清水、再生水灌溉對甘蔗產量及品質影響的分析

吳衛熊，何令祖，邵金華，張廷強

(廣西水利科學研究院，南寧 530023)

0 引 言

制糖廢水主要來自制糖及其副產品過程中產生的廢水，廢水水質屬于高濃度有機廢水，直接排放容易造成水體缺氧或富營養化，嚴重的導致水體惡化[1]。廣西共有30戶制糖企業(104家糖廠)，總日榨蔗生產能力68.50萬t。2013/14年榨季，全區開榨糖廠102家，累計入榨甘蔗7 074萬t，混合糖產量855.80萬t。根據《廣西糖業年報》，廣西制糖企業噸糖廢水排放量從2008/2009榨季的1.02 m3、2009/2010榨季的0.84 m3下降到2013/2014榨季的0.56 m3，即廣西制糖企業在2013/2014榨季可以產生479.25萬m3，加上酒精、造紙、酵母等副產品生產產生的廢水，總量達到573.40萬m3，占廣西工業廢水排放量的20%左右[1]。且制糖企業廢水排放時間與榨蔗時間基本同步，加上酒精、造紙、酵母等副產品生產產生的廢水，制糖企業基本上全年都會產生工業廢水。由圖1可知，制糖廢水主要排放期為11月至來年的5月，這段時間排放的是制糖產生的廢水，對應甘蔗的苗期和分蘗期；6月至10月排放的是生產酒精、酵母等副產品產生的廢水，對應甘蔗的伸長期和成熟期。因此，開展清水、再生水灌溉對甘蔗產量及品質影響的分析非常必要。制糖廢水中仍含有的一些潛在的污染物對環境產生一定的污染風險，其中，重金屬的污染風險問題最為突出[2]。重金屬不易被生物降解或熱降解，并一般多富集在表層土壤，其富集達到一定致毒濃度將對環境、植物及人體健康產生不利影響[3-5]。為保證灌溉安全性，灌溉前必須對制糖廢水進行處理。由于制糖廢水的可生化性好，目前主要采用生化法處理制糖廢水，生化法主要有厭氧處理法、好氧處理法、好氧-厭氧處理法等[1]。處理后，制糖廢水的各項指標達到灌溉規范的要求，成為滿足灌溉條件的再生水，詳見表1。國內外學者開展的再生水灌溉研究多針對玉米、蔬菜等作物，徐亞幸[6]對制糖工業廢水灌溉對土壤的pH及有機質質量分數、土壤的養分以及重金屬進行分析，得到灌溉廢水對土壤無不良的影響。本文重點分析清水、再生水灌溉對甘蔗的生長指標以及重金屬在甘蔗不同部位累積量的影響，提出再生水灌溉甘蔗的可行性，對于制糖企業再生水資源化，解決該地區甘蔗灌溉用水缺乏的問題有重要的意義和應用價值。

圖1 廣西制糖企業制糖廢水排放情況

序號項目類別規范要求再生水1五日生化需氧量/(mg·L-1)10076．172化學需氧量/(mg·L-1)200138．503pH5．5～8．58．234總汞/(mg·L-1)0．0010．00145鎘/(mg·L-1)0．010．006856總砷/(mg·L-1)0．10．0027鉻(六價)/(mg·L-1)0．10．0588鉛/(mg·L-1)0．20．0386

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗設計再生水、清水和無灌溉(天然降雨，對照)3種處理，每個處理設置3個重復，每個重復面積6 670 m2。為防止各個處理的水分相互交換，在處理間鋪設0.8 m的塑料薄膜隔開。

試驗區設有兩個鋼筋混凝土水池，容積1 000 m3，1號水池用來存儲廣西湘桂糖業有限公司江州區糖廠的再生水，2號水池用來存儲來自黑水河的河水，每個水池單設一臺加壓水泵，水泵的流量10 m3/h，揚程為25 m，設置疊片過濾器，過濾后采用地表滴灌的方式， 滴灌帶滴頭流量2.0 L/h，間距0.3 m，壁厚0.3 mm，每行甘蔗鋪設一根滴灌帶。灌水下限取田間持水量的60%，灌水上限取田間持水量的80%。

