生物質發(fā)酵增溫技術在設施農業(yè)中的應用.pdf

新 疆農機化 年第 期 修 回 日 期 2020 10 13 基 金 項 目 烏魯木齊市科技研發(fā)項目 農村沼氣工程冬 季運行技術研究與示范 Y1 1 0009 d k ss 中 圖 分 類 號 文 獻 標 識 碼 A 0 引 言 我國北方地區(qū) 尤其是新疆 低溫期長 溫差大 冬季寒冷 日光溫室與塑料大棚等農業(yè)設施對實現(xiàn)果 蔬 花卉等作物秋延后 反季節(jié)種植 提早熟發(fā)揮著重 要作用 對保障蔬菜全年供應 滿足市場需求意義重 大 設施增溫保溫是保障其低溫季節(jié)運行的關鍵 傳 統(tǒng)日光溫室保溫效果好 但建設成本高 土地利用率 低 造成土地浪費 塑料大棚利率高 但保溫效果差 積溫無法實現(xiàn)冬季生產 增溫所需能源消耗高 隨著 城鎮(zhèn)化建設 農業(yè)生產清潔化 可持續(xù)化發(fā)展方向不 斷推進 生物質發(fā)酵增溫技術在減少能源消耗 降低 生產成本 以及環(huán)境保護方面都顯示出積極的作用 1 生物質發(fā)酵增溫技術原理 生物質發(fā)酵增溫技術 也稱之為釀熱技術或秸稈生 物反應堆技術 利用微生物將大分子有機物分解為結構 簡單的小分子物質 同時通過呼吸作用釋放能量以維持 生命活動 而釋放能量主要以熱量的形式散發(fā) 形成增 溫效應 發(fā)酵增溫原理與有機物堆肥相似 但堆肥技術 側重有機質腐化肥效 主要利用微生物的分解作用 生物 質發(fā)酵增溫技術著重熱量的釋放 主要以有氧呼吸作用 為主 因此發(fā)酵增溫均采用好氧發(fā)酵技術 微生物產熱伴隨有機質代謝過程發(fā)生 兩者間存在 關聯(lián) 在有機物損失與產熱關系研究中發(fā)現(xiàn) 以牛糞和玉 米秸稈為原料 在含水率 時好氧堆肥中有機質損失 和總熱值變化最大 總產熱量為 kJ kg 呼吸作用下微生物代謝有機物最終產物為 O H O 和三磷酸腺苷 ATP O 隨發(fā)酵池內外氣體交換釋放 提高溫室 O 含量 產生 O 氣肥增施效應 因此生物質 發(fā)酵增溫技術同時也是溫室 O 氣肥增施技術 2 研 究 應 用 現(xiàn) 狀 2 1 應 用 方 式 生物質發(fā)酵增溫技術在農業(yè)設施中應用由來已 久 初使階段僅作為增溫保溫手段 如 年報道的 文 章 編 號 生物質發(fā)酵增溫技術在設施農業(yè)中的應用 茆 軍 新疆農業(yè)科學院生物質能源研究所 新疆烏魯木齊 摘 要 生物質發(fā)酵增溫技術是秸稈等農業(yè)廢棄物的一種新的利用方式 通過微生物好氧發(fā)酵作用生產有機肥同時釋放 熱量 CO 2 在設施農業(yè)中提高溫室內氣溫 地溫及 CO 2 濃度 產生增溫與 CO 2 氣肥增施效果 提高作物品質與產量 降低 溫室運行成本 促進作物秸稈的循環(huán)利用 文中介紹生物質增溫技術的原理及在設施農業(yè)上的應用方式 效果 關 鍵 詞 生物質 發(fā)酵 設施農業(yè) 增溫 二氧化碳 A l fB ssH gR F l yAg l Mao Jun s fB ssE gy X gA d y fAg l l s U q X g Abstract Biomass heating reactor is a new utilization method of agricultural waste such as straw It