秸稈成型塊保水載肥腐解試驗(yàn)

聶 影，鄧 楠，白雪衛(wèi)，宮元娟

（1.遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,沈陽110161；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽110161）

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中固有的生物質(zhì)資源，大量秸稈被廢棄或焚燒，不但降低秸稈利用率，而且會(huì)引起環(huán)境污染[1-3]。土壤沙化嚴(yán)重、養(yǎng)分含量少、耕地利用率低等問題制約遼西北干旱沙區(qū)作物生長，因此亟需改良沙化土壤保水性和養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的新技術(shù)[4-5]。秸稈中含有由多羥基化合物構(gòu)成的天然纖維素，親水性極強(qiáng)，豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等可作為肥料資源。至此，基于秸稈生物質(zhì)特性制備綠色無污染的秸稈成型塊作為保水劑還田，可改良土壤結(jié)構(gòu)、抑制土壤養(yǎng)分流失，因此，利用秸稈成型塊制成保水劑還田是提高土壤蓄水蓄肥能力的必然趨勢(shì)。以秸稈成型塊為定量保水載體，并對(duì)其前期的降解速率加以控制，可顯著提高土壤水肥特性，在作物需要營養(yǎng)的時(shí)期提供大量養(yǎng)分[6-7]，實(shí)現(xiàn)靶向施肥的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)秸稈成型塊有效利用[8-9]。目前，秸稈成型塊就保水靶向性和腐解穩(wěn)定性的研究仍處于空白階段，本研究依靠配方秸稈成型塊制備技術(shù)，利用秸稈成型塊作為靶向源對(duì)土壤穩(wěn)定施肥，為實(shí)現(xiàn)秸稈成型塊利用提供新思路。本研究根據(jù)時(shí)域反射原理，設(shè)計(jì)秸稈成型塊腐解環(huán)境監(jiān)測試驗(yàn)系統(tǒng)，通過模擬遼西北地區(qū)土壤及環(huán)境條件進(jìn)一步探究秸稈成型塊的保水效果、腐解特征以及腐解條件（腐解期溫度、腐解時(shí)間、相對(duì)濕度）對(duì)腐解特征的相關(guān)影響，該研究可為干旱沙土地區(qū)秸稈保水供肥技術(shù)研究以及秸稈成型塊作為植物營養(yǎng)靶向載體提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

選用松弛密度為540kg·m-3的秸稈成型塊（物料水分為13%，豆粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%，聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%[10]），沙土采自遼寧省西北地區(qū)，篩選至粒徑小于2mm，自然干燥后平均水分小于4%。所用器材及設(shè)備為40目尼龍網(wǎng)袋（100mm×110mm）、無蓋有機(jī)玻璃盒（100mm×100mm×80mm）、電子天平（哈爾濱眾匯衡器有限公司）、101型電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京用光醫(yī)療儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 時(shí)域反射基本原理 時(shí)域反射法是利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度差異來測定土壤溫濕度的一種方法[11]。完整的時(shí)域反射法檢測系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射接收系統(tǒng)、信號(hào)處理器和顯示器組成，同軸電纜作為信號(hào)傳輸線，由無數(shù)個(gè)微小的C（電容）、R（電阻）、G（電導(dǎo)）和L（電感）構(gòu)成。工作原理為信號(hào)發(fā)射機(jī)激發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電壓脈沖，并以電磁波的方式通過傳輸線傳播。傳輸線阻抗改變引起反射，接收器接收到反射的疊加信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理器傳輸至顯示器，反射波與入射波之間的波形差反映出媒介特性[12]。時(shí)域反射基本原理如圖1。

圖1 時(shí)域反射基本原理圖Figure 1 Basic principle diagram of time domain reflection

1.2.2 秸稈成型塊腐解環(huán)境監(jiān)測試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)所用土壤溫濕度傳感器是基于時(shí)域反射原理，信號(hào)以同軸電纜和探測單元為傳輸媒介，土壤溫濕度傳感器測量成型塊腐解過程的溫濕度就是基于傳輸媒介的特性。由于秸稈腐解時(shí)間漫長，根據(jù)試驗(yàn)室環(huán)境及試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)秸稈成型塊腐解試驗(yàn)系統(tǒng)主要用來監(jiān)測秸稈腐解環(huán)境。試驗(yàn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 秸稈腐解試驗(yàn)系統(tǒng)Figure 2 Straw decomposition test system