1.2 試驗觀測指標及方法

(1)土壤物理性質的測定。種植前對土壤容重、田間持水量進行測定，測定的方法為環刀法。

(2)環境因子的測定。試驗區安置的氣象站，自動記錄試驗區降雨量、風速、風向、溫度、空氣相對濕度和太陽輻射等基本氣象資料。

(3)土壤含水量的測定。每個處理安裝一根TDR測管，長1 m；采用手持式trime PICO-IPH傳感器每天早、中、晚，即8∶00、12∶00和18∶00讀取土壤含水率，低于田間持水量的60%，即開始灌水。

(4)甘蔗生長形態的測定。①出苗：每個重復隨機選擇3個觀測點，每個觀測點連續3行，每行5 m觀測甘蔗出芽情況。②分蘗：連續選擇20根主芽，觀測5片真葉以上的甘蔗根數。③生長：選取小區生長均勻，有代表性的連續20根甘蔗，做好記號，每7 d觀測一次，觀測指標主要有：株徑、株高、種植密度，獲取甘蔗生長的基本資料。株徑采用游標卡尺來測量，株高采用鋼尺來測量。④分別調查不同處理葉片數與葉面積，每小區選取有代表性植株2株，用便攜式葉面積儀LI-3000A測定單株的葉面積，求算葉面積指數(LAI)。

(5)甘蔗產量的測定。進入成熟期，每個處理選擇66.7 m2地，砍收甘蔗，進行測產。每個處理連續選擇20株，測量株徑、株高和錘度。

(6)甘蔗品質的測定。在伸長期和成熟期各選擇1根甘蔗，測量蔗莖和蔗葉的N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、Fe、Mn、B等元素的含量。蔗莖和蔗葉的重金屬化學元素在廣西農業科學院試驗室測定，對比再生水灌溉處理和清水灌溉處理的重金屬含量。

2 結果與分析

2.1 對出苗率及分蘗率的影響

蔗種下種后至蔗芽萌發出土階段成為萌芽期。土壤水分對蔗種萌發的影響非常大，水分不足對發根和發芽都不利。新鮮種莖的含水量一般在70%以上，基本上可以滿足種莖萌芽和幼苗早期生長的需要。根點萌發一般要經過浸種使種苗含水量達75%～80%以上，或下種后保持土壤含水量保持在田間持水量的60%～70%，使得種苗吸足水。在冬春干旱季節下種，土壤保持濕潤是提高萌芽率的關鍵。甘蔗幼苗期的需水量不多，但要保持在田間持水量的60%左右，如土壤缺水，幼苗會卷葉，抑制幼苗根系生長[7]。

圖2 出苗率分析圖

圖3 分蘗率分析圖

土壤中的水分和養分對甘蔗分蘗的影響很大。蔗田水肥充足，甘蔗分蘗早且多。分蘗期時，如氮、磷、鉀和硫、鈣、鎂等營養元素供應不足，尤其是氮、磷的影響最大。水肥不足，甘蔗明顯減少，分蘗遲緩。針對甘蔗分蘗期水肥需求量大的特點，灌溉富含氮、磷、鉀、硫、鈣、鎂等元素的再生水，會促進蔗苗分蘗。

再生水灌溉處理3個重復的單位面積(667 m2)出芽數分別為3 113株、3 187株和3 335株，平均3 212株；清水灌溉處理3個重復的單位面積(667 m2)出芽數分別為3 558株、3 623株和3 706株，平均3 632 株；無灌溉處理3個重復的平均出芽數分別為3 261株、3 410 株和3 484株，平均3 385株。再生水處理的出芽數少于清水灌溉處理和無灌溉處理(CK)，再生水灌溉對甘蔗的出芽有一定的抑制作用。

