秸稈制備有機(jī)-無機(jī)顆粒肥的理化特性與效應(yīng)分析

葉淑珍 歐陽由男 曾凡榮 秦葉波 張震 邱海萍 王艷麗*

（1 中國水稻研究所，杭州311400；2 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，杭州310058；3 浙江省種植業(yè)管理局，杭州310020；4 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)與微生物研究所/省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地-浙江省植物有害生物防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310021；*通訊作者：ylwang88@aliyun.com）

我國的農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為6.0 億t，除秸稈直接還田和收集損耗約占15.0%外，秸稈可獲得量約為5.0 億t[1]。目前，我國秸稈利用率約為33.0%，其中經(jīng)技術(shù)處理后利用的約為2.6%，其余大部分則被作為廢棄物焚燒或廢棄，不僅造成資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境[2]。秸稈主要成分為纖維素和木質(zhì)素，含有一定量的氮、磷、鉀和礦物鹽等成分[3]，是優(yōu)良的有機(jī)肥生產(chǎn)原料，肥料化利用一直是秸稈資源化研發(fā)的熱點(diǎn)[4-5]。近年來，由秸稈復(fù)配化肥制成的“有機(jī)-無機(jī)顆粒復(fù)混肥”逐步發(fā)展成為作物新型肥料中的重要成員，其養(yǎng)分全面均衡，兼有機(jī)肥和無機(jī)肥的雙重優(yōu)勢，不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤理化結(jié)構(gòu)和提高肥料利用率，同時還能滿足當(dāng)季農(nóng)作物的生產(chǎn)需求[6-7]。但是，此類秸稈肥料化利用的制作工藝中，必須經(jīng)過堆酵、蒸汽、干燥、粉碎等復(fù)雜的預(yù)處理之后，才能進(jìn)行復(fù)混無機(jī)營養(yǎng)的流程。這種秸稈預(yù)處理工藝無法滿足分散而集中（季節(jié)性強(qiáng)）產(chǎn)出的大量蓬松大田作物秸稈[8]。因此，簡單高效的秸稈預(yù)處理工藝是大田作物秸稈進(jìn)行復(fù)混肥開發(fā)利用的關(guān)鍵和核心[9-12]。

針對上述問題，本文從農(nóng)田施用有機(jī)肥的二次發(fā)酵基本特性出發(fā)，通過引入市場成熟的切拌設(shè)備，將秸稈和無機(jī)養(yǎng)分進(jìn)行一次性旋切-堆壓-攪拌，隨后再經(jīng)孔磨輥壓擠壓造粒，研發(fā)制備出秸稈兩步纖維化處理的秸混顆粒肥[13]。該工藝在旋切、攪拌和擠壓造粒過程中，可利用機(jī)械摩擦升溫滅菌和降溫散水干燥。為深入了解此新型秸混顆粒肥的理化特性和效應(yīng)，本研究分別以水稻和冬小麥秸稈為原料，按照有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)成分含量設(shè)計(jì)配方，采用上述秸稈兩步纖維化方法造粒制備秸稈有機(jī)無機(jī)復(fù)混顆粒肥（以下簡稱“秸混顆粒肥”），通過測定試樣粒徑、抗壓強(qiáng)度、有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分含量、崩解率、吸水率、保水率和膨脹率等，詳細(xì)展示了該技術(shù)方案的成球工藝特征；同時，通過測定分析秸混顆粒肥施用后水稻和小麥的田間生產(chǎn)表現(xiàn)，對秸混顆粒肥的應(yīng)用效果進(jìn)行了初步評估，為秸稈的肥料化利用以及顆粒肥規(guī)模化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

秸混顆粒肥制備的主體原料為水稻和冬小麥機(jī)收后新鮮拾捆秸稈。無機(jī)養(yǎng)分為商品尿素、磷酸一銨和氯化鉀。秸稈拾捆采用YF1.6 型秸稈撿拾壓捆機(jī)，切拌設(shè)備采用ZHD4 型堆壓攪拌系統(tǒng)，孔磨輥壓采用MNR500 型模孔擠壓顆粒機(jī)、秸混顆粒整形采用XRD1K 型拋圓機(jī)，顆粒肥采用KC-2A 顆粒強(qiáng)度測定儀和NscingEs 型游標(biāo)卡尺測量粒徑。商品尿素、磷酸一銨和氯化鉀均為市場采購品。