1.2.3 秸稈成型塊保水性能試驗(yàn) 保水性是可微觀表征物質(zhì)內(nèi)親水分子與水分子之間的相互作用強(qiáng)度，宏觀反映物料在外界環(huán)境變化時(shí)保持水分的能力[13]。為探究成型塊在干旱區(qū)的保水效果，采用烘干稱重法，通過干燥箱模擬干旱環(huán)境，以箱內(nèi)溫度（20℃和40℃）模擬土壤釋水的常溫和高溫條件。試驗(yàn)將松弛密度為540kg·m-3的秸稈成型塊置于有、無沙土的玻璃盒中，以成型塊在有、無沙土介質(zhì)中的兩種釋水情況（即累積釋水量）來評(píng)價(jià)其保水性[14]。設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)，探究成型塊在不同介質(zhì)中的保水效果（圖3），記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型。為避免沙土樣本間差異影響試驗(yàn)結(jié)果，各樣本均過標(biāo)準(zhǔn)土篩并風(fēng)干，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，累積釋水量取平均值。

圖3 保水性試驗(yàn)Figure 3 Water-preserving test

（1）成型塊在沙土中釋水（試驗(yàn)組）。室溫下特定密度成型塊在盛水燒杯中吸水至飽和后，置于盛沙土的有機(jī)玻璃盒內(nèi)。記錄成型塊與沙土的初始質(zhì)量W1，再將其移入預(yù)設(shè)溫度的干燥箱。每隔1h 取出稱質(zhì)量Wn+1，累積釋水量ΔW1的計(jì)算公式為：

式中：ΔW1為成型塊在沙土中的累積釋水量（g）；W1為成型塊與沙土的初始質(zhì)量（g）；Wn+1為第（n+1）次取樣時(shí)成型塊與沙土的質(zhì)量（g）；n=1，2，…，10。

（2）成型塊自然釋水（對(duì)照組）。室溫下特定密度成型塊在盛水燒杯中吸水至飽和，記錄初始質(zhì)量W2，再將其放入預(yù)設(shè)溫度的干燥箱，每隔1h 取出稱質(zhì)量Wm+1，累積釋水量ΔW2的計(jì)算公式為：

式中：ΔW2為成型塊累積釋水量（g）；W2為成型塊初始質(zhì)量（g）；Wm+1為第（m+1）次取樣時(shí)成型塊質(zhì)量（g）；m=1，2，…，10。

（3）累積釋水量與釋水時(shí)間函數(shù)關(guān)系擬合模型。利用Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)組采用對(duì)數(shù)關(guān)系擬合，對(duì)照組采用一次函數(shù)關(guān)系擬合，函數(shù)模型分別如式（3）和式（4）。

式中：ΔW1為成型塊在沙土中的累積釋水量（g）；t為釋水時(shí)間（h）；a為方程系數(shù)；b0為方程常數(shù)項(xiàng)。

式中：ΔW2為成型塊的累積釋水量（g）；t為釋水時(shí)間（h）；k為方程系數(shù)；b1為方程常數(shù)項(xiàng)。

1.2.4 成型塊腐解性能試驗(yàn) 成型塊在干旱環(huán)境下腐解效果可用腐解率及腐解速率有效表征[15-18]。本試驗(yàn)通過模擬現(xiàn)實(shí)中秸稈腐解的環(huán)境，研究不同條件（時(shí)間、溫濕度）下，秸稈成型塊在沙土中的腐解規(guī)律。試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋法，以540kg·m-3的秸稈成型塊為研究對(duì)象，記錄成型塊的初始質(zhì)量W3后，裝入尼龍網(wǎng)袋，封口，埋藏在盛有沙土的有機(jī)玻璃盒內(nèi)，加水300g。為防止實(shí)驗(yàn)室溫濕度環(huán)境及腐解過程中的溫度變化和水分蒸發(fā)對(duì)試驗(yàn)的影響，剔除樣本初始溫濕度（初始溫度為16.1℃，相對(duì)濕度為23%），玻璃盒覆蓋保鮮膜進(jìn)行試驗(yàn)。插入土壤溫濕度水分傳感器，通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控成型塊腐解的環(huán)境條件，記錄腐解期溫濕度，分別在培養(yǎng)后30，60，100，130，200d取樣，共5次，去掉網(wǎng)袋粘附的泥漿，在60℃下烘干再次稱重Wp+1，腐解率R0和腐解速率V0的計(jì)算公式分別如式（5）和式（6），試驗(yàn)過程如圖4。

