農(nóng)作物秸稈基質(zhì)化利用技術(shù)研究進(jìn)展

范如芹，羅　佳，嚴(yán)少華，盧　信，劉麗珠，張振華

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境研究所，江蘇 南京　210014)

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農(nóng)作物秸稈基質(zhì)化利用技術(shù)研究進(jìn)展

范如芹，羅佳，嚴(yán)少華，盧信，劉麗珠，張振華①

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境研究所，江蘇 南京210014)

摘要：將農(nóng)作物秸稈基質(zhì)化可充分利用閑置的秸稈資源，是保護(hù)珍貴泥炭資源、降低大氣及農(nóng)村環(huán)境污染的有效途徑。闡述了農(nóng)作物秸稈用于基質(zhì)生產(chǎn)的技術(shù)原理，介紹了生產(chǎn)技術(shù)流程，詳細(xì)闡明了其生產(chǎn)工藝參數(shù)與設(shè)備，指出了技術(shù)操作要點(diǎn)，最后對存在的主要問題及解決途徑進(jìn)行了總結(jié)和展望，旨在為農(nóng)作物秸稈的基質(zhì)化利用和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵；復(fù)配；秸稈；泥炭；栽培基質(zhì)

無土栽培是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向現(xiàn)代化、規(guī)模化、集約化轉(zhuǎn)化的新型栽培方式,因具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、可避免土傳病害及連作障礙等優(yōu)勢得以飛速發(fā)展。基質(zhì)栽培是無土栽培的重要類型,而栽培基質(zhì)則是這種新型高效農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ),基質(zhì)的品質(zhì)與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力充分反映了無土栽培的水平[1]。泥炭是優(yōu)良的傳統(tǒng)基質(zhì)原料,但泥炭價格較高,資源儲量有限,且短期內(nèi)不可再生,很多國家已禁止開采[2-4]。因此如何開發(fā)一種來源廣泛、性能穩(wěn)定、養(yǎng)分豐富、價格低廉且無污染的基質(zhì)原料,對提高基質(zhì)品質(zhì)以及基質(zhì)產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)至關(guān)重要[5]。

我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量巨大,秸稈品種繁多,據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計,2009年我國農(nóng)作物秸稈理論資源量為8.2億t。同時秸稈中含有大量的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和粗蛋白質(zhì)等養(yǎng)分[6]。但目前我國秸稈的資源化利用率很低,秸稈大量丟棄或焚燒，嚴(yán)重污染大氣及農(nóng)村環(huán)境[7]。因此,利用秸稈等有機(jī)固體廢棄物生產(chǎn)栽培基質(zhì)已成為無土栽培基質(zhì)的研究熱點(diǎn)[8]。在國外利用秸稈種植蔬菜已有50多年的歷史,秸稈栽培基質(zhì)在歐洲和加拿大應(yīng)用非常普遍[9]。蔣衛(wèi)杰等[10]首創(chuàng)了有機(jī)生態(tài)型無土栽培,將腐熟的玉米秸稈或棉子殼、椰子殼、消毒雞糞等有機(jī)廢棄物與草炭、爐渣、菌渣等混合作為栽培基質(zhì)進(jìn)行黃瓜無土栽培,其中腐熟的玉米秸稈配方取得了很好的栽培效果。其他研究者以秸稈為主要原料混配基質(zhì)并進(jìn)行溫室內(nèi)蔬菜作物栽培試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn),作物秸稈作為有機(jī)生態(tài)型無土栽培基質(zhì)的主要配方原料經(jīng)濟(jì)可行,能夠滿足作物正常生長發(fā)育需要,這種本土化、低成本、可再生、環(huán)保型的育苗基質(zhì)有廣闊的發(fā)展前景[11-12]。

但目前秸稈基質(zhì)化利用技術(shù)尚不成熟,生產(chǎn)工藝與流程尚不規(guī)范,基質(zhì)產(chǎn)品性能不穩(wěn)定,且缺乏統(tǒng)一的科學(xué)操作標(biāo)準(zhǔn)。因此,筆者回顧了農(nóng)作物秸稈用于基質(zhì)生產(chǎn)的技術(shù)原理、生產(chǎn)技術(shù)流程和工藝參數(shù)與設(shè)備,并對存在的主要問題及解決途徑進(jìn)行了總結(jié)和展望,旨在為農(nóng)作物秸稈的基質(zhì)化利用和規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1秸稈基質(zhì)化利用的技術(shù)原理

