甘蔗秸秆综合利用技术研究现状

梁 强，梁宏卫，胡水凤，韦淙凯，欧阳静，韦海勇，刘晓燕，李毅杰，林善海，李杨瑞，宋修鹏*

(1 广西农业科学院甘蔗研究所，广西南宁 530007；2 广西博庆食品有限公司，广西宜州 546300；3 广西来宾东糖集团有限公司，广西来宾 546100；4 广西博宣食品有限公司，广西武宣 545900)

0 引言

甘蔗是我国重要糖料作物，根据2020/21 年榨季统计，广西糖料蔗种植面积超过73.3 万hm2，如秸秆(蔗叶+尾梢)产量按9 t/hm2计，总量超过660万t。大量甘蔗秸秆残留在蔗田中，由于甘蔗秸秆纤维分含量较高，当年不易自然腐化，不仅影响来年的农事管理，而且增加了病、虫、草源的数量。甘蔗秸秆的传统处理方式为简单的露天焚烧，此种方法虽然简单高效，但其向大气排放的大量二氧化碳气体和烟尘颗粒不仅加重全球温室效应，还给人类呼吸健康带来危害[1-3]。对此，国家相关部门制定了严格的法律法规对露天焚烧加以严控，并要求对秸秆进行科学、无害、资源化处理。如《中华人民共和国大气污染防治法》第七十六条提出，各级人民政府及其农业行政等有关部门应当鼓励和支持采用先进适用技术，对秸秆、落叶等进行肥料化、饲料化、能源化、工业原料化、食用菌基料化等综合利用，加大对秸秆还田、收集一体化农业机械的财政补贴力度。在国家法律的推动和政策的指引下，秸秆收储运输体系日益健全完善，其综合利用技术不断创新和推广，以秸秆为纽带的秸秆产业正在将秸秆收集与生态种养、秸秆能源化和资源化形成有机衔接，并朝着高效、环保、低成本的方向发展。本文以此为切入点，通过试验研究和收集整理前人的研究结果，对甘蔗秸秆处理良种化、肥料化、饲料化、能源化等技术措施进行整理分析，得出一套较为系统的甘蔗秸秆处理解决方案，为甘蔗秸秆资源化综合利用处理技术的深入研究提供理论基础。

1 良种化从源头降低秸秆残留

减少甘蔗生产中的秸秆残留量是秸秆处理的源头性问题，需要从产量、品质、田间性状等各方面进行综合考量。甘蔗品种众多、性状特征差异较大，如部分甘蔗品种叶片可随着生长拔节陆续脱落，而有些品种在整个生长期内茎秆均被叶片紧紧包裹。在高产高糖的基础上，选用自动脱叶且具有高收获指数(低秸秆比例)的优良品种可在实际生产中具备诸多优势。首先自动脱叶品种的叶片提前脱落时期与高温雨水季节重叠，蔗叶的自然腐化具有充足时间和适宜环境，至收获季节时蔗田中部分枯叶已腐熟软化；同时，自然脱叶品种的尾梢生物量较小，从源头上降低了秸秆残留量。其次自动脱叶品种在收获时蔗茎上叶片留存较少，人工砍收模式下只需头尾两刀即可打捆，而在机械化收获模式下亦能显著降低原料蔗含杂率，在有效降低人工剥叶成本的同时，满足糖厂对进厂原料蔗较高的质量控制要求。再者，叶片自动提早掉落，田间通气性好，从而可减少因高温高湿引起的病虫害[4-6]。

为了准确测定生产上常用品种的甘蔗秸秆留存量，课题组对生产常用品种的秸秆残留量进行试验调查。试验选用桂糖29 号、桂糖42 号、桂糖44 号、桂糖46 号、桂糖47 号、桂糖49 号、桂糖55 号、桂糖58 号、桂糖59 号、桂糖60 号、柳城05-136、粤糖93-159、粤糖00-236、新台糖22 号等14 个生产上较常用的品种作为研究对象，采用随机区组设计，行距1.2 m，行长7 m，小区面积42 m2，5 行区，3 重复，每个参试品种下种量均为105000 芽/hm2；采用常规田间管理模式，甘蔗生长期间不对蔗叶进行任何处理。至甘蔗收获期每小区连续选取20 株健康植株进行调查，于生长点往下10 cm 砍断尾梢，之后分别称取尾梢、蔗叶和茎秆的重量并按照重量比例进行计算，即秸秆占比=(尾梢重+蔗叶重)×100%/(茎秆重+尾梢重+蔗叶重)。结果如图1 所示。

