利用秸稈制備有機水溶肥料的技術(shù)研究

王連祥，隋增行

（1. 菏澤市農(nóng)業(yè)科學院，山東 菏澤 274000；2. 威海市崮山農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東 威海 264200）

長期以來，國內(nèi)保護地種植以施用化肥為主，造成土壤板結(jié)、有機質(zhì)匱乏，瓜果蔬菜品質(zhì)下降。施用有機肥料能達到增產(chǎn)增效的效果，同時有利于改善化肥施用帶來的土壤板結(jié)現(xiàn)象［1］。目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的有機肥大多是單純地提供有機質(zhì)養(yǎng)分，養(yǎng)分含量低，見效慢。一些企業(yè)在有機肥中加入無機養(yǎng)分生產(chǎn)有機-無機復混肥料，提高了肥料效果，但水溶有機質(zhì)含量低，不能用于節(jié)水灌溉施肥。國內(nèi)市場適合噴滴灌施用的全水溶有機肥料產(chǎn)品較少。截至2019 年12 月，全國水溶肥料產(chǎn)品登記數(shù)為13 513 個，占國內(nèi)肥料登記總數(shù)的64.64%，而有機水溶肥料產(chǎn)品登記數(shù)僅為364個，遠不能滿足市場和生產(chǎn)需求。

農(nóng)作物秸稈富含大量植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)［2］，利用秸稈生產(chǎn)有機肥充分利用了資源，可減少環(huán)境污染。菏澤市農(nóng)業(yè)科學院將秸稈發(fā)酵、有機質(zhì)酶解技術(shù)、水溶肥生產(chǎn)工藝等技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出適合節(jié)水灌溉的有機水溶肥料，開拓了農(nóng)作物秸稈等有機資源高效利用的新途徑。

1 有機水溶肥料生產(chǎn)工藝及技術(shù)

利用秸稈生產(chǎn)有機水溶肥料工藝流程見圖1。

圖1 利用秸稈生產(chǎn)有機水溶肥料工藝流程

1.1 秸稈發(fā)酵

秸稈發(fā)酵生產(chǎn)商品有機肥是工業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)，要求盡可能地縮短發(fā)酵周期，減少因原料或季節(jié)變化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，保證各批次產(chǎn)品質(zhì)量的相對穩(wěn)定，還要求最大限度地減少或消除生產(chǎn)過程中異味（或臭味）的產(chǎn)生，保護生產(chǎn)者及周邊的生產(chǎn)生活環(huán)境。通過接種發(fā)酵菌種可達到上述目的。秸稈原料構(gòu)成的復雜性決定了發(fā)酵過程的復雜性，也決定了作用微生物組成的多樣性。接種單一微生物很難滿足發(fā)酵的多樣化需求，所以一般應(yīng)選用復合微生物發(fā)酵接種劑。通過對EM菌、酵素菌、VT菌等菌種分別篩選對比，最后確定每噸有機物（秸稈）采用酵素菌5 kg、納豆菌100 g。該技術(shù)發(fā)酵周期短，發(fā)酵的有機物料質(zhì)量穩(wěn)定，小分子黃腐酸、腐植酸、氨基酸、有機糖類含量高。有機質(zhì)活性酵素菌除了具有一般微生物的普遍特性外，還有以下3個特點：（1）酵素菌具有好氧性；（2）在發(fā)酵過程中適當補充磷素可提高酵素菌繁殖效率，同時通過酵素菌發(fā)酵處理，還能提高磷素的利用率；（3）酵素菌不同微生物間作用互補，可降低因少數(shù)菌株退化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。酵素菌主要用于秸稈快速腐熟和堆肥生產(chǎn)，適合秸稈發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)。

具體做法：先將秸稈用粉碎機粉碎至長度＜2 cm（可以較好地保證發(fā)酵效果），加足量水濕透，同時加入2.3%的磷酸二銨（以秸稈干質(zhì)量計），并與粉碎后的秸稈混合均勻，秸稈水含量控制在65%左右。按比例將復合發(fā)酵菌劑加入秸稈中，為保證混合均勻，可以先將復合發(fā)酵菌劑與麩皮或豆餅粉按質(zhì)量比1∶10混合均勻，再與粉碎后的秸稈堆料混合。秸稈與發(fā)酵菌劑混勻后在發(fā)酵池中發(fā)酵，可用塑料薄膜封嚴，以防止水分蒸發(fā)影響發(fā)酵效果，也可以避免養(yǎng)分損失。

復合發(fā)酵菌劑能夠分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，在適宜的條件下，能迅速將秸稈堆料中的碳、氮、磷、鉀、硫等分解礦化，形成簡單的小分子有機物，并進一步分解為作物可吸收的營養(yǎng)成分。同時，消除了秸稈堆料中的病蟲害、雜草種子等有害物質(zhì)。發(fā)酵好的秸稈變成褐色或黑褐色，柔軟有彈性，干燥后很脆，容易破碎。

