玉米秸稈對水分和養(yǎng)分的吸收效率研究

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)大學煙臺研究院引導類項目（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構^［9］，促進作物生長^［10］，改善土壤結構，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。

W_l=1-m_w×W_w-m₀×W₀m_t×100%。（1）

式中：W_l為水分損失率，%；m_w為秸稈濕重，g；W_w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，%；m_t為總加水量，g。

1.2.3 肥料粒徑對氮素淋溶的影響

將風干秸稈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（U_B）、小顆粒尿素（U_s）、顆粒硫酸銨（S_G）和粉狀硫酸銨（S_P）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=m_s×C_sm_s×N_s+m_i+N_i。（2）

式中：m_s為秸稈干重，g；C_s為秸稈碳含量，%；m_i為肥料添加量，g；N_s為秸稈氮含量，%；N_i為肥料氮含量，%。

N_l=m_i×N_i+m₀×N₀×（1-W₀）-m_w×N_w×（1-W_w）m_i×N_i。（3）

式中：N_l為氮損失率，%；m_i為肥料質(zhì)量，g；N_i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，%；m_w為處理后秸稈濕重，g；N_w為處理后的秸稈氮含量，g；W_w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。

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。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。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。但在實際應用中應根據(jù)當?shù)亟斩掝愋汀⒎鬯槌潭取⑺徶玫幕势贩N、粒徑、水溫等因素確定合適的肥料添加量及水分添加量。

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