利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備水稻育秧基質(zhì)工藝的優(yōu)化

孫海天，汪 春，李海亮，嚴(yán)曉麗，梁 琦

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

水稻是我國最重要的糧食作物之一，目前主要采用育苗移栽的方式實現(xiàn)水稻種植。育苗是移栽生產(chǎn)過程中必要環(huán)節(jié)，水稻育苗的關(guān)鍵技術(shù)是水稻育秧基質(zhì)的優(yōu)化創(chuàng)新。水稻育秧基質(zhì)是育苗的基礎(chǔ)物質(zhì)，在水稻秧苗生長過程中起到提供營養(yǎng)成分和調(diào)節(jié)生長環(huán)境的作用，主要類型包括：營養(yǎng)土、無土基質(zhì)及混合基質(zhì)3種[1]。目前，我國大部分地區(qū)主要使用營養(yǎng)土育秧，但在育苗過程中存在消耗農(nóng)田土量大、取土運(yùn)輸困難、土壤資源和生態(tài)資源被破壞嚴(yán)重，以及易發(fā)生土壤病害等問題[2]。如何研制出一種新型水稻育秧基質(zhì)代替常規(guī)水稻育秧土已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)牧業(yè)迅速的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物(如秸稈、禽畜糞便等)[3-4]，每年收獲后至少產(chǎn)生6億t以上的作物秸稈。由于目前缺乏先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，只有1/3秸稈通過保護(hù)性耕作方式將還田得以利用，剩余秸稈直接或間接被焚燒，這些不合理的處置方式會帶來一些安全隱患，也造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，且對環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害[5-6]。秸稈作為肥料具有高營養(yǎng)價值，秸稈發(fā)酵腐熟后作為水稻育秧基質(zhì)可提高和增加水稻育秧基質(zhì)的營養(yǎng)及有機(jī)質(zhì)含量，也可以改善基質(zhì)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[7]。近年來，有許多專家都致力于研究利用秸稈等廢棄物配制新型水稻育秧基質(zhì)，如周青等(2010)利用稻殼和秸稈通過發(fā)酵制成有機(jī)質(zhì)[8]；孫慶昌等(2011)用稻殼育營養(yǎng)土混合配制出水稻育秧基質(zhì)[9]；魯耀雄等(2012)用蘆葦殘渣育稻殼混合配制出水稻育秧基質(zhì)[10]；楊阿林等(2013)利用腐熟有機(jī)肥與酒糟混合配制出水稻育秧基質(zhì)[11]。但是，利用蚯蚓糞與農(nóng)業(yè)廢棄物混合制備水稻育秧基質(zhì)少有報道，也缺乏對水稻育秧基質(zhì)各原料最優(yōu)配比參數(shù)優(yōu)化的深入研究。

基于上述問題，本文主要采用配方試驗-單純形重心試驗設(shè)計方法進(jìn)行研究：首先，將秸稈和牛糞按3∶2體積比混合發(fā)酵制成秸稈生物有機(jī)肥，然后利用發(fā)酵腐熟后的秸稈有機(jī)肥和蚯蚓糞作為水稻育秧基質(zhì)主原料，配合使用酒糟、蛭石，探索出水稻育秧基質(zhì)各原料間的最優(yōu)配比，最終研制出一種新型復(fù)合式水稻育秧基質(zhì)。該水稻育秧基質(zhì)具有孔隙度大、持水性好、營養(yǎng)含量豐富的特性，且所培育秧苗健壯、出苗率高、根系發(fā)育好、根系盤結(jié)力強(qiáng)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻秸稈發(fā)酵試驗于2016年3-6月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)育秧大棚進(jìn)行。本試驗中所采用的秸稈有機(jī)肥為秸稈與牛糞按3∶2體積比均勻混合，并將混合物的含水率調(diào)至40%～60%進(jìn)行發(fā)酵，根據(jù)發(fā)酵腐熟經(jīng)驗，堆體的溫度降至與外界環(huán)境溫度接近、無強(qiáng)烈刺激性異味散出、顏色呈黑褐色視為完全發(fā)酵[12-13]；待完全發(fā)酵后進(jìn)行高溫滅菌處理，最后將發(fā)酵腐熟的秸稈有機(jī)肥(M1)裝袋，作為配方試驗原料備用，如圖1所示。

