甘蔗秸稈綜合利用技術研究現狀

梁 強，梁宏衛，胡水鳳，韋淙凱，歐陽靜，韋海勇，劉曉燕，李毅杰，林善海，李楊瑞，宋修鵬*

(1 廣西農業科學院甘蔗研究所，廣西南寧 530007；2 廣西博慶食品有限公司，廣西宜州 546300；3 廣西來賓東糖集團有限公司，廣西來賓 546100；4 廣西博宣食品有限公司，廣西武宣 545900)

0 引言

甘蔗是我國重要糖料作物，根據2020/21 年榨季統計，廣西糖料蔗種植面積超過73.3 萬hm2，如秸稈(蔗葉+尾梢)產量按9 t/hm2計，總量超過660萬t。大量甘蔗秸稈殘留在蔗田中，由于甘蔗秸稈纖維分含量較高，當年不易自然腐化，不僅影響來年的農事管理，而且增加了病、蟲、草源的數量。甘蔗秸稈的傳統處理方式為簡單的露天焚燒，此種方法雖然簡單高效，但其向大氣排放的大量二氧化碳氣體和煙塵顆粒不僅加重全球溫室效應，還給人類呼吸健康帶來危害[1-3]。對此，國家相關部門制定了嚴格的法律法規對露天焚燒加以嚴控，并要求對秸稈進行科學、無害、資源化處理。如《中華人民共和國大氣污染防治法》第七十六條提出，各級人民政府及其農業行政等有關部門應當鼓勵和支持采用先進適用技術，對秸稈、落葉等進行肥料化、飼料化、能源化、工業原料化、食用菌基料化等綜合利用，加大對秸稈還田、收集一體化農業機械的財政補貼力度。在國家法律的推動和政策的指引下，秸稈收儲運輸體系日益健全完善，其綜合利用技術不斷創新和推廣，以秸稈為紐帶的秸稈產業正在將秸稈收集與生態種養、秸稈能源化和資源化形成有機銜接，并朝著高效、環保、低成本的方向發展。本文以此為切入點，通過試驗研究和收集整理前人的研究結果，對甘蔗秸稈處理良種化、肥料化、飼料化、能源化等技術措施進行整理分析，得出一套較為系統的甘蔗秸稈處理解決方案，為甘蔗秸稈資源化綜合利用處理技術的深入研究提供理論基礎。

1 良種化從源頭降低秸稈殘留

減少甘蔗生產中的秸稈殘留量是秸稈處理的源頭性問題，需要從產量、品質、田間性狀等各方面進行綜合考量。甘蔗品種眾多、性狀特征差異較大，如部分甘蔗品種葉片可隨著生長拔節陸續脫落，而有些品種在整個生長期內莖稈均被葉片緊緊包裹。在高產高糖的基礎上，選用自動脫葉且具有高收獲指數(低秸稈比例)的優良品種可在實際生產中具備諸多優勢。首先自動脫葉品種的葉片提前脫落時期與高溫雨水季節重疊，蔗葉的自然腐化具有充足時間和適宜環境，至收獲季節時蔗田中部分枯葉已腐熟軟化；同時，自然脫葉品種的尾梢生物量較小，從源頭上降低了秸稈殘留量。其次自動脫葉品種在收獲時蔗莖上葉片留存較少，人工砍收模式下只需頭尾兩刀即可打捆，而在機械化收獲模式下亦能顯著降低原料蔗含雜率，在有效降低人工剝葉成本的同時，滿足糖廠對進廠原料蔗較高的質量控制要求。再者，葉片自動提早掉落，田間通氣性好，從而可減少因高溫高濕引起的病蟲害[4-6]。

為了準確測定生產上常用品種的甘蔗秸稈留存量，課題組對生產常用品種的秸稈殘留量進行試驗調查。試驗選用桂糖29 號、桂糖42 號、桂糖44 號、桂糖46 號、桂糖47 號、桂糖49 號、桂糖55 號、桂糖58 號、桂糖59 號、桂糖60 號、柳城05-136、粵糖93-159、粵糖00-236、新臺糖22 號等14 個生產上較常用的品種作為研究對象，采用隨機區組設計，行距1.2 m，行長7 m，小區面積42 m2，5 行區，3 重復，每個參試品種下種量均為105000 芽/hm2；采用常規田間管理模式，甘蔗生長期間不對蔗葉進行任何處理。至甘蔗收獲期每小區連續選取20 株健康植株進行調查，于生長點往下10 cm 砍斷尾梢，之后分別稱取尾梢、蔗葉和莖稈的重量并按照重量比例進行計算，即秸稈占比=(尾梢重+蔗葉重)×100%/(莖稈重+尾梢重+蔗葉重)。結果如圖1 所示。