图1 广西部分甘蔗栽培品种收获部分与秸秆部分占比

图1 结果显示，广西生产上主要栽培品种的秸秆占比大部集中于10%～20%之间，其中以桂糖29号秸秆占比最高，桂糖60 号秸秆占比最低，而生产上种植面积最大的桂糖42 号和柳城05-136 秸秆占比分别为14.3%和13.3%。按照当前广西甘蔗生长种植面积约73.3 万hm2，平均单产75 t/hm2计算，如仅种植某单一品种，秸秆部分占比最高的桂糖29 号可产生秸秆921.3 万t，而秸秆部分占比最低的桂糖60 号仅产生秸秆509.9 万t，可减少秸秆量接近50%；此外，在脱叶性良好的品种桂糖60 号、桂糖42 号、桂糖46 号、柳城05-136、桂糖55 号中，桂糖42号和柳城05-136 可产生秸秆量分别为784.3 万、732.1 万t，桂糖60 号与二者相比亦可分别减少274.4万、222.2 万t。由此可见，自然脱叶品种兼具高产和低秸秆占比的优点，可以作为减少秸秆田间留存量的优良品种选择。

2 肥料化实现营养物质的循环利用

2.1 秸秆粉碎原位还田

甘蔗秸秆中含有丰富的有机质和矿物质，砍收甘蔗之后采用机械将秸秆物理粉碎原位还田，可将其自身营养返还至土壤中，为下一轮甘蔗生长提供丰富营养源。粉碎后的秸秆颗粒物理形态较小、孔隙度大，与空气和微生物的接触面较大，有利于微生物繁殖生长，为自然腐熟提供良好的环境条件。当前常见的甘蔗收获后秸秆残留与粉碎机械作业如图2 所示。

图2 甘蔗收获后秸秆残留与粉碎机械作业

图3 甘蔗尾梢青贮饲料加工流程图

对甘蔗秸秆中的营养物质进行分析后发现，甘蔗秸秆中不仅含有较高的有机质和微量元素，而且N、P、K 也具有较高含量，分别为1.5%、0.26%和3.02%[7]。另有研究表明，单产达75 t/hm2的甘蔗地，蔗叶粉碎原位还田之后，与施用18.3 kg 氯化钾、7.6kg 尿素和10.3 kg 钙镁磷肥具有同等肥效[8]。连续3年蔗叶粉碎原位还田实验表明，土壤中有机质百分含量从1.5%提高到2.7%，碱解氮从63 mg/kg 增加到116 mg/kg，速效磷从3.7 mg/kg 增加到9.7 mg/kg，速效钾从24.7 mg/kg 增加到55 mg/kg[9]。可见，甘蔗秸秆中含有丰富的营养物质，将其进行原位还田可增加蔗田土壤的有机质含量，减少肥料的施用，其操作简易、经济、有效。Chandre 等[10]研究发现在蔗叶粉碎还田后，土壤中细菌、真菌和放线菌等微生物数量较甘蔗叶焚烧均有提高。蔗叶粉碎还田的同时若能配施酒精废液，将对促进土壤细菌、真菌和放线菌数量增加有更显著的效果[11]。此外，谢金兰[12]从蔗叶还田对甘蔗生长和土壤理化性状的影响方面进行研究，得出蔗叶还田不仅给蔗地增肥，使甘蔗生长迅速，还可保障甘蔗高产稳产并提升其抗旱性和品质。葛畅等[13]的研究也发现甘蔗叶原位粉碎还田处理的出苗率、分蘖率、株高均高于原位深埋和原位焚烧。

秸秆原位还田发挥的积极作用如：①固定营养物质，减少养分流失，为来年甘蔗生长提供丰富的C、N 及矿质元素，实现营养物质循环利用；②增加土壤有机质，改善土壤理化性状，提高土壤透气保水能力，减轻化肥过度施用带来的土壤板结及酸化问题，提升作物的增产潜力；③减少表层土壤水分蒸发和温度过快下降，增强宿根蔗的御寒能力，抑制秸秆覆盖区域杂草种子的萌发；④减少化肥施用，实现节本增收，减少过量施用化肥对农业及生态环境的污染；⑤提高土壤中有益微生物种群及数量。

针对秸秆还田的优势和需求，目前国内研究单位研制出较多的蔗叶粉碎还田机械，如1JFD-2 型双辊甘蔗叶粉碎还田机(中国热带农业科学院机械研究所)；1GYF-120 型、150 型、200 型、250 型甘蔗叶还田机(广西贵港动力有限公司)；3SY-140 甘蔗田碎片还田机(广西壮族自治区农业机械研究所)。同时，也制定了相关作业标准，如DB45/T 561-2008《蔗叶粉碎还田机械作业质量》。