圖1 發(fā)酵后水稻秸稈Fig.1 Rice straw after fermentation

腐熟酒糟(M2)、蛭石(M3)、蚯蚓糞(M4)均采購于市場。

常規(guī)育秧土取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗田，土壤養(yǎng)分含量：堿解氮93.8mg/kg，有效磷46.4mg/kg，速效鉀265mg/kg，有機(jī)質(zhì)45.9g/kg，pH值7.70。供試水稻品種為“墾鑒稻5”，如圖2所示。

圖2 供試水稻種子Fig.2 Rice seed for trial

1.2 試驗方法

水稻育秧試驗于 2016 年 6-8 月進(jìn)行，采用塑料水稻育秧盤育秧(規(guī)格 58cm×28cm×2cm)。試驗開始前，將已選出的優(yōu)質(zhì)水稻種子浸種，浸種溫度控制在11～12℃，浸種積溫需達(dá)100℃以上，浸種過程中每天將浸種液循環(huán)2次，待種殼顏色變深，種皮半透明即可進(jìn)行催芽處理；然后，放置在28℃恒溫箱中催芽，芽長催至2mm左右時取出即可播種。各處理秧盤內(nèi)育秧基質(zhì)厚度 1.5cm，每盤均勻播種130g(約 100g干谷)。播種前對底土進(jìn)行調(diào)酸、消毒，每盤噴灑溶液按1 200mL水加0.24mL濃硫酸和0.33mL移栽靈進(jìn)行配比，攪拌均勻后即可使用，苗期管理同常規(guī)育秧。

為確定育秧基質(zhì)各原料間的最優(yōu)配比，根據(jù)配方試驗—單純形重心試驗設(shè)計[14]，試驗將各基質(zhì)原料按不同體積百分?jǐn)?shù)配制以下15組處理，進(jìn)行3次重復(fù)處理，并以常規(guī)育秧土為對照組，如表1所示。

表1 各處理水稻育秧基質(zhì)配比

配方試驗回歸方程為

回歸系數(shù)計算公式為

bj=yj

bkj=4ykj-2(yk+yj)

blkj=27ylkj-12(ylk+ylj+ykj)+3(yl+yk+yj)

1..3 測定項目與方法

1.3.1 不同處理育秧基質(zhì)理化性質(zhì)測定

基質(zhì)pH值采用日本HORIBA(B-712)筆試pH計測定，取待測樣品100g放入玻璃燒杯內(nèi)，加入一定量的去離子水，攪拌均勻后放在搖床上勻速震蕩30min，取出玻璃燒杯將pH計放入混合液中，待數(shù)值穩(wěn)定不變后讀數(shù)；基質(zhì)含水量、容重、總孔隙度及通氣孔隙等采用常規(guī)方法測定[15]。

1.3.2 不同處理秧苗農(nóng)藝性狀的測定

水稻秧苗長至3葉1芯時測量秧苗農(nóng)藝性狀及根系長勢情況。葉齡表示水稻秧苗的年齡，用水稻秧苗莖稈上的葉片數(shù)來計算，測量時隨機(jī)選取10株秧苗測定葉齡并計算平均值；株高、莖基寬等有關(guān)秧苗長度指標(biāo)測量時均使用游標(biāo)卡尺測量，株高為秧苗根基部到植株最頂部的垂直高度；測量莖粗時首先隨機(jī)選取10株有代表性的水稻秧苗，將所取10株秧苗緊密整齊擺放，再用游標(biāo)卡尺測量根莖基部最寬處，最后計算出平均值即為秧苗莖粗；干重包括秧苗干重、根干重，把已選取的水稻秧苗樣本用刀將秧苗與根部切斷，置于烘干箱內(nèi)，溫度設(shè)定為105℃殺青30min后，再將溫度調(diào)至80℃烘干至恒重，取出水稻秧苗用電子天平分別測量秧苗干重、根干重[16]。

