氮、磷、钾是作物生长所必需的营养元素，其养分主要通过施用无机化肥提供。无机化肥的长期过量施用使土壤有机质减少以及发生酸化，导致土壤板结及次生盐碱化^[1-3]，肥料中过量的氮、磷通过地表径流和渗滤造成水体富营养化以及土壤、地下水污染等农业面源污染问题^[4-8]，与此同时化肥有效利用率明显下降^[9]。近年来，有机肥料特别是农牧业废弃物，如畜禽粪便、植物秸秆等在农业上取得较好的应用成果。胡诚等^[10]研究长期施用生物有机肥对土壤肥力及微生物生物量碳的影响，结果表明长期施用生物有机肥的土壤肥力明显提高，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、微生物生物量碳含量增加。安婷婷等^[11]研究施用有机肥对黑土团聚体有机碳的影响，结果表明施用有机肥显著增强了土壤的团聚（粒）化作用，改善土壤结构，可在一定程度上抵消耕作对团聚体的破坏作用。

马铃薯淀粉加工废水产生于马铃薯清洗过程、马铃薯浆液的分离过程以及淀粉精制洗涤过程，是一种富含小颗粒淀粉、多糖、纤维、蛋白、磷、钾的高浓度有机废水^[12]，直接排入水体会造成水体恶臭、富营养化等危害。目前针对马铃薯淀粉加工废水的治理技术以厌氧-好氧联合生物处理方式为主^[13-15]，其他处理技术还包括电絮凝法^[16]、电化学法^[17]、Fenton-厌氧法^[18]等，但由于马铃薯淀粉加工主要集中在西北、华北、东北地区，生产季节气温低、时间短（通常不足3个月），这些技术往往面临投资费用大、运行成本高、难以稳定达标排放等问题。且废水达标治理本身也是一种资源浪费，如何在经济、技术可行的情况下处理马铃薯淀粉加工废水已成为企业发展的关键环节。马铃薯淀粉加工废水还田利用是解决这一难题的有效途径，目前在黑龙江、内蒙古、宁夏、甘肃等地已有实际应用，但国家尚未出台马铃薯淀粉加工废水还田利用的标准和实施指南，还田利用对土壤耕层土壤养分及环境质量的影响也缺乏整体论述。本研究选取宁夏固原市6家马铃薯淀粉生产企业，分别采集企业未施用马铃薯淀粉加工废水的土壤及施用3~10年马铃薯淀粉加工废水的土壤样品，检测土壤环境质量及土壤养分的相关指标，通过配对样本t检验和综合指数评价分析马铃薯加工废水还田利用对土壤养分及重金属的影响，以期为马铃薯淀粉加工废水的还田利用提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验地点与时间

选择宁夏固原市6家马铃薯淀粉企业的自有流转土地，企业每年在马铃薯淀粉生产结束后（11—12月）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· hm^-2，施用的马铃薯淀粉加工废水成分见表 1。施用马铃薯加工废水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和其他有机肥，不施用马铃薯淀粉加工废水的农田种植时根据作物需求施用尿素、磷酸二氢钾等氮、磷、钾化肥。

土壤采样时间为2018年9月25—26日。

1.2 样品采集及处理

分别在未施用马铃薯淀粉加工废水的农田和已施用马铃薯淀粉加工废水的农田选取3个点位，用取土钻采集0~30 cm的土壤样品，每个样品量不少于0.5 kg。采集后3个点位的样品混合组成一个混合样，用自封袋封装。

采集的样品置于样品盘中摊成薄层（厚约2 cm），放在室内阴凉通风处自行干燥。风干后的样品挑出植物根、叶、虫体、沙石等，用土壤样品粉碎机粉碎至全部样品通过2 mm孔径筛。将过2 mm孔径筛的土样采用四分法分样直至剩余约1 kg样品，取出其中约500 g样品继续碾磨使之全部过0.25 mm孔径筛，用于检测分析，另外约500 g样品做好标签用自封袋封存。

1.3 分析指标与测定方法

样品分析测定指标主要包括土壤环境指标：pH、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）；土壤养分指标：有机质、全氮、水解氮、有效磷、速效钾。具体测定方法详见表 2。

1.4 土壤养分综合指数和土壤环境质量指数

参考北京市土壤养分分等定级标准，选择土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾共4项指标数据（表 3），计算土壤养分综合指数（I）。

式中：I代表土壤养分综合指数；F_i代表第i个指标的评分值，取值见表 3；W_i代表第i个指标的权重，有机质权重值为0.30，全氮权重值为0.25，有效磷权重值为0.25，速效钾权重值为0.20。

