玉米秸稈育苗種坨成型工藝試驗(yàn)研究

劉德軍，周艷吉，劉 坤，程 乾，白雪衛(wèi)，宮元娟

·農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用工程·

玉米秸稈育苗種坨成型工藝試驗(yàn)研究

劉德軍，周艷吉，劉 坤，程 乾，白雪衛(wèi)，宮元娟※

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866）

秸稈育苗種坨是以玉米秸稈作為主要成分，添加牛糞、無機(jī)絡(luò)合物、聚丙烯酸鈉、硫酸亞鐵等輔料研磨后作為育苗基質(zhì)，將種子和基質(zhì)一次性壓制成型，也可將種子種植于種坨種植孔內(nèi)，在滿足種子發(fā)芽生長的溫度和濕度條件下，育苗后直接移栽的新型塊狀育苗技術(shù)。種坨育苗不僅能夠定養(yǎng)定肥、省去配肥加藥環(huán)節(jié)，而且具有直接移栽不傷根、無需緩苗、省去裝缽取苗環(huán)節(jié)等優(yōu)勢(shì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益。該研究在物料特性分析基礎(chǔ)上，分別以物料含水率、壓縮比以及壓縮速度為試驗(yàn)因素，以抗破壞強(qiáng)度、吸水率、膨脹率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析各因素對(duì)育苗種坨成型質(zhì)量及性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，含水率較優(yōu)范圍18%～22%；壓縮比較優(yōu)范圍2.75～3.50；壓縮速度較優(yōu)范圍90～130 mm/min。進(jìn)行三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立含水率、壓縮比、壓縮速度與吸水率、抗破壞強(qiáng)度、膨脹率等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，得到各指標(biāo)優(yōu)化參數(shù)組合為：含水率為22%，壓縮比為2.9，壓縮速度為90 mm/min，此時(shí)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度較強(qiáng)，吸水性能好，膨脹率低。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：種坨成型質(zhì)量及性能良好，滿足育苗要求，為秸稈育苗種坨成型工藝、成型機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

秸稈；基質(zhì)；育苗；壓縮成型；成型質(zhì)量；玉米

0 引 言

目前，中國在利用秸稈栽培食用菌、壓制秸稈燃料、利用秸稈煉制生物柴油以及秸稈中的木質(zhì)素降解等關(guān)鍵技術(shù)方面均有所發(fā)展。2017年，全國秸稈綜合利用率超過82%，基本形成肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩(wěn)步推進(jìn)，基料化、原料化為輔的綜合利用格局[1]。作物秸稈營養(yǎng)豐富，玉米秸稈含有30%以上的碳水化合物、2%～4%的蛋白質(zhì)和0.5%～1.0%的脂肪。其中碳、氧、氫3種化學(xué)成分總和占95%以上[2]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈腐熟處理后，不僅產(chǎn)生大量可構(gòu)成土壤肥力的重要活性物質(zhì)—腐殖質(zhì)，而且可產(chǎn)生多種可供農(nóng)作物吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì)如有效態(tài)氮、磷、鉀等[3]。在育苗和常規(guī)栽培中替代土壤或傳統(tǒng)栽培基質(zhì)[4-9]?；|(zhì)育苗技術(shù)相比于水培和霧培，是無土育苗最主要的育苗形式，占商業(yè)性無土育苗方式的90%以上。其中，較為普遍應(yīng)用的基質(zhì)原料主要為泥炭和巖棉。但是泥炭屬于不可再生資源，開采行為對(duì)環(huán)境破壞很大[10]。而在巖棉生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量廢渣廢料，例如渣球和廢棄的巖棉渣，甚至一些熔融的廢玻璃體，這些廢棄渣料難以降解，危害環(huán)境[11-14]。因此，開發(fā)利用秸稈作為一種新型環(huán)保、低成本且可再生的無土育苗基質(zhì), 具有良好的發(fā)展前景。

育苗是蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，工廠化育苗是蔬菜科學(xué)化、集約化、產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化生產(chǎn)的發(fā)展方向,而秧苗移栽無疑是蔬菜育苗的最大技術(shù)阻礙[15]。解決育苗移栽過程中傷苗問題以及移栽后緩苗周期長的問題，是蔬菜育苗發(fā)展的重中之重。目前，國內(nèi)外針對(duì)這一問題的研究主要集中在2個(gè)方面。一是利用一些可降解的原料，添加粘結(jié)劑熱壓成育苗缽，移栽時(shí)，育苗缽隨秧苗一同移栽至大田[16-18]。這種方式存在育苗缽降解周期長、影響植物從土壤中吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)，存在制備工藝繁瑣，壓縮成型機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜的問題，難以推廣[19]。另一種方法是將育苗基質(zhì)直接壓縮成型制成育苗營養(yǎng)塊[20]，并在外側(cè)圍裹一層可降解的無紡布保證其不散坨[21]。目前，育苗營養(yǎng)塊的原料多為優(yōu)質(zhì)泥炭、椰糠等，育苗營養(yǎng)塊具有營養(yǎng)齊全、省肥省種、減少病害、苗齊苗壯、無需緩苗、保護(hù)根系等眾多優(yōu)點(diǎn)[22-25]。