1.3.3 秧苗綜合素質(zhì)的評定

利用平均隸屬函數(shù)值法對各處理秧苗的農(nóng)藝性狀、根系情況等測量指標(biāo)進(jìn)行綜合素質(zhì)評定，按以下公式計算各測量指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，即

Fi=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中Fi—第i個處理第j個秧苗素質(zhì)的隸屬值；

Xij—第i個處理第j個秧苗素質(zhì)的平均值；

Xmax—該秧苗素質(zhì)在所有處理中最大值；

Xmin—該秧苗素質(zhì)在所有處理中最小值。

最后，將各處理的隸屬值求平均數(shù)，即為各處理的平均隸屬函數(shù)值[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2003 和 SPSS 18.0 軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對秧苗農(nóng)藝性狀的影響

如表2所示：以7個水稻秧苗農(nóng)藝性狀為測量指標(biāo)，分為地上部分和地下兩部分，地上部分測量指標(biāo)包括葉齡、株高、莖粗、苗干重；地下部分測量指標(biāo)包括根數(shù)、根長、根干重。由表2可以得出：15組處理中大部分利用農(nóng)業(yè)廢棄物配制育秧基質(zhì)的處理對水稻秧苗農(nóng)藝性狀的影響優(yōu)于常規(guī)稻田土(CK)處理；特別是T15處理與CK相對比，除根長差異不顯著外，株高增加5.4cm，莖粗增加1.09mm/10株，苗干重增加0.95g/百株，根數(shù)增加0.66根，根干重增加1.94g/百株。T4處理中因育秧基質(zhì)未利用秸稈有機(jī)肥、蚯蚓糞、酒糟配制，所以該處理的水稻育秧基質(zhì)缺乏養(yǎng)分導(dǎo)致生長出的水稻秧苗農(nóng)藝性狀不佳；含有秸稈有機(jī)肥的處理T1、T5、T6、T7、T11、T12、T13、T15秧苗農(nóng)藝性狀優(yōu)于其他未含秸稈有機(jī)肥的處理T2、T3、T4、T8、T9、T10、T14。由此說明，農(nóng)業(yè)廢棄物中的秸稈發(fā)酵處理制成有機(jī)肥后作為水稻育秧基質(zhì)原料，經(jīng)科學(xué)配比后有利于水稻秧苗的生長和發(fā)育，水稻秧苗素質(zhì)更好。

表2 不同處理對水稻秧苗農(nóng)藝性狀的影響

續(xù)表2

表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2.2 不同處理對水稻秧綜合素質(zhì)的影響

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，利用隸屬函數(shù)值公式計算出水稻秧苗各性狀的隸屬函數(shù)值，并計算出各處理的平均隸屬函數(shù)值作為水稻秧苗綜合素質(zhì)評分，如表3所示。

表3 不同處理水稻秧苗各項測量指標(biāo)隸屬函數(shù)值

表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

結(jié)果表明：15組水稻育秧基質(zhì)中同時含有秸稈有機(jī)肥和蚯蚓糞處理的平均隸屬函數(shù)值分別為T6=0.787，T11=0.831、T13=0.818、T15=0.861，只含有秸稈有機(jī)肥處理的平均隸屬函數(shù)值分別為T1=0.695、T5=0.749、T7=0.680、T12=0.817。通過綜合評分可以看出水稻育秧基質(zhì)中同時含有秸稈有機(jī)肥和蚯蚓糞的處理所育秧苗綜合素質(zhì)明顯高于只含有秸稈有機(jī)肥的處理，不同配比的水稻育秧基質(zhì)對秧苗的農(nóng)藝性狀影響顯著，15組處理所育秧苗綜合素質(zhì)排序T15>T11>T13>T12>T6>T5>T1>T7>T3>T2>T14>T9>T10>T8>CK>T4。其中，T15處理水稻秧苗各項指標(biāo)的隸屬函數(shù)值均較高，葉齡、株高、根數(shù)都為1.00，苗干重0.97，莖粗0.81，根干重0.80。

