秸秆粉碎发酵一体化设备应用及发酵物还田效果初探

陈慧明，吴开良，王京奇，王楚栋，于颖，金钟

(万里神农有限公司，浙江 杭州 310000)

秸秆是农业生产中重要的可再生资源，合理的秸秆还田可提高土壤有机质，提升土壤肥力，对保持农田生态平衡有重要意义[1-2]。浙江省种植结构不断优化，形成粮油、蔬菜、茶叶、水果等多种优势作物产区，因而秸秆资源多样且丰富。农业种植中产生的农作物秸秆可分为粮油作物秸秆、蔬菜秸秆、果树枝条、果实外壳等。目前粮油作物秸秆，如水稻秸秆，以直接粉碎就地铺洒的方式进行还田；蔬菜秸秆，如瓜菜类残枝，收集堆放腐烂，一般不还田；枝条秸秆，如葡萄、桃树枝条，进行粉碎堆放，自然腐熟后还田；果实外壳，如山核桃蒲壳，则集中处理加工成有机肥或者基质。机械化秸秆切碎还田是解决秸秆利用的主要措施和手段[3]。

为提升秸秆的综合利用水平，浙江省各级政府部门鼓励企业引进、开发先进实用的秸秆加工、利用技术工艺和装备，因地制宜，加快秸秆肥料化、饲料化、原料化、燃料化、基料化等“五化”技术的应用推广，提高秸秆利用的经济、生态和社会效益，助推农业绿色发展。杭州地区粮、果、茶等均有种植，产业附加值高，秸秆种类多样，产量高。本试验针对秸秆资源利用方向单一、技术相对落后的现状，引进专用农业机械ZJASN17-001型粉碎发酵一体化设备，扩大秸秆处理范围，实现秸秆从回收、粉碎、发酵到还田的一体化利用，缩短秸秆处理时间，提高秸秆利用效率，实现秸秆就地低成本处理、清洁有效还田利用。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验于2017—2018年在万里神农有限公司农业研究院杭州基地进行。2017年7月进行设施场地硬化及电路改造施工，8月设备进场安装调试，9月开始进行粉碎发酵试验。2018年6月将发酵物代替商品有机肥进行水稻种植应用试验。

供试作物为水稻品种嘉58。供试秸秆为基地种植产生的水稻秸秆、豆秆、玉米秸秆、甘蔗叶片、瓜藤、葡萄枝条等，以及采购的山核桃蒲壳；发酵菌剂为湖南山河美生物环保科技有限公司生产，富含芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌等；蚕沙为嵊州陌桑高科股份有限公司生产；尿素购自附近农资店。

根据不同秸秆的粉碎发酵需求，引进ZJASN17-001型粉碎发酵一体化设备。设备包括粉碎机、进出料口、发酵仓、引风机、加热管、辅助轮、控制系统等，功率20.2 kW，总占地面积10 m2，发酵仓容积7 m3，单次可粉碎发酵秸秆5 m3。

1.2 处理设计

1.2.1 秸秆粉碎、发酵流程设计

葡萄枝条发酵测试。选5 m3左右新鲜葡萄枝条(C/N为52.2)进行粉碎投料，粉碎时分次投入发酵菌剂2 kg和尿素20 kg协助发酵，利用发酵罐的旋转将物料混合均匀。

混合物料发酵测试。将新鲜蚕沙(C/N为12.8)和葡萄枝条作为混合物料，1 000 kg新鲜蚕沙直接投入发酵罐，葡萄枝条粉碎后投入发酵罐，控制物料体积在5 m3左右，分次添加2 kg发酵菌剂，利用发酵罐的旋转将物料混合均匀。

发酵流程设计。完成投料后，加热温度设定为50 ℃，开启鼓风加热功能，边旋转边加热，使物料充分混匀并快速升温，进入发酵状态，总计加热8 h。设置程序为每天上午9：00—10：00旋转发酵罐1 h(共3个旋转单元，每单元正转10 min，反转10 min)，并打开引风机，将混有大量水汽的空气排出，降低物料含水量。发酵时间15 d。

