本發明涉及農作物秸稈資源回收利用領域，具體涉及一種秸稈基有機肥料及其制備和應用方法。
背景技術：
我國農作物秸稈資源豐富，為循環農業發展提供了豐富物質基礎。秸稈肥料化是秸稈資源化有效利用的重要途徑。解決秸稈資源化利用、農田土壤有機質匱乏等問題，是體現節本增效、發展質量效益統一型農業的重要目標。農作物秸稈是重要的農業生產副產物，農作物光合作用產物有一半左右存于秸稈中。秸稈富含有機質和氮磷鉀等多種養分，是一種具有多種用途的可再生生物質資源。因此，作物秸稈處理與資源化再利用要解決的核心技術問題是秸稈肥料化及其應用問題。秸稈資源以肥料的形式歸還土壤，不僅可以為土壤帶回秸稈自身含有的氮、磷、鉀等養分資源，減少作物對化肥的直接需求，而且秸稈自身的有機碳歸還土壤后有利于增加土壤碳庫儲量，改善土壤的物理、化學性狀，保持土壤肥力，又間接減少了農作物對化肥、農藥的需求。同時，減少因燃燒等引起的大氣污染和二氧化碳排放，對于我國發展循環農業、建設低碳經濟方面具有重要的戰略意義。
全國每年產生秸稈8億多t，含氮300多萬t，含磷70多萬t，含鉀近700萬t，相當于目前我國化肥施用量的1/4以上，且含有大量的微量元素和有機質。在現代農業生產水平下，每公頃耕地秸稈還田4500-7500kg，可增產糧食375kg以上，連續三年秸稈還田，土壤有機質增加0.2％-0.4％。我國是糧食生產大國，每年都會產生大量的秸稈，是未被充分利用的資源。而我國耕地中有一半是旱地，干旱缺水、土壤肥力低下，始終困擾著現代農業的發展。因此，作物秸稈肥料化還田應用就成為旱作農業的重要措施之一，也是發展保護性耕作的關鍵措施之一。
作物秸稈的化學成分主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，一般占秸稈總質量的80％～95％，三者相互交織組成植物細胞壁和支持骨架。其中，纖維素38％～44％，半纖維素32％～36％，木質素10％～15％。纖維素、半纖維素和木質素分子之間存在著穩定的復雜鍵型。纖維素和半纖維素或木質素分子之間的結合主要依賴于氫鍵，半纖維素和木質素之間除氫鍵外，還存在著化學鍵的結合。纖維素、半纖維素和木質素相互交織組成植物細胞壁，纖維素、半纖維素被木質素緊密的包裹在其中，微生物及其分解的胞外酶(纖維素酶和半纖維素酶)不易與之結合，成為作物秸稈降解的制約因素。木質素的存在是造成秸稈高留茬或整稈直接還田生物降解難、難以直接利用的根本原因。因此，作物秸稈肥料化應用的首要條件是破壞或者改變木質素的部分結構。另外，我國現階段農業生產的主體作物為稻、麥、玉米。由于長年有機肥施用過少或基本不用，造成土壤結構變差，地力下降，NPK等養分比例失調和化肥效率遞減。因此，作物秸稈的肥料化應用符合農業發展的新形勢要求，可以解決秸稈高留茬或整稈直接還田存在的關鍵技術問題和秸稈廢棄帶來的污染、燃燒形成的公害問題，實現農業持續高效和秸稈變廢為寶。
毋庸置疑，秸稈高留茬或整稈直接還田或與配施化肥(包括缺素肥料)相結合，能夠起到培肥地力，促進良性循環的作用，是農業可持續發展的行之有效之路。然而，單從養分含量表觀判定秸稈還田在土壤培肥中的作用是不夠的，動態地評估秸稈還田的培肥作用，可能更全面、更準確、更切合實際。因為土壤養分的暫貯與礦化釋放，還有土壤團粒結構的形成，都伴隨著土壤生物的作用。土壤的培肥過程在很大程度上就是促進微生物活躍的過程。研究表明，在水稻土中分解1kg稻秸，微生物可固定氣態氮8～10g。據此計算，稻秸還田150kg，土壤微生物約固定1.2～1.5kg的氣態氮素(相當于6～7.5kg硫銨)。因此，可以認為土壤中凈增的氮素除部分來自秸稈外，更主要是由于秸稈促進微生物固氮作用所作的間接貢獻。但是，就秸稈本身而言，NPK等養分含量很低、富含粗纖維，秸稈高留茬或整稈直接還田增加的土壤有機質也是低質量的，雖然其中的NPK等養分元素還田率高達100％，卻為農業生產帶來一系列不利影響。主要體現如下幾個方面：