秸混顆粒肥應(yīng)用效果試驗(yàn)的供試水稻和冬小麥品種分別為內(nèi)5 優(yōu)8015 和揚(yáng)麥20。

表1 秸混顆粒肥田間效果試驗(yàn)處理

圖1 新鮮秸稈試制秸混顆粒肥工藝流程

1.2 試驗(yàn)方法

秸稈造粒工藝流程如圖1 所示。利用ZHD4 型堆壓攪拌系統(tǒng)的稱量系統(tǒng)將經(jīng)YF1.6 撿拾壓捆機(jī)打捆的秸稈、無機(jī)養(yǎng)分按配比置于攪拌系統(tǒng)的堆壓攪拌倉中，混勻后使用MNR500 型模孔擠壓顆粒機(jī)輥壓造粒成條形顆粒，接著經(jīng)XRD1K 型拋圓機(jī)拋圓整形，自然冷卻得到利用秸稈制備的有機(jī)-無機(jī)復(fù)混顆粒肥試驗(yàn)產(chǎn)品。本試驗(yàn)秸混顆粒肥采用的配比（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為機(jī)收后鮮麥秸或稻秸87%、磷酸一銨2%（含N 為10%，含P2O5為24%）、尿素8%和氯化鉀3%。

秸混顆粒肥應(yīng)用效果試驗(yàn)于2017—2018年在杭州市富陽區(qū)漁山互利糧油合作社稻田實(shí)施。使用秸混肥的目的主要在于化肥部分替代和減少施用次數(shù)及施肥用工，因此在前期試驗(yàn)田間表現(xiàn)的基礎(chǔ)上設(shè)定本文的試驗(yàn)處理，共設(shè)4 個處理：施用秸混顆粒肥（SF）、施用秸混顆粒肥+追施尿素分蘗肥（SF+T）、不施肥空白對照（CK1）和高產(chǎn)施肥對照（CK2）。R，水稻秸稈；W，小麥秸稈。每個處理5 次重復(fù)。具體施肥量見表1。

冬小麥秸混顆粒肥試驗(yàn)底肥于2017年11月13日撒施、撒播麥種并開溝覆土，分蘗肥于2018年2月6日撒施，其他病蟲草等管理同當(dāng)?shù)刎S產(chǎn)田。水稻試驗(yàn)于2018年5月26日播種，6月13日撒施底肥，6月16日移栽水稻，6月23日撒施返青肥，7月1日撒施分蘗肥，其他病蟲草防治與灌溉等同當(dāng)?shù)刎S產(chǎn)田。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 秸混顆粒肥的理化性狀

本試驗(yàn)測定的秸混顆粒肥理化性狀包括：有機(jī)質(zhì)及氮磷鉀等養(yǎng)分含量、粒徑、抗壓強(qiáng)度、崩解率、吸水率、爆碎率和膨脹率。有機(jī)質(zhì)含量、總氮、全磷和全鉀采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部部頒標(biāo)準(zhǔn)火焰光度法（NY-525-2012）。同時，隨機(jī)選取30 粒完整的秸混顆粒肥，用游標(biāo)卡尺測量粒徑，用強(qiáng)度測定儀測定抗壓強(qiáng)度，崩解率、吸水率、保水率、膨脹率等4 項(xiàng)指標(biāo)的測定參考王宇欣等的方法[14]。

1.3.2 水稻與冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成

水稻和冬小麥于完熟期田間取樣，室內(nèi)考種測定理論產(chǎn)量，同時田間收割測定實(shí)際產(chǎn)量。水稻和冬小麥取樣考種和測產(chǎn)參照文獻(xiàn)[15]的方法[15]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

秸混顆粒肥的偏生產(chǎn)力（PFP）計(jì)算方法參照朱偉鋒等方法[16]。PFP=Y/F [Y 指水稻或冬小麥的谷物產(chǎn)量（kg/667 m2）、F 指投入肥料純養(yǎng)分（kg/667 m2），純養(yǎng)分指N、P2O5和K2O]。

針對施用秸混顆粒肥的小麥和水稻，分別采用SPSS 20 軟件對測定項(xiàng)目進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸混顆粒肥理化特征

秸混顆粒肥有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（干基）及pH值如表2 所示。其中，稻秸混顆粒肥的總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量為8.96%，麥秸混顆粒肥的總養(yǎng)分含量為9.24%。統(tǒng)計(jì)分析顯示，復(fù)混同量的化學(xué)養(yǎng)分，水稻秸稈和小麥秸稈試制的秸混顆粒肥全氮、全磷、全鉀及總養(yǎng)分均無顯著性差異。相較于現(xiàn)行的有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥標(biāo)準(zhǔn)（GB18877-2009、NY525-2012），秸混顆粒肥總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.96%和9.24%，小于有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥標(biāo)準(zhǔn)而大于有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)，秸混顆粒肥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH 值均在有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥和有機(jī)肥料現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表2 秸混顆粒肥養(yǎng)分質(zhì)量百分含量（干基）