基于以上問題，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，配制了以玉米秸稈為主要原料的基質(zhì)，并用研磨等特殊工藝，用相對(duì)較小的力壓制成種坨，具有質(zhì)地輕盈，吸水率高，吸水膨脹小，反復(fù)吸水不松散等特點(diǎn)。選取物料含水率、壓縮比、壓縮速度為試驗(yàn)因素，以抗破壞強(qiáng)度、吸水率、膨脹率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)結(jié)合響應(yīng)面分析的方法，尋求育苗種坨制備的最優(yōu)成型工藝參數(shù)，為今后育苗種坨成型機(jī)械的研制開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料準(zhǔn)備

玉米秸稈于2017年10月取自沈陽市蘇家屯區(qū)大河南鎮(zhèn)農(nóng)戶的農(nóng)田，品種為丹玉311，秸稈人工收獲后在田間自然晾干，用揉絲粉碎機(jī)粉碎后按照質(zhì)量比例3:1混合腐熟牛糞，腐熟牛糞來源于沈陽市蘇家屯區(qū)十里河鎮(zhèn)一養(yǎng)牛戶家。預(yù)混料按照總量質(zhì)量比3%聚丙烯酸鈉，3%無機(jī)絡(luò)合物，1%的硫酸亞鐵和1%硼砂、1%硫酸鋅、1%磷酸二氫鉀，充分溶解后形成預(yù)混液，加入到秸稈牛糞混合料中，浸泡1 h以上，用研磨機(jī)加工成粘稠漿狀物，含水率達(dá)80%左右，形成種坨基質(zhì)備用。

1.2 儀器設(shè)備

試驗(yàn)用9JST-20型秸稈粉碎機(jī)，由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)大北農(nóng)科技有限公司生產(chǎn)。物料研磨機(jī)為課題組自己研制，委托沈陽明途機(jī)電維修有限公司生產(chǎn)，動(dòng)力為380 V，功率7.5 KW電機(jī)，生產(chǎn)率約800 kg/h，磨片直徑250 mm。種坨壓制成型模具為自制，主要由頂桿、模具套筒、底座3部分組成，其中頂桿固定在萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)的橫梁上。模具套筒內(nèi)徑50 mm，壓制出種坨高度30 mm，根據(jù)種子品種需要更換模具。電子式萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為WDW-200型，由濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，具有數(shù)據(jù)處理、圖像同步顯示以及試驗(yàn)結(jié)果保存等功能，通過自主編程，可設(shè)定頂桿下壓位移、壓縮速度以及保壓時(shí)間等參數(shù)。烘干設(shè)備為101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，由上海陽光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)。電導(dǎo)率測(cè)定采用上海越平科學(xué)儀器（蘇州）制造有限公司生產(chǎn)的DDS-11A型電導(dǎo)率儀。

1.3 育苗種坨生產(chǎn)工藝

育苗種坨用粉碎后玉米秸稈與腐熟牛糞按質(zhì)量3:1比例混合，加入預(yù)混液浸泡1 h以上，進(jìn)行研磨成粥狀，獲得種坨基質(zhì)，然后壓制成型。壓制過程先將模具半填充，然后放入當(dāng)年產(chǎn)干燥的山東華邁種業(yè)繁育的先辣一號(hào)朝天椒種子，再填滿基質(zhì)，壓制成型，最后60 ℃以下烘干處理或自然晾曬至完全干燥。其具體生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。種坨壓制成型前對(duì)基質(zhì)電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)定，采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法使電導(dǎo)率不超過800s/cm，本試驗(yàn)基質(zhì)電導(dǎo)率平均為725s/cm。

圖1 玉米秸稈育苗種坨生產(chǎn)工藝流程示意圖

1.4 試驗(yàn)因素水平確定

為確定育苗種坨壓縮成型影響因素的范圍，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。含水率試驗(yàn)范圍從80%開始，每天用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干基質(zhì)20 min，然后進(jìn)行試驗(yàn)，隨著時(shí)間含水率逐漸降低，試驗(yàn)9 d，共計(jì)9個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，最低含水率為15.99%。壓縮力越大，育苗種坨的成型效果越好，但由于物料之間的粘結(jié)程度增加，育苗種坨的吸水性能變差。同時(shí)，在速度一定的情況下，壓縮比越大，壓塊時(shí)間越長，壓縮能耗也會(huì)增加，因此，壓縮比預(yù)設(shè)為2、2.25、2.5、2.75、3、3.25、3.5、3.75和4共9個(gè)水平，轉(zhuǎn)換成壓縮位移分別為：45、50、54、57、62、64、66和67.5 mm，每個(gè)壓縮比水平下重復(fù)5次試驗(yàn)。壓縮速度對(duì)成型效果，壓縮能耗和生產(chǎn)效率都有一定影響，結(jié)合文獻(xiàn)和前期試驗(yàn)，確定壓縮速度水平為30、50、70、90、110、130、150、170和190 mm/min。試驗(yàn)因素還包括粘結(jié)劑添加量，各種成分的配比等，考慮到基質(zhì)的配比營養(yǎng)均衡性和粘結(jié)劑有效添加量等原因，本試驗(yàn)不作為試驗(yàn)因素進(jìn)行研究。