圖1 廣西部分甘蔗栽培品種收獲部分與秸稈部分占比

圖1 結果顯示，廣西生產上主要栽培品種的秸稈占比大部集中于10%～20%之間，其中以桂糖29號秸稈占比最高，桂糖60 號秸稈占比最低，而生產上種植面積最大的桂糖42 號和柳城05-136 秸稈占比分別為14.3%和13.3%。按照當前廣西甘蔗生長種植面積約73.3 萬hm2，平均單產75 t/hm2計算，如僅種植某單一品種，秸稈部分占比最高的桂糖29 號可產生秸稈921.3 萬t，而秸稈部分占比最低的桂糖60 號僅產生秸稈509.9 萬t，可減少秸稈量接近50%；此外，在脫葉性良好的品種桂糖60 號、桂糖42 號、桂糖46 號、柳城05-136、桂糖55 號中，桂糖42號和柳城05-136 可產生秸稈量分別為784.3 萬、732.1 萬t，桂糖60 號與二者相比亦可分別減少274.4萬、222.2 萬t。由此可見，自然脫葉品種兼具高產和低秸稈占比的優點，可以作為減少秸稈田間留存量的優良品種選擇。

2 肥料化實現營養物質的循環利用

2.1 秸稈粉碎原位還田

甘蔗秸稈中含有豐富的有機質和礦物質，砍收甘蔗之后采用機械將秸稈物理粉碎原位還田，可將其自身營養返還至土壤中，為下一輪甘蔗生長提供豐富營養源。粉碎后的秸稈顆粒物理形態較小、孔隙度大，與空氣和微生物的接觸面較大，有利于微生物繁殖生長，為自然腐熟提供良好的環境條件。當前常見的甘蔗收獲后秸稈殘留與粉碎機械作業如圖2 所示。

圖2 甘蔗收獲后秸稈殘留與粉碎機械作業

圖3 甘蔗尾梢青貯飼料加工流程圖

對甘蔗秸稈中的營養物質進行分析后發現，甘蔗秸稈中不僅含有較高的有機質和微量元素，而且N、P、K 也具有較高含量，分別為1.5%、0.26%和3.02%[7]。另有研究表明，單產達75 t/hm2的甘蔗地，蔗葉粉碎原位還田之后，與施用18.3 kg 氯化鉀、7.6kg 尿素和10.3 kg 鈣鎂磷肥具有同等肥效[8]。連續3年蔗葉粉碎原位還田實驗表明，土壤中有機質百分含量從1.5%提高到2.7%，堿解氮從63 mg/kg 增加到116 mg/kg，速效磷從3.7 mg/kg 增加到9.7 mg/kg，速效鉀從24.7 mg/kg 增加到55 mg/kg[9]。可見，甘蔗秸稈中含有豐富的營養物質，將其進行原位還田可增加蔗田土壤的有機質含量，減少肥料的施用，其操作簡易、經濟、有效。Chandre 等[10]研究發現在蔗葉粉碎還田后，土壤中細菌、真菌和放線菌等微生物數量較甘蔗葉焚燒均有提高。蔗葉粉碎還田的同時若能配施酒精廢液，將對促進土壤細菌、真菌和放線菌數量增加有更顯著的效果[11]。此外，謝金蘭[12]從蔗葉還田對甘蔗生長和土壤理化性狀的影響方面進行研究，得出蔗葉還田不僅給蔗地增肥，使甘蔗生長迅速，還可保障甘蔗高產穩產并提升其抗旱性和品質。葛暢等[13]的研究也發現甘蔗葉原位粉碎還田處理的出苗率、分蘗率、株高均高于原位深埋和原位焚燒。

秸稈原位還田發揮的積極作用如：①固定營養物質，減少養分流失，為來年甘蔗生長提供豐富的C、N 及礦質元素，實現營養物質循環利用；②增加土壤有機質，改善土壤理化性狀，提高土壤透氣保水能力，減輕化肥過度施用帶來的土壤板結及酸化問題，提升作物的增產潛力；③減少表層土壤水分蒸發和溫度過快下降，增強宿根蔗的御寒能力，抑制秸稈覆蓋區域雜草種子的萌發；④減少化肥施用，實現節本增收，減少過量施用化肥對農業及生態環境的污染；⑤提高土壤中有益微生物種群及數量。