1.2 有機質(zhì)酶解技術(shù)

近年來隨著酶工程的快速發(fā)展，酶制劑在作物秸稈分解中的應(yīng)用也越來越廣泛。酶類可以水解纖維素、半纖維素中相鄰葡萄糖單體間的糖苷鍵，使作物秸稈中的半纖維素和纖維素等降解為單糖類小分子物質(zhì)，顯著提高作物秸稈的降解效果。目前我國對秸稈降解處理的方法，一種是發(fā)酵，另一種是酶解。單一的降解處理方法效果不好，有機質(zhì)分解不徹底，產(chǎn)生的水溶有機質(zhì)較少。曲源等研究發(fā)現(xiàn)，同等條件下采用發(fā)酵處理或纖維素酶酶解處理的玉米秸稈總糖質(zhì)量濃度分別為0.69 mg/mL 和0.72 mg/mL，而采用纖維素酶酶解、發(fā)酵處理的秸稈總糖質(zhì)量濃度達到2.21 mg/mL，有較大幅度提高［3］。因此，將酶解與發(fā)酵的方法結(jié)合可以更好地降解秸稈中的木質(zhì)纖維， 增加水溶有機質(zhì)含量。

本技術(shù)的具體做法：先將發(fā)酵好的秸稈粉碎至0.18 ～0.25 mm（60 ～80 目），用稀堿液（pH為9.5）處理3.5 h左右，控制溫度在（58±5）℃。稀堿液預處理可以有效地將發(fā)酵后的秸稈去木質(zhì)化，減少木質(zhì)素與分解酶的非功能性吸附，顯著提高秸稈發(fā)酵后有機質(zhì)的酶水解效率，使較多的有機質(zhì)分解成水溶小分子糖類、黃腐酸等有機物料。稀堿液處理后加酸調(diào)pH 至6.0±1.0。然后加入纖維素酶（21 FPU/g）、果膠酶（14 FPU/g）、植物水解蛋白酶（7 FPU/g），在（55±5）℃條件下酶解（65±5）h。酶解后過濾，不溶物可用于生產(chǎn)有機肥和有機-無機復混肥。過濾后的水溶有機質(zhì)液體主要含有多糖、多肽、黃腐酸、氨基酸等小分子有機質(zhì)，可采用低溫濃縮技術(shù)進行濃縮（濃縮溫度不超過60 ℃），以保證有機物質(zhì)的生理活性，制備出w（水溶有機質(zhì)）45%～55%的濃縮有機質(zhì)液體。濃縮后的有機質(zhì)液體可以根據(jù)需要進行噴霧干燥生產(chǎn)有機質(zhì)粉劑，噴霧干燥過程迅速，要保證生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，并且要保證生產(chǎn)中的衛(wèi)生條件，避免車間內(nèi)粉塵飛揚。干燥后的有機質(zhì)粉劑可用于生產(chǎn)固體粉劑有機水溶肥料，其產(chǎn)品養(yǎng)分含量高，w（水溶有機質(zhì)）達到80%左右，運輸方便，施用安全。

1.3 有機水溶肥料制備

有機水溶肥料有液體和粉劑兩種形態(tài)。

液體有機水溶肥料用濃縮后的有機質(zhì)液體與聚磷酸銨、磷酸二氫鉀、聚谷氨酸等多種原料在反應(yīng)釜內(nèi)螯合反應(yīng)，生產(chǎn)過程中同時添加氫氧化鉀，調(diào)節(jié)溶液pH 至8.5±0.5。調(diào)節(jié)pH 后，不僅延緩了低聚磷酸銨水解速度，保證產(chǎn)品的長期質(zhì)量穩(wěn)定性，還提高了正磷酸鹽如磷酸二氫鉀的溶解度和溶解速率，節(jié)約了能源和生產(chǎn)時間［4］。

粉劑有機水溶肥料可以用干燥后的有機質(zhì)與尿素、硫酸銨、磷酸一銨、硫酸鉀等原料混合攪拌均勻生產(chǎn)制備，生產(chǎn)過程要保證安全環(huán)保和物料干燥，避免出現(xiàn)污染和原料吸潮結(jié)塊現(xiàn)象。

2 有機水溶肥料產(chǎn)品質(zhì)量

菏澤開發(fā)區(qū)曹州農(nóng)用化學有限公司采用該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)有機水溶肥料產(chǎn)品，并辦理了國家農(nóng)業(yè)部有機水溶肥料登記證。登記ρ（有機質(zhì)）≥100 g/L（w（有機質(zhì)）≥10.0%），ρ（N+P2O5+K2O）≥60 g/L（w（N+P2O5+K2O）≥6.0%），pH 7 ～9，ρ（水不溶物）≤20 g/L；實際產(chǎn)品，ρ（N+P2O5+K2O）可達到300 g/L以上（w（N+P2O5+K2O）≥30.0%），ρ（有機質(zhì)）達到150 g/L以上（w（有機質(zhì)）≥15.0%）（見表1）。

