牛粪堆肥制备成型基质及其育苗试验研究

发布时间：2020-06-29 13:08

【摘要】：牛粪作为农业污染源之一,严重威胁着自然环境和社会可持续性发展,同时水稻秸秆是目前农作物废弃物中总量较大的有机物之一,另外,草炭是沼泽中死亡植物残体转化积累形成的有机矿产资源,其有机质和纤维含量丰富,疏松多孔,通气透水性好,是良好的作物栽培基质,被广泛的应用于农业生产,但由于其不可再生,以及大量的开采对生态环境也造成不可逆转的影响。若将牛粪、稻草等有机废弃物腐熟处理后经过适当调配,便可替代草炭作为栽培基质,保存宝贵的草炭自然资源,若进一步将牛粪腐熟料压缩成基质块,使其在育苗期间能保持固有的形状,移栽后基质料仍能作为有机肥进一步利用,这种育苗方式不但可替换农用塑料穴盘,减少其对环境的污染,同时将幼苗和成型基质块一并移栽到大田中,减少移栽时幼苗的损伤,缩短或无缓苗期,从而达到有机废弃物的资源化利用和增加额外收入的目的。针对此目的,本课题拟以牛粪为主要原料,分析其好氧堆肥特性,探讨牛粪好氧堆肥腐熟料和蚯蚓堆肥腐熟料作为基质利用的可行性,研究其作为成型基质的成型特性和育苗效果,优化成型基质配方,并在此基础上进一步研究不同腐熟料成型基质育苗过程中灌溉方式及其对苗期作物生长的影响,为牛粪基质化利用提供依据。主要研究结果如下:(1)研究牛粪基质化好氧堆肥腐熟特性。针对牛粪基质化利用与肥料化利用对腐熟料理化特性要求不同的特点,研究稻草秸秆和鲜牛粪不同比例堆肥产品的理化特性及基质化利用的可行性,结论表明:当堆肥原料鲜奶牛粪与干稻草质量比在9:1~4:1之间,其C/N在22.89~28.74之间,初始含水率74%左右时,鲜奶牛粪与干稻草进行混合堆肥都能达到无害化的国家标准要求,堆肥产品的容重、孔隙度、阳离子交换量(CEC)、EC值、种子发芽指数(GI)均满足作物栽培对基质的要求。堆肥产品可作为无土栽培的基质,并且育苗试验中三种配比(9:1、7:1、4:1)堆肥材料在育苗期20d内,黄瓜幼苗的地上干重、地下鲜重、地下干重及根冠比四组间(9:1、7:1、4:1和100%草炭)均无显著性差异,4:1组的茎粗却显著高于其他三组,可能是其养分供给充足并且物理化学性质更幼苗生长综合决定的,故4:1堆肥组的基质特性更适合黄瓜育苗。(2)研究两种牛粪腐熟料作为散体基质育苗的可行性。将堆肥后的牛粪腐熟基质和牛粪蚯蚓堆肥腐熟料按不同体积与草炭、蛭石、珍珠岩、稻谷壳炭其中一种或几种混合作为散体育苗基质,通过穴盘育苗实验研究堆肥腐熟材料对育苗基质基本理化性质及黄瓜幼苗生长及营养元素积累的影响。试验结果表明:2种牛粪腐熟堆肥材料富含各种营养元素,并且其总孔隙、持水孔隙、通气孔隙的分布和总量也比较理想,和草炭、蛭石、珍珠岩混合可使复合基质的营养元素更加全面均衡。牛粪好氧腐熟材料单独作为基质使用效果不理想,但与蛭石、珍珠岩、草炭混合使用,可显著提高黄瓜幼苗植株和根系的生长,并且牛粪腐熟材料营养元素含量丰富,可替代部分草炭用于黄瓜幼苗的生产,但需考虑调节其p H值偏微酸性。而蚯蚓粪偏微酸性,单独作为黄瓜育苗基质效果比腐熟牛粪料好、能替代草炭作为通用基质使用、其更可能作为成型基质块的原材料。(3)研究2种牛粪腐熟料制备成型基质块的成型特性。以牛粪好氧堆肥腐熟料和蚯蚓堆肥腐熟为主料,以土壤作为粘结剂,研究成型压力、成型温度和初始含水量对成型基质块跌碎率、容重、饱和含水率以及相对含水率影响。结果表明牛粪好氧腐熟料和牛粪蚯蚓腐熟料基质块均在不添加土壤的情况下就具有良好的机械强度和抗破碎能力,当然添加土壤对基质块的抗破碎能力有进一步的促进作用;可根据添加土壤是否对幼苗生长发育对基质块的容重、饱和含水率、相对含水率以及p H值和EC值等理化参数来考虑。仅从2种牛粪腐熟料的成型质量的来看,对物料加温度虽然能减小成型基质块的跌碎率,但从节能角度考虑,在室温下压缩即可。因此,适宜牛粪好氧腐熟料的操作范围分别为15k N~20k N、室温和25%左右,适宜牛粪蚯蚓腐熟料成型的工艺参数10k N~15k N、室温和25%左右,最优的工艺参数还需结合成型基质块的育苗试验进行综合评价确定。