秸秆制备有机-无机颗粒肥的理化特性与效应分析

叶淑珍 欧阳由男 曾凡荣 秦叶波 张震 邱海萍 王艳丽*

（1 中国水稻研究所，杭州311400；2 浙江大学农业与生物技术学院，杭州310058；3 浙江省种植业管理局，杭州310020；4 浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所/省部共建国家重点实验室培育基地-浙江省植物有害生物防控重点实验室，杭州310021；*通讯作者：ylwang88@aliyun.com）

我国的农作物秸秆年产量约为6.0 亿t，除秸秆直接还田和收集损耗约占15.0%外，秸秆可获得量约为5.0 亿t[1]。目前，我国秸秆利用率约为33.0%，其中经技术处理后利用的约为2.6%，其余大部分则被作为废弃物焚烧或废弃，不仅造成资源浪费，而且污染环境[2]。秸秆主要成分为纤维素和木质素，含有一定量的氮、磷、钾和矿物盐等成分[3]，是优良的有机肥生产原料，肥料化利用一直是秸秆资源化研发的热点[4-5]。近年来，由秸秆复配化肥制成的“有机-无机颗粒复混肥”逐步发展成为作物新型肥料中的重要成员，其养分全面均衡，兼有机肥和无机肥的双重优势，不仅能增加土壤有机质、改善土壤理化结构和提高肥料利用率，同时还能满足当季农作物的生产需求[6-7]。但是，此类秸秆肥料化利用的制作工艺中，必须经过堆酵、蒸汽、干燥、粉碎等复杂的预处理之后，才能进行复混无机营养的流程。这种秸秆预处理工艺无法满足分散而集中（季节性强）产出的大量蓬松大田作物秸秆[8]。因此，简单高效的秸秆预处理工艺是大田作物秸秆进行复混肥开发利用的关键和核心[9-12]。

针对上述问题，本文从农田施用有机肥的二次发酵基本特性出发，通过引入市场成熟的切拌设备，将秸秆和无机养分进行一次性旋切-堆压-搅拌，随后再经孔磨辊压挤压造粒，研发制备出秸秆两步纤维化处理的秸混颗粒肥[13]。该工艺在旋切、搅拌和挤压造粒过程中，可利用机械摩擦升温灭菌和降温散水干燥。为深入了解此新型秸混颗粒肥的理化特性和效应，本研究分别以水稻和冬小麦秸秆为原料，按照有机质和营养成分含量设计配方，采用上述秸秆两步纤维化方法造粒制备秸秆有机无机复混颗粒肥（以下简称“秸混颗粒肥”），通过测定试样粒径、抗压强度、有机质和总养分含量、崩解率、吸水率、保水率和膨胀率等，详细展示了该技术方案的成球工艺特征；同时，通过测定分析秸混颗粒肥施用后水稻和小麦的田间生产表现，对秸混颗粒肥的应用效果进行了初步评估，为秸秆的肥料化利用以及颗粒肥规模化生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

秸混颗粒肥制备的主体原料为水稻和冬小麦机收后新鲜拾捆秸秆。无机养分为商品尿素、磷酸一铵和氯化钾。秸秆拾捆采用YF1.6 型秸秆捡拾压捆机，切拌设备采用ZHD4 型堆压搅拌系统，孔磨辊压采用MNR500 型模孔挤压颗粒机、秸混颗粒整形采用XRD1K 型抛圆机，颗粒肥采用KC-2A 颗粒强度测定仪和NscingEs 型游标卡尺测量粒径。商品尿素、磷酸一铵和氯化钾均为市场采购品。

秸混颗粒肥应用效果试验的供试水稻和冬小麦品种分别为内5 优8015 和扬麦20。

表1 秸混颗粒肥田间效果试验处理

图1 新鲜秸秆试制秸混颗粒肥工艺流程

1.2 试验方法

秸秆造粒工艺流程如图1 所示。利用ZHD4 型堆压搅拌系统的称量系统将经YF1.6 捡拾压捆机打捆的秸秆、无机养分按配比置于搅拌系统的堆压搅拌仓中，混匀后使用MNR500 型模孔挤压颗粒机辊压造粒成条形颗粒，接着经XRD1K 型抛圆机抛圆整形，自然冷却得到利用秸秆制备的有机-无机复混颗粒肥试验产品。本试验秸混颗粒肥采用的配比（按质量分数）为机收后鲜麦秸或稻秸87%、磷酸一铵2%（含N 为10%，含P2O5为24%）、尿素8%和氯化钾3%。

秸混颗粒肥应用效果试验于2017—2018年在杭州市富阳区渔山互利粮油合作社稻田实施。使用秸混肥的目的主要在于化肥部分替代和减少施用次数及施肥用工，因此在前期试验田间表现的基础上设定本文的试验处理，共设4 个处理：施用秸混颗粒肥（SF）、施用秸混颗粒肥+追施尿素分蘖肥（SF+T）、不施肥空白对照（CK1）和高产施肥对照（CK2）。R，水稻秸秆；W，小麦秸秆。每个处理5 次重复。具体施肥量见表1。