1.5 試驗(yàn)指標(biāo)選取

育苗種坨要具有一定抗破壞強(qiáng)度，以保證運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中不被損壞。種坨噴水后膨脹率小，不松散，且具有較好的吸水性，以保證植物生長營養(yǎng)和保護(hù)根系的作用，因此選用育苗前抗破壞強(qiáng)度（destructive strength，N）、吸水率（water absorption，%）和膨脹率（expansion rate，%）為試驗(yàn)指標(biāo)?？蛊茐膹?qiáng)度測(cè)試方法是將育苗種坨立放于WDW-200型拉壓試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，設(shè)定停止條件為形變程度20%，系統(tǒng)達(dá)到最大形變條件，卸載并反向向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大壓縮應(yīng)力即為抗破壞強(qiáng)度。吸水率是種坨浸泡2 h以上撈出，或者霧狀噴水3 h以上，吸水至質(zhì)量不再變化為止，種坨吸水后的質(zhì)量減去吸水前質(zhì)量與吸水后質(zhì)量的比值。膨脹率反應(yīng)育苗種坨吸水后的體積變化情況，輕微的膨脹能夠增加育苗種坨的孔隙度，有利于幼苗的生長發(fā)育，然而膨脹率過大會(huì)導(dǎo)致破損散坨。膨脹率是種坨按照測(cè)定吸水率的吸水方法，測(cè)量吸水后的體積減去吸水前體積與吸水前體積的比值。

1.6 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

利用Design-Expert 8.0.6軟件，根據(jù)通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法，選取三因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，選取含水率為1，壓縮比為2，壓縮速度為3，查表=1.681，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定5個(gè)水平，因素水平編碼如表1。

表1 因素水平編碼表

注：查表=1.681，下同。

Note: Look-up table to obtain the value ofis1.681, the same below.

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)物料特性

參照郭世榮[26]的方法，對(duì)混合后的秸稈育苗種坨基質(zhì)特性進(jìn)行測(cè)定，基質(zhì)物料pH值為6.4，總孔隙度65.82%，通氣孔隙度19.16%，持水孔隙度56.66%，容重0.4 g/cm3，符合植物生長需要。委托上海微譜化工技術(shù)服務(wù)有限公司青島分部對(duì)營養(yǎng)成分進(jìn)行進(jìn)一步的分析，結(jié)果如表2所示。檢測(cè)結(jié)果表明，該基質(zhì)配方酸堿度呈中性，磷鉀含量偏高，考慮主要是添加磷酸二氫鉀起的作用，基質(zhì)營養(yǎng)基本均衡，微量元素滿足植物生長需要。在生產(chǎn)前要監(jiān)測(cè)基質(zhì)的電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC），適當(dāng)降低預(yù)混液的濃度，可防止?fàn)I養(yǎng)過剩、營養(yǎng)超標(biāo)等對(duì)種子造成不良影響。

表2 種坨基質(zhì)營養(yǎng)成分含量表

2.2 試驗(yàn)因素的影響

根據(jù)單因素試驗(yàn)方法，分析含水率、壓縮比和壓縮速度對(duì)種坨性能指標(biāo)的影響。

2.2.1 含水率的影響

含水率（water content，%）對(duì)剛壓制完成的育苗種坨抗破壞強(qiáng)度影響如圖2所示，育苗種坨的抗破壞強(qiáng)度隨含水率的增大先急速增大后趨于平緩，符合二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)含水率在15.99%～22.03%范圍內(nèi)時(shí)，育苗種坨的抗破壞強(qiáng)度明顯上升，此后，含水率增加到30%的過程中，種坨抗破壞強(qiáng)度逐漸降低，但幅度變化平緩，降勢(shì)較小。

圖2 含水率對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度的影響

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，含水率的變化對(duì)育苗種坨的吸水率影響不明顯，對(duì)其吸水后的膨脹率也沒有太大的影響，可見，含水率只影響成型，對(duì)后期種坨的吸水以及膨脹沒有影響，分析原因是種坨烘干后含水率趨于一致。

2.2.2 壓縮比的影響

壓縮比（compression ratio）對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度影響試驗(yàn)方差分析中，0.01(8，18)=3.71<256.68，說明壓縮比對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度的影響顯著。壓縮比對(duì)育苗種坨吸水率的影響試驗(yàn)方差分析，0.01(8，18)=3.71<219.98，說明壓縮比對(duì)育苗種坨吸水率的影響顯著，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，回歸曲線如圖3a和3b所示。

由圖3a和3b可知，育苗種坨的抗破壞強(qiáng)度隨壓縮比的增大而增大，壓縮比對(duì)育苗種坨吸水率隨壓縮比的增大而降低，2個(gè)指標(biāo)都呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。在保證一定的成型穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，吸水率越大越好，但也要考慮吸水后膨脹率，太大的膨脹率可能會(huì)導(dǎo)致散坨，影響移栽。壓縮比對(duì)育苗種坨膨脹率的關(guān)系如圖3c所示。

由圖3c可知，壓縮比在2～3范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)育苗種坨膨脹率的影響符合二次函數(shù)關(guān)系，隨壓縮比的增大呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在壓縮比為2.25時(shí)，育苗種坨的膨脹率最高為4.60%，之后隨著壓縮比的增加而逐漸降低，最低至2.80%。當(dāng)壓縮比在3～4范圍內(nèi)時(shí)，育苗種坨膨脹率略微回升至3.10%左右，雖高于3.07%，但仍在可接受的穩(wěn)定性范圍內(nèi)。綜上，育苗種坨壓縮比范圍應(yīng)控制在2.75～3.5范圍內(nèi)較適宜。

