甘蔗轮作模式选择及糖蜜废水处理方法

黄飞 马丽娟 黄国迪 卢杰

摘 要：甘蔗长期连作会引起土壤营养元素失衡、土壤酶活性降低和土壤质量下降，导致甘蔗生育期延长，产量和品质下降。甘蔗连作障碍会严重影响甘蔗的宿根性，且随着宿根年限的延长，土壤性状逐年恶化，导致甘蔗产量和宿根性逐年下降，病虫害加重。文章描述甘蔗轮作模式和糖蜜废水处理方法，旨在为我国甘蔗产业的健康可持续发展提供参考依据。甘蔗分别与香蕉、花生、玉米和菠萝等作物合理轮作，可调节土壤养分的有效性，消减自毒物质积累，改善微生态环境，增加生物多样性，维持土壤生境平衡，改善土壤肥力和土壤结构，提高土壤酶活性，从而改良土壤理化性状，减少虫害及土传病害，有效避免连作障碍，最终提高甘蔗和轮作作物产量。糖蜜废水含有大量有机物，经农灌法、自然氧化糖法、生化处理法、浓缩法和喷浆造粒法处理后作为肥料施用，对改善土壤环境和提高制糖业资源利用效率具有重要意义。

关键词：甘蔗；轮作；糖蜜废水；发酵；喷浆造粒

中图分类号：S566.1                               文献标志码：A 文章编号：2095-820X（2023）06-0034-04

收稿日期：2023-09-19

通讯作者：卢杰（1996-），男，农艺师，主要从事农业种植工作，E-mail：1432034541@qq.com

第一作者：黄飞（1992-），女，农艺师，主要从事农业种植工作，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，我国是世界第三大甘蔗生产国，制糖业是我国食品行业的基础工业，甘蔗产量和蔗糖产量对国民经济发展贡献巨大［1］。同一地块上常年种植同一种作物会使作物生长受到抑制，出现作物产量、质量和产出比降低问题，常称为连作障碍［2］。甘蔗常年連续种植后土壤中的微量元素失衡，有益微生物缺乏，土壤质量下降，甘蔗生育期延长，导致产量和品质降低［3］。近年来，大部分蔗区出现了严重的连作障碍，甘蔗宿根性逐渐变差，且受甘蔗宿根年限延长及不科学施肥等因素影响，导致土壤有机质下降，难以支撑甘蔗健康生长。甘蔗连作障碍还会引起甘蔗病虫害增加，进而导致甘蔗产量和品质逐年下降［4］。已有研究表明，通过选用高抗品种、进行不同作物轮作、开展病虫害生物防治、施有机肥或有机物料增加土壤有机质等方式可有效缓解作物连作障碍［2］。其中，甘蔗与不同作物合理轮作可调节土壤养分的有效性，改善土壤微生态环境，增加土壤生物多样性，改善土壤肥力和土壤结构，提高土壤酶活性，减少作物虫害及土传病害，进而提高作物产量［5］，是有效避免连作障碍的种植模式。

糖蜜废水又称糖蜜酒精发酵液，是制糖工业的副产品，由含量达50%的总糖、悬浮胶体、矿物质、维生素和其他成分组成［6］。在制糖过程中，我国每年约产生4亿t糖蜜废水，但多数被直接丢弃，仅少数用来饲养动物。阳小松和李必［7］研究表明，糖蜜废水可开发为廉价的碳源用于生产工业上许多重要的化学品。糖蜜废水属于深棕色的酸性液体，含有丰富的营养成分，但化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）极高［8］，需经预处理（少数可经天然处理）才能作为微生物工业原料［9］。目前，广西大部分地区的土壤养分存在氮、磷、钾等大量元素及钙、猛、硼等中微量元素含量偏低问题，且有机质含量也偏低［10］，如能将糖蜜酒精发酵液应用于农业生产，既能解决糖蜜废水污染环境问题，又能提高资源利用率。魏光涛等［11］研究显示，利用糖蜜废水生产肥料，可降低农产品生产成本，还可改善其产量和质量，增加种植户收入，有利于甘蔗产业的可持续发展。

1 甘蔗轮作的主要模式

不同作物间的轮作模式及轮作周期选择，对调节土壤理化性质和降低连作障碍效果不同。选择合适的作物进行轮作，对病虫害防治和产量提高的效果更佳［12］。基于广西甘蔗种植存在较严重连作障碍的问题，结合其他作物的分布情况，可选择以下几种作物与甘蔗进行轮作。

