农业工程科技创新推进农业绿色发展

农业绿色发展是农业发展观的一场深刻革命。该文全面论述了农业工程科技创新对农业绿色发展的重要作用,深入分析了中国在农业资源利用、产地环境治理、生态系统保育和农产品绿色供给等方面取得的成效和存在的问题。提出了围绕农业绿色发展,农业资源监测、水土资源利用、农业投入品使用、农业机械化和农业废弃物资源利用等农业工程科技创新的前沿进展和主攻方向。从强化农业绿色发展理念、建立技术创新与推广体系、完善标准体系和加强政策支持4个方面提出了政策建议。该文可为农业绿色发展背景下农业工程科技研发提供重要的指导和参考。     

生物炭对向日葵秸秆热解特性及气体产物影响

为了研究生物炭对向日葵秸秆热解的影响,以向日葵秸秆为原料,基于TG-FTIR研究生物炭添加前后向日葵秸秆热解特性与气体产物的变化。结果表明,与向日葵秸秆相比,混合样品主热解区间由276~349℃变得更长,并且发生不同程度的偏移,热解活化能不同程度降低,由60.21降到38.07~50.35 kJ/mol,呋喃类、酸类、含羰基类化合物、芳香醛类、CO、CH4等产物吸光度值存在差异。随着添加500℃制备生物炭比例增加,混合样品热解的活化能减小,释放气体产物中芳香醛类释放量增量减少,CO与CH4释放量降低。添加不同制备温度的生物炭,混合样品热解产生呋喃类、酸类、含羰基类化合物释放量均有所降低;添加500和700℃制备的生物炭,混合样品热解气体产物中芳香醛类增加。添加900℃制备的生物炭,向日葵秸秆热解气体产物中CO产量增加。该研究为向日葵秸秆的有效利用提供理论基础和技术支撑。     

基于Kjeldahl与Dumas方法的农作物秸秆总氮含量分析

凯氏定氮法(Kjeldahl)与杜马斯燃烧法(Dumas)是测定农业生物质总氮含量的主要检测手段,但二者的测定结果数值存在差异。该研究获取农作物秸秆样本(水稻、小麦、玉米、油菜和棉花)共计1 179个,分别采用Kjeldahl和Dumas方法测定总氮(TKN和TCN,total Kjeldahl nitrogen and total combustion nitroyen)含量,通过多种统计与分析方法,系统分析比较了不同农作物秸秆总氮含量及其分布的异同和相关关系。结果表明:不同农作物秸秆氮含量分布均呈非正态分布,建议采用中位数统计;5种秸秆总体的TKN质量分数为(7.12±1.87) g/kg,TCN质量分数为(8.00±2.13) g/kg,TKN含量显著小于TCN含量;小麦和棉花秸秆的TKN含量和TCN含量与其他秸秆间均存在显著差异(P <0.05);不同生物质TKN含量与TCN含量关系不同,建议采用最小中位数二乘法进行拟合分析。研究结果可为农作物秸秆科学利用提供数据及方法互通性支撑。     