圖3 壓縮比對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度、吸水率和膨脹率的影響

壓縮比反應(yīng)了對(duì)種坨壓縮程度的大小，也反應(yīng)了種坨壓制成型后的致密程度，秸稈與牛糞纖維狀的物料形態(tài)使得種坨成型后呈現(xiàn)縱橫交錯(cuò)的孔洞結(jié)構(gòu)，這也說明致密性越大，形成的孔洞越小，從而影響其吸水率和膨脹率，致密的結(jié)構(gòu)也增強(qiáng)了抗破壞的能力。

2.2.3 壓縮速度的影響

壓縮速度（compression speed，mm/min）對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度、吸水率和膨脹率的影響試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4所示。壓縮速度對(duì)育苗種坨噴水試驗(yàn)前抗破壞強(qiáng)度有一定的影響，隨著壓縮速度的增大，育苗種坨抗破壞強(qiáng)度呈遞減的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)不明顯，幅度很小。壓縮速度對(duì)育苗種坨吸水性影響符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，壓縮速度在30～70 mm/min范圍內(nèi)時(shí)，育苗種坨的吸水性能較差，吸水率偏低。當(dāng)壓縮速度增加至70 mm/min后，隨著壓縮速度的增加，育苗種坨的吸水性能有所好轉(zhuǎn)，吸水率逐漸增大。當(dāng)壓縮速度在大于90 mm/min范圍內(nèi)時(shí)，吸水率均達(dá)到80%左右。但是在壓縮速度達(dá)到130 mm/min以后，這種增大趨勢(shì)不明顯。壓縮速度對(duì)育苗種坨膨脹率的影響符合二次函數(shù)關(guān)系。隨著壓縮速度的增加，育苗種坨膨脹率逐漸升高。當(dāng)壓縮速度在小于150 mm/min范圍內(nèi)時(shí)，育苗種坨的膨脹率均可以維持在穩(wěn)定性要求范圍內(nèi)。綜上，育苗種坨壓制壓縮速度范圍應(yīng)控制在90～130 mm/min范圍內(nèi)較適宜。牛糞的纖維結(jié)構(gòu)具有很好的粘結(jié)性和纏繞性，太快的壓縮速度不利于秸稈物料與牛糞纖維組織的粘合，使種坨抗破壞能力和膨脹性增大，對(duì)吸水率的影響也是由于孔洞結(jié)構(gòu)形成不完善導(dǎo)致。

圖4 壓縮速度對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度、吸水率和膨脹率的影響

2.3 成型工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

將因素水平編碼表中的壓縮比換算成壓縮位移，按照因素水平表組合設(shè)計(jì)設(shè)定萬能試驗(yàn)機(jī)的壓縮位移與壓縮速度，進(jìn)行育苗種坨壓制試驗(yàn)。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 抗破壞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Design-Expert軟件對(duì)含水率、壓縮比以及壓縮速度對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度、吸水率和膨脹率的影響進(jìn)行回歸性分析。剔除回歸方程不顯著項(xiàng)，得到育苗種坨抗破壞強(qiáng)度的回歸方程如下

1=17.75+1.421+1.142+0.243?0.1412+

0.1913?0.4712?0.2922?0.4332（1）

由方差分析得到，=670.83>0.01(9,8)=5.47，育苗種坨抗破壞強(qiáng)度在=0.01水平上顯著，說明回歸方程擬合較好。

圖5a為含水率與壓縮比交互作用對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度的響應(yīng)面圖。在壓縮速度為110 mm/min（0水平）的條件下，當(dāng)含水率固定時(shí)，抗破壞強(qiáng)度隨壓縮比的增而增大；當(dāng)壓縮比固定時(shí)，含水率在18%～20%范圍內(nèi)，抗破壞強(qiáng)度隨含水率的增加而增大，幅度較大，當(dāng)含水率在20%～22%范圍內(nèi)時(shí)，抗破壞強(qiáng)度隨含水率的增大呈增大趨勢(shì)，但變化很小。當(dāng)壓縮比在3.3～3.5之間，含水率21%～22%之間時(shí)，抗破壞強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。

圖5b為含水率與壓縮速度交互作用對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度的響應(yīng)面圖。在壓縮比為3.13（0水平）的條件下，當(dāng)含水率固定時(shí)，抗破壞強(qiáng)度隨壓縮速度的增而變化很小；當(dāng)壓縮速度固定時(shí)，抗破壞強(qiáng)度隨含水率的增加而增大。當(dāng)壓縮速度在90～100 mm/min范圍內(nèi)，含水率在21%～22%之間時(shí)，抗破壞強(qiáng)度出現(xiàn)最大值；

圖5c為壓縮速度與壓縮比交互作用對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度的響應(yīng)面圖。在含水率為20%（0水平）的條件下，當(dāng)壓縮比固定時(shí)，抗破壞強(qiáng)度隨壓縮速度的增加而變化很??；當(dāng)壓縮速度固定時(shí)，抗破壞強(qiáng)度隨壓縮比的增加而增大。當(dāng)壓縮比在2.75～2.95之間，壓縮速度在90～100 mm/min之間時(shí)，抗破壞強(qiáng)度最大。

2.3.2 育苗種坨吸水率試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Design-Expert軟件對(duì)含水率、壓縮比以及壓縮速度對(duì)育苗種坨吸水率的影響進(jìn)行回歸性分析。構(gòu)建育苗種坨吸水率的回歸方程如下

2=70.32+0.951?2.452+0.333+0.3312?