1.1 甘蔗与香蕉轮作

香蕉是芭蕉科芭蕉属草本植物，是部分国家的主要食物来源，与水稻、小麦和玉米并称为四大粮食作物，是世界上最重要的水果之一。甘蔗与香蕉均属于热带亚热带作物，经济价值均相对较高。刘文清等［13］研究表明，常年种植香蕉的地块在轮作甘蔗2～3年后，土壤pH逐年下降，土壤转化酶、脲酶、多酚氧化酶和纤维素酶活性持续升高，交换性酸、硝态氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效锌和有效硼等养分含量和钙镁比持续增大，说明香蕉与甘蔗进行合理轮作，能有效改善土壤的理化性质，提高土壤质量。此外，甘蔗与香蕉轮作还能抑制香蕉枯萎病发生。香蕉地轮作甘蔗2年后土壤理化性质得到有效改善，其中，种植甘蔗2年后再种植香蕉3年是最适宜的甘蔗与香蕉轮作模式。

1.2 甘蔗与花生轮作

范业赓等［4］研究发现，在花生—花生—甘蔗种植模式中，种植花生后选择甘蔗进行轮作，新种植甘蔗的出苗率、分蘖率和有效茎数明显提高，且轮作后甘蔗的蔗糖分平均提高约0.5%，蔗汁纯度提高10%；选择花生与甘蔗进行合理的轮作，可缓解土壤酸化，有效改善土壤理化性质，加速水解性氮、有机质和速效钾释放，对提高甘蔗产量和出糖率效果明显。

1.3 甘蔗与玉米轮作

周忠凤等［14］研究指出，甘蔗轮作玉米可显著提高土壤全氮和有效磷含量、过氧化氢酶和脲酶活性及细菌数，甘蔗出苗率、分蘖率、产量和糖分也得到提高（比甘蔗连作分别提高3.4%、9.5%、6.2 t/hm2和0.63%）。范业赓等［4］开展青饲玉米—青饲玉米—甘蔗轮作模式研究，结果显示种植两季玉米后再种植甘蔗，甘蔗的分蘖率和产量分别较甘蔗连作模式提高10.3%和7.7%。

1.4 甘蔗与菠萝轮作

郑超等［15］研究认为，菠萝与甘蔗轮作能有效改善土壤通气性和持水能力，使地块更适合甘蔗根系生长；能改善土壤微生物结构，提升有益微生物种群数量，降低有害微生物数量，进而改善土壤结构，加速土壤有效养分释放，有利于甘蔗吸收养分正常生长。

2 糖蜜废水的处理方法

利用糖蜜废水还田能提高土壤有效养分，其肥效与化肥相当，且不会对土壤微生物数量、生物量和酶活性等土壤生物学特性造成不良影响，可作为化肥的替代肥源［10］。

2.1 糖蜜废水的主要成分和特征

糖蜜废水是糖蜜经过酒精和柠檬酸发酵并提取粗酒精和柠檬酸后排放的废水，每生产1 t酒精约产生13～15 t废水。糖蜜废水有以下特点：①化学耗氧量和生化耗氧量极高，属于高浓度有机废水；②含有无机酸和有机酸，腐蚀性强，田间直接排放易导致土地变硬；③其中的固形物多数为有机质，包括糖分、蛋白质、氨基酸和微生物等，含有氮、磷、钾、钙、镁和硫等元素［16，17］。

2.2 糖蜜废水的主要处理方法

目前，糖蜜废水的主要处理方法有农灌法、自然氧化糖法、生化处理法（厌氧沼气法和厌氧后曝气法）、浓缩法和新型喷浆造粒法。

2.2.1 农灌法

甘蔗糖蜜废水中有机物及氮、磷和镁含量高，尤其以钾含量更高。因此，经简单的工艺处理即可作为良好的有机肥在田间施用，这是常见的利用方法。通常情况下，在灌溉前需先将废水中的有机质含量稀释、降低到适宜水平［18］，加入适量的碱中和后在一个巨大的氧化塘储存15 d才能用来浇灌田地。农灌法处理糖蜜废水工艺具有设备投资小和运行简便特点，能有效发挥甘蔗糖蜜废水中有机物和其他养分的作用，在短时间内提高作物产量。农灌法也存在不足，即需建立大型储槽来储存废水，且成本很高；不同土壤种类施用废水量和时间不好掌握，长时间施用容易因营养成分单一造成土壤结构损坏和土地硬化。

