利用农业废弃物制备水稻育秧基质工艺的优化

孙海天，汪 春，李海亮，严晓丽，梁 琦

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

水稻是我国最重要的粮食作物之一，目前主要采用育苗移栽的方式实现水稻种植。育苗是移栽生产过程中必要环节，水稻育苗的关键技术是水稻育秧基质的优化创新。水稻育秧基质是育苗的基础物质，在水稻秧苗生长过程中起到提供营养成分和调节生长环境的作用，主要类型包括：营养土、无土基质及混合基质3种[1]。目前，我国大部分地区主要使用营养土育秧，但在育苗过程中存在消耗农田土量大、取土运输困难、土壤资源和生态资源被破坏严重，以及易发生土壤病害等问题[2]。如何研制出一种新型水稻育秧基质代替常规水稻育秧土已成为当前研究的热点。

我国是农业大国，随着农牧业迅速的发展，产生了大量的农业有机废弃物(如秸秆、禽畜粪便等)[3-4]，每年收获后至少产生6亿t以上的作物秸秆。由于目前缺乏先进的技术和设备，只有1/3秸秆通过保护性耕作方式将还田得以利用，剩余秸秆直接或间接被焚烧，这些不合理的处置方式会带来一些安全隐患，也造成了资源的严重浪费，且对环境产生巨大的危害[5-6]。秸秆作为肥料具有高营养价值，秸秆发酵腐熟后作为水稻育秧基质可提高和增加水稻育秧基质的营养及有机质含量，也可以改善基质团粒结构[7]。近年来，有许多专家都致力于研究利用秸秆等废弃物配制新型水稻育秧基质，如周青等(2010)利用稻壳和秸秆通过发酵制成有机质[8]；孙庆昌等(2011)用稻壳育营养土混合配制出水稻育秧基质[9]；鲁耀雄等(2012)用芦苇残渣育稻壳混合配制出水稻育秧基质[10]；杨阿林等(2013)利用腐熟有机肥与酒糟混合配制出水稻育秧基质[11]。但是，利用蚯蚓粪与农业废弃物混合制备水稻育秧基质少有报道，也缺乏对水稻育秧基质各原料最优配比参数优化的深入研究。

基于上述问题，本文主要采用配方试验-单纯形重心试验设计方法进行研究：首先，将秸秆和牛粪按3∶2体积比混合发酵制成秸秆生物有机肥，然后利用发酵腐熟后的秸秆有机肥和蚯蚓粪作为水稻育秧基质主原料，配合使用酒糟、蛭石，探索出水稻育秧基质各原料间的最优配比，最终研制出一种新型复合式水稻育秧基质。该水稻育秧基质具有孔隙度大、持水性好、营养含量丰富的特性，且所培育秧苗健壮、出苗率高、根系发育好、根系盘结力强。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻秸秆发酵试验于2016年3-6月在黑龙江八一农垦大学育秧大棚进行。本试验中所采用的秸秆有机肥为秸秆与牛粪按3∶2体积比均匀混合，并将混合物的含水率调至40%～60%进行发酵，根据发酵腐熟经验，堆体的温度降至与外界环境温度接近、无强烈刺激性异味散出、颜色呈黑褐色视为完全发酵[12-13]；待完全发酵后进行高温灭菌处理，最后将发酵腐熟的秸秆有机肥(M1)装袋，作为配方试验原料备用，如图1所示。

图1 发酵后水稻秸秆Fig.1 Rice straw after fermentation

腐熟酒糟(M2)、蛭石(M3)、蚯蚓粪(M4)均采购于市场。

常规育秧土取自黑龙江八一农垦大学农学院试验田，土壤养分含量：碱解氮93.8mg/kg，有效磷46.4mg/kg，速效钾265mg/kg，有机质45.9g/kg，pH值7.70。供试水稻品种为“垦鉴稻5”，如图2所示。

图2 供试水稻种子Fig.2 Rice seed for trial

1.2 试验方法

水稻育秧试验于 2016 年 6-8 月进行，采用塑料水稻育秧盘育秧(规格 58cm×28cm×2cm)。试验开始前，将已选出的优质水稻种子浸种，浸种温度控制在11～12℃，浸种积温需达100℃以上，浸种过程中每天将浸种液循环2次，待种壳颜色变深，种皮半透明即可进行催芽处理；然后，放置在28℃恒温箱中催芽，芽长催至2mm左右时取出即可播种。各处理秧盘内育秧基质厚度 1.5cm，每盘均匀播种130g(约 100g干谷)。播种前对底土进行调酸、消毒，每盘喷洒溶液按1 200mL水加0.24mL浓硫酸和0.33mL移栽灵进行配比，搅拌均匀后即可使用，苗期管理同常规育秧。