秸稈栽培基質(zhì)制備技術(shù)是以秸稈為主要原料,添加其他有機(jī)廢棄物以調(diào)節(jié)碳氮比和物理性狀(如孔隙度、滲透性等),同時調(diào)節(jié)水分使混合后物料含水率在60%～70%之間,在通風(fēng)干燥防雨環(huán)境中進(jìn)行有氧高溫堆肥,使其腐殖化與穩(wěn)定化。原理是利用自然界(必要時接種外源秸稈腐解菌)大量的微生物對秸稈進(jìn)行生物降解,微生物把一部分被吸收的有機(jī)物氧化成簡單的可供植株吸收利用的無機(jī)物,把另一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化成新的細(xì)胞物質(zhì)以促使微生物生長繁殖,進(jìn)而進(jìn)一步分解有機(jī)物料[13]。最終秸稈等原材料轉(zhuǎn)化成為簡單的無機(jī)物、小分子有機(jī)物和腐殖質(zhì)等穩(wěn)定的物質(zhì)。將堆腐穩(wěn)定的物料破碎后,與泥炭、珍珠巖、蛭石、礦渣等材料合理配比,使其理化指標(biāo)達(dá)到育苗或栽培基質(zhì)所需條件。

農(nóng)作物秸稈中含有大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硅、硫和其他微量元素,是重要的有機(jī)肥源之一[14]。但秸稈中上述養(yǎng)分只有在經(jīng)過堆肥發(fā)酵等前處理后才能安全有效地被植株吸收利用。堆肥發(fā)酵技術(shù)是秸稈等廢棄物處理的一種重要手段,也是其資源化利用的最重要技術(shù)之一[15]。原理為利用自然界大量的細(xì)菌、放線菌和真菌等微生物對秸稈進(jìn)行生物降解,最終秸稈等原材料以簡單的無機(jī)物、小分子有機(jī)物和腐殖質(zhì)形態(tài)存在,而腐殖質(zhì)則是理想的植株長效肥源[16-18]。秸稈發(fā)酵過程往往混合一定比例的畜禽糞便等物料,糞便等有機(jī)廢棄物料的主要成分為蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物以及一些微量的礦物鹽分,這些成分可為秸稈發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物提供代謝底物,促進(jìn)其生長繁殖,而秸稈發(fā)酵過程中被破壞的纖維結(jié)構(gòu)作為一種附著物和良好的發(fā)酵支持介質(zhì),可更好地吸附、分散糞便中的可代謝成分,同時有效地固定和濃縮這些有機(jī)質(zhì)中的碳、氮、磷、硫等元素,提升秸稈作為肥料的潛在價值和應(yīng)用潛力[19]。堆肥發(fā)酵除了將秸稈降解為有效有機(jī)肥之外,發(fā)酵過程中可產(chǎn)生 50～70 ℃的高溫,不僅干燥了物料,也殺死了蟲卵和病菌等有害生物,為基質(zhì)的安全應(yīng)用打下基礎(chǔ)[20],同時秸稈發(fā)酵也改善了基質(zhì)產(chǎn)品的化學(xué)穩(wěn)定性[21]。

良好的栽培基質(zhì)需具有以下基本功能:固定支持植株,提供植株所需營養(yǎng),具備透氣、持水以及緩沖作用。因此,要求各種基質(zhì)原材料在與其他材料合理配比并預(yù)處理之后具有足夠的養(yǎng)分供給植株,具有適宜的緊實度與顆粒大小以滿足通氣透水的要求,同時材料需可以減輕根系生長過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)或外來有害物質(zhì)對植株的危害,以提供植株所需的穩(wěn)定的生長環(huán)境。單一或未經(jīng)處理的原材料無法滿足上述要求,而作物秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物材料通過自身堆肥發(fā)酵、粉碎等處理之后與泥炭、珍珠巖、蛭石、礦渣等材料合理配比，改善基質(zhì)容重、孔隙度、持水量、電導(dǎo)率、pH值和養(yǎng)分有效性等理化性狀，方可達(dá)到植株生長的要求。目前認(rèn)為基質(zhì)的容重、總孔隙度、粒徑、大小孔隙比(氣水比)和持水量等是比較重要的物理性狀[22],而對作物有較大影響的化學(xué)性質(zhì)主要有基質(zhì)的化學(xué)組成及由此引起的化學(xué)穩(wěn)定性、酸堿性、陽離子代換量、電導(dǎo)率和緩沖能力等。這些指標(biāo)相互作用,共同影響基質(zhì)的綜合性能。

