生物质发酵增温技术在设施农业中的应用

茆军

（新疆农业科学院生物质能源研究所，新疆乌鲁木齐830000）

0 引言

我国北方地区，尤其是新疆，低温期长，温差大，冬季寒冷，日光温室与塑料大棚等农业设施对实现果蔬、花卉等作物秋延后、反季节种植、提早熟发挥着重要作用，对保障蔬菜全年供应、满足市场需求意义重大。设施增温保温是保障其低温季节运行的关键。传统日光温室保温效果好，但建设成本高，土地利用率低，造成土地浪费；塑料大棚利率高，但保温效果差，积温无法实现冬季生产，增温所需能源消耗高。随着城镇化建设，农业生产清洁化，可持续化发展方向不断推进，生物质发酵增温技术在减少能源消耗，降低生产成本，以及环境保护方面都显示出积极的作用[1]。

1 生物质发酵增温技术原理

生物质发酵增温技术，也称之为酿热技术或秸秆生物反应堆技术。利用微生物将大分子有机物分解为结构简单的小分子物质，同时通过呼吸作用释放能量以维持生命活动，而释放能量主要以热量的形式散发，形成增温效应。发酵增温原理与有机物堆肥相似，但堆肥技术侧重有机质腐化肥效，主要利用微生物的分解作用；生物质发酵增温技术着重热量的释放，主要以有氧呼吸作用为主，因此发酵增温均采用好氧发酵技术。

微生物产热伴随有机质代谢过程发生，两者间存在关联。在有机物损失与产热关系研究中发现，以牛粪和玉米秸秆为原料，在含水率65%时好氧堆肥中有机质损失和总热值变化最大，总产热量为2236 kJ·kg-1。

呼吸作用下微生物代谢有机物最终产物为CO2、H2O和三磷酸腺苷（ATP）。CO2随发酵池内外气体交换释放，提高温室CO2含量，产生CO2气肥增施效应。因此生物质发酵增温技术同时也是温室CO2气肥增施技术[2]。

2 研究应用现状

2.1 应用方式

生物质发酵增温技术在农业设施中应用由来已久，初使阶段仅作为增温保温手段，如1976年报道的利用牛粪草发酵堆对蔬菜育苗温床保温；2001年利用马粪和秸秆发酵提升西瓜、甜瓜大棚地温。发酵增温技术中，发酵物一般堆置于低于地表的池体或沟槽中，因此发酵部位也称为“发酵池或发酵槽”等。发酵池位于种植行下或行间的称为“内置式”，埋于地下的称之为“地埋式”，提升地温效果好（图1、图2））；位于温室一侧的为“外置式”，对大型温室也可置于温室中部，主要提升气温[3]。依据对增温效果的需求及温室大棚建设情况，可选择不同的应用方式，也可两种方式混合使用，以达到最佳的效果。但从发酵池建设与运行维护上比较，行间内置式、外置式应用易操作，更适合在生产中推广应用。

生物质增温技术也可与其它技术相结合而产生更佳的应用效果。如利用热交换盘、储热罐、热泵等设备连接内置式发酵池、户外沼气池与太阳能集热板，形成热量的循环与协调利用，可保障温室与沼气设施的正常运行，实现资源的多效综合利用[4]；也可单独应用于沼气池等设施，实现户外沼气池的冬季正常运行（图3）。因此，生物质发酵增温技术作为一种增温手段，可应用于多种需要增温的设施与环境。

2.2 生物质增温发酵调控技术

随着研究深入，生物质发酵增温技术综合效应逐步显现，但增温与CO2气肥增施最受重视。对设施农业而言，不同季节、不同生长期，温室及作物对增温技术效果需求也有所差异，这促使生物质发酵增温技术向可控化方向发展，使物料发酵效益最大化。

生物质发酵增温技术以有机物好氧发酵为基础，发酵物料C/N、水分含量、氧供给量、发酵菌剂均可对发酵结果产生影响。发酵池启动时发酵菌剂一般随物料配制完成，因此在发酵过程中主要通过水调和气调来控制物料发酵。

孙亚文等在发酵池内装配秸秆淋洗与通风换气装置，调控发酵池内积温与CO2释放量。经测定，生物质发酵棚较常规棚冬季可提高大棚气温3～5 ℃，达到12～18℃，植株光合作用加强、番茄产量增加29.6%。孔政等通过调节发酵池积温，可维持非对称水控酿热大棚气温的相对稳定，增温效果显著高于对照[5]。李建明设计的一种“温室水控式内循环酿热补气设施”通过发酵物补水与通气调节发酵积温效果。配置的补水管可对物料补水同时实现菌剂添，调控物料发酵的启动并实现发酵菌含量对发酵效果的控制；导气管调控换气量同时将发酵池CO2直接释放到植株根部[6]。可控发酵技术应用，可实现生物质发酵增温的按需运行，是该项技术在现代化温室大棚中的应用发展方向。