从牛粪好氧腐熟料和牛粪蚯蚓腐熟料制备成型基质块各有优点:牛粪好氧腐熟料成型后总孔隙较大、保水、持水能力较好,跌碎率较低;牛粪蚯蚓腐熟料所需成型压力较小,节约能源。(4)研究成型基质块的不同配方对育苗效果的影响。以牛粪好氧堆肥腐熟料和牛粪蚯蚓堆肥腐熟料为主料与草炭(辅料)、吸水树脂(膨胀剂)、木醋液(调节剂)混合,压缩为成型基质块进行黄瓜育苗试验,研究不同配方基质块对压缩成型的品质及育苗效果的影响,并对各目标指标进行综合评价,以确定较佳的成型育苗基质配方。试验结果表明:牛粪好氧堆肥腐熟料制成的成型基质块在膨胀性能、抗跌碎性及育苗期间破损情况优于牛粪蚯蚓堆肥腐熟料制成的成型基质块,但其p H值、EC值较高,使其出苗率和茎粗株高等育苗特性与牛粪蚯蚓堆肥腐熟料相比较差。2种腐熟料基质配方可采取不同的调节方法改善其特性,蚯蚓堆肥腐熟料中添加适量秸秆类纤维状物质可以减小其成型基质块的跌碎率和破损率,牛粪好氧堆肥腐熟料中添加硫磺粉可以调节p H值。从基质块质量综合指数来看,既适合成型又有利于育苗效果的配方为:腐熟料和辅料的体积比为3:2~4:3;成型基质块中膨胀剂的含量以该试验中最小添加量27m L左右最为合适,与总物料(腐熟料和辅料混合后的物料)的比值为5.5m L/L;木醋液在2种腐熟料中的添加量不同,在牛粪好氧腐熟料中,木醋液添加量约为8.5 m L/L,而牛粪蚯蚓腐熟料中则为18m L/L,此时成型基质块的跌碎率均小于5%,破损率均小于20%,幼苗出苗率分别大于40%和大于70%,全株干重全部大于100mg。(5)优化成型基质块配方,确定2种牛粪腐熟料最佳配方。以牛粪好氧堆肥腐熟料与草炭不同比例混合,压缩为成型基质块并进行黄瓜育苗试验,试验表明牛粪好氧堆肥腐熟料和草炭混合的最佳配方在本试验中为T5(牛粪好氧腐熟料:草炭为5:5,体积比),T5配方制备的成型基质块的膨胀倍数约为3.91,跌碎率为1.32%,均满足育苗要求,其栽培黄瓜幼苗的茎粗、株高、地上部分的茎和叶的总干重、地下部分的根系的干重分别为69.76mm、113.16mm、0.3001g、0.0562g,并且主要营养元素的累积量,其配方既有利于成型,又有利于幼苗的生长,综合育苗效果最佳。以牛粪蚯蚓腐熟料、稻草丝和草炭,采用单纯形重心设计的最优试验设计同时优化混合比例以减小成型基质块的跌碎率、破损率、增加黄瓜幼苗的株高、地上部分的干重和地下部分的干重,结果表明:添加稻草丝可适当减小成型基质块的跌碎率和破损率,添加草炭可显著提高幼苗的株高,以及地上部分和地下部分的干重;当牛粪蚯蚓腐熟料、稻草丝和草炭三个参数的权重系数为1:1:1时,牛粪蚯蚓腐熟料、稻草丝和草炭三者体积比为0.5921:01599:0.2480,若以其中的单个指标为主要目的,可适当调节三种混合料的比例。(6)研究牛粪腐熟料成型基质块育苗的灌溉方式。以2种牛粪腐熟料配方基质块在不同微喷灌溉梯度和低位浸泡灌溉条件下进行育苗试验,结果表明牛粪好氧堆肥腐熟料配方成型基质块的EC值较高,微喷灌溉到第6次可使回收水的EC值降至1.0ms/cm以下,并且前6次微喷灌溉TN的淋洗量相对较低,低位浸泡灌溉相比于微喷灌溉能充分灌溉成型基质块,并且淋洗损失的TN、TP、TK均相对较低,即选取微喷灌溉T4(1050m L)进行前5~6次灌溉,然后采取低位浸泡灌溉至育苗结束,既保证黄瓜幼苗正常生长,又可相对减少基质TN、TP、TK的淋洗损失量。牛粪蚯蚓堆肥腐熟料配方成型基质块的EC值较为适合黄瓜生长,主要考虑充分灌溉、节约用水和减少基质块TN、TP、TK的淋洗损失量,采取TS1(低位浸泡灌溉)相较于TS2(700m L,微喷灌溉)可充分灌溉成型基质块,相对于TS3(1050m L)、TS4(1400m L)、TS5(1750m L)、TS6(2100m L)又能减少淋洗TN、TP、TK的损失量,此时所栽培黄瓜幼苗的茎粗(6.23mm)、株高(138.09mm)、地上部分干质量(758.85mg)、地下部分干质量(147.92mg)均为本试验中最大值。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S141.4
【图文】：

