玉米秸稈對水分和養分的吸收效率研究

摘要：為了進一步優化秸稈堆漚前含水量和C/N的調節工藝、減少堆漚時水分與肥料的損失，以玉米秸稈為研究對象，探討秸稈的吸水速率、噴水次數、肥料粒徑與肥料的添加方式（噴淋、混勻、表面覆蓋）4種因素對水分與肥料損失的影響。結果表明：隨浸泡時間的延長，秸稈含水量的變化表現為快速上升、緩慢上升和穩定3個階段；玉米秸稈浸泡1 min時，含水量為53.44%；噴水次數由1次增加到6次，秸稈含水量由45.26%提升至62.31%，而水分損失率由70.01%下降至35.35%；當噴水3次且采用肥料表面覆蓋處理時，大顆粒尿素處理與小顆粒尿素處理相比，堆漚時秸稈的氮含量提高了10.76%，氮損失率降低了43.81%，C/N由30.20降低至27.28；顆粒硫酸銨處理與粉狀硫酸銨處理相比，堆漚時秸稈的氮含量提高了21.32%，氮損失率降低了47.69%，C/N由33.73降低至27.72；相對于噴淋與混勻處理，表面覆蓋處理的秸稈氮含量分別提高了7.10%～13.99%、2.52%～5.03%，氮損失率分別降低了26.82%～37.72%、10.81%～21.61%，C/N分別降低了6.57%～12.20%、2.40%～4.22%。綜上，本試驗中最佳的水分和養分的調節方式為將大顆粒尿素覆蓋于秸稈表面，并噴水3次。

關鍵詞：玉米秸稈；堆漚；含水量；氮損失率

中圖分類號：S141.4" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）19-0266-06

收稿日期：2023-11-19

基金資助：中國農業大學煙臺研究院引導類項目（編號：Z202201）；山東省科技計劃（編號：2019GNC106124）。

作者簡介：刁愛琳（2003—），女，山東棲霞人，主要從事土壤肥料學與農業廢棄物的資源化利用研究。E-mail：1915593106@qq.com。

通信作者：邵 蕾，博士，副教授，主要從事土壤肥料等研究。 E-mail：shaolei6751@163.com。

我國農作物產量居世界首位^［1］，2021年全國秸稈資源量8.65億t，可收集量7.34億t，秸稈利用量6.47億t，綜合利用率為88.1%，其中肥料化利用量占總利用量的比例為60.0%^［2］。

秸稈還田常采用機械化粉碎直接還田^［3］，該方法處理成本低，但國內機械設備普遍存在實用性和可靠性較差的問題^［4-5］，并且秸稈未經處理直接粉碎還田后地下害蟲增多造成病蟲害加重、作物減產等問題^［6-7］。相對于秸稈粉碎直接還田，秸稈堆漚腐熟還田可以殺死秸稈攜帶的蟲卵、病菌及雜草種子減輕作物病蟲草害^［8］。秸稈堆漚腐熟還田可以改善土壤微生物群落結構^［9］，促進作物生長^［10］，改善土壤結構，避免因化肥施用過量造成土壤退化和環境污染^［11］等問題。

為保證發酵的正常進行，秸稈堆漚還田需調節C/N和含水量，控制發酵條件為微生物提供適宜的生存環境^［12］。大量研究表明，秸稈堆漚適宜的C/N一般為（20～35） ∶1^［13-14］，含水量為55%左右^［15-16］ 。秸稈含水量的調節方法包括浸泡和噴水；秸稈C/N的調節方法包括將肥料溶于水溶液后進行噴灑和將肥料與秸稈混勻。李尚蓮將肥料溶解于水中制成溶液，每堆放15～20 cm的秸稈潑灑一定量的肥料溶液^［17］；許威將秸稈用水澆濕后撒施氮肥、攪拌混勻^［8］；賀彪等用水浸泡秸稈后逐層逐份添加氮素肥料^［18］；趙金紅使用3層堆置法（每層 60 cm 左右）撒施尿素等肥料后用水澆透調節C/N和含水量^［19］。通過浸泡的方式調節含水量需將秸稈放入浸泡池中并撈出，此過程耗時耗力且需要嚴格控制浸泡時間，浸泡時間過長可能導致含水量超過最佳堆漚含水量；將肥料溶于水溶液后噴淋可同時調節C/N和含水量，但易造成肥料隨水淋失，需嚴格控制肥料溶液的濃度與噴水速率。