再生水灌溉處理的分蘗率達到1.023，高于清水灌溉處理的0.733和無灌溉(CK)的0.596，說明再生水中富含N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、Fe、Mn、B等元素，可以促進蔗苗的分蘗，增加蔗田的總苗數，為原料蔗增產打下基礎。

2.2 對甘蔗生長的影響

自甘蔗開始拔節起至伸長基本停止的時期，稱為伸長期。甘蔗伸長期是從發展群體為主，轉向發大根、開大葉、長大莖個體生長為主的時期，是甘蔗生長最旺盛的時期。甘蔗伸長期需水量占全生育期的60%左右，干旱缺水會制約蔗莖的生長速率[6]。

(1)株高和蔗莖。蔗高和蔗莖是甘蔗生長狀況的重要指標，與水分、肥力、水質等因素關系很大。甘蔗通過光合作用合成碳水化合物，積累干物質，積累量的大小直接反映在株高、莖粗及產量積累等的動態變化上。甘蔗的擴大生長，需要水分作為其光合作用、生產有機物的重要原料，并與CO2合成碳水化合物；也需要碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、硼、鐵、錳、銅、鉬、鋅、氯、鈷、釩、鈉和硅。根據李楊瑞等[7]的研究，甘蔗營養的最大特點是滿足蔗莖的生長和糖分的積累。由于再生水中總氮含量43.25 mg/L、總磷含量3.70 mg/L、總鉀含量91.00 mg/L，清水中總氮含量3.24 mg/L、總磷含量0.18 mg/L、總鉀含量1.10 mg/L，灌溉效果反映在：再生水灌溉處理株高、株徑最大，清水灌溉處理次之，無灌溉最小。

圖4 不同處理甘蔗生長形態分析圖

圖5 不同處理甘蔗葉面積指標分析圖

再生水灌溉處理中，甘蔗伸長期日生長1.48 cm，伸長早期(6-8月)日生長0.70 cm、伸長中期(8-9月)日生長1.45 cm、伸長晚期(9-10月)日生長1.70 cm；清水灌溉處理中，甘蔗伸長期日生長1.40 cm，伸長早期(6-8月)日生長0.60 cm、伸長中期(8-9月)日生長1.43 cm、伸長晚期(9-10月)日生長1.68 cm；無灌溉處理中，甘蔗伸長期日生長1.34 cm，伸長早期(6-8月)日生長0.49 cm、伸長中期(8-9月)日生長1.46 cm、伸長晚期(9-10月)日生長1.67 cm。

(2)對葉面積指數的影響。葉面積指數(Leaf area index，LAI)是反映作物群體大小的較好的動態指標，一般認為，在一定的范圍內，作物產量隨LAI增大而提高，當葉面積增加到一定的程度后，葉片相互遮蔽，光照不足，光合效率減弱，產量反而下降。

從圖5可以看出，各處理的甘蔗LAI從7月至11月表現為先升高再降低的趨勢，且無灌溉處理的甘蔗葉面積指數在各個時期都低于再生水灌溉處理和清水灌溉處理，其中，再生水灌溉處理的葉面積指數最高。在生物產量形成的伸長期(6-10月)，再生水灌溉處理的LAI達到了5.0以上，可看出再生水灌溉能提供充足的水肥，能有效增加葉面積指數。

2.3 對甘蔗產量及品質的影響

2.3.1對甘蔗產量的影響

根據李楊瑞[7]的研究甘蔗的產量構成有以下因素：一是品種，二是栽培密度(單位面積平均有效莖)，三是水肥條件，四是管理控制技術等，其他條件一致時，單位面積(667 m2)有效莖以及單株甘蔗重量是決定總產量的要素，而采用富含N、P、K元素的糖廠廢水可以促進蔗株分蘗，提高有效莖。本試驗結果也表明：再生水灌溉處理和清水灌溉處理的單位面積(667 m2)產量都大于無灌溉處理。一是有灌溉條件的試驗區有效莖比無灌溉的有效莖多，二是各處理間的植株生長情況不同，也導致了各處理產量的差異。在灌水量、土壤肥力和光照條件一致的情況下，再生水灌溉處理單位面積(667 m2)產量7.25 t，清水灌溉處理單位面積(667 m2)產量6.18 t，無灌溉單位面積(667 m2)產量4.02 t，即再生水灌溉處理單位面積(667 m2)產量比清水灌溉處理高1.07 t，比無灌溉處理高3.23 t。