2.3 增温与CO2 气肥增施效果

肖金鑫等对大跨度非对称酿热温室的研究显示，单层膜覆盖的大跨度非对称酿热温室较传统日光温室和大跨度双层内保温大棚平均地温分别高1.4～2.0 ℃和0.5～2.2 ℃；在室外最低气温为-14.3 ℃的极端天气下，夜间最低气温为5.3 ℃，比对照分别高出3.8 ℃和0.8 ℃[7]。而高宁等对大跨度非对称酿热温室的冬季增温效果研究显示，较无发酵池同等温室日平均气温提高4.2 ℃，日最低气温平均提高4.6 ℃，明显缩短温室气温10 ℃以下低温天数；同时室内CO2水平提高289.4%[8]。

现有研究表明生物质发酵增温池的建设方式对CO2气肥增施效果产生显著影响。比较分析外置式和内置式秸秆发酵增温技术对阳光温室内CO2浓度的影响研究显示，两种方式较常规温室均可显著增加温室CO2浓度，但外置式高于内置式数倍，而在地上堆制发酵上可提高温室CO2浓度2 倍以上。从不同的应用方式上分析，可能是由于不同发酵池建设方式导致发酵池与外部气体交换效果差异所致。因此，从CO2气肥增施效果需求上分析，也需依据作物对CO2气肥需求及温室条件选择不同的应用方式。

3 对农作物及生产的影响

生物质发酵增温技术在增温同时最显著的是产生CO2气肥增施效应，CO2浓度提升将对作物生长、生理、产品品质及产量产生积极影响。对温室草莓种植的研究显示，外置式增温技术显著提高了草莓的光合速率，较对照组最高增加了90.4%；而温室黄瓜种植观测发现，较同等普通温棚，建设地上发酵池使温棚内气温提高1 ℃，同时提高了2.6 倍CO2浓度，使黄瓜单棚总产提高25.23%，上市时间提早8 天，细菌性角斑病染病植株率、叶部病指数较对照组低12%和23%。由此可见，生物质增温技术所产生的CO2气肥增施效应能有效增强作物的生长生理特性。

有研究显示并不能单从CO2增量上评判其对作物生理的影响。如对温室番茄的研究中内置式、外置式提高温室CO2浓度分别为10%和80%，而秋延后番茄生长速度与产量并无显著差异，但外置式发酵单果质量上显著高于内置式，这里可能存在内置式应用方式下，发酵物可与种植土层接触，可能导致生物质发酵中产生的无机盐、氨等小分子物质向周边土层传递，这些物质可作为作物生长的营养，因此发酵增温也可能产生肥料效应。而有关生物质发酵增温大棚土壤、土壤微生物态的研究显示，内置式或行间外置式发酵池，发酵物与土壤可直接接触，发酵物微生物菌群随发酵过程也会对周边的土壤微生物菌群产生影响，从而改变土微生物群落结构与呼吸作用等特性，对土壤环境具有改善与调节作用[3,8-9]。这些尚未明确的研究与观测结果还有待于进一步研究揭示。

4 结论

温室大棚作为农业生产的重要组成部分，是延长农业生产周期，丰富、稳定果蔬等农产品供应的基础环节，对寒冷的北方地区尤为重要。采暖保温是温室大棚冬季运行成本高的主要因素。农村秸秆资源丰富，是传统能源物质，随着煤、电、燃气等商品能源供应丰富与普及，秸秆能源逐步退出农村能源领域。生物质发酵增温技术为秸秆等有机物能源化利用提供了新的途径与技术。

生物质发酵增温技术的应用能在一定程度上减少煤等商品能源的消耗，降低能源消耗成本。增温作用温和，与煤或秸秆燃烧相比，在正常运行情况下无需人员时刻坚守，在一定程度上可以简化管理并降低管理成本。发酵增温同产生的CO2气肥等营养因子增施效应，可增产提质，提高生产收益。

新疆大力发展设施农业建设，使冬季生产成为农民增收的重要途径。小拱棚与小型温室是当前农户家庭建设量最多的农业设施。生物质发酵增温技术在一定程度上可弥补小型设施保温能力不足，提高温棚的使用效率，降低运行成本。因此该项目技术适合于新疆地区应用推广。但不同地区、不同作物应采用何种应用方式仍需研究测试。