秸稈粉碎發(fā)酵一體化設(shè)備應(yīng)用及發(fā)酵物還田效果初探

陳慧明，吳開良，王京奇，王楚棟，于穎，金鐘

(萬里神農(nóng)有限公司，浙江 杭州 310000)

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的可再生資源，合理的秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)，提升土壤肥力，對保持農(nóng)田生態(tài)平衡有重要意義[1-2]。浙江省種植結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，形成糧油、蔬菜、茶葉、水果等多種優(yōu)勢作物產(chǎn)區(qū)，因而秸稈資源多樣且豐富。農(nóng)業(yè)種植中產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈可分為糧油作物秸稈、蔬菜秸稈、果樹枝條、果實(shí)外殼等。目前糧油作物秸稈，如水稻秸稈，以直接粉碎就地鋪灑的方式進(jìn)行還田；蔬菜秸稈，如瓜菜類殘枝，收集堆放腐爛，一般不還田；枝條秸稈，如葡萄、桃樹枝條，進(jìn)行粉碎堆放，自然腐熟后還田；果實(shí)外殼，如山核桃蒲殼，則集中處理加工成有機(jī)肥或者基質(zhì)。機(jī)械化秸稈切碎還田是解決秸稈利用的主要措施和手段[3]。

為提升秸稈的綜合利用水平，浙江省各級政府部門鼓勵企業(yè)引進(jìn)、開發(fā)先進(jìn)實(shí)用的秸稈加工、利用技術(shù)工藝和裝備，因地制宜，加快秸稈肥料化、飼料化、原料化、燃料化、基料化等“五化”技術(shù)的應(yīng)用推廣，提高秸稈利用的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益，助推農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。杭州地區(qū)糧、果、茶等均有種植，產(chǎn)業(yè)附加值高，秸稈種類多樣，產(chǎn)量高。本試驗(yàn)針對秸稈資源利用方向單一、技術(shù)相對落后的現(xiàn)狀，引進(jìn)專用農(nóng)業(yè)機(jī)械ZJASN17-001型粉碎發(fā)酵一體化設(shè)備，擴(kuò)大秸稈處理范圍，實(shí)現(xiàn)秸稈從回收、粉碎、發(fā)酵到還田的一體化利用，縮短秸稈處理時間，提高秸稈利用效率，實(shí)現(xiàn)秸稈就地低成本處理、清潔有效還田利用。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)于2017—2018年在萬里神農(nóng)有限公司農(nóng)業(yè)研究院杭州基地進(jìn)行。2017年7月進(jìn)行設(shè)施場地硬化及電路改造施工，8月設(shè)備進(jìn)場安裝調(diào)試，9月開始進(jìn)行粉碎發(fā)酵試驗(yàn)。2018年6月將發(fā)酵物代替商品有機(jī)肥進(jìn)行水稻種植應(yīng)用試驗(yàn)。

供試作物為水稻品種嘉58。供試秸稈為基地種植產(chǎn)生的水稻秸稈、豆稈、玉米秸稈、甘蔗葉片、瓜藤、葡萄枝條等，以及采購的山核桃蒲殼；發(fā)酵菌劑為湖南山河美生物環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)，富含芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌等；蠶沙為嵊州陌桑高科股份有限公司生產(chǎn)；尿素購自附近農(nóng)資店。

根據(jù)不同秸稈的粉碎發(fā)酵需求，引進(jìn)ZJASN17-001型粉碎發(fā)酵一體化設(shè)備。設(shè)備包括粉碎機(jī)、進(jìn)出料口、發(fā)酵倉、引風(fēng)機(jī)、加熱管、輔助輪、控制系統(tǒng)等，功率20.2 kW，總占地面積10 m2，發(fā)酵倉容積7 m3，單次可粉碎發(fā)酵秸稈5 m3。

1.2 處理設(shè)計(jì)

1.2.1 秸稈粉碎、發(fā)酵流程設(shè)計(jì)

葡萄枝條發(fā)酵測試。選5 m3左右新鮮葡萄枝條(C/N為52.2)進(jìn)行粉碎投料，粉碎時分次投入發(fā)酵菌劑2 kg和尿素20 kg協(xié)助發(fā)酵，利用發(fā)酵罐的旋轉(zhuǎn)將物料混合均勻。

混合物料發(fā)酵測試。將新鮮蠶沙(C/N為12.8)和葡萄枝條作為混合物料，1 000 kg新鮮蠶沙直接投入發(fā)酵罐，葡萄枝條粉碎后投入發(fā)酵罐，控制物料體積在5 m3左右，分次添加2 kg發(fā)酵菌劑，利用發(fā)酵罐的旋轉(zhuǎn)將物料混合均勻。

