利用農業廢棄物制備水稻育秧基質工藝的優化

孫海天，汪 春，李海亮，嚴曉麗，梁 琦

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

水稻是我國最重要的糧食作物之一，目前主要采用育苗移栽的方式實現水稻種植。育苗是移栽生產過程中必要環節，水稻育苗的關鍵技術是水稻育秧基質的優化創新。水稻育秧基質是育苗的基礎物質，在水稻秧苗生長過程中起到提供營養成分和調節生長環境的作用，主要類型包括：營養土、無土基質及混合基質3種[1]。目前，我國大部分地區主要使用營養土育秧，但在育苗過程中存在消耗農田土量大、取土運輸困難、土壤資源和生態資源被破壞嚴重，以及易發生土壤病害等問題[2]。如何研制出一種新型水稻育秧基質代替常規水稻育秧土已成為當前研究的熱點。

我國是農業大國，隨著農牧業迅速的發展，產生了大量的農業有機廢棄物(如秸稈、禽畜糞便等)[3-4]，每年收獲后至少產生6億t以上的作物秸稈。由于目前缺乏先進的技術和設備，只有1/3秸稈通過保護性耕作方式將還田得以利用，剩余秸稈直接或間接被焚燒，這些不合理的處置方式會帶來一些安全隱患，也造成了資源的嚴重浪費，且對環境產生巨大的危害[5-6]。秸稈作為肥料具有高營養價值，秸稈發酵腐熟后作為水稻育秧基質可提高和增加水稻育秧基質的營養及有機質含量，也可以改善基質團粒結構[7]。近年來，有許多專家都致力于研究利用秸稈等廢棄物配制新型水稻育秧基質，如周青等(2010)利用稻殼和秸稈通過發酵制成有機質[8]；孫慶昌等(2011)用稻殼育營養土混合配制出水稻育秧基質[9]；魯耀雄等(2012)用蘆葦殘渣育稻殼混合配制出水稻育秧基質[10]；楊阿林等(2013)利用腐熟有機肥與酒糟混合配制出水稻育秧基質[11]。但是，利用蚯蚓糞與農業廢棄物混合制備水稻育秧基質少有報道，也缺乏對水稻育秧基質各原料最優配比參數優化的深入研究。

基于上述問題，本文主要采用配方試驗-單純形重心試驗設計方法進行研究：首先，將秸稈和牛糞按3∶2體積比混合發酵制成秸稈生物有機肥，然后利用發酵腐熟后的秸稈有機肥和蚯蚓糞作為水稻育秧基質主原料，配合使用酒糟、蛭石，探索出水稻育秧基質各原料間的最優配比，最終研制出一種新型復合式水稻育秧基質。該水稻育秧基質具有孔隙度大、持水性好、營養含量豐富的特性，且所培育秧苗健壯、出苗率高、根系發育好、根系盤結力強。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻秸稈發酵試驗于2016年3-6月在黑龍江八一農墾大學育秧大棚進行。本試驗中所采用的秸稈有機肥為秸稈與牛糞按3∶2體積比均勻混合，并將混合物的含水率調至40%～60%進行發酵，根據發酵腐熟經驗，堆體的溫度降至與外界環境溫度接近、無強烈刺激性異味散出、顏色呈黑褐色視為完全發酵[12-13]；待完全發酵后進行高溫滅菌處理，最后將發酵腐熟的秸稈有機肥(M1)裝袋，作為配方試驗原料備用，如圖1所示。

圖1 發酵后水稻秸稈Fig.1 Rice straw after fermentation

腐熟酒糟(M2)、蛭石(M3)、蚯蚓糞(M4)均采購于市場。

常規育秧土取自黑龍江八一農墾大學農學院試驗田，土壤養分含量：堿解氮93.8mg/kg，有效磷46.4mg/kg，速效鉀265mg/kg，有機質45.9g/kg，pH值7.70。供試水稻品種為“墾鑒稻5”，如圖2所示。