2秸稈基質(zhì)化生產(chǎn)流程

目前國內(nèi)外秸稈基質(zhì)化利用的流程主要包括秸稈原料預(yù)處理、與其他物料合理配比(復(fù)配)以及基質(zhì)性狀調(diào)控3大部分,生產(chǎn)技術(shù)流程見圖1。

圖1　作物秸稈栽培基質(zhì)化生產(chǎn)技術(shù)流程示意

2.1秸稈預(yù)處理技術(shù)

秸稈預(yù)處理技術(shù)主要有機(jī)械粉碎和堆肥發(fā)酵技術(shù)。秸稈作為基質(zhì)原材料,其物理、化學(xué)性質(zhì)或生物學(xué)穩(wěn)定性未能達(dá)到理想基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn),因此需要通過后期加工處理改良其性質(zhì)以達(dá)到育苗或栽培要求,稱之為秸稈的預(yù)處理。預(yù)處理方法分為物理方法和化學(xué)方法2類。物理方法有粉碎、過篩和混配等;化學(xué)方法有發(fā)酵、淋洗和使用發(fā)酵添加劑等。若秸稈顆粒過大,除釆用粉碎、過篩方法外,通過發(fā)酵降解也可改變基質(zhì)粒徑。粉碎后的粒徑大小對發(fā)酵時間和腐熟程度等也有一定影響。

在秸稈基質(zhì)化利用初期,秸稈多是人工或收割機(jī)收獲后直接用于發(fā)酵,或經(jīng)過簡單的堆漚便用于蘑菇等作物栽培,發(fā)酵效果及基質(zhì)性能不理想[23-24]。隨著對基質(zhì)品質(zhì)要求的提高和粉碎機(jī)等機(jī)器設(shè)備的應(yīng)用和改進(jìn),秸稈均需經(jīng)過粉碎以取得較好的發(fā)酵效果,近年來甚至要經(jīng)過嚴(yán)格的過篩程序[25]。對于玉米秸稈,姜潔[26]研究認(rèn)為粉碎粒徑為4～5 cm更有利于發(fā)酵。KUISMA等[25]則認(rèn)為粉碎至3 cm粒徑后效果才較為理想。其他秸稈,如蘆葦,WANG等[27]發(fā)現(xiàn)粉碎至1 cm左右效果較佳。大多情況下,發(fā)酵過程對物料粒級的要求與基質(zhì)產(chǎn)品對顆粒的要求不同,一般要求基質(zhì)粒徑小于2 mm更有利于通氣透水和作物生長[28],因此秸稈等物料發(fā)酵后往往需要進(jìn)行更為嚴(yán)格的粉碎和過篩處理。

半個多世紀(jì)以前,歐美國家在進(jìn)行秸稈基質(zhì)化利用的初期嘗試過程中,秸稈不經(jīng)發(fā)酵而直接或經(jīng)過碾壓破碎等簡單處理后用于蔬菜栽培[29-30],這也是我國早期的秸稈基質(zhì)化利用形式。由于秸稈原料養(yǎng)分利用困難、理化性狀不達(dá)標(biāo)等缺陷,堆肥發(fā)酵逐漸發(fā)展成為秸稈基質(zhì)化的重要步驟。20世紀(jì)80、90年代,我國對秸稈的發(fā)酵僅局限于簡易的室外堆放,過程控制也僅包括溫度和水分條件的調(diào)節(jié)[31],很少使用添加劑。為加速發(fā)酵進(jìn)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量,發(fā)酵條件的研究成為秸稈資源化利用的熱點(diǎn)。SENESI等[32]指出,有機(jī)質(zhì)含量、顆粒大小、碳氮比、碳磷比和pH等是對堆肥反應(yīng)有直接影響的主要控制條件。尿素和水等發(fā)酵調(diào)節(jié)劑及微生物發(fā)酵劑的添加也十分必要[33-34]。王富生[19]將曬干粉碎的玉米秸稈混以牛、羊糞混合發(fā)酵,并添加活性較強(qiáng)的短桿菌和芽孢桿菌,秸稈中碳水化合物及粗纖維成分被微生物分解利用,秸稈在較短時間內(nèi)被腐殖化。復(fù)合菌劑(如EM)也是發(fā)酵有機(jī)物常用的添加劑,包括光合細(xì)菌、放線菌、酵母菌和乳酸菌等多種微生物。王瑞良等[35]利用 EM 菌劑發(fā)酵有機(jī)肥,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氨基酸含量明顯增加,有害物質(zhì)含量降低?？梢?添加活性菌群并控制發(fā)酵條件可大大縮短秸稈降解時間。同時,秸稈纖維晶格結(jié)構(gòu)的破壞及降解可有效促進(jìn)秸稈腐殖質(zhì)化進(jìn)程,提高其作為有機(jī)肥和基質(zhì)原料的潛在價值。進(jìn)一步將微生物發(fā)酵與秸稈預(yù)處理相結(jié)合可取得更為理想的發(fā)酵效果。高鵬輝等[36]先用酸、堿和氧化劑等化學(xué)試劑對秸稈進(jìn)行預(yù)處理后再接種微生物發(fā)酵,粗纖維等可得到更好的降解,發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量更加理想。

