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。     

规模化奶牛场粪污全量贮存及肥料化还田工艺设计

为推进粪污全量贮存和肥料化还田模式在规模化奶牛场的应用，该研究以存栏500头规模奶牛场为例，分析了粪污收集量、贮存工艺与设施和粪肥还田等内容，提出了粪污贮存池设计容积和粪肥还田配套土地面积等参数。结果表明：奶牛粪污全量收集量为17.33 t/d，全量贮存设施分为舍内贮存池和舍外贮存囊2种。单个舍内贮存池尺寸为85 m×12 m×2 m（长×宽×深），粪污存储期9个月，所需贮存池数量为5个，总容积10 200 m3；舍外贮存囊占地尺寸为90 m×30 m（长×宽），深2.2 m，总容积5 615 m3。粪肥全部还田所需土地面积与种植作物类型和种植制度相关，种植作物为小麦、玉米、小麦+玉米和水稻（1年2熟）时，需配套土地分别为248.4、400.6、122.8和127.0 hm2。粪肥还田成本为10.37万元/a，全部还田可节省化肥22.8万元/a，年可产生经济效益12.43万元。     

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。     

施用小麦秸秆或其生物炭对烟田土壤理化特性及有机碳组分的影响

  【目的】  以2年田间定位试验为依托，研究小麦秸秆及其生物炭连续施用对植烟土壤理化性状和有机碳组分的影响，为烟区土壤质量提升提供依据。  【方法】  田间试验在山东省诸城市潮褐土烟田上进行。试验设4个处理，分别为:常规施肥且秸秆不还田(CK)，常规施肥+小麦秸秆还田(FS)，常规施肥+小麦秸秆生物炭2.25 t/hm2 (FB1)和4.50 t/hm2 (FB2)。在烟叶收获后，采集0—20 cm耕层土样，测定了土壤基础理化指标和总有机碳(TOC)、微生物生物量碳(MBC)、热水溶性有机碳(HWC)、活性有机碳(LOC)及轻组有机碳(LFOC)含量，并计算土壤碳库管理指数(CPMI)。  【结果】  连续施用小麦秸秆或其生物炭2年后，FB1和FB2处理TOC含量显著高于CK，增幅分别为74.9%和116.0%，而FS与CK处理间差异不显著。LFOC含量的变化趋势与TOC类似，FB1和FB2处理LFOC含量分别较CK处理显著增加154%和326%。FS处理HWC含量显著高于CK和FB1处理，而与FB2处理差异不显著。与CK相比，FS处理HWC含量增加了107%。FS和FB2处理MBC含量较CK分别增加了252%和144%，而FB1处理与CK相比差异不显著。FS处理LOC含量较CK显著增加了68.9%，而FB1、FB2处理LOC含量与CK相比差异不显著。FS处理还能显著降低土壤容重、增加土壤含水量及有效磷含量，其对部分土壤理化特性的改良效果优于生物炭处理(FB1和FB2)。此外，CPMI也以FS处理最高，较CK显著增加了73.5%，而FB1、FB2处理与CK处理差异不显著。  【结论】  连续秸秆还田有利于提升烟田土壤活性有机碳(MBC、HWC和LOC)含量，降低土壤容重，提高有效磷含量，提高土壤CPMI。而同量秸秆转化为生物炭后连续还田能够提高土壤总有机碳和轻组有机碳含量，更有利于土壤有机碳的长期固存。     

秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同时期土壤酶活性及细菌群落结构的影响

  【目的】  通过研究秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同生育期土壤酶活性和细菌群落结构的影响，揭示土壤细菌群落对不同施肥措施的响应规律，为调节土壤养分，提高作物产量，改善土壤生物功能提供科学依据。  【方法】  基于河南农业科学院原阳试验基地5年连续定位试验，选取不施肥 (CK)、单施化肥 (氮肥基追比1∶1，N)和秸秆全量还田下氮肥基追比1∶1 (SN1)、1∶1.5 (SN2) 和1∶2 (SN3) 共5个处理，于2016年夏玉米抽丝期和收获期采集0—20 cm土壤样品，采用常规方法测定土壤基础理化性质，采用荧光微型板酶检测技术测定土壤酶活性，采用Illumina Miseq高通量测序方法测定土壤细菌群落结构。  【结果】  秸秆还田下氮肥基追比对玉米产量及氮肥利用率产生明显影响，相比于N处理，SN1处理显著增产9.98%；SN1和SN2处理氮肥利用率分别提高9.83、5.10个百分点。在夏玉米抽丝期和收获期，相比于N处理，秸秆还田下各氮肥运筹处理不同程度地提高了土壤pH、有机碳、全氮和速效钾含量，其中均以SN1处理增幅最为明显。在玉米抽丝期，除土壤磷酸酶外，SN1处理土壤酶活性均为最高；SN1处理对收获期土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖甘酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性的促进最明显。细菌群落除抽丝期SN1与CK处理Shanno指数显著高于N处理而Simpson指数显著低于N处理外，其余处理间差异不显著。各施肥处理下门水平和纲水平的主要优势种群均为变形菌门、放线菌门和α-变形菌纲和放线菌纲。线性判别效应分析 (LEfSe) 显示，不同生育期比较，抽丝期最大LDA（linear discriminant analysis) 值为酸杆菌纲，收获期为芽单胞菌纲；而同一生育期各处理间比较，抽丝期各处理最大LDA值均为变形菌门的α-变形菌纲，收获期均为γ-变形菌纲。典范对应分析表明，抽丝期土壤pH (P = 0.002)、有机质含量 (P = 0.004) 和收获期土壤pH (P = 0.03)、硝态氮 (P = 0.036)、速效钾 (P = 0.044) 含量对细菌群落结构产生显著影响。  【结论】  土壤pH、有机碳、硝态氮和速效钾含量是影响细菌群落结构变化的主要因素。秸秆还田条件下，氮肥运筹显著影响土壤酶活性和细菌群落结构，氮肥基追比为1∶1时可显著提升土壤养分含量和酶活性，提高δ-变形菌纲、绿弯菌纲和TK10 (未分类) 相对丰度，从而更有效地促进秸秆分解和转化，发挥有机质调节土壤养分释放、减少养分损失的作用，最终提高玉米产量和氮肥利用率。     

连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响

  【目的】  水稻秸秆和紫云英是稻田系统重要的原位有机肥源，明确长期连续秸秆–紫云英协同还田后水稻增产趋势、养分积累和土壤肥力变化特征，以便对秸秆和绿肥资源进行综合利用。  【方法】  本试验为3年连续大田试验 (2016―2018年)，以双季稻为研究对象，设置3个处理:1）早、晚稻秸秆不还田，冬季不种植紫云英 (CK)；2）早、晚稻秸秆全量还田，冬季不种植紫云英，即秸秆单独还田 (T1)；3）早、晚稻秸秆全量还田，冬季种植紫云英，即秸秆–紫云英协同还田 (T2)。各处理均施用等量化肥。  【结果】  相对于对照，连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田周年轮作下水稻产量分别增加1.93%～9.15%和1.34%～12.48%，且连续秸秆–紫云英协同还田周年增产效果随着试验年份的增加而增加。不同年份间水稻产量变异系数和可持续性指数分析表明，连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田均有利于双季稻持续性高产稳产，其中秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。连续3年6季还田后，秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田对水稻产量的贡献率分别为6.92%和11.10%，其中秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理高76.47%。与产量变化趋势一致，连续秸秆–紫云英协同还田不仅有利于早稻氮、磷、钾养分积累，对晚稻养分积累也有一定的后效作用。与试验初始土壤养分含量相比，2018年晚稻收获后，对照土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别降低了9.03%、11.11%、3.87%和10.57%。而相对于对照，连续秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了20.51%、25.00%、24.16%和20.37%；相对于秸秆单独还田处理有机碳、全氮和有效磷含量分别增加了2.73%、7.14%和14.19%。  【结论】  在双季稻轮作系统中，连续秸秆–紫云英协同还田有利于早稻和晚稻获得高产和稳产，同时增加早稻氮、磷、钾养分积累，提高土壤有机碳、全氮和有效磷含量，是综合利用秸秆和绿肥资源较好的方式。     

