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元素失衡、土壤酶活性降低和土壤質量下降，導致甘蔗生育期延長，產量和品質下降。甘蔗連作障礙會嚴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，導致甘蔗產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，旨在為我國甘蔗產業的健康可持續發展提供參考依據。甘蔗分別與香蕉、花生、玉米和菠蘿等作物合理輪作，可調節土壤養分的有效性，消減自毒物質積累，改善微生態環境，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構，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量。糖蜜廢水含有大量有機物，經農灌法、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，對改善土壤環境和提高制糖業資源利用效率具有重要意義。

關鍵詞：甘蔗；輪作；糖蜜廢水；發酵；噴漿造粒

中圖分類號：S566.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：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，農藝師，主要從事農業種植工作，E-mail：1432034541@qq.com

第一作者：黃飛（1992-），女，農藝師，主要從事農業種植工作，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國，制糖業是我國食品行業的基礎工業，甘蔗產量和蔗糖產量對國民經濟發展貢獻巨大［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，出現作物產量、質量和產出比降低問題，常稱為連作障礙［2］。甘蔗常年連續種植后土壤中的微量元素失衡，有益微生物缺乏，土壤質量下降，甘蔗生育期延長，導致產量和品質降低［3］。近年來，大部分蔗區出現了嚴重的連作障礙，甘蔗宿根性逐漸變差，且受甘蔗宿根年限延長及不科學施肥等因素影響，導致土壤有機質下降，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，進而導致甘蔗產量和品質逐年下降［4］。已有研究表明，通過選用高抗品種、進行不同作物輪作、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節土壤養分的有效性，改善土壤微生態環境，增加土壤生物多樣性，改善土壤肥力和土壤結構，提高土壤酶活性，減少作物蟲害及土傳病害，進而提高作物產量［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酵液，是制糖工業的副產品，由含量達50%的總糖、懸浮膠體、礦物質、維生素和其他成分組成［6］。在制糖過程中，我國每年約產生4億t糖蜜廢水，但多數被直接丟棄，僅少數用來飼養動物。陽小松和李必［7］研究表明，糖蜜廢水可開發為廉價的碳源用于生產工業上許多重要的化學品。糖蜜廢水屬于深棕色的酸性液體，含有豐富的營養成分，但化學需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）極高［8］，需經預處理（少數可經天然處理）才能作為微生物工業原料［9］。目前，廣西大部分地區的土壤養分存在氮、磷、鉀等大量元素及鈣、猛、硼等中微量元素含量偏低問題，且有機質含量也偏低［10］，如能將糖蜜酒精發酵液應用于農業生產，既能解決糖蜜廢水污染環境問題，又能提高資源利用率。魏光濤等［11］研究顯示，利用糖蜜廢水生產肥料，可降低農產品生產成本，還可改善其產量和質量，增加種植戶收入，有利于甘蔗產業的可持續發展。

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，對調節土壤理化性質和降低連作障礙效果不同。選擇合適的作物進行輪作，對病蟲害防治和產量提高的效果更佳［12］。基于廣西甘蔗種植存在較嚴重連作障礙的問題，結合其他作物的分布情況，可選擇以下幾種作物與甘蔗進行輪作。

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，土壤轉化酶、脲酶、多酚氧化酶和纖維素酶活性持續升高，交換性酸、硝態氮、有效磷、有效鉀、有效硫、有效鋅和有效硼等養分含量和鈣鎂比持續增大，說明香蕉與甘蔗進行合理輪作，能有效改善土壤的理化性質，提高土壤質量。此外，甘蔗與香蕉輪作還能抑制香蕉枯萎病發生。香蕉地輪作甘蔗2年后土壤理化性質得到有效改善，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

范業賡等［4］研究發現，在花生—花生—甘蔗種植模式中，種植花生后選擇甘蔗進行輪作，新種植甘蔗的出苗率、分蘗率和有效莖數明顯提高，且輪作后甘蔗的蔗糖分平均提高約0.5%，蔗汁純度提高10%；選擇花生與甘蔗進行合理的輪作，可緩解土壤酸化，有效改善土壤理化性質，加速水解性氮、有機質和速效鉀釋放，對提高甘蔗產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菌數，甘蔗出苗率、分蘗率、產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%）。范業賡等［4］開展青飼玉米—青飼玉米—甘蔗輪作模式研究，結果顯示種植兩季玉米后再種植甘蔗，甘蔗的分蘗率和產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構，提升有益微生物種群數量，降低有害微生物數量，進而改善土壤結構，加速土壤有效養分釋放，有利于甘蔗吸收養分正常生長。

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分，其肥效與化肥相當，且不會對土壤微生物數量、生物量和酶活性等土壤生物學特性造成不良影響，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

糖蜜廢水是糖蜜經過酒精和檸檬酸發酵并提取粗酒精和檸檬酸后排放的廢水，每生產1 t酒精約產生13～15 t廢水。糖蜜廢水有以下特點：①化學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，田間直接排放易導致土地變硬；③其中的固形物多數為有機質，包括糖分、蛋白質、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。農灌法處理糖蜜廢水工藝具有設備投資小和運行簡便特點，能有效發揮甘蔗糖蜜廢水中有機物和其他養分的作用，在短時間內提高作物產量。農灌法也存在不足，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成分單一造成土壤結構損壞和土地硬化。

2.2.2 自然氧化糖法

這是一種原始、簡單、通過自然生物化學自我凈化功能進行物理凈化的方法，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變為單純的無機物［19］。不管是進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行多次汽化和濃縮，將水蒸氣引導至乙醇生產裝置的蒸餾器進行間接加熱，達到節省燃油的目的。同時，蒸出的凝結水潔凈無雜質，可代替乙醇進行糖漿釀造，可降低細菌污染程度，且可實現一個密閉的生產流程［19］。但該方法存在必須使用進口設備、清液蒸發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，如果設備全部依靠進口，很難解決現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備中，經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、礦物質和生物菌肥經發酵干燥而成，該方法可確保有機肥中無任何有害物質，既可保留土壤中的有機物和礦物質，又可降低亞硝酸鹽和固化物含量，并轉化為對作物有用的物質，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。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業生產上的應用效果

2.3.1 對桉樹的效果

廣西橫州市那陽鎮農業水利站和新福鎮農業水利站試驗工作組以桉樹苗進行盆栽試驗，設對照組和顆粒肥組，在常規施肥基礎上，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作用。

2.3.2 對柑橘的效果

廣西橫州市那陽鎮農業水利站和新福鎮農業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，設對照組和顆粒肥組，在常規施肥基礎上，顆粒肥組每株沃柑額外施用糖蜜噴漿顆粒肥250.0 g。結果表明，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作用。

2.3.3 對玉米的作用

廣西橫州市那陽鎮農業水利站和新福鎮農業水利站試驗工作組以新種植的玉米開展試驗，設對照組和顆粒肥組，在常規施肥基礎上，顆粒肥組每株玉米額外施用糖蜜噴漿顆粒肥5.0 g。結果表明，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均具有明顯促進作用。

3 總結

甘蔗連作種植產生的連作障礙會影響甘蔗產業健康發展，結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環境，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構，提高土壤酶活性，還可減少蟲害及土傳病害發生，進而提高甘蔗和輪作作物產量。在甘蔗產業的終端，從生態環境保護和資源重復利用的角度，充分開發利用制糖產生的糖蜜廢水生產肥料，有利于保障我國甘蔗產業的可持續發展。

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（責任編輯 思利華）