generates Calories and CO 2 through microbial fermentation which can increase the air temperature ground temperature and CO 2 concentration in green house andproducetheeffect of increasing temperature and CO 2 gas fertilizer application improve crop quality and yield reduce greenhouse operating costs and promote the recycling of crop straw This article summarizes the principles of biomass heating technologyanditsapplic ation effects and technological development in facility agriculture Key words Biomass Formentation Facility agriculture H eating CO 2 設 施 農 業(yè) 30 新 疆農機化 年第 期 利用牛糞草發(fā)酵堆對蔬菜育苗溫床保溫 年利用 馬糞和秸稈發(fā)酵提升西瓜 甜瓜大棚地溫 發(fā)酵增溫技 術中 發(fā)酵物一般堆置于低于地表的池體或溝槽中 因 此發(fā)酵部位也稱為 發(fā)酵池或發(fā)酵槽 等 發(fā)酵池位于 種植行下或行間的稱為 內置式 埋于地下的稱之為 地埋式 提升地溫效果好 圖 圖 位于溫室一 側的為 外置式 對大型溫室也可置于溫室中部 主要 提升氣溫 依據對增溫效果的需求及溫室大棚建設情 況 可選擇不同的應用方式 也可兩種方式混合使用 以達到最佳的效果 但從發(fā)酵池建設與運行維護上比 較 行間內置式 外置式應用易操作 更適合在生產中 推廣應用 圖1 生物質增溫發(fā)酵池示意 圖2 行間內置式生物質發(fā)酵增溫池示意 圖3 溫室內置式生物發(fā)酵池與沼氣池聯(lián)合增溫結構示意 4 1 墻體自保溫系統(tǒng) 2 10 換熱盤 3 4 雙層保溫膜 5 15 輪休土壤槽 6 沼氣燈 7 循環(huán)泵 8 太陽能集熱板 9 集氣罐 10 儲熱罐 11 沼氣池 12 熱泵 13 溢流孔 14 泄水孔 生物質增溫技術也可與其它技術相結合而產生 更佳的應用效果 如利用熱交換盤 儲熱罐 熱泵等設備 連接內置式發(fā)酵池 戶外沼氣池與太陽能集熱板 形成 熱量的循環(huán)與協(xié)調利用 可保障溫室與沼氣設施的正常 運行 實現(xiàn)資源的多效綜合利用 也可單獨應用于沼 氣池等設施 實現(xiàn)戶外沼氣池的冬季正常運行 圖 因此 生物質發(fā)酵增溫技術作為一種增溫手段 可應用 于多種需要增溫的設施與環(huán)境 2 2 生物質增溫發(fā)酵調控技術 隨著研究深入 生物質發(fā)酵增溫技術綜合效應逐步 顯現(xiàn) 但增溫與 O 氣肥增施最受重視 對設施農業(yè)而言 不同季節(jié) 不同生長期 溫室及作物對增溫技術效果需 求也有所差異 這促使生物質發(fā)酵增溫技術向可控化方 向發(fā)展 使物料發(fā)酵效益最大化 生物質發(fā)酵增溫技術以有機物好氧發(fā)酵為基礎 