2.2 腐熟发酵处理还田

甘蔗秸秆腐熟还田是把甘蔗秸秆进行收集之后与有机肥或腐熟剂相混合，通过人工干预把大分子有机质经过微生物发酵分解成小分子有机质和无机营养物质，使秸秆营养物质重新回归到土壤中的一种技术方式。目前常用的腐熟基本方式包括：①收集→直接堆沤；②收集→粉碎→堆沤；③收集→粉碎+有机肥→堆沤；④收集→粉碎+腐熟剂→堆沤。然而在实际生产中，蔗农在考虑成本因素后多采用收集后直接堆沤的方式。

相对于直接粉碎还田，腐熟处理过程中增加人工干预措施，可加速秸秆有机质发酵分解。一般秸秆腐熟剂中含有大量能够强烈分解纤维素、半纤维素、木质素的嗜热耐热放线菌和生物酶[14]，在微生物和酶的共同作用下，秸秆有机物发生一系列氧化反应，释放出CO2、H2O 和能量。罗文丽[15]研究发现人工接种加入腐熟剂可加快秸秆的腐熟进程，经过腐熟处理后，蔗叶切碎处理腐熟率增加了4.64 个百分点，切碎之后加入腐熟剂腐熟率处理可增加6.1个百分点，切碎之后加农家肥处理腐熟率可增加9.18 个百分点。由此说明，甘蔗切碎之后加入农家肥进行堆沤腐熟是在几种腐熟方法措施中速度最快、效率最高的，农家肥堆沤过程中微生物分解释放出大量的热量，加快了腐熟过程。这种方法简单易行，如果具备量大且低成本的农家肥料来源时可采用该种技术措施。

2.3 秸秆碳化还田

生物碳作为一种具有高度稳定性的富碳物质，在其产生和储存过程中能将生物质中碳素锁定而避免经直接露天焚烧、微生物分解等途径排放进入大气[16]。近年来，秸秆碳化还田是一项新兴的秸秆还田处理方式，即在缺氧条件下把动植物残体经生物化工技术缓慢高温热解产生一类具有难熔、稳定、富含碳素特征的固态物质，然后返还农田。该方法可对土壤进行有效改良，解决农田肥力下降的问题，并且可以固定碳源，减少温室气体排放，为应对全球气候变化提供新的解决方案。研究发现，生物碳的产生能够留存至少40%的有机碳，对气候变化和全球热辐射平衡起到积极影响作用。因此，通过生物碳工艺把甘蔗秸秆中的碳固定下来，并将其返回到蔗田中，不仅可以有效减少甘蔗生产中因燃烧秸秆而直接向大气排放碳，而且可以改善蔗田土壤肥力，减少氮肥施用量。

3 饲料化可为畜牧业提供大量青储饲料来源

3.1 甘蔗尾梢鲜饲料营养价值高

甘蔗在人工砍收之后，收集尾梢部位(尾部绿叶、部分未成熟茎杆)作为家畜牛羊的青饲料，可补充冬季青饲料的短缺。甘蔗尾梢体量巨大，如果按照广西甘蔗种植面积73.3 万hm2，每年可产生秸秆（蔗叶+尾梢）660 万t，其中新鲜尾梢500 万t，具有巨大的原料储备。对于蔗尾梢作为青贮饲料的适应性上，前人做了较多研究，王启芝等[17]2018 年对比分析了甘蔗尾叶、玉米秸秆、象草3 种主要饲料作物的关键营养成分和能量值，发现甘蔗尾叶粗蛋白质含量介于玉米秸秆和象草之间，粗脂肪含量稍低于玉米秸秆和象草，说明对比玉米秸秆和象草，甘蔗尾叶具有较大的饲料应用潜力，但也存在一定的不足，如粗脂肪偏低和中性洗涤纤维偏高，降低了作为青饲料的适口性，牲畜偏好性略差，如表1 和表2 所示。

