清水、再生水灌溉对甘蔗产量及品质影响的分析

2016-03-23吴卫熊何令祖邵金华张廷强

节水灌溉 2016年9期

吴卫熊，何令祖，邵金华，张廷强

(广西水利科学研究院，南宁 530023)

0 引言

制糖废水主要来自制糖及其副产品过程中产生的废水，废水水质属于高浓度有机废水，直接排放容易造成水体缺氧或富营养化，严重的导致水体恶化[1]。广西共有30户制糖企业(104家糖厂)，总日榨蔗生产能力68.50万t。2013/14年榨季，全区开榨糖厂102家，累计入榨甘蔗7 074万t，混合糖产量855.80万t。根据《广西糖业年报》，广西制糖企业吨糖废水排放量从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，即广西制糖企业在2013/2014榨季可以产生479.25万m3，加上酒精、造纸、酵母等副产品生产产生的废水，总量达到573.40万m3，占广西工业废水排放量的20%左右[1]。且制糖企业废水排放时间与榨蔗时间基本同步，加上酒精、造纸、酵母等副产品生产产生的废水，制糖企业基本上全年都会产生工业废水。由图1可知，制糖废水主要排放期为11月至来年的5月，这段时间排放的是制糖产生的废水，对应甘蔗的苗期和分蘖期；6月至10月排放的是生产酒精、酵母等副产品产生的废水，对应甘蔗的伸长期和成熟期。因此，开展清水、再生水灌溉对甘蔗产量及品质影响的分析非常必要。制糖废水中仍含有的一些潜在的污染物对环境产生一定的污染风险，其中，重金属的污染风险问题最为突出[2]。重金属不易被生物降解或热降解，并一般多富集在表层土壤，其富集达到一定致毒浓度将对环境、植物及人体健康产生不利影响[3-5]。为保证灌溉安全性，灌溉前必须对制糖废水进行处理。由于制糖废水的可生化性好，目前主要采用生化法处理制糖废水，生化法主要有厌氧处理法、好氧处理法、好氧-厌氧处理法等[1]。处理后，制糖废水的各项指标达到灌溉规范的要求，成为满足灌溉条件的再生水，详见表1。国内外学者开展的再生水灌溉研究多针对玉米、蔬菜等作物，徐亚幸[6]对制糖工业废水灌溉对土壤的pH及有机质质量分数、土壤的养分以及重金属进行分析，得到灌溉废水对土壤无不良的影响。本文重点分析清水、再生水灌溉对甘蔗的生长指标以及重金属在甘蔗不同部位累积量的影响，提出再生水灌溉甘蔗的可行性，对于制糖企业再生水资源化，解决该地区甘蔗灌溉用水缺乏的问题有重要的意义和应用价值。

图1 广西制糖企业制糖废水排放情况

序号项目类别规范要求再生水1五日生化需氧量/(mg·L-1)10076．172化学需氧量/(mg·L-1)200138．503pH5．5～8．58．234总汞/(mg·L-1)0．0010．00145镉/(mg·L-1)0．010．006856总砷/(mg·L-1)0．10．0027铬(六价)/(mg·L-1)0．10．0588铅/(mg·L-1)0．20．0386

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验设计再生水、清水和无灌溉(天然降雨，对照)3种处理，每个处理设置3个重复，每个重复面积6 670 m2。为防止各个处理的水分相互交换，在处理间铺设0.8 m的塑料薄膜隔开。

试验区设有两个钢筋混凝土水池，容积1 000 m3，1号水池用来存储广西湘桂糖业有限公司江州区糖厂的再生水，2号水池用来存储来自黑水河的河水，每个水池单设一台加压水泵，水泵的流量10 m3/h，扬程为25 m，设置叠片过滤器，过滤后采用地表滴灌的方式，滴灌带滴头流量2.0 L/h，间距0.3 m，壁厚0.3 mm，每行甘蔗铺设一根滴灌带。灌水下限取田间持水量的60%，灌水上限取田间持水量的80%。

1.2 试验观测指标及方法

(1)土壤物理性质的测定。种植前对土壤容重、田间持水量进行测定，测定的方法为环刀法。

(2)环境因子的测定。试验区安置的气象站，自动记录试验区降雨量、风速、风向、温度、空气相对湿度和太阳辐射等基本气象资料。

(3)土壤含水量的测定。每个处理安装一根TDR测管，长1 m；采用手持式trime PICO-IPH传感器每天早、中、晚，即8∶00、12∶00和18∶00读取土壤含水率，低于田间持水量的60%，即开始灌水。