(1)種植制度的制約。秸稈高留茬或整稈直接還田受限于當前土壤耕作、田間管理、作物收獲等種植制度的制約，還未形成與之相適應的農業生產體系，缺少適合不同區域、不同種植制度下的秸稈還田機制和配套技術。
(2)生物降解時間滯后。秸稈高留茬或整稈直接還田，還田秸稈需要3年時間才能徹底腐爛分解，有機成分和養分才可被充分利用。由于秸稈不能及時腐爛分解，致使土壤過于松散，孔隙度不均或大孔隙過多，導致土壤跑風，嚴重影響秸稈還田后農作物的播種、發芽、幼苗的早期生長以及作物的產量。
(3)連作障礙加劇。秸稈高留茬或整稈直接還田，還田前的秸稈僅為簡單的機械粉碎(鍘短)處理，秸稈長度一般為100-150mm，對秸稈上附著的病原菌和蟲卵不具備滅活的作用，被植入土壤后繁殖蔓延，連作障礙加劇，病蟲害泛濫成災。既或是越冬來年發生也呈加重趨勢，也易發生土壤微生物(即用于秸稈分解與轉化的微生物)與作物幼苗爭奪養分的矛盾，甚至造成作物黃苗、弱苗，最后導致減產。同時，需要大量的人力和資金投入。
技術實現要素：
針對上述技術問題，本發明的目的在于克服秸稈高留茬或整稈直接還田帶來的對農業生產不利的影響，提供一種為土壤生物提供平衡的C/N，同時通過土壤生物的分解、轉化，消耗秸稈自身的有機質轉化為生物活性物質質，礦化、釋放無機養分的一種生態功能性秸稈基有機肥料制備方法，其包括如下步驟：
(1)秸稈原料粉碎和過篩：將秸稈原料采用切片/打片多功能粉碎機進行粉碎，并通過篩分機過篩形成3-8mm長的段狀顆粒，經計量后，通過輸送機配送進入混配系統；
(2)尿素原料破碎和配送：尿素原料通過輸送機配送進入鏈條式破碎機進行破碎，經計量后，由輸送機配送進入所述混配系統；
(3)烘焙、軟化和干燥：所述段狀顆粒秸稈和尿素在混配系統中混配均勻后，由輸送機送入轉鼓式烘干機進行烘焙、軟化和干燥，控制出料口的混合物料溫度80℃-90℃、含水量10％-20％；
(4)成型造粒、冷卻、灌裝和縫包：所述經烘焙、軟化和干燥的混合物料由轉鼓式烘干機出料口輸出，然后通過輸送機配送進入成型造粒機的進料斗，并在進料絞龍作用下將物料壓送到所述造粒機的環模腔內，再由造粒絞龍均勻地將物料擠壓出環模孔板，成形橫斷面直徑為4-8mm的圓柱狀顆粒物料；所述圓柱狀顆粒物料再經過輸送機配送至轉鼓式冷卻機進行冷卻硬化3-5分鐘后，由輸送機配送至計量包裝系統進行灌裝和縫包，即得圓柱狀顆粒秸稈基有機肥料。本發明所述的制備方法，步驟(1)所述秸稈為禾本科作物秸稈，所述禾本科作物為水稻、小麥或玉米中的一種或多種。所述禾本科作物秸稈的C/N為80～100:1，含水量為20％-40％；和/或，所述粉碎機主軸轉速為2900rpm，所述篩分機的篩網目數為2-6目。
本發明所述的制備方法，步驟(2)所述尿素原料的質量為所述作物秸稈原料干基質量的3％-8％。
本發明所述的制備方法，步驟(3)所述轉鼓式烘干機進口熱氣溫度為200℃-300℃。
本發明所述的制備方法，步驟(4)所述成型造粒機為環模式造粒機，其模孔直徑為3-8mm，壓縮比(即物料壓縮前與壓縮后的體積比例)為1:3-6，圓柱狀顆粒物料溫度為130℃-180℃。
本發明所述的制備方法，步驟(4)所述圓柱狀顆粒物料冷卻至40℃以下，再進行灌裝和縫包，完成圓柱狀顆粒秸稈基有機肥料的制備。
