一种基于水稻废弃物循环利用的水稻种植方法 |
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| 申请号 | CN202311852945.1 | 申请日 | 2023-12-29 | 公开(公告)号 | CN117800790A | 公开(公告)日 | 2024-04-02 |
| 申请人 | 沈阳农业大学; | 发明人 | 张伟明; 吴迪; 顾闻琦; 刘子凡; 王文佳; 张玉雪; 孙雯; 王欣; 冯志波; 张鈜贵; 王禹凝; 陈温福; 崔月峰; 孙浩广; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种基于 水 稻废弃物循环利用的水稻种植方法，其中使用的有机物料是将水稻废弃物经过机械 破碎 ， 粉碎 物加入改性催化剂，在150‑200℃ 温度 ，3MPa压 力 下进行水热 碳 化处理，然后在700‑800℃温度，炭化获得炭化物材料，其后将炭化物材料与养分在高温 汽化 下热熔混合制成的。使用的 有机肥 是将上述有机物料和稻壳、米糠混合，其混合物在喷施混合剂后，采用 造粒 机造粒制备。本发明将秸秆、稻壳等水稻生产种植过程中产生的废弃物制成有机物料、有机肥，应用于东北寒地优质水稻连续生产种植过程中，可实现基于稻作生产系统内废弃物循环利用的水稻生产种植高效、健康、可持续，对促进水稻低碳、绿色、可持续发展具有重要意义。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种使用水稻废弃物制备的有机物料，其特征在于，所述的有机物料是将水稻废弃物经过机械破碎，粉碎物加入改性催化剂，在150‑200℃温度，3MPa压力下进行水热碳化处理，然后在700‑800℃温度，炭化获得炭化物材料，其后将炭化物材料与养分在高温汽化下热熔混合制成有机物料。 |
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| 说明书全文 | 一种基于水稻废弃物循环利用的水稻种植方法技术领域[0001] 本发明属于水稻种植方法技术领域，具体涉及一种基于水稻废弃物循环利用的东北寒地优质水稻种植方法。技术背景 [0002] 水稻，是我国乃至世界上最主要的粮食作物之一。我国的水稻生产，长期以来为保障国家粮食安全做出了突出贡献。特别是，在东北地区拥有广袤的黑土地，是我国水稻主产区之一，也是重要的商品粮供应基地，在我国粮食作物生产中占有重要地位。然而，大量的粮食产出，也使东北成为秸秆等农业废弃物资源的重要集中地，高效、生态、环保处理的难度很大。长期以来，在水稻生产种植过程中除了产出稻米以外，剩余的大量水稻秸秆、稻壳等稻作生产废弃物，没有得到有效还田利用。特别是东北气候寒冷，秸秆等废弃物还田后，腐解慢、时间长，且极易影响次年的插秧等农事操作，并伴随着病虫草害、温室气体排放增加，产量不稳或减产等负效应，难以保障水稻稳产高产。与此同时，长期高强度的持续开垦种植，以及大量化肥、农药等化学品使用，使东北黑土逐渐酸化板结，有机质下降，导致土壤退化、作物产能降低等问题日益突出。 [0003] 在长期、高强度的连续种植过程中，土壤长期得不到休闲或有效外源补充，导致土壤产能“透支”，而生产种植者为了追求产量又持续、高度依赖农药、化肥投入，对土壤的损耗逐渐加剧，陷入不可逆转的土壤破坏过程；导致土壤退化，土壤肥力下降，作物可持续产能降低，农产品质量下降，难以保障稳产、高产和优质。目前，生产种植者多以高产为主要目标，往往采取高强度耕种和大量肥料等化学品投入从土壤中获取更多农产品，而产生的农作废弃物却没有归还土壤。