綠色秸稈復(fù)合管研制與開發(fā)

宰松梅，許曉花，仵 峰，楚運旺，王富斌

(1. 華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2. 河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，河南 鄭州 450046)

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著糧食的連年增產(chǎn)，作物秸稈作為農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也在逐年增加。有數(shù)據(jù)顯示[1]，近幾年我國作物秸稈產(chǎn)量已超出10億t/hm2。如何妥善處理秸稈過剩的問題，既能高效的利用秸稈，又不破壞生態(tài)環(huán)境，做到綠色無污染，成為新時代農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的新課題。目前，我國秸稈的利用主要有秸稈肥料化[2]、秸稈原料化[3]、秸稈飼料化[4]、秸稈燃料化[5]、秸稈基料化[6]等形式。其中秸稈肥料化約占秸稈利用量的43.2%[7]，秸稈還田是我國大部分地區(qū)維持作物生產(chǎn)力和土壤肥力的有效措施[8]，也是秸稈資源化利用和培肥地力的主要途徑之一，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和立體生態(tài)農(nóng)業(yè)的良性循環(huán)。但由于秸稈還田存在的一些技術(shù)問題，導(dǎo)致一些地區(qū)的秸稈不能全量還田或者連續(xù)還田。近年來，盡管國家在大力推行秸稈還田技術(shù)，但現(xiàn)實是政府呼聲大、農(nóng)民行動緩，秸稈被隨地堆放或露天焚燒等現(xiàn)象還時有發(fā)生。

針對上述問題，綜合考慮秸稈還田與節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)缺點，研發(fā)一種新型地下灌溉材料——秸稈復(fù)合管，在完成灌溉功能的同時，又能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)的第二產(chǎn)物——作物秸稈加以利用，在開發(fā)一種新型節(jié)水灌溉模式的同時，開辟一種秸稈還田的新途徑。經(jīng)前期試驗研究發(fā)現(xiàn)，將土壤、秸稈和水按照一定配比混合，經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機擠壓成中空的秸稈復(fù)合管，具有較好的滲水性能與過水性能。將秸稈復(fù)合管埋于作物根系層，在作物需水時可通過秸稈復(fù)合管進行地下灌溉，可大大減少地表蒸發(fā)，達到節(jié)水灌溉的目的；灌溉過程中，復(fù)合管中的秸稈在水的浸潤和微生物的作用下，逐漸腐解，完成灌溉使命后直接還田。秸稈復(fù)合管的研發(fā)，解決了秸稈回收難，處理成本高等問題，灌后還田，同時解決了地下灌溉堵塞及毛管回收難等問題，有利于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施配套化、農(nóng)業(yè)機械化奠定基礎(chǔ)。

1 問題的提出

秸稈是作物莖、葉的合稱，占作物生物總量的50%左右[9]。研究表明，農(nóng)作物秸稈中含有一定量的氮、磷、鉀等多種植物所需營養(yǎng)元素[10]，且作物秸稈的主要成分為粗纖維和木質(zhì)素，還田后在土壤微生物的作用下可以轉(zhuǎn)化為土壤有機質(zhì)[11]，改善土壤理化性狀。陳玉章等[12]研究表明，秸稈中富含親水纖維素和蠟質(zhì)層，能夠提高土壤的蓄水保墑能力；梅楠等[13]研究表明，秸稈還田有利于增加土壤孔隙度，增強土壤通透性，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重和緊實度；Yang等[14]研究表明，秸稈還田能夠促進土壤呼吸，增加二氧化碳的凈吸收，增強了土壤碳、氮的固持效果，與Xia[15]、Zhao[16]等的研究結(jié)果相似。Hao等[17]研究表明，深耕結(jié)合秸稈還田顯著提高了土壤微生物碳源的代謝功能和代謝多樣性；慕平等[18]研究表明，秸稈還田在一定程度上能減緩玉米根系和葉片的衰老速度，促進作物在灌漿期對養(yǎng)分的吸收，在提高作物產(chǎn)量方面發(fā)揮成效。趙亞麗[19]等研究表明，深耕或深松結(jié)合秸稈還田有利于作物產(chǎn)量的水分利用效率的提高。蓋霞普20]等研究表明，長期秸稈還田可提高作物產(chǎn)量，增加表層土壤有機碳和全氮含量?？梢姡斩掃€田在改良土壤，促進作物高產(chǎn)，以及環(huán)境保護等方面都具有一定的積極作用。孫寧等[21]研究顯示，2013年我國秸稈產(chǎn)量約為9.74億t，其植物營養(yǎng)成分折合氮肥487.00多萬t、磷肥111.31多萬t、鉀肥1113.14多萬t。按市場價估算，折合人民幣約366.36億元。隨著作物經(jīng)濟產(chǎn)量的不斷增加，秸稈產(chǎn)量也呈逐年遞增趨勢，可見秸稈還田資源化利用的潛在價值十分巨大。

