半干旱条件下橄榄油厂废水的季节性土壤行为动态：基于渗漏仪实验的见解

《Biotechnology for the Environment》：Seasonal dynamics of olive mill wastewater behavior in soil: insights from a lysimeter experiment under semi-arid conditions

本文基于渗漏仪实验，系统研究了橄榄油厂废水（OMW）在半干旱气候条件下的季节性动态行为。结果表明，湿润冬季会促进OMW渗透，提高淋滤液中可溶性酚类化合物（SPC）和电导率（EC）水平；温和春季则有利于降解过程，降低SPC并减轻表土斥水性；炎热干燥的夏季会诱导OMW衍生化合物在表土层聚合与积累。这些发现强调了季节特异性管理策略的必要性，为OMW作为有机土壤改良剂的可持续安全利用提供了科学依据。

　　

引言

橄榄油厂废水（OMW）是橄榄油生产过程中的副产物，在地中海农业中常被用作有机改良剂，但其在真实季节性情景下的环境行为仍不够明确。OMW含有高浓度的有机质和多酚类化合物，可能影响土壤与地下水质量。理解其在季节性变化气候条件下的归趋，对于评估环境风险与资源化潜力至关重要。尽管已有不少田间研究，但关于OMW衍生多酚在土壤淋滤液中的组成与浓度及其对地下水污染风险的研究仍很缺乏，且大多无法在可控条件下重现季节变化的影响。因此，本研究采用实验室渗漏仪实验，模拟突尼斯半干旱条件下OMW施用后的行为，旨在探究不同季节（两个冬季、一个春季和一个夏季）对OMW降解与迁移的动态控制作用。

材料与方法

实验土壤采集自突尼斯斯法克斯地区（北非）的农业用地，为砂质壤土。使用的OMW呈强酸性（pH 5.35），电导率（EC）高，有机负荷极高，总酚含量（TPC）达6.47±0.10 g GAE L^-1。实验设置了四个渗漏仪（三个OMW处理，一个对照），模拟了18周内四个典型季节阶段：第一个冬季模拟（WS1）、春季模拟（SPS）、夏季模拟（SS）和第二个冬季模拟（WS2）。通过人工控制温度、光照和模拟降雨来重现各季节条件。OMW在WS1初期一次性施用，施用量为5 L m^-2（即50 m³ha^-1），符合突尼斯环境保护部的推荐单次施用量。在整个实验期间，定期收集淋滤液并分析其理化性质，包括可溶性酚类化合物（SPC）、pH、电导率（EC）、水滴渗透时间（WDPT，用于评估土壤斥水性）以及溶解性有机碳（DOC）的质量（通过特定紫外吸收值SUVA₂₅₄表征）。同时，利用埋设的探头监测10 cm和30 cm深度土壤含水量的动态变化。

结果

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  土壤含水量动态：OMW处理显著改变了土壤水分动态，且三个重复处理间（OMW1-3）存在差异。OMW1初始入渗最快，OMW2水分下降最慢，OMW3则表现出较高的峰值保持力和夏季干旱期的恢复力。总体而言，即使在相同的OMW剂量下，各处理在含水量峰值大小、下降速率和干旱期残留持水量方面均存在明显差异。
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  pH与EC动态：OMW施用普遍提高了淋滤液的EC并降低了pH。在整个实验期间，所有OMW处理渗漏仪的EC均显著高于对照。在第二个冬季模拟（WS2）期间，所有OMW处理的EC达到最高值（OMW1: 1690 μS cm^-1，OMW2: 1733 μS cm^-1，OMW3: 1992 μS cm^-1）。pH值在所有处理（包括对照）中均表现出较大的时间变异性，范围在7.0至8.4之间，未发现与OMW施用相关的明确趋势。
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  有机质动态（TOC, SPC, SUVA₂₅₄）：OMW处理显著改变了淋滤液的有机质组成。在第一个冬季模拟（WS1）期间，OMW1和OMW2的淋滤液总有机碳（TOC）和可溶性酚类化合物（SPC）浓度最高。在春季模拟（SPS）期间，OMW2的TOC出现二次升高，而SPC在OMW1中降至接近对照水平。SUVA₂₅₄（反映DOC芳香性的指标）在WS1期间也达到峰值，表明有更多芳香性化合物被淋溶。经过夏季干旱后，在第二个冬季模拟（WS2）中，所有处理的SPC浓度均大幅下降至远低于初始OMW输入的水平，表明OMW衍生化合物发生了显著的转化或固定。
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  土壤表面与斥水性动态：OMW施用显著（p < 0.05）增加了表土的水滴渗透时间（WDPT），即增强了土壤斥水性（SWR）。在WS1期间，斥水性达到峰值，超过80%的测量点显示WDPT > 600秒（严重斥水）。在SPS期间，斥水性有所下降但仍显著。经过SS后，虽然大部分水滴在0-5秒内渗透，但统计比较显示SS期间的斥水性与其他阶段仍有显著差异。在WS2期间，斥水性以中等强度重新出现。相比之下，对照处理在整个实验期间均保持完全湿润状态（100%水滴在0-5秒内渗透）。SPC、TOC与WDPT之间存在显著正相关，表明高浓度的可溶性酚类和有机碳与强土壤斥水性相关。

