生物質發酵增溫技術在設施農業中的應用

茆軍

（新疆農業科學院生物質能源研究所，新疆烏魯木齊830000）

0 引言

我國北方地區，尤其是新疆，低溫期長，溫差大，冬季寒冷，日光溫室與塑料大棚等農業設施對實現果蔬、花卉等作物秋延后、反季節種植、提早熟發揮著重要作用，對保障蔬菜全年供應、滿足市場需求意義重大。設施增溫保溫是保障其低溫季節運行的關鍵。傳統日光溫室保溫效果好，但建設成本高，土地利用率低，造成土地浪費；塑料大棚利率高，但保溫效果差，積溫無法實現冬季生產，增溫所需能源消耗高。隨著城鎮化建設，農業生產清潔化，可持續化發展方向不斷推進，生物質發酵增溫技術在減少能源消耗，降低生產成本，以及環境保護方面都顯示出積極的作用[1]。

1 生物質發酵增溫技術原理

生物質發酵增溫技術，也稱之為釀熱技術或秸稈生物反應堆技術。利用微生物將大分子有機物分解為結構簡單的小分子物質，同時通過呼吸作用釋放能量以維持生命活動，而釋放能量主要以熱量的形式散發，形成增溫效應。發酵增溫原理與有機物堆肥相似，但堆肥技術側重有機質腐化肥效，主要利用微生物的分解作用；生物質發酵增溫技術著重熱量的釋放，主要以有氧呼吸作用為主，因此發酵增溫均采用好氧發酵技術。

微生物產熱伴隨有機質代謝過程發生，兩者間存在關聯。在有機物損失與產熱關系研究中發現，以牛糞和玉米秸稈為原料，在含水率65%時好氧堆肥中有機質損失和總熱值變化最大，總產熱量為2236 kJ·kg-1。

呼吸作用下微生物代謝有機物最終產物為CO2、H2O和三磷酸腺苷（ATP）。CO2隨發酵池內外氣體交換釋放，提高溫室CO2含量，產生CO2氣肥增施效應。因此生物質發酵增溫技術同時也是溫室CO2氣肥增施技術[2]。

2 研究應用現狀

2.1 應用方式

生物質發酵增溫技術在農業設施中應用由來已久，初使階段僅作為增溫保溫手段，如1976年報道的利用牛糞草發酵堆對蔬菜育苗溫床保溫；2001年利用馬糞和秸稈發酵提升西瓜、甜瓜大棚地溫。發酵增溫技術中，發酵物一般堆置于低于地表的池體或溝槽中，因此發酵部位也稱為“發酵池或發酵槽”等。發酵池位于種植行下或行間的稱為“內置式”，埋于地下的稱之為“地埋式”，提升地溫效果好（圖1、圖2））；位于溫室一側的為“外置式”，對大型溫室也可置于溫室中部，主要提升氣溫[3]。依據對增溫效果的需求及溫室大棚建設情況，可選擇不同的應用方式，也可兩種方式混合使用，以達到最佳的效果。但從發酵池建設與運行維護上比較，行間內置式、外置式應用易操作，更適合在生產中推廣應用。

生物質增溫技術也可與其它技術相結合而產生更佳的應用效果。如利用熱交換盤、儲熱罐、熱泵等設備連接內置式發酵池、戶外沼氣池與太陽能集熱板，形成熱量的循環與協調利用，可保障溫室與沼氣設施的正常運行，實現資源的多效綜合利用[4]；也可單獨應用于沼氣池等設施，實現戶外沼氣池的冬季正常運行（圖3）。因此，生物質發酵增溫技術作為一種增溫手段，可應用于多種需要增溫的設施與環境。

2.2 生物質增溫發酵調控技術

隨著研究深入，生物質發酵增溫技術綜合效應逐步顯現，但增溫與CO2氣肥增施最受重視。對設施農業而言，不同季節、不同生長期，溫室及作物對增溫技術效果需求也有所差異，這促使生物質發酵增溫技術向可控化方向發展，使物料發酵效益最大化。

生物質發酵增溫技術以有機物好氧發酵為基礎，發酵物料C/N、水分含量、氧供給量、發酵菌劑均可對發酵結果產生影響。發酵池啟動時發酵菌劑一般隨物料配制完成，因此在發酵過程中主要通過水調和氣調來控制物料發酵。

孫亞文等在發酵池內裝配秸稈淋洗與通風換氣裝置，調控發酵池內積溫與CO2釋放量。經測定，生物質發酵棚較常規棚冬季可提高大棚氣溫3～5 ℃，達到12～18℃，植株光合作用加強、番茄產量增加29.6%。孔政等通過調節發酵池積溫，可維持非對稱水控釀熱大棚氣溫的相對穩定，增溫效果顯著高于對照[5]。李建明設計的一種“溫室水控式內循環釀熱補氣設施”通過發酵物補水與通氣調節發酵積溫效果。配置的補水管可對物料補水同時實現菌劑添，調控物料發酵的啟動并實現發酵菌含量對發酵效果的控制；導氣管調控換氣量同時將發酵池CO2直接釋放到植株根部[6]。可控發酵技術應用，可實現生物質發酵增溫的按需運行，是該項技術在現代化溫室大棚中的應用發展方向。