近年來，秸稈飼料、秸稈燃料、秸稈基料、秸稈原料、秸稈肥料等方式已成為我國秸稈利用的主要途徑。上述幾種方式除秸稈直接還田外，都需將作物秸稈移出農(nóng)田，相應(yīng)的人工、打包、運輸?shù)荣M用額外增加了秸稈綜合利用的成本。張國等[22]針對我國農(nóng)戶對秸稈還田的態(tài)度進行了問卷調(diào)查，在東北、華北、西北及南方地區(qū)的支持率分別為64%、71%、43%、52%，除西北地區(qū)偏低外(西北地區(qū)秸稈多用于飼養(yǎng)牲畜)，大部分地區(qū)對秸稈還田的支持率都達到半數(shù)以上?？梢?，秸稈直接還田是農(nóng)戶易于接受的秸稈處理方式。

目前，由于秸稈直接還田還存在一些問題，影響了其推廣應(yīng)用。首先，大量的秸稈淺埋于土壤表層，由于土壤與秸稈的混合度差，會影響機械耕作和作物出苗[23]；其次，秸稈腐解過程中微生物需要一定的碳氮比和水分，而秸稈的碳氮比一般比較高，大量的秸稈直接還田時，微生物與作物爭奪速效氮肥和水分的問題非常突出[24]，因此，秸稈過量還田不僅不利于作物增產(chǎn)，甚至有可能引起作物減產(chǎn)[25]；第三，秸稈中往往寄生有病毒和蟲卵，若將此類秸稈還田會大大增加下茬作物遭受病蟲害的風險[26]；另外，一些地區(qū)因為缺水或溫度較低等，導(dǎo)致秸稈在一個生長季內(nèi)并不能夠完全腐解，從而會影響下季作物秸稈的繼續(xù)還田。目前，我國秸稈還田率還不到50%，與美國(68%)、英國(73%)以及日本(75%)的秸稈還田率存在很大差距[27-29]，如何提高我國秸稈還田率，還有待于進一步深入研究。

2 秸稈復(fù)合管的研發(fā)

Marwen等[30]研究表明，秸稈含水率在低于15%的前提下，將秸稈纖維作為輕骨料添加進混凝土，可提高混凝土的抗拉、抗壓強度，減少混凝土收縮和開裂；Yin等[31]研究表明，將秸稈作為粗骨料添加到瀝青混凝土中，可使混合料的抗彎強度提高6%，動態(tài)穩(wěn)定性提高54%。可見，秸稈具有作為粗骨料在混合物中起骨架作用并提升材料性能的潛力。秸稈復(fù)合管是以土壤和秸稈為主要原料擠壓而成，秸稈復(fù)合管成型機見圖1。

秸稈、水、土壤三者混合物在變徑螺旋軸旋轉(zhuǎn)下混合均勻，經(jīng)不等寬圓錐螺旋葉推進，擠壓密實，最后在螺旋軸推送下，混合均勻的材料在壓力作用下，在出料端形成中空的管道。秸稈復(fù)合管呈圓柱狀，內(nèi)外壁光滑，質(zhì)地均勻，可減小過水時的水頭損失，具有良好的過水性能；管壁上分布微小裂縫，具有較好的透水條件。秸稈復(fù)合管埋于土壤中，灌溉時，水經(jīng)管壁及微裂縫滲出，在“管-溝-土”(復(fù)合管-埋管溝-周圍土壤)的協(xié)同作用下，均勻擴散至四周土壤，達到灌溉作物的目的。秸稈在水及微生物的作用下，逐漸腐解后直接還田。