圖4 腐解試驗(yàn)過程Figure 4 Decomposition test process

式中：R0為腐解率（%）；V0為腐解速率（g·d-1）；W3為成型塊初始質(zhì)量（g）；Wp+1為第（p+1）次取樣時(shí)成型塊質(zhì)量（g）；Tp+1為第（p+1）次取樣時(shí)間（d）；p=1，2，…，5。

秸稈成型塊的腐解率、腐解速率與腐解條件（腐解期溫度、相對(duì)濕度及腐解時(shí)間）均可用線性方程來表示，以腐解率、腐解速率為因變量，腐解期溫度、相對(duì)濕度和腐解時(shí)間為自變量進(jìn)行多元線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型塊保水性能分析

由圖5可知，由于成型塊經(jīng)歷了定時(shí)吸水，所以起初在恒溫箱內(nèi)的累積釋水量一直增大，試驗(yàn)組在3h后累積釋水量緩慢增加，10h內(nèi)有平穩(wěn)趨勢(shì)；對(duì)照組沒有沙土的作用，所以在恒溫箱10h內(nèi)累積釋水量一直增大；相同時(shí)間內(nèi)，恒溫箱內(nèi)溫度越高，累計(jì)釋水量越大，主要原因是溫度越高，水分子運(yùn)動(dòng)速率加劇，累計(jì)釋水量增加。

圖5 累積釋水量變化圖Figure 5 Water release change map

利用Excel軟件分析累積釋水量與釋水時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，試驗(yàn)組采模型的回歸系數(shù)均大于0.9；對(duì)照組模型的回歸系數(shù)均大于0.9。由表1可知，在填充的沙土與秸稈成型塊雙重作用下，整體孔隙度減小，累積釋水量緩慢降低趨于平衡，試驗(yàn)組擬合的對(duì)數(shù)關(guān)系更明顯；在成型塊的累積釋水量與釋水時(shí)間的方程擬合中，擬合的均回歸系數(shù)R2＞0.99，擬合程度良好。通過比較，同種溫度下，對(duì)照組10h的釋水總量約為試驗(yàn)組的3～4倍，沙土的作用導(dǎo)致釋水總量的顯著差異，成型塊處于沙土中釋水量較少，其保水效果更好，所以秸稈成型塊的腐解試驗(yàn)將在沙土中進(jìn)行。

表1 累積釋水量回歸分析Table 1 Analysis of the regression of water

2.2 成型塊腐解性能分析

2.2.1 成型塊腐解率分析 由圖6可知，在不同的腐解時(shí)期，秸稈成型塊均有一定的腐解量，隨腐解時(shí)間延長，秸稈成型塊的累積腐解率增加，呈現(xiàn)出前期（0～60d）腐解量快速增加，中期（60～100d）緩慢，中后期（100～130d）增加，后期（130～200d）再次放緩的狀態(tài)。秸稈成型塊在腐解前期腐解率達(dá)57%；腐解中期腐解率提高7%；腐解中后期腐解率達(dá)到74%，較上期高出10%；腐解后期腐解率達(dá)到81%。前期腐解量快速增加可能是因?yàn)榍捌卺屗枯^大，中期釋水量減緩且有機(jī)質(zhì)未能分解，中后期易分解有機(jī)質(zhì)的分解再次提升腐解率，后期時(shí)易分解有機(jī)質(zhì)已分解完全，但較難分解的有機(jī)質(zhì)還未達(dá)到分解條件，腐解率增長趨于平緩。

圖6 成型塊腐解率變化特征Figure 6 Change characteristics of the decay rate of blank blocks

2.2.2 成型塊腐解速率分析 由圖7 可知，隨腐解時(shí)間延長，成型塊的腐解速率整體呈現(xiàn)出前期（0～60d）腐解加快，中期（60～100d）、中后期（100～130d）以及后期（130～200d）腐解速率依次減小的趨勢(shì)。在前30d 成型塊腐解最快，腐解速率顯著增加，達(dá)1.4g·d-1；從30d 以后，腐解速率相對(duì)減小，30～60d 間，腐解速率降低18%，到60～100d 的腐解速率降到0.96g·d-1以下，而100d 以后，腐解速率一直降低，腐解后期降低至0.3g·d-1。秸稈埋入土壤后出現(xiàn)快速和緩慢的2 個(gè)腐解階段，主要原因是在腐解后期，遺留在土壤中的是難分解的有機(jī)物，如木質(zhì)素等，所以導(dǎo)致秸稈腐解速率降低。

