甘蔗輪作模式選擇及糖蜜廢水處理方法

黃飛 馬麗娟 黃國迪 盧杰

摘 要：甘蔗長期連作會引起土壤營養(yǎng)元素失衡、土壤酶活性降低和土壤質(zhì)量下降，導(dǎo)致甘蔗生育期延長，產(chǎn)量和品質(zhì)下降。甘蔗連作障礙會嚴(yán)重影響甘蔗的宿根性，且隨著宿根年限的延長，土壤性狀逐年惡化，導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量和宿根性逐年下降，病蟲害加重。文章描述甘蔗輪作模式和糖蜜廢水處理方法，旨在為我國甘蔗產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。甘蔗分別與香蕉、花生、玉米和菠蘿等作物合理輪作，可調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的有效性，消減自毒物質(zhì)積累，改善微生態(tài)環(huán)境，增加生物多樣性，維持土壤生境平衡，改善土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性，從而改良土壤理化性狀，減少蟲害及土傳病害，有效避免連作障礙，最終提高甘蔗和輪作作物產(chǎn)量。糖蜜廢水含有大量有機物，經(jīng)農(nóng)灌法、自然氧化糖法、生化處理法、濃縮法和噴漿造粒法處理后作為肥料施用，對改善土壤環(huán)境和提高制糖業(yè)資源利用效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：甘蔗；輪作；糖蜜廢水；發(fā)酵；噴漿造粒

中圖分類號：S566.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-820X（2023）06-0034-04

收稿日期：2023-09-19

通訊作者：盧杰（1996-），男，農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)種植工作，E-mail：1432034541@qq.com

第一作者：黃飛（1992-），女，農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)種植工作，E-mail：1252897364@qq.com

0 引言

甘蔗是全球第一大糖料作物和第二大生物能源作物，我國是世界第三大甘蔗生產(chǎn)國，制糖業(yè)是我國食品行業(yè)的基礎(chǔ)工業(yè)，甘蔗產(chǎn)量和蔗糖產(chǎn)量對國民經(jīng)濟發(fā)展貢獻(xiàn)巨大［1］。同一地塊上常年種植同一種作物會使作物生長受到抑制，出現(xiàn)作物產(chǎn)量、質(zhì)量和產(chǎn)出比降低問題，常稱為連作障礙［2］。甘蔗常年連續(xù)種植后土壤中的微量元素失衡，有益微生物缺乏，土壤質(zhì)量下降，甘蔗生育期延長，導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)降低［3］。近年來，大部分蔗區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的連作障礙，甘蔗宿根性逐漸變差，且受甘蔗宿根年限延長及不科學(xué)施肥等因素影響，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)下降，難以支撐甘蔗健康生長。甘蔗連作障礙還會引起甘蔗病蟲害增加，進(jìn)而導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)逐年下降［4］。已有研究表明，通過選用高抗品種、進(jìn)行不同作物輪作、開展病蟲害生物防治、施有機肥或有機物料增加土壤有機質(zhì)等方式可有效緩解作物連作障礙［2］。其中，甘蔗與不同作物合理輪作可調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的有效性，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，增加土壤生物多樣性，改善土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性，減少作物蟲害及土傳病害，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量［5］，是有效避免連作障礙的種植模式。

糖蜜廢水又稱糖蜜酒精發(fā)酵液，是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，由含量達(dá)50%的總糖、懸浮膠體、礦物質(zhì)、維生素和其他成分組成［6］。在制糖過程中，我國每年約產(chǎn)生4億t糖蜜廢水，但多數(shù)被直接丟棄，僅少數(shù)用來飼養(yǎng)動物。陽小松和李必［7］研究表明，糖蜜廢水可開發(fā)為廉價的碳源用于生產(chǎn)工業(yè)上許多重要的化學(xué)品。糖蜜廢水屬于深棕色的酸性液體，含有豐富的營養(yǎng)成分，但化學(xué)需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）極高［8］，需經(jīng)預(yù)處理（少數(shù)可經(jīng)天然處理）才能作為微生物工業(yè)原料［9］。目前，廣西大部分地區(qū)的土壤養(yǎng)分存在氮、磷、鉀等大量元素及鈣、猛、硼等中微量元素含量偏低問題，且有機質(zhì)含量也偏低［10］，如能將糖蜜酒精發(fā)酵液應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，既能解決糖蜜廢水污染環(huán)境問題，又能提高資源利用率。魏光濤等［11］研究顯示，利用糖蜜廢水生產(chǎn)肥料，可降低農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本，還可改善其產(chǎn)量和質(zhì)量，增加種植戶收入，有利于甘蔗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 甘蔗輪作的主要模式

不同作物間的輪作模式及輪作周期選擇，對調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)和降低連作障礙效果不同。選擇合適的作物進(jìn)行輪作，對病蟲害防治和產(chǎn)量提高的效果更佳［12］?；趶V西甘蔗種植存在較嚴(yán)重連作障礙的問題，結(jié)合其他作物的分布情況，可選擇以下幾種作物與甘蔗進(jìn)行輪作。