具體的，本發明所述方法制備的秸稈基有機肥料，能夠為土壤中的微生物提供足夠的可利用的碳、氮、磷等物質，促進微生物自身的繁殖，促進微生物對土壤礦物質中的養分釋放達到補充土壤養分的效果，從而加速作物秸稈自身的分解與轉化。
其中：
步驟(1)所述作物秸稈高碳氮比(C/N＝80～100:1)，對于作物秸稈直接或高茬歸還土壤，由于微生物的大量增殖而導致微生物從土壤中吸收N素，因而易出現微生物與作物爭N的現象(在土壤學中稱為無機N素的生物固定)。
步驟(2)混配一定量的尿素(秸稈原料干基質量的3％-8％)，調整作物秸稈原料的C/N為25～30:1，目的是避免在土壤中速效N水平較低的情況下，微生物分解秸稈與作物爭奪土壤中的氮素出現因N素不足的“N素饑餓”癥狀，加快作物秸稈的微生物分解與轉化進程。另外，作物秸稈與尿素原料均為有機高分子化合物，兩者具有相容性，為秸稈基有機肥料的制備創造了條件。
步驟(3)的段狀顆粒農作物秸稈在轉鼓式烘干機高溫熱氣的作用下木質纖維素得到軟化和脫水，為后續成型造粒、降低壓縮比創造了條件。尿素原料高溫軟化、呈熔融態，并均勻分布在段狀農作物秸稈顆粒的表面上。
步驟(4)的農作物秸稈、尿素的混合物料在成型造粒機的擠壓作用下呈圓柱狀顆粒，體積縮小7-10倍，密度為0.8-1.35g/cm3，有效地提高運輸和儲存能力，擴大應用范圍。更具體的，由于采用環模、擠壓機械造粒方式，秸稈木質纖維素在造粒倉內的壓輥、模板之間產生的高強壓力作用下，擠壓、磨擦產生大量熱能，使物料溫度上升到130℃-180℃，使秸稈木質纖維素進一步得到軟化、滅菌，解除秸稈中木質素對纖維素和半纖維素的包裹以及致密的纖維素結晶區結構。更進一步的，秸稈木質纖維素在高溫、高壓作用下，其物理結構發生變化，如膨脹迫使秸稈有機高分子木質纖維素斷裂，增加了微生物和酶對秸稈的可及性，提高底物的利用率，加快秸稈分解、轉化和利用進程。另外，秸稈中的木質素屬非晶體，沒有熔點但有軟化點。因此，在一定溫度范圍內適時給予一定的壓力便可使纖維素、半纖維素緊密黏結并與相鄰顆粒相互膠結成型，整個過程無需任何其他粘結劑或添加劑。
本發明還提供了一種所述秸稈基有機肥料的應用方法，其包括以下步驟：
(1)用作基肥：所述秸稈基有機肥料于作物收獲后，以基肥的形式施用，施肥量為100-300kg/畝，施肥方式為撒施或溝施于農田中，然后翻壓于10-20cm深的耕層土壤內；
(2)灌水保墑：所述秸稈基有機肥料施用后一周內，向所述農田灌水，維持田間持水量為60％-70％。
本發明所述的秸稈基有機肥料的應用方法，步驟(1)將秸稈基有機肥料以基肥的形式歸還土壤，秸稈部分經過土壤微生物的發酵、腐解作用，能夠很快地轉化成腐殖質與土壤中的無機膠體構成有機-無機復合體。步驟(2)的田間持水量為60-70％，為土壤微生物活動創造了一個更加適宜的土壤生態環境，進而加快了秸稈的分解與轉化。
另外，本發明所述的秸稈基有機肥料禁止連作重茬。即施用所述秸稈基有機肥料后的農田，其當季作物品種與所述秸稈基有機肥料中的秸稈原料品種不同。秸稈基有機肥料施用后進行連作，病蟲害的發生比常規連作會更加嚴重，如禾本科麥秸基有機肥料施用后的春小麥根腐病和全蝕病都會加重發生；豆科豆秸基有機肥料施用后后茬秋大豆根腐病和蚜蟲發生率明顯提高。因此，凡秸稈基有機肥料的施用，一方面要嚴格實行輪作換茬；另一方面對有些蟲害在施用秸稈基有機肥料過程中還要注意適時用藥進行有效防治，減少病蟲害的發生。
本發明具有的有益效果：
