秸稈粉碎發酵一體化設備應用及發酵物還田效果初探

陳慧明，吳開良，王京奇，王楚棟，于穎，金鐘

(萬里神農有限公司，浙江 杭州 310000)

秸稈是農業生產中重要的可再生資源，合理的秸稈還田可提高土壤有機質，提升土壤肥力，對保持農田生態平衡有重要意義[1-2]。浙江省種植結構不斷優化，形成糧油、蔬菜、茶葉、水果等多種優勢作物產區，因而秸稈資源多樣且豐富。農業種植中產生的農作物秸稈可分為糧油作物秸稈、蔬菜秸稈、果樹枝條、果實外殼等。目前糧油作物秸稈，如水稻秸稈，以直接粉碎就地鋪灑的方式進行還田；蔬菜秸稈，如瓜菜類殘枝，收集堆放腐爛，一般不還田；枝條秸稈，如葡萄、桃樹枝條，進行粉碎堆放，自然腐熟后還田；果實外殼，如山核桃蒲殼，則集中處理加工成有機肥或者基質。機械化秸稈切碎還田是解決秸稈利用的主要措施和手段[3]。

為提升秸稈的綜合利用水平，浙江省各級政府部門鼓勵企業引進、開發先進實用的秸稈加工、利用技術工藝和裝備，因地制宜，加快秸稈肥料化、飼料化、原料化、燃料化、基料化等“五化”技術的應用推廣，提高秸稈利用的經濟、生態和社會效益，助推農業綠色發展。杭州地區糧、果、茶等均有種植，產業附加值高，秸稈種類多樣，產量高。本試驗針對秸稈資源利用方向單一、技術相對落后的現狀，引進專用農業機械ZJASN17-001型粉碎發酵一體化設備，擴大秸稈處理范圍，實現秸稈從回收、粉碎、發酵到還田的一體化利用，縮短秸稈處理時間，提高秸稈利用效率，實現秸稈就地低成本處理、清潔有效還田利用。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗于2017—2018年在萬里神農有限公司農業研究院杭州基地進行。2017年7月進行設施場地硬化及電路改造施工，8月設備進場安裝調試，9月開始進行粉碎發酵試驗。2018年6月將發酵物代替商品有機肥進行水稻種植應用試驗。

供試作物為水稻品種嘉58。供試秸稈為基地種植產生的水稻秸稈、豆稈、玉米秸稈、甘蔗葉片、瓜藤、葡萄枝條等，以及采購的山核桃蒲殼；發酵菌劑為湖南山河美生物環保科技有限公司生產，富含芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌等；蠶沙為嵊州陌桑高科股份有限公司生產；尿素購自附近農資店。

根據不同秸稈的粉碎發酵需求，引進ZJASN17-001型粉碎發酵一體化設備。設備包括粉碎機、進出料口、發酵倉、引風機、加熱管、輔助輪、控制系統等，功率20.2 kW，總占地面積10 m2，發酵倉容積7 m3，單次可粉碎發酵秸稈5 m3。

1.2 處理設計

1.2.1 秸稈粉碎、發酵流程設計

葡萄枝條發酵測試。選5 m3左右新鮮葡萄枝條(C/N為52.2)進行粉碎投料，粉碎時分次投入發酵菌劑2 kg和尿素20 kg協助發酵，利用發酵罐的旋轉將物料混合均勻。

混合物料發酵測試。將新鮮蠶沙(C/N為12.8)和葡萄枝條作為混合物料，1 000 kg新鮮蠶沙直接投入發酵罐，葡萄枝條粉碎后投入發酵罐，控制物料體積在5 m3左右，分次添加2 kg發酵菌劑，利用發酵罐的旋轉將物料混合均勻。

發酵流程設計。完成投料后，加熱溫度設定為50 ℃，開啟鼓風加熱功能，邊旋轉邊加熱，使物料充分混勻并快速升溫，進入發酵狀態，總計加熱8 h。設置程序為每天上午9：00—10：00旋轉發酵罐1 h(共3個旋轉單元，每單元正轉10 min，反轉10 min)，并打開引風機，將混有大量水汽的空氣排出，降低物料含水量。發酵時間15 d。

