本发明涉及农作物秸秆资源回收利用领域，具体涉及一种秸秆基有机肥料及其制备和应用方法。
背景技术：
我国农作物秸秆资源丰富，为循环农业发展提供了丰富物质基础。秸秆肥料化是秸秆资源化有效利用的重要途径。解决秸秆资源化利用、农田土壤有机质匮乏等问题，是体现节本增效、发展质量效益统一型农业的重要目标。农作物秸秆是重要的农业生产副产物，农作物光合作用产物有一半左右存于秸秆中。秸秆富含有机质和氮磷钾等多种养分，是一种具有多种用途的可再生生物质资源。因此，作物秸秆处理与资源化再利用要解决的核心技术问题是秸秆肥料化及其应用问题。秸秆资源以肥料的形式归还土壤，不仅可以为土壤带回秸秆自身含有的氮、磷、钾等养分资源，减少作物对化肥的直接需求，而且秸秆自身的有机碳归还土壤后有利于增加土壤碳库储量，改善土壤的物理、化学性状，保持土壤肥力，又间接减少了农作物对化肥、农药的需求。同时，减少因燃烧等引起的大气污染和二氧化碳排放，对于我国发展循环农业、建设低碳经济方面具有重要的战略意义。
全国每年产生秸秆8亿多t，含氮300多万t，含磷70多万t，含钾近700万t，相当于目前我国化肥施用量的1/4以上，且含有大量的微量元素和有机质。在现代农业生产水平下，每公顷耕地秸秆还田4500-7500kg，可增产粮食375kg以上，连续三年秸秆还田，土壤有机质增加0.2％-0.4％。我国是粮食生产大国，每年都会产生大量的秸秆，是未被充分利用的资源。而我国耕地中有一半是旱地，干旱缺水、土壤肥力低下，始终困扰着现代农业的发展。因此，作物秸秆肥料化还田应用就成为旱作农业的重要措施之一，也是发展保护性耕作的关键措施之一。
作物秸秆的化学成分主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，一般占秸秆总质量的80％～95％，三者相互交织组成植物细胞壁和支持骨架。其中，纤维素38％～44％，半纤维素32％～36％，木质素10％～15％。纤维素、半纤维素和木质素分子之间存在着稳定的复杂键型。纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键，半纤维素和木质素之间除氢键外，还存在着化学键的结合。纤维素、半纤维素和木质素相互交织组成植物细胞壁，纤维素、半纤维素被木质素紧密的包裹在其中，微生物及其分解的胞外酶(纤维素酶和半纤维素酶)不易与之结合，成为作物秸秆降解的制约因素。木质素的存在是造成秸秆高留茬或整秆直接还田生物降解难、难以直接利用的根本原因。因此，作物秸秆肥料化应用的首要条件是破坏或者改变木质素的部分结构。另外，我国现阶段农业生产的主体作物为稻、麦、玉米。由于长年有机肥施用过少或基本不用，造成土壤结构变差，地力下降，NPK等养分比例失调和化肥效率递减。因此，作物秸秆的肥料化应用符合农业发展的新形势要求，可以解决秸秆高留茬或整秆直接还田存在的关键技术问题和秸秆废弃带来的污染、燃烧形成的公害问题，实现农业持续高效和秸秆变废为宝。
毋庸置疑，秸秆高留茬或整秆直接还田或与配施化肥(包括缺素肥料)相结合，能够起到培肥地力，促进良性循环的作用，是农业可持续发展的行之有效之路。然而，单从养分含量表观判定秸秆还田在土壤培肥中的作用是不够的，动态地评估秸秆还田的培肥作用，可能更全面、更准确、更切合实际。因为土壤养分的暂贮与矿化释放，还有土壤团粒结构的形成，都伴随着土壤生物的作用。土壤的培肥过程在很大程度上就是促进微生物活跃的过程。研究表明，在水稻土中分解1kg稻秸，微生物可固定气态氮8～10g。据此计算，稻秸还田150kg，土壤微生物约固定1.2～1.5kg的气态氮素(相当于6～7.5kg硫铵)。因此，可以认为土壤中净增的氮素除部分来自秸秆外，更主要是由于秸秆促进微生物固氮作用所作的间接贡献。但是，就秸秆本身而言，NPK等养分含量很低、富含粗纤维，秸秆高留茬或整秆直接还田增加的土壤有机质也是低质量的，虽然其中的NPK等养分元素还田率高达100％，却为农业生产带来一系列不利影响。主要体现如下几个方面：