針對秸稈還田的優勢和需求，目前國內研究單位研制出較多的蔗葉粉碎還田機械，如1JFD-2 型雙輥甘蔗葉粉碎還田機(中國熱帶農業科學院機械研究所)；1GYF-120 型、150 型、200 型、250 型甘蔗葉還田機(廣西貴港動力有限公司)；3SY-140 甘蔗田碎片還田機(廣西壯族自治區農業機械研究所)。同時，也制定了相關作業標準，如DB45/T 561-2008《蔗葉粉碎還田機械作業質量》。

2.2 腐熟發酵處理還田

甘蔗秸稈腐熟還田是把甘蔗秸稈進行收集之后與有機肥或腐熟劑相混合，通過人工干預把大分子有機質經過微生物發酵分解成小分子有機質和無機營養物質，使秸稈營養物質重新回歸到土壤中的一種技術方式。目前常用的腐熟基本方式包括：①收集→直接堆漚；②收集→粉碎→堆漚；③收集→粉碎+有機肥→堆漚；④收集→粉碎+腐熟劑→堆漚。然而在實際生產中，蔗農在考慮成本因素后多采用收集后直接堆漚的方式。

相對于直接粉碎還田，腐熟處理過程中增加人工干預措施，可加速秸稈有機質發酵分解。一般秸稈腐熟劑中含有大量能夠強烈分解纖維素、半纖維素、木質素的嗜熱耐熱放線菌和生物酶[14]，在微生物和酶的共同作用下，秸稈有機物發生一系列氧化反應，釋放出CO2、H2O 和能量。羅文麗[15]研究發現人工接種加入腐熟劑可加快秸稈的腐熟進程，經過腐熟處理后，蔗葉切碎處理腐熟率增加了4.64 個百分點，切碎之后加入腐熟劑腐熟率處理可增加6.1個百分點，切碎之后加農家肥處理腐熟率可增加9.18 個百分點。由此說明，甘蔗切碎之后加入農家肥進行堆漚腐熟是在幾種腐熟方法措施中速度最快、效率最高的，農家肥堆漚過程中微生物分解釋放出大量的熱量，加快了腐熟過程。這種方法簡單易行，如果具備量大且低成本的農家肥料來源時可采用該種技術措施。

2.3 秸稈碳化還田

生物碳作為一種具有高度穩定性的富碳物質，在其產生和儲存過程中能將生物質中碳素鎖定而避免經直接露天焚燒、微生物分解等途徑排放進入大氣[16]。近年來，秸稈碳化還田是一項新興的秸稈還田處理方式，即在缺氧條件下把動植物殘體經生物化工技術緩慢高溫熱解產生一類具有難熔、穩定、富含碳素特征的固態物質，然后返還農田。該方法可對土壤進行有效改良，解決農田肥力下降的問題，并且可以固定碳源，減少溫室氣體排放，為應對全球氣候變化提供新的解決方案。研究發現，生物碳的產生能夠留存至少40%的有機碳，對氣候變化和全球熱輻射平衡起到積極影響作用。因此，通過生物碳工藝把甘蔗秸稈中的碳固定下來，并將其返回到蔗田中，不僅可以有效減少甘蔗生產中因燃燒秸稈而直接向大氣排放碳，而且可以改善蔗田土壤肥力，減少氮肥施用量。

3 飼料化可為畜牧業提供大量青儲飼料來源

3.1 甘蔗尾梢鮮飼料營養價值高

甘蔗在人工砍收之后，收集尾梢部位(尾部綠葉、部分未成熟莖桿)作為家畜牛羊的青飼料，可補充冬季青飼料的短缺。甘蔗尾梢體量巨大，如果按照廣西甘蔗種植面積73.3 萬hm2，每年可產生秸稈（蔗葉+尾梢）660 萬t，其中新鮮尾梢500 萬t，具有巨大的原料儲備。對于蔗尾梢作為青貯飼料的適應性上，前人做了較多研究，王啟芝等[17]2018 年對比分析了甘蔗尾葉、玉米秸稈、象草3 種主要飼料作物的關鍵營養成分和能量值，發現甘蔗尾葉粗蛋白質含量介于玉米秸稈和象草之間，粗脂肪含量稍低于玉米秸稈和象草，說明對比玉米秸稈和象草，甘蔗尾葉具有較大的飼料應用潛力，但也存在一定的不足，如粗脂肪偏低和中性洗滌纖維偏高，降低了作為青飼料的適口性，牲畜偏好性略差，如表1 和表2 所示。