2.3 增溫與CO2 氣肥增施效果

肖金鑫等對大跨度非對稱釀熱溫室的研究顯示，單層膜覆蓋的大跨度非對稱釀熱溫室較傳統日光溫室和大跨度雙層內保溫大棚平均地溫分別高1.4～2.0 ℃和0.5～2.2 ℃；在室外最低氣溫為-14.3 ℃的極端天氣下，夜間最低氣溫為5.3 ℃，比對照分別高出3.8 ℃和0.8 ℃[7]。而高寧等對大跨度非對稱釀熱溫室的冬季增溫效果研究顯示，較無發酵池同等溫室日平均氣溫提高4.2 ℃，日最低氣溫平均提高4.6 ℃，明顯縮短溫室氣溫10 ℃以下低溫天數；同時室內CO2水平提高289.4%[8]。

現有研究表明生物質發酵增溫池的建設方式對CO2氣肥增施效果產生顯著影響。比較分析外置式和內置式秸稈發酵增溫技術對陽光溫室內CO2濃度的影響研究顯示，兩種方式較常規溫室均可顯著增加溫室CO2濃度，但外置式高于內置式數倍，而在地上堆制發酵上可提高溫室CO2濃度2 倍以上。從不同的應用方式上分析，可能是由于不同發酵池建設方式導致發酵池與外部氣體交換效果差異所致。因此，從CO2氣肥增施效果需求上分析，也需依據作物對CO2氣肥需求及溫室條件選擇不同的應用方式。

3 對農作物及生產的影響

生物質發酵增溫技術在增溫同時最顯著的是產生CO2氣肥增施效應，CO2濃度提升將對作物生長、生理、產品品質及產量產生積極影響。對溫室草莓種植的研究顯示，外置式增溫技術顯著提高了草莓的光合速率，較對照組最高增加了90.4%；而溫室黃瓜種植觀測發現，較同等普通溫棚，建設地上發酵池使溫棚內氣溫提高1 ℃，同時提高了2.6 倍CO2濃度，使黃瓜單棚總產提高25.23%，上市時間提早8 天，細菌性角斑病染病植株率、葉部病指數較對照組低12%和23%。由此可見，生物質增溫技術所產生的CO2氣肥增施效應能有效增強作物的生長生理特性。

有研究顯示并不能單從CO2增量上評判其對作物生理的影響。如對溫室番茄的研究中內置式、外置式提高溫室CO2濃度分別為10%和80%，而秋延后番茄生長速度與產量并無顯著差異，但外置式發酵單果質量上顯著高于內置式，這里可能存在內置式應用方式下，發酵物可與種植土層接觸，可能導致生物質發酵中產生的無機鹽、氨等小分子物質向周邊土層傳遞，這些物質可作為作物生長的營養，因此發酵增溫也可能產生肥料效應。而有關生物質發酵增溫大棚土壤、土壤微生物態的研究顯示，內置式或行間外置式發酵池，發酵物與土壤可直接接觸，發酵物微生物菌群隨發酵過程也會對周邊的土壤微生物菌群產生影響，從而改變土微生物群落結構與呼吸作用等特性，對土壤環境具有改善與調節作用[3,8-9]。這些尚未明確的研究與觀測結果還有待于進一步研究揭示。

4 結論

溫室大棚作為農業生產的重要組成部分，是延長農業生產周期，豐富、穩定果蔬等農產品供應的基礎環節，對寒冷的北方地區尤為重要。采暖保溫是溫室大棚冬季運行成本高的主要因素。農村秸稈資源豐富，是傳統能源物質，隨著煤、電、燃氣等商品能源供應豐富與普及，秸稈能源逐步退出農村能源領域。生物質發酵增溫技術為秸稈等有機物能源化利用提供了新的途徑與技術。

生物質發酵增溫技術的應用能在一定程度上減少煤等商品能源的消耗，降低能源消耗成本。增溫作用溫和，與煤或秸稈燃燒相比，在正常運行情況下無需人員時刻堅守，在一定程度上可以簡化管理并降低管理成本。發酵增溫同產生的CO2氣肥等營養因子增施效應，可增產提質，提高生產收益。

新疆大力發展設施農業建設，使冬季生產成為農民增收的重要途徑。小拱棚與小型溫室是當前農戶家庭建設量最多的農業設施。生物質發酵增溫技術在一定程度上可彌補小型設施保溫能力不足，提高溫棚的使用效率，降低運行成本。因此該項目技術適合于新疆地區應用推廣。但不同地區、不同作物應采用何種應用方式仍需研究測試。