表3 秸混顆粒肥的有關(guān)物理表征

表4 施用稻秸混顆粒肥的揚(yáng)麥20 的產(chǎn)量及其構(gòu)成

表5 施用麥秸混顆粒肥的內(nèi)5 優(yōu)8015 的產(chǎn)量及其構(gòu)成

秸混顆粒肥的有關(guān)物理表征如表3 所示。水稻和冬小麥秸稈試制的秸混顆粒肥的粒徑分別為6.03 mm和5.87 mm、抗壓強(qiáng)度14.38 N 和13.48 N、保水率62.27%和61.21%、膨脹率24.65%和28.33%。水稻和冬小麥試制的秸混顆粒肥粒徑均超出GB15063-2009、NY/T1549-2007 和GB18877-2009 有關(guān)顆粒肥粒徑的要求，粒度也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上結(jié)果顯示，水稻和冬小麥秸稈試制的秸混顆粒肥在理化特征和物理表征方面均無顯著性差異，且均符合肥料使用要求，可應(yīng)用于后茬作物的生產(chǎn)。

2.2 對冬小麥和水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

從表4 和表5 可見，SF+T 處理的小麥和稻谷產(chǎn)量和當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)對照CK2 基本持平，其中揚(yáng)麥20 和內(nèi)5優(yōu)8015 產(chǎn)量增減均未達(dá)到顯著水平。然而，僅施用秸混顆粒肥不追施分蘗肥處理（SF 處理），小麥和水稻產(chǎn)量均比CK2 顯著降低，分別降低25.11%和15.57%，產(chǎn)量構(gòu)成中有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)顯著降低，千粒重變化不顯著。由此可見，本試驗(yàn)所制秸混顆粒肥均為緩釋性肥料，在作物營養(yǎng)生長旺盛期無法滿足作物快速生長的要求；而搭配分蘗肥的施用，可保證作物的高產(chǎn)生長長勢。

2.3 秸混顆粒肥的偏生產(chǎn)力

通過計(jì)算冬小麥揚(yáng)麥20 施用稻秸混顆粒肥的養(yǎng)分偏生產(chǎn)力PFP 發(fā)現(xiàn)，稻秸混顆粒肥N 偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為RSF+T＞RSF＞CK2；P2O5偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為RSF+T＞RSF＞CK2；K2O 偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為CK2＞RSF+T＞RSF（圖2）。RSF 處理的N 和P2O5的偏生產(chǎn)力顯著大于CK2，RSF+T 處理的N 偏生產(chǎn)力是CK2 的2 倍多；但RSF 處理的K2O 偏生產(chǎn)力不到CK2 的50%，RSF+T 處理的K2O 偏生產(chǎn)力較RSF 顯著增加，但較CK2 仍低19.05%。

不同麥秸混顆粒肥處理下，水稻內(nèi)5 優(yōu)8015 的N、P2O5和K2O 偏生產(chǎn)力差異均表現(xiàn)為WSF+T＞W(wǎng)SF＞CK2。WSF 處理的N 和P2O5的偏生產(chǎn)力顯著大于CK2，是CK 的2 倍多，追施分蘗肥RSF+T 的N 偏生產(chǎn)力是CK2 的3 倍，試驗(yàn)表明內(nèi)5 優(yōu)8015 施用麥秸混顆粒肥顯著提高了N 和P2O5的偏生產(chǎn)力；各處理的K2O偏生產(chǎn)力無顯著差異（圖2）。