圖2 供試水稻種子Fig.2 Rice seed for trial

1.2 試驗方法

水稻育秧試驗于 2016 年 6-8 月進行，采用塑料水稻育秧盤育秧(規格 58cm×28cm×2cm)。試驗開始前，將已選出的優質水稻種子浸種，浸種溫度控制在11～12℃，浸種積溫需達100℃以上，浸種過程中每天將浸種液循環2次，待種殼顏色變深，種皮半透明即可進行催芽處理；然后，放置在28℃恒溫箱中催芽，芽長催至2mm左右時取出即可播種。各處理秧盤內育秧基質厚度 1.5cm，每盤均勻播種130g(約 100g干谷)。播種前對底土進行調酸、消毒，每盤噴灑溶液按1 200mL水加0.24mL濃硫酸和0.33mL移栽靈進行配比，攪拌均勻后即可使用，苗期管理同常規育秧。

為確定育秧基質各原料間的最優配比，根據配方試驗—單純形重心試驗設計[14]，試驗將各基質原料按不同體積百分數配制以下15組處理，進行3次重復處理，并以常規育秧土為對照組，如表1所示。

表1 各處理水稻育秧基質配比

配方試驗回歸方程為

回歸系數計算公式為

bj=yj

bkj=4ykj-2(yk+yj)

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

1..3 測定項目與方法

1.3.1 不同處理育秧基質理化性質測定

基質pH值采用日本HORIBA(B-712)筆試pH計測定，取待測樣品100g放入玻璃燒杯內，加入一定量的去離子水，攪拌均勻后放在搖床上勻速震蕩30min，取出玻璃燒杯將pH計放入混合液中，待數值穩定不變后讀數；基質含水量、容重、總孔隙度及通氣孔隙等采用常規方法測定[15]。

1.3.2 不同處理秧苗農藝性狀的測定

水稻秧苗長至3葉1芯時測量秧苗農藝性狀及根系長勢情況。葉齡表示水稻秧苗的年齡，用水稻秧苗莖稈上的葉片數來計算，測量時隨機選取10株秧苗測定葉齡并計算平均值；株高、莖基寬等有關秧苗長度指標測量時均使用游標卡尺測量，株高為秧苗根基部到植株最頂部的垂直高度；測量莖粗時首先隨機選取10株有代表性的水稻秧苗，將所取10株秧苗緊密整齊擺放，再用游標卡尺測量根莖基部最寬處，最后計算出平均值即為秧苗莖粗；干重包括秧苗干重、根干重，把已選取的水稻秧苗樣本用刀將秧苗與根部切斷，置于烘干箱內，溫度設定為105℃殺青30min后，再將溫度調至80℃烘干至恒重，取出水稻秧苗用電子天平分別測量秧苗干重、根干重[16]。

1.3.3 秧苗綜合素質的評定

利用平均隸屬函數值法對各處理秧苗的農藝性狀、根系情況等測量指標進行綜合素質評定，按以下公式計算各測量指標的隸屬函數值，即

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

式中Fi—第i個處理第j個秧苗素質的隸屬值；

Xij—第i個處理第j個秧苗素質的平均值；

Xmax—該秧苗素質在所有處理中最大值；

Xmin—該秧苗素質在所有處理中最小值。

最后，將各處理的隸屬值求平均數，即為各處理的平均隸屬函數值[17]。

1.4 數據處理

試驗數據采用 Excel 2003 和 SPSS 18.0 軟件進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對秧苗農藝性狀的影響

如表2所示：以7個水稻秧苗農藝性狀為測量指標，分為地上部分和地下兩部分，地上部分測量指標包括葉齡、株高、莖粗、苗干重；地下部分測量指標包括根數、根長、根干重。由表2可以得出：15組處理中大部分利用農業廢棄物配制育秧基質的處理對水稻秧苗農藝性狀的影響優于常規稻田土(CK)處理；特別是T15處理與CK相對比，除根長差異不顯著外，株高增加5.4cm，莖粗增加1.09mm/10株，苗干重增加0.95g/百株，根數增加0.66根，根干重增加1.94g/百株。T4處理中因育秧基質未利用秸稈有機肥、蚯蚓糞、酒糟配制，所以該處理的水稻育秧基質缺乏養分導致生長出的水稻秧苗農藝性狀不佳；含有秸稈有機肥的處理T1、T5、T6、T7、T11、T12、T13、T15秧苗農藝性狀優于其他未含秸稈有機肥的處理T2、T3、T4、T8、T9、T10、T14。由此說明，農業廢棄物中的秸稈發酵處理制成有機肥后作為水稻育秧基質原料，經科學配比后有利于水稻秧苗的生長和發育，水稻秧苗素質更好。