(4)甘蔗生长形态的测定。①出苗：每个重复随机选择3个观测点，每个观测点连续3行，每行5 m观测甘蔗出芽情况。②分蘖：连续选择20根主芽，观测5片真叶以上的甘蔗根数。③生长：选取小区生长均匀，有代表性的连续20根甘蔗，做好记号，每7 d观测一次，观测指标主要有：株径、株高、种植密度，获取甘蔗生长的基本资料。株径采用游标卡尺来测量，株高采用钢尺来测量。④分别调查不同处理叶片数与叶面积，每小区选取有代表性植株2株，用便携式叶面积仪LI-3000A测定单株的叶面积，求算叶面积指数(LAI)。

(5)甘蔗产量的测定。进入成熟期，每个处理选择66.7 m2地，砍收甘蔗，进行测产。每个处理连续选择20株，测量株径、株高和锤度。

(6)甘蔗品质的测定。在伸长期和成熟期各选择1根甘蔗，测量蔗茎和蔗叶的N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、Fe、Mn、B等元素的含量。蔗茎和蔗叶的重金属化学元素在广西农业科学院试验室测定，对比再生水灌溉处理和清水灌溉处理的重金属含量。

2 结果与分析

2.1 对出苗率及分蘖率的影响

蔗种下种后至蔗芽萌发出土阶段成为萌芽期。土壤水分对蔗种萌发的影响非常大，水分不足对发根和发芽都不利。新鲜种茎的含水量一般在70%以上，基本上可以满足种茎萌芽和幼苗早期生长的需要。根点萌发一般要经过浸种使种苗含水量达75%～80%以上，或下种后保持土壤含水量保持在田间持水量的60%～70%，使得种苗吸足水。在冬春干旱季节下种，土壤保持湿润是提高萌芽率的关键。甘蔗幼苗期的需水量不多，但要保持在田间持水量的60%左右，如土壤缺水，幼苗会卷叶，抑制幼苗根系生长[7]。

图2 出苗率分析图

图3 分蘖率分析图

土壤中的水分和养分对甘蔗分蘖的影响很大。蔗田水肥充足，甘蔗分蘖早且多。分蘖期时，如氮、磷、钾和硫、钙、镁等营养元素供应不足，尤其是氮、磷的影响最大。水肥不足，甘蔗明显减少，分蘖迟缓。针对甘蔗分蘖期水肥需求量大的特点，灌溉富含氮、磷、钾、硫、钙、镁等元素的再生水，会促进蔗苗分蘖。

再生水灌溉处理3个重复的单位面积(667 m2)出芽数分别为3 113株、3 187株和3 335株，平均3 212株；清水灌溉处理3个重复的单位面积(667 m2)出芽数分别为3 558株、3 623株和3 706株，平均3 632 株；无灌溉处理3个重复的平均出芽数分别为3 261株、3 410 株和3 484株，平均3 385株。再生水处理的出芽数少于清水灌溉处理和无灌溉处理(CK)，再生水灌溉对甘蔗的出芽有一定的抑制作用。

再生水灌溉处理的分蘖率达到1.023，高于清水灌溉处理的0.733和无灌溉(CK)的0.596，说明再生水中富含N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、Fe、Mn、B等元素，可以促进蔗苗的分蘖，增加蔗田的总苗数，为原料蔗增产打下基础。

2.2 对甘蔗生长的影响

自甘蔗开始拔节起至伸长基本停止的时期，称为伸长期。甘蔗伸长期是从发展群体为主，转向发大根、开大叶、长大茎个体生长为主的时期，是甘蔗生长最旺盛的时期。甘蔗伸长期需水量占全生育期的60%左右，干旱缺水会制约蔗茎的生长速率[6]。