(1)种植制度的制约。秸秆高留茬或整秆直接还田受限于当前土壤耕作、田间管理、作物收获等种植制度的制约，还未形成与之相适应的农业生产体系，缺少适合不同区域、不同种植制度下的秸秆还田机制和配套技术。
(2)生物降解时间滞后。秸秆高留茬或整秆直接还田，还田秸秆需要3年时间才能彻底腐烂分解，有机成分和养分才可被充分利用。由于秸秆不能及时腐烂分解，致使土壤过于松散，孔隙度不均或大孔隙过多，导致土壤跑风，严重影响秸秆还田后农作物的播种、发芽、幼苗的早期生长以及作物的产量。
(3)连作障碍加剧。秸秆高留茬或整秆直接还田，还田前的秸秆仅为简单的机械粉碎(铡短)处理，秸秆长度一般为100-150mm，对秸秆上附着的病原菌和虫卵不具备灭活的作用，被植入土壤后繁殖蔓延，连作障碍加剧，病虫害泛滥成灾。既或是越冬来年发生也呈加重趋势，也易发生土壤微生物(即用于秸秆分解与转化的微生物)与作物幼苗争夺养分的矛盾，甚至造成作物黄苗、弱苗，最后导致减产。同时，需要大量的人力和资金投入。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明的目的在于克服秸秆高留茬或整秆直接还田带来的对农业生产不利的影响，提供一种为土壤生物提供平衡的C/N，同时通过土壤生物的分解、转化，消耗秸秆自身的有机质转化为生物活性物质质，矿化、释放无机养分的一种生态功能性秸秆基有机肥料制备方法，其包括如下步骤：
(1)秸秆原料粉碎和过筛：将秸秆原料采用切片/打片多功能粉碎机进行粉碎，并通过筛分机过筛形成3-8mm长的段状颗粒，经计量后，通过输送机配送进入混配系统；
(2)尿素原料破碎和配送：尿素原料通过输送机配送进入链条式破碎机进行破碎，经计量后，由输送机配送进入所述混配系统；
(3)烘焙、软化和干燥：所述段状颗粒秸秆和尿素在混配系统中混配均匀后，由输送机送入转鼓式烘干机进行烘焙、软化和干燥，控制出料口的混合物料温度80℃-90℃、含水量10％-20％；
(4)成型造粒、冷却、灌装和缝包：所述经烘焙、软化和干燥的混合物料由转鼓式烘干机出料口输出，然后通过输送机配送进入成型造粒机的进料斗，并在进料绞龙作用下将物料压送到所述造粒机的环模腔内，再由造粒绞龙均匀地将物料挤压出环模孔板，成形横断面直径为4-8mm的圆柱状颗粒物料；所述圆柱状颗粒物料再经过输送机配送至转鼓式冷却机进行冷却硬化3-5分钟后，由输送机配送至计量包装系统进行灌装和缝包，即得圆柱状颗粒秸秆基有机肥料。本发明所述的制备方法，步骤(1)所述秸秆为禾本科作物秸秆，所述禾本科作物为水稻、小麦或玉米中的一种或多种。所述禾本科作物秸秆的C/N为80～100:1，含水量为20％-40％；和/或，所述粉碎机主轴转速为2900rpm，所述筛分机的筛网目数为2-6目。
本发明所述的制备方法，步骤(2)所述尿素原料的质量为所述作物秸秆原料干基质量的3％-8％。
本发明所述的制备方法，步骤(3)所述转鼓式烘干机进口热气温度为200℃-300℃。
本发明所述的制备方法，步骤(4)所述成型造粒机为环模式造粒机，其模孔直径为3-8mm，压缩比(即物料压缩前与压缩后的体积比例)为1:3-6，圆柱状颗粒物料温度为130℃-180℃。