种植绿肥与稻秸协同还田对单季稻田土壤有机碳库和酶活性的影响

种植绿肥和秸秆还田是稻田土壤培肥的重要措施。研究江汉平原单季稻田冬闲期种植绿肥及稻秸不同利用模式对土壤有机碳库和土壤酶活性的影响,为合理利用秸秆和土地资源提供科学依据。该研究基于3 a田间定位试验,以稻秸不还田不种绿肥(CK1)和不施肥空白(CK0)为对照,分析了冬闲期稻秸全量覆盖单独还田(RSM)、稻秸原位焚烧还田(RSB)、单种绿肥(GM)以及稻秸全量覆盖与种植绿肥协同还田利用(RSM+GM)等处理模式下土壤有机碳各组分含量、碳库管理指数、酶活性的变化及其与水稻产量的关系。结果表明:与CK1和CK0相比,RSB处理3 a后显著降低了土壤稳态有机碳含量,对土壤总有机碳、活性有机碳含量以及碳库管理指数均无显著影响;而GM、RSM及RSM+GM处理3a后显著提高了土壤活性有机碳含量、碳库指数、碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数,尤其是RSM和RSM+GM处理还可显著提高土壤总有机碳含量,且多数指标均以RSM+GM处理增幅为最大,其次是RSM处理。与CK1相比,RSB处理3a后显著提高了过氧化氢酶和蔗糖酶活性,但对土壤脲酶活性无显著影响;而RSM、GM及RSM+GM处理模式3 a后均可显著增加土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性,其中RSM+GM处理模式在1 a后即可显著提高土壤脲酶活性,2 a后显著提高土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性,3 a后土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性增幅均是最大。相比于CK1,RSM和RSB处理模式3 a的稻谷增产效果均不显著,而GM和RSM+GM处理模式连续3 a显著提高了稻谷产量,增幅分别为6.88%～11.67%和6.00%～13.40%。相关性分析表明,土壤总有机碳、活性有机碳、碳库管理指数、土壤酶活性与水稻产量之间均呈极显著正相关关系。综上,在江汉平原单季稻作条件下,冬闲期稻秸全量覆盖还田或种植绿肥均可改善土壤肥力,增加作物产量,但前者更有助于土壤有机碳积累,后者更利于作物产量提升。为了兼顾秸秆资源利用、土壤质量改善和作物增产稳产,稻田冬闲期稻秸全量覆盖与种植绿肥协同还田利用模式是一种较好的选择。     

耕作方式与秸秆覆盖对夏玉米根系分布及产量的影响

为探究夏玉米根系分布及水分利用效率对不同耕作结合秸秆覆盖模式的动态响应,于2017年和2018年在河套灌区开展不同耕作模式田间试验。试验设置,常规(CK)、秸秆表覆(BF)、深翻结合秸秆深埋(SM)和深翻结合秸秆深埋与表覆(BFSM)4种处理。结果表明,BF处理显著提高水平向根长密度,较CK处理高24.7%,SM、BFSM处理显著提高深层根长密度,较CK处理高23.8%;2017年夏玉米根长密度与标准化根深呈显著的三阶多项式函数关系,用2018年实测值率定效果较好,可较好描述不同耕作模式根长密度分布。BF、SM、BFSM处理较CK处理根冠比显著提高3.8%、20.8%、26.4%(P<0.05),较CK处理夏玉米产量及水分利用效率分别显著提高8.6%、19.5%、19.7%和13.6%、32.3%、34.8%(P<0.05),SM与BFSM处理差异不显著。该研究为河套灌区农业耕作模式提供一定借鉴。     

小麦秸秆热解过程中碳和微量元素迁移转化规律

为研究小麦秸秆热解过程中碳元素和微量元素的迁移转化规律,依托连续式作物秸秆分段均匀炭化联产系统,基于热解炭化生产工艺,测算及分析碳元素在秸秆热解过程中的存在形式及迁移转化量,利用HSC Chemistry软件模拟微量元素在秸秆热解炭化过程中的组分变化,分析了8种微量元素的迁移转化规律,为生物质热解机理的进一步研究提供支撑,为提高秸秆热解炭品质提供强有力保证。结果表明:经测试及测算得到的碳元素迁移足迹图符合碳元素质量守恒定律,碳元素迁移到热解炭中41.12%,以固定碳存在;22.83%迁移到焦油中,以大分子长链烃和环链烃存在;26.62%的碳元素以六碳内的短链烃存在于热解气;4.71%迁移到木醋液中为醛、酮、酸等。小麦秸秆中含量在100μg/L以上的8种高富集微量元素里,K、Na、Ca、Mg主要以硫酸盐、磷酸盐及氯化物形式存在于热解炭中,Al、Fe多以氧化物、硫化物以及硅、氧共融物形态被大量保留在热解炭中,而P、S元素在热解炭化过程中的析出主要是有机结合物的分解。     