根据《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ 332—2006）中综合质量指数计算方法^[19]，计算农田土壤环境综合质量指数（q）。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2016对数据进行处理分析，采用SPSS 21.0软件进行配对样本t检验分析，显著性水平α=0.05。

2 结果与讨论 2.1 对耕层土壤养分的影响分析

施用和未施用（CK）马铃薯淀粉加工废水土壤各项养分统计分析结果见表 4。土壤养分各项指标的配对样本t检验结果P值均小于0.05，施用马铃薯淀粉加工废水后农田土壤各项养分显著提高，这与方海军等^[20]对宁夏南部山区马铃薯淀粉加工废水农业利用试验的研究结论一致。尤其是土壤中水解氮、有效磷和速效钾含量增幅显著，分别提高了1.84、3.15倍、7.15倍（表 5），这也说明马铃薯淀粉加工废水富含大量氮、磷、钾等成分（表 1），是很好的农业肥料。

参考北京市土壤养分分等定级标准，土壤养分可根据综合指数I分为五级，即为极低（0≤I＜30）、低（30≤I < 50）、中（50≤I < 75）、高（75≤I < 95）、极高（95≤I < 100）。选择表 5土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾共4项指标数据，参考北京市土壤养分分等定级标准计算方法，评价施用马铃薯淀粉加工废水相比未施用农田土壤养分变化程度，依据表 5的各企业养分平均值计算，土壤养分综合指数I_未施用=53，养分水平为中；I_施用=83，养分水平为高。

2.2 土壤pH及各项重金属含量变化

农田土壤pH及重金属含量检测数据及各项指标统计分析结果见表 6，根据检测结果，施用与未施用马铃薯淀粉加工废水的农田土壤各项重金属含量均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）^[21]的风险筛选值，表明农田土壤环境质量良好。对土壤pH及镉、汞、砷、铅、镍、铜、锌、铬含量进行配对样本t检验分析，检验值P均大于0.05，表明施用与未施用马铃薯淀粉加工废水的土壤pH及各项重金属含量无显著差异。

农田土壤中重金属外源途径主要有施肥、污水灌溉以及通过大气、地下水的迁移^[22-24]。而本研究中主要变化因素为是否施用马铃薯淀粉加工废水，故马铃薯加工废水还田施用应重点监控原料马铃薯是否含有重金属成分，并关注土壤中重金属含量随施用年限的变化。

2.3 农田土壤环境质量影响分析

根据《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ 332—2006）^[19]，农产品产地土壤环境质量根据土壤各单项或综合质量指数（q）可以分为三级，即清洁（q≤ 0.7）、尚清洁（0.7 < q≤1.0）、超标（q>1.0）。参考该标准中土壤环境质量评价方法，基于表 6中土壤镉、汞、砷、铅、镍、铜、锌、铬含量数据计算各企业施用与未施用马铃薯淀粉加工废水的农田土壤环境综合质量指数（表 7）。结果表明施用与未施用马铃薯淀粉加工废水的农田土壤环境质量均属于清洁等级，施用马铃薯淀粉加工废水农田土壤环境综合质量指数（q）平均值为0.418，略高于未施用马铃薯淀粉加工废水农田土壤环境综合质量指数平均值（0.405）。对各企业土壤环境综合质量指数进行配对样本t检验分析，结果P=0.46> 0.05，表明施用与未施用马铃薯淀粉加工废水的农田土壤环境综合质量指数无显著差异。此分析结果与各企业土壤矿物成分中金属含量配对样本t检验分析结论相互印证，表明施用马铃薯淀粉加工废水短时间内不会造成农田土壤的环境质量显著变化。

3 结论

（1）施用马铃薯淀粉加工废水的农田土壤中有机质、全氮、水解氮、有效磷、速效钾含量显著提高，尤其是土壤的水解氮、有效磷和速效钾含量增幅极为显著，表明施用马铃薯淀粉加工废水可以提高农田土壤养分水平。参考北京市土壤养分分等定级标准，未施用马铃薯淀粉加工废水的土壤养分为中级水平，施用后土壤养分为高级水平。

（2）各企业施用马铃薯淀粉加工废水的农田相比未施用马铃薯淀粉加工废水的农田，土壤中镉、汞、砷、铅、铜、锌、镍、铬含量没有显著变化，且均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618 —2018）的风险筛选值，土壤环境质量良好。施用马铃薯淀粉加工废水的农田土壤环境综合质量指数与未施用的农田土壤没有显著差异，且均属于清洁等级。