表1 几种青饲作物的主要营养成分 单位：%

表2 几种青饲作物的能量指标 单位：MJ/kg

3.2 尾梢半成品饲料加工发展迅速

甘蔗尾梢不仅营养丰富而且体量巨大，可作为牛羊等反刍类动物饲料的重要来源。作为青储饲料原料加工，需与甘蔗的砍收同时进行。国内甘蔗砍收基本上处于人工砍收与机械砍收相结合模式，人工砍收模式占比远超机械砍收，蔗田中产生的大量尾梢残留给后续田间管理工作带来较大影响。蔗农收集尾梢不仅可直接喂养自家牲畜，也可运往青储饲料加工点销售，按照2023 年的收购价格280 元/t计算，还可以增加2100～3000 元/hm2收入。甘蔗尾梢青储饲料加工流程图，甘蔗尾梢饲用方式以青贮或氨化为主，还有添加辅料或者采用微生物制剂进行改善甘蔗尾梢青贮饲料的品质[18]。粗饲料中粗蛋白含量较低、粗纤维含量高，动物不易消化吸收，采用精粗结合发酵可提高饲料蛋白质水平，有助于提高动物瘤胃对饲料干物质的消化率，提高饲料转化率；而在青贮饲料中加入益生菌菌株(如酵母菌、芽孢杆菌、乳酸菌等)来发酵甘蔗尾梢，促使发酵饲料的部分粗纤维得到降解，从而改善反刍动物的肠道环境，保障营养成分不流失，促进转化吸收。同时精粗结合发酵可显著提高动物的日增重和肉品质，具有较好的经济效益[19]。

4 能源化可有效补充我国能源缺口

4.1 蔗叶直燃发电

随着我国能源需求量不断增加，煤电、水电已经难以满足人们的日常用电需求，特别是空调的普及和新能源汽车的兴起，对供电部门提出了更大的挑战。虽风电、光伏电等清洁能源占比逐渐加大，但也很难跟得上对电能需求的步伐。甘蔗收获之后残留的大量枯叶，为生物质燃烧发电提供了大量稳定的燃料来源，不仅解决了露天焚烧蔗田废弃物的问题，也增加了生物质电能的燃料来源渠道，是一项多方受益的生产技术模式。如图4 所示。

图4 蔗叶作为生物质电厂燃料

我国生物质发电行业发展迅速，截至2020 年底，我国生物质发电装机容量2952 万kW，发电量达1326 亿kW∙h，分别比2012 年增加了超过6 倍和接近4 倍[20]。前人研究发现，标准煤、甘蔗渣、甘蔗叶的燃烧值比为1∶3∶6，每年700 万t 甘蔗秸秆可以替代117 万t 的标准煤，减少292.5 万t CO2，2.8万吨SO2，0.82 万t 氮氧化物排入大气(1 t 标准煤可以形成约2.6 t CO2，SO2约24 kg，氮氧化物约7 kg)[21-22]。

根据2019～2021 年的行情报价，蔗叶为250～300 元/t，蔗渣为300～500 元/t，标准煤为700～1800元/t，蔗叶在这3 类燃料商品中价格是最低的，煤炭价格最高，蔗渣的价格稍高于蔗叶。与燃烧值比(1∶3∶6)进行比较，经济效益最好的是蔗渣，价格波动幅度比较大，在1∶4 至1∶6 之间，如果煤炭价格长期处于低位的话，经济效益不如煤炭。因此，对比这3 类燃料经济效益之后，糖企多数采用燃烧燃料充足的蔗渣给自身提供能源，而蔗叶虽然价格较低，但是燃烧值低，经济效益不如蔗渣。由此，蔗叶更适合作为生物质电厂的燃料，虽其经济效益无法与煤和蔗渣相比，但在提供电能的基础上获得了巨大的生态效益，进一步解决了燃烧甘蔗秸秆带来的环境污染问题。

4.2 甘蔗秸秆灰分农林资源化利用

甘蔗秸秆灰分主要包括蔗渣灰分和蔗叶灰分，蔗渣灰分是蔗渣燃烧后产生的灰分，主要来源于糖厂；而蔗叶灰分是甘蔗叶片燃烧后产生的灰分，主要来源于蔗叶露天焚烧和生物质发电厂，如图5 所示。蔗渣灰分中主要化学成分含量如表3 所示。

表3 蔗渣灰分中主要化学成分含量

图5 生物质发电厂的甘蔗秸秆灰分

甘蔗秸秆燃烧之后带走了大部分有机物质元素(包括C、N、S 等)，而矿质元素都残留了下来，表3 中显示糖企制糖过程中产生蔗渣灰分中所含的大部分物质，其中SiO2的含量最高，K2O 次之，还有大量的中微量元素，这些元素是甘蔗生长过程中必不可少的组成部分[23-24]。