本发明所述的制备方法，步骤(4)所述圆柱状颗粒物料冷却至40℃以下，再进行灌装和缝包，完成圆柱状颗粒秸秆基有机肥料的制备。
具体的，本发明所述方法制备的秸秆基有机肥料，能够为土壤中的微生物提供足够的可利用的碳、氮、磷等物质，促进微生物自身的繁殖，促进微生物对土壤矿物质中的养分释放达到补充土壤养分的效果，从而加速作物秸秆自身的分解与转化。
其中：
步骤(1)所述作物秸秆高碳氮比(C/N＝80～100:1)，对于作物秸秆直接或高茬归还土壤，由于微生物的大量增殖而导致微生物从土壤中吸收N素，因而易出现微生物与作物争N的现象(在土壤学中称为无机N素的生物固定)。
步骤(2)混配一定量的尿素(秸秆原料干基质量的3％-8％)，调整作物秸秆原料的C/N为25～30:1，目的是避免在土壤中速效N水平较低的情况下，微生物分解秸秆与作物争夺土壤中的氮素出现因N素不足的“N素饥饿”症状，加快作物秸秆的微生物分解与转化进程。另外，作物秸秆与尿素原料均为有机高分子化合物，两者具有相容性，为秸秆基有机肥料的制备创造了条件。
步骤(3)的段状颗粒农作物秸秆在转鼓式烘干机高温热气的作用下木质纤维素得到软化和脱水，为后续成型造粒、降低压缩比创造了条件。尿素原料高温软化、呈熔融态，并均匀分布在段状农作物秸秆颗粒的表面上。
步骤(4)的农作物秸秆、尿素的混合物料在成型造粒机的挤压作用下呈圆柱状颗粒，体积缩小7-10倍，密度为0.8-1.35g/cm3，有效地提高运输和储存能力，扩大应用范围。更具体的，由于采用环模、挤压机械造粒方式，秸秆木质纤维素在造粒仓内的压辊、模板之间产生的高强压力作用下，挤压、磨擦产生大量热能，使物料温度上升到130℃-180℃，使秸秆木质纤维素进一步得到软化、灭菌，解除秸秆中木质素对纤维素和半纤维素的包裹以及致密的纤维素结晶区结构。更进一步的，秸秆木质纤维素在高温、高压作用下，其物理结构发生变化，如膨胀迫使秸秆有机高分子木质纤维素断裂，增加了微生物和酶对秸秆的可及性，提高底物的利用率，加快秸秆分解、转化和利用进程。另外，秸秆中的木质素属非晶体，没有熔点但有软化点。因此，在一定温度范围内适时给予一定的压力便可使纤维素、半纤维素紧密黏结并与相邻颗粒相互胶结成型，整个过程无需任何其他粘结剂或添加剂。
本发明还提供了一种所述秸秆基有机肥料的应用方法，其包括以下步骤：
(1)用作基肥：所述秸秆基有机肥料于作物收获后，以基肥的形式施用，施肥量为100-300kg/亩，施肥方式为撒施或沟施于农田中，然后翻压于10-20cm深的耕层土壤内；
(2)灌水保墒：所述秸秆基有机肥料施用后一周内，向所述农田灌水，维持田间持水量为60％-70％。
本发明所述的秸秆基有机肥料的应用方法，步骤(1)将秸秆基有机肥料以基肥的形式归还土壤，秸秆部分经过土壤微生物的发酵、腐解作用，能够很快地转化成腐殖质与土壤中的无机胶体构成有机-无机复合体。步骤(2)的田间持水量为60-70％，为土壤微生物活动创造了一个更加适宜的土壤生态环境，进而加快了秸秆的分解与转化。
另外，本发明所述的秸秆基有机肥料禁止连作重茬。即施用所述秸秆基有机肥料后的农田，其当季作物品种与所述秸秆基有机肥料中的秸秆原料品种不同。秸秆基有机肥料施用后进行连作，病虫害的发生比常规连作会更加严重，如禾本科麦秸基有机肥料施用后的春小麦根腐病和全蚀病都会加重发生；豆科豆秸基有机肥料施用后后茬秋大豆根腐病和蚜虫发生率明显提高。因此，凡秸秆基有机肥料的施用，一方面要严格实行轮作换茬；另一方面对有些虫害在施用秸秆基有机肥料过程中还要注意适时用药进行有效防治，减少病虫害的发生。
本发明具有的有益效果：