1—入料口 2—外殼 3—螺旋軸 4—支架 5—底座 6—軸承 7—連接部分 8—電機 9—出料口圖1 秸稈復(fù)合管擠壓成型機

2.1 秸稈復(fù)合管的灌溉功能

秸稈復(fù)合管以當年新鮮玉米秸稈和土壤為加工原料，經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機擠壓成型。秸稈復(fù)合管淺埋于地下，灌溉水經(jīng)中空的秸稈復(fù)合管，在管壁約束下迅速的充滿整個管道。在低壓供水條件下，灌溉水在土壤基質(zhì)勢、重力勢及壓力水頭作用下，沿管壁及管壁微裂縫緩慢滲出，濕潤管道周圍的土壤，進而達到灌溉作物的目的。

利用秸稈復(fù)合管進行地下灌溉，管材與土壤同質(zhì)，水流從管壁的任何部位均可滲出。而常規(guī)的滲灌管，水流僅能從特定的孔隙滲出，相比之下，借助秸稈復(fù)合管的灌溉方式可避免因出水孔堵塞等帶來的灌水均勻度不高的問題。在完成灌溉作用的同時，在微生物作用下秸稈會逐漸腐解轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)進入土壤?？锒骺〉萚32]研究表明，在自然條件下，秸稈還田后經(jīng)過150 d，秸稈的分解率為38.9%～66.3%。朱玉琴等[33]認為，土壤含水量在田間持水量的60%～70%時，最適宜秸稈的腐解，其他研究也得出類似的結(jié)論[34-35]。由此可知，秸稈復(fù)合管用于地下灌溉時，使用周期為一季或者一年。結(jié)束生命周期的秸稈復(fù)合管在下一季作物種植時，隨耕作可直接打碎返還農(nóng)田，解決了滲灌管回收難的問題。若秸稈復(fù)合管機械配套設(shè)施完善，便可實現(xiàn)開溝、成管、鋪設(shè)一體化作業(yè)，結(jié)合下茬作物，管道埋深可自行控制，由于不考慮多次使用，可以盡可能的淺埋，即可解決作物出苗水問題。此外，秸稈復(fù)合管使用壽命與作物生命周期同步，用時灌溉，用后還田，這使得滲灌管埋深與作物輪作之間的矛盾也迎刃而解。

2.2 秸稈復(fù)合管對秸稈的綜合利用

秸稈作為骨料與土壤和水在一定配比下混合，經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機擠壓成型可得到用于地下灌溉的秸稈復(fù)合管。秸稈的主要有機成分為木質(zhì)素和纖維素，經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機研磨擠壓之后，秸稈主要以較小的塊狀秸稈和纖維狀的秸稈絲兩種形態(tài)存在。塊狀秸稈在復(fù)合管中起骨架作用，維系復(fù)合管的整體穩(wěn)定，使其在過水狀態(tài)下不易發(fā)生垮塌，類似于混凝土中石子的作用；纖維狀的秸稈絲在復(fù)合管中起錨定作用，增強復(fù)合管抗拉性能，使得復(fù)合管即便存在微裂縫，在秸稈纖維絲作用下也不發(fā)生斷裂，類似于混凝土中鋼筋的作用。孫榮國等[36]研究表明，秸稈腐解后會轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)和多糖等有機化合物，腐殖質(zhì)是一種膠體，具有良好的膠結(jié)能力，通過功能鍵、氫鍵、范德華力等結(jié)合力作用，以膠膜形式包被在土壤表面，形成穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)。因此即便是起骨架作用的秸稈在其作用期間發(fā)生腐解，生成的腐殖質(zhì)也會在原秸稈位置上以膠體的形式膠結(jié)周圍土壤，維持秸稈復(fù)合管的整體性，以保證秸稈復(fù)合管在作物生育期內(nèi)的相對穩(wěn)定性。秸稈腐解后產(chǎn)生的有機質(zhì)和礦物元素也會在灌溉水入滲的過程中被攜帶至作物根系層，為作物生長提供養(yǎng)分。

秸稈腐解率的高低取決于田間微生物的活性和田間小氣候的優(yōu)劣，良好的水、熱條件能夠促進微生物的繁殖，有利于秸稈的腐解。采用秸稈復(fù)合管進行灌溉，可以避免因土壤與秸稈的混合度差而影響下茬作物出苗的問題；結(jié)合施肥灌溉，秸稈復(fù)合管能夠較好地調(diào)節(jié)土壤水分及復(fù)合管周圍土壤的碳氮比，促進微生物的繁殖，加速秸稈的腐解過程，可避免因微生物與作物爭水爭肥而導(dǎo)致的秸稈腐解率不高、田間水分分布不均等影響秸稈連續(xù)還田的問題。同時，結(jié)合施肥灌溉，秸稈復(fù)合管也有利于作物病蟲害的集中防治。