目前已有的研究主要集中于秸稈堆漚的過程控制^［19］和堆漚過程中的氮素損失^［20］，而關于調節含水量與C/N的過程中水分及隨水流失肥料的損失未見報道。為了進一步優化秸稈堆漚前含水量和C/N的調節工藝，減少水分與養分的損失，本試驗通過研究秸稈的吸水速率、分次補水及氮源的不同添加方式，探討調節含水量和C/N過程中的水分及肥料損失，以期為降低秸稈堆漚的人工及肥料成本提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2023年3月在中國農業大學煙臺研究院進行。玉米秸稈采自山東省煙臺市牟平區，將收獲后的秸稈用粉碎機粉碎，挑選未粉碎完全的秸稈并用剪刀剪至3 cm。粉碎后的秸稈風干備用。秸稈理化性質的測定參照NY/T 525—2021《有機肥料》，秸稈含水量為12.8%，碳含量為49.2%，氮含量0.46%，C/N為106.96 。采用尿素與硫酸銨調節秸稈的C/N，其中尿素含氮量46%（大顆粒、小顆粒粒徑分別為3、1.5 mm），硫酸銨含氮量21%（大顆粒粒徑為2 mm，粉狀粒徑為0.15 mm）。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米秸稈的吸水性能試驗

將10 g風干秸稈裝入15 cm×15 cm的40目尼龍網袋中并封口；將網袋放入敞口水箱中加水至沒過秸稈；分別在試驗開始后0、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30 min時取出4個網袋，瀝水至不再滴水后測定含水量。

1.2.2 水添加次數對秸稈吸水效率的影響

將直徑11 cm、高30 cm的PVC（聚氯乙烯）管下端用200目尼龍網包裹，裝入風干秸稈100 g壓實至每個PVC管中秸稈高度一致，將205.22 mL水（100 g風干秸稈達到飽和含水量時需添加的水）分1、2、3、4、5、6次加入。使用噴壺加水，每次加水時間3 min，待PVC管下端不再滴水后再繼續噴水。PVC管下端包裹塑料袋收集滲漏液并根據滲漏液量計算秸稈含水量及水分損失率。

W_l=1-m_w×W_w-m₀×W₀m_t×100%。（1）

式中：W_l為水分損失率，%；m_w為秸稈濕重，g；W_w為秸稈含水量，%；m₀為加水前秸稈重，g；W₀為加水前秸稈含水量，%；m_t為總加水量，g。

1.2.3 肥料粒徑對氮素淋溶的影響

將風干秸稈100 g裝入PVC管中壓實，下端使用尼龍網和塑料袋包裹并收集滲漏液。將大顆粒尿素（U_B）、小顆粒尿素（U_s）、顆粒硫酸銨（S_G）和粉狀硫酸銨（S_P）分別覆蓋在秸稈表面，噴水方式參照“1.2.2”節。將PVC管中的秸稈倒出、混合均勻，稱重并取樣后測定秸稈含水量、碳含量與氮含量，計算水分損失率、C/N和氮損失率。

C/N=m_s×C_sm_s×N_s+m_i+N_i。（2）

式中：m_s為秸稈干重，g；C_s為秸稈碳含量，%；m_i為肥料添加量，g；N_s為秸稈氮含量，%；N_i為肥料氮含量，%。

N_l=m_i×N_i+m₀×N₀×（1-W₀）-m_w×N_w×（1-W_w）m_i×N_i。（3）

式中：N_l為氮損失率，%；m_i為肥料質量，g；N_i為肥料氮含量，%；m₀為裝入PVC管中的秸稈重，g；N₀為添加肥料前的秸稈氮含量，%；W₀為秸稈初始含水量，%；m_w為處理后秸稈濕重，g；N_w為處理后的秸稈氮含量，g；W_w為處理后秸稈含水量，%。