本發明的秸稈基有機肥料以尿素氮平衡微生物固氮，使其兼具著雙重作用，一方面為土壤微生物活動繁殖提供充足的氮源和碳源，微生物發育量增加，被固化的土壤氮素也隨之增加。另一方面為作物提供充足的氮素養分。微生物對土壤保氮、溶磷(提高磷的有效性)、供鉀，無一不起著決定性影響。同時產生的代謝產物、分泌的酶類、激素等及微生物拮抗、生態平衡、凈化、免疫等多種功效，加速改良、培肥和活化土壤，促進作物生長，又無一不起良好作用。秸稈—有機質—腐殖質(富里酸、胡敏酸等)—植物所需的各種養分，經過微生物的再造——復雜的生物化學變化，已發生了質的飛躍。作物秸桿以秸稈基有機肥料的形態間接全量還田，其貢獻遠大于高留茬或整稈直接還田的貢獻。
本發明基于秸稈肥料化間接全量還田方式的技術措施，有效解決了秸稈高留茬或整稈直接還田方式存在的種植制度、生物降解時間滯后、前處理粗糙等的制約因素帶來的關鍵技術問題。本發明提出的秸稈基有機肥料制備方法，工藝簡單、實用、成本低。可有效發揮秸稈有機質對土壤理化性狀的改良效果，可有效發揮秸稈培肥土壤、促進養分循環利用的作用。既可為土壤生物提供足夠的養分或能源物質增強土壤微生物活性，又能夠為農作物提供速緩相繼的無機養分，同時改良土壤、提高土壤的可持續生產能力。具體的，本發明的秸稈基有機肥料的有益效果主要體現在以下幾個方面：
(1)改善土壤的物理結構和土壤的耕作屬性。本發明的秸稈基有機肥料提供的有機質為高質量有機質，不但能夠活化土壤中的營養元素，而且能夠改善土壤的物理結構和土壤的耕作屬性。施用本發明的秸稈基有機肥料，土壤有機質不僅在數量上增加，而且使土壤有機質質量得到提升。其中80％有機質為生物活性物質，這些活性有機物質可以降低土壤的老化程度，有利于土壤養分活化，提高土壤養分供應能力。本發明的秸稈基有機肥料不僅在提供作物所必需的養分元素方面起到十分重要的作用，而且在改善土壤物理和化學性質方面起到不可替代的作用。因為，在土壤結構中形成的有機-無機復合膠體是影響土壤肥力和作物產量高低的決定性因子。
(2)提高土壤透水性和水分利用率。秸稈基有機肥料不僅能夠增加土壤有機-無機復合膠體含量，而且能夠通過改變土壤空隙分布，改善土壤水分的遷移屬性，對土壤中水分的運輸和保持產生本質的影響。施用秸稈基有機肥料有助于阻止土壤輻射程度，保持土壤溫度，防止土壤水分蒸發，降低地表徑流，增加水分在土壤中的截留時間，提高土壤對養分流失的緩沖性，減少土壤侵蝕力度。
(3)活化土壤養分，增加養分儲量。秸稈基有機肥料對土壤的另一個重要貢獻就是能夠為土壤中的微生物提供足夠的可利用的碳、氮、磷等物質，促進微生物自身的繁殖，提高土壤生物活性，從而促進微生物對土壤礦物質中的養分釋放達到補充土壤養分的效果。施用秸稈基有機肥料不但能提高氮素養分的吸收率、減少氮肥損失，而且能促進微生物對土壤磷的釋放，提高土壤中的速效磷含量和總體供磷水平。因此，秸稈基有機肥料對土壤中養分的儲存、轉化等有重要的影響。
(4)提高作物產量。施用秸稈基有機肥料，能夠顯著提高土壤對化學養分的固持能力，提高其有效性。其中，氮素利用率平均增幅18％左右，磷素利用率平均增幅25％左右，鉀素利用率平均增幅7.5％左右，糧食產量平均增幅15％左右。因此，秸稈基有機肥料不僅能夠改善土壤的物理、化學和生物學性狀，而且能夠增加作物產量。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不能用來限制本發明的范圍。若未特別指明，實施例中所用秸稈均為禾本科作物秸稈，所用尿素均為農用氮肥商品。
實施例1
本實施例提供了一種秸稈基有機肥料的制備方法，其包括如下步驟：
