生長及土壤理化性質的影響

黎福斌， 李亞洲， 夏宏蕾， 邊顥昊， 韓佳琳， 胡曉飄， 王敏艷， 張進

(1.上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240； 2.浙江科技學院 環(huán)境與資源學院， 浙江 杭州 310023；3.浙江省廢棄生物質循環(huán)利用與生態(tài)處理技術重點實驗室， 浙江 杭州 310023； 4.浙江農林大學 環(huán)境與資源學院， 浙江 杭州 311300)

我國水資源十分短缺，而農業(yè)生產需要大量灌溉水。據(jù)統(tǒng)計，2020年，農業(yè)用水3 612.4億 m3，占用水總量的62.1%，耕地實際灌溉平均667 m2用水量達近356 m3[1]。預測結果顯示，未來30年將有6億人受到缺水的影響，中國將有一半土地面臨水資源短缺和污染問題，并且缺水壓力可能會擴大，缺水程度將加劇[2-3]。因此，將部分廢水用作農業(yè)灌溉或景觀用水等，能夠節(jié)約天然水資源并且有效減少廢水排放[4]。農區(qū)利用廢水進行農業(yè)灌溉的做法在我國已較為普遍，并且污廢水灌溉面積和區(qū)域在不斷增加[5]。伴隨著自然災害等的影響，全球用水量持續(xù)增加，廢水灌溉逐漸成為農業(yè)灌溉中重要的組成部分[6]。廢水中含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質，用于灌溉不僅能夠緩解水資源短缺問題，還能為植物提供養(yǎng)分。但是，部分廢水對農業(yè)生產也有不良影響，能夠造成土壤板結，有害物質被作物吸收后會造成減產，廢水偏酸或偏堿導致作物出現(xiàn)死苗等問題[7]。

生物炭是一種由生物質通過熱化學轉化而形成的含碳量較高的材料[8]。由于其具有比表面積大、密度小、穩(wěn)定性好、官能團豐富等特征，被廣泛應用于農業(yè)土壤改良、能源儲存、養(yǎng)殖業(yè)水質凈化和重金屬吸附等方面[9]。當生物質材料含水量較低時，熱解等干化工藝制備生物炭具有產量高和能量損失低的特點，但大多數(shù)生物質材料水含量較高，需要單獨進行干燥處理，而水熱法能夠彌補干化工藝的這一缺點，可以省去干燥生物質的步驟[10]。水熱法制備生物炭的耗水量和廢水產量巨大，例如，在260 ℃的熱解溫度下以芒草為原料生產1 t生物炭需要12 t水，這限制了水熱炭化工藝的普及[11]，而參與炭化反應后的水又會以有機廢水的形式排出，其主要成分包括酚類衍生物、呋喃化合物和有機酸等[12]。若將這些廢水排放到環(huán)境中，不僅需要進一步處理，加重成本負擔，還會造成其中有機物的浪費。

將水熱炭化廢水進行資源化利用，可以降低廢水的處理成本和排放量。目前資源化利用水熱炭化廢水的途徑主要是培養(yǎng)藻類、厭氧消化和再進入水熱反應體系循環(huán)利用，關于水熱炭化廢水用于農業(yè)灌溉對主要農作物和土壤的影響的研究較少。水稻的種植和食用歷史悠久，是人類重要的糧食作物，也是我國南方地區(qū)主要的農作物，并且對土壤質量的要求不高[13]。為探究水熱炭化廢水用于農業(yè)灌溉的可行性，本研究采用盆栽試驗，用不同濃度的水熱炭化廢水替代灌溉水種植水稻，分析不同濃度水熱炭化廢水澆灌對水稻株高、分蘗數(shù)和產量以及土壤理化性質的影響，以期為資源化利用水熱炭化廢水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 廢水

試驗用廢水為上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司以玉米秸稈為原料，經水熱炭化(溫度210 ℃，終溫停留時間1 h)處理后的廢水，主要理化指標：pH 5.67，色度2 400倍，化學需氧量2 540 mg·L-1，五日生化需氧量1 345 mg·L-1，總氮27.95 mg·L-1，硝態(tài)氮 7.64 mg·L-1，氨態(tài)氮 4.43 mg·L-1，總磷 9.30 mg·L-1，磷酸鹽3.82 mg·L-1。