0.2713?0.2812+0.2322?0.3432（2）

其方差分析可以得到，=534.19>0.01(9,8)=5.47，育苗種坨吸水率在=0.01水平上顯著，說明回歸方程擬合較好。

圖6a為含水率與壓縮比交互作用對(duì)育苗種坨吸水率的響應(yīng)面圖。在壓縮速度為110 mm/min（0水平）的條件下，由響應(yīng)面圖可知：當(dāng)含水率固定時(shí)，吸水率隨壓縮比的增加而減?。划?dāng)壓縮比固定時(shí)，含水率在18%～19%范圍內(nèi)，吸水率隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率在21%～22%范圍內(nèi)時(shí)，吸水率隨含水率的增大而變化很小。當(dāng)壓縮比在2.75～2.95范圍內(nèi),含水率在21%～22%之間時(shí)，吸水率出現(xiàn)最大值。

圖6b為含水率與壓縮速度交互作用對(duì)育苗種坨吸水率的響應(yīng)面圖。在壓縮比為3.13（0水平）的條件下，當(dāng)含水率固定時(shí)，吸水率隨壓縮速度的增加而增大；當(dāng)壓縮速度固定時(shí)，吸水率隨含水率的增加先增大后減小。當(dāng)含水率在20%～21%之間，壓縮速度在120～130 mm/min之間時(shí)，吸水率最大。

圖6c為壓縮速度與壓縮比交互作用對(duì)育苗種坨吸水率的響應(yīng)面圖。當(dāng)壓縮比在2.75～2.95之間，壓縮速度在120～130 mm/min之間時(shí)，吸水率最大。

圖5 交互作用對(duì)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度響應(yīng)面圖

圖6 交互作用對(duì)育苗種坨吸水率響應(yīng)面圖

2.3.3 育苗種坨膨脹率試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Design-Expert軟件對(duì)含水率、壓縮比以及壓縮速度對(duì)壓制一周后膨脹率的影響進(jìn)行回歸性分析。構(gòu)建育苗種坨膨脹率的回歸方程如下

3=2.84+0.0991+0.0782+0.223+0.02913?

0.02923?0.04412?0.02622?0.08432（3）

其方差分析可以得到，=393.83>0.01(9,8)=5.47，育苗種坨膨脹率在=0.01水平上顯著，說明回歸方程擬合較好。

圖7a為含水率與壓縮比交互作用對(duì)育苗種坨膨脹率的響應(yīng)面圖。在壓縮速度為110 mm/min（0水平）的條件下，當(dāng)含水率固定時(shí)，膨脹率隨壓縮比的增而減?。划?dāng)壓縮比固定時(shí)，含水率在18%～20%范圍內(nèi)，膨脹率隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率在20%～22%范圍內(nèi)時(shí)，膨脹率隨含水率的增大而變化很小。含水率在21%～22%范圍內(nèi)，壓縮比在3.4～3.5之間時(shí)，膨脹率最小。

圖7 交互作用對(duì)育苗種坨膨脹率響應(yīng)面圖

圖7b為含水率與壓縮速度交互作用對(duì)育苗種坨膨脹率的響應(yīng)面圖。在壓縮比為3.13（0水平）的條件下，含水率在18%～19%范圍內(nèi)，壓縮速度在90～100 mm/min之間時(shí)，膨脹率最小。

圖7c為壓縮速度與壓縮比交互作用對(duì)育苗種坨膨脹率的響應(yīng)面圖。在含水率為20%（零水平）的條件下，當(dāng)壓縮比固定時(shí)，膨脹率隨壓縮速度的增加而增大；當(dāng)壓縮速度固定時(shí)，膨脹率隨壓縮比的增加而減小。當(dāng)壓縮比在3.3～3.5范圍內(nèi)，壓縮速度在90～100 mm/min之間時(shí)，膨脹率最小。

3 綜合優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

為了得到最優(yōu)的成型及使用效果，需要育苗種坨的抗破壞強(qiáng)度、吸水率最大，膨脹率最小，因此創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)=1+2?3，并將回歸方程帶入目標(biāo)函數(shù)。其中

式中1為育苗種坨抗破壞強(qiáng)度，N；2為吸水率，%；3為膨脹率，%；1為含水率，%；2為壓縮比；3為壓縮速度，mm/min；運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化求解得到含水率為22.09%，壓縮比為2.9，壓縮速度為90 mm/min。采用優(yōu)化后的參數(shù)取值進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)3次取平均值，獲得育苗種坨性能結(jié)果如表4所示。比較試驗(yàn)結(jié)果與理論值接近。

表4 育苗種坨驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化后育苗種坨的使用性能，進(jìn)行驗(yàn)證性育苗試驗(yàn)，試驗(yàn)種子為山東華邁種業(yè)繁育的先辣一號(hào)朝天椒種子。試驗(yàn)時(shí)，先用水將壓制烘干的育苗種坨徹底浸透2 h后撈出，第3天后進(jìn)行微噴灌溉，育苗7 d后如圖8所示，發(fā)芽率為95%以上，證明所得育苗種坨使用性能良好，可以滿足使用要求。

