摘要:為了進一步優(yōu)化秸稈堆漚前含水量和C/N的調(diào)節(jié)工藝、減少堆漚時水分與肥料的損失,以玉米秸稈為研究對象,探討秸稈的吸水速率、噴水次數(shù)、肥料粒徑與肥料的添加方式(噴淋、混勻、表面覆蓋)4種因素對水分與肥料損失的影響。結(jié)果表明:隨浸泡時間的延長,秸稈含水量的變化表現(xiàn)為快速上升、緩慢上升和穩(wěn)定3個階段;玉米秸稈浸泡1 min時,含水量為53.44%;噴水次數(shù)由1次增加到6次,秸稈含水量由45.26%提升至62.31%,而水分損失率由70.01%下降至35.35%;當噴水3次且采用肥料表面覆蓋處理時,大顆粒尿素處理與小顆粒尿素處理相比,堆漚時秸稈的氮含量提高了10.76%,氮損失率降低了43.81%,C/N由30.20降低至27.28;顆粒硫酸銨處理與粉狀硫酸銨處理相比,堆漚時秸稈的氮含量提高了21.32%,氮損失率降低了47.69%,C/N由33.73降低至27.72;相對于噴淋與混勻處理,表面覆蓋處理的秸稈氮含量分別提高了7.10%~13.99%、2.52%~5.03%,氮損失率分別降低了26.82%~37.72%、10.81%~21.61%,C/N分別降低了6.57%~12.20%、2.40%~4.22%。綜上,本試驗中最佳的水分和養(yǎng)分的調(diào)節(jié)方式為將大顆粒尿素覆蓋于秸稈表面,并噴水3次。
關(guān)鍵詞:玉米秸稈;堆漚;含水量;氮損失率
中圖分類號:S141.4" 文獻標志碼:A
文章編號:1002-1302(2024)19-0266-06
收稿日期:2023-11-19
基金資助:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院引導(dǎo)類項目(編號:Z202201);山東省科技計劃(編號:2019GNC106124)。
作者簡介:刁愛琳(2003—),女,山東棲霞人,主要從事土壤肥料學(xué)與農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用研究。E-mail:1915593106@qq.com。
通信作者:邵 蕾,博士,副教授,主要從事土壤肥料等研究。 E-mail:shaolei6751@163.com。
我國農(nóng)作物產(chǎn)量居世界首位[1],2021年全國秸稈資源量8.65億t,可收集量7.34億t,秸稈利用量6.47億t,綜合利用率為88.1%,其中肥料化利用量占總利用量的比例為60.0%[2]。
秸稈還田常采用機械化粉碎直接還田[3],該方法處理成本低,但國內(nèi)機械設(shè)備普遍存在實用性和可靠性較差的問題[4-5],并且秸稈未經(jīng)處理直接粉碎還田后地下害蟲增多造成病蟲害加重、作物減產(chǎn)等問題[6-7]。相對于秸稈粉碎直接還田,秸稈堆漚腐熟還田可以殺死秸稈攜帶的蟲卵、病菌及雜草種子減輕作物病蟲草害[8]。秸稈堆漚腐熟還田可以改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[9],促進作物生長[10],改善土壤結(jié)構(gòu),避免因化肥施用過量造成土壤退化和環(huán)境污染[11]等問題。
為保證發(fā)酵的正常進行,秸稈堆漚還田需調(diào)節(jié)C/N和含水量,控制發(fā)酵條件為微生物提供適宜的生存環(huán)境[12]。大量研究表明,秸稈堆漚適宜的C/N一般為(20~35) ∶1[13-14],含水量為55%左右[15-16] 。秸稈含水量的調(diào)節(jié)方法包括浸泡和噴水;秸稈C/N的調(diào)節(jié)方法包括將肥料溶于水溶液后進行噴灑和將肥料與秸稈混勻。李尚蓮將肥料溶解于水中制成溶液,每堆放15~20 cm的秸稈潑灑一定量的肥料溶液[17];許威將秸稈用水澆濕后撒施氮肥、攪拌混勻[8];賀彪等用水浸泡秸稈后逐層逐份添加氮素肥料[18];趙金紅使用3層堆置法(每層 60 cm 左右)撒施尿素等肥料后用水澆透調(diào)節(jié)C/N和含水量[19]。通過浸泡的方式調(diào)節(jié)含水量需將秸稈放入浸泡池中并撈出,此過程耗時耗力且需要嚴格控制浸泡時間,浸泡時間過長可能導(dǎo)致含水量超過最佳堆漚含水量;將肥料溶于水溶液后噴淋可同時調(diào)節(jié)C/N和含水量,但易造成肥料隨水淋失,需嚴格控制肥料溶液的濃度與噴水速率。
