发酵棉秆屑的重组理化性质研究及配比筛选

刘宁;边洋;王威;娄善伟;马腾飞;贾宏涛;帕尔哈提·买买提;王新江

【摘 要】[目的]研究发酵棉秆屑的颗粒重组对棉秆复合基质理化性质的影响,筛选适宜番茄栽培的有机复合基质配比.[方法]棉秆粉碎后按粒径分级,堆积发酵后再组合,以环刀法测试孔隙度,壮苗指数法筛选复合基质配比.[结果]适宜番茄的棉秆复合基质配比为20%:20%:20%:30%:10%{(≤0.5)mm:(0.5～1.0)mm:(1.0～

2.0)mm:(2.0～3.0):(3.0～5.0)mm}+4x河沙+10%珍珠岩,总孔隙度为70%、气/水(非毛管孔隙/毛管孔隙)为1:2.[结论]棉秆粉碎发酵后,养分释放量增加;总孔隙度增加,其内在毛管孔隙度提高10～15个百分点,能够为作物根系发育提供丰富的养分及适宜环境.%[ Objective] In order to screen optimal proportion of mixing and organic substrate for planting tomato, investigate the effects of recombined cotton straw crumbs after fermented on the

physicochemical properties of mixing and organic substrate. [Method ] The smashed cotton straw were classified by grain diameter, which were combined again after its fermentation . The porosity was measured by ring sampler. [ Result]The optimal proportion of mixing and organic substrate for planting tomato was 20 ％ ∶ 20 ％ ∶ 30 ％ ∶ 10 ％ ｛ ( ＜ O .5 mm) ∶ (0 .5 - 1 .0 mm) ∶ ( 1 .0 -2.0 mm) ∶ (2.0-3.0 mm) ∶ (3.0 - 5.0) mm｝ , 4x sands and 10％ perlite. Its total porosity was 70％ , the ratio of gas and water was 1 ∶ 2. [Conclusion] The nutrient release and total porosity were increased, and its capillary porosity was increased by 10 - 15percent, which can provide rich nutrient and appropriate environment for root development of the crop .

【期刊名称】《新疆农业科学》 【年(卷),期】2011(048)004 【总页数】5页(P702-706)

【关键词】棉秆屑;发酵;理化性质;配比筛选

【作 者】刘宁;边洋;王威;娄善伟;马腾飞;贾宏涛;帕尔哈提·买买提;王新江

【作者单位】国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐,830091;国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐,830091;新疆农业科学院品种资源研究所,乌鲁木齐,830091;国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐,830091;国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐,830091;新疆农业大学革业与环境科学学院,乌鲁木齐,830052;国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐,830091;国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐,830091 【正文语种】中 文

【中图分类】S188+.3;S562 0 引 言

【研究意义】农作物秸秆作为农业种植中的主要废弃物,是发展现代低碳、循环经济,实现清洁生产,推进社会主义新农村建设不可或缺的重要资源[1,2]。新疆棉秆资源丰富,按皮棉∶棉秆的生物量折算比1∶4推算,2008年度棉秆产量约1

200×104t左右,可供综合开发利用的潜在价值巨大[3～8]。【前人研究进展】发达国家对无土栽培基质研究较多,Nicole De Rouin等[9]从基质的孔隙度、pH值、可利用水量、产量、养分平衡性等方面对几种混合基质进行了评价,并推荐了各种基质的栽培技术。Prasad M等[10]报道了泥炭的各种理化性质和栽培技术。国内

倾向于有机生态型无土栽培基质研究。田吉林等[11]将无机物蛭石颗粒分级再组合,研究了对设施无土栽培基质理化性质、番茄栽培的影响,提出无机基质的颗粒组合配比。郭世荣[12]研究概述了固体栽培基质研究开发现状,提出了基质的物理、化学性质标准及发展趋势。蒋卫杰等[13]通过研究基质的理化性质、处理方法和种植试验,提出用农产废弃物(玉米秆、玉米芯、向日葵秆、菇渣、锯末、花生壳、椰子壳)替代草炭、蛭石和珍珠岩等基质的无土栽陪。黄华波[14]研究了发酵棉秆与水洗炉渣的混配对番茄育苗、栽培的影响,筛选出棉秆∶炉渣(7∶3)的最佳栽培基质配比。【本研究切入点】无土栽培基质颗粒的性质、粒径大小决定着基质的总孔隙度,以及内在毛管孔隙、非毛管孔隙的分布,进而影响作物根系的生长发育。而有关此方面的研究较少。【拟解决的关键问题】将粉碎棉秆按颗粒粒径分级发酵后,棉秆颗粒物的重组对总孔隙度,毛管孔隙、非毛管孔隙的影响,重组棉秆颗粒与无机物的二次复配对总孔隙度,毛管孔隙、非毛管孔隙的影响,通过育苗实验筛选出棉秆有机复合基质无土栽培标准化配方。 1 材料与方法 1.1 材 料