2.3.2對甘蔗品質的影響

(1)對含糖分的影響。李楊瑞[7]提出水分有利于甘蔗生長，水分充足可使甘蔗遲熟，10月底的水分還會影響蔗莖的含糖量，但過于干旱，糖分也會較低，且蔗汁中含有較多膠質，不利于制糖，即在伸長后期及成熟期保證合適的水分，對甘蔗含糖分具有重要的作用。張仲賓[8]通過對比試驗得到糖廠再生水灌溉甘蔗的含糖分13.59%，比無灌溉(天然降雨)新臺糖16號的錘度低0.02%，但比清水灌溉高0.04%。

由圖6可知，本試驗再生水灌溉處理平均含糖分為14.18%，清水灌溉處理14.26%，無灌溉(天然降雨)14.38%，結果與前人研究基本一致。再生水灌溉處理和清水灌溉處理的錘度比同期無灌溉處理的錘度小，但在成熟期錘度的增長速率明顯快于無灌溉處理。分析該年度9月和10月的降雨量，這段時期降雨量相對比較充沛，兩次降雨間距15 d左右，雖然有效降雨量相對較少，尚未完全滿足甘蔗生長需水，造成蔗節頂端分生組織細胞分裂減緩，居間分生細胞伸長受阻，節間變短；但仍能滿足糖分的累積，故無灌溉處理的含糖分仍大于再生水灌溉處理和清水灌溉處理。盡管再生水灌溉處理和清水灌溉處理的含糖分稍低，但在成熟期增長速度快于無灌溉處理，到了2015年1月，三種處理甘蔗含糖分相差不超過3%。但仍能看出再生水灌溉處理的甘蔗含糖分比同期清水灌溉處理的甘蔗含糖分要低，說明再生水中富含的N元素會導致甘蔗含糖分偏低。

圖6 不同處理甘蔗含糖分變化情況

(2)蔗莖和蔗葉中各種元素含量分析。在2014年9月19日、10月16日和2015年1月29日分別選用樣品檢測蔗莖和蔗葉中N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、Fe、Mn和B的含量。經計算分析，再生水灌溉處理蔗莖和蔗葉各元素的含量一般比同期清水灌溉處理要多，證明再生水灌溉有助于蔗株吸收土壤養分。

其中，再生水灌溉處理蔗莖全N含量比清水灌溉處理多0.96 g/kg、全P少0.04 g/kg、全K多3.77 g/kg、Ca多0.03 g/kg、Mg多0.06 g/kg、S少0.01 g/kg、Cu多4.92 mg/kg、Zn少1.15 mg/kg、Fe多2.66 mg/kg、Mn多0.57 mg/kg、B多0.09 mg/kg。

再生水灌溉處理蔗葉全N含量比清水灌溉處理多1.39 g/kg、全K多0.56 g/kg、Ca少0.12 g/kg、Mg少0.07 g/kg、S多0.05 g/kg、Cu多2.97 mg/kg、Zn多1.32 mg/kg、Fe多2.92 mg/kg、Mn少0.71 mg/kg、B多0.07 mg/kg。

(3)蔗莖和蔗葉中各種重金屬殘留量影響。由圖7可知，再生水灌溉處理蔗體的Pb含量比清水灌溉處理多，特別是根部，再生水灌溉處理蔗體根部含鉛量是清水灌溉處理的2.03倍。從平均情況看，再生水灌溉處理的蔗根鉛含量平均值為0.014 9 mg/kg，根部鉛含量分別是葉部、莖部鉛含量的2.01倍、1.94倍；根對鉛的吸收量最大，其次為莖，再其次為葉，即根>莖>葉。