發(fā)酵流程設(shè)計(jì)。完成投料后，加熱溫度設(shè)定為50 ℃，開啟鼓風(fēng)加熱功能，邊旋轉(zhuǎn)邊加熱，使物料充分混勻并快速升溫，進(jìn)入發(fā)酵狀態(tài)，總計(jì)加熱8 h。設(shè)置程序?yàn)槊刻焐衔?：00—10：00旋轉(zhuǎn)發(fā)酵罐1 h(共3個旋轉(zhuǎn)單元，每單元正轉(zhuǎn)10 min，反轉(zhuǎn)10 min)，并打開引風(fēng)機(jī)，將混有大量水汽的空氣排出，降低物料含水量。發(fā)酵時間15 d。

1.2.2 發(fā)酵物田間應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2次發(fā)酵物代替商品有機(jī)肥進(jìn)行水稻種植還田應(yīng)用。設(shè)3個施肥處理，在底肥施用好樂耕有機(jī)緩釋肥(15-4-6)750 kg·hm-2、分蘗肥施用尿素150 kg·hm-2的基礎(chǔ)上，以增施商品有機(jī)肥作為對照(CK)，以增施葡萄枝條發(fā)酵物作為處理C1，以增施混合物料發(fā)酵物作為處理C2，添加量均為4 500 kg·hm-2。小區(qū)面積60 m2，不設(shè)重復(fù)，其他田間管理一致。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 發(fā)酵試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

每天發(fā)酵罐旋轉(zhuǎn)1 h結(jié)束后，測定和記錄物料溫度。每5 d在發(fā)酵罐旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，采集1次發(fā)酵樣品，保存于4 ℃冰箱中，發(fā)酵結(jié)束后統(tǒng)一檢測物料含水量、有機(jī)質(zhì)含量及白菜種子發(fā)芽指數(shù)(GI)。物料含水量及有機(jī)質(zhì)含量檢測參照標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012執(zhí)行。

白菜種子發(fā)芽指數(shù)測定方法。挑選20粒飽滿且大小均勻的白菜種子，鋪放在含有濾紙的培養(yǎng)皿中，加入新鮮堆肥樣品浸提液(料水比1∶5，30 ℃水浴中浸提24 h，上清液過濾所得)，并以蒸餾水作對照試驗(yàn)。將培養(yǎng)皿放置在恒溫恒濕箱(溫度25 ℃、濕度95%)中培養(yǎng)48 h，然后測定種子發(fā)芽率和根長，計(jì)算種子GI。發(fā)酵結(jié)束后，記錄發(fā)酵總耗電量及標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用電用電成本。

1.3.2 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

觀察水稻生長情況，水稻收獲時進(jìn)行產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉碎效果及效率

粉碎機(jī)在粉碎不同類型秸稈時，均能達(dá)到粉碎后物料為小于6 mm顆粒狀或粉狀，秸稈的含水量不同，粉碎效率及粉碎后物料狀態(tài)不一。粉碎葡萄枝條5 m3并同步投入發(fā)酵罐中，除去預(yù)熱和休息時間，用時4.5 h，粉碎速率達(dá)1 m3·h-1以上。

在粉碎農(nóng)作物秸稈時，新鮮的水稻秸稈和甘蔗葉容易粉碎，晾曬后的水稻秸稈和玉米秸稈份量較輕，不易沉入高速旋轉(zhuǎn)的粉碎倉，粉碎效率低，因此，建議此類秸稈要趁青稈時粉碎。單獨(dú)粉碎含水量高的瓜藤、菜葉，進(jìn)料順利容易粉碎；但干料和濕料不能同時混合粉碎，容易堵塞粉碎倉，因此，更換干濕度差異大的物料時需用水對粉碎倉進(jìn)行簡單沖洗。直徑小于0.8 cm的枝條秸稈可直接粉碎，粗長枝條粉碎需要預(yù)切碎為5 cm左右小段。

2.2 發(fā)酵過程物料動態(tài)變化

2.2.1 溫度變化

圖1表明，葡萄枝條發(fā)酵最高溫出現(xiàn)在第9天，混合物料發(fā)酵最高溫出現(xiàn)在第6天，兩者最高溫度都達(dá)60 ℃以上?；旌习l(fā)酵起發(fā)性更好，于第4天就接近60 ℃，推測蠶沙的加入優(yōu)化了物料的C/N比，使物料升溫迅速，加快發(fā)酵速度[4]。

圖1 發(fā)酵過程中物料溫度的變化

2.2.2 發(fā)酵物料有機(jī)質(zhì)和含水量的變化

發(fā)酵時微生物的活動會消耗物料中的碳素，降低物料的有機(jī)質(zhì)含量。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，有機(jī)碳含量慢慢趨于穩(wěn)定，物料的腐熟程度明顯提高[5]。按NY 525—2012標(biāo)準(zhǔn)，新鮮葡萄枝條的有機(jī)質(zhì)含量643 g·kg-1(干基計(jì))。圖2表明，在發(fā)酵過程中，葡萄枝條物料和混合物料的有機(jī)質(zhì)含量迅速降低，最終分別為391和431 g·kg-1，碳素?fù)p耗率分別為39.3%和29.2%，較大限度地保留了有機(jī)碳。發(fā)酵過程產(chǎn)生的高溫促使水汽排出，葡萄枝條物料含水量從57.2%降至40.2%，混合發(fā)酵物料含水量從55.9%降至39.3%，有效降低了物料含水量，物料商品性得到提升。

