水稻秸稈營養穴盤工廠化生產與田間試驗

李海亮,汪 春,2,孫海天,鄒華芬,嚴曉麗

(1.中國熱帶科學研究院 南亞熱帶作物研究所 循環農業研究中心,廣東 湛江 524000;2.黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

水稻是我國的主要糧食作物,水稻育秧移栽技術增產增收效果顯著,在我國得到了廣泛的應用,秧盤作為育秧載體對保證育秧質量起著至關重要的作用。作為農業大國,我國年產秸稈8億t[1-2],如何實現秸稈的合理利用對于農業的可持續發展具有重要意義。

植質缽育秧盤是以秸稈等生物質材料為原料制備的育秧盤,利用植質缽育秧盤育秧對于改善秧苗素質和提高產量具有積極的作用[3],近年來得到了廣泛關注和深入研究。在此基礎上,為了減少勞動力、提高生產效率,目前已對其相應的配套生產設備和裝置進行了設計與研發,但主要采用壓注、螺旋或對滾成型方式[4-7],存在成型步驟繁瑣、能源消耗大等問題,難以實現植質缽育秧盤的工廠化生產,不能滿足大面積水稻秧田生產的需要,使植質缽育秧盤的推廣和應用范圍受到限制。李海亮等人基于真空吸附成型原理,創新研發出氣力式水稻穴盤成型機[8],為植質缽育秧盤成型方式提供新的方向。

本研究以水稻秸稈營養穴盤成型技術與育秧效果為主要研究內容,介紹了穴盤成型工藝的技術路線和生產線工作原理,并以制得的水稻秸稈營養穴盤和常用的塑料缽育秧盤為研究對象,按照育秧載體和阻隔材料的不同進行育秧分組試驗,針對秧苗素質、產量和效益進行對比分析,以明確水稻秸稈營養穴盤的應用模式,為進一步推廣應用提供參考。

1 水稻秸稈營養穴盤成型工藝及生產線

1.1 工藝流程

水稻秸稈營養穴盤以秸稈、水和添加劑為主要原料,原料在儲漿池中經過預處理制成質地均勻的漿液,漿液上料給成型機后,在真空泵和壓縮泵的作用下將其中的固體物質提取出來并定型為坯盤,坯盤在高溫環境下進行烘干和消毒作業,最終制得結構和強度都能夠滿足水稻育秧要求的水稻秸稈營養穴盤。穴盤生產工藝流程如圖1所示。

圖1 水稻秸稈營養穴盤生產工藝

漿液制備過程中采用三級制造工藝,漿液質量高、原料適應性強。秧盤生產過程中多余的水、熱量和成型效果不好的穴盤可重復利用,資源利用率高。該成型工藝操作簡單、安全,便于實現工廠化生產。

1.2 生產線

生產線主要由蓄水池、攪漿機、儲料池、漿泵、篩選機、磨漿機、成型機和烘干室等組成,如圖2所示。將原料按照一定配比混合后,通過粉碎、清理、篩選制得初級漿液,利用微型磨漿機制成良漿;低揚程泵將漿液泵入水稻秸稈營養穴盤成型機中,真空成型模具在水環式真空泵的作用下于配氣腔內形成真空環境,產生的真空吸附力將漿液中的固體物質吸附在模具表面定型為坯盤;坯盤在吸模滾筒和取模器的配合下再次擠壓定型并置于輸送帶上,之后被輸送至烘干室,經預熱、對流烘干、逆流烘干和冷卻4個步驟,實現穴盤的高溫消毒和烘干;最后,對制得的水稻秸稈營養穴盤進行整理和打包運輸等操作。

1.蓄水池 2.攪漿機 3.攪拌機 4.一號儲料池 5.漿泵 6.篩選機 7.二號儲漿池 8.磨漿機 9.三號儲漿池 10.壓縮泵 11.真空泵

根據提出的工藝路線和生產線的設計方案,在黑龍江省富裕縣庫木現代農業農機專業合作社建立水稻秸稈營養穴盤生產線,如圖3所示。

圖3 水稻秸稈營養穴盤生產線

生產線位于撬裝平臺上,整體結構緊湊,便于操作和管理,能夠實現工業化連續生產,生產效率高,量產速度為800盤/h,以每天工作12h計算,產量為9 600盤/天,以每公頃稻田需450個育秧盤計算,每天生產的穴盤就可以滿足21hm2稻田的育秧需求。

2 田間試驗

2.1 試驗區概況及供試材料

為了驗證水稻秸稈營養穴盤的育秧效果,在黑龍江省八五七農場進行田間試驗。試驗地土質為白漿土,具有多年水稻生產經歷,滿足農業生產要求。以水稻秸稈為主要原料制備的水稻秸稈營養穴盤和R280-18型塑料缽育秧盤為試驗用育秧載體,水稻秸稈營養穴盤主要結構參數為273mm×581mm,共648穴(經緯18×36);塑料缽育秧盤主要結構參數為280mm×580mm,共648穴(經緯18×36)。試驗用種為綏粳18,生育期134天,千粒質量26g。