圖8 育苗種坨發(fā)芽試驗(yàn)

育苗種坨質(zhì)感輕盈，吸水率強(qiáng)，可以長時(shí)間浸泡不松散，不變形，性能特點(diǎn)突出。使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對(duì)種坨表面進(jìn)行電鏡掃描的圖像表明（圖9），育苗種坨外觀看似緊密，實(shí)則有若干孔洞，孔洞縱橫交錯(cuò)，彼此貫通，從而使種坨結(jié)構(gòu)緊密，吸水率強(qiáng)，且吸水后不松散，不變形，保證透氣性，滿足植物發(fā)芽生長要求。育苗種坨使基質(zhì)和種子一次性壓制成型，烘干后便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，充足的養(yǎng)分保證了種子發(fā)芽生長，據(jù)測(cè)算，批量生產(chǎn)每個(gè)種坨成本不到0.10元，無論是蔬菜、花卉育苗，還是大田作物移栽，消耗大量農(nóng)業(yè)廢棄物的同時(shí)，每公頃成本6 000元左右，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

圖9 掃描電子顯微鏡中的育苗種坨表面

4 結(jié) 論

1）以玉米秸稈為主要原料，牛糞等為輔料的育苗化學(xué)及物理特性滿足植物發(fā)芽生長的育苗要求，基質(zhì)與種子壓制成種坨后，種坨密度約為0.2 g/cm3，質(zhì)感輕盈，可反復(fù)吸水50次以上，能夠長時(shí)間水浸泡不松散、不變形，具有突出的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

2）以含水率、壓縮比和壓縮速度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立含水率、壓縮比、壓縮速度與吸水率、抗破壞強(qiáng)度、膨脹率等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，得到各指標(biāo)優(yōu)化參數(shù)組合為：含水率為22%，壓縮比為2.9，壓縮速度為90 mm/min，此時(shí)育苗種坨抗破壞強(qiáng)度較強(qiáng)，吸水性能好，膨脹率低。

3）綜合優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)表明：試驗(yàn)結(jié)果切實(shí)可行，所獲得的育苗種坨成型質(zhì)量及性能良好，種子發(fā)芽率達(dá)到95%以上，其良好的吸水性和透氣性，緣于其縱橫交錯(cuò)的孔洞結(jié)構(gòu)。本研究為秸稈育苗種坨成型工藝、成型機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 馬洪娟，武雪梅，欒積毅. 對(duì)農(nóng)作物秸稈回收物流工程的政策研究[J]. 北方經(jīng)貿(mào)，2012(10)：51－52.

Ma Hongjuan, Wu Xuemei, Luan Jiyi. Policy study on crop straw recycling logistics project[J]. Northern Economy and Trade, 2012(10): 51－52. (in Chinese with English abstract)

[2] 于玲，張海濤. 淺談江蘇省不同作物秸稈的多種形式利用[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2013(2)：80－82.

Yu Ling, Zhang Haitao. Utilization of different crop straws in Jiangsu[J]. Agro-Environment & Development, 2013(2): 80－82. (in Chinese with English abstract)

[3] 韓魯佳，閆巧娟，劉向陽，等. 中國農(nóng)作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(3)：87－91.

Han Lujia, Yan Qiaojuan, Liu Xiangyang, et al. Straw resources and their utilization in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002,18(3): 87－91. (in Chinese with English abstract)

[4] 王金武，唐漢，王金峰. 東北地區(qū)作物秸稈資源綜合利用現(xiàn)狀與發(fā)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(5)：1－21.

Wang Jinwu, Tang Han, Wang Jinfeng. Comprehensive utilization status and development analysis of crop straw resource in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(5): 1－21. (in Chinese with English abstract)

[5] 任蘭天，劉慶，唐飛，等. 腐熟小麥秸稈復(fù)合育苗基質(zhì)對(duì)辣椒穴盤育苗的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(23)：37－39，79.

Ren Lantian, Liu Qing, Tang Fei, et al. Effect of fermented wheat straw matrix on growth of pepper seedling[J]. Journal of Anhui Agricultural science. 2017, 45(23): 37－39, 79. (in Chinese with English abstract)

[6] 陳芬，余高，侯建偉，等. 不同育苗基質(zhì)對(duì)辣椒幼苗生長的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，48(10)：105－111.

Chen Fen, Yu Gao, Hou Jianwei, et al. Effects of different substrates on pepper plug seedling growth[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2019, 48(10): 105－111. (in Chinese with English abstract)

[7] 陳少燦，周巖，周曉靜，等. 不同育苗基質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗生長的影響[J]. 北方園藝，2018(10)：22－29.

Chen Shaocan, Zhou Yan, Zhou Xiaojing, et al. Effects of different seedling matrix on cucumber growth[J]. Northern Horticulture, 2018(10): 22－29. (in Chinese with English abstract)

[8] 王宇欣，孫倩倩，王平智，等. 玉米秸稈復(fù)配基質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗生長發(fā)育的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(7)：286－295.