(1)株高和蔗茎。蔗高和蔗茎是甘蔗生长状况的重要指标，与水分、肥力、水质等因素关系很大。甘蔗通过光合作用合成碳水化合物，积累干物质，积累量的大小直接反映在株高、茎粗及产量积累等的动态变化上。甘蔗的扩大生长，需要水分作为其光合作用、生产有机物的重要原料，并与CO2合成碳水化合物；也需要碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、硼、铁、锰、铜、钼、锌、氯、钴、钒、钠和硅。根据李杨瑞等[7]的研究，甘蔗营养的最大特点是满足蔗茎的生长和糖分的积累。由于再生水中总氮含量43.25 mg/L、总磷含量3.70 mg/L、总钾含量91.00 mg/L，清水中总氮含量3.24 mg/L、总磷含量0.18 mg/L、总钾含量1.10 mg/L，灌溉效果反映在：再生水灌溉处理株高、株径最大，清水灌溉处理次之，无灌溉最小。

图4 不同处理甘蔗生长形态分析图

图5 不同处理甘蔗叶面积指标分析图

再生水灌溉处理中，甘蔗伸长期日生长1.48 cm，伸长早期(6-8月)日生长0.70 cm、伸长中期(8-9月)日生长1.45 cm、伸长晚期(9-10月)日生长1.70 cm；清水灌溉处理中，甘蔗伸长期日生长1.40 cm，伸长早期(6-8月)日生长0.60 cm、伸长中期(8-9月)日生长1.43 cm、伸长晚期(9-10月)日生长1.68 cm；无灌溉处理中，甘蔗伸长期日生长1.34 cm，伸长早期(6-8月)日生长0.49 cm、伸长中期(8-9月)日生长1.46 cm、伸长晚期(9-10月)日生长1.67 cm。

(2)对叶面积指数的影响。叶面积指数(Leaf area index，LAI)是反映作物群体大小的较好的动态指标，一般认为，在一定的范围内，作物产量随LAI增大而提高，当叶面积增加到一定的程度后，叶片相互遮蔽，光照不足，光合效率减弱，产量反而下降。

从图5可以看出，各处理的甘蔗LAI从7月至11月表现为先升高再降低的趋势，且无灌溉处理的甘蔗叶面积指数在各个时期都低于再生水灌溉处理和清水灌溉处理，其中，再生水灌溉处理的叶面积指数最高。在生物产量形成的伸长期(6-10月)，再生水灌溉处理的LAI达到了5.0以上，可看出再生水灌溉能提供充足的水肥，能有效增加叶面积指数。

2.3 对甘蔗产量及品质的影响

2.3.1对甘蔗产量的影响

根据李杨瑞[7]的研究甘蔗的产量构成有以下因素：一是品种，二是栽培密度(单位面积平均有效茎)，三是水肥条件，四是管理控制技术等，其他条件一致时，单位面积(667 m2)有效茎以及单株甘蔗重量是决定总产量的要素，而采用富含N、P、K元素的糖厂废水可以促进蔗株分蘖，提高有效茎。本试验结果也表明：再生水灌溉处理和清水灌溉处理的单位面积(667 m2)产量都大于无灌溉处理。一是有灌溉条件的试验区有效茎比无灌溉的有效茎多，二是各处理间的植株生长情况不同，也导致了各处理产量的差异。在灌水量、土壤肥力和光照条件一致的情况下，再生水灌溉处理单位面积(667 m2)产量7.25 t，清水灌溉处理单位面积(667 m2)产量6.18 t，无灌溉单位面积(667 m2)产量4.02 t，即再生水灌溉处理单位面积(667 m2)产量比清水灌溉处理高1.07 t，比无灌溉处理高3.23 t。

2.3.2对甘蔗品质的影响

(1)对含糖分的影响。李杨瑞[7]提出水分有利于甘蔗生长，水分充足可使甘蔗迟熟，10月底的水分还会影响蔗茎的含糖量，但过于干旱，糖分也会较低，且蔗汁中含有较多胶质，不利于制糖，即在伸长后期及成熟期保证合适的水分，对甘蔗含糖分具有重要的作用。张仲宾[8]通过对比试验得到糖厂再生水灌溉甘蔗的含糖分13.59%，比无灌溉(天然降雨)新台糖16号的锤度低0.02%，但比清水灌溉高0.04%。