2.2 試驗設計

2017年4月18日,在八五七農場選擇標準育秧大棚一棟進行育秧試驗,以稻秸稈營養穴盤和塑料缽育秧盤為育秧載體,以斷根網和塑料薄膜為阻隔材料,根據不同的搭配形式共分為3組。其中,CK組以塑料缽育秧盤為育秧載體,以斷根網為阻隔材料;XD組以水稻秸稈營養穴盤為育秧載體,以斷根網為阻隔材料;XS組以水稻秸稈營養穴盤為育秧載體,以塑料薄膜為阻隔材料。

水稻播種前浸種2天,35℃催芽1天至種子露白,之后進行播種、覆土和覆膜工作,每組處理為6行區,5盤行長,共30盤。苗期管理確保合適的溫度和濕度,其余按照常規育秧管理辦法進行。5月18日,每組處理選取長勢平衡的秧苗用于測定秧苗素質和相關指標;5月19日,進行移栽作業,行株距為30cm×18cm;9月17日,對試驗田進行實測實收產量測評。

2.3 測試指標與方法

2.3.1 出苗率

在各組試驗區中隨機選取育秧秧盤,在秧盤中心和邊界處選取5cm×5cm大小的秧塊,計算出苗率后取平均值[10],即

(1)

式中S—出苗率(%);

K1—單位面積出苗種子個數(個);

K—單位面積播種量(個)。

2.3.2 秧苗素質

依照GB-T 6243-1603水稻機插秧試驗方法對水稻秧苗的素質進行測定。每組隨機選取秧苗30株,洗凈晾干后,測定株高、莖基寬等秧苗生理特性。水稻秧苗株高是影響秧苗插秧質量的重要因素,用直尺測量秧苗基部至最高葉片頂端的距離即是株高,單位為cm。水稻秧苗莖基寬能夠反應秧苗的粗壯程度,是衡量秧苗質量的重要指標,隨機選取秧苗50株,以10株為一組緊靠在一起,測量距離根部0.5cm距離處基部的寬度,多次測量后取平均值,單位為cm。秧苗干重和鮮重可用來表征秧苗生長性狀,任取100株秧苗,洗凈去根后晾干,稱取其莖稈、葉片和根系的質量,單位為g;將秧苗置于烘干箱中,105℃的溫度下殺青1h,80℃的溫度下烘干20min至質量不變,按照地上部分和地下部分進行參數的記錄,單位為g[11]。

2.3.3 產量

水稻成熟期,按照分組情況在各小區進行考種作業,每小區隨機選取5叢有效穗數。將待測量的水稻進行脫粒,清除其中的雜質和空秕粒后,利用精度為0.01g天平稱取籽粒的千粒質量,計算結實率[12]。將籽粒置于烘干箱中,在110℃的條件下殺青20min,在80℃的條件下烘干至恒重,測定水稻樣品的平衡水分含量。按照式(2)進行水稻產量的計算,即

W=X·S·L·J·Q

(2)

式中W—理論產量(kg·hm2);

X—每公頃穴數(個);

S—平均穴穗數(個);

L—平均穗粒數(個);

J—結實率(%);

Q—千粒質量(g)。

2.3.4 效益

針對不同處理方式對各組水稻生產效益進行分析。水稻每公頃凈收益為水稻每公頃土地的產值和投入的差值。其中,水稻產值參照當年的水稻市場售價,生產投入主要為水稻種子、化肥、農藥和勞務費等。

3 結果與分析

3.1 出苗率

出苗率是水稻育秧質量的直接體現,出苗率越高,育秧效果越好,育秧成本越低[13-14]。由圖4可知:XD比CK提高了9.1%,XS比CK提高了9.5%,XD和XS間差異不大,說明水稻秸稈營養穴盤對提高種子出苗率具有積極的作用,而阻隔材料對出苗率沒有顯著影響。這主要是因為塑料秧盤依靠秧苗根系相互盤結成毯以便于后續的起苗,因此需要保證充足的播量,而水稻秸稈營養穴盤可隨秧苗一同移栽至田間,且能夠滿足秧盤起盤的強度,所需播種量少,播種密度低,有益于秧苗出苗,改善秧苗素質[15-16]。水稻秸稈營養穴盤吸水性強、保水性好、孔隙度大,便于秧苗根系營養物質的交換,為種子生長提供良好的環境,因此易于種子出苗。

圖4 不同育秧方式出苗率結果

育秧過程中還發現以水稻秸稈營養穴盤為育秧載體,無論采用何種阻隔材料,單盤所需育芽種為100～105g,育秧土為0.8～0.9kg,間隔澆水時長為4～5天,而塑料秧盤單盤需芽種為120～125g,土量為1.5～1.6kg,間隔澆水時長為2～3天。由此可知:以水稻秸稈營養穴盤為育秧載體,可節省芽種12.5%～20%,育秧土30%～50%,延長間隔澆水時長1～2天。