为确定育秧基质各原料间的最优配比，根据配方试验—单纯形重心试验设计[14]，试验将各基质原料按不同体积百分数配制以下15组处理，进行3次重复处理，并以常规育秧土为对照组，如表1所示。

表1 各处理水稻育秧基质配比

配方试验回归方程为

回归系数计算公式为

bj=yj

bkj=4ykj-2(yk+yj)

blkj=27ylkj-12(ylk+ylj+ykj)+3(yl+yk+yj)

1..3 测定项目与方法

1.3.1 不同处理育秧基质理化性质测定

基质pH值采用日本HORIBA(B-712)笔试pH计测定，取待测样品100g放入玻璃烧杯内，加入一定量的去离子水，搅拌均匀后放在摇床上匀速震荡30min，取出玻璃烧杯将pH计放入混合液中，待数值稳定不变后读数；基质含水量、容重、总孔隙度及通气孔隙等采用常规方法测定[15]。

1.3.2 不同处理秧苗农艺性状的测定

水稻秧苗长至3叶1芯时测量秧苗农艺性状及根系长势情况。叶龄表示水稻秧苗的年龄，用水稻秧苗茎秆上的叶片数来计算，测量时随机选取10株秧苗测定叶龄并计算平均值；株高、茎基宽等有关秧苗长度指标测量时均使用游标卡尺测量，株高为秧苗根基部到植株最顶部的垂直高度；测量茎粗时首先随机选取10株有代表性的水稻秧苗，将所取10株秧苗紧密整齐摆放，再用游标卡尺测量根茎基部最宽处，最后计算出平均值即为秧苗茎粗；干重包括秧苗干重、根干重，把已选取的水稻秧苗样本用刀将秧苗与根部切断，置于烘干箱内，温度设定为105℃杀青30min后，再将温度调至80℃烘干至恒重，取出水稻秧苗用电子天平分别测量秧苗干重、根干重[16]。

1.3.3 秧苗综合素质的评定

利用平均隶属函数值法对各处理秧苗的农艺性状、根系情况等测量指标进行综合素质评定，按以下公式计算各测量指标的隶属函数值，即

Fi=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中Fi—第i个处理第j个秧苗素质的隶属值；

Xij—第i个处理第j个秧苗素质的平均值；

Xmax—该秧苗素质在所有处理中最大值；

Xmin—该秧苗素质在所有处理中最小值。

最后，将各处理的隶属值求平均数，即为各处理的平均隶属函数值[17]。

1.4 数据处理

试验数据采用 Excel 2003 和 SPSS 18.0 软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对秧苗农艺性状的影响

如表2所示：以7个水稻秧苗农艺性状为测量指标，分为地上部分和地下两部分，地上部分测量指标包括叶龄、株高、茎粗、苗干重；地下部分测量指标包括根数、根长、根干重。由表2可以得出：15组处理中大部分利用农业废弃物配制育秧基质的处理对水稻秧苗农艺性状的影响优于常规稻田土(CK)处理；特别是T15处理与CK相对比，除根长差异不显著外，株高增加5.4cm，茎粗增加1.09mm/10株，苗干重增加0.95g/百株，根数增加0.66根，根干重增加1.94g/百株。T4处理中因育秧基质未利用秸秆有机肥、蚯蚓粪、酒糟配制，所以该处理的水稻育秧基质缺乏养分导致生长出的水稻秧苗农艺性状不佳；含有秸秆有机肥的处理T1、T5、T6、T7、T11、T12、T13、T15秧苗农艺性状优于其他未含秸秆有机肥的处理T2、T3、T4、T8、T9、T10、T14。由此说明，农业废弃物中的秸秆发酵处理制成有机肥后作为水稻育秧基质原料，经科学配比后有利于水稻秧苗的生长和发育，水稻秧苗素质更好。