3 潛在問題與對策

秸稈復(fù)合管地下灌溉是秸稈還田及地下灌溉兩項技術(shù)的集成與創(chuàng)新，所選材料取之于農(nóng)田、用之于農(nóng)田。經(jīng)前期研究以及相關(guān)試驗驗證，對秸稈復(fù)合管的相關(guān)性能有了初步的了解，發(fā)現(xiàn)秸稈復(fù)合管用于地下灌溉可能存在的潛在問題，并針對相關(guān)問題進行了分析，初步提出了相應(yīng)的解決對策。

(1)管材耐久性問題。秸稈復(fù)合管灌溉技術(shù)是一種新型地下灌溉技術(shù)，在自由出流條件下，灌溉時秸稈復(fù)合管在水的浸蝕和自身重力的聯(lián)合作用下，會出現(xiàn)管壁剝落分離現(xiàn)象，最終會導(dǎo)致整個管體垮塌；當埋入土壤后，在管-溝-土的共同作用下，秸稈復(fù)合管具有良好的灌水性能，經(jīng)多次灌水，管身仍能保持良好的過水性能，不會影響灌溉效果。因此，秸稈復(fù)合管宜用于地下灌溉。考慮到作物種子大多種植于土壤表層，常規(guī)的滲灌由于對表層土壤的濕潤效果不佳，不利于作物出苗。建議秸稈復(fù)合管宜盡量的淺埋，以保證出苗期的灌溉效果。

(2)灌水均勻度問題。前期的試驗發(fā)現(xiàn)，在低壓、自由出流條件下，秸稈復(fù)合管的灌水均勻度尚不能滿足灌溉需求，但埋入土壤后，其灌水效果將大大提高。當秸稈復(fù)合管埋深過淺且上方土壤過于疏松時，偶爾會發(fā)生微小管涌，形成地面積水，使得灌水均勻度不高，進而影響灌溉效果。建議在埋設(shè)秸稈復(fù)合管時，對其上方的浮土進行適當鎮(zhèn)壓密實，便可避免此類情況發(fā)生。

(3)土壤肥力問題。土壤微生物活動需要一定的碳氮比，作物秸稈的碳氮比一般比較高，不適宜微生物活動。建議在鋪設(shè)秸稈復(fù)合管時，在開溝鋪管的同時，適當?shù)氖┤龅?，用以補充秸稈腐解時微生物的需氮量?；蛘呃媒斩拸?fù)合管采用水肥一體化灌溉，這樣在給作物施肥的同時，也滿足了秸稈腐解時微生物的需氮量。

(4)作物病蟲害問題。進行秸稈直接還田時，病蟲害殘留會對下一季作物造成影響，如不處理可能會引起大面積病蟲害，導(dǎo)致減產(chǎn)。秸稈復(fù)合管的成管過程對蟲卵具有一定的殺滅作用，為了更好地防治病蟲害，建議對病蟲害嚴重的地塊先進行滅菌殺蟲處理，然后再開展后續(xù)工作；或者是將殺蟲滅菌藥劑按配比混合在將用于制作秸稈復(fù)合管的水中，在成管過程中實現(xiàn)藥物和秸稈的充分混合，以利于滅菌殺蟲；也可以結(jié)合施肥灌溉，達到集中防治病蟲害的目的。

(5)管道使用壽命問題。秸稈地下灌溉要求秸稈復(fù)合管的生命周期與作物生長周期同步，以滿足作物各個生命階段所需水量，為作物正常生長發(fā)育提供保障。以華北地區(qū)小麥、玉米連作為例，小麥的需水關(guān)鍵期包括出苗期、返青拔節(jié)期及抽穗灌漿期；玉米則為出苗期、抽雄期及灌漿期。在小麥-玉米連作生育期內(nèi)，一般小麥需灌3～4次，玉米需灌2～3次(如遇干旱或濕潤年份，可適當增減灌水量和灌水次數(shù))。于2019年1月14日至2019年4月5日在河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室對秸稈復(fù)合管進行了4次灌水試驗。結(jié)果表明，經(jīng)過4次灌水試驗后，秸稈復(fù)合管仍保持其結(jié)構(gòu)完整，能夠發(fā)揮正常的灌水功效。當挖開管道斷面后，發(fā)現(xiàn)秸稈表面附有白色菌狀物，表明秸稈正處于腐解狀態(tài)。雖然為期80 d 的灌水試驗不足以驗證秸稈復(fù)合管的生命周期與作物生長周期的同步性，但也證明了秸稈復(fù)合管作為灌溉用管和秸稈地下灌溉技術(shù)的可行性。