1.2.2 發酵物田間應用試驗設計

2次發酵物代替商品有機肥進行水稻種植還田應用。設3個施肥處理，在底肥施用好樂耕有機緩釋肥(15-4-6)750 kg·hm-2、分蘗肥施用尿素150 kg·hm-2的基礎上，以增施商品有機肥作為對照(CK)，以增施葡萄枝條發酵物作為處理C1，以增施混合物料發酵物作為處理C2，添加量均為4 500 kg·hm-2。小區面積60 m2，不設重復，其他田間管理一致。

1.3 測定指標

1.3.1 發酵試驗數據采集

每天發酵罐旋轉1 h結束后，測定和記錄物料溫度。每5 d在發酵罐旋轉結束后，采集1次發酵樣品，保存于4 ℃冰箱中，發酵結束后統一檢測物料含水量、有機質含量及白菜種子發芽指數(GI)。物料含水量及有機質含量檢測參照標準NY 525—2012執行。

白菜種子發芽指數測定方法。挑選20粒飽滿且大小均勻的白菜種子，鋪放在含有濾紙的培養皿中，加入新鮮堆肥樣品浸提液(料水比1∶5，30 ℃水浴中浸提24 h，上清液過濾所得)，并以蒸餾水作對照試驗。將培養皿放置在恒溫恒濕箱(溫度25 ℃、濕度95%)中培養48 h，然后測定種子發芽率和根長，計算種子GI。發酵結束后，記錄發酵總耗電量及標準農用電用電成本。

1.3.2 田間試驗數據采集

觀察水稻生長情況，水稻收獲時進行產量、經濟效益統計。

2 結果與分析

2.1 粉碎效果及效率

粉碎機在粉碎不同類型秸稈時，均能達到粉碎后物料為小于6 mm顆粒狀或粉狀，秸稈的含水量不同，粉碎效率及粉碎后物料狀態不一。粉碎葡萄枝條5 m3并同步投入發酵罐中，除去預熱和休息時間，用時4.5 h，粉碎速率達1 m3·h-1以上。

在粉碎農作物秸稈時，新鮮的水稻秸稈和甘蔗葉容易粉碎，晾曬后的水稻秸稈和玉米秸稈份量較輕，不易沉入高速旋轉的粉碎倉，粉碎效率低，因此，建議此類秸稈要趁青稈時粉碎。單獨粉碎含水量高的瓜藤、菜葉，進料順利容易粉碎；但干料和濕料不能同時混合粉碎，容易堵塞粉碎倉，因此，更換干濕度差異大的物料時需用水對粉碎倉進行簡單沖洗。直徑小于0.8 cm的枝條秸稈可直接粉碎，粗長枝條粉碎需要預切碎為5 cm左右小段。

2.2 發酵過程物料動態變化

2.2.1 溫度變化

圖1表明，葡萄枝條發酵最高溫出現在第9天，混合物料發酵最高溫出現在第6天，兩者最高溫度都達60 ℃以上。混合發酵起發性更好，于第4天就接近60 ℃，推測蠶沙的加入優化了物料的C/N比，使物料升溫迅速，加快發酵速度[4]。

圖1 發酵過程中物料溫度的變化

2.2.2 發酵物料有機質和含水量的變化

發酵時微生物的活動會消耗物料中的碳素，降低物料的有機質含量。隨著發酵的進行，有機碳含量慢慢趨于穩定，物料的腐熟程度明顯提高[5]。按NY 525—2012標準，新鮮葡萄枝條的有機質含量643 g·kg-1(干基計)。圖2表明，在發酵過程中，葡萄枝條物料和混合物料的有機質含量迅速降低，最終分別為391和431 g·kg-1，碳素損耗率分別為39.3%和29.2%，較大限度地保留了有機碳。發酵過程產生的高溫促使水汽排出，葡萄枝條物料含水量從57.2%降至40.2%，混合發酵物料含水量從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。