1.2.4 肥料添加方式對氮素淋溶的影響

將100 g風干秸稈裝入PVC管中，下端用尼龍網包裹并用塑料袋收集滲漏液。每個處理添加大顆粒尿素2.91 g或顆粒硫酸銨6.26 g，調節C/N為25 ∶1。肥料的加入方式包括噴淋、表面覆蓋和與秸稈混勻，其中噴淋處理為噴壺噴灑肥料溶液（將肥料溶于 205.22 mL 水中）。將205.22 mL水或肥料溶液分2、3、4次加入，每次加液時間為3 min，待不再滴液后繼續下一次加液。試驗處理見表1、表2。

1.2.5 調節秸稈含水量與C/N的工藝參數驗證

取1 t風干秸稈根據“1.2.4”節確定的最佳肥料加入方式與加水次數分別以尿素和硫酸銨調節C/N，堆體高度為1.7 m，半徑為1.7 m。經過計算1 t風干秸稈達到飽和含水量需加水2.05 t，使用水泵噴灑（通過出口閥開度控制噴水的速率一致），每次噴水時間為20 min，加水時間間隔為1 h。調節含水量和C/N后的秸稈用納米膜（具有透氣不透水的特性）覆蓋，24 h后取距表層0、0.5、1.0 m處的秸稈各0.5 kg，測定含水量、碳含量、氮含量。

1.3 數據分析

試驗數據采用Origin 2021軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 浸泡時間對秸稈含水量影響分析

由圖1可見，隨浸泡時間的延長，秸稈含水量的變化分為3個階段：快速上升階段（0～1 min，含水量從12.80%上升至53.44%）、緩慢上升階段（1～4 min，53.44%～66.66%）和穩定階段（4～30 min，66.66%～71.43%）。秸稈堆漚過程中要求堆漚物料的含水量為55%左右，玉米秸稈浸泡1 min即可達到堆漚的適宜含水量（53.44%）。本試驗中測得玉米秸稈的飽和含水量約為71%；陳廣銀等將秸稈人工切碎至1～2 cm，飽和含水量為82%～84%^［21］；劉春曉等將秸稈切碎至5～7 cm，飽和含水量約為80%^［22］。不同文獻中玉米秸稈的飽和含水量不同，可能與秸稈的粉碎方式、粉碎長度與成熟度等因素有關。

2.2 加水次數對秸稈含水量影響分析

常用調節秸稈含水量的方法包括浸泡和噴淋，而噴淋包括噴水和噴肥料溶液。席永士等每100 kg秸稈噴灑添加100～150 kg水分^［23-24］；沙春燕等用2倍干重的水浸泡秸稈^［25-26］；李尚蓮每100～300 kg 秸稈噴灑45～60 kg肥料溶液^［19］；本試驗中100 g秸稈（含水量12.8%）調節含水量55%時需添加93.78 g水，而考慮到秸稈在噴水過程中的水分流失，噴水量按加水至秸稈飽和含水量計算。

由圖2可知，隨著噴水次數的增多，秸稈含水量呈逐漸上升的趨勢，而水分損失率呈逐漸下降趨勢；分6次加入與1次性全部加入處理相比，秸稈含水量由45.26%提升至62.31%，但后者的水分損失率是前者的1.98倍。噴水3次的秸稈含水量為53.68%，達到堆漚所要求的適宜含水量在55%左右。

2.3 不同肥料粒徑對秸稈水分與氮素吸收的影響分析

不同肥料粒徑對秸稈含水量與水分損失率無影響，但對秸稈中的氮含量影響顯著：相對于小顆粒尿素，添加大顆粒尿素后的秸稈氮含量提高了10.76%，C/N降低了9.67%，氮損失率降低了43.81%；相對于粉狀硫酸銨，添加顆粒硫酸銨后的秸稈氮含量提高了21.32%和C/N降低了17.82%，氮損失率降低了47.69%（表3）。肥料的粒徑越大，表面積越小，噴水時與水的接觸面積越小，溶解越慢，隨水淋失的肥料量則越少；本試驗在噴水第2次時，大顆粒尿素處理與顆粒硫酸銨處理秸稈表面明顯可見肥料顆粒殘留 而小顆粒尿素和粉狀硫酸銨處理未見肥料顆粒殘留。添加尿素后秸稈碳含量高于添加硫酸銨后秸稈，是因為尿素中碳含量為20%。肥料粒徑對處理后秸稈中的碳含量無影響。