表1 幾種青飼作物的主要營養成分 單位：%

表2 幾種青飼作物的能量指標 單位：MJ/kg

3.2 尾梢半成品飼料加工發展迅速

甘蔗尾梢不僅營養豐富而且體量巨大，可作為牛羊等反芻類動物飼料的重要來源。作為青儲飼料原料加工，需與甘蔗的砍收同時進行。國內甘蔗砍收基本上處于人工砍收與機械砍收相結合模式，人工砍收模式占比遠超機械砍收，蔗田中產生的大量尾梢殘留給后續田間管理工作帶來較大影響。蔗農收集尾梢不僅可直接喂養自家牲畜，也可運往青儲飼料加工點銷售，按照2023 年的收購價格280 元/t計算，還可以增加2100～3000 元/hm2收入。甘蔗尾梢青儲飼料加工流程圖，甘蔗尾梢飼用方式以青貯或氨化為主，還有添加輔料或者采用微生物制劑進行改善甘蔗尾梢青貯飼料的品質[18]。粗飼料中粗蛋白含量較低、粗纖維含量高，動物不易消化吸收，采用精粗結合發酵可提高飼料蛋白質水平，有助于提高動物瘤胃對飼料干物質的消化率，提高飼料轉化率；而在青貯飼料中加入益生菌菌株(如酵母菌、芽孢桿菌、乳酸菌等)來發酵甘蔗尾梢，促使發酵飼料的部分粗纖維得到降解，從而改善反芻動物的腸道環境，保障營養成分不流失，促進轉化吸收。同時精粗結合發酵可顯著提高動物的日增重和肉品質，具有較好的經濟效益[19]。

4 能源化可有效補充我國能源缺口

4.1 蔗葉直燃發電

隨著我國能源需求量不斷增加，煤電、水電已經難以滿足人們的日常用電需求，特別是空調的普及和新能源汽車的興起，對供電部門提出了更大的挑戰。雖風電、光伏電等清潔能源占比逐漸加大，但也很難跟得上對電能需求的步伐。甘蔗收獲之后殘留的大量枯葉，為生物質燃燒發電提供了大量穩定的燃料來源，不僅解決了露天焚燒蔗田廢棄物的問題，也增加了生物質電能的燃料來源渠道，是一項多方受益的生產技術模式。如圖4 所示。

圖4 蔗葉作為生物質電廠燃料

我國生物質發電行業發展迅速，截至2020 年底，我國生物質發電裝機容量2952 萬kW，發電量達1326 億kW?h，分別比2012 年增加了超過6 倍和接近4 倍[20]。前人研究發現，標準煤、甘蔗渣、甘蔗葉的燃燒值比為1∶3∶6，每年700 萬t 甘蔗秸稈可以替代117 萬t 的標準煤，減少292.5 萬t CO2，2.8萬噸SO2，0.82 萬t 氮氧化物排入大氣(1 t 標準煤可以形成約2.6 t CO2，SO2約24 kg，氮氧化物約7 kg)[21-22]。

根據2019～2021 年的行情報價，蔗葉為250～300 元/t，蔗渣為300～500 元/t，標準煤為700～1800元/t，蔗葉在這3 類燃料商品中價格是最低的，煤炭價格最高，蔗渣的價格稍高于蔗葉。與燃燒值比(1∶3∶6)進行比較，經濟效益最好的是蔗渣，價格波動幅度比較大，在1∶4 至1∶6 之間，如果煤炭價格長期處于低位的話，經濟效益不如煤炭。因此，對比這3 類燃料經濟效益之后，糖企多數采用燃燒燃料充足的蔗渣給自身提供能源，而蔗葉雖然價格較低，但是燃燒值低，經濟效益不如蔗渣。由此，蔗葉更適合作為生物質電廠的燃料，雖其經濟效益無法與煤和蔗渣相比，但在提供電能的基礎上獲得了巨大的生態效益，進一步解決了燃燒甘蔗秸稈帶來的環境污染問題。

4.2 甘蔗秸稈灰分農林資源化利用

甘蔗秸稈灰分主要包括蔗渣灰分和蔗葉灰分，蔗渣灰分是蔗渣燃燒后產生的灰分，主要來源于糖廠；而蔗葉灰分是甘蔗葉片燃燒后產生的灰分，主要來源于蔗葉露天焚燒和生物質發電廠，如圖5 所示。蔗渣灰分中主要化學成分含量如表3 所示。

表3 蔗渣灰分中主要化學成分含量

圖5 生物質發電廠的甘蔗秸稈灰分

甘蔗秸稈燃燒之后帶走了大部分有機物質元素(包括C、N、S 等)，而礦質元素都殘留了下來，表3 中顯示糖企制糖過程中產生蔗渣灰分中所含的大部分物質，其中SiO2的含量最高，K2O 次之，還有大量的中微量元素，這些元素是甘蔗生長過程中必不可少的組成部分[23-24]。