无土栽培

无土栽培基质的种类土栽培（soilless culture，hydroponics，solution culture）是指不用天然养液或固体基质加营养液的方法来栽培植物（郭世荣 2003）。固体基以替代天然土壤向植物提供良好的水、气、肥、热等根部环境条件，常生长，完成植物的整个生命周期。过去甚至目前，无土栽培被日本国家的学者认为是主要指营养液栽培，所以又被称为营养液栽培、水。近 30 年来，我国农业上使用的无土栽培主要为固体基质无土栽培技机固体基质栽培因其具有性能稳定、缓冲能力强、设备简单、一次性投易掌握等优点，成为我国目前推广应用最多的一种无土栽培形式（蒋李谦盛等 2002）。发展到目前为止，无土栽培的基质种类和栽培方法在通常把无土栽培分为非固体基质栽培和固体基质栽培两大类型，又、设施构造和固定根系的材料种类进行更为细致的分类（图 1-1，引用栽培学》）。

秸秆,营养钵,高粱,花生

图 1-2 水稻、玉米、高粱、大豆、花生秸秆压缩制备营养钵Figure 1-2 Rice， maize， sorghum， soybeans， peanuts， straw block compressionpreparation张志军等（2011）以玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、紫苏秸秆和花生壳 5 种材料粉碎到 20、40、60、80、100 目等 5 个水平，研究不同物料粉碎细度对秸秆育苗钵的质量和成本经行了分析，发现随粉碎细度的增加，秸秆育苗钵一次模塑成型率增加，压缩压力降低，育苗钵的破损率降低，吸水率增加，提高了育苗钵的质量，播种出苗率增加，但根系生长降低，粉碎秸秆成本增加。育苗钵成型率主要与原料粉碎细度有关，而吸水率、破损率和育苗质量与秸秆种类和粉碎细度二者有关。5 种秸秆中，紫苏秸秆成型质量和育苗效果最好，玉米秸秆加工成本最低。以上几人的研究奠定我国成型基质（压缩育苗钵）基本特性的研究，并推进了我国成型基质的推广和发展，但此时的成型基质主要还是将农业秸秆压缩成为替代塑料穴盘的目的，其作用为固定、容纳散体基质，还未将散体基质直接压缩为成型基质（育苗钵和散体基质融合为一个整体）的研究。葛桂民（2009）将玉米秸秆发酵腐熟料为基础，并添加其他有益于植物生长的辅料组成为散体有机基质压缩为整

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