Wang Yuxin, Sun Qianqian, Wang Pingzhi, et al. Effect of corn stalk compound substrate on cucumber seedling growth[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(7): 286－295. (in Chinese with English abstract)

[9] 劉忠華，趙帥翔，劉會(huì)芳，等. 蚯蚓糞復(fù)合基質(zhì)對(duì)番茄穴盤育苗影響的試驗(yàn)研究[J]. 中國土壤與肥料，2019(4)：208－212.

Liu Zhonghua, Zhao Shuaixiang, Liu Huifang, et al. Experimental study on the effect of vermicompost substrate on tomato plug seedlings[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2019(4): 208－212. (in Chinese with English abstract)

[10] 蘇麗影，宋述堯，趙春波，等. 玉米秸稈混合基質(zhì)對(duì)甜瓜穴盤苗生長的影響[J]. 北方園藝，2013(12)：28－30.

Su Liying, Song Shuyao, Zhao Chunbo, et al. Effect of mixed substrates of corn stalk on plug seedling of muskmelon[J]. Northern Horticulture, 2013(12): 28－30. (in Chinese with English abstract)

[11] 于娜. 玉米秸稈和粉煤灰混合基質(zhì)對(duì)不同草坪草生長的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(5)：463－464.

Yu Na. Effects of maize stalk and fly ash mixed substrates to the growth of different lawn grasses[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2014, 42(5): 463－464. (in Chinese with English abstract)

[12] 龐姝姝，李友麗，趙倩，等. 有機(jī)發(fā)酵液對(duì)不同基質(zhì)栽培番茄的生育和品質(zhì)的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，38(5)：33－39.

Pang Shushu, Li Youli, Zhao Qian, et al. Effects of different culture media on the growth rate and yield of tomato irrigation with organic fermentation broth[J]. Journal Shanxi Agricultural University: Natural Science Edition, 2018, 38(5): 33－39. (in Chinese with English abstract)

[13] 何詩行，何堤，許春林，等. 巖棉短程栽培模式中營養(yǎng)液對(duì)番茄生長及果實(shí)品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(18)：188－195.

He Shihang, He Di, Xu Chunlin, et al. Effects of nutrient solution on growth and quality of short-term cultivation tomatoes grown in rockwool[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(18): 188－195. (in Chinese with English abstract)

[14] 唐玉新，曲萍，陸岱鵬，等. 適合機(jī)械化移栽的番茄穴盤育苗基質(zhì)配方篩選[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，33(6)：1342—1348.

Tang Yuxin, Qu Ping, Lu Daipeng, et al. Screening of tomato plug seedling substrates proportion suitable for mechanized transplanting[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2017, 33(6): 1342－1348. (in Chinese with English abstract)

[15] 楊龍?jiān)?，袁巧霞，劉志剛，? 牛糞堆肥成型基質(zhì)塊蔬菜育苗灌溉方式[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(5)：98－106.

Yang Longyuan, Yuan Qiaoxia, Liu Zhigang, et al. Irrigation method for vegetable seedling using cow dung compressed substrates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(5): 98－106. (in Chinese with English abstract)

[16] 張志軍，王慧杰，李會(huì)珍，等. 秸稈育苗缽質(zhì)量和性能影響因素及成本分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(10)：83－87.

Zhang Zhijun, Wang Huijie, Li Huizhen, et al. Influence factors on quality and properties of straw blocks and cost analyses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(10): 83－87. (in Chinese with English abstract)

[17] 張志軍，王慧杰，李會(huì)珍，等. 秸稈育苗缽在棉花育苗移栽上的應(yīng)用及效益分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(7)：279－282.

Zhang Zhijun, Wang Huijie, Li Huizhen, et al. Application and benefit analysis of straw block in seedling transplanting of cotton[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 279－282. (in Chinese with English abstract)

[18] 王慧杰，馮瑞云，劉躍鵬，等. 秸稈育苗缽旋壓成型制缽機(jī)的研制[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2017，38(4)：37－41.

Wang Huijie, Feng Ruiyun, Liu Yuepeng, et al. Design of spin-forming machine for seedling pot made from straw[J], Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(4): 37－41. (in Chinese with English abstract)

[19] 孫恩惠，黃紅英，武國峰，等. 稻殼/大豆蛋白基黏合劑成型育苗缽性能評(píng)價(jià)及成因分析[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34(6)：1202－1209.

Sun Enhui, Huang Hongying, Wu Guofeng, et al. Performance evaluation and analysis of nursery containers made from rice husk/soybean protein adhesives[J]. Journal of Agro-environment Science, 2015, 34(6): 1202－1209. (in Chinese with English abstract)

[20] 劉向東，邱灶楊，潘佳琦，等. 秸稈基育苗缽制備工藝與試驗(yàn)研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，35(2)：243－245.

Liu Xiangdong, Qiu Zaoyang, Pan Jiaqi, et al. Forming process and experimental study on straw-base seedling pot[J]. Journal of Jiamusi University: Natural Science Edition, 2017, 35(2): 243－245. (in Chinese with English abstract)

[21] 辛明金，陳天佑，張強(qiáng)，等. 含稻秸蔬菜育苗基質(zhì)塊成型工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：219－225.

