几种农业废弃物堆腐基质理化特性及在园林覆盖和栽培上的应用

论文摘要

由于泥炭资源大量减少,开采泥炭对湿地生态造成严重破坏,限制泥炭使用的压力越来越大,泥炭替代物研究成为基质国际研究热点。国外学者根据各国家国情用城市垃圾有氧腐解物、树皮、木材纤维等作为泥炭替代物并对其特性进行了研究。我国有着大量的农业废弃物,资源浪费严重并引起污染问题,把其开发为泥炭替代物可以大幅度降低基质成本,具有重要的研究意义和研究价值。另外,国内基质理论研究相对滞后,目前基质研究仅限于基质的简单配比及对植物的影响等,有必要对基质的性质进行深入研究,只有明确了其性质,才能在配比及管理方面有的放矢。本研究对农业废弃物进行堆腐处理,应用国际上基质通用研究方法并借鉴土壤学研究方法,深入研究农业废弃物堆腐基质的理化特性并加以改良,为其代替泥炭在无土栽培中应用提供理论和技术支持,并进行了农业废弃物腐解基质在园林覆盖和栽培上应用研究。结果表明:（1）堆腐开始后,各种材料温度均迅速升高,较短时间后又较快的下降,不同材料温度上升的快慢及最高温度差异很大,翻堆可提高堆体的温度;玉米秸秆整个腐解过程均不需加水,小麦秸秆堆制前吸水特别困难,腐解较短时间后吸水就变得很容易,棉花秸秆失水较快,腐解过程中需要不断加水,而大豆秸秆和菇渣只需前期加水;在堆腐的过程中,各种材料持水孔隙度均有所增加;玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆pH值变化均呈现出先降低后升高然后降低的趋势,菇渣和棉花秸秆表现为先升高后降低,但两者曲线有所不同;各种材料的电导率（EC值）均表现出先升高后降低的变化趋势;菇渣抗分解能力最强,双子叶植物秸秆比单子叶植物秸秆抗分解能力强,单子叶植物腐解过程中体积和重量减少较多;随着腐解过程的进行,容重都不同程度的增加;各种材料的NH4+ N和全N都是前期升高,后期降低,而碳氮比（C/N）均呈下降的趋势;各种材料经过不同的腐解期后,腐解基质发芽指数（GI）很快升高,GI后期接近或超过100%。（2）玉米秸秆、小麦秸秆基质容重较小、通气性较强,而大豆秸秆和棉花秸秆基质容重较大,持水孔隙相对较多;玉米秸秆和小麦秸秆基质比大豆和棉花秸秆基质易利用水较多,缓冲水容量较少;最大吸湿量和同一压力下的含水量以质量含水量表示时随着粒径的增大而增大,以容积含水量表示时随着粒径的增大而减小;玉米秸秆和小麦秸秆基质初始含水量较低,前期蒸发较快,大豆秸秆和棉花秸秆基质初始含水量较高,持水能力较强;加入保水剂不能降低秸秆基质的蒸发速率,但是可以提高其容器持水量和蒸发过程中的含水量;四种秸秆基质毛管水上升高度有较小的差异,粒径越小,毛管水上升越快;玉米秸秆和小麦秸秆基质渗透系数分别为74.81 mm·s-1和99.09 mm·s-1,而大豆秸秆和棉花秸秆基质的渗透系数分别为22.82 mm·s-1和23.50 mm·s-1,粒径变化对渗透系数有较大影响,蛭石可以减小各秸秆基质的渗透系数,但是对小麦秸秆和玉米秸秆基质影响较大,对大豆秸秆和棉花秸秆基质影响较小,随着基质的分解,渗透系数会不同程度的下降。（3）小麦秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆及棉花秸秆基质的pH值分别为6.12、6.58、7.64和7.42,只有小麦秸秆pH值在理想范围5.5～6.5之间,玉米秸秆基质的pH值稍微偏高,大豆秸秆和棉花秸秆基质的pH值明显偏高;堆腐过程中加入硫磺粉可以使秸秆基质pH值降低,但基质的电导率（EC值）也明显增加;由于泥炭的pH值和EC值均较低,秸秆基质与泥炭混合后,秸秆基质的pH值和EC值均显著降低;用稀H2SO4可以将秸秆基质的pH值调低,随浇水次数的增加,其pH值以较快的速率回升;FeSO4·7H2O也可以使秸秆基质的pH值调低,但大豆和棉花秸秆基质需要加入的量较多;秸秆基质淋洗两次后,其EC值均达到理想范围（<2ms/cm）;各种秸秆基质EC值的空间分布在含水量较少的情况下差异显著。秸秆基质中含有较多的初始养分,淋洗可以使大量元素含量减少,但对中微量元素含量影响不大。