2.2秸稈堆肥與其他物料的復(fù)配

單一秸稈和糞便等有機(jī)物料堆肥發(fā)酵后用于栽培基質(zhì),常存在容重過大、通氣孔隙度過低等物理性狀缺陷,需要通過與其他基質(zhì)材料再次混配來改善物理性狀[37-38]。同時,有機(jī)基質(zhì)的生物穩(wěn)定性差,物理性狀不穩(wěn)定,也需通過與無機(jī)基質(zhì)混合浸泡改善其穩(wěn)定性[39]。早期的復(fù)配添加材料有棉巖、蛭石、珍珠巖和泥炭等,這些材料具有環(huán)境降解性差或價格較高等缺點(diǎn),因此復(fù)配材料越來越傾向于環(huán)境友好且價格低廉的爐渣、河沙、土壤和礦渣等材料。根據(jù)基質(zhì)配方及需求量的要求,計算出堆肥與每種復(fù)配材料的體積,將各原料分層間隔堆置,人工或使用翻堆設(shè)備充分混拌均勻,即完成基質(zhì)生產(chǎn)的材料復(fù)配步驟。大量研究表明,秸稈堆肥與土壤、河沙、爐渣、糖醛和鋸末等材料復(fù)配可顯著改善其持水性、容重和孔隙特征等物理性狀[40-43],用于蘑菇、草莓、番茄和青椒等作物的栽培能夠取得良好的生產(chǎn)效果。郁繼華[44]通過反復(fù)配方試驗得出,有機(jī)物料添加量w在60%左右(其中秸稈20%～35%，牛糞 20%～35%，草炭0～20%，菇渣0～25%),無機(jī)原料w在40%左右(其中蛭石0～10%，河沙或荒漠沙0～35%，爐渣0～35%),效果較佳。

2.3基質(zhì)調(diào)控劑的添加

由于基質(zhì)材料本身的缺陷,基質(zhì)材料配比成功后仍可能存在保水保肥性差的問題,且由于畜禽糞便含有較高的鹽分,混合發(fā)酵大大限制了秸稈原料基質(zhì)的應(yīng)用效果和應(yīng)用領(lǐng)域,此時需要通過添加調(diào)控材料,也就是基質(zhì)調(diào)控劑(如吸水樹脂、生物炭、腐植酸和硅藻土等)來改善其理化性質(zhì)[45-48]。ARBONA等[49]指出,添加樹脂后基質(zhì)持水量大大提升,w=0.4%的添加量即可有效降低干旱對柑橘樹苗的不利影響。范如芹等[50]研究得出,淀粉基吸水樹脂具有明顯延緩基質(zhì)水分蒸發(fā)、保持基質(zhì)水分的效果,w=1%的添加量即可降低50%的澆水量。鄧琦子等[51]研究發(fā)現(xiàn),在基質(zhì)水分耗竭條件下吸水樹脂可延緩黃瓜和番茄等植株的萎蔫發(fā)生時間,植株葉片量及莖粗等生長指標(biāo)值也相應(yīng)提高。許多報道指出,生物炭也具有改善基質(zhì)理化性能和作物生長狀況的作用[48,52]。另外,改性凹凸土、腐植酸、硅藻土、保水劑和草炭等也被用作添加劑來降低基質(zhì)鹽分。范如芹等[53]指出,凹凸土經(jīng)過改性后對鹽分有一定降低作用,添加量w為3%和5%時,基質(zhì)電導(dǎo)率即由2.36 mS·cm-1分別降低到2.01和 1.89 mS·cm-1。魏勝林[54]報道,保水劑(2～10 g·L-1) 和泥炭(16.7～83.3 g·L-1) 聯(lián)用具有較好的降鹽效果。FAN等[55]研究發(fā)現(xiàn),吸收樹脂(0.8 g·L-1)與生物炭(φ=10%)聯(lián)用可在提高基質(zhì)保水性的同時抑制基質(zhì)鹽分升高。