圖7 不同處理Pb在不同部位的含量

圖8 不同處理As在不同部位的含量

由圖8可知，再生水灌溉處理蔗體的As含量比清水灌溉處理多，特別是根部，再生水灌溉處理蔗體根部含砷量是清水灌溉處理的1.75倍。從平均情況看，再生水灌溉處理的甘蔗根部砷含量平均值為0.941 7 mg，莖部砷含量平均值為0.667 0 mg，葉部砷含量平均值為0.495 5 mg。根部砷含量是莖部砷含量的1.41倍，是葉部砷含量的1.90倍；根對砷的吸收量最大，其次為莖，再其次為葉，即根>莖>葉。

鉻(Cd)是一種柔軟、銀白色的稀有金屬。由水樣實測資料可知，再生水中Cd的含量僅0.003 mg/L，清水中Cd含量未檢出。由實測資料可知，再生水灌溉處理甘蔗根部鉻含量平均值為0.02 mg/kg，莖、葉未檢出。

由水樣實測資料可知，再生水中Hg的含量僅0.008 4 mg/L，清水中Hg的含量僅為再生水的1/10。由實測資料可知，甘蔗根部汞含量平均值為0.020 0 mg/kg(是清水灌溉處理根部汞含量的2倍)，莖部、葉部汞含量未檢出。

圖9 不同處理Cr在不同部位的含量

由圖9可知，再生水灌溉處理的甘蔗根部鎘含量平均值為0.021 1 mg/kg，莖部鎘含量平均值為0.007 5 mg/kg，葉部鎘含量平均值為0.069 9 m/kg。根部銅含量分別是莖、葉部銅含量的2.80倍和3.06倍。甘蔗根對鎘的吸收量最大，其次為莖，再其次為葉，即根>莖>葉。由此可知，重金屬鎘絕大部分分布在根、莖葉等生命旺盛的部位。

圖10 不同處理Cu在不同部位的含量

再生水中Cu含量較大，多達0.172 0 mg/L，是清水Cu含量的48倍。在相同蔗體部位，再生水灌溉處理銅含量是清水灌溉處理的2倍以上。由圖10可知，再生水灌溉中的甘蔗根部銅含量平均值為4.947 0 mg/kg，莖部銅含量平均值為2.995 5 mg/kg，葉部銅含量平均值為2.258 5 mg/kg。根部銅含量是莖部銅含量的1.65倍，是葉部銅含量的2.19倍。甘蔗根對銅的吸收量最大，其次為莖，再其次為葉，即根>莖>葉。由此可知，重金屬銅絕大部分分布在根、莖葉等生命旺盛的部位。

3 結 語

(1)再生水中含As 、Hg 、Pb、Cd、Cr和Cu等重金屬含量相對較高，甘蔗的生長初期(萌芽期、苗期)受再生水的影響比較大。由于As 、Hg等重金屬元素對蔗種萌芽有抑制作用，再生水灌溉處理的萌芽率要低于清水灌溉處理和無灌溉處理(CK)。

(2)分蘗期施用富含氮磷鉀等元素的再生水，可促進甘蔗分蘗，再生水灌溉處理的分蘗率比清水灌溉處理提高39.67%，比無灌溉(CK)提高71.60%。

(3)試驗研究表明，再生水灌溉處理和清水灌溉處理的株高在整個生育期內變化趨勢一致，比無灌溉處理(CK)均有明顯提高。

(4)再生水灌溉可提高甘蔗的單產，比清水灌溉處提高17.31%，比無灌溉(CK)提高80.35%。

(5)As 、Hg 、Pb、Cd、Cr和Cu等重金屬在植物體中的殘留量因部位不同而有差異。其總的分布趨勢是根部的重金屬累積量最多,其次是蔗莖,最小是蔗葉,即根>莖>葉。這種地上部分重金屬的濃度遠低于根的情況說明根作為一種屏障使重金屬難于向上部分遷移,以減少蔗莖的重金屬含量。

(6)本文對甘蔗各個生育期受再生水的影響進行了分析，得到了一些結論，但試驗處理較少、試驗時間較短，還需要進一步深入研究。

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