冬小麦秸混颗粒肥试验底肥于2017年11月13日撒施、撒播麦种并开沟覆土，分蘖肥于2018年2月6日撒施，其他病虫草等管理同当地丰产田。水稻试验于2018年5月26日播种，6月13日撒施底肥，6月16日移栽水稻，6月23日撒施返青肥，7月1日撒施分蘖肥，其他病虫草防治与灌溉等同当地丰产田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 秸混颗粒肥的理化性状

本试验测定的秸混颗粒肥理化性状包括：有机质及氮磷钾等养分含量、粒径、抗压强度、崩解率、吸水率、爆碎率和膨胀率。有机质含量、总氮、全磷和全钾采用农业农村部部颁标准火焰光度法（NY-525-2012）。同时，随机选取30 粒完整的秸混颗粒肥，用游标卡尺测量粒径，用强度测定仪测定抗压强度，崩解率、吸水率、保水率、膨胀率等4 项指标的测定参考王宇欣等的方法[14]。

1.3.2 水稻与冬小麦产量及其构成

水稻和冬小麦于完熟期田间取样，室内考种测定理论产量，同时田间收割测定实际产量。水稻和冬小麦取样考种和测产参照文献[15]的方法[15]。

1.6 数据处理

秸混颗粒肥的偏生产力（PFP）计算方法参照朱伟锋等方法[16]。PFP=Y/F [Y 指水稻或冬小麦的谷物产量（kg/667 m2）、F 指投入肥料纯养分（kg/667 m2），纯养分指N、P2O5和K2O]。

针对施用秸混颗粒肥的小麦和水稻，分别采用SPSS 20 软件对测定项目进行单因素方差分析，采用Duncan 新复极差法进行显著性分析（p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 秸混颗粒肥理化特征

秸混颗粒肥有机质和养分质量分数（干基）及pH值如表2 所示。其中，稻秸混颗粒肥的总养分（N+P2O5+K2O）含量为8.96%，麦秸混颗粒肥的总养分含量为9.24%。统计分析显示，复混同量的化学养分，水稻秸秆和小麦秸秆试制的秸混颗粒肥全氮、全磷、全钾及总养分均无显著性差异。相较于现行的有机-无机复混肥标准（GB18877-2009、NY525-2012），秸混颗粒肥总养分质量分数为8.96%和9.24%，小于有机-无机复混肥标准而大于有机肥料标准，秸混颗粒肥有机质质量分数和pH 值均在有机-无机复混肥和有机肥料现行标准要求范围内。

表2 秸混颗粒肥养分质量百分含量（干基）

表3 秸混颗粒肥的有关物理表征

表4 施用稻秸混颗粒肥的扬麦20 的产量及其构成

表5 施用麦秸混颗粒肥的内5 优8015 的产量及其构成

秸混颗粒肥的有关物理表征如表3 所示。水稻和冬小麦秸秆试制的秸混颗粒肥的粒径分别为6.03 mm和5.87 mm、抗压强度14.38 N 和13.48 N、保水率62.27%和61.21%、膨胀率24.65%和28.33%。水稻和冬小麦试制的秸混颗粒肥粒径均超出GB15063-2009、NY/T1549-2007 和GB18877-2009 有关颗粒肥粒径的要求，粒度也符合标准要求。

以上结果显示，水稻和冬小麦秸秆试制的秸混颗粒肥在理化特征和物理表征方面均无显著性差异，且均符合肥料使用要求，可应用于后茬作物的生产。

2.2 对冬小麦和水稻的产量及其构成的影响

从表4 和表5 可见，SF+T 处理的小麦和稻谷产量和当地高产对照CK2 基本持平，其中扬麦20 和内5优8015 产量增减均未达到显著水平。然而，仅施用秸混颗粒肥不追施分蘖肥处理（SF 处理），小麦和水稻产量均比CK2 显著降低，分别降低25.11%和15.57%，产量构成中有效穗数和每穗粒数显著降低，千粒重变化不显著。由此可见，本试验所制秸混颗粒肥均为缓释性肥料，在作物营养生长旺盛期无法满足作物快速生长的要求；而搭配分蘖肥的施用，可保证作物的高产生长长势。