近年来，草木灰分在农林生产上得到较为广泛的应用。

(1)作为酸性土壤改良剂利用。我国南方红壤区土壤酸化加剧，已经成为农田土壤质量退化的主要形式[25-26]，农田土壤pH 在1980～2000 年间显著下降了0.5 个单位左右，化学氮肥大量投入是引起土壤酸化的重要原因[25-27,33-34]。土壤酸化可导致钙、镁等阳离子含量降低，铝等作物毒害元素活性增加，严重影响作物的生长[26]。前人研究发现，草木灰显碱性，pH 值可以达到11.3，在农田上使用不仅能提高土壤pH 值，而且能够有效提高土壤速效钾含量[24,26-27]。由此，用蔗渣灰或者配合石灰施用对于改善酸性土壤具有较大应用前景。

(2)作为肥料利用。我国农田土壤不仅缺钾而且极容易流失，每年需要补充大量的钾肥，钾肥一直以来都依赖国外进口，造成种植肥料成本居高不下，而草木灰分含有大量速效钾，容易被植物所吸收，可作为速效钾的重要来源，以减少钾肥投入并改善土壤营养结构，促进作物生长[27-29]。如王前进等研究发现，秸秆发电和气化残余物作为肥料不仅不会引起土壤环境恶化，还可以降低生产成本并提高水稻、烟草等作物的产量和品质[30-31]。甘蔗秸秆灰分中富含各类矿质营养元素，这些营养元素源于甘蔗吸收富集而更有利于植物吸收，若作为肥料使用，有助于解决我国甘蔗生产中钾肥使用严重不足的问题，还可利用其强大的吸附能力减少速效矿质营养的流失，有效提高肥料利用率。目前国内已经有使用草木灰与聚天冬氨酸作为原料生产草木灰颗粒复合肥，解决了运输施用困难、单一施用草木灰肥效低的问题[28]。

(3)作为育苗基质利用。随着国内农林生产育苗技术的不断发展，对育苗基质的需求量也越来越大，不仅经济效益高的瓜果蔬菜在使用商品化种苗，连水稻、小麦、玉米等主要粮食作物也采用了工厂化育苗技术。基质育苗技术已经在农业生产上大范围推广应用，每年都需使用大量的育苗基质，基质中的主要原料以木糠、椰糠、泥炭土、稻壳为主，这些基质材料不仅成本较高，而且仅提供物理支撑和保水保肥作用，作物苗期所需营养均需要另外补充。草木灰不仅具有成本低廉、结构疏松、保水性能好的特点，而且含有植物所需的较为全面的矿质元素，可作为优质的育苗基质使用。前人在水稻、蔬菜育苗方面已经做了较多研究，研究结果表明草木灰作为基质材料育苗更有利于作物生长和品质提高。如邵文奇等利用农作物秸秆草木灰孔隙度大、持水性好、无菌无毒等的优良特性，复配出安全、低成本、育苗效果良好的机插秧育苗基质，解决了传统基质存在的用土量大、取土难、对土壤耕层破坏、劳动强度大等问题[32]。孙春梅等将生物质电厂草木灰作为黄瓜苗期的育苗基质，发现可以有效促进黄瓜幼苗的生长[29]。用蔗渣灰作为育苗基质的研究还鲜有报道。

5 存在问题

我国甘蔗秸秆资源化利用已经取得了较快发展，特别是随着全程机械化生产方式逐渐铺开之后，秸秆处理效率和附加值得到显著提升，逐渐被蔗农和企业接受。但在技术层面还存在较多问题，包括：①自动脱叶低秸秆残留的甘蔗优良品种较少，还需加强具备这类特性的甘蔗新品种选育；②原位还田技术存在腐熟时间长的问题还未能得到解决，对来年机械化作业产生影响；③禁止露天燃烧秸秆之后，大量病虫草源还留存在地表和宿根蔗蔸中，给来年甘蔗生产带来较大风险，还增加了农药施用量；④增加了机械在田间的作业次数，碾压蔗蔸并破坏了宿根蔗生长的土壤环境；⑤甘蔗秸秆锅炉燃烧灰分基本用于高经济价值的作物上，极少返回蔗田，造成蔗田中甘蔗所需矿质营养严重缺乏。

总之，甘蔗作为C4 高光效作物，不仅为我们提供甜蜜的蔗糖，每年还固定了大量的CO2，为我国减少整体碳排放贡献巨大。研发创建一套更科学合理的秸秆处理模式，变废为宝，让甘蔗秸秆发挥更大的效能，是我们科研工作者当下的一项重要任务。