2.3 回歸模型建立與參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)配方試驗設(shè)計，對不同配比下水稻育秧基質(zhì)對水稻秧苗綜合素質(zhì)的影響進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表3所示。表3中平均隸屬函數(shù)值即為各處理育秧效果測量指標(biāo)綜合評分，根據(jù)表1、表3、配方試驗回歸方程公式及回歸系數(shù)計算公式可知：不同配比的水稻育秧基質(zhì)對水稻秧苗綜合素質(zhì)影響的回歸模型為

y=0.695x1+0.32x2+0.399x3+0.215x4+

0.965x1x2+0.958x1x3+0.899x1x4-

0.459x2x3+0.093x2x4-0.186x3x4+

5.331x1x2x3+5.132x1x2x4+5.616x1x3x4+

1.389x2x3x4+11.203x1x2x3x4

確定回歸方程后，進(jìn)一步優(yōu)化水稻育秧基質(zhì)各原料間的配比，利用Excel軟件對已確定的回歸方程進(jìn)行規(guī)劃求解，約束條件為各原料取值范圍(體積百分?jǐn)?shù))：秸稈有機(jī)肥0～100%，蚯蚓糞0～100%，酒糟0～100%，蛭石0～100%，且秸稈有機(jī)肥、蚯蚓糞、酒糟、蛭石體積總和為100%。平均隸屬函數(shù)值取值范圍為0～1，水稻秧苗綜合素質(zhì)的得分越高越好，因此將目標(biāo)函數(shù)的取值設(shè)定為最大值[18]。求解后獲得最優(yōu)配比參數(shù)為：秸稈有機(jī)肥46%，蚯蚓糞20%，酒糟18%，蛭石16%。

2.4 驗證試驗

為驗證不同配比的水稻育秧基質(zhì)對水稻秧苗綜合素質(zhì)影響的回歸方程和最優(yōu)配比參數(shù)的可靠性，按照所獲得最優(yōu)配比參數(shù)制備水稻育秧基質(zhì)進(jìn)行育秧驗證試驗。試驗過程中，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)格控制溫度、水分等影響秧苗長勢的因素與前期配方試驗一致，共進(jìn)行5組重復(fù)驗證試驗，育秧效果如圖3所示。將5組重復(fù)試驗驗證結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，并根據(jù)各項指標(biāo)實際測量值轉(zhuǎn)換為實測平均隸屬函數(shù)值，如表4所示。

圖3 育秧效果Fig.3 seedling effect表4 最優(yōu)配比試驗驗證結(jié)果Table 4 The of result optimal proportion

試驗組號實測平均隸屬函數(shù)值預(yù)測平均隸屬函數(shù)值相對誤差/%10.9460.9843.8620.8980.9848.7430.9660.9841.8340.9350.9844.9850.9520.9843.25平均值0.93940.9844.53

表5 最優(yōu)配比水稻育秧基質(zhì)的基本理化性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)均為5次重復(fù)的平均值。

3 結(jié)論

1)建立了水稻育秧基質(zhì)原料與水稻秧苗綜合素質(zhì)之間的回歸模型，在最優(yōu)配比參數(shù)下，水稻秧苗綜合素質(zhì)的實際值與預(yù)測值的相對誤差為4.53%，在實際生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)所需水稻秧苗的綜合素質(zhì)，確定不同的配比參數(shù)，為水稻育秧生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

2)根據(jù)配方試驗可知：利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備水稻育秧基質(zhì)的最優(yōu)配比參數(shù)(體積百分含量)為：秸稈有機(jī)肥46%，酒糟18%，蚯蚓糞20%，蛭石16%。利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備水稻育秧基質(zhì)所育秧苗的綜合素質(zhì)優(yōu)于常規(guī)育秧土，該配比參數(shù)及方法對水稻工廠化、規(guī)?；砭哂兄匾饬x。

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