2.3 秸混颗粒肥的偏生产力

通过计算冬小麦扬麦20 施用稻秸混颗粒肥的养分偏生产力PFP 发现，稻秸混颗粒肥N 偏生产力表现为RSF+T＞RSF＞CK2；P2O5偏生产力表现为RSF+T＞RSF＞CK2；K2O 偏生产力表现为CK2＞RSF+T＞RSF（图2）。RSF 处理的N 和P2O5的偏生产力显著大于CK2，RSF+T 处理的N 偏生产力是CK2 的2 倍多；但RSF 处理的K2O 偏生产力不到CK2 的50%，RSF+T 处理的K2O 偏生产力较RSF 显著增加，但较CK2 仍低19.05%。

不同麦秸混颗粒肥处理下，水稻内5 优8015 的N、P2O5和K2O 偏生产力差异均表现为WSF+T＞WSF＞CK2。WSF 处理的N 和P2O5的偏生产力显著大于CK2，是CK 的2 倍多，追施分蘖肥RSF+T 的N 偏生产力是CK2 的3 倍，试验表明内5 优8015 施用麦秸混颗粒肥显著提高了N 和P2O5的偏生产力；各处理的K2O偏生产力无显著差异（图2）。

图2 施用秸混颗粒肥的偏生产力

3 结论与讨论

秸秆储存了超过50%以上的光合作用产物，是一种多用途可再生生物资源。直接还田后的秸秆在遇水发酵后，会有毒性物质产生分解。除此之外，由于秸秆中C/N 约（60～80）∶1，相对较高，这使得秸秆在土壤中无法迅速分解。所以，对于水稻的前期生长而言，会产生抑制作用[17]。秸秆由于高C/N 及难分解成分物质的存在，单一施用不能像无机肥一样迅速为作物提供充足的速效养分，二者的配施是发挥彼此作用的最佳方式。需要增加稻麦前期氮肥施用比例，适当减少总的氮肥、磷肥用量，大幅减少钾肥用量[18]。本文利用新鲜秸秆和化肥，经过堆压切选和模孔挤压制成颗粒，使纤维化的秸秆和化肥充分融合，试制的秸混颗粒肥施用后吸水溶胀，但不同于其他复混肥和复合肥吸水后溶散。一粒秸混颗粒肥在田间表现为一个微型的营养库，减少了化肥的损失。本试验表明，不追施分蘖肥条件下，冬小麦和水稻的穗数会显著减少，亦表明秸混颗粒肥的前期供肥能力不足。在追施一定量化肥（扬麦20 追施5 kg/667 m2和内5 优8015 追施4 kg/667 m2）后，冬小麦和水稻的产量以及产量构成和高产对照基本持平。试验表明本文所研发的秸秆复配化肥采用的处置设备及其工艺方法试制的秸混颗粒肥能够满足小麦和水稻大田生产，由于纤维化秸秆和化肥的融合等特性，使得其在生产施用时在农作物高产生产中的生长发育前期需要追施一定量的化肥。能否增加复配化肥量以及制备工艺能否实现复合施用要求的颗粒表征等，均需要在后续秸混颗粒肥试制和试验过程加以改进和完善，需要确定的是增加化肥量会否影响造粒以及能否平衡作物生长全生育期需肥。

秸秆还田配施氮肥可以促进土壤有机质积累，改良土壤结构，改善土壤供氮状况[19-20]，从而促进水稻增产。本试验试制的秸混颗粒肥总N 含量经测定分别为2.88%（稻秸混颗粒肥）和3.22%（麦秸混颗粒肥），试验中该颗粒肥的施用量分别为120 kg/667 m2（扬麦20）和100 kg/667 m2（内5 优8015），加上追施尿素的N量，扬麦20 每667 m2的纯N 为5.76 kg，内5 优8015为4.61 kg。高产对照CK2 的扬麦20 和内5 优8015 每667 m2施纯氮量分别为9.10 kg 和11.40 kg，但SF+T处理的冬小麦和水稻产量与高产对照相比并没有显著减产。表明秸混颗粒肥中的养分以及追施尿素的养分生产能力较高产对照增加（图2）。该研究结果与张世洁等[21]的研究结果一致。

试验测定的秸混颗粒肥抗压强度、保水率和膨胀率等物理表征指标参数表明其具有颗粒肥生产、储运和施用的一般要求。其中颗粒的粒径大小决定于辊压造粒的模孔大小，本文试制采用模孔直径为5.00 mm，成品的粒径为6.03 mm（稻秸）和5.87 mm（麦秸），在后续的试制和产业化生产过程中，需要改进模孔直径，使得成品符合相关现行颗粒肥标准。此外，秸混颗粒肥的效果试验是在农户的稻田上实施，试验田块为多年高产水稻生产田，图1 和图2 的偏生产力表明本文试制的秸混颗粒肥在当前高产农田上施用具有生产实际价值。但是经多年高产施肥后滞留土壤中的养分多大程度上影响秸混颗粒肥的生产效果，需要在后续的试验设计和试验实施过程中完善和补充，同时还需要进行多年多点的试验以确定本秸混颗粒肥的实际推广和产业化效果。