吳衛(wèi)熊,何令祖,邵金華,張廷強(qiáng)
(廣西水利科學(xué)研究院,南寧 530023)
制糖廢水主要來(lái)自制糖及其副產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的廢水,廢水水質(zhì)屬于高濃度有機(jī)廢水,直接排放容易造成水體缺氧或富營(yíng)養(yǎng)化,嚴(yán)重的導(dǎo)致水體惡化[1]。廣西共有30戶制糖企業(yè)(104家糖廠),總?cè)照フ嵘a(chǎn)能力68.50萬(wàn)t。2013/14年榨季,全區(qū)開榨糖廠102家,累計(jì)入榨甘蔗7 074萬(wàn)t,混合糖產(chǎn)量855.80萬(wàn)t。根據(jù)《廣西糖業(yè)年報(bào)》,廣西制糖企業(yè)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(yè)在2013/2014榨季可以產(chǎn)生479.25萬(wàn)m3,加上酒精、造紙、酵母等副產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水,總量達(dá)到573.40萬(wàn)m3,占廣西工業(yè)廢水排放量的20%左右[1]。且制糖企業(yè)廢水排放時(shí)間與榨蔗時(shí)間基本同步,加上酒精、造紙、酵母等副產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水,制糖企業(yè)基本上全年都會(huì)產(chǎn)生工業(yè)廢水。由圖1可知,制糖廢水主要排放期為11月至來(lái)年的5月,這段時(shí)間排放的是制糖產(chǎn)生的廢水,對(duì)應(yīng)甘蔗的苗期和分蘗期;6月至10月排放的是生產(chǎn)酒精、酵母等副產(chǎn)品產(chǎn)生的廢水,對(duì)應(yīng)甘蔗的伸長(zhǎng)期和成熟期。因此,開展清水、再生水灌溉對(duì)甘蔗產(chǎn)量及品質(zhì)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(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的污染風(fēng)險(xiǎn),其中,重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)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(dá)到一定致毒濃度將對(duì)環(huán)境、植物及人體健康產(chǎn)生不利影響[3-5]。為保證灌溉安全性,灌溉前必須對(duì)制糖廢水進(jìn)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(xiàng)指標(biāo)達(dá)到灌溉規(guī)范的要求,成為滿足灌溉條件的再生水,詳見表1。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展的再生水灌溉研究多針對(duì)玉米、蔬菜等作物,徐亞幸[6]對(duì)制糖工業(yè)廢水灌溉對(duì)土壤的pH及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤的養(yǎng)分以及重金屬進(jìn)行分析,得到灌溉廢水對(duì)土壤無(wú)不良的影響。本文重點(diǎn)分析清水、再生水灌溉對(duì)甘蔗的生長(zhǎng)指標(biāo)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(duì)于制糖企業(yè)再生水資源化,解決該地區(qū)甘蔗灌溉用水缺乏的問題有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。
圖1 廣西制糖企業(yè)制糖廢水排放情況
序號(hào)項(xiàng)目類別規(guī)范要求再生水1五日生化需氧量/(mg·L-1)10076.172化學(xué)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(jià))/(mg·L-1)0.10.0588鉛/(mg·L-1)0.20.0386
本試驗(yàn)設(shè)計(jì)再生水、清水和無(wú)灌溉(天然降雨,對(duì)照)3種處理,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)面積6 670 m2。為防止各個(gè)處理的水分相互交換,在處理間鋪設(shè)0.8 m的塑料薄膜隔開。
試驗(yàn)區(qū)設(shè)有兩個(gè)鋼筋混凝土水池,容積1 000 m3,1號(hào)水池用來(lái)存儲(chǔ)廣西湘桂糖業(yè)有限公司江州區(qū)糖廠的再生水,2號(hào)水池用來(lái)存儲(chǔ)來(lái)自黑水河的河水,每個(gè)水池單設(shè)一臺(tái)加壓水泵,水泵的流量10 m3/h,揚(yáng)程為25 m,設(shè)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(shè)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)土壤物理性質(zhì)的測(cè)定。種植前對(duì)土壤容重、田間持水量進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定的方法為環(huán)刀法。
(2)環(huán)境因子的測(cè)定。試驗(yàn)區(qū)安置的氣象站,自動(dòng)記錄試驗(yàn)區(qū)降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、空氣相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射等基本氣象資料。
(3)土壤含水量的測(cè)定。每個(gè)處理安裝一根TDR測(cè)管,長(zhǎng)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(zhǎng)形態(tài)的測(cè)定。①出苗:每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選擇3個(gè)觀測(cè)點(diǎn),每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)連續(xù)3行,每行5 m觀測(cè)甘蔗出芽情況。②分蘗:連續(xù)選擇20根主芽,觀測(cè)5片真葉以上的甘蔗根數(shù)。③生長(zhǎng):選取小區(qū)生長(zhǎng)均勻,有代表性的連續(xù)20根甘蔗,做好記號(hào),每7 d觀測(cè)一次,觀測(cè)指標(biāo)主要有:株徑、株高、種植密度,獲取甘蔗生長(zhǎng)的基本資料。株徑采用游標(biāo)卡尺來(lái)測(cè)量,株高采用鋼尺來(lái)測(cè)量。④分別調(diào)查不同處理葉片數(shù)與葉面積,每小區(qū)選取有代表性植株2株,用便攜式葉面積儀LI-3000A測(cè)定單株的葉面積,求算葉面積指數(shù)(LAI)。