目前已有的研究主要集中于秸稈堆漚的過程控制[19]和堆漚過程中的氮素損失[20],而關(guān)于調(diào)節(jié)含水量與C/N的過程中水分及隨水流失肥料的損失未見報道。為了進一步優(yōu)化秸稈堆漚前含水量和C/N的調(diào)節(jié)工藝,減少水分與養(yǎng)分的損失,本試驗通過研究秸稈的吸水速率、分次補水及氮源的不同添加方式,探討調(diào)節(jié)含水量和C/N過程中的水分及肥料損失,以期為降低秸稈堆漚的人工及肥料成本提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
試驗于2023年3月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院進行。玉米秸稈采自山東省煙臺市牟平區(qū),將收獲后的秸稈用粉碎機粉碎,挑選未粉碎完全的秸稈并用剪刀剪至3 cm。粉碎后的秸稈風(fēng)干備用。秸稈理化性質(zhì)的測定參照NY/T 525—2021《有機肥料》,秸稈含水量為12.8%,碳含量為49.2%,氮含量0.46%,C/N為106.96 。采用尿素與硫酸銨調(diào)節(jié)秸稈的C/N,其中尿素含氮量46%(大顆粒、小顆粒粒徑分別為3、1.5 mm),硫酸銨含氮量21%(大顆粒粒徑為2 mm,粉狀粒徑為0.15 mm)。
1.2 試驗方法
1.2.1 玉米秸稈的吸水性能試驗
將10 g風(fēng)干秸稈裝入15 cm×15 cm的40目尼龍網(wǎng)袋中并封口;將網(wǎng)袋放入敞口水箱中加水至沒過秸稈;分別在試驗開始后0、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30 min時取出4個網(wǎng)袋,瀝水至不再滴水后測定含水量。
1.2.2 水添加次數(shù)對秸稈吸水效率的影響
將直徑11 cm、高30 cm的PVC(聚氯乙烯)管下端用200目尼龍網(wǎng)包裹,裝入風(fēng)干秸稈100 g壓實至每個PVC管中秸稈高度一致,將205.22 mL水(100 g風(fēng)干秸稈達到飽和含水量時需添加的水)分1、2、3、4、5、6次加入。使用噴壺加水,每次加水時間3 min,待PVC管下端不再滴水后再繼續(xù)噴水。PVC管下端包裹塑料袋收集滲漏液并根據(jù)滲漏液量計算秸稈含水量及水分損失率。
Wl=1-mw×Ww-m0×W0mt×100%。(1)
式中:Wl為水分損失率,%;mw為秸稈濕重,g;Ww為秸稈含水量,%;m0為加水前秸稈重,g;W0為加水前秸稈含水量,%;mt為總加水量,g。
1.2.3 肥料粒徑對氮素淋溶的影響
將風(fēng)干秸稈100 g裝入PVC管中壓實,下端使用尼龍網(wǎng)和塑料袋包裹并收集滲漏液。將大顆粒尿素(UB)、小顆粒尿素(Us)、顆粒硫酸銨(SG)和粉狀硫酸銨(SP)分別覆蓋在秸稈表面,噴水方式參照“1.2.2”節(jié)。將PVC管中的秸稈倒出、混合均勻,稱重并取樣后測定秸稈含水量、碳含量與氮含量,計算水分損失率、C/N和氮損失率。
C/N=ms×Csms×Ns+mi+Ni。(2)
式中:ms為秸稈干重,g;Cs為秸稈碳含量,%;mi為肥料添加量,g;Ns為秸稈氮含量,%;Ni為肥料氮含量,%。
Nl=mi×Ni+m0×N0×(1-W0)-mw×Nw×(1-Ww)mi×Ni。(3)
式中:Nl為氮損失率,%;mi為肥料質(zhì)量,g;Ni為肥料氮含量,%;m0為裝入PVC管中的秸稈重,g;N0為添加肥料前的秸稈氮含量,%;W0為秸稈初始含水量,%;mw為處理后秸稈濕重,g;Nw為處理后的秸稈氮含量,g;Ww為處理后秸稈含水量,%。