小麦和玉米秸秆基质以质量表示的CEC较大,而以体积表示的CEC以小麦秸秆基质的为最小;粒径变化对秸秆基质CEC的影响依据质量表示和依据体积表示有所不同。小麦秸秆基质抗淋溶作用较弱,淋出养分较多,其他三种秸秆基质抗淋溶作用较强,大豆和棉花秸秆基质前期淋出的养分相对较少,后期相对较多。（4）为了研究菇渣作为泥炭替代物的可行性,试验比较了菇渣与泥炭的理化性状,并对菇渣生长障碍因素进行了分析和调节。结果表明:菇渣大粒径较多,透气透水性较好,持水孔隙比泥炭少,蒸发反而比泥炭慢;菇渣毛管水上升速较快,加湿润剂对其作用不明显;菇渣水分特征曲线与泥炭相似;菇渣保肥性能较弱;菇渣EC值偏高,而泥炭较低,可通过淋洗方式降低菇渣的EC值;菇渣pH值偏高,可以通过添加硫磺粉、稀硫酸以及与泥炭等低pH值材料混合的措施解决。（5）有机废弃物腐解材料园林覆盖可以明显降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高土壤的渗透性能、减少蒸发、减少水土流失;有机废弃物腐解材料地面覆盖后地温日变化平缓,变幅明显减小,地面覆盖后年变化变幅明显减小,春季升温减慢;有机废弃物半腐解材料地面覆盖抑制杂草效果非常理想,如果覆盖厚度适宜,基本可以完全抑制杂草的生长;有机废弃物半腐解材料地面覆盖后明显提高表层土壤有机质含量和养分含量,但不同材料及不同厚度覆盖之间有所差异;玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆分解较快,以小麦秸秆分解最快,棉花秸秆、菇渣分解较慢,菇渣分解最慢;有机废弃物半腐解材料地面覆盖可以显著促进园林植物的生长。（6）农业废弃物堆腐基质与传统土壤栽培相比可以大大促进园林植物的生长;农业废弃物腐解基质通过淋洗、筛分法减小粒径、与泥炭混合等措施可以提高种子的发芽率;大多数农业废弃物腐解基质与泥炭配比可以起到取长补短的作用,从而促进植物生长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 1 前言
• 1.1 基质概述
• 1.1.1 基质的概念和术语
• 1.1.2 对“人造土壤”的需求
• 1.1.3 基质配方
• 1.1.4 中国发展无土栽培的空间和趋势
• 1.1.5 世界及中国无土栽培发展的机遇
• 1.2 基质的主要特性研究及其进展
• 1.2.1 基质的物理性质研究
• 1.2.2 基质的化学特性和稳定性研究
• 1.2.3 使用过基质和废弃营养液的处理研究
• 1.3 泥炭（peat）及其泥炭替代物（peat substitute）研究
• 1.3.1 泥炭及其相关研究
• 1.3.2 泥炭替代物的研究
• 1.4 理想基质的特性研究
• 1.4.1 微酸性pH 值
• 1.4.2 高CEC
• 1.4.3 较低的固有养分
• 1.4.4 大小孔隙平衡
• 1.4.5 基质中无有害物质
• 1.5 基质标准化及其分析方法研究
• 1.5.1 基质标准化研究
• 1.5.2 基质的分析方法研究
• 1.6 堆腐过程研究进展
• 1.6.1 常用的堆腐系统和方法
• 1.6.2 腐解过程中条件控制与性质变化
• 1.7 园林地面覆盖（mulch）及其进展
• 1.8 本研究的研究思路和技术路线
• 1.8.1 研究思路
• 1.8.2 技术路线
• 2 试验材料与方法
• 2.1 试验材料及其制备
• 2.1.1 堆制原材料与堆制方法
• 2.1.2 基质和园林地面覆盖试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 腐解过程中理化性质的变化测定项目与测定方法
• 2.2.2 基质性状测定方法
• 2.2.3 园林地面覆盖试验的试验区概况与试验方法
• 2.2.4 基质园林植物栽培试验方法
• 3 结果与分析
• 3.1 几种农业废弃物腐解过程中理化性质的变化研究
• 3.1.1 腐解过程中温度的变化
• 3.1.2 腐解过程中水分和持水孔隙的变化
• 3.1.3 腐解过程中pH 值和电导率的变化