(5)甘蔗產(chǎn)量的測(cè)定。進(jìn)入成熟期,每個(gè)處理選擇66.7 m2地,砍收甘蔗,進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。每個(gè)處理連續(xù)選擇20株,測(cè)量株徑、株高和錘度。
(6)甘蔗品質(zhì)的測(cè)定。在伸長(zhǎng)期和成熟期各選擇1根甘蔗,測(cè)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(xué)元素在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)室測(cè)定,對(duì)比再生水灌溉處理和清水灌溉處理的重金屬含量。
蔗種下種后至蔗芽萌發(fā)出土階段成為萌芽期。土壤水分對(duì)蔗種萌發(fā)的影響非常大,水分不足對(duì)發(fā)根和發(fā)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(zhǎng)的需要。根點(diǎn)萌發(fā)一般要經(jīng)過浸種使種苗含水量達(dá)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(jié)下種,土壤保持濕潤(rùn)是提高萌芽率的關(guān)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(huì)卷葉,抑制幼苗根系生長(zhǎng)[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(yǎng)分對(duì)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(shí),如氮、磷、鉀和硫、鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)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(duì)甘蔗分蘗期水肥需求量大的特點(diǎn),灌溉富含氮、磷、鉀、硫、鈣、鎂等元素的再生水,會(huì)促進(jìn)蔗苗分蘗。
再生水灌溉處理3個(gè)重復(fù)的單位面積(667 m2)出芽數(shù)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(gè)重復(fù)的單位面積(667 m2)出芽數(shù)分別為3 558株、3 623株和3 706株,平均3 632 株;無(wú)灌溉處理3個(gè)重復(fù)的平均出芽數(shù)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(shù)少于清水灌溉處理和無(wú)灌溉處理(CK),再生水灌溉對(duì)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(dá)到1.023,高于清水灌溉處理的0.733和無(wú)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(jìn)蔗苗的分蘗,增加蔗田的總苗數(shù),為原料蔗增產(chǎn)打下基礎(chǔ)。
自甘蔗開始拔節(jié)起至伸長(zhǎng)基本停止的時(shí)期,稱為伸長(zhǎng)期。甘蔗伸長(zhǎng)期是從發(fā)展群體為主,轉(zhuǎn)向發(fā)大根、開大葉、長(zhǎng)大莖個(gè)體生長(zhǎng)為主的時(shí)期,是甘蔗生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期。甘蔗伸長(zhǎng)期需水量占全生育期的60%左右,干旱缺水會(huì)制約蔗莖的生長(zhǎng)速率[6]。
(1)株高和蔗莖。蔗高和蔗莖是甘蔗生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo),與水分、肥力、水質(zhì)等因素關(guān)系很大。甘蔗通過光合作用合成碳水化合物,積累干物質(zhì),積累量的大小直接反映在株高、莖粗及產(chǎn)量積累等的動(dòng)態(tài)變化上。甘蔗的擴(kuò)大生長(zhǎng),需要水分作為其光合作用、生產(chǎn)有機(jī)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(jù)李楊瑞等[7]的研究,甘蔗營(yíng)養(yǎng)的最大特點(diǎn)是滿足蔗莖的生長(zhǎng)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(wú)灌溉最小。
圖4 不同處理甘蔗生長(zhǎng)形態(tài)分析圖
圖5 不同處理甘蔗葉面積指標(biāo)分析圖
再生水灌溉處理中,甘蔗伸長(zhǎng)期日生長(zhǎng)1.48 cm,伸長(zhǎng)早期(6-8月)日生長(zhǎng)0.70 cm、伸長(zhǎng)中期(8-9月)日生長(zhǎng)1.45 cm、伸長(zhǎng)晚期(9-10月)日生長(zhǎng)1.70 cm;清水灌溉處理中,甘蔗伸長(zhǎng)期日生長(zhǎng)1.40 cm,伸長(zhǎng)早期(6-8月)日生長(zhǎng)0.60 cm、伸長(zhǎng)中期(8-9月)日生長(zhǎng)1.43 cm、伸長(zhǎng)晚期(9-10月)日生長(zhǎng)1.68 cm;無(wú)灌溉處理中,甘蔗伸長(zhǎng)期日生長(zhǎng)1.34 cm,伸長(zhǎng)早期(6-8月)日生長(zhǎng)0.49 cm、伸長(zhǎng)中期(8-9月)日生長(zhǎng)1.46 cm、伸長(zhǎng)晚期(9-10月)日生長(zhǎng)1.67 cm。
(2)對(duì)葉面積指數(shù)的影響。葉面積指數(shù)(Leaf area index,LAI)是反映作物群體大小的較好的動(dòng)態(tài)指標(biāo),一般認(rèn)為,在一定的范圍內(nèi),作物產(chǎn)量隨LAI增大而提高,當(dāng)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(chǎn)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(xiàn)為先升高再降低的趨勢(shì),且無(wú)灌溉處理的甘蔗葉面積指數(shù)在各個(gè)時(shí)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(shù)最高。在生物產(chǎn)量形成的伸長(zhǎng)期(6-10月),再生水灌溉處理的LAI達(dá)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(shù)。