棉秆来源于农业部农作物新品种DUS测试乌鲁木齐分中心,采用机械二次粉碎加过4目(4.75 mm孔径)筛网工艺。EM菌(购自河南众神生物有限公司)发酵4个月,发酵条件:物料含水率65%,调整碳氮比为30∶1,按6 g/kg接菌液堆积发酵,翻堆4次即每7 d翻堆一次,后密封发酵。番茄品种为毛粉802,1%高锰酸钾溶液50℃浸泡10 min消毒,清水冲洗3～4遍,萌白后穴盘点播育苗。花卉营养土、东北草泥炭、珍珠岩均购自新疆明珠花卉市场。 1.2 方 法 1.2.1 孔隙度测试

采用环刀法,样品测定含水率后,自然装入环刀(200 cm3)称重后浸入水中,水面与环

刀上沿持平至饱和状态后,快速取出称重m1,水平放置干砂盘控水2 h,称重m2,后继续水平放置干砂盘上24 h后称重m3。 容重=环刀内干物质重/200.

总孔隙度=(m1-环刀重-刀内干物质重)/200. 毛管孔隙度=(m3-环刀重-刀内干物质重)/200.

通气孔隙=总孔隙-毛管孔隙=(m2-环刀重-刀内干物质重)/200. 1.2.2 养分含量测定

全氮—半微量开氏法,全磷—钼锑抗比色法,全钾—火焰光度法,碱解氮—碱解扩散法,速效磷—钒钼黄铵比色法,速效钾—火焰分光光度法进行。pH值、电导率用电导仪测试。 1.2.3 壮苗指数测定

搅拌均匀的基质,自然装填32穴育苗盘,每1穴盘为1个处理,重复4次,番茄种子萌白后点播,深度1 cm,随机排列。25 d时采取随机取样,清水冲洗根部残留基质,滤纸轻轻拭干,剪断茎基部,直尺测量株高,数码游标卡尺测量茎粗后,105℃30 min杀青,80℃480 min烘干测定干重。

1.3 实验设计

棉秆的收集、粉碎、发酵于2009年6～10月在农业部农作物DUS测试乌鲁木齐分中心进行,2010年4月在新疆农业科学院核技术生物技术研究所智能温室进行育苗试验。

棉秆粉碎颗粒分级:共设置0.5 、0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0和3.0～5.0 mm 5个等级,在棉秆粉碎后分别逐级过筛,分别加入EM菌剂堆放发酵。将发酵、风干后的五种颗粒物,按照10%、20%、30%质量百分比三个水平进行组合,分别测定其孔隙度变化。以棉秆颗粒组合后的气、水孔隙比1∶1、1∶2、1∶3,选择5组配比,

分别按质量比加入1X、2X、4X水洗河沙(过8目筛网),后加入10%体积珍珠岩,混合均匀后自然装入32穴盘进行育苗试验,花卉营养土、东北草泥炭为对照,重复4次。 1.4 数据分析

利用Microsoft Excel、DPS数据处理系统进行数据处理与分析。 2 结果与分析

2.1 发酵对棉秆颗粒的养分含量影响

棉秆经粉碎过筛分级,EM菌发酵4个月后,其养分含量除全氮含量外均呈增加趋势,不同粒径的棉秆颗粒,其全磷、全钾养分含量在发酵后增加幅度在30%～50%,表明棉秆颗粒经过发酵,其内在物质在微生物作用下发生降解促使养分转化释放,含量增加,更有利于满足作物生长的氮磷钾素需求。表1

表1 发酵对棉秆颗粒的养分含量影响Table 1 The effects of fermentation on the nutrient content of cotton straw crumbs类别Category全氮(g/kg)Total N全磷(g/kg)Total P全钾(g/kg)Total K≤0.5 mm 发酵前 47.552 5.761 40.429发酵后 46.308 7.428 60.833 0.5～1.0 mm 发酵前 43.883 4.006 49.514发酵后 48.518 5.306 74.893 1.0～12.0 mm 发酵前 48.852 3.122 22.758发酵后 47.697 4.046 41.063 3.0～15.0 mm 发酵前 48.902 3.666 25.700发酵后 47.215 5.138 34.383 2.2 发酵对棉秆孔隙度的影响

棉秆混合物经过发酵,其理化性质发生了较大变化,容重有所增加,但幅度不大,仍处于轻质基质范围[12];总孔隙度明显增加,乌鲁木齐市、喀什市两个地区的棉秆,其总孔隙度增加幅度分别为15.15%、14.18%;在毛管孔隙、非毛管孔隙的分布上,毛管孔隙度分别增加11.64%、10.50%,非毛管孔隙变化不规律。表明棉秆发酵后,供应作物根系呼吸、伸长的气体通道变化不大,但却能明显增加水分、养分的保持及运输