Xin Mingjin, Chen Tianyou, Zhang Qiang, et al. Parameters optimization for molding of vegetable seedling substrate nursery block with rice straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 219－225. (in Chinese with English abstract)

[22] 曹紅亮，楊龍?jiān)?，袁巧霞，? 稻草、玉米芯調(diào)理牛糞堆肥成型育苗基質(zhì)試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(3)：197—202.

Cao Hongliang, Yang Longyuan, Yuan Qiaoxia, et al. Experimental research of seedling substrate compressed of cattle manures[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 197－202. (in Chinese with English abstract)

[23] 匡石滋，賴多，邵雪花，等. 育苗輕型基質(zhì)塊配方研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017，33(34)：124－130.

Kuang Shizi, Lai Duo, Shao Xuehua, et al. Study on light matrix formula of seedling production[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2017, 33(34): 124－130. (in Chinese with English abstract)

[24] Chauhan B S, Gill G, Preston C. Seed germination and seedling emergence of three horn bedstraw ()[J]. Weed Science, 2006, 54(5): 867－872.

[25] Kimber R. Phytotoxicity from plant residues. I. The influence of rotted wheat straw on seedling growth[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1967, 18(3): 361－374.

[26] 郭世榮. 無土栽培學(xué)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社. 2003.

Experimental study on molding technology for making seedling block based on maize stovers

Liu Dejun, Zhou Yanji, Liu Kun, Cheng Qian, Bai Xuewei, Gong Yuanjuan※

(110866,)

Seedling blocks contained maize stovers as the main component, added cow manure, inorganic complex, polyacrylate sodium, ferrous sulfate, and other auxiliary materials ground as the substrate for growing seedlings, the seed once pressed molding in the substrate, also could be planted in the planting hole. First of all, the production process for making seedling block based on maize stovers were discussed in this study, regarded the crushed maize stovers mixed with cow dung as premixed materials, polyacrylate sodium and other supplementary material dissolved as premixed liquid to soak of strovers and cow dung, ground into a viscous paste together as matrix material, using homemade compression mold, hot pepper seeds and substrate material compressed into a block together, the final drying to facilitate storage and transportation. The matrix conductivity in the process of the test was no more than 800s/cm, or else reduce the concentration of the pre-mixed solution to ensure the seed normal germination. The material characteristics of substrate and nutrition were tested or laboratory analyzed, the determination of substrate materials, pH value of 6.4 was suitable to the vegetation, the unit weight of 0.4 g/cm3, the total porosity of 65.82%, the aeration porosity of 19.16%, the water-holding porosity of 56.66%, in addition to the phosphorus and potassium levels slightly higher, nitrogen, iron, magnesium, and other nutritional elements were in suitable range. In this study, the pressed seedling block was put on the test platform of the WDW-200 compression testing machine, and the stress at the deformation degree of 20% was taken as the destructive strength. Soak the blocks water for more than 2 hours or spray for more than 3 hours, until the mass after absorption was no longer changed, with the mass after absorption minus the mass before absorption divided by the mass after absorption determined the water absorption. According to the test method of seedling block water absorption, the measurement of the expansion rate is the volume difference after and before water absorption divided by the volume without water absorption. By using the Design-Expert 8.06 software and according to the general rotating combination design method, the three-factors quadratic orthogonal rotating combination experiment was selected. The test results showed that the destructive strength of block was significantly higher when the water content was between 15.99% and 22.03% and decreased when it exceeded 30%. The larger compression ratio and the greater destructive strength of block led to the lower water absorption. When the compression ratio was 2.25, the maximum expansion rate was 4.60%, and then gradually decreased with the increase of the compression ratio to a minimum of 2.80%. The compression speed had a certain influence on the destructive strength of blocks, but it was not obvious. The influence on the water absorption conformed to the logarithmic function, and the influence on the expansion rate conformed to the quadratic function. The Orthogonal rotation combination test of the ternary quadratic was carried out to establish the mathematical model between the parameters of water content, compression ratio, compression speed, and water absorption, anti-destruction strength, and expansion rate. The optimized parameter of each index was obtained as follows: water content was 22%, the compression ratio was 2.9, and the compression speed was 90 mm/min. The results of the verification test showed that the seedling blocks met the requirements of seedling raising with good water absorption, destructive strength, and lower expansion rate. Seedling blocks compressed with hot pepper soaked for 2 hours and then micro-sprayed for 7 days, the germination rate reached 95%. The study provided a theoretical basis for the stovers seedling blocks molding process, the design, and optimization of molding machinery.

stovers; substrate; seeding; compression molding; molding quality; maize

2019-08-21

2020-01-13

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201503134）

劉德軍，博士，主要從事農(nóng)作物秸稈高值化利用技術(shù)與智能裝備研究。Email：ldjldj@126.com

宮元娟，教授，主要從事秸稈高值化利用技術(shù)與智能裝備研究。Email：yuanjuangong@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.028

TS653.5

A

1002-6819(2020)-05-0241-08

劉德軍，周艷吉，劉 坤，程 乾，白雪衛(wèi)，宮元娟. 玉米秸稈育苗種坨成型工藝試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(5)：241－248. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.028 http://www.tcsae.org

Liu Dejun, Zhou Yanji, Liu Kun, Cheng Qian, Bai Xuewei, Gong Yuanjuan. Experimental study on molding technology for making seedling block based on maize stovers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 241－248. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.028 http://www.tcsae.org