圖7 成型塊腐解速率變化特征Figure 7 Change characteristics of the decay speed of blank blocks

2.2.3 成型塊腐解特征與腐解條件分析 通過多元線性回歸分析，分別得出回歸方程如式（7）和式（8）。

式中：R0為腐解率（%）；V0為腐解速率（g·d-1）；T為腐解期溫度（℃）；RH為相對(duì)濕度（%）；t為腐解時(shí)間（d）。

回歸方程（7）與（8）校正相關(guān)系數(shù)分別為0.9948 和0.9964，p值均小于0.05，由此可見，腐解期溫度、相對(duì)濕度和腐解時(shí)間是秸稈成型塊腐解率、腐解速率的主要影響因子，且相關(guān)性顯著。

由表2可知，腐解率與腐解期溫度、相對(duì)濕度及腐解時(shí)間之間的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平，影響因子主次為：腐解期溫度（0.98）＞腐解時(shí)間（0.95）＞相對(duì)濕度（0.91），腐解期溫度對(duì)腐解率的影響程度較大，說明腐解期溫度是秸稈成型塊腐解率的主要限制因子。隨著腐解時(shí)間增加，成型塊腐解出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，可提高腐解環(huán)境溫度。試驗(yàn)前各玻璃盒加水并覆膜，由于沙土的保水性良好，避免腐解期水分虧缺，腐解期溫度在一定程度上受到水分影響，二者相關(guān)性顯著，所以良好的溫濕度環(huán)境可提高秸稈成型塊的腐解率。腐解速率與腐解期溫度之間的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，而相對(duì)濕度、腐解時(shí)間與腐解速率達(dá)顯著水平，影響因子主次為：腐解期溫度（0.95）＞腐解時(shí)間（0.86）＞相對(duì)濕度（0.85）。腐解期溫度同樣是秸稈成型塊腐解速率的主要限制因子。隨著腐解時(shí)間增加，雖然腐解率隨腐解時(shí)間的增加而增大，但是腐解速率在中后期逐漸減小，腐解期溫度和腐解速率相關(guān)系數(shù)為0.95，與腐解期溫度和腐解率之間的相關(guān)性相比，顯著程度降低，是因?yàn)楦夂笃跍囟认陆?，水分減少，而此時(shí)溫濕度環(huán)境影響微生物活性，不利于秸稈腐解。

表2 腐解條件與腐解特征相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between decay condition and decay rate

3 討論與結(jié)論

保水劑可浸潤土壤，提高土壤含水量，添加保水劑的土壤可減少水分蒸發(fā)，增強(qiáng)土壤持水性，陳寶玉等[19]研究表明保水劑可顯著影響土壤性質(zhì)，不斷提高土壤水分常數(shù)和土壤孔隙度，所以要根據(jù)土壤的保水能力選擇不同吸水速率的保水劑[20-21]。本試驗(yàn)前期基于機(jī)械壓縮參數(shù)調(diào)控秸稈成型工藝，研究開發(fā)農(nóng)作物秸稈纖維素類保水劑，460～540kg·m-3的秸稈成型塊隨松弛密度增大，在沙化土壤中保水效果逐漸增強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)對(duì)沙化土壤釋水與釋肥的雙重功效[10]，實(shí)現(xiàn)秸稈成型塊作為靶向源對(duì)土壤穩(wěn)定施肥，秸稈成型塊保水及腐解性能試驗(yàn)研究仍需深入。

本研究結(jié)果表明，松弛密度為540kg·m-3秸稈成型塊在沙土中釋水較自然釋水量少且緩慢，隨時(shí)間變化分別符合對(duì)數(shù)模型與線性模型，擬合方程的回歸系數(shù)均大于0.9，成型塊在沙土中的保水性良好，擬合方程可對(duì)植物所需水分實(shí)現(xiàn)數(shù)字化供給。腐解期溫度、相對(duì)濕度和腐解時(shí)間是秸稈腐解特征的主要影響因子，其主次為：腐解期溫度＞腐解時(shí)間＞相對(duì)濕度，所建立的回歸模型相關(guān)系數(shù)均為0.99，可靠性良好，可為秸稈成型塊作為植物營養(yǎng)靶向載體提供理論依據(jù)。