3秸稈基質(zhì)化的生產(chǎn)設(shè)備及工藝參數(shù)

從秸稈原料到基質(zhì)產(chǎn)品打包出廠,所用設(shè)備主要包括粉碎機(jī)、發(fā)酵設(shè)備、復(fù)配攪拌機(jī)(混合機(jī))和計量打包機(jī)等。其中,粉碎機(jī)及計量打包機(jī)等是較為簡易的設(shè)備,市場上常見的粉碎機(jī)、電子秤和打包機(jī)即可滿足物料粉碎、稱重和打包等要求。目前主要的設(shè)備為混合設(shè)備和發(fā)酵設(shè)備。

3.1混合設(shè)備

復(fù)配材料及基質(zhì)調(diào)控劑與秸稈堆肥的混合均勻度對基質(zhì)產(chǎn)品理化性狀的穩(wěn)定性至關(guān)重要，對發(fā)酵效果也有重要影響。人工翻拋混合不僅工作繁重,而且混合不均,因此混合機(jī)逐漸取代了傳統(tǒng)的人工混合方式。目前國內(nèi)使用的混合機(jī)可分為間斷式混合機(jī)和連續(xù)式混合機(jī)2種。間斷式混合機(jī)主要以單軸和雙軸混合機(jī)為主,利用轉(zhuǎn)動的槳葉進(jìn)行攪拌,能夠有效減少離析狀況,使原料與配料充分混合。連續(xù)式混合機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)、供料器、管型殼體、轉(zhuǎn)軸和槳葉組成。物料按配方用量由進(jìn)料口送入混合機(jī),輔料或添加劑按配比通過輔料口進(jìn)入混合機(jī),混合機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時,槳葉將物料向前方翻動并拋起、混合,然后向出口輸送,可實現(xiàn)“邊進(jìn)邊出”連續(xù)作業(yè)。這種混合機(jī)占地面積小,可實現(xiàn)連續(xù)混合作業(yè),且容易實現(xiàn)無人作業(yè),但其對原料及配料的定量輸送要求較高[56]。

3.2發(fā)酵設(shè)備及工藝參數(shù)

根據(jù)物料周轉(zhuǎn)形式,發(fā)酵可分為靜態(tài)式發(fā)酵和動態(tài)式發(fā)酵2種,根據(jù)物料放置方式又分為平地堆放式、池式和槽式發(fā)酵3種。堆放式發(fā)酵每堆物料堆放量一般為200～400 kg·m-2,堆放高度在0.5～0.8 m之間,屬開放式堆放,易受到環(huán)境和人為因素影響;池式發(fā)酵物料堆放在長條狀(一般長度2～5 m,寬度1 m左右)的防水地坑中,利于保溫,發(fā)酵環(huán)境相對溫和,但物料搬運(yùn)困難,人工操作強(qiáng)度較大;槽式發(fā)酵則結(jié)合了平地堆放和池式發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn),物料堆放于砌墻的發(fā)酵槽中,墻高1.2～1.5 m,墻體間隔2.0～2.5 m,長度15～30 m,發(fā)酵條件較其他2種有了較大改善,但槽底物料難于清理[56]。靜態(tài)發(fā)酵易使物料受到外界雜菌的感染而影響成品品質(zhì),同時也存在勞動強(qiáng)度大、效率低、發(fā)酵不充分和肥料質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷,隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,這種發(fā)酵方式終將被淘汰。