秸秆还田对再生稻田土壤有机碳组分的影响

  【目的】  在再生稻系统下，探讨秸秆还田对再生稻田土壤有机质组分及其养分含量的影响。  【方法】  试验设置秸秆不还田(CK)、水稻秸秆半量还田(SH)、水稻秸秆全量还田(SW)和水稻秸秆全量还田配施腐熟剂(SWF)共4个处理，分析各处理土壤有机碳及其组分和土壤速效养分含量。  【结果】  与秸秆不还田相比，秸秆还田能提高土壤有机碳及其组分含量。与CK处理相比，在头季和再生季水稻收获期，秸秆还田处理(SH、SW、SWF)土壤中水溶性有机碳含量分别增加了19.62%～22.63%、20.99%～41.48%；土壤中颗粒有机碳含量分别增加了8.47%～20.62%、24.71%～30.90%；三个施秸秆的处理间土壤总有机碳、胡敏酸和富里酸含量无明显差异。秸秆还田可以改变水溶性有机质结构，使其结构趋于简单。秸秆还田下土壤碱解氮、有效磷、速效钾和铵态氮含量均呈增加趋势；在头季水稻收获期，SWF处理的碱解氮、有效磷和速效钾含量显著高于CK处理。在再生季水稻收获期，与头季稻收获期相比，CK处理土壤速效养分含量呈下降趋势，而秸秆还田下各处理速效养分含量均呈增高趋势。  【结论】  秸秆还田可以提高再生稻田土壤有机碳、颗粒有机碳、水溶性有机碳以及腐殖酸组分的含量，促进水溶性有机质结构的变化，从而有效改善土壤养分的供给能力。     

秸秆还田结合减氮调控旱地土壤硝化潜势维持作物产量的机理

  【目的】  氮肥过量使用所导致的氮素利用率低和环境污染等问题严重影响现代农业生产。研究秸秆还田改善旱地农田土壤性质、提升土壤肥力和氮素利用率的潜力和作用机理，为减少氮肥用量、提高作物氮素利用率和土壤肥力提供科学依据。  【方法】  本研究选取河南许昌潮土和云南曲靖红壤两种典型旱作农田，2016～2018年开展了田间玉米－大麦/小麦轮作定位试验，在两地同时设置以下4个处理:不施氮 (CK)、常规施氮 (N)、减氮20% (80%N)、减氮20%配合秸秆还田 (80%NS)，研究不同处理对土壤养分、土壤硝化潜势和作物产量及氮肥利用率的影响。  【结果】  与N处理相比，80%NS处理可稳定保持麦季抽穗期和玉米季抽雄期两种旱地土壤可溶性有机碳氮养分含量，促进土壤中NH₄+-N的积累并降低了NO₃–-N含量；80%NS处理使潮土和红壤硝化潜势分别降低了5.5%～33.9%和7.8%～37.5%；3年连续减施20%氮肥配合秸秆还田能够稳定产量并表现出一定的增产效果 (11.2%～20.4%)，提高氮肥利用率6.4%～10.3%；而80%N处理会使作物产量下降3.9%～13.4%，氮肥利用率降低1.8%～38.9%。  【结论】  连续3年减少常规氮施用量20%配合秸秆还田，不仅增加了土壤有机碳氮含量，还减缓了土壤的硝化作用，增加了土壤铵态氮积累，实现对作物所需养分的持续供应，因而在维持和提高作物产量的同时，提高了氮肥利用率。单纯降低氮肥用量则有降低作物产量的风险。