本发明的秸秆基有机肥料以尿素氮平衡微生物固氮，使其兼具着双重作用，一方面为土壤微生物活动繁殖提供充足的氮源和碳源，微生物发育量增加，被固化的土壤氮素也随之增加。另一方面为作物提供充足的氮素养分。微生物对土壤保氮、溶磷(提高磷的有效性)、供钾，无一不起着决定性影响。同时产生的代谢产物、分泌的酶类、激素等及微生物拮抗、生态平衡、净化、免疫等多种功效，加速改良、培肥和活化土壤，促进作物生长，又无一不起良好作用。秸秆—有机质—腐殖质(富里酸、胡敏酸等)—植物所需的各种养分，经过微生物的再造——复杂的生物化学变化，已发生了质的飞跃。作物秸杆以秸秆基有机肥料的形态间接全量还田，其贡献远大于高留茬或整秆直接还田的贡献。
本发明基于秸秆肥料化间接全量还田方式的技术措施，有效解决了秸秆高留茬或整秆直接还田方式存在的种植制度、生物降解时间滞后、前处理粗糙等的制约因素带来的关键技术问题。本发明提出的秸秆基有机肥料制备方法，工艺简单、实用、成本低。可有效发挥秸秆有机质对土壤理化性状的改良效果，可有效发挥秸秆培肥土壤、促进养分循环利用的作用。既可为土壤生物提供足够的养分或能源物质增强土壤微生物活性，又能够为农作物提供速缓相继的无机养分，同时改良土壤、提高土壤的可持续生产能力。具体的，本发明的秸秆基有机肥料的有益效果主要体现在以下几个方面：
(1)改善土壤的物理结构和土壤的耕作属性。本发明的秸秆基有机肥料提供的有机质为高质量有机质，不但能够活化土壤中的营养元素，而且能够改善土壤的物理结构和土壤的耕作属性。施用本发明的秸秆基有机肥料，土壤有机质不仅在数量上增加，而且使土壤有机质质量得到提升。其中80％有机质为生物活性物质，这些活性有机物质可以降低土壤的老化程度，有利于土壤养分活化，提高土壤养分供应能力。本发明的秸秆基有机肥料不仅在提供作物所必需的养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学性质方面起到不可替代的作用。因为，在土壤结构中形成的有机-无机复合胶体是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子。
(2)提高土壤透水性和水分利用率。秸秆基有机肥料不仅能够增加土壤有机-无机复合胶体含量，而且能够通过改变土壤空隙分布，改善土壤水分的迁移属性，对土壤中水分的运输和保持产生本质的影响。施用秸秆基有机肥料有助于阻止土壤辐射程度，保持土壤温度，防止土壤水分蒸发，降低地表径流，增加水分在土壤中的截留时间，提高土壤对养分流失的缓冲性，减少土壤侵蚀力度。
(3)活化土壤养分，增加养分储量。秸秆基有机肥料对土壤的另一个重要贡献就是能够为土壤中的微生物提供足够的可利用的碳、氮、磷等物质，促进微生物自身的繁殖，提高土壤生物活性，从而促进微生物对土壤矿物质中的养分释放达到补充土壤养分的效果。施用秸秆基有机肥料不但能提高氮素养分的吸收率、减少氮肥损失，而且能促进微生物对土壤磷的释放，提高土壤中的速效磷含量和总体供磷水平。因此，秸秆基有机肥料对土壤中养分的储存、转化等有重要的影响。
(4)提高作物产量。施用秸秆基有机肥料，能够显著提高土壤对化学养分的固持能力，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，钾素利用率平均增幅7.5％左右，粮食产量平均增幅15％左右。因此，秸秆基有机肥料不仅能够改善土壤的物理、化学和生物学性状，而且能够增加作物产量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用秸秆均为禾本科作物秸秆，所用尿素均为农用氮肥商品。
实施例1