因此，在不损害资源、生态与环境，不增加稻作系统外物质投入条件下，如何维持土壤输入‑输出平衡，尽可能减少化肥、农药等化学品投入，提高土壤可持续产能，是当前水稻生产的迫切需求，也是国家黑土地保护与利用，发展低碳、绿色、循环农业，助力粮食产能提升，提供优质、健康农产品的战略需求和重要方向。 [0004] 但是，目前现有种植技术一是不能充分、有效利用稻作生产废弃物，来解决水稻生产种植上的问题，更不能实现基于稻作系统内的土壤输入‑输出平衡；二是不能解决水稻连续生产种植过程中产生的土壤变薄、变硬，肥力下降，水稻产能降低等关键问题，对稻田肥力和水稻产能提升的作用有限；三是现有技术多依赖于稻作系统外物质投入，成本高、效率低，稳定性、可持续性差，不能协同解决稻作生产废弃物资源化利用和耕地质量下降，作物产能降低，品质下降等水稻生产问题，不能协同实现改土、固碳、培肥、减排(温室气体)、减肥(化肥)，以及水稻持续稳产、增产、增效等多重效益。 发明内容[0005] 本发明目的是提供一种基于水稻废弃物实现在水稻连续生产种植过程中持续改土培肥、减肥增产增效的东北寒地优质水稻生产种植方法，可有效改良东北寒地水稻土壤结构，提高稻田土壤地力，提高优质水稻种植效率，实现持续改土、培肥、减肥增产、提质增效。 [0006] 本发明首先提供一种使用水稻废弃物制备的有机物料，所述的有机物料是将稻作生产废弃物秸秆、稻壳、稻糠混合，经过机械破碎，粒度小于5mm，加入乙醇、氢氧化钾作为改性催化剂，在150‑200℃温度，3MPa压力下进行水热碳化处理，时间为3小时，然后在700‑800℃温度，炭化2‑3小时获得炭化物材料，其后将炭化物材料与尿素、磷酸铵在高温汽化下热熔混合制成有机物料； [0007] 更进一步的，将水稻废弃物炭化过程中产生的木醋原液与炭化物材料进行高温汽化熔合； [0009] 作为一个实施例的具体记载，所述的有机物料、稻壳、米糠的质量比为80‑90：1‑2：3‑5； [0010] 所述的混合剂，作为一个实施例的具体记载，其一种组分配比如下： [0011] 磷酸氢二钾(K2HPO4)1‑1.5g、碳酸钠(NaNO3)1‑1.5g、七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)0.01g、丙酮酸钠(C3H3NaO3)0.3g、硫酸铵(NH4)2SO41‑1.5g、七水硫酸镁(MgSO4·7H2O) 0.5‑1g、氯化钾(KCl)0.5‑1g、氯化钙(CaCl2)1.5‑2g、酵母浸出粉0.5‑1g、D‑山梨醇(C6H14O6) 0.5‑1g、七水硫酸锌(ZnSO4·7H2O)1.5g、六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)0.15g、二水钼酸钠(Na2MoO4·2H2O)0.1g、硫酸锰(MnSO4·H2O)1.5g、五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)0.15g、硼酸(H3BO3)0.3g、六水合氯化镍(NiCl2·6H2O)0.06g、碘化钾(KI)0.06g、2L水，配制成混合助剂溶液。 [0012] 本发明所提供的有机物料和有机肥作为外源输入物质，用于东北寒地优质水稻连续生产种植过程中。 [0013] 本发明再一个方面还提供一种水稻种植方法，是在水稻种植过程前或中投放使用上述的有机物料和/或有机肥。 [0014] 本发明以秸秆、稻壳等水稻生产种植过程中产生的废弃物为主要原料制成有机物料、有机肥，并应用于东北寒地优质水稻连续生产种植过程中，可实现基于稻作生态系统内的水稻生产种植高效、循环、可持续，并兼顾实现改土培肥、固碳减肥、促长增产、提质增效等多重显著效益，对促进水稻低碳、绿色、可持续发展具有重要意义。附图说明 [0015] 图1：炭化产物的微观结构表征图(SEM)， [0016] 图2：负载养分的有机物料结构图(SEM)， [0017] 图3：连续种植不同年份的土壤结构变化图(SEM)， [0018] 图4：土壤容重变化图， [0019] 图5：土壤pH变化图， [0020] 图6：土壤碱解氮变化图， [0021] 图7：土壤有效磷变化图， [0022] 图8：土壤速效钾变化图， [0023] 图9：土壤全氮含量变化图， [0024] 图10：土壤全磷含量变化图， [0025] 图11：土壤全钾含量变化图， [0026] 图12：土壤有机质含量变化图， [0027] 图13：水稻倒伏率变化图， [0028] 图14：水稻主要病害变化图， [0029] 图15：水稻产量变化图， [0030] 图16：水稻品质变化图， [0031] 图17：稻米中硒含量变化图。 具体实施方式[0032] 本发明将水稻生产过程中产生的秸秆、稻壳等废弃物，在水稻生产种植过程中全部还田、循环利用，维系生态系统平衡，提高土壤地力，保持土壤健康和可持续，提升水稻可持续产能和品质，协同解决在东北水稻连续生产种植过程中存在的秸秆焚烧、全量还田难，土壤养分流失，地力下降，水稻可持续产能及品质下降等问题，对促进水稻低碳、绿色、可持续发展具有重要作用。 [0033] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细描述。 [0034] 实施例1：制备有机物料 [0036] 2)废弃物处理： [0037] ①物料准备：将收集的稻秆、稻壳、稻糠按1:1:1的比例混合，经过机械破碎，粒度小于5mm，进行混合，作为原料。 [0038] ②处理过程：加入乙醇(质量比5‑15％)、氢氧化钾(质量比1‑5％)作为改性催化剂，在200℃温度，3MPa压力下进行水热碳化，时间为3小时，然后在700‑800℃条件下，炭化2‑3小时。 [0040] ④完成炭化过程后，再以高温蒸汽封闭活化30‑45分钟，然后将产生的炭化物与尿素、磷酸一铵(炭化物：尿素：磷酸一铵＝8‑9：0.5‑1：0.5‑1)进行高温蒸汽热熔混合，机械混拌均匀后进行“烘干‑风冷”循环处理，此过程循环2‑3次，上述过程完成后获得有机物料。 [0042] 进一步对有机物料的理化特性进行检测分析，发现有机物料中碳含量在70％以2 上，pH 6.5‑7，比表面积大于550m/g，此外，还含有一些酸、碱性基团，以及小分子有机化合物(具有促进植物生长、提高作物抗性功能)等。 [0043] 在炭化产物经过木醋原液汽化融合、封闭活化、负载养分等处理过程后，形成了改性炭化物+复合养分层的新型有机物料，可从根本上重建土壤结构，改善土壤水、气、热环境条件，吸附、聚合、固持、缓持养分，契合、满足作物生长发育期对养分的动态需求，为土壤微生物提供丰富的碳、氮源养分，激发土壤微生物繁衍及功能代谢，为水稻连续生产种植的土壤结构改良，土壤肥力持续提升，土壤健康与培肥保育，促进作物增产提质等提供全方位支持。 [0044] 实施例2：制备有机肥 [0045] 将水稻脱谷后产生的稻壳、稻糠，分别进行粉碎，粒径为80‑100目，然后将有机物料、稻壳、稻糠，按照比例为有机物料：稻壳：稻糠＝80‑90：1‑2：3‑5进行混合，然后造粒； [0046] 混合溶剂配制：磷酸氢二钾(K2HPO4)1‑1.5g，碳酸钠(NaNO3)1‑1.5g，七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)0.01g，丙酮酸钠(C3H3NaO3)0.3g，硫酸铵(NH4)2SO4 1‑1.5g，七水硫酸镁(MgSO4·7H2O)0.5‑1g，氯化钾(KCl)0.5‑1g，氯化钙(CaCl2)1.5‑2g，酵母浸出粉0.5‑1g，D‑山梨醇(C6H14O6)0.5‑1g，七水硫酸锌(ZnSO4·7H2O)1.5g，六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)0.15g，二水钼酸钠(Na2MoO4·2H2O)0.1g，硫酸锰(MnSO4·H2O)1.5g，五水硫酸铜(CuSO4· 5H2O)0.15g，硼酸(H3BO3)0.3g，六水合氯化镍(NiCl2·6H2O)0.06g，碘化钾(KI)0.06g，2L蒸馏水，配制混合助剂溶液。 [0047] 所述的造粒条件是，将有机物料、稻壳、稻糠混合后，喷施混合溶剂至混合物呈整体湿润状态，然后在室温条件下，封闭1‑2天后自然阴干，得到固相混合物，然后采用造粒机造粒，制得有机肥，装袋于阴凉处保存。该有机肥的含碳量在60％以上，含有丰富的C、N、P、K、S、Fe、Cu、Zn、Ca、Mg、Mn、Mo等作物生长所必需的大量、中微量元素，以及糖类、氨基酸、有机酸，植物生长促进剂、调节剂等大分子和小分子物质，可以为作物生长提供均衡养分，增强植物体生理功能，加速提高植物抗性，同时可作为土壤微生物“激发”启动子，为微生物提供丰富的C、N源及其他养分，尤其是可激发促养分矿化、分解类功能微生物的增殖和代谢活动，加速对秸秆及其他植物残体的分解，与对照(未施用该有机物料)相比，秸秆分解利用率提升70％以上，进而形成更多新的有机质，促进作物根系及地上部生长。 [0048] 实施例3：水稻种植方法 [0049] 在秋季，水稻收获以后，采用旋耕机等旋混至稻田土壤表层下5‑10cm处，施加实施例2制备的有机肥(下同)，施用量为20‑25kg/亩。 [0050] 在次年春季，在水稻移栽前10‑15天，将所制备的有机物料，采用旋耕机以基肥形式施入土壤，施用深度为15‑20cm，施用量为25‑30kg/亩。在秋季‑次年春季连续、定点施用的地块，在施用3年后，根据土壤地力、水稻长势、产量等表现，可在原有施用量基础上减少20‑80％，视具体情况而定。 [0051] 在水稻种植管理过程中，采用常规方法即可，在灌浆期可根据作物长势，酌情施用促进剂。施用方法：将本发明有机物料粉碎至100‑150目，称取10‑15g，然后与炭化产生的植物基天然木醋液10‑20g、红糖40‑50g、磷酸二氢钾10‑15g进行混合，加水10‑15kg，混合配制均匀后于全田均匀喷雾喷施，每7天喷1次，连喷2‑3次。 [0052] 上述种植方法宜在同一区域连续应用，累积性、可持续效果显著，即种植应用时间越长，其改土、培肥、促长、减肥、稳产增产、提质增效等协同效益越明显。 [0053] 种植例1： [0054] 试验于辽宁省开原市进行，水稻种植品种为稻花香，对照为常规种植方法，与当地常规育苗、移栽、控水、病害防治等种植条件一致，施用肥料为常规复合肥(18‑12‑15)，作为基肥使用，施用量为20‑25kg。在水稻生长期间，根据不同年份的水稻长势，视情况追施蘖肥(硫酸铵，5‑10kg/亩)、穗肥(氯化钾，5‑8kg/亩)。本发明采用的水稻种植方法同实施例3。对照及本发明种植的水稻在同一地块，土壤条件一致，分区种植、互不影响，水稻连续种植6年。 [0055] 1、水稻连续生产种植不同年份的土壤结构变化 [0056] 在连续种植水稻的6年间，常规种植(对照，下同)的水稻土壤结构几乎没有发生变化，而采用本发明有机物料和有机肥种植的水稻土在结构上发生了显著改变，从第1、3、6年的连续变化来看，主要表现在逐渐形成了以有机物料为核心的“有机物料+土壤颗粒+其他有机物”复合式一体结构，且保持了非常丰富的孔隙结构，这种结构特性从根本上重建了土壤结构，彻底改变了土壤的固有属性，对降低土壤容重、增加土壤孔隙度，改善土壤通气透水性，提高土壤肥力，激发土壤微生物，促进水稻根系扎实生长等，提供了重要基础。 [0057] 2、土壤容重变化 [0058] 从图4可以看出，在连续种植水稻的6年间，常规种植的水稻土容重几乎没有发生变化，而采用本发明种植的水稻土容重呈逐渐下降趋势，第1、3、6年的土壤容重分别比对照降低了1.56％、3.87％、6.15％，作用明显。 [0059] 3、土壤酸碱度(pH)变化 [0060] 由图5可知，常规种植的水稻土壤pH，在连续种植的6年间呈下降趋势，而采用本发明种植的水稻土壤pH呈上升趋势，在第3、6年的土壤pH分别比对照提高了1.44％、2.9％，但没有发生较大的跃升情况，对土壤pH的调控能力更加稳定。 [0061] 4、土壤有效养分含量变化 [0062] 对土壤有效态养分进行分析，具体结果如下： [0063] (1)碱解氮 [0064] 从图6可以看出，常规种植的土壤碱解氮基本稳定，没有发生较大变化，本发明种植的水稻土壤碱解氮呈上升趋势，在第3、6年的土壤碱解氮分别比对照提高了11.24％、11.71％、18.8％，平均提高13.92％。与对照相比，本发明种植的水稻土壤碱解氮增幅呈逐渐扩大趋势，表明本发明可持续、有效的提高土壤有效氮水平。 [0065] (2)有效磷 [0066] 由图7可见，在连续种植水稻的6年间，常规种植和本发明种植的土壤有效磷变化不同，从总体上看本发明种植的土壤有效磷均高于对照，其中在第6年差异较大，比对照提高了8.91％，表明随着时间的延长，本发明对提高土壤有效磷的作用更明显。 [0067] (3)速效钾 [0068] 由图8可以看出，常规种植的水稻速效钾在6年间变化不大，而采用本发明种植方法的土壤速效磷明显提高，在第1、3、6年分别比对照提高了37.65％、47.89％、59.8％，平均提高48.45％。特别是，在6年间本发明种植的水稻土壤速效钾呈明显上升趋势，且与对照的差距逐步扩大，表明本发明种植方法对提升土壤速效钾具有显著作用，且表现时间越长作用更明显。 [0069] 5、土壤全量养分含量变化 [0070] 对土壤全量养分进行检测，具体结果如下： [0071] (1)全氮 [0072] 从图9可以看出，在连续种植水稻的六年间，常规种植的水稻土壤全氮水平呈下降趋势，而采用本发明种植的水稻土壤全氮呈明显上升趋势，且增幅持续扩大，平均比对照提高31.64％。由此可见，本发明种植方法对提高土壤氮素水平具有重要作用。 [0073] (2)全磷 [0074] 由图10可知，常规种植水稻的土壤全磷含量在6年间呈下降趋势，的水稻土壤全磷含量呈上升趋势，在第1、3、6年分别比对照提高了11.34％、19.15％、25％，且表现与对照的差距随时间延长而逐步扩大，作用明显。总体上看，本发明对提高土壤全磷含量作用明显。 [0075] (3)全钾 [0076] 从图11可知，在连续种植水稻的6年间，常规种植水稻的土壤全钾量呈下降趋势，而采用本发明种植的土壤全钾量在第1、3、6年分别比对照提高了1.96％、4.94％、9.86％，土壤全钾量水平逐步提高、增幅持续扩大，表明本发明对提高土壤全钾量具有明显促进作用。 [0077] 综上，无论从土壤养分的有效态，还是全量水平上，我们都可以明显地看出，与常规种植相比，本发明种植方法对提高水稻土氮、磷、钾养分均具有重要促进作用，且表现明显的累积性、可持续性作用效果，这无疑对保护、提高土壤地力，特别是为作物生长提供适时、有效、持久的养分供应，具有重要作用和意义。 [0078] 6、土壤有机质含量变化 [0079] 从图12可知，与对照相比，本发明种植的水稻土壤有机质在6年内呈上升趋势，平均比对照提高了25.85％，对提高土壤肥力的作用明显。 [0080] 7、水稻倒伏率和主要病害发生率变化 [0081] 对水稻倒伏及病害发生情况进行统计，具体如下： [0082] (1)倒伏率 [0083] 通过对水稻倒伏率的连续六年调查、监测情况来看，在不同年际间水稻倒伏率表现不同，但总体来看本发明种植的水稻倒伏率显著低于对照，平均比对照降低84.13％，效果显著。水稻倒伏率的降低，对提高水稻最终可收获产量具有重要意义。 [0084] (2)主要病害发生率 [0085] 稻曲病、稻瘟病，是在优质水稻种植过程中常见发生的主要病害，严重影响水稻产量和品质。通过对水稻种植过程中稻曲病、稻瘟病的合并调查表明，本发明种植的水稻病害发生率明显低于对照，病害发生率降低50％‑71.43％，作用明显。 [0086] 8、水稻产量变化 [0087] 在连续种植条件下，与常规种植方法相比，本发明方法的水稻产量表现在连续种植的6年间，呈持续上升的趋势，水稻增产3.49‑7.97％，平均增产5.55％，且表现随着时间的延长，年际间增幅持续扩大。从不同年份来看，常规种植(对照)的水稻产量基本持平、无明显变化，而本发明种植的水稻产量明显提高，水稻产能持续提升，表现良好的促进水稻稳产、增产能力，且其累积、持续性增产效果显著。在持续增产的同时，本发明的水稻种植方法，在连续种植的6年间，化肥投入量比对照减少了61.5％‑92.4％。可见，本发明的水稻种植方法可在减肥的同时，持续促进水稻稳产、增产，可持续性、累积性效果显著。 [0088] 9、水稻品质变化 [0089] 从图16可以看出，与常规种植的稻米相比，本发明种植的稻米精米率、整精米率均有提高，稻米垩白粒率、垩白度明显下降，支链淀粉含量也有一定下降，食味值明显提高。总体上看，本发明的种植方法对提高稻米品质具有促进作用。 [0090] 10、有益元素—硒含量变化 [0091] 在本实施例应用的区域，土壤含有一定量的硒元素，在常规种植和本发明连续种植的区域，采样测定了稻米中的硒元素含量，结果发现本发明种植的稻米硒含量比对照提高了324.32％，效果非常明显。进一步表明，本发明种植方法更有利于活化土壤中的硒元素，促进水稻对硒的吸收利用，提高稻米中的硒含量，对提升稻品商品价值具有重要意义。 [0092] 总体上，本发明的水稻种植方法，在东北寒地优质水稻连续生产种植过程中，可以从根本上改良土壤结构，使土壤构型发生重建，进而改善土壤容重、孔隙度等物理特性；提高土壤氮、磷、钾和有机质水平，持续、有效提高土壤肥力，为水稻生长提供适时、有效、持久养分保障；持续大幅降低水稻倒伏率、病害发生率，并实现在减肥条件下的持续稳产、增产；提高优质稻米加工、外观、食味品质；起到富硒功能，可以增加稻米中的有益元素‑硒含量； 特别是，上述改土(结构)、培肥、减肥(化肥)、增产、提质等多重协同效益，具有显著的累积性、可持续作用特征和显著效果，对黑土地保育和利用，持续提升土壤和作物产能，促进水稻低碳、绿色、可持续发展具有重要价值和意义。 |
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