秸秆成型块保水载肥腐解试验

聂 影，邓 楠，白雪卫，宫元娟

（1.辽宁省农业机械化研究所,沈阳110161；2.沈阳农业大学工程学院，沈阳110161）

秸秆是农业生产过程中固有的生物质资源，大量秸秆被废弃或焚烧，不但降低秸秆利用率，而且会引起环境污染[1-3]。土壤沙化严重、养分含量少、耕地利用率低等问题制约辽西北干旱沙区作物生长，因此亟需改良沙化土壤保水性和养分结构的新技术[4-5]。秸秆中含有由多羟基化合物构成的天然纤维素，亲水性极强，丰富的碳水化合物、蛋白质和脂肪等可作为肥料资源。至此，基于秸秆生物质特性制备绿色无污染的秸秆成型块作为保水剂还田，可改良土壤结构、抑制土壤养分流失，因此，利用秸秆成型块制成保水剂还田是提高土壤蓄水蓄肥能力的必然趋势。以秸秆成型块为定量保水载体，并对其前期的降解速率加以控制，可显著提高土壤水肥特性，在作物需要营养的时期提供大量养分[6-7]，实现靶向施肥的同时也能实现秸秆成型块有效利用[8-9]。目前，秸秆成型块就保水靶向性和腐解稳定性的研究仍处于空白阶段，本研究依靠配方秸秆成型块制备技术，利用秸秆成型块作为靶向源对土壤稳定施肥，为实现秸秆成型块利用提供新思路。本研究根据时域反射原理，设计秸秆成型块腐解环境监测试验系统，通过模拟辽西北地区土壤及环境条件进一步探究秸秆成型块的保水效果、腐解特征以及腐解条件（腐解期温度、腐解时间、相对湿度）对腐解特征的相关影响，该研究可为干旱沙土地区秸秆保水供肥技术研究以及秸秆成型块作为植物营养靶向载体提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

选用松弛密度为540kg·m-3的秸秆成型块（物料水分为13%，豆粕质量分数为24%，聚丙烯酸钠质量分数为7%[10]），沙土采自辽宁省西北地区，筛选至粒径小于2mm，自然干燥后平均水分小于4%。所用器材及设备为40目尼龙网袋（100mm×110mm）、无盖有机玻璃盒（100mm×100mm×80mm）、电子天平（哈尔滨众汇衡器有限公司）、101型电热鼓风干燥箱（北京用光医疗仪器有限公司）。

1.2 试验设计

1.2.1 时域反射基本原理 时域反射法是利用电磁波在不同介质中的传播速度差异来测定土壤温湿度的一种方法[11]。完整的时域反射法检测系统由发射机、接收机、发射接收系统、信号处理器和显示器组成，同轴电缆作为信号传输线，由无数个微小的C（电容）、R（电阻）、G（电导）和L（电感）构成。工作原理为信号发射机激发信号产生电压脉冲，并以电磁波的方式通过传输线传播。传输线阻抗改变引起反射，接收器接收到反射的叠加信号，经信号处理器传输至显示器，反射波与入射波之间的波形差反映出媒介特性[12]。时域反射基本原理如图1。

图1 时域反射基本原理图Figure 1 Basic principle diagram of time domain reflection

1.2.2 秸秆成型块腐解环境监测试验系统设计 试验所用土壤温湿度传感器是基于时域反射原理，信号以同轴电缆和探测单元为传输媒介，土壤温湿度传感器测量成型块腐解过程的温湿度就是基于传输媒介的特性。由于秸秆腐解时间漫长，根据试验室环境及试验需求，设计秸秆成型块腐解试验系统主要用来监测秸秆腐解环境。试验系统基本结构如图2。

图2 秸秆腐解试验系统Figure 2 Straw decomposition test system

1.2.3 秸秆成型块保水性能试验 保水性是可微观表征物质内亲水分子与水分子之间的相互作用强度，宏观反映物料在外界环境变化时保持水分的能力[13]。为探究成型块在干旱区的保水效果，采用烘干称重法，通过干燥箱模拟干旱环境，以箱内温度（20℃和40℃）模拟土壤释水的常温和高温条件。试验将松弛密度为540kg·m-3的秸秆成型块置于有、无沙土的玻璃盒中，以成型块在有、无沙土介质中的两种释水情况（即累积释水量）来评价其保水性[14]。设计对照试验，探究成型块在不同介质中的保水效果（图3），记录数据并进行回归分析，建立回归模型。为避免沙土样本间差异影响试验结果，各样本均过标准土筛并风干，每组试验重复3次，累积释水量取平均值。