圖2 發酵過程中物料有機碳和含水量的變化

2.3 發酵過程對白菜種子發芽指數的影響

物料腐熟發酵程度越高，其植物毒性越小，越有利于種子萌發。通常認為，GI>50%時，表明物料已發酵腐熟并達到可接受程度，即基本沒有毒性；當GI達到80%～85%時，就認為發酵物料沒有植物毒性，或者說已腐熟完全[6]。圖3表明，混合物料發酵的白菜種子GI在第10天就達到76.8%，超過50%的安全線；葡萄枝條發酵的白菜種子GI在第10天為46.7%，在第15天達到62.1%。可見物料在發酵罐中經過15 d的發酵過程已基本腐熟。

圖3 發酵過程對發芽指數的影響

2.4 發酵物產出成本核算

由表1可知，每批葡萄枝條和混合物料粉碎發酵分別產生的電費約為184和163元，發酵結束后，兩者發酵物產出量分別為2.82和3.47 t。計入物料成本、人工費和設備折舊費之后，葡萄枝條發酵物成本為212.1元·t-1，混合物料發酵物成本為268.9元·t-1，遠低于市面上商品有機肥銷售價格，還田具有經濟優勢。

表1 單次粉碎發酵投入產出成本

注：發酵菌劑價格為50元·kg-1，尿素價格為2 200元·t-1，新鮮蠶沙價格為400元·t-1。

2.5 發酵物還田對水稻產量及效益的影響

秸稈粉碎還田有利于改善耕層土壤結構，提高水稻產量[7]。在底肥施用好樂耕有機緩釋肥(15-4-6)750 kg·hm-2、分蘗肥施用尿素150 kg·hm-2的基礎上，商品有機肥、葡萄枝條發酵物和混合物料發酵物均施用4 500 kg·hm-2，對3個處理投入和產出效益進行分析。表2表明，葡萄枝條發酵物和混合物料發酵物代替商品有機肥還田后，稻谷產量均超過8 000 kg·hm-2，且與CK處理無明顯差異；C1、C2經濟產出略低于CK處理，分別降低535.5、138.4元·hm-2；施肥成本分別較對照降低1 235.5、979.5元·hm-2，最終葡萄枝條和混合物料發酵產物較CK處理分別增收700.0和841.5元·hm-2，說明秸稈粉碎發酵后產物肥料化利用效果較好，能夠保證水稻穩產，實現秸稈就地還田節本增效。

表2 水稻對比試驗施肥投入及產出效益

注：每噸商品有機肥價格為500元，好樂耕有機緩釋肥價格為2 700元，尿素價格為2 200元，稻谷收購價按照浙江省最低定價2.66元·kg-1計。

3 討論

ZJASN17-001型粉碎發酵一體化設備占地面積小，操作簡單，可粉碎各種類型秸稈，年處理秸稈量約50 t上下，能處理3～6 hm2農田的秸稈產量，粉碎細度好、效率高。粉碎后物料直接投入發酵罐，通過控制溫濕度促進物料發酵，縮短發酵進程，實現15 d完成1次粉碎、發酵過程，能耗較低。經測定，發酵物有機質含量在70%左右，含水量為40%，種子發芽指數80%以上，可作為有機肥直接還田使用。發酵產物就地還田也大大降低了秸稈回收中的運輸以及人力和商品有機肥采購成本，可實現秸稈全量肥料化利用，形成農業生產的“糧-肥-糧”模式，適合于浙江省內農業種植業者推廣使用，帶來顯著的生態、經濟和社會效益，利于生態循環農業建設。同時，設備粉碎倉和發酵罐可以單獨作業，在實際生產中，可通過增配發酵罐，實現一套粉碎倉配多套發酵罐，極大提高秸稈處理量；也可通過擴大發酵罐倉體容量，增加單次秸稈處理量，進一步壓縮發酵成本。