空间,更有利于作物根系的生长发育及水分利用。酸碱度即pH值在发酵后明显增加,两个地区的棉秆在发酵4个月后,均由弱酸性变为弱碱性,这对多数喜欢弱酸性环境的作物而言,对其生长发育可能产生不利影响。表2

表2 发酵对棉秆的理化性质影响Table 2 The effects of fermentation on the physico-chemical properties of cotton straw crumbs类别Category容重(g/cm3)Bulk density总孔隙度(%)Total porosity毛管孔隙度(%)Capillary porosity非毛管孔隙度(%)Non-capillary porosity pH值pH乌鲁木齐Urumqi 发酵前 0.130 71.3 46.4 24.8 6.73发酵后 0.133 82.1 51.8 30.3 7.83喀什Kashi 发酵前 0.115 77.6 34.4 43.2 6.28发酵后 0.126 88.6 48.4 40.2 8.89喀什黄土Soil of Kashi 1.240 47.9 43.8 4.1 8.35 2.3 颗粒重组对棉秆孔隙度的影响

将不同颗粒粒径的发酵棉秆屑进行质量配比之后,其孔隙度发生了一定的变化。总孔隙度保持在85%左右,变化不大,但是其孔隙的内在组成即供应作物根系空气的非毛管孔隙以及供应作物根系水分及养分的毛管孔隙所占的比例发生明显变化,即通过棉秆颗粒物的分级重组,可以得到不同的气、水孔隙即非毛管孔隙与毛管孔隙分布,给作物根系提供不同的呼吸和水分养分供应,对作物的生长发育产生一定的影响,可以作为栽培基质的调控手段之一。表3 2.4 发酵棉秆复合配比对番茄育苗的影响

选取表3所列不同气、水比值的发酵棉秆配比,在加入不同比例的水洗河沙及珍珠岩后,其理化性质又发生了一定的变化,总体上容重随加入河沙比例的增加而增加,孔隙度变化不规律,但均随着河沙比例的增加,气、水比值呈增大趋势。进行番茄穴盘育苗试验,25 d即6～7叶时,经测试番茄苗的壮苗指数,其中27-3壮苗指数最大,与其它配比及对照花卉营养土(CK1)、东北草泥炭(CK2)差异显著,也与番茄苗实物健壮、根系发达相吻合,即20%∶20%∶20%∶30%∶10%{(≤0.5)mm∶(0.5～

1.0)mm∶(1.0～2.0)mm∶(2.0～3.0)mm∶(3.0～5.0)mm}的发酵棉秆颗粒配比+4X河沙+10%珍珠岩配比,总孔隙度在70%,气、水孔隙比为 1∶2最佳。图 1,表 4

表3 重组对发酵棉秆颗粒的孔隙度影响Table 3 The effects of recombination on porosity of fermentation cotton straw crumbs处理Treatments棉秆屑大小(mm)Size of cotton straw crumbs＜0.5 0.5～1 1～2 2～3 3～5 m/m %容重(g/cm3)Bulk density非毛管孔隙(v/v%)Noncapillary porosity毛管孔隙(v/v%)Capillary porosity总孔隙度(v/v%)Total porosity气/水Air/water p2 10 10 30 20 30 0.102 4 45.17 43.32 88.49 0.96 p4 10 20 10 30 30 0.107 4 45.66 40.78 86.44 0.89 p6 10 20 20 30 20 0.114 1 28.01 58.42 86.43 2.09 p15 10 30 30 10 20 0.118 9 29.75 58.00 87.74 1.97 p27 20 20 20 30 10 0.116 1 21.72 66.47 88.19 3.16

图1 棉秆复合基质孔隙度对番茄育苗壮苗指数的影响Fig.1 The effects of mixing vermiculite porosity of cotton straw crumbs on the seedling and healthy seedling index of tomato 3 讨 论

3.1 将棉秆粉碎后,按颗粒粒径分级、发酵,再进行颗粒物的一次重组、加入无机物料的二次组合研究,从而筛选出适宜作物生长的根际环境,即适宜的总孔隙度与气、水比值,这与田吉林等[11]的研究出发点相一致。有机物料颗粒物的重组便于为棉秆的粉碎工艺提供技术要求,但有机物料粉碎后的颗粒物具有特殊的不规整性,还有待进一步的深入研究总结。

3.2 棉秆颗粒的理化性质在发酵前后有明显变化,其总孔隙度及毛管孔隙所占比例明显增加,这对改善作物根际环境十分有利,在保证作物根系通气空间的情况下,增加水分、养分的保持和供应,有利于作物根系的生长及增强抗(耐)旱性。但pH值随发酵

呈现出偏碱的趋势,是否会随着发酵时间、栽培使用年限的延长碱性持续增强,需要研究其变化规律及相应调控技术。