1.2.2 发酵物田间应用试验设计

2次发酵物代替商品有机肥进行水稻种植还田应用。设3个施肥处理，在底肥施用好乐耕有机缓释肥(15-4-6)750 kg·hm-2、分蘖肥施用尿素150 kg·hm-2的基础上，以增施商品有机肥作为对照(CK)，以增施葡萄枝条发酵物作为处理C1，以增施混合物料发酵物作为处理C2，添加量均为4 500 kg·hm-2。小区面积60 m2，不设重复，其他田间管理一致。

1.3 测定指标

1.3.1 发酵试验数据采集

每天发酵罐旋转1 h结束后，测定和记录物料温度。每5 d在发酵罐旋转结束后，采集1次发酵样品，保存于4 ℃冰箱中，发酵结束后统一检测物料含水量、有机质含量及白菜种子发芽指数(GI)。物料含水量及有机质含量检测参照标准NY 525—2012执行。

白菜种子发芽指数测定方法。挑选20粒饱满且大小均匀的白菜种子，铺放在含有滤纸的培养皿中，加入新鲜堆肥样品浸提液(料水比1∶5，30 ℃水浴中浸提24 h，上清液过滤所得)，并以蒸馏水作对照试验。将培养皿放置在恒温恒湿箱(温度25 ℃、湿度95%)中培养48 h，然后测定种子发芽率和根长，计算种子GI。发酵结束后，记录发酵总耗电量及标准农用电用电成本。

1.3.2 田间试验数据采集

观察水稻生长情况，水稻收获时进行产量、经济效益统计。

2 结果与分析

2.1 粉碎效果及效率

粉碎机在粉碎不同类型秸秆时，均能达到粉碎后物料为小于6 mm颗粒状或粉状，秸秆的含水量不同，粉碎效率及粉碎后物料状态不一。粉碎葡萄枝条5 m3并同步投入发酵罐中，除去预热和休息时间，用时4.5 h，粉碎速率达1 m3·h-1以上。

在粉碎农作物秸秆时，新鲜的水稻秸秆和甘蔗叶容易粉碎，晾晒后的水稻秸秆和玉米秸秆份量较轻，不易沉入高速旋转的粉碎仓，粉碎效率低，因此，建议此类秸秆要趁青秆时粉碎。单独粉碎含水量高的瓜藤、菜叶，进料顺利容易粉碎；但干料和湿料不能同时混合粉碎，容易堵塞粉碎仓，因此，更换干湿度差异大的物料时需用水对粉碎仓进行简单冲洗。直径小于0.8 cm的枝条秸秆可直接粉碎，粗长枝条粉碎需要预切碎为5 cm左右小段。

2.2 发酵过程物料动态变化

2.2.1 温度变化

图1表明，葡萄枝条发酵最高温出现在第9天，混合物料发酵最高温出现在第6天，两者最高温度都达60 ℃以上。混合发酵起发性更好，于第4天就接近60 ℃，推测蚕沙的加入优化了物料的C/N比，使物料升温迅速，加快发酵速度[4]。

图1 发酵过程中物料温度的变化

2.2.2 发酵物料有机质和含水量的变化

发酵时微生物的活动会消耗物料中的碳素，降低物料的有机质含量。随着发酵的进行，有机碳含量慢慢趋于稳定，物料的腐熟程度明显提高[5]。按NY 525—2012标准，新鲜葡萄枝条的有机质含量643 g·kg-1(干基计)。图2表明，在发酵过程中，葡萄枝条物料和混合物料的有机质含量迅速降低，最终分别为391和431 g·kg-1，碳素损耗率分别为39.3%和29.2%，较大限度地保留了有机碳。发酵过程产生的高温促使水汽排出，葡萄枝条物料含水量从57.2%降至40.2%，混合发酵物料含水量从55.9%降至39.3%，有效降低了物料含水量，物料商品性得到提升。