1.2.4 肥料添加方式對氮素淋溶的影響
將100 g風(fēng)干秸稈裝入PVC管中,下端用尼龍網(wǎng)包裹并用塑料袋收集滲漏液。每個處理添加大顆粒尿素2.91 g或顆粒硫酸銨6.26 g,調(diào)節(jié)C/N為25 ∶1。肥料的加入方式包括噴淋、表面覆蓋和與秸稈混勻,其中噴淋處理為噴壺噴灑肥料溶液(將肥料溶于 205.22 mL 水中)。將205.22 mL水或肥料溶液分2、3、4次加入,每次加液時間為3 min,待不再滴液后繼續(xù)下一次加液。試驗處理見表1、表2。
1.2.5 調(diào)節(jié)秸稈含水量與C/N的工藝參數(shù)驗證
取1 t風(fēng)干秸稈根據(jù)“1.2.4”節(jié)確定的最佳肥料加入方式與加水次數(shù)分別以尿素和硫酸銨調(diào)節(jié)C/N,堆體高度為1.7 m,半徑為1.7 m。經(jīng)過計算1 t風(fēng)干秸稈達到飽和含水量需加水2.05 t,使用水泵噴灑(通過出口閥開度控制噴水的速率一致),每次噴水時間為20 min,加水時間間隔為1 h。調(diào)節(jié)含水量和C/N后的秸稈用納米膜(具有透氣不透水的特性)覆蓋,24 h后取距表層0、0.5、1.0 m處的秸稈各0.5 kg,測定含水量、碳含量、氮含量。
1.3 數(shù)據(jù)分析
試驗數(shù)據(jù)采用Origin 2021軟件進行統(tǒng)計分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 浸泡時間對秸稈含水量影響分析
由圖1可見,隨浸泡時間的延長,秸稈含水量的變化分為3個階段:快速上升階段(0~1 min,含水量從12.80%上升至53.44%)、緩慢上升階段(1~4 min,53.44%~66.66%)和穩(wěn)定階段(4~30 min,66.66%~71.43%)。秸稈堆漚過程中要求堆漚物料的含水量為55%左右,玉米秸稈浸泡1 min即可達到堆漚的適宜含水量(53.44%)。本試驗中測得玉米秸稈的飽和含水量約為71%;陳廣銀等將秸稈人工切碎至1~2 cm,飽和含水量為82%~84%[21];劉春曉等將秸稈切碎至5~7 cm,飽和含水量約為80%[22]。不同文獻中玉米秸稈的飽和含水量不同,可能與秸稈的粉碎方式、粉碎長度與成熟度等因素有關(guān)。
2.2 加水次數(shù)對秸稈含水量影響分析
常用調(diào)節(jié)秸稈含水量的方法包括浸泡和噴淋,而噴淋包括噴水和噴肥料溶液。席永士等每100 kg秸稈噴灑添加100~150 kg水分[23-24];沙春燕等用2倍干重的水浸泡秸稈[25-26];李尚蓮每100~300 kg 秸稈噴灑45~60 kg肥料溶液[19];本試驗中100 g秸稈(含水量12.8%)調(diào)節(jié)含水量55%時需添加93.78 g水,而考慮到秸稈在噴水過程中的水分流失,噴水量按加水至秸稈飽和含水量計算。
由圖2可知,隨著噴水次數(shù)的增多,秸稈含水量呈逐漸上升的趨勢,而水分損失率呈逐漸下降趨勢;分6次加入與1次性全部加入處理相比,秸稈含水量由45.26%提升至62.31%,但后者的水分損失率是前者的1.98倍。噴水3次的秸稈含水量為53.68%,達到堆漚所要求的適宜含水量在55%左右。
2.3 不同肥料粒徑對秸稈水分與氮素吸收的影響分析
不同肥料粒徑對秸稈含水量與水分損失率無影響,但對秸稈中的氮含量影響顯著:相對于小顆粒尿素,添加大顆粒尿素后的秸稈氮含量提高了10.76%,C/N降低了9.67%,氮損失率降低了43.81%;相對于粉狀硫酸銨,添加顆粒硫酸銨后的秸稈氮含量提高了21.32%和C/N降低了17.82%,氮損失率降低了47.69%(表3)。肥料的粒徑越大,表面積越小,噴水時與水的接觸面積越小,溶解越慢,隨水淋失的肥料量則越少;本試驗在噴水第2次時,大顆粒尿素處理與顆粒硫酸銨處理秸稈表面明顯可見肥料顆粒殘留 而小顆粒尿素和粉狀硫酸銨處理未見肥料顆粒殘留。添加尿素后秸稈碳含量高于添加硫酸銨后秸稈,是因為尿素中碳含量為20%。肥料粒徑對處理后秸稈中的碳含量無影響。