圖2 施用秸混顆粒肥的偏生產(chǎn)力

3 結(jié)論與討論

秸稈儲存了超過50%以上的光合作用產(chǎn)物，是一種多用途可再生生物資源。直接還田后的秸稈在遇水發(fā)酵后，會有毒性物質(zhì)產(chǎn)生分解。除此之外，由于秸稈中C/N 約（60～80）∶1，相對較高，這使得秸稈在土壤中無法迅速分解。所以，對于水稻的前期生長而言，會產(chǎn)生抑制作用[17]。秸稈由于高C/N 及難分解成分物質(zhì)的存在，單一施用不能像無機(jī)肥一樣迅速為作物提供充足的速效養(yǎng)分，二者的配施是發(fā)揮彼此作用的最佳方式。需要增加稻麥前期氮肥施用比例，適當(dāng)減少總的氮肥、磷肥用量，大幅減少鉀肥用量[18]。本文利用新鮮秸稈和化肥，經(jīng)過堆壓切選和模孔擠壓制成顆粒，使纖維化的秸稈和化肥充分融合，試制的秸混顆粒肥施用后吸水溶脹，但不同于其他復(fù)混肥和復(fù)合肥吸水后溶散。一粒秸混顆粒肥在田間表現(xiàn)為一個微型的營養(yǎng)庫，減少了化肥的損失。本試驗(yàn)表明，不追施分蘗肥條件下，冬小麥和水稻的穗數(shù)會顯著減少，亦表明秸混顆粒肥的前期供肥能力不足。在追施一定量化肥（揚(yáng)麥20 追施5 kg/667 m2和內(nèi)5 優(yōu)8015 追施4 kg/667 m2）后，冬小麥和水稻的產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成和高產(chǎn)對照基本持平。試驗(yàn)表明本文所研發(fā)的秸稈復(fù)配化肥采用的處置設(shè)備及其工藝方法試制的秸混顆粒肥能夠滿足小麥和水稻大田生產(chǎn)，由于纖維化秸稈和化肥的融合等特性，使得其在生產(chǎn)施用時在農(nóng)作物高產(chǎn)生產(chǎn)中的生長發(fā)育前期需要追施一定量的化肥。能否增加復(fù)配化肥量以及制備工藝能否實(shí)現(xiàn)復(fù)合施用要求的顆粒表征等，均需要在后續(xù)秸混顆粒肥試制和試驗(yàn)過程加以改進(jìn)和完善，需要確定的是增加化肥量會否影響造粒以及能否平衡作物生長全生育期需肥。

秸稈還田配施氮肥可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累，改良土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤供氮狀況[19-20]，從而促進(jìn)水稻增產(chǎn)。本試驗(yàn)試制的秸混顆粒肥總N 含量經(jīng)測定分別為2.88%（稻秸混顆粒肥）和3.22%（麥秸混顆粒肥），試驗(yàn)中該顆粒肥的施用量分別為120 kg/667 m2（揚(yáng)麥20）和100 kg/667 m2（內(nèi)5 優(yōu)8015），加上追施尿素的N量，揚(yáng)麥20 每667 m2的純N 為5.76 kg，內(nèi)5 優(yōu)8015為4.61 kg。高產(chǎn)對照CK2 的揚(yáng)麥20 和內(nèi)5 優(yōu)8015 每667 m2施純氮量分別為9.10 kg 和11.40 kg，但SF+T處理的冬小麥和水稻產(chǎn)量與高產(chǎn)對照相比并沒有顯著減產(chǎn)。表明秸混顆粒肥中的養(yǎng)分以及追施尿素的養(yǎng)分生產(chǎn)能力較高產(chǎn)對照增加（圖2）。該研究結(jié)果與張世潔等[21]的研究結(jié)果一致。

試驗(yàn)測定的秸混顆粒肥抗壓強(qiáng)度、保水率和膨脹率等物理表征指標(biāo)參數(shù)表明其具有顆粒肥生產(chǎn)、儲運(yùn)和施用的一般要求。其中顆粒的粒徑大小決定于輥壓造粒的模孔大小，本文試制采用模孔直徑為5.00 mm，成品的粒徑為6.03 mm（稻秸）和5.87 mm（麥秸），在后續(xù)的試制和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程中，需要改進(jìn)模孔直徑，使得成品符合相關(guān)現(xiàn)行顆粒肥標(biāo)準(zhǔn)。此外，秸混顆粒肥的效果試驗(yàn)是在農(nóng)戶的稻田上實(shí)施，試驗(yàn)田塊為多年高產(chǎn)水稻生產(chǎn)田，圖1 和圖2 的偏生產(chǎn)力表明本文試制的秸混顆粒肥在當(dāng)前高產(chǎn)農(nóng)田上施用具有生產(chǎn)實(shí)際價(jià)值。但是經(jīng)多年高產(chǎn)施肥后滯留土壤中的養(yǎng)分多大程度上影響秸混顆粒肥的生產(chǎn)效果，需要在后續(xù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)實(shí)施過程中完善和補(bǔ)充，同時還需要進(jìn)行多年多點(diǎn)的試驗(yàn)以確定本秸混顆粒肥的實(shí)際推廣和產(chǎn)業(yè)化效果。