表1 企業(yè)登記指標和產(chǎn)品實測指標

有機水溶肥料產(chǎn)品具有全水溶、高活性、全吸收、見效快、水溶性鉀含量高的特點。該產(chǎn)品適用于長期施用化肥造成酸化的保護地土壤，以及解決設(shè)施蔬菜大棚土壤嚴重積鹽問題，可改良土壤，增加土壤有機質(zhì)含量，有效緩解土壤酸化、板結(jié)、肥力減退、營養(yǎng)失衡等癥狀。含有的水溶性有機質(zhì)滲透性強，不經(jīng)轉(zhuǎn)化便可被作物直接吸收，全面補充營養(yǎng)，見效快。

3 有機水溶肥料施用效果

為研究有機水溶肥料的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟效益，為肥料大面積推廣應(yīng)用提供科學依據(jù)，進行了有機水溶肥料在黃瓜和番茄作物上的肥效試驗。

3.1 有機水溶肥料在黃瓜上的肥效試驗

2016 年4 至6 月山東省土壤肥料總站于山東省菏澤市定陶區(qū)仿山鎮(zhèn)徐石村進行了有機水溶肥料在黃瓜上的田間肥效試驗。供試土壤為潮土，排灌條件較好，肥力中等；黃瓜品種為長春密刺，栽培行距110 cm，株距45 cm。試驗結(jié)果表明，有機水溶肥料處理的黃瓜植株健壯，葉色濃綠，瓜條順直，商品性好；每667 m2增加產(chǎn)量314.7 kg，增產(chǎn)率7.26%；每667 m2增收599.4 元，產(chǎn)投比1 ∶19.98，增產(chǎn)、增值效果明顯。

2018 年11 月至2019 年2 月山東省魚臺縣土壤肥料服務(wù)中心在魚臺縣王廟鎮(zhèn)溫室大棚進行了黃瓜肥效試驗。供試土壤為潮土，肥力中等；黃瓜品種為京研迷1號，栽培密度為每667m23 500株。結(jié)果表明，施用該有機水溶肥料能改善黃瓜生長發(fā)育性狀，減輕黃瓜葉面病害，顯著增加產(chǎn)量（比常規(guī)施肥每667 m2增產(chǎn)340.3 kg），提高經(jīng)濟效益（比常規(guī)施肥每667 m2凈增收入844.8 元），投入產(chǎn)出比為1 ∶21.1。

3.2 有機水溶肥料在番茄上的肥效試驗

2019年2月至5月山東省魚臺縣土壤肥料服務(wù)中心在魚臺縣唐馬鎮(zhèn)華春蔬菜種植合作社溫室內(nèi)進行了有機水溶肥料在番茄上的肥效試驗。供試土壤為水稻土，排灌條件好；番茄品種為粉貴妃17455，大小行種植，大行距90 cm，小行距70 cm，株距40 cm。結(jié)果表明，施用該肥料的番茄葉片大而厚，葉色濃綠，植株健壯，果實橫徑比對照果增加了0.4 cm，縱徑增加了0.3 cm，單果質(zhì)量增加了6.6 g，商品率增加了7.3%，臍腐病減少了3.1%；每667 m2增加產(chǎn)量276.7 kg，增產(chǎn)率為5.2%，凈增收入1 089.5 元，投入產(chǎn)出比為1 ∶24.2。

2019 年2 月至5 月山東省魚臺縣土壤肥料服務(wù)中心在魚臺縣李閣鎮(zhèn)山東旭農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司拱棚內(nèi)進行了番茄肥效試驗。供試土壤為潮土，排灌條件好；番茄品種為粉冠888F1，行距55 cm，株距40 cm。結(jié)果表明，施用該有機水溶肥料的處理番茄生物學性狀得到改善，抗病能力增強，果實單果質(zhì)量比對照果增加了7.8 g，商品率增加了6.8%，臍腐病減少了2.6%，每667 m2增加產(chǎn)量366.2 kg，增產(chǎn)率為7.1%，凈增收入1 346.6元，投入產(chǎn)出比為1 ∶29.9。

4 結(jié)語

采用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)有機水溶肥料為解決秸稈綜合利用問題提供了新的方法。將秸稈發(fā)酵、有機質(zhì)酶解技術(shù)、水溶肥生產(chǎn)工藝等技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)出適合節(jié)水灌溉的有機水溶肥料，可實現(xiàn)水肥同施，發(fā)揮水肥協(xié)同效應(yīng)，使肥和水的利用效率都明顯提高，節(jié)約用水、用肥。肥效試驗結(jié)果表明，該有機水溶肥料施用后可以促進作物生長：植株健壯，增強作物抗病性，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，增產(chǎn)效果顯著。