2.4 不同氮源添加方式對玉米秸稈氮素吸收率的影響分析
玉米秸稈的C/N一般為50~120[27-28],需通過添加氮素肥料(尿素、硫酸銨等)調(diào)節(jié)C/N至25 ∶1左右,肥料的添加方式包括以水溶液[19]或固體形式[27]加入。
對于同一種肥料而言,在相同添加方式但不同加水次數(shù)處理間,加水次數(shù)越多,含水量越高,水分損失率越低,秸稈的氮含量越高,C/N越低,氮素損失率越低(表4、表5)。
加水次數(shù)相同的3種肥料添加方式間含水量和水分損失率差異不顯著;但表面覆蓋處理的秸稈氮含量高于噴淋與混勻處理,C/N和氮損失率則相反。這是因為相對于噴淋處理,表面覆蓋處理中的肥料為固體,肥料溶解后才能隨水流失;表面覆蓋處理中的肥料集中于表面,噴水后表層的肥料溶解并逐漸向下遷移,最終通過整個秸稈柱由底層流出PVC管;而混勻處理中PVC管內(nèi)秸稈底層的肥料可直接通過尼龍網(wǎng)隨水流失。所以表面覆蓋處理的秸稈氮含量高于混勻處理,C/N和氮損失率則相反。
肥料表面覆蓋處理并噴水3、4次,秸稈含水量均約為55%。尿素表面覆蓋處理并噴水3次時,C/N 為29.29,噴水4次時,C/N為28.27;硫酸銨表面覆蓋處理并噴水3次時,C/N為28.07,噴水4次時,C/N為27.61。本研究結(jié)果均符合堆漚的最佳含水量和C/N范圍。為節(jié)約勞動力和時間成本,本研究的最佳噴水次數(shù)為3次。
2.5 秸稈堆肥驗證試驗驗證情況
將大顆粒尿素和顆粒硫酸銨覆蓋在秸稈表層、噴水3次調(diào)節(jié)C/N和含水量。尿素處理和硫酸銨處理3個層次的C/N分別為27.02~28.64和26.29~27.50,含水量分別為51.93%~54.12%和51.49%~54.24%(表6),均符合堆漚的C/N和含水量要求。
3 討論與結(jié)論
PVC管噴淋試驗表明,肥料粒徑越大,溶解越慢,則氮損失越少;噴水過程中,增加噴水次數(shù)減少了水分和肥料損失。肥料損失率及其溶解速率與肥料粒徑、肥料品種、噴水速率、水溫等因素相關(guān)。增加噴水次數(shù)雖然可以減少水分損失,但增加了人工成本。
將秸稈放入水池浸泡后取出,再與肥料混合,雖然可以避免肥料隨水流失[8,17],但是在實際應(yīng)用過程中需將秸稈搬運2次,運送至水池再取出,然后再與肥料混合,此過程增加了時間和勞動力成本。因此,秸稈堆漚時一般采用秸稈與肥料混合后再噴水的方式。
將肥料溶于水后噴淋至秸稈,減少了秸稈與肥料混合的環(huán)節(jié),但相對于常規(guī)方法,此方法增加了肥料的損失率。本試驗中噴淋處理相較于混勻處理和表面覆蓋處理,氮損失率分別增加了17.13%~32.48%、36.64%~60.57%。表面覆蓋處理相較于噴淋處理和混勻處理,氮含量分別提高7.10%~13.99%、2.52%~5.03%,氮損失率分別降低了26.82%~37.72%、10.81%~21.61%,C/N分別降低6.57%~12.20%、2.40%~4.22%。原因可能為覆蓋于秸稈表面的肥料,在噴水過程中存在溶解并由表層向底層遷移的過程。
氮損失率除了受肥料粒徑、噴水次數(shù)、肥料添加方式影響,還與秸稈類型、粉碎程度等因素有關(guān)。本試驗中秸稈堆肥驗證試驗顯示,采用將大顆粒尿素、顆粒硫酸銨覆蓋于秸稈表面并噴水3次的方法,秸稈的含水量和C/N堆漚原料理化性質(zhì)符合發(fā)酵的最佳含水量和C/N范圍。但在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)當?shù)亟斩掝愋?、粉碎程度、所購置的化肥品種、粒徑、水溫等因素確定合適的肥料添加量及水分添加量。
參考文獻:
[1]劉銀秀,聶新軍,葉 波,等. 農(nóng)作物秸稈 “五化” 綜合利用現(xiàn)狀與前景展望[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2020,61(12):2660-2665.