讨论

本研究为OMW衍生化合物在突尼斯土壤中的季节性归趋动态提供了新见解。湿润的冬季条件有利于OMW可溶性组分的溶解和下渗迁移，导致淋滤液中SPC和TOC浓度升高，并形成斥水性表土结壳，这与OMW中两亲性和酚类化合物在土壤有机质和矿物表面的吸附有关。春季温和的温度和间歇性水分增强了微生物降解和非生物稳定化作用，表现为SPC和SUVA₂₅₄的总体下降以及土壤斥水性的部分缓解。然而，不同OMW处理批次间的差异响应表明，化合物转化受到初始入渗速度和土壤微环境异质性的影响。炎热干燥的夏季抑制了淋溶和微生物活动，可能促进了OMW衍生化合物的非生物聚合与缩合过程，导致其在表层土壤积累。尽管聚合通常增强斥水性，但实验中WDPT值的下降可能与盐分重新分布和表面化学变化有关。第二个冬季的再湿润 mobilizes 了剩余的可溶性组分，但SPC浓度远低于第一个冬季，表明大量OMW衍生物质在前期季节已被固定或聚合。持续存在的土壤斥性和高EC值证实了疏水性化合物和盐分的环境残留风险。

研究也指出了OMW在可控条件下应用的潜在农艺效益，如增加土壤有机碳输入可能改善土壤结构和持水能力。然而，这些效益高度依赖于施用时间、土壤质地、剂量和气候条件。总体而言，春季似乎是OMW施用的最佳窗口期，此时微生物降解有效，淋失风险较低。冬季和夏季施用则会带来更高的淋失和表层积累风险。本研究因仅使用一种土壤类型和一个OMW批次，结论的普适性受到限制。未来的研究应考虑土壤质地和OMW组成的多样性、重复年际施用带来的累积效应，并结合土壤孔隙结构等物理化学性质的完整表征，以更全面地评估OMW长期应用的环境影响。

结论

本研究表明，橄榄油厂废水（OMW）衍生化合物（尤其是OMW-OM）在突尼斯土壤中的环境归趋受季节性气候条件的严格调控。在模拟的冬季，较高的土壤湿度促进了SPC的渗透，但淋滤液浓度远低于原始OMW输入水平，表明在可控施用量下深层土壤污染风险有限。春季温和的条件增强了土壤微生物活动，显著降低了淋滤液中的SPC、TOC和SUVA₂₅₄值，并部分缓解了土壤斥水性。相反，相对炎热干燥的夏季条件抑制了生物降解，有利于OMW-OM的非生物聚合，导致疏水性化合物和残留物在土壤表面积累，促进了持续的土壤斥水性。

为实现OMW作为土壤改良剂的可持续利用，施用时机和土壤管理需与季节动态相协调。基于本研究，春季是OMW施用的最佳时期，此时土壤微生物降解能有效减少不稳定的（多）酚类，同时最小化淋失风险。建议采用适中的施用量并结合可控灌溉，以减缓渗透、稀释可溶性盐分，并促进OMW-OM的吸附和土壤微生物稳定化。需要对土壤淋滤液组成、土壤斥水性和盐度进行系统监测，以维护地下水质量和土壤健康。未来工作应评估OMW-OM和土壤斥水性在土壤剖面中的时空持久性，并纳入施用后土壤剖面的 dismantling 和重复孔隙表征，以量化OMW输入引起的孔隙尺度结构变化。这些结果凸显了在地中海农业中制定基于证据、对气候敏感的废水回用策略的必要性。OMW既是一种挑战，也是一种未充分利用的资源：若管理不当，它会威胁土壤-水系统；若策略性应用，则可为缺水地区的有机质富集、养分循环和循环生物经济目标做出贡献。将季节性动态纳入管理指南，对于扩大OMW的安全再利用、增强土壤在气候变化下的恢复力以及支持地中海地区的可持续橄榄生产系统至关重要。