2.4 不同氮源添加方式對玉米秸稈氮素吸收率的影響分析

玉米秸稈的C/N一般為50～120^［27-28］，需通過添加氮素肥料（尿素、硫酸銨等）調節C/N至25 ∶1左右，肥料的添加方式包括以水溶液^［19］或固體形式^［27］加入。

對于同一種肥料而言，在相同添加方式但不同加水次數處理間，加水次數越多，含水量越高，水分損失率越低，秸稈的氮含量越高，C/N越低，氮素損失率越低（表4、表5）。

加水次數相同的3種肥料添加方式間含水量和水分損失率差異不顯著；但表面覆蓋處理的秸稈氮含量高于噴淋與混勻處理，C/N和氮損失率則相反。這是因為相對于噴淋處理，表面覆蓋處理中的肥料為固體，肥料溶解后才能隨水流失；表面覆蓋處理中的肥料集中于表面，噴水后表層的肥料溶解并逐漸向下遷移，最終通過整個秸稈柱由底層流出PVC管；而混勻處理中PVC管內秸稈底層的肥料可直接通過尼龍網隨水流失。所以表面覆蓋處理的秸稈氮含量高于混勻處理，C/N和氮損失率則相反。

肥料表面覆蓋處理并噴水3、4次，秸稈含水量均約為55%。尿素表面覆蓋處理并噴水3次時，C/N 為29.29，噴水4次時，C/N為28.27；硫酸銨表面覆蓋處理并噴水3次時，C/N為28.07，噴水4次時，C/N為27.61。本研究結果均符合堆漚的最佳含水量和C/N范圍。為節約勞動力和時間成本，本研究的最佳噴水次數為3次。

2.5 秸稈堆肥驗證試驗驗證情況

將大顆粒尿素和顆粒硫酸銨覆蓋在秸稈表層、噴水3次調節C/N和含水量。尿素處理和硫酸銨處理3個層次的C/N分別為27.02～28.64和26.29～27.50，含水量分別為51.93%～54.12%和51.49%～54.24%（表6），均符合堆漚的C/N和含水量要求。

3 討論與結論

PVC管噴淋試驗表明，肥料粒徑越大，溶解越慢，則氮損失越少；噴水過程中，增加噴水次數減少了水分和肥料損失。肥料損失率及其溶解速率與肥料粒徑、肥料品種、噴水速率、水溫等因素相關。增加噴水次數雖然可以減少水分損失，但增加了人工成本。

將秸稈放入水池浸泡后取出，再與肥料混合，雖然可以避免肥料隨水流失^［8，17］，但是在實際應用過程中需將秸稈搬運2次，運送至水池再取出，然后再與肥料混合，此過程增加了時間和勞動力成本。因此，秸稈堆漚時一般采用秸稈與肥料混合后再噴水的方式。

將肥料溶于水后噴淋至秸稈，減少了秸稈與肥料混合的環節，但相對于常規方法，此方法增加了肥料的損失率。本試驗中噴淋處理相較于混勻處理和表面覆蓋處理，氮損失率分別增加了17.13%～32.48%、36.64%～60.57%。表面覆蓋處理相較于噴淋處理和混勻處理，氮含量分別提高7.10%～13.99%、2.52%～5.03%，氮損失率分別降低了26.82%～37.72%、10.81%～21.61%，C/N分別降低6.57%～12.20%、2.40%～4.22%。原因可能為覆蓋于秸稈表面的肥料，在噴水過程中存在溶解并由表層向底層遷移的過程。

氮損失率除了受肥料粒徑、噴水次數、肥料添加方式影響，還與秸稈類型、粉碎程度等因素有關。本試驗中秸稈堆肥驗證試驗顯示，采用將大顆粒尿素、顆粒硫酸銨覆蓋于秸稈表面并噴水3次的方法，秸稈的含水量和C/N堆漚原料理化性質符合發酵的最佳含水量和C/N范圍。但在實際應用中應根據當地秸稈類型、粉碎程度、所購置的化肥品種、粒徑、水溫等因素確定合適的肥料添加量及水分添加量。

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