苜蓿秸秆压缩仿真离散元模型参数标定

为了提高苜蓿秸秆压缩过程中离散元仿真研究所用参数的准确度,该研究采用物理试验和仿真优化设计相结合的方法对离散元仿真参数进行标定。首先,以接触参数物理试验结果为仿真参数选择依据,利用Plackett-Burman试验对初始参数进行显著性筛选,方差分析结果表明,苜蓿秸秆-苜蓿秸秆静摩擦系数、苜蓿秸秆-苜蓿秸秆滚动摩擦系数、苜蓿秸秆-45钢静摩擦系数对仿真休止角影响显著。进一步以休止角的相对误差值为评价指标,对3个显著性参数进行最陡爬坡试验,优化显著性参数取值范围,并基于Box-Behnken试验建立休止角与显著性参数的二阶回归模型,以物理试验得到的38.88°休止角为目标值,对显著性参数进行寻优,得到最优组合:苜蓿秸秆-苜蓿秸秆静摩擦系数为0.45、苜蓿秸秆-苜蓿秸秆滚动摩擦系数为0.08、苜蓿秸秆-45钢的静摩擦系数为0.54。最后利用T检验得到P0.05,表明仿真休止角与物理试验值无显著性差异,验证了最优参数组合的可靠性。研究结果表明,应用上述各优化试验来标定离散元仿真参数是可行的,同时标定的参数可为苜蓿秸秆的其它仿真试验提供参考。     

盐碱地玉米产量及土壤硝态氮对深松耕作和秸秆还田的响应

【目的】盐碱地是我国重要的土地资源,研究合理可行的耕作技术和培肥措施,为提高产量和实现盐碱地农业可持续发展提供理论依据。【方法】2014-2017年,在山东省滨州市无棣县的盐碱土上,以玉米为供试作物,连续进行了4年田间试验。试验采用裂区设计,以耕作方式为主区,分别设夏季旋耕15 cm (R)和旋耕后再深松35 cm处理(S);副区为冬季秸秆还田量,设秸秆半量还田(3350 kg/hm^2,B)和秸秆全量还田(6700kg/hm^2,Q)两个用量,以无秸秆还田为对照。所有处理的养分总量保持一致。开花后每隔10天取样1次,直到收获期,测定植株干物质和穗位叶硝酸还原酶活性。在玉米小口期、开花期及收获期,取0-100 cm土层样品,每10 cm为一层,测定了土壤硝态氮含量及累积量。【结果】各生育期玉米干物质积累量和产量在两个耕作方式间的差异不显著,与秸秆半量还田相比,秸秆全量还田处理开花期前干物质量较少,但在开花期时,已经开始赶超秸秆半量还田的处理。在收获期,秸秆全量还田处理的干物质量显著高于秸秆半量还田处理的干物质量,4年中的提高幅度为8.6%~9.7%,秸秆全量还田处理的籽粒产量显著优于秸秆半量还田处理(P <0.05)。4年干物质积累量,SQ处理平均比SB、RQ和RB分别提高2.5%~7.3%、1.6%~4.2%和7.6%~20.3%。深松与秸秆全量还田有明显的正耦合作用,秸秆全量还田与深松耕作相结合有利于籽粒产量的提高,与其他处理差异显著(P <0.05)。相同耕作方式下,4年中秸秆全量还田处理的平均硝态氮含量在小口期低于秸秆半量还田,在开花期显著高于秸秆半量还田,但在收获期又显著低于秸秆半量还田的处理,硝态氮累积量平均降低17.9%(P <0.05)。在4年中深松耕作处理的0-100 cm平均硝态氮累积量比旋耕处理的显著降低8.9%。【结论】在供试盐碱地土壤条件下,秸秆全量还田结合浅旋耕后再深松的效果最好,可提高玉米产量,减少土壤中硝态氮的累积。     