近年來，草木灰分在農林生產上得到較為廣泛的應用。

(1)作為酸性土壤改良劑利用。我國南方紅壤區土壤酸化加劇，已經成為農田土壤質量退化的主要形式[25-26]，農田土壤pH 在1980～2000 年間顯著下降了0.5 個單位左右，化學氮肥大量投入是引起土壤酸化的重要原因[25-27,33-34]。土壤酸化可導致鈣、鎂等陽離子含量降低，鋁等作物毒害元素活性增加，嚴重影響作物的生長[26]。前人研究發現，草木灰顯堿性，pH 值可以達到11.3，在農田上使用不僅能提高土壤pH 值，而且能夠有效提高土壤速效鉀含量[24,26-27]。由此，用蔗渣灰或者配合石灰施用對于改善酸性土壤具有較大應用前景。

(2)作為肥料利用。我國農田土壤不僅缺鉀而且極容易流失，每年需要補充大量的鉀肥，鉀肥一直以來都依賴國外進口，造成種植肥料成本居高不下，而草木灰分含有大量速效鉀，容易被植物所吸收，可作為速效鉀的重要來源，以減少鉀肥投入并改善土壤營養結構，促進作物生長[27-29]。如王前進等研究發現，秸稈發電和氣化殘余物作為肥料不僅不會引起土壤環境惡化，還可以降低生產成本并提高水稻、煙草等作物的產量和品質[30-31]。甘蔗秸稈灰分中富含各類礦質營養元素，這些營養元素源于甘蔗吸收富集而更有利于植物吸收，若作為肥料使用，有助于解決我國甘蔗生產中鉀肥使用嚴重不足的問題，還可利用其強大的吸附能力減少速效礦質營養的流失，有效提高肥料利用率。目前國內已經有使用草木灰與聚天冬氨酸作為原料生產草木灰顆粒復合肥，解決了運輸施用困難、單一施用草木灰肥效低的問題[28]。

(3)作為育苗基質利用。隨著國內農林生產育苗技術的不斷發展，對育苗基質的需求量也越來越大，不僅經濟效益高的瓜果蔬菜在使用商品化種苗，連水稻、小麥、玉米等主要糧食作物也采用了工廠化育苗技術。基質育苗技術已經在農業生產上大范圍推廣應用，每年都需使用大量的育苗基質，基質中的主要原料以木糠、椰糠、泥炭土、稻殼為主，這些基質材料不僅成本較高，而且僅提供物理支撐和保水保肥作用，作物苗期所需營養均需要另外補充。草木灰不僅具有成本低廉、結構疏松、保水性能好的特點，而且含有植物所需的較為全面的礦質元素，可作為優質的育苗基質使用。前人在水稻、蔬菜育苗方面已經做了較多研究，研究結果表明草木灰作為基質材料育苗更有利于作物生長和品質提高。如邵文奇等利用農作物秸稈草木灰孔隙度大、持水性好、無菌無毒等的優良特性，復配出安全、低成本、育苗效果良好的機插秧育苗基質，解決了傳統基質存在的用土量大、取土難、對土壤耕層破壞、勞動強度大等問題[32]。孫春梅等將生物質電廠草木灰作為黃瓜苗期的育苗基質，發現可以有效促進黃瓜幼苗的生長[29]。用蔗渣灰作為育苗基質的研究還鮮有報道。

5 存在問題

我國甘蔗秸稈資源化利用已經取得了較快發展，特別是隨著全程機械化生產方式逐漸鋪開之后，秸稈處理效率和附加值得到顯著提升，逐漸被蔗農和企業接受。但在技術層面還存在較多問題，包括：①自動脫葉低秸稈殘留的甘蔗優良品種較少，還需加強具備這類特性的甘蔗新品種選育；②原位還田技術存在腐熟時間長的問題還未能得到解決，對來年機械化作業產生影響；③禁止露天燃燒秸稈之后，大量病蟲草源還留存在地表和宿根蔗蔸中，給來年甘蔗生產帶來較大風險，還增加了農藥施用量；④增加了機械在田間的作業次數，碾壓蔗蔸并破壞了宿根蔗生長的土壤環境；⑤甘蔗秸稈鍋爐燃燒灰分基本用于高經濟價值的作物上，極少返回蔗田，造成蔗田中甘蔗所需礦質營養嚴重缺乏。

總之，甘蔗作為C4 高光效作物，不僅為我們提供甜蜜的蔗糖，每年還固定了大量的CO2，為我國減少整體碳排放貢獻巨大。研發創建一套更科學合理的秸稈處理模式，變廢為寶，讓甘蔗秸稈發揮更大的效能，是我們科研工作者當下的一項重要任務。