2.2.2 自然氧化糖法

这是一种原始、簡单、通过自然生物化学自我净化功能进行物理净化的方法，但自净化效率不高，占用土地面积大；在天然条件下会产生恶臭，无密闭条件还会污染地下水［19］。

2.2.3 生化处理法

对于高浓度的有机污水，一般是通过微生物的生理作用将其转变为单纯的无机物［19］。不管是进行厌氧还是好氧处理，生化处理法处理糖蜜废水存在耗时长、使用设备容积大和占地多等缺陷。

2.2.4 浓缩处理法

该方法通过对糖蜜废水进行多次汽化和浓缩，将水蒸气引导至乙醇生产装置的蒸馏器进行间接加热，达到节省燃油的目的。同时，蒸出的凝结水洁净无杂质，可代替乙醇进行糖浆酿造，可降低细菌污染程度，且可实现一个密闭的生产流程［19］。但该方法存在必须使用进口设备、清液蒸发浓缩处理能耗高及效率低等问题。我国有大量的中小型酒精厂，如果设备全部依靠进口，很难解决现存的糖蜜废水污染治理问题［19］。

2.2.5 喷浆造粒处理法

新型喷浆造粒工艺是指将所用料浆通过一定条件喷射到设备中，经过加热增压使料浆中的水分汽化并分离，留存不会汽化的固体形成粒状［20］。喷浆造粒是由土壤水溶液、矿物质和生物菌肥经发酵干燥而成，该方法可确保有机肥中无任何有害物质，既可保留土壤中的有机物和矿物质，又可降低亚硝酸盐和固化物含量，并转化为对作物有用的物质，还可迅速溶解原有的可溶性磷、难溶性钾及其他微量元素，从而提高作物对微量元素的吸收利用率，改善有机肥品质。此外，料浆中含有大量腐殖酸，通过喷浆造粒法可有效降低高含量腐植酸可能对植物造成的危害。

2.3 糖蜜喷浆造粒肥在农业生产上的应用效果

2.3.1 对桉树的效果

广西横州市那阳镇农业水利站和新福镇农业水利站试验工作组以桉树苗进行盆栽试验，设对照组和颗粒肥组，在常规施肥基础上，颗粒肥组每株桉树苗额外施用糖蜜喷浆颗粒肥5.0 g。结果表明，处理后2个月颗粒肥组桉树苗的株高和地径分别较对照组提高30.7%和25.8%（图1），说明施用糖蜜喷浆颗粒肥对桉树苗生长具有明显促进作用。

2.3.2 对柑橘的效果

广西横州市那阳镇农业水利站和新福镇农业水利站试验工作组利用1.5年树龄的有核沃柑开展大田试验，设对照组和颗粒肥组，在常规施肥基础上，颗粒肥组每株沃柑额外施用糖蜜喷浆颗粒肥250.0 g。结果表明，处理后2个月，颗粒肥组沃柑的地径较较对照组提高5.5%（图2），说明施用糖蜜喷浆颗粒肥对沃柑根系生长具有明显促进作用。

2.3.3 对玉米的作用

广西横州市那阳镇农业水利站和新福镇农业水利站试验工作组以新种植的玉米开展试验，设对照组和颗粒肥组，在常规施肥基础上，颗粒肥组每株玉米额外施用糖蜜喷浆颗粒肥5.0 g。结果表明，在玉米成熟时，以五点划分法采样测定颗粒肥组玉米的株高、地径、玉米鲜重和干重（产量）分别较对照组提高11.4%、14.5%、34.0%和41.4%（图3和图4），说明施用糖蜜喷浆颗粒肥对玉米生长和增产均具有明显促进作用。

3 总结

甘蔗连作种植产生的连作障碍会影响甘蔗产业健康发展，结合广西其他作物的布局，分别选择香蕉、花生、玉米和菠萝等作物与甘蔗合理轮作，不仅可改善土壤微生态环境，增加生物多样性，维持土壤生境平衡，改善土壤肥力和土壤结构，提高土壤酶活性，还可减少虫害及土传病害发生，进而提高甘蔗和轮作作物产量。在甘蔗产业的终端，从生态环境保护和资源重复利用的角度，充分开发利用制糖产生的糖蜜废水生产肥料，有利于保障我国甘蔗产业的可持续发展。

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（责任编辑 思利华）