發(fā)酵物料 水分含量 氧供給量 發(fā)酵菌劑均可對發(fā) 酵結果產生影響 發(fā)酵池啟動時發(fā)酵菌劑一般隨物料配 制完成 因此在發(fā)酵過程中主要通過水調和氣調來控制 物料發(fā)酵 孫亞文等在發(fā)酵池內裝配秸稈淋洗與通風換氣裝 置 調控發(fā)酵池內積溫與 O 釋放量 經測定 生物質發(fā) 酵棚較常規(guī)棚冬季可提高大棚氣溫 達到 植株光合作用加強 番茄產量增加 孔政等 通過調節(jié)發(fā)酵池積溫 可維持非對稱水控釀熱大棚氣溫 的相對穩(wěn)定 增溫效果顯著高于對照 李建明設計的一 種 溫室水控式內循環(huán)釀熱補氣設施 通過發(fā)酵物補水 與通氣調節(jié)發(fā)酵積溫效果 配置的補水管可對物料補 水同時實現(xiàn)菌劑添 調控物料發(fā)酵的啟動并實現(xiàn)發(fā)酵菌 含量對發(fā)酵效果的控制 導氣管調控換氣量同時將發(fā)酵 池 O 直接釋放到植株根部 可控發(fā)酵技術應用 可實 現(xiàn)生物質發(fā)酵增溫的按需運行 是該項技術在現(xiàn)代化溫 室大棚中的應用發(fā)展方向 圖 4 溫室水控式內循環(huán)釀熱補氣設施結構示意 1 儲存池 2 補水管 3 地面 4 導氣管 2 3 增 溫 與CO 2 氣 肥 增 施 效 果 肖金鑫等對大跨度非對稱釀熱溫室的研究顯示 單層膜覆蓋的大跨度非對稱釀熱溫室較傳統(tǒng)日光溫室 和大跨度雙層內保溫大棚平均地溫分別高 和 在室外最低氣溫為 的極端天氣下 夜 間最低氣溫為 比對照分別高出 和 栽培畦 0 植物 180 0 作物秸稈 0 a 行下內置式 出氣口 輸氣管道 聚乙烯薄膜 作物秸稈 0 400 1000 1 00 儲氣池 抽氣風機 00 b 行下外置式 A B 60c c 0c 1 c 10c c c c 40c 模擬 小棚 氣孔 地溫計 模擬小棚 溫濕度計 1 3 4 1 3 4 6 8 10 11 1 13 14 1 9 設 施 農 業(yè) 31 新 疆農機化 年第 期 而高寧等對大跨度非對稱釀熱溫室的冬季增溫效果研 究顯示 較無發(fā)酵池同等溫室日平均氣溫提高 日 最低氣溫平均提高 明顯縮短溫室氣溫 以 下低溫天數 同時室內 O 水平提高 現(xiàn)有研究表明生物質發(fā)酵增溫池的建設方式對 O 氣肥增施效果產生顯著影響 比較分析外置式和內 置式秸稈發(fā)酵增溫技術對陽光溫室內 O 濃度的影響 研究顯示 兩種方式較常規(guī)溫室均可顯著增加溫室 O 濃度 但外置式高于內置式數倍 而在地上堆制發(fā)酵上 可提高溫室 O 濃度 倍以上 從不同的應用方式上分 析 可能是由于不同發(fā)酵池建設方式導致發(fā)酵池與外部 氣體交換效果差異所致 因此 從 O 氣肥增施效果需 求上分析 也需依據作物對 O 氣肥需求及溫室條件 選擇不同的應用方式 3 對農作物及生產的影響 生物質發(fā)酵增溫技術在增溫同時最顯著的是產 生 O 氣肥增施效應 O 濃度提升將對作物生長 生 理 產品品質及產量產生積極影響 對溫室草莓種植 的研究顯示 外置式增溫技術顯著提高了草莓的光合 速率 較對照組最高增加了 而溫室黃瓜種植 觀測發(fā)現(xiàn) 較同等普通溫棚 建設地上發(fā)酵池使溫棚 內氣溫提高 同時提高了 倍 O 濃度 使黃 瓜單棚總產提高 上市時間提早 天 細菌 性角斑病染病植株率 葉部病指數較對照組低 和 由此可見 