• 3.1.4 腐解过程中腐解材料的分解速率研究
• 3.1.5 腐解过程中氮和碳氮比（C/N）的变化
• 3.1.6 腐解过程中发芽指数（GI）的变化
• 3.1.7 小结
• 3.2 秸秆堆腐基质物理特性研究
• 3.2.1 秸秆等基质粒径、容重、孔隙度比较
• 3.2.2 秸秆等基质水分特征曲线
• 3.2.3 不同基质及基粒径对基质最大吸湿量的影响
• 3.2.4 秸秆等基质蒸发速率
• 3.2.5 秸秆等基质毛管水上升高度
• 3.2.6 秸秆等基质渗透系数
• 3.2.7 小结
• 3.3 秸秆堆腐基质化学特性研究
• 3.3.1 秸秆堆腐基质原样及淋洗后的pH 值和电导率
• 3.3.2 秸秆堆腐基质腐熟期间加硫磺粉对基质pH 和EC 的影响
• 3.3.3 与泥炭混配对秸秆淋洗基质pH 值的影响
• 3.3.4 与泥炭混配对秸秆基质EC 值的影响
• 2SO₄ 对淋洗基质pH 的影响'>3.3.5 稀H₂SO₄ 对淋洗基质pH 的影响
• 4·7H₂0 对基质pH 值的调节作用'>3.3.6 FeSO₄·7H₂0 对基质pH 值的调节作用
• 3.3.7 淋洗次数对秸秆基质电导率的影响
• 3.3.8 基质电导率的空间分布特征
• 3.3.9 秸秆基质养分分析
• 3.3.10 秸秆基质保肥性分析
• 3.3.11 小结
• 3.4 菇渣和泥炭基质理化特性比较及其调节
• 3.4.1 菇渣与泥炭物理特性比较分析
• 3.4.2 菇渣基质化学特性分析与改良
• 3.4.3 小结与讨论
• 3.5 农业废弃物半腐解材料园林覆盖的生态效应研究
• 3.5.1 不同覆盖处理对土壤容重的影响
• 3.5.2 农业废弃物半腐解材料地面覆盖对土壤含水量的影响
• 3.5.3 不同覆盖处理对土壤渗透系数的影响
• 3.5.4 不同覆盖处理对地面径流浑浊度的影响
• 3.5.5 地面覆盖对地温变化的影响
• 3.5.6 不同覆盖处理对杂草的影响
• 3.5.7 不同覆盖处理对土壤有机质和养分的影响
• 3.5.8 覆盖材料的稳定性研究
• 3.5.9 地面覆盖对羽衣甘蓝生长的影响
• 3.5.10 小结
• 3.6 农业废弃物腐解基质对园林植物生长的影响
• 3.6.1 农业废弃物腐解基质对黑麦草生长的影响
• 3.6.2 农业废弃物腐解基质对菊花生长的影响
• 3.6.3 农业废弃物腐解基质及不同施肥方式对木槿生长的影响
• 3.6.4 农业废弃物腐解基质对双容器栽培北美红花槭生长的影响
• 3.6.5 农业废弃物腐解基质不同处理方式对一串红发芽率的影响
• 3.6.6 农业废弃物腐解基质与泥炭配比对园林植物生长的影响
• 3.6.7 小结
• 4 讨论
• 4.1 关于基质的几个问题
• 4.1.1 中国设施栽培对基质的需求
• 4.1.2 关于基质性状
• 4.1.3 关于基质标准问题
• 4.1.4 基质市场化问题
• 4.2 关于废弃物利用和转化的几个问题
• 4.2.1 关于农业废弃物工厂化处理
• 4.2.2 政策因素
• 4.2.3 关于规模生产设备问题
• 4.2.4 营养液问题
• 4.3 关于试验中几个问题
• 4.3.1 关于几种农业废弃物材料腐解特性
• 4.3.2 关于几种农业废弃物基质理化特性
• 4.4 需要进一步研究的问题
• 4.4.1 农业废弃物腐解
• 4.4.2 农业废弃物腐解基质的物理性质
• 4.4.3 农业废弃物腐解基质的化学性质
• 4.4.4 农业废弃物腐解基质园林地面覆盖
• 4.4.5 农业废弃物腐解基质对园林植物生长的影响
• 5 结论
• 5.1 农业废弃物腐解过程中理化性质的变化
• 5.2 秸秆堆腐基质物理特性研究
• 5.3 秸秆堆腐基质的化学特性研究
• 5.4 菇渣和泥炭基质理化特性比较及其调节研究
• 5.5 农业废弃物半腐解材料园林地面覆盖的生态效应研究
• 5.6 农业废弃物腐解基质对园林植物生长的影响
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文和参加课题情况