本实施例提供了一种秸秆基有机肥料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)计量配料：取含水量为30％的玉米秸秆100kg，采用切片/打片多功能粉碎机进行粉碎、送往筛分机过2目的筛网，形成8mm长的段状均匀颗粒，经电子秤精确计量后进入混配系统；取尿素7kg，经电子秤精确计量进入链条式破碎机进行破碎，再经输送机配送进入所述混配系统；
(2)预处理：所述玉米秸秆、尿素在混配系统中混配均匀后，经输送机送入转鼓式烘干机进行烘焙、软化和干燥，控制出料口混合物料温度80℃，含水量18％；
(3)秸秆基有机肥料生产：将所述温度为80℃、含水量为18％的混合物料经输送机由转鼓式烘干机出料口送入环模式造粒机(环模板孔径7.5mm)进行成型造粒，再经过皮带输送机送至转鼓式冷却机进行冷却硬化5分钟，灌装、缝包，即得横断面直径为8mm的圆柱状颗粒秸秆基有机肥料。
本实施例还提供了一种所述秸秆基有机肥料的应用方法：用于小麦基肥，施用量为每亩150kg；施肥方式为撒施于田中，然后机械翻压于20厘米深的耕层土壤内；并于一周内灌水保墒，使田间持水量为60％。
实施例2
本实施例提供了一种秸秆基有机肥料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)计量配料：取含水量为25％的小麦秸秆100kg，采用切片/打片多功能粉碎机进行粉碎、送往筛分机过4目的筛网，形成5mm长的段状均匀颗粒，经电子秤精确计量后进入混配系统；取尿素3kg，经电子秤精确计量进入链条式破碎机进行破碎，再经输送机配送进入所述混配系统；
(2)预处理：所述小麦秸秆、尿素在混配系统中混配均匀后，经输送机送入转鼓式烘干机进行烘焙、软化和干燥，控制出料口混合物料温度90℃，含水量10％；
(3)秸秆基有机肥料生产：将所述温度为90℃、含水量为10％的混合物料经输送机由转鼓式烘干机出料口送入环模式造粒机(环模板孔径5.5mm)进行成型造粒，再经过皮带输送机送至转鼓式冷却机进行冷却硬化3分钟，灌装、缝包，即得横断面直径为6mm的圆柱状颗粒秸秆基有机肥料。
本实施例还提供了一种所述秸秆基有机肥料的应用：用于水稻基肥，施用量为每亩200kg；施肥方式为撒施于田中，然后机械翻压于15厘米深的耕层土壤内；并于一周内灌水保墒，使田间持水量为70％。
实施例3
本实施例提供了一种秸秆基有机肥料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)计量配料：取含水量为35％的水稻秸秆100kg，采用切片/打片多功能粉碎机进行粉碎、送往筛分机过6目筛网形成3mm长的段状均匀颗粒，经电子秤精确计量后进入混配系统；取尿素5kg，经电子秤精确计量进入链条式破碎机进行破碎，再经输送机配送进入所述混配系统；
(2)预处理：所述水稻秸秆、尿素在混配系统中混配均匀后，经输送机送入转鼓式烘干机进行烘焙、软化和干燥，控制出料口混合物料温度85℃，含水量15％；
(3)秸秆基有机肥料生产：将所述温度为85℃、含水量为15％的混合物料经输送机由转鼓式烘干机出料口送入环模式造粒机(环模板孔径4.5mm)进行成型造粒，再经过皮带输送机送至转鼓式冷却机进行冷却硬化4分钟，灌装、缝包，即得横断面直径为5mm的圆柱状颗粒秸秆基有机肥料。
本实施例还提供了一种所述秸秆基有机肥料的应用：用于玉米基肥，施用量为每亩300kg；施肥方式为沟施于田中，然后机械翻压于10厘米深的耕层土壤内；并于一周内灌水保墒，使田间持水量为65％。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。