图3 保水性试验Figure 3 Water-preserving test

（1）成型块在沙土中释水（试验组）。室温下特定密度成型块在盛水烧杯中吸水至饱和后，置于盛沙土的有机玻璃盒内。记录成型块与沙土的初始质量W1，再将其移入预设温度的干燥箱。每隔1h 取出称质量Wn+1，累积释水量ΔW1的计算公式为：

式中：ΔW1为成型块在沙土中的累积释水量（g）；W1为成型块与沙土的初始质量（g）；Wn+1为第（n+1）次取样时成型块与沙土的质量（g）；n=1，2，…，10。

（2）成型块自然释水（对照组）。室温下特定密度成型块在盛水烧杯中吸水至饱和，记录初始质量W2，再将其放入预设温度的干燥箱，每隔1h 取出称质量Wm+1，累积释水量ΔW2的计算公式为：

式中：ΔW2为成型块累积释水量（g）；W2为成型块初始质量（g）；Wm+1为第（m+1）次取样时成型块质量（g）；m=1，2，…，10。

（3）累积释水量与释水时间函数关系拟合模型。利用Excel 软件对试验组采用对数关系拟合，对照组采用一次函数关系拟合，函数模型分别如式（3）和式（4）。

式中：ΔW1为成型块在沙土中的累积释水量（g）；t为释水时间（h）；a为方程系数；b0为方程常数项。

式中：ΔW2为成型块的累积释水量（g）；t为释水时间（h）；k为方程系数；b1为方程常数项。

1.2.4 成型块腐解性能试验 成型块在干旱环境下腐解效果可用腐解率及腐解速率有效表征[15-18]。本试验通过模拟现实中秸秆腐解的环境，研究不同条件（时间、温湿度）下，秸秆成型块在沙土中的腐解规律。试验采用尼龙网袋法，以540kg·m-3的秸秆成型块为研究对象，记录成型块的初始质量W3后，装入尼龙网袋，封口，埋藏在盛有沙土的有机玻璃盒内，加水300g。为防止实验室温湿度环境及腐解过程中的温度变化和水分蒸发对试验的影响，剔除样本初始温湿度（初始温度为16.1℃，相对湿度为23%），玻璃盒覆盖保鲜膜进行试验。插入土壤温湿度水分传感器，通过网络环境监控云平台实时监控成型块腐解的环境条件，记录腐解期温湿度，分别在培养后30，60，100，130，200d取样，共5次，去掉网袋粘附的泥浆，在60℃下烘干再次称重Wp+1，腐解率R0和腐解速率V0的计算公式分别如式（5）和式（6），试验过程如图4。

图4 腐解试验过程Figure 4 Decomposition test process

式中：R0为腐解率（%）；V0为腐解速率（g·d-1）；W3为成型块初始质量（g）；Wp+1为第（p+1）次取样时成型块质量（g）；Tp+1为第（p+1）次取样时间（d）；p=1，2，…，5。

秸秆成型块的腐解率、腐解速率与腐解条件（腐解期温度、相对湿度及腐解时间）均可用线性方程来表示，以腐解率、腐解速率为因变量，腐解期温度、相对湿度和腐解时间为自变量进行多元线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 成型块保水性能分析

由图5可知，由于成型块经历了定时吸水，所以起初在恒温箱内的累积释水量一直增大，试验组在3h后累积释水量缓慢增加，10h内有平稳趋势；对照组没有沙土的作用，所以在恒温箱10h内累积释水量一直增大；相同时间内，恒温箱内温度越高，累计释水量越大，主要原因是温度越高，水分子运动速率加剧，累计释水量增加。

图5 累积释水量变化图Figure 5 Water release change map

利用Excel软件分析累积释水量与释水时间的函数关系，试验组采模型的回归系数均大于0.9；对照组模型的回归系数均大于0.9。由表1可知，在填充的沙土与秸秆成型块双重作用下，整体孔隙度减小，累积释水量缓慢降低趋于平衡，试验组拟合的对数关系更明显；在成型块的累积释水量与释水时间的方程拟合中，拟合的均回归系数R2＞0.99，拟合程度良好。通过比较，同种温度下，对照组10h的释水总量约为试验组的3～4倍，沙土的作用导致释水总量的显著差异，成型块处于沙土中释水量较少，其保水效果更好，所以秸秆成型块的腐解试验将在沙土中进行。

表1 累积释水量回归分析Table 1 Analysis of the regression of water

2.2 成型块腐解性能分析

2.2.1 成型块腐解率分析 由图6可知，在不同的腐解时期，秸秆成型块均有一定的腐解量，随腐解时间延长，秸秆成型块的累积腐解率增加，呈现出前期（0～60d）腐解量快速增加，中期（60～100d）缓慢，中后期（100～130d）增加，后期（130～200d）再次放缓的状态。秸秆成型块在腐解前期腐解率达57%；腐解中期腐解率提高7%；腐解中后期腐解率达到74%，较上期高出10%；腐解后期腐解率达到81%。前期腐解量快速增加可能是因为前期释水量较大，中期释水量减缓且有机质未能分解，中后期易分解有机质的分解再次提升腐解率，后期时易分解有机质已分解完全，但较难分解的有机质还未达到分解条件，腐解率增长趋于平缓。