1.1 甘蔗與香蕉輪作

香蕉是芭蕉科芭蕉屬草本植物，是部分國家的主要食物來源，與水稻、小麥和玉米并稱為四大糧食作物，是世界上最重要的水果之一。甘蔗與香蕉均屬于熱帶亞熱帶作物，經(jīng)濟價值均相對較高。劉文清等［13］研究表明，常年種植香蕉的地塊在輪作甘蔗2～3年后，土壤pH逐年下降，土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶、多酚氧化酶和纖維素酶活性持續(xù)升高，交換性酸、硝態(tài)氮、有效磷、有效鉀、有效硫、有效鋅和有效硼等養(yǎng)分含量和鈣鎂比持續(xù)增大，說明香蕉與甘蔗進(jìn)行合理輪作，能有效改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量。此外，甘蔗與香蕉輪作還能抑制香蕉枯萎病發(fā)生。香蕉地輪作甘蔗2年后土壤理化性質(zhì)得到有效改善，其中，種植甘蔗2年后再種植香蕉3年是最適宜的甘蔗與香蕉輪作模式。

1.2 甘蔗與花生輪作

范業(yè)賡等［4］研究發(fā)現(xiàn)，在花生—花生—甘蔗種植模式中，種植花生后選擇甘蔗進(jìn)行輪作，新種植甘蔗的出苗率、分蘗率和有效莖數(shù)明顯提高，且輪作后甘蔗的蔗糖分平均提高約0.5%，蔗汁純度提高10%；選擇花生與甘蔗進(jìn)行合理的輪作，可緩解土壤酸化，有效改善土壤理化性質(zhì)，加速水解性氮、有機質(zhì)和速效鉀釋放，對提高甘蔗產(chǎn)量和出糖率效果明顯。

1.3 甘蔗與玉米輪作

周忠鳳等［14］研究指出，甘蔗輪作玉米可顯著提高土壤全氮和有效磷含量、過氧化氫酶和脲酶活性及細(xì)菌數(shù)，甘蔗出苗率、分蘗率、產(chǎn)量和糖分也得到提高（比甘蔗連作分別提高3.4%、9.5%、6.2 t/hm2和0.63%）。范業(yè)賡等［4］開展青飼玉米—青飼玉米—甘蔗輪作模式研究，結(jié)果顯示種植兩季玉米后再種植甘蔗，甘蔗的分蘗率和產(chǎn)量分別較甘蔗連作模式提高10.3%和7.7%。

1.4 甘蔗與菠蘿輪作

鄭超等［15］研究認(rèn)為，菠蘿與甘蔗輪作能有效改善土壤通氣性和持水能力，使地塊更適合甘蔗根系生長；能改善土壤微生物結(jié)構(gòu)，提升有益微生物種群數(shù)量，降低有害微生物數(shù)量，進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)，加速土壤有效養(yǎng)分釋放，有利于甘蔗吸收養(yǎng)分正常生長。

2 糖蜜廢水的處理方法

利用糖蜜廢水還田能提高土壤有效養(yǎng)分，其肥效與化肥相當(dāng)，且不會對土壤微生物數(shù)量、生物量和酶活性等土壤生物學(xué)特性造成不良影響，可作為化肥的替代肥源［10］。

2.1 糖蜜廢水的主要成分和特征

糖蜜廢水是糖蜜經(jīng)過酒精和檸檬酸發(fā)酵并提取粗酒精和檸檬酸后排放的廢水，每生產(chǎn)1 t酒精約產(chǎn)生13～15 t廢水。糖蜜廢水有以下特點：①化學(xué)耗氧量和生化耗氧量極高，屬于高濃度有機廢水；②含有無機酸和有機酸，腐蝕性強，田間直接排放易導(dǎo)致土地變硬；③其中的固形物多數(shù)為有機質(zhì)，包括糖分、蛋白質(zhì)、氨基酸和微生物等，含有氮、磷、鉀、鈣、鎂和硫等元素［16，17］。

2.2 糖蜜廢水的主要處理方法

目前，糖蜜廢水的主要處理方法有農(nóng)灌法、自然氧化糖法、生化處理法（厭氧沼氣法和厭氧后曝氣法）、濃縮法和新型噴漿造粒法。

2.2.1 農(nóng)灌法

甘蔗糖蜜廢水中有機物及氮、磷和鎂含量高，尤其以鉀含量更高。因此，經(jīng)簡單的工藝處理即可作為良好的有機肥在田間施用，這是常見的利用方法。通常情況下，在灌溉前需先將廢水中的有機質(zhì)含量稀釋、降低到適宜水平［18］，加入適量的堿中和后在一個巨大的氧化塘儲存15 d才能用來澆灌田地。農(nóng)灌法處理糖蜜廢水工藝具有設(shè)備投資小和運行簡便特點，能有效發(fā)揮甘蔗糖蜜廢水中有機物和其他養(yǎng)分的作用，在短時間內(nèi)提高作物產(chǎn)量。農(nóng)灌法也存在不足，即需建立大型儲槽來儲存廢水，且成本很高；不同土壤種類施用廢水量和時間不好掌握，長時間施用容易因營養(yǎng)成分單一造成土壤結(jié)構(gòu)損壞和土地硬化。