2.3.1對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響
根據(jù)李楊瑞[7]的研究甘蔗的產(chǎn)量構(gòu)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(shù)等,其他條件一致時(shí),單位面積(667 m2)有效莖以及單株甘蔗重量是決定總產(chǎn)量的要素,而采用富含N、P、K元素的糖廠廢水可以促進(jìn)蔗株分蘗,提高有效莖。本試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)量都大于無(wú)灌溉處理。一是有灌溉條件的試驗(yàn)區(qū)有效莖比無(wú)灌溉的有效莖多,二是各處理間的植株生長(zhǎng)情況不同,也導(dǎo)致了各處理產(chǎn)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(chǎn)量7.25 t,清水灌溉處理單位面積(667 m2)產(chǎn)量6.18 t,無(wú)灌溉單位面積(667 m2)產(chǎn)量4.02 t,即再生水灌溉處理單位面積(667 m2)產(chǎn)量比清水灌溉處理高1.07 t,比無(wú)灌溉處理高3.23 t。
2.3.2對(duì)甘蔗品質(zhì)的影響
(1)對(duì)含糖分的影響。李楊瑞[7]提出水分有利于甘蔗生長(zhǎng),水分充足可使甘蔗遲熟,10月底的水分還會(huì)影響蔗莖的含糖量,但過于干旱,糖分也會(huì)較低,且蔗汁中含有較多膠質(zhì),不利于制糖,即在伸長(zhǎng)后期及成熟期保證合適的水分,對(duì)甘蔗含糖分具有重要的作用。張仲賓[8]通過對(duì)比試驗(yàn)得到糖廠再生水灌溉甘蔗的含糖分13.59%,比無(wú)灌溉(天然降雨)新臺(tái)糖16號(hào)的錘度低0.02%,但比清水灌溉高0.04%。
由圖6可知,本試驗(yàn)再生水灌溉處理平均含糖分為14.18%,清水灌溉處理14.26%,無(wú)灌溉(天然降雨)14.38%,結(jié)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(wú)灌溉處理的錘度小,但在成熟期錘度的增長(zhǎng)速率明顯快于無(wú)灌溉處理。分析該年度9月和10月的降雨量,這段時(shí)期降雨量相對(duì)比較充沛,兩次降雨間距15 d左右,雖然有效降雨量相對(duì)較少,尚未完全滿足甘蔗生長(zhǎng)需水,造成蔗節(jié)頂端分生組織細(xì)胞分裂減緩,居間分生細(xì)胞伸長(zhǎng)受阻,節(jié)間變短;但仍能滿足糖分的累積,故無(wú)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(zhǎng)速度快于無(wú)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(huì)導(dǎo)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(cè)蔗莖和蔗葉中N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、Fe、Mn和B的含量。經(jīng)計(jì)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(yǎng)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(duì)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(duì)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(shí)測(cè)資料可知,再生水中Cd的含量?jī)H0.003 mg/L,清水中Cd含量未檢出。由實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)資料可知,再生水中Hg的含量?jī)H0.008 4 mg/L,清水中Hg的含量?jī)H為再生水的1/10。由實(shí)測(cè)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(duì)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(dá)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(duì)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。
(1)再生水中含As 、Hg 、Pb、Cd、Cr和Cu等重金屬含量相對(duì)較高,甘蔗的生長(zhǎng)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(duì)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(wú)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(jìn)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(wú)灌溉(CK)提高71.60%。
(3)試驗(yàn)研究表明,再生水灌溉處理和清水灌溉處理的株高在整個(gè)生育期內(nèi)變化趨勢(shì)一致,比無(wú)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(chǎn),比清水灌溉處提高17.31%,比無(wú)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(shì)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(yuǎn)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(duì)甘蔗各個(gè)生育期受再生水的影響進(jìn)行了分析,得到了一些結(jié)論,但試驗(yàn)處理較少、試驗(yàn)時(shí)間較短,還需要進(jìn)一步深入研究。
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