由图6可知，本试验再生水灌溉处理平均含糖分为14.18%，清水灌溉处理14.26%，无灌溉(天然降雨)14.38%，结果与前人研究基本一致。再生水灌溉处理和清水灌溉处理的锤度比同期无灌溉处理的锤度小，但在成熟期锤度的增长速率明显快于无灌溉处理。分析该年度9月和10月的降雨量，这段时期降雨量相对比较充沛，两次降雨间距15 d左右，虽然有效降雨量相对较少，尚未完全满足甘蔗生长需水，造成蔗节顶端分生组织细胞分裂减缓，居间分生细胞伸长受阻，节间变短；但仍能满足糖分的累积，故无灌溉处理的含糖分仍大于再生水灌溉处理和清水灌溉处理。尽管再生水灌溉处理和清水灌溉处理的含糖分稍低，但在成熟期增长速度快于无灌溉处理，到了2015年1月，三种处理甘蔗含糖分相差不超过3%。但仍能看出再生水灌溉处理的甘蔗含糖分比同期清水灌溉处理的甘蔗含糖分要低，说明再生水中富含的N元素会导致甘蔗含糖分偏低。

图6 不同处理甘蔗含糖分变化情况

(2)蔗茎和蔗叶中各种元素含量分析。在2014年9月19日、10月16日和2015年1月29日分别选用样品检测蔗茎和蔗叶中N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、Fe、Mn和B的含量。经计算分析，再生水灌溉处理蔗茎和蔗叶各元素的含量一般比同期清水灌溉处理要多，证明再生水灌溉有助于蔗株吸收土壤养分。

其中，再生水灌溉处理蔗茎全N含量比清水灌溉处理多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。

再生水灌溉处理蔗叶全N含量比清水灌溉处理多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)蔗茎和蔗叶中各种重金属残留量影响。由图7可知，再生水灌溉处理蔗体的Pb含量比清水灌溉处理多，特别是根部，再生水灌溉处理蔗体根部含铅量是清水灌溉处理的2.03倍。从平均情况看，再生水灌溉处理的蔗根铅含量平均值为0.014 9 mg/kg，根部铅含量分别是叶部、茎部铅含量的2.01倍、1.94倍；根对铅的吸收量最大，其次为茎，再其次为叶，即根>茎>叶。

图7 不同处理Pb在不同部位的含量

图8 不同处理As在不同部位的含量

由图8可知，再生水灌溉处理蔗体的As含量比清水灌溉处理多，特别是根部，再生水灌溉处理蔗体根部含砷量是清水灌溉处理的1.75倍。从平均情况看，再生水灌溉处理的甘蔗根部砷含量平均值为0.941 7 mg，茎部砷含量平均值为0.667 0 mg，叶部砷含量平均值为0.495 5 mg。根部砷含量是茎部砷含量的1.41倍，是叶部砷含量的1.90倍；根对砷的吸收量最大，其次为茎，再其次为叶，即根>茎>叶。

铬(Cd)是一种柔软、银白色的稀有金属。由水样实测资料可知，再生水中Cd的含量仅0.003 mg/L，清水中Cd含量未检出。由实测资料可知，再生水灌溉处理甘蔗根部铬含量平均值为0.02 mg/kg，茎、叶未检出。

由水样实测资料可知，再生水中Hg的含量仅0.008 4 mg/L，清水中Hg的含量仅为再生水的1/10。由实测资料可知，甘蔗根部汞含量平均值为0.020 0 mg/kg(是清水灌溉处理根部汞含量的2倍)，茎部、叶部汞含量未检出。

图9 不同处理Cr在不同部位的含量

由图9可知，再生水灌溉处理的甘蔗根部镉含量平均值为0.021 1 mg/kg，茎部镉含量平均值为0.007 5 mg/kg，叶部镉含量平均值为0.069 9 m/kg。根部铜含量分别是茎、叶部铜含量的2.80倍和3.06倍。甘蔗根对镉的吸收量最大，其次为茎，再其次为叶，即根>茎>叶。由此可知，重金属镉绝大部分分布在根、茎叶等生命旺盛的部位。

图10 不同处理Cu在不同部位的含量

再生水中Cu含量较大，多达0.172 0 mg/L，是清水Cu含量的48倍。在相同蔗体部位，再生水灌溉处理铜含量是清水灌溉处理的2倍以上。由图10可知，再生水灌溉中的甘蔗根部铜含量平均值为4.947 0 mg/kg，茎部铜含量平均值为2.995 5 mg/kg，叶部铜含量平均值为2.258 5 mg/kg。根部铜含量是茎部铜含量的1.65倍，是叶部铜含量的2.19倍。甘蔗根对铜的吸收量最大，其次为茎，再其次为叶，即根>茎>叶。由此可知，重金属铜绝大部分分布在根、茎叶等生命旺盛的部位。