2.2.2 自然氧化糖法

這是一種原始、簡單、通過自然生物化學(xué)自我凈化功能進(jìn)行物理凈化的方法，但自凈化效率不高，占用土地面積大；在天然條件下會產(chǎn)生惡臭，無密閉條件還會污染地下水［19］。

2.2.3 生化處理法

對于高濃度的有機污水，一般是通過微生物的生理作用將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭兊臒o機物［19］。不管是進(jìn)行厭氧還是好氧處理，生化處理法處理糖蜜廢水存在耗時長、使用設(shè)備容積大和占地多等缺陷。

2.2.4 濃縮處理法

該方法通過對糖蜜廢水進(jìn)行多次汽化和濃縮，將水蒸氣引導(dǎo)至乙醇生產(chǎn)裝置的蒸餾器進(jìn)行間接加熱，達(dá)到節(jié)省燃油的目的。同時，蒸出的凝結(jié)水潔凈無雜質(zhì)，可代替乙醇進(jìn)行糖漿釀造，可降低細(xì)菌污染程度，且可實現(xiàn)一個密閉的生產(chǎn)流程［19］。但該方法存在必須使用進(jìn)口設(shè)備、清液蒸發(fā)濃縮處理能耗高及效率低等問題。我國有大量的中小型酒精廠，如果設(shè)備全部依靠進(jìn)口，很難解決現(xiàn)存的糖蜜廢水污染治理問題［19］。

2.2.5 噴漿造粒處理法

新型噴漿造粒工藝是指將所用料漿通過一定條件噴射到設(shè)備中，經(jīng)過加熱增壓使料漿中的水分汽化并分離，留存不會汽化的固體形成粒狀［20］。噴漿造粒是由土壤水溶液、礦物質(zhì)和生物菌肥經(jīng)發(fā)酵干燥而成，該方法可確保有機肥中無任何有害物質(zhì)，既可保留土壤中的有機物和礦物質(zhì)，又可降低亞硝酸鹽和固化物含量，并轉(zhuǎn)化為對作物有用的物質(zhì)，還可迅速溶解原有的可溶性磷、難溶性鉀及其他微量元素，從而提高作物對微量元素的吸收利用率，改善有機肥品質(zhì)。此外，料漿中含有大量腐殖酸，通過噴漿造粒法可有效降低高含量腐植酸可能對植物造成的危害。

2.3 糖蜜噴漿造粒肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用效果

2.3.1 對桉樹的效果

廣西橫州市那陽鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水利站和新福鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水利站試驗工作組以桉樹苗進(jìn)行盆栽試驗，設(shè)對照組和顆粒肥組，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上，顆粒肥組每株桉樹苗額外施用糖蜜噴漿顆粒肥5.0 g。結(jié)果表明，處理后2個月顆粒肥組桉樹苗的株高和地徑分別較對照組提高30.7%和25.8%（圖1），說明施用糖蜜噴漿顆粒肥對桉樹苗生長具有明顯促進(jìn)作用。

2.3.2 對柑橘的效果

廣西橫州市那陽鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水利站和新福鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水利站試驗工作組利用1.5年樹齡的有核沃柑開展大田試驗，設(shè)對照組和顆粒肥組，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上，顆粒肥組每株沃柑額外施用糖蜜噴漿顆粒肥250.0 g。結(jié)果表明，處理后2個月，顆粒肥組沃柑的地徑較較對照組提高5.5%（圖2），說明施用糖蜜噴漿顆粒肥對沃柑根系生長具有明顯促進(jìn)作用。

2.3.3 對玉米的作用

廣西橫州市那陽鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水利站和新福鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水利站試驗工作組以新種植的玉米開展試驗，設(shè)對照組和顆粒肥組，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上，顆粒肥組每株玉米額外施用糖蜜噴漿顆粒肥5.0 g。結(jié)果表明，在玉米成熟時，以五點劃分法采樣測定顆粒肥組玉米的株高、地徑、玉米鮮重和干重（產(chǎn)量）分別較對照組提高11.4%、14.5%、34.0%和41.4%（圖3和圖4），說明施用糖蜜噴漿顆粒肥對玉米生長和增產(chǎn)均具有明顯促進(jìn)作用。

3 總結(jié)

甘蔗連作種植產(chǎn)生的連作障礙會影響甘蔗產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，結(jié)合廣西其他作物的布局，分別選擇香蕉、花生、玉米和菠蘿等作物與甘蔗合理輪作，不僅可改善土壤微生態(tài)環(huán)境，增加生物多樣性，維持土壤生境平衡，改善土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性，還可減少蟲害及土傳病害發(fā)生，進(jìn)而提高甘蔗和輪作作物產(chǎn)量。在甘蔗產(chǎn)業(yè)的終端，從生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源重復(fù)利用的角度，充分開發(fā)利用制糖產(chǎn)生的糖蜜廢水生產(chǎn)肥料，有利于保障我國甘蔗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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（責(zé)任編輯 思利華）