栽插和秸秆还田方式对水稻氮素吸收利用和产量的影响

【目的】秸秆还田方式影响土壤和肥料中养分的有效性,本研究通过比较不同还田方式下水稻产量、氮素吸收利用的差异,为水稻人工插秧和毯苗机插技术选择适宜的秸秆还田方式提供依据。【方法】本试验于2016-2018年在成都温江四川农业大学水稻研究所试验田进行,以籼型三系杂交稻F优498为试验材料,采用两因素裂区设计,主区为秸秆不还田(S0)、覆盖还田(S1)和翻埋还田(S2) 3种还田方式,副区为人工插秧(HT)和毯苗机插(MT) 2种栽插方式,氮肥用量为N 135 kg/hm^2,按基肥∶蘖肥∶促花肥∶保花肥=3∶3∶2∶2的比例施用。磷肥(过磷酸钙)用量为P2O5 90 kg/hm^2,作基肥一次施入;钾肥(氯化钾)用量为K2O 150 kg/hm^2,施用比例为基肥∶穗肥=7∶3。分别于分蘖盛期、拔节期、齐穗期和成熟期采集茎鞘、叶和穗样品测定干物重和氮含量,计算不同时期氮素积累、转运及氮素利用效率。【结果】秸秆还田方式对人工和机械插秧水稻产量、植株氮素积累及氮素利用具有显著影响。1)与S0相比,S1、S2处理提高了水稻产量,抑制了水稻分蘖盛期氮素积累,促进了拔节期至成熟期各器官及植株氮素积累,提高了植株氮含量,S1效果优于S2,且S1提高了氮素茎鞘转运量(44.1%)、茎鞘转运率(10.2%)、叶片转运量(23.5%)和穗氮增加幅度(21.2%),S2仅提高了氮素茎鞘转运量(24.7%)、茎鞘转运率(6.5%)和穗氮增加幅度(16.7%)。氮肥农学效率和氮素回收率表现为S1> S2,但S1、S2氮素的稻谷生产效率均有所降低。2)分蘖盛期至拔节期,HT处理的水稻各器官氮素积累、各时期植株氮素积累、氮素转运和产量均大于MT处理的,氮素回收率则显著低于MT处理的。秸秆还田方式对不同栽插方式氮素积累和转运的影响程度不一,分蘖盛期HT处理的氮素积累以S2处理最小,MT处理则以S1最小。两种栽插方式下拔节期至成熟期氮素积累和转运量、氮肥农学利用率及吸收利用率均以S1处理最大。【结论】从提高水稻产量和氮素利用率来看,人工插秧和毯苗机插均适宜采用小麦秸秆覆盖还田模式,并以覆盖还田结合人工插秧方式为最佳。     

秸秆和地膜覆盖对黄土高原旱作小麦田土壤团聚体氮组分的影响

利用田间定位试验研究旱作农田不同覆盖措施对土壤团聚体氮组分的影响。基于黄土高原8年冬小麦覆盖定位试验,试验设置生育期秸秆覆盖(SM)、生育期地膜覆盖(PM)和无覆盖对照(CK)3个处理。采用干筛法测定团聚体分布特征及不同粒径团聚体中全氮(STN)、微生物量氮(MBN)和潜在可矿化氮(PNM)含量。结果表明:(1)与CK处理相比,2种覆盖处理均未在各粒径团聚体全氮含量有显著变化,但SM处理相较于PM处理提高了0—10 cm土层的1.00～0.25 mm粒径团聚体STN含量(12.88%,P0.05)。(2)与CK处理相比,SM处理在0—10 cm土层中2.00,2.00～1.00,0.25 mm粒径团聚体MBN含量分别提高18.67%,24.05%,20.08%(P0.05),且各粒径团聚体PNM含量分别提高35.13%,30.03%,42.88%(P0.05);SM处理在10—20 cm土层中2.00 mm粒径团聚体MBN含量提高23.02%(P0.05),分别提高2.00,2.00～1.00,0.25 mm粒径团聚体PNM含量28.59%,31.31%,32.48%(P0.05)。(3)PM处理较CK处理提高0—10 cm土层中0.25 mm粒径团聚体PNM含量(32.34%,P0.05)。(4)微团聚体(0.25 mm)氮组分含量均高于大团聚(0.25 mm)氮组分含量,但大团聚体氮组分贡献率为81.88%～87.66%。可见,SM处理可提高土壤表层大团聚体氮组分的贡献率,使更多的氮素储存在大团聚体中,而PM处理对团聚体氮素贡献率的影响作用较小。总体而言,与CK和PM处理相比,SM处理可提高总土壤氮组分含量,提高微团聚体和大团聚体氮组分含量,使更多的氮储存在大团聚体中,促进土壤氮素周转。