動態(tài)式發(fā)酵將物料放置在有機(jī)械動力的容器內(nèi),由電器控制物料周轉(zhuǎn),自動化程度相對較高。目前常見的動態(tài)發(fā)酵設(shè)備有皮帶式和車陳式2種。前者將物料置于上下多層皮帶上由鏈輪機(jī)拖動皮帶緩慢運(yùn)行,附有調(diào)節(jié)溫度、排風(fēng)和檢測等設(shè)備,物料在輸送過程中完成發(fā)酵;后者則將物料放置在特制的透氣容器(容積1～2.5 m3)內(nèi),容器分成若干發(fā)酵隊列,有2條分配通道和1條返回隊列,由拖拽構(gòu)造進(jìn)行拖動,由電器控制實現(xiàn)物料的分配、翻轉(zhuǎn)和運(yùn)輸。該設(shè)備較為靈活,發(fā)酵環(huán)境穩(wěn)定,但投資成本較高[56]。自動攪拌設(shè)備的研發(fā)大大推動了動態(tài)發(fā)酵工藝的改進(jìn)和發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量的提升。目前專門應(yīng)用于秸稈等物料基質(zhì)化生產(chǎn)的動態(tài)發(fā)酵設(shè)備仍較為少見,但不乏成功的案例。上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所成功研制了具有攪拌、吊升、前進(jìn)、后退及自動操作等功能的FJ-150型電動自走槽式攪拌機(jī),采用連續(xù)輸送鏈的形式將物料向后輸送,移動方向遵從“由濕到干,由生到熟”的單向規(guī)律,充分?jǐn)嚢?供氧更加充分、均勻,發(fā)酵效果十分理想[20]。用于秸稈飼料化生產(chǎn)的發(fā)酵設(shè)備經(jīng)過一定的參數(shù)調(diào)整也可被用于基質(zhì)化堆肥發(fā)酵。

另外,一種較有發(fā)展前景的秸稈發(fā)酵方式為發(fā)酵床原位發(fā)酵。該技術(shù)是根據(jù)微生態(tài)原理和生物發(fā)酵理論,利用微生物對畜禽糞尿原位降解,達(dá)到生態(tài)環(huán)境零污染的新型養(yǎng)殖模式。基本操作為將預(yù)先接種微生物的作物秸稈、稻殼等材料作物墊料投入牲畜圈舍內(nèi),以供畜禽飼養(yǎng)。畜禽排泄物一經(jīng)產(chǎn)生便被有機(jī)墊料吸收,并在原地發(fā)酵降解,經(jīng)過一到幾年不等的圈舍原位發(fā)酵,秸稈及畜禽糞便等墊料被降解熟化,可直接用作有機(jī)肥或基質(zhì)原料,部分墊料出圈后經(jīng)過相對短暫的二次堆肥制成發(fā)酵床墊料堆肥再用于基質(zhì)生產(chǎn)[57-59]。目前國內(nèi)外發(fā)酵床以養(yǎng)豬類型最為普遍。墊料粒徑控制在5～50 mm為宜;含水量w維持在37%～45%為宜;1 t墊料用益生菌液2～5 kg;豬舍墊料厚度為80 cm左右,可根據(jù)冬夏季節(jié)溫差進(jìn)行調(diào)節(jié),一般不低于45 cm;單個發(fā)酵床墊料體積不小于10 m3[60]。

4秸稈基質(zhì)化技術(shù)操作要點(diǎn)

4.1發(fā)酵腐熟評價指標(biāo)

秸稈堆肥發(fā)酵過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測其理化性狀動態(tài)變化,以腐熟度作為綜合評價指標(biāo)衡量堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。物理指標(biāo)(如溫度、氣味、顏色等)隨堆肥過程的變化比較直觀,可以用作定性的判斷標(biāo)準(zhǔn);化學(xué)指標(biāo)包括碳氮比、氨化合物、有機(jī)化合物、陽離子交換量和腐殖質(zhì)含量等;生物學(xué)指標(biāo)包括微生物種群和數(shù)量、酶種類及活性、植物毒性指示以及一些衛(wèi)生指標(biāo)。

4.2復(fù)配材料比例控制

秸稈復(fù)合基質(zhì)作為一種輕型基質(zhì),其容重、密度和總孔隙度應(yīng)適中,還需控制復(fù)配材料珍珠巖等的比例。國內(nèi)工廠化容器育苗實踐表明,容重大于0.78 g·cm-3的基質(zhì)透水保水性能差,而容重小于0.3 g·cm-3的基質(zhì)因結(jié)構(gòu)過于疏松不能固定苗木,澆水時苗木出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。珍珠巖密度比水小,在大量灌水時會浮在水面致使下層珍珠巖顆粒與根系脫離,造成傷根,植株容易倒伏[61]。因此切忌復(fù)配時為了降低容重而添加過量的珍珠巖和蛭石。經(jīng)驗表明,通常珍珠巖比例不超過30%。復(fù)配與調(diào)制參數(shù)要求見表1。