生物質增溫技術所產生的 O 氣肥 增施效應能有效增強作物的生長生理特性 有研究顯示并不能單從 O 增量上評判其對作 物生理的影響 如對溫室番茄的研究中內置式 外置 式提高溫室 O 濃度分別為 和 而秋延后 番茄生長速度與產量并無顯著差異 但外置式發(fā)酵單 果質量上顯著高于內置式 這里可能存在內置式應用 方式下 發(fā)酵物可與種植土層接觸 可能導致生物質 發(fā)酵中產生的無機鹽 氨等小分子物質向周邊土層傳 遞 這些物質可作為作物生長的營養(yǎng) 因此發(fā)酵增溫 也可能產生肥料效應 而有關生物質發(fā)酵增溫大棚土 壤 土壤微生物態(tài)的研究顯示 內置式或行間外置式 發(fā)酵池 發(fā)酵物與土壤可直接接觸 發(fā)酵物微生物菌 群隨發(fā)酵過程也會對周邊的土壤微生物菌群產生影 響 從而改變土微生物群落結構與呼吸作用等特性 對 土壤環(huán)境具有改善與調節(jié)作用 這些尚未明確的 研究與觀測結果還有待于進一步研究揭示 4 結 論 溫室大棚作為農業(yè)生產的重要組成部分 是延長農 業(yè)生產周期 豐富 穩(wěn)定果蔬等農產品供應的基礎環(huán)節(jié) 對寒冷的北方地區(qū)尤為重要 采暖保溫是溫室大棚冬季 運行成本高的主要因素 農村秸稈資源豐富 是傳統(tǒng)能 源物質 隨著煤 電 燃氣等商品能源供應豐富與普及 秸稈能源逐步退出農村能源領域 生物質發(fā)酵增溫技術 為秸稈等有機物能源化利用提供了新的途徑與技術 生物質發(fā)酵增溫技術的應用能在一定程度上減少 煤等商品能源的消耗 降低能源消耗成本 增溫作用溫和 與煤或秸稈燃燒相比 在正常運行情況下無需人員時刻 堅守 在一定程度上可以簡化管理并降低管理成本 發(fā)酵 增溫同產生的 O 氣肥等營養(yǎng)因子增施效應 可增產提質 提高生產收益 新疆大力發(fā)展設施農業(yè)建設 使冬季生產成為農民 增收的重要途徑 小拱棚與小型溫室是當前農戶家庭建 設量最多的農業(yè)設施 生物質發(fā)酵增溫技術在一定程度 上可彌補小型設施保溫能力不足 提高溫棚的使用效率 降低運行成本 因此該項目技術適合于新疆地區(qū)應用推廣 但 不同地區(qū) 不同作物應采用何種應用方式仍需研究測試 參 考 文 獻 陳中華 秸稈發(fā)酵技術在蔬菜大棚中的應用 J 農業(yè)與技術 褚長彬 趙崢 周德平等 一種利用農業(yè)廢棄物發(fā)酵進行設 施大棚 O 施肥的新技術可行性分析 J 上海農業(yè)科技 段曉婷 地埋式秸稈反應堆對大棚茄子生長和土壤微環(huán)境的 影響 D 浙江農林大學 趙嵩穎 趙超洋 王鑫磊 基于禽畜養(yǎng)殖水體污染現(xiàn)狀構建 沼氣蓄熱溫室生態(tài)系統(tǒng)研究 J 工業(yè)安全與環(huán)保 孔政 農業(yè)廢棄物發(fā)酵對溫室環(huán)境影響的研究 D 西北農林 科技大學 西北農林科技大學 一種溫室水控式內循環(huán)釀熱補氣設施 李 建明 張中典 張大龍 張軍 P 肖金鑫 李建明 武瑩 大跨度非對稱釀熱溫室熱環(huán)境及節(jié) 地增產效果分析 J 西北農林科技大學學報 自然科學版 高寧 李建明 孔政 番茄秸稈堆肥發(fā)酵特性及對冬季大棚 環(huán)境的影響 J 江蘇農業(yè)科學 劉冰 秸稈反應堆條件下日光溫室越冬黃瓜栽培效果研究 D 沈陽農業(yè)大學 設 施 農 業(yè) 32