4 結(jié) 語

秸稈復(fù)合管地下灌溉技術(shù)是秸稈還田和地下灌溉兩項技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，技術(shù)尚處于萌芽階段，距離其投入使用乃至大面積推廣仍有一段距離。若要使這種秸稈還田新理念、節(jié)水灌溉新方式得以推廣應(yīng)用，還需要對秸稈復(fù)合管的基礎(chǔ)性能進行全面研究。現(xiàn)階段僅對秸稈復(fù)合管性能進行了初步研究，仍存在諸多問題亟待解決。

(1)秸稈復(fù)合管材料配比問題。即在制作秸稈復(fù)合管時的秸稈摻量。秸稈摻量多少對秸稈復(fù)合管管材制作的難易程度、管材的強度、管道水力性能及耐久性等都有一定影響，有待通過進一步試驗，探尋一個合適的秸稈摻量，有利于秸稈復(fù)合管的制作以及秸稈地下灌溉技術(shù)的應(yīng)用。

(2)秸稈復(fù)合管的埋設(shè)布置間距問題。管道的間距布置決定其灌水效率、秸稈還田量及投資成本。管道間距取決于土壤類別、作物種類、灌水壓力等因素，如何合理布置管道，還有待深入研究。

(3)秸稈復(fù)合管的埋設(shè)深度問題。管道埋深取決于作物根系分布和土壤類別等因素，影響灌溉效果的優(yōu)劣及作物收益高低，如何針對不同作物、不同土壤類別找到合理的管道埋深，尚需進一步研究。

(4)適宜鋪設(shè)長度與灌水壓力水頭關(guān)系問題。普通滲灌進行大田灌溉時，常因出水口堵塞和供水壓力等問題導(dǎo)致灌水均勻度不高。秸稈復(fù)合管與土壤同質(zhì)，灌水原理與滲灌管有一定的類似，但耐壓效果不同。因此，對秸稈復(fù)合管鋪設(shè)長度和灌水壓力之間的關(guān)系進行研究也很有必要。

(5)土壤動物及微生物活動對秸稈復(fù)合管性能的影響問題。秸稈復(fù)合管埋于地下，不可避免的受土壤動物和微生物影響，如土壤中的蚯蚓、螞蟻活動產(chǎn)生的洞穴、糞便等都會影響其灌溉均勻度；隨秸稈的腐解，秸稈復(fù)合管性能退化，灌水效果也會受到影響。因此，關(guān)于生物因素對秸稈復(fù)合管使用性能及生命周期的影響也有待進一步研究。

利用秸稈復(fù)合管進行地下灌溉，在具備傳統(tǒng)滲灌技術(shù)調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)、抑制雜草生長、減少田間病蟲害、節(jié)省土地等優(yōu)點的同時，也解決了傳統(tǒng)滲灌技術(shù)滲灌管易堵塞和回收難等問題。而且秸稈復(fù)合管生命周期與作物生長周期同步，可以根據(jù)種植作物不同、土壤類型差異來合理調(diào)節(jié)秸稈復(fù)合管的埋深及布置間距。與傳統(tǒng)滲灌的一年鋪設(shè)、多年使用的模式相比，秸稈復(fù)合管的應(yīng)用更具可變性和靈活性。以秸稈為原料的秸稈復(fù)合管地下灌溉還是一種新型的秸稈還田模式，不僅有利于解決傳統(tǒng)的秸稈直接還田因土壤過于疏松而影響下茬作物出苗的問題，還可避免土壤微生物與作物爭水、爭肥的問題，且有利于集中防治病蟲害。秸稈復(fù)合管的應(yīng)用可以實現(xiàn)對秸稈資源的就地利用，提高秸稈還田率，避免因秸稈廢棄帶來的環(huán)境問題，同時為節(jié)水灌溉的發(fā)展開辟一條新出路。