图2 发酵过程中物料有机碳和含水量的变化

2.3 发酵过程对白菜种子发芽指数的影响

物料腐熟发酵程度越高，其植物毒性越小，越有利于种子萌发。通常认为，GI>50%时，表明物料已发酵腐熟并达到可接受程度，即基本没有毒性；当GI达到80%～85%时，就认为发酵物料没有植物毒性，或者说已腐熟完全[6]。图3表明，混合物料发酵的白菜种子GI在第10天就达到76.8%，超过50%的安全线；葡萄枝条发酵的白菜种子GI在第10天为46.7%，在第15天达到62.1%。可见物料在发酵罐中经过15 d的发酵过程已基本腐熟。

图3 发酵过程对发芽指数的影响

2.4 发酵物产出成本核算

由表1可知，每批葡萄枝条和混合物料粉碎发酵分别产生的电费约为184和163元，发酵结束后，两者发酵物产出量分别为2.82和3.47 t。计入物料成本、人工费和设备折旧费之后，葡萄枝条发酵物成本为212.1元·t-1，混合物料发酵物成本为268.9元·t-1，远低于市面上商品有机肥销售价格，还田具有经济优势。

表1 单次粉碎发酵投入产出成本

注：发酵菌剂价格为50元·kg-1，尿素价格为2 200元·t-1，新鲜蚕沙价格为400元·t-1。

2.5 发酵物还田对水稻产量及效益的影响

秸秆粉碎还田有利于改善耕层土壤结构，提高水稻产量[7]。在底肥施用好乐耕有机缓释肥(15-4-6)750 kg·hm-2、分蘖肥施用尿素150 kg·hm-2的基础上，商品有机肥、葡萄枝条发酵物和混合物料发酵物均施用4 500 kg·hm-2，对3个处理投入和产出效益进行分析。表2表明，葡萄枝条发酵物和混合物料发酵物代替商品有机肥还田后，稻谷产量均超过8 000 kg·hm-2，且与CK处理无明显差异；C1、C2经济产出略低于CK处理，分别降低535.5、138.4元·hm-2；施肥成本分别较对照降低1 235.5、979.5元·hm-2，最终葡萄枝条和混合物料发酵产物较CK处理分别增收700.0和841.5元·hm-2，说明秸秆粉碎发酵后产物肥料化利用效果较好，能够保证水稻稳产，实现秸秆就地还田节本增效。

表2 水稻对比试验施肥投入及产出效益

注：每吨商品有机肥价格为500元，好乐耕有机缓释肥价格为2 700元，尿素价格为2 200元，稻谷收购价按照浙江省最低定价2.66元·kg-1计。

3 讨论

ZJASN17-001型粉碎发酵一体化设备占地面积小，操作简单，可粉碎各种类型秸秆，年处理秸秆量约50 t上下，能处理3～6 hm2农田的秸秆产量，粉碎细度好、效率高。粉碎后物料直接投入发酵罐，通过控制温湿度促进物料发酵，缩短发酵进程，实现15 d完成1次粉碎、发酵过程，能耗较低。经测定，发酵物有机质含量在70%左右，含水量为40%，种子发芽指数80%以上，可作为有机肥直接还田使用。发酵产物就地还田也大大降低了秸秆回收中的运输以及人力和商品有机肥采购成本，可实现秸秆全量肥料化利用，形成农业生产的“粮-肥-粮”模式，适合于浙江省内农业种植业者推广使用，带来显著的生态、经济和社会效益，利于生态循环农业建设。同时，设备粉碎仓和发酵罐可以单独作业，在实际生产中，可通过增配发酵罐，实现一套粉碎仓配多套发酵罐，极大提高秸秆处理量；也可通过扩大发酵罐仓体容量，增加单次秸秆处理量，进一步压缩发酵成本。