(1)計量配料：取含水量為30％的玉米秸稈100kg，采用切片/打片多功能粉碎機進行粉碎、送往篩分機過2目的篩網，形成8mm長的段狀均勻顆粒，經電子秤精確計量后進入混配系統；取尿素7kg，經電子秤精確計量進入鏈條式破碎機進行破碎，再經輸送機配送進入所述混配系統；
(2)預處理：所述玉米秸稈、尿素在混配系統中混配均勻后，經輸送機送入轉鼓式烘干機進行烘焙、軟化和干燥，控制出料口混合物料溫度80℃，含水量18％；
(3)秸稈基有機肥料生產：將所述溫度為80℃、含水量為18％的混合物料經輸送機由轉鼓式烘干機出料口送入環模式造粒機(環模板孔徑7.5mm)進行成型造粒，再經過皮帶輸送機送至轉鼓式冷卻機進行冷卻硬化5分鐘，灌裝、縫包，即得橫斷面直徑為8mm的圓柱狀顆粒秸稈基有機肥料。
本實施例還提供了一種所述秸稈基有機肥料的應用方法：用于小麥基肥，施用量為每畝150kg；施肥方式為撒施于田中，然后機械翻壓于20厘米深的耕層土壤內；并于一周內灌水保墑，使田間持水量為60％。
實施例2
本實施例提供了一種秸稈基有機肥料的制備方法，其包括如下步驟：
(1)計量配料：取含水量為25％的小麥秸稈100kg，采用切片/打片多功能粉碎機進行粉碎、送往篩分機過4目的篩網，形成5mm長的段狀均勻顆粒，經電子秤精確計量后進入混配系統；取尿素3kg，經電子秤精確計量進入鏈條式破碎機進行破碎，再經輸送機配送進入所述混配系統；
(2)預處理：所述小麥秸稈、尿素在混配系統中混配均勻后，經輸送機送入轉鼓式烘干機進行烘焙、軟化和干燥，控制出料口混合物料溫度90℃，含水量10％；
(3)秸稈基有機肥料生產：將所述溫度為90℃、含水量為10％的混合物料經輸送機由轉鼓式烘干機出料口送入環模式造粒機(環模板孔徑5.5mm)進行成型造粒，再經過皮帶輸送機送至轉鼓式冷卻機進行冷卻硬化3分鐘，灌裝、縫包，即得橫斷面直徑為6mm的圓柱狀顆粒秸稈基有機肥料。
本實施例還提供了一種所述秸稈基有機肥料的應用：用于水稻基肥，施用量為每畝200kg；施肥方式為撒施于田中，然后機械翻壓于15厘米深的耕層土壤內；并于一周內灌水保墑，使田間持水量為70％。
實施例3
本實施例提供了一種秸稈基有機肥料的制備方法，其包括如下步驟：
(1)計量配料：取含水量為35％的水稻秸稈100kg，采用切片/打片多功能粉碎機進行粉碎、送往篩分機過6目篩網形成3mm長的段狀均勻顆粒，經電子秤精確計量后進入混配系統；取尿素5kg，經電子秤精確計量進入鏈條式破碎機進行破碎，再經輸送機配送進入所述混配系統；
(2)預處理：所述水稻秸稈、尿素在混配系統中混配均勻后，經輸送機送入轉鼓式烘干機進行烘焙、軟化和干燥，控制出料口混合物料溫度85℃，含水量15％；
(3)秸稈基有機肥料生產：將所述溫度為85℃、含水量為15％的混合物料經輸送機由轉鼓式烘干機出料口送入環模式造粒機(環模板孔徑4.5mm)進行成型造粒，再經過皮帶輸送機送至轉鼓式冷卻機進行冷卻硬化4分鐘，灌裝、縫包，即得橫斷面直徑為5mm的圓柱狀顆粒秸稈基有機肥料。
本實施例還提供了一種所述秸稈基有機肥料的應用：用于玉米基肥，施用量為每畝300kg；施肥方式為溝施于田中，然后機械翻壓于10厘米深的耕層土壤內；并于一周內灌水保墑，使田間持水量為65％。
本發明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普通技術人員而言是顯而易見的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，并且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。