表1基質(zhì)物理與化學(xué)性狀指標(biāo)

Table 1Physical and chemical properties of the culture media

名稱 單位范圍物理性狀 容重g·cm-20.20～0.60 總孔隙度%>60 通氣孔隙度%>15 持水孔隙度%>45 氣水比無量綱1∶4～1∶2 相對含水量%<35.0 陽離子交換量1)cmol·kg-1>15.0 粒徑mm<20化學(xué)性狀 pH值無量綱5.5～7.5 電導(dǎo)率mS·cm-20.1～0.2 有機(jī)質(zhì)%≥35.0 水解性氮mg·kg-150～500 速效磷mg·kg-110～100 速效鉀mg·kg-150～60 硝態(tài)氮/銨態(tài)氮無量綱4∶1～6∶1 交換性鈣mg·kg-150～200

物理與化學(xué)性狀測定方法參考NY/T 2118—2012《蔬菜育苗基質(zhì)》。1)以NH4+計。

4.3基質(zhì)性能評價

基質(zhì)材料的配比要根據(jù)不同基質(zhì)材料理化性質(zhì)及植株生物學(xué)特性作出調(diào)整。秸稈基質(zhì)復(fù)配后各項理化指標(biāo)如容重、孔隙度、pH、電導(dǎo)率和養(yǎng)分含量等往往不能同時達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)范圍,各項物料的添加在改善一部分性狀的同時,往往對其他指標(biāo)產(chǎn)生一定程度的負(fù)面作用,因此最佳配方的選擇和評價還應(yīng)通過基質(zhì)栽培實驗驗證,以作物生長狀況優(yōu)劣作為重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

4.4基質(zhì)安全性評價

由于中國畜禽飼料添加劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和管理不夠嚴(yán)格,造成許多飼料添加劑中大量使用銅、鋅、錳、鈷、硒、砷等中微量元素,畜禽糞便中重金屬和有機(jī)污染物超標(biāo)率高[62],因此,秸稈基質(zhì)添加畜禽糞便時應(yīng)嚴(yán)格測定其重金屬等有害物質(zhì)含量,含量較高的基質(zhì)不能用于可食作物栽培,而應(yīng)多用于觀賞性植被的栽培。

5秸稈基質(zhì)化利用存在的問題及發(fā)展途徑

(1)秸稈原料供應(yīng)差異導(dǎo)致基質(zhì)產(chǎn)品不穩(wěn)定,應(yīng)大范圍利用秸稈,形成標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)體系。我國大部分地區(qū)秸稈生產(chǎn)存在很強(qiáng)的季節(jié)性,全年秸稈出產(chǎn)的數(shù)量和種類不均一;同時,由于不同田塊養(yǎng)分狀況、環(huán)境條件和管理狀況等的差異,作物生長狀況不一,因此即使同種作物秸稈也存在品質(zhì)的不均一性。這些都導(dǎo)致秸稈源基質(zhì)生產(chǎn)的原料供應(yīng)存在不穩(wěn)定性,不同批次生產(chǎn)的基質(zhì)產(chǎn)品差異較大。針對這一問題,應(yīng)大范圍收集秸稈,充分混合的同時保證足夠原料儲備,將不同批次產(chǎn)品原料的差異降至最低,形成標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)體系,方可提升基質(zhì)產(chǎn)品的均一性和穩(wěn)定性。

(2)高品質(zhì)秸稈發(fā)酵產(chǎn)品缺乏,秸稈發(fā)酵技術(shù)研究有待加強(qiáng)。堆肥發(fā)酵過程是受溫度、水分、微生物、養(yǎng)分比例、酸堿度、管理方式(如秸稈堆放方式和翻拋頻率等)、發(fā)酵物料組成及粒度、發(fā)酵設(shè)備等多種因素影響的復(fù)雜過程,任何一個因素控制不當(dāng)便會影響發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)。目前的發(fā)酵產(chǎn)品多存在腐熟度不夠、蟲卵及雜草種子過多、養(yǎng)分可利用性低等缺陷,尤其與畜禽糞尿混合發(fā)酵后,產(chǎn)品鹽分過高和重金屬等污染物含量超標(biāo)的現(xiàn)象較為普遍,缺乏性能穩(wěn)定的高品質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)品。因此,對秸稈進(jìn)行有效的前處理,嚴(yán)密觀測各項發(fā)酵環(huán)境參數(shù)及腐熟度進(jìn)程,根據(jù)不同發(fā)酵階段的特點(diǎn)接種有效菌種,采用生物學(xué)方法調(diào)控鹽分并鈍化重金屬,加大優(yōu)質(zhì)發(fā)酵技術(shù)的研發(fā),將是獲取優(yōu)質(zhì)堆肥產(chǎn)品的有效途徑。