3.2 秧苗素質

水稻秧苗主要素質參數如表1所示。由表1可知:XD組秧苗素質最優,XS組次之,均優于CK組。秧苗的莖基寬用來評價秧苗的健壯程度,壯苗率越高插秧過程中的傷秧率越低,機插質量越高,XD莖基寬比CK和XS多了0.3cm;秧苗株高直接影響水稻插秧的質量,以斷根網為阻隔材料秧苗株高較高,XD株高較CK和XS分別提高了2.3cm和1.8cm;分蘗數是影響作物最終產量的重要指標,XD分蘗數較CK和XS分別增加了0.39個和0.08個。根長和根數用以評價秧苗根系是否發達,根系越發達,移栽后秧苗存活率越高,XD最長根長比CK和XS分別高出1cm和0.9cm,XD平均根數比CK和XS分別多出5.4個和3.2個;秧苗百株鮮重和百株干重用以評價作物營養物質積累的狀況,XD百株鮮重較CK和XS分別重3.05g和2.14g;XD百株干重較CK和XS分別重0.8g和0.51g。

表1 不同育秧方式秧苗素質測量結果

以育秧載體的不同對秧苗根系進行對比分析,如圖5所示。

圖5 秧苗根系對比結果

由圖5可知:以水稻秸稈為育秧載體的秧苗根系盤結成塊,穴缽上部分依靠根系鏈接,下部分分開成穴,彼此獨立,為缽體毯狀盤的結構,便于后續的移栽工作,分苗的過程中對秧苗根系損傷較小。以塑料秧盤為育秧載體的秧苗根系相互盤結,形成毯狀苗結構,秧苗根系整體較緊實,成毯效果好,但移栽過程中對秧苗根系損傷較大,緩苗時間長。

育秧試驗結果表明:水稻秸稈營養穴盤可有效提高育秧質量,改善秧苗素質。這主要得益于水稻秸稈營養穴盤自身可為秧盤成毯提供聯結作用,對播種密度要求較低,為生成壯苗提供足夠的生長空間和良好的生長環境;其次,水稻秸稈營養穴盤可隨秧苗直接插入田間,在自身有機質分解為秧苗生長所需養分的同時,還能緩慢釋放其中的營養成分,為后續干物質積累提供良好的基礎;再次,水稻秸稈營養穴盤具有良好的保水和透氣性,能夠有效促進秧苗根系的生長。

相比于塑料薄膜,以斷根網為阻隔材料秧苗素質有所提高。這主要得益于秧苗根系穿透穴盤底部,穿過斷根網后扎根于苗床土,可汲取土壤中養分和水分,秧苗根系更加健壯。但根系與斷根網纏繞,秧盤起盤時難以將秧盤和斷根網分離,會發生秧盤破損和損傷根系等現象。

總的來說,以水稻秸稈營養穴盤為育秧載體配以塑料薄膜為阻隔材料,在育秧效果和秧苗后續生長環節表現得更為優異。

3.3 產量

按照理論產量計算公式,求出每組理論產量均值并計算其增長率,所得結果如表2所示。由表2可知:產量由高到低的順序依次為XS、XD和CK。其中,XS產量相比于CK提高了5.8%,主要得益于平均穗粒數提高了11.2%;XD產量相比于CK提高了2.1%,除結實率外其余參數均有所改善。

表2 產量測量結果

這主要是因為,水稻秸稈營養穴盤隨秧苗移栽至田間后可緩慢降解,為秧苗生長提供緩釋肥,促進秧苗生長。同時,XS組培育的秧苗根系盤結成穴,移栽過程中對秧苗根系損傷較小,秧苗連帶營養土以穴缽為單位一同移栽至田間,保證了秧苗一定時間內始終生存在相對穩定的微環境中,可有效抵御病蟲和低溫脅迫對秧苗的影響,有利于促進秧苗分蘗,進而增加穗數和穗粒數,最終表現為產量的提升。

3.4 效益分析

水稻栽培是一項高投入、高產出和勞動密集型的工作[20],對各組試驗的產值、投入和凈收益進行了統計分析,結果如表3所示。以當年水稻平均售價2.8元/kg計算,XS每公頃產值相比于XD提高了1 114.5元,相比于CK提高了1 732.5元。同時,由于以水稻秸稈營養穴盤為育秧載體具有省種、省土和節省勞動力等優點,因此在投入方面XD和XS相比于CK每公頃減少了195元。綜合分析可知,XS收益最多,相比于XD和CK分別提高了114.5元/hm2和1 927.5元/ hm2。

表3 效益分析

4 結論

1)依據水稻秸稈營養穴盤生產工藝研發的生產線具有自動化程度高、生產效率高等優點,生產效率可達9 600盤/天。

2)利用水稻秸稈營養穴盤進行育秧,能夠有效改善秧苗素質和養分積累能力,相比于塑料秧盤能夠節省芽種12.5%～20%、育秧土30%～50%,延長澆水時間間隔1～2天。

3)采用以水稻秸稈為育秧載體,塑料薄膜為阻隔材料的育秧形式,可減少秧苗移栽過程中對根系的損傷,縮短緩苗期,改善秧苗素質,提高產值,降低投入,相比于塑料缽育秧盤可增產5.8%,凈收益提高了1 927.5元/hm2。