1.2 試驗設置

以水稻為目標作物，采用盆栽種植方式，進行水熱炭化廢水替代灌溉水源試驗。試驗在浙江科技學院校內試驗基地大棚(30.13°N，120.1°E，年日照時數(shù)1 522.4 h)內進行。廢水替代灌溉，設置25%、50%、75%、100% 4種體積分數(shù)比例，并設置清水澆灌為對照組。依據(jù)盆栽土壤覆水層水量決定補水時間，一般3～4 d補充1次。每次灌溉后，記錄灌溉用水量。

試驗用土取自試驗基地周邊土壤，土壤類型為黏土，肥力中等。試驗用盆高27 cm，直徑25 cm，每盆裝土8 kg，每盆定植長勢一致的水稻苗3株。試驗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)。盆栽試驗自2021年7月1日開始，2021年10月18日結束。在作物整個生育過程中，除灌溉用水外，其他農事操作按常規(guī)進行，盆栽試驗每處理重復3次，水稻全生育期用水量見表1。

表1 全生育期水稻用水量

1.3 指標測定

每次定期補水時記錄1次水稻株高，分蘗期記錄分蘗數(shù)，成熟期測定籽粒產量、莖稈干質量，取表層土測定土壤理化指標。其中，水稻株高采用尺量法(毫米刻度鋼尺定期量取水稻株高)進行測定，水稻分蘗數(shù)采用計數(shù)法(分蘗高峰期、孕穗期、灌漿期分別進行計數(shù))進行測定，稻谷產量采用稱重法(0.001 g天平稱量稻谷和秸稈質量)進行測定[14]。水稻收獲后及時取其表層土，將土樣進行風干、磨碎、過篩(0.2 mm)后，備用，對理化指標的分析測定參考《土壤農業(yè)化學分析方法》[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)錄入和整理，利用SPSS Statistics 26進行不同處理間差異顯著性分析，利用Origin 2021進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計制圖。

2 結果與分析

2.1 廢水灌溉對水稻生長的影響

2.1.1 對株高的影響

對于一般作物而言，在一定的范圍內隨著株高的增加，產量也相應增加。而超出一定范圍后，隨著株高的增加，產量反而會下降，并且植株過高，易于倒伏，降低產量。

由圖1可知，從水稻定植至9月22日，各處理水稻生長均較快，9月22日后水稻株高基本沒有變化，逐漸停止生長，這表明水稻進入抽穗期和灌漿期。取前60 d生長高度計算水稻日平均生長速率，清水(對照組)、25%廢水處理組、50%廢水處理組、75%廢水處理組、100%廢水處理組前60 d平均日生長速率分別為1.28、1.21、1.08、1.03、1.00 cm·d-1。25%、50%、75%、100%廢水灌溉下前60 d平均日生長速率分別比對照組低5.47%、15.63%、19.53%、21.88%，株高在60 d分別比對照組低4.56%、8.07%、12.16%、15.25%。表明廢水替代灌溉對水稻的生長造成了一定的抑制作用，這與前人就污水灌溉對水稻生長影響的模擬結果是一致的[16]，且隨著廢水施用比例的增加，抑制作用逐漸增強。

圖1 水稻株高動態(tài)變化

2.1.2 對分蘗的影響

不同比例廢水替代灌溉下，水稻分蘗數(shù)如表2所示。對總分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)等數(shù)據(jù)進行分析可見，清水作為對照組，其總分蘗數(shù)為13.00個·盆-1，25%、50%、75%、100%廢水灌溉下水稻植株總分蘗數(shù)分別為14.00、14.33、13.67、15.00個·盆-1，但不同比例廢水灌溉下水稻分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)與對照相比沒有顯著差異，表明廢水替代灌溉對水稻分蘗沒有負面影響。

表2 水稻分蘗數(shù)

2.2 廢水灌溉對水稻產量的影響

由圖2可見，25%、50%、75%廢水灌溉下水稻平均籽粒產量分別為43.82、45.69、48.86 g·盆-1，但與對照組(清水)相比差異不顯著。而100%廢水灌溉下，籽粒產量降低明顯，僅為39.75 g·株-1，比對照組的籽粒產量低14.20%，有明顯的減產效應。雖然在100%廢水灌溉下，水稻總分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)均是最多的，但籽粒產量卻是最低的，表明該廢水雖然對水稻的分蘗能力沒有負面影響，但卻抑制了水稻的灌漿能力。過高比例廢水(100%廢水)的施用對水稻生長抑制作用較為明顯，會顯著降低水稻的籽粒產量。