(3)秸稈基質(zhì)化產(chǎn)品性狀不佳,應(yīng)充分重視與加強(qiáng)新型材料用作基質(zhì)調(diào)控劑的研究和應(yīng)用。吸水樹脂、生物炭和腐植酸等在土壤改良中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,成功的案例屢見不鮮。但這些材料用作基質(zhì)調(diào)控劑的報道相對較少,且應(yīng)用效果迥異,相同基質(zhì)中甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果[63-65]。因為基質(zhì)與土壤在容重、孔隙度、水力學(xué)特性及養(yǎng)分釋放等方面存在較大差異,故土壤改良劑應(yīng)用于基質(zhì)調(diào)控的效果、對基質(zhì)基本性狀的影響以及對栽培作物有無負(fù)面作用等均需要進(jìn)行深入研究。同時,新型的調(diào)控材料,如改性生物炭和改性凹凸土等,因本身具有優(yōu)良的吸水或吸附性能,在基質(zhì)性能調(diào)控改良中的應(yīng)用也有待嘗試。探明調(diào)控劑對基質(zhì)理化性能及生物性狀的影響機(jī)理,進(jìn)而提出合理的添加方法,將是提升基質(zhì)品質(zhì)的有效途徑。

(4)秸稈基質(zhì)化生產(chǎn)工藝及設(shè)備相對落后,應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中現(xiàn)代工藝和設(shè)備的研發(fā)。目前生產(chǎn)工藝和設(shè)備的研發(fā)相對滯后[66],尤其關(guān)鍵的發(fā)酵設(shè)備等,存在生產(chǎn)工藝不完善、設(shè)備自動化程度及可操作性低、對物料要求過高、造價及維護(hù)費(fèi)用高以及性能不穩(wěn)導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定等缺陷,制約了秸稈源基質(zhì)性能的提升和產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。因此,強(qiáng)化生產(chǎn)工藝的完善,加大設(shè)備的研發(fā)力度,建立標(biāo)準(zhǔn)的秸稈粉碎、發(fā)酵、復(fù)配、調(diào)控等一系列的基質(zhì)生產(chǎn)線,是大規(guī)模秸稈基質(zhì)化利用與成熟基質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)的前提,也是未來產(chǎn)業(yè)化基質(zhì)生產(chǎn)和規(guī)模化設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的大勢所趨。

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(責(zé)任編輯： 許素)

Progresses in Study on Utilization of Crop Straw in Soilless Culture.

FAN Ru-qin, LUO Jia, YAN Shao-hua, LU Xin, LIU Li-zhu, ZHANG Zhen-hua

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Abstract:Utilization of crop straw in soilless culture is a way to make full use of idle straw resources, to conserve valuable natural peat resources, and to reduce pollution of the atmosphere and the rural environment. Technical principles of the utilization of crop straw in soilless culture were elaborated, technical process of the production introduced, technical parameters and equipment of the production illustrated in detail, and focal points of the operation pinpointed. In the end, main problems that hinder development of the process and approaches to solutions of the problems were summarized, and prospects of the project discussed. The review was intended to provide some technical reference for utilization of crop straw in soilless culture and industrialization of the culture.

Key words:fermentation；compound；straw；peat；culture media

收稿日期：2015-05-18

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41401259);中國博士后科學(xué)基金(2014M551528);江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金〔CX(14)2035〕;江蘇省留學(xué)人員科技資助項目(蘇人社2014-323)

中圖分類號：X712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)03-0410-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.012

作者簡介：范如芹(1984—),女,山東臨沂人,助理研究員,博士,主要研究方向為無土栽培基質(zhì)的配方研究。E-mail: fanruqin2007@126.com

① 通信作者E-mail: zhenhuaz70@hotmail.com