表2 不同處理對水稻秧苗農藝性狀的影響

續表2

表中數據均為3次重復的平均值。

2.2 不同處理對水稻秧綜合素質的影響

根據表2數據，利用隸屬函數值公式計算出水稻秧苗各性狀的隸屬函數值，并計算出各處理的平均隸屬函數值作為水稻秧苗綜合素質評分，如表3所示。

表3 不同處理水稻秧苗各項測量指標隸屬函數值

表中數據均為3次重復的平均值。

結果表明：15組水稻育秧基質中同時含有秸稈有機肥和蚯蚓糞處理的平均隸屬函數值分別為T6=0.787，T11=0.831、T13=0.818、T15=0.861，只含有秸稈有機肥處理的平均隸屬函數值分別為T1=0.695、T5=0.749、T7=0.680、T12=0.817。通過綜合評分可以看出水稻育秧基質中同時含有秸稈有機肥和蚯蚓糞的處理所育秧苗綜合素質明顯高于只含有秸稈有機肥的處理，不同配比的水稻育秧基質對秧苗的農藝性狀影響顯著，15組處理所育秧苗綜合素質排序T15>T11>T13>T12>T6>T5>T1>T7>T3>T2>T14>T9>T10>T8>CK>T4。其中，T15處理水稻秧苗各項指標的隸屬函數值均較高，葉齡、株高、根數都為1.00，苗干重0.97，莖粗0.81，根干重0.80。

2.3 回歸模型建立與參數優化

根據配方試驗設計，對不同配比下水稻育秧基質對水稻秧苗綜合素質的影響進行試驗，試驗結果如表3所示。表3中平均隸屬函數值即為各處理育秧效果測量指標綜合評分，根據表1、表3、配方試驗回歸方程公式及回歸系數計算公式可知：不同配比的水稻育秧基質對水稻秧苗綜合素質影響的回歸模型為

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

確定回歸方程后，進一步優化水稻育秧基質各原料間的配比，利用Excel軟件對已確定的回歸方程進行規劃求解，約束條件為各原料取值范圍(體積百分數)：秸稈有機肥0～100%，蚯蚓糞0～100%，酒糟0～100%，蛭石0～100%，且秸稈有機肥、蚯蚓糞、酒糟、蛭石體積總和為100%。平均隸屬函數值取值范圍為0～1，水稻秧苗綜合素質的得分越高越好，因此將目標函數的取值設定為最大值[18]。求解后獲得最優配比參數為：秸稈有機肥46%，蚯蚓糞20%，酒糟18%，蛭石16%。

2.4 驗證試驗

為驗證不同配比的水稻育秧基質對水稻秧苗綜合素質影響的回歸方程和最優配比參數的可靠性，按照所獲得最優配比參數制備水稻育秧基質進行育秧驗證試驗。試驗過程中，為保證結果的準確性，嚴格控制溫度、水分等影響秧苗長勢的因素與前期配方試驗一致，共進行5組重復驗證試驗，育秧效果如圖3所示。將5組重復試驗驗證結果進行統計分析，并根據各項指標實際測量值轉換為實測平均隸屬函數值，如表4所示。

圖3 育秧效果Fig.3 seedling effect表4 最優配比試驗驗證結果Table 4 The of result optimal proportion

試驗組號實測平均隸屬函數值預測平均隸屬函數值相對誤差/%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 最優配比水稻育秧基質的基本理化性質

表中數據均為5次重復的平均值。

3 結論

1)建立了水稻育秧基質原料與水稻秧苗綜合素質之間的回歸模型，在最優配比參數下，水稻秧苗綜合素質的實際值與預測值的相對誤差為4.53%，在實際生產過程中，可以根據所需水稻秧苗的綜合素質，確定不同的配比參數，為水稻育秧生產提供了理論依據。

2)根據配方試驗可知：利用農業廢棄物制備水稻育秧基質的最優配比參數(體積百分含量)為：秸稈有機肥46%，酒糟18%，蚯蚓糞20%，蛭石16%。利用農業廢棄物制備水稻育秧基質所育秧苗的綜合素質優于常規育秧土，該配比參數及方法對水稻工廠化、規模化育秧具有重要意義。

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