图6 成型块腐解率变化特征Figure 6 Change characteristics of the decay rate of blank blocks

2.2.2 成型块腐解速率分析 由图7 可知，随腐解时间延长，成型块的腐解速率整体呈现出前期（0～60d）腐解加快，中期（60～100d）、中后期（100～130d）以及后期（130～200d）腐解速率依次减小的趋势。在前30d 成型块腐解最快，腐解速率显著增加，达1.4g·d-1；从30d 以后，腐解速率相对减小，30～60d 间，腐解速率降低18%，到60～100d 的腐解速率降到0.96g·d-1以下，而100d 以后，腐解速率一直降低，腐解后期降低至0.3g·d-1。秸秆埋入土壤后出现快速和缓慢的2 个腐解阶段，主要原因是在腐解后期，遗留在土壤中的是难分解的有机物，如木质素等，所以导致秸秆腐解速率降低。

图7 成型块腐解速率变化特征Figure 7 Change characteristics of the decay speed of blank blocks

2.2.3 成型块腐解特征与腐解条件分析 通过多元线性回归分析，分别得出回归方程如式（7）和式（8）。

式中：R0为腐解率（%）；V0为腐解速率（g·d-1）；T为腐解期温度（℃）；RH为相对湿度（%）；t为腐解时间（d）。

回归方程（7）与（8）校正相关系数分别为0.9948 和0.9964，p值均小于0.05，由此可见，腐解期温度、相对湿度和腐解时间是秸秆成型块腐解率、腐解速率的主要影响因子，且相关性显著。

由表2可知，腐解率与腐解期温度、相对湿度及腐解时间之间的相关性均达极显著水平，影响因子主次为：腐解期温度（0.98）＞腐解时间（0.95）＞相对湿度（0.91），腐解期温度对腐解率的影响程度较大，说明腐解期温度是秸秆成型块腐解率的主要限制因子。随着腐解时间增加，成型块腐解出现放热现象，可提高腐解环境温度。试验前各玻璃盒加水并覆膜，由于沙土的保水性良好，避免腐解期水分亏缺，腐解期温度在一定程度上受到水分影响，二者相关性显著，所以良好的温湿度环境可提高秸秆成型块的腐解率。腐解速率与腐解期温度之间的相关性达极显著水平，而相对湿度、腐解时间与腐解速率达显著水平，影响因子主次为：腐解期温度（0.95）＞腐解时间（0.86）＞相对湿度（0.85）。腐解期温度同样是秸秆成型块腐解速率的主要限制因子。随着腐解时间增加，虽然腐解率随腐解时间的增加而增大，但是腐解速率在中后期逐渐减小，腐解期温度和腐解速率相关系数为0.95，与腐解期温度和腐解率之间的相关性相比，显著程度降低，是因为腐解后期温度下降，水分减少，而此时温湿度环境影响微生物活性，不利于秸秆腐解。

表2 腐解条件与腐解特征相关系数Table 2 Correlation coefficient between decay condition and decay rate

3 讨论与结论

保水剂可浸润土壤，提高土壤含水量，添加保水剂的土壤可减少水分蒸发，增强土壤持水性，陈宝玉等[19]研究表明保水剂可显著影响土壤性质，不断提高土壤水分常数和土壤孔隙度，所以要根据土壤的保水能力选择不同吸水速率的保水剂[20-21]。本试验前期基于机械压缩参数调控秸秆成型工艺，研究开发农作物秸秆纤维素类保水剂，460～540kg·m-3的秸秆成型块随松弛密度增大，在沙化土壤中保水效果逐渐增强，为实现干旱区对沙化土壤释水与释肥的双重功效[10]，实现秸秆成型块作为靶向源对土壤稳定施肥，秸秆成型块保水及腐解性能试验研究仍需深入。

本研究结果表明，松弛密度为540kg·m-3秸秆成型块在沙土中释水较自然释水量少且缓慢，随时间变化分别符合对数模型与线性模型，拟合方程的回归系数均大于0.9，成型块在沙土中的保水性良好，拟合方程可对植物所需水分实现数字化供给。腐解期温度、相对湿度和腐解时间是秸秆腐解特征的主要影响因子，其主次为：腐解期温度＞腐解时间＞相对湿度，所建立的回归模型相关系数均为0.99，可靠性良好，可为秸秆成型块作为植物营养靶向载体提供理论依据。