茆軍

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物質(zhì)能源研究所，新疆烏魯木齊830000）

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(nóng)業(yè)設(shè)施對實(shí)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(yīng)、滿足市場需求意義重大。設(shè)施增溫保溫是保障其低溫季節(jié)運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)日光溫室保溫效果好，但建設(shè)成本高，土地利用率低，造成土地浪費(fèi)；塑料大棚利率高，但保溫效果差，積溫?zé)o法實(shí)現(xiàn)冬季生產(chǎn)，增溫所需能源消耗高。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)清潔化，可持續(xù)化發(fā)展方向不斷推進(jìn)，生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)在減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本，以及環(huán)境保護(hù)方面都顯示出積極的作用[1]。

1 生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)原理

生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)，也稱之為釀熱技術(shù)或秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)。利用微生物將大分子有機(jī)物分解為結(jié)構(gòu)簡單的小分子物質(zhì)，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(yīng)。發(fā)酵增溫原理與有機(jī)物堆肥相似，但堆肥技術(shù)側(cè)重有機(jī)質(zhì)腐化肥效，主要利用微生物的分解作用；生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)著重?zé)崃康尼尫?，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(shù)。

微生物產(chǎn)熱伴隨有機(jī)質(zhì)代謝過程發(fā)生，兩者間存在關(guān)聯(lián)。在有機(jī)物損失與產(chǎn)熱關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，以牛糞和玉米秸稈為原料，在含水率65%時好氧堆肥中有機(jī)質(zhì)損失和總熱值變化最大，總產(chǎn)熱量為2236 kJ·kg-1。

呼吸作用下微生物代謝有機(jī)物最終產(chǎn)物為CO2、H2O和三磷酸腺苷（ATP）。CO2隨發(fā)酵池內(nèi)外氣體交換釋放，提高溫室CO2含量，產(chǎn)生CO2氣肥增施效應(yīng)。因此生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)同時也是溫室CO2氣肥增施技術(shù)[2]。

2 研究應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用方式

生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)施中應(yīng)用由來已久，初使階段僅作為增溫保溫手段，如1976年報道的利用牛糞草發(fā)酵堆對蔬菜育苗溫床保溫；2001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(shù)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(nèi)置式”，埋于地下的稱之為“地埋式”，提升地溫效果好（圖1、圖2））；位于溫室一側(cè)的為“外置式”，對大型溫室也可置于溫室中部，主要提升氣溫[3]。依據(jù)對增溫效果的需求及溫室大棚建設(shè)情況，可選擇不同的應(yīng)用方式，也可兩種方式混合使用，以達(dá)到最佳的效果。但從發(fā)酵池建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)上比較，行間內(nèi)置式、外置式應(yīng)用易操作，更適合在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

生物質(zhì)增溫技術(shù)也可與其它技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生更佳的應(yīng)用效果。如利用熱交換盤、儲熱罐、熱泵等設(shè)備連接內(nèi)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(diào)利用，可保障溫室與沼氣設(shè)施的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)資源的多效綜合利用[4]；也可單獨(dú)應(yīng)用于沼氣池等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)戶外沼氣池的冬季正常運(yùn)行（圖3）。因此，生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)作為一種增溫手段，可應(yīng)用于多種需要增溫的設(shè)施與環(huán)境。

2.2 生物質(zhì)增溫發(fā)酵調(diào)控技術(shù)

隨著研究深入，生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)綜合效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，但增溫與CO2氣肥增施最受重視。對設(shè)施農(nóng)業(yè)而言，不同季節(jié)、不同生長期，溫室及作物對增溫技術(shù)效果需求也有所差異，這促使生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)向可控化方向發(fā)展，使物料發(fā)酵效益最大化。

生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)以有機(jī)物好氧發(fā)酵為基礎(chǔ)，發(fā)酵物料C/N、水分含量、氧供給量、發(fā)酵菌劑均可對發(fā)酵結(jié)果產(chǎn