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。     

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。     

小麦秸秆长度、覆盖量对坡面产流产沙的影响

为定量研究小麦秸秆覆盖对坡面产沙产流过程及减水减沙效益的影响,采用室内人工模拟降雨试验,研究在降雨强度为90 mm/h时,不同秸秆长度和秸秆覆盖量下的坡面产流产沙特征和产流产沙过程规律,结果表明:(1)在相同秸秆长度下,随秸秆覆盖量增加,产流量产沙量极显著减少(p0.01)。相同覆盖量水平下随秸秆长度增加,产流量显著增加(p0.05),在4.5 t/hm~2覆盖量下产沙量极显著增加(p0.01)。(2)秸秆覆盖坡面的初始产流时间较裸露坡面延迟6.23倍,产流量平均下降19.5%,产沙量下降31.6%。覆盖措施通过保护土壤的结构有效抑制了细沟侵蚀过程向切沟侵蚀发展。产流产沙过程受秸秆长度和覆盖量的交互作用影响,交互效应对产流过程的影响更突出。(3)随覆盖量增加,减水减沙效益极显著增加(p0.01);随长度增加,减水减沙效益分别减少为17.26%,27.97%。不同覆盖条件下的坡面产流量、产沙量和减水、减沙效益均与秸秆长度、秸秆覆盖量呈二元线性关系。(4)在当前试验条件下,当秸秆长度为3～5 cm,覆盖量为4.5 t/hm~2时达到最优减水减沙效益。     

麦秸秆和沼液配施对水稻苗期生长和土壤微生物的调控

研究了等量氮素肥料处理下小麦秸秆全量还田结合化肥(S-CF)、小麦秸秆全量还田结合沼液(S-BS)和全量化肥(CF)处理对水稻幼苗生长、氮磷积累及土壤微生物群落的影响。结果表明,不同施肥处理的水稻幼苗生长明显被促进,其中CF处理的促进效果最好,其次是S-BS处理。S-BS处理的水稻叶片可溶性糖含量明显高于其他施肥处理,其叶片含氮量也明显高于CF处理。CF处理的土壤细菌总量明显高于S-BS处理,而S-BS处理的土壤细菌总量均显著高于对照(CK,不施肥)和S-CF处理;其中CF处理变形菌门细菌相对丰度显著高于其他处理。而CK和S-CF处理的真菌总量明显高于S-BS和CF处理,S-BS处理的真菌总量最低,其中,CK土壤优势真菌子囊菌门、担子菌门的相对丰度显著高于其他处理,S-CF处理土壤的壶菌门真菌相对丰度也显著高于其他处理。S-CF和S-BS处理的细菌Chao1丰富度指数和香农(Shannon)多样性指数要明显高于CF处理和CK,而S-CF处理的土壤真菌的Chao1指数和香农指数要明显高于CK,CF处理的土壤真菌Chao1指数和香农指数最低。秸秆、沼液短期替代化肥的处理下水稻植株生长低于全化肥处理的,但秸秆、沼液、化肥结合施用对水稻幼苗的促生作用依然很明显,尤其是秸秆还田结合沼液灌溉的全量替代化肥处理。全量替代化肥处理下,即秸秆和沼液处理的土壤质量和细菌丰富度及多样性即使在短期施用条件下也被明显促进。     

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。     

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。     

长期化肥配施不同有机肥对土壤和玉米中重金属累积的影响

  【目的】  明确长期化肥配施有机肥对重金属元素在土壤和农作物籽粒、秸秆中积累的影响及其环境效应,为安全高效施肥提供科学依据。  【方法】  在北京市农林科学院新型肥料长期定位试验站进行了为期10年的田间试验,其种植模式为冬小麦–夏玉米轮作,试验处理为不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、氮磷钾 + 鸡粪堆肥的有机肥料 (NPKJF)、氮磷钾 + 污泥堆肥的有机肥料 (NPKWN)、氮磷钾 + 垃圾堆肥的有机肥料 (NPKLJ) 和氮磷钾 + 秸秆粉碎还田 (NPKJG) 共6个处理,施肥处理依据等氮量施肥原则,每季作物施 N 180 kg/hm2、P₂O₅ 90.0 kg/hm2、K₂O 90.0 kg/hm2。在玉米收获后测定了玉米秸秆、籽粒和0—20 cm耕层土壤中重金属全量。  【结果】  添加污泥处理显著提高了土壤中Cd、Hg、As、Cu、Zn的含量,单因子污染指数分别比对照提高了45.10%、150.00%、104.00%、44.60%、65.80%。不同施肥处理对土壤中全量Cd、Cr、Hg、Cu、Zn存在一定的富集效果。各处理重金属单项污染指数在0.02～0.46,远小于1,综合污染指数为0.23～0.36,均小于0.7,试验区土壤重金属均为无污染等级。施用有机废弃物堆肥的处理玉米籽粒Cd、Cu、Zn含量比对照显著增加,各处理间Hg、As、Cr、Pb、Ni含量差异不显著,连续10年定位施肥后试验站土壤以及玉米籽粒中重金属含量均未超标。同一作物不同部位对重金属的富集能力不同,玉米秸秆对重金属的富集能力大于籽粒。玉米籽粒中Pb、Cu、Zn含量与土壤Pb、Cu、Zn含量存在正相关性,玉米秸秆中Cd、Hg、Cr、Ni含量与土壤中Cd、Hg、Cr、Ni含量呈正相关或者显著负相关。  【结论】  在施氮总量不变的前提下,连续施用供试有机堆肥10年后,土壤重金属含量均未超标,土壤重金属单项污染指数在0.02～0.46,综合污染指数为0.23～0.36,无污染风险。只有污泥堆肥需要加强土壤Cd的监测。玉米秸秆对重金属的富集能力大于籽粒。玉米籽粒中Pb、Cu、Zn含量与土壤相应重金属含量存在正相关性,秸秆中Cd、Pb、Hg、Zn与Cr、Ni含量与土壤中相应重金属含量呈正相关,而秸秆中Cr、Ni含量与土壤中相应重金属含量呈负相关。     

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。     

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。