[2]農(nóng)業(yè)農(nóng)村部新聞辦公室. 《全國農(nóng)作物秸稈綜合利用情況報告》發(fā)布2021年我國農(nóng)作物秸稈綜合利用率達88.1%[J]. 中國農(nóng)業(yè)綜合開發(fā),2022(10):32.
[3]高 晗,張環(huán)宇,于雙成,等. 淺析秸稈還田技術(shù)[J]. 南方農(nóng)業(yè),2021,15(32):229-231.
[4]石祖梁,邵宇航,王 飛,等. 我國秸稈綜合利用面臨形勢與對策研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2018,39(10):30-36.
[5]祖 宇,郝 玲,董良杰. 我國秸稈粉碎機的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(3):1753-1756,1759.
[6]王伊琨,于躍躍,趙青春,等. 北京市秸稈還田利用現(xiàn)狀調(diào)研分析及建議[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2019(13):55-57.
[7]朱慶杰. 淺析玉米秸稈還田技術(shù)的利弊[J]. 種子科技,2019,37(15):145,147.
[8]許 威. 農(nóng)作物秸稈還田技術(shù)模式探析[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2019(18):131,133.
[9]聶文翰,戚志萍,馮?,|,等. 復(fù)合菌劑秸稈堆肥對土壤碳氮含量和酶活性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué),2017,38(2):783-791.
[10]徐 堅,岳 鵬,顧艷紅. 秸稈堆肥在水稻上的應(yīng)用效果[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2019,60(11):2015-2016,2019.
[11]Zahra M B,F(xiàn)ayyaz B,Aftab Z E H,et al. Mitigation of degraded soils by using biochar and compost:a systematic review[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition,2021,21(4):2718-2738.
[12]匡石滋,田世堯,李春雨,等. 香蕉間作模式和香蕉莖稈堆漚還田對土壤酶活性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2010,18(3):617-621.
[13]張福貴,葉東旭,劉鵬程,等. 不同碳氮比對中溫和高溫厭氧消化的影響研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理,2020,45(7):108-114.
[14]范肖龍,文素蕓,陳 佳,等. 碳氮比對白三葉和小麥秸稈堆肥的肥力影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2018,27(9):1322-1327.
[15]翟 紅,張衍林,艾 平,等. 不同初始含水率對沼渣和秸稈混合堆肥過程的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,50(21):4357-4360.
[16]Bernal M P,Alburquerque J A,Moral R.Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment.A review[J]. Bioresource Technology,2009,100(22):5444-5453.
[17]李尚蓮. 稻田秸稈還田作用與腐熟技術(shù)[J]. 四川農(nóng)業(yè)科技,2017(2):52-53.
[18]賀 彪,韓天華,劉其林,等. 紫莖澤蘭堆制煙用有機肥料發(fā)酵技術(shù)研究[J]. 云南農(nóng)業(yè)科技,2021(3):4-6.
[19]趙金紅. 秸稈腐熟劑堆漚秸稈試驗效果的研究[J]. 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2021(3):136-137.
[20]裴益樂,李太興,王克勤,等. 不同堆漚方式下秸稈還田對滇中烤煙農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡的影響[J]. 水土保持研究,2021,28(3):65-73.
[21]陳廣銀,李敬宜,丁同剛,等. 幾種常見農(nóng)作物秸稈及其不同部位的吸水性比較研究[J]. 安慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,25(3):68-72.
[22]劉春曉,曹 楊,王曉杰,等. 小麥秸稈對尿素中養(yǎng)分的吸附研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報,2010,22(7):125-127.
[23]席永士,李 維,李 芳,等. 應(yīng)用腐熟劑高溫堆漚秸稈和畜禽糞便綜合技術(shù)的研究[J]. 西藏科技,2015(12):10-11,32.
[24]李小彬. 蔬菜秸稈堆漚腐熟還田技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2020(11):163-164.
[25]沙春燕. 催腐劑快速腐熟玉米秸稈還田技術(shù)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè),2008(8):24-25.
[26]陳麗娟. 秸稈堆漚快速腐熟還田技術(shù)[J]. 農(nóng)技服務(wù),2009,26(10):97,132.
[27]邱學(xué)禮,鄭 波,魯 耀,等. 玉米秸稈碳氮比調(diào)控施用對煙葉氮磷鉀吸收的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2012,21(8):125-129.
[28]李 帆,王 靜,武 際,等. 尿素硝酸銨調(diào)節(jié)碳氮比促進小麥秸稈堆肥腐熟[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2019,25(5):832-840.