圖2 發(fā)酵過程中物料有機(jī)碳和含水量的變化

2.3 發(fā)酵過程對白菜種子發(fā)芽指數(shù)的影響

物料腐熟發(fā)酵程度越高，其植物毒性越小，越有利于種子萌發(fā)。通常認(rèn)為，GI>50%時，表明物料已發(fā)酵腐熟并達(dá)到可接受程度，即基本沒有毒性；當(dāng)GI達(dá)到80%～85%時，就認(rèn)為發(fā)酵物料沒有植物毒性，或者說已腐熟完全[6]。圖3表明，混合物料發(fā)酵的白菜種子GI在第10天就達(dá)到76.8%，超過50%的安全線；葡萄枝條發(fā)酵的白菜種子GI在第10天為46.7%，在第15天達(dá)到62.1%。可見物料在發(fā)酵罐中經(jīng)過15 d的發(fā)酵過程已基本腐熟。

圖3 發(fā)酵過程對發(fā)芽指數(shù)的影響

2.4 發(fā)酵物產(chǎn)出成本核算

由表1可知，每批葡萄枝條和混合物料粉碎發(fā)酵分別產(chǎn)生的電費(fèi)約為184和163元，發(fā)酵結(jié)束后，兩者發(fā)酵物產(chǎn)出量分別為2.82和3.47 t。計(jì)入物料成本、人工費(fèi)和設(shè)備折舊費(fèi)之后，葡萄枝條發(fā)酵物成本為212.1元·t-1，混合物料發(fā)酵物成本為268.9元·t-1，遠(yuǎn)低于市面上商品有機(jī)肥銷售價格，還田具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

表1 單次粉碎發(fā)酵投入產(chǎn)出成本

注：發(fā)酵菌劑價格為50元·kg-1，尿素價格為2 200元·t-1，新鮮蠶沙價格為400元·t-1。

2.5 發(fā)酵物還田對水稻產(chǎn)量及效益的影響

秸稈粉碎還田有利于改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，提高水稻產(chǎn)量[7]。在底肥施用好樂耕有機(jī)緩釋肥(15-4-6)750 kg·hm-2、分蘗肥施用尿素150 kg·hm-2的基礎(chǔ)上，商品有機(jī)肥、葡萄枝條發(fā)酵物和混合物料發(fā)酵物均施用4 500 kg·hm-2，對3個處理投入和產(chǎn)出效益進(jìn)行分析。表2表明，葡萄枝條發(fā)酵物和混合物料發(fā)酵物代替商品有機(jī)肥還田后，稻谷產(chǎn)量均超過8 000 kg·hm-2，且與CK處理無明顯差異；C1、C2經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出略低于CK處理，分別降低535.5、138.4元·hm-2；施肥成本分別較對照降低1 235.5、979.5元·hm-2，最終葡萄枝條和混合物料發(fā)酵產(chǎn)物較CK處理分別增收700.0和841.5元·hm-2，說明秸稈粉碎發(fā)酵后產(chǎn)物肥料化利用效果較好，能夠保證水稻穩(wěn)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)秸稈就地還田節(jié)本增效。

表2 水稻對比試驗(yàn)施肥投入及產(chǎn)出效益

注：每噸商品有機(jī)肥價格為500元，好樂耕有機(jī)緩釋肥價格為2 700元，尿素價格為2 200元，稻谷收購價按照浙江省最低定價2.66元·kg-1計(jì)。

3 討論

ZJASN17-001型粉碎發(fā)酵一體化設(shè)備占地面積小，操作簡單，可粉碎各種類型秸稈，年處理秸稈量約50 t上下，能處理3～6 hm2農(nóng)田的秸稈產(chǎn)量，粉碎細(xì)度好、效率高。粉碎后物料直接投入發(fā)酵罐，通過控制溫濕度促進(jìn)物料發(fā)酵，縮短發(fā)酵進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)15 d完成1次粉碎、發(fā)酵過程，能耗較低。經(jīng)測定，發(fā)酵物有機(jī)質(zhì)含量在70%左右，含水量為40%，種子發(fā)芽指數(shù)80%以上，可作為有機(jī)肥直接還田使用。發(fā)酵產(chǎn)物就地還田也大大降低了秸稈回收中的運(yùn)輸以及人力和商品有機(jī)肥采購成本，可實(shí)現(xiàn)秸稈全量肥料化利用，形成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“糧-肥-糧”模式，適合于浙江省內(nèi)農(nóng)業(yè)種植業(yè)者推廣使用，帶來顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益，利于生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)建設(shè)。同時，設(shè)備粉碎倉和發(fā)酵罐可以單獨(dú)作業(yè)，在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過增配發(fā)酵罐，實(shí)現(xiàn)一套粉碎倉配多套發(fā)酵罐，極大提高秸稈處理量；也可通過擴(kuò)大發(fā)酵罐倉體容量，增加單次秸稈處理量，進(jìn)一步壓縮發(fā)酵成本。