表2 不同处理对水稻秧苗农艺性状的影响

续表2

表中数据均为3次重复的平均值。

2.2 不同处理对水稻秧综合素质的影响

根据表2数据，利用隶属函数值公式计算出水稻秧苗各性状的隶属函数值，并计算出各处理的平均隶属函数值作为水稻秧苗综合素质评分，如表3所示。

表3 不同处理水稻秧苗各项测量指标隶属函数值

表中数据均为3次重复的平均值。

结果表明：15组水稻育秧基质中同时含有秸秆有机肥和蚯蚓粪处理的平均隶属函数值分别为T6=0.787，T11=0.831、T13=0.818、T15=0.861，只含有秸秆有机肥处理的平均隶属函数值分别为T1=0.695、T5=0.749、T7=0.680、T12=0.817。通过综合评分可以看出水稻育秧基质中同时含有秸秆有机肥和蚯蚓粪的处理所育秧苗综合素质明显高于只含有秸秆有机肥的处理，不同配比的水稻育秧基质对秧苗的农艺性状影响显著，15组处理所育秧苗综合素质排序T15>T11>T13>T12>T6>T5>T1>T7>T3>T2>T14>T9>T10>T8>CK>T4。其中，T15处理水稻秧苗各项指标的隶属函数值均较高，叶龄、株高、根数都为1.00，苗干重0.97，茎粗0.81，根干重0.80。

2.3 回归模型建立与参数优化

根据配方试验设计，对不同配比下水稻育秧基质对水稻秧苗综合素质的影响进行试验，试验结果如表3所示。表3中平均隶属函数值即为各处理育秧效果测量指标综合评分，根据表1、表3、配方试验回归方程公式及回归系数计算公式可知：不同配比的水稻育秧基质对水稻秧苗综合素质影响的回归模型为

y=0.695x1+0.32x2+0.399x3+0.215x4+

0.965x1x2+0.958x1x3+0.899x1x4-

0.459x2x3+0.093x2x4-0.186x3x4+

5.331x1x2x3+5.132x1x2x4+5.616x1x3x4+

1.389x2x3x4+11.203x1x2x3x4

确定回归方程后，进一步优化水稻育秧基质各原料间的配比，利用Excel软件对已确定的回归方程进行规划求解，约束条件为各原料取值范围(体积百分数)：秸秆有机肥0～100%，蚯蚓粪0～100%，酒糟0～100%，蛭石0～100%，且秸秆有机肥、蚯蚓粪、酒糟、蛭石体积总和为100%。平均隶属函数值取值范围为0～1，水稻秧苗综合素质的得分越高越好，因此将目标函数的取值设定为最大值[18]。求解后获得最优配比参数为：秸秆有机肥46%，蚯蚓粪20%，酒糟18%，蛭石16%。

2.4 验证试验

为验证不同配比的水稻育秧基质对水稻秧苗综合素质影响的回归方程和最优配比参数的可靠性，按照所获得最优配比参数制备水稻育秧基质进行育秧验证试验。试验过程中，为保证结果的准确性，严格控制温度、水分等影响秧苗长势的因素与前期配方试验一致，共进行5组重复验证试验，育秧效果如图3所示。将5组重复试验验证结果进行统计分析，并根据各项指标实际测量值转换为实测平均隶属函数值，如表4所示。

图3 育秧效果Fig.3 seedling effect表4 最优配比试验验证结果Table 4 The of result optimal proportion

试验组号实测平均隶属函数值预测平均隶属函数值相对误差/%10.9460.9843.8620.8980.9848.7430.9660.9841.8340.9350.9844.9850.9520.9843.25平均值0.93940.9844.53

表5 最优配比水稻育秧基质的基本理化性质

表中数据均为5次重复的平均值。

3 结论

1)建立了水稻育秧基质原料与水稻秧苗综合素质之间的回归模型，在最优配比参数下，水稻秧苗综合素质的实际值与预测值的相对误差为4.53%，在实际生产过程中，可以根据所需水稻秧苗的综合素质，确定不同的配比参数，为水稻育秧生产提供了理论依据。

2)根据配方试验可知：利用农业废弃物制备水稻育秧基质的最优配比参数(体积百分含量)为：秸秆有机肥46%，酒糟18%，蚯蚓粪20%，蛭石16%。利用农业废弃物制备水稻育秧基质所育秧苗的综合素质优于常规育秧土，该配比参数及方法对水稻工厂化、规模化育秧具有重要意义。

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