柱上無相同小寫字母表示不同處理組間差異顯著(P<0.05)。圖2 籽粒產量及生物產量

各處理生物產量即地上部總干物質重(籽粒產量與秸稈產量之和)如圖2所示，100%廢水灌溉處理下的生物產量同樣明顯低于其他處理，與株高的變化趨勢一致。各比例廢水灌溉下水稻植株的收獲指數(shù)均達約62%，差異不顯著。

2.3 廢水灌溉對土壤理化性質的影響

2.3.1 對土壤有機質的影響

土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，是植物的重要營養(yǎng)來源之一，與土壤肥力呈正相關，是能表征土壤肥力的重要指標[17]。觀察發(fā)現(xiàn)，澆灌廢水后的土壤與對照(清水)相比，顏色變黑、土質變松，說明該廢水可能有改善土壤結構的作用。水稻收獲后土壤的理化指標如表3所示，經一季水稻栽培試驗后，與對照組相比，25%、50%、75%、100%廢水灌溉的土壤有機質含量分別顯著提高了36.18%、74.12%、85.93%、103.77%。隨著廢水施用比例的增加，土壤有機質含量呈上升趨勢。

雖然在不同比例廢水灌溉下，土壤有機質含量與對照組相比都有顯著提高，但水稻產量沒有顯著增加，甚至在100%廢水灌溉下出現(xiàn)了水稻減產情況。表明廢水灌溉雖然增加了土壤有機質含量，但廢水中的有機組分中可能含有有害成分，如酚類衍生物、呋喃化合物和有機酸等對水稻產生了一定的毒害作用[18]。因此，廢水中的有害組分分析及其毒害作用消減機制值得深入研究，這對該廢水的資源化循環(huán)利用具有重要意義。

2.3.2 對土壤氮含量的影響

土壤全氮是有機氮和無機氮之和，氮含量充足能夠促進植物葉片生長，從而增強光合作用。如表3所示，經一季水稻栽培試驗后，與對照相比，25%、50%、75%、100%廢水灌溉的土壤全氮含量分別提高了26.52%、73.47%、67.35%、75.51%。通過灌溉廢水，土壤中全氮含量與對照組相比顯著增加，但高比例廢水(50%、75%、100%廢水)灌溉之間的土壤全氮含量差異并不顯著。

與對照相比，25%、50%、75%、100%廢水灌溉土壤氨態(tài)氮含量分別提高了113.18%、241.81%、312.81%、171.75%，其中高比例廢水(50%、75%、100%廢水)灌溉氨態(tài)氮含量與對照(清水)相比差異顯著，硝態(tài)氮含量則無明顯差異。氨態(tài)氮中含有的銨根離子易于被吸收到土壤中，能夠確保土壤肥力不流失；硝態(tài)氮中含有的硝酸根離子能夠更好地與水相融，肥效快。因此，在水稻種植初期對氨態(tài)氮需求較高，而硝態(tài)氮則在水稻種植后期土壤肥力不足時作追肥使用。高濃度比例水熱碳化廢水灌溉后土壤中氨態(tài)氮含量顯著增加，可為下一季輪作作物提供肥力保障。

表3 水稻土壤理化指標

2.3.3 對土壤磷鉀含量的影響

水熱碳化廢水的施用對土壤中全磷、全鉀含量基本沒有影響。不同比例廢水施用后土壤全磷、全鉀和速效磷含量與對照組相比無顯著差異。

綜上，生物質水熱碳化廢水輸入土壤后，土壤中有機質、全氮、氨態(tài)氮含量均有提高，土壤整體理化性質得到了改善，但是其營養(yǎng)的流失性還有待考察。

3 小結

與對照組相比，不同比例廢水灌溉對水稻株高生長都一定的抑制作用，并且隨著廢水施用比例的增加，對水稻株高的抑制作用逐漸增強。低比例廢水灌溉對水稻產量影響不大，但廢水完全替代清水(100%廢水)灌溉下水稻減產14.20%。

廢水施用下，土壤肥力有一定的提高，土壤中有機質、全氮、氨態(tài)氮含量明顯增加，但全磷、全鉀、硝態(tài)氮和速效磷含量沒有顯著變化。

本試驗結果表明，水稻生產中，生物質水熱碳化廢水的最大施用比例以75%為宜，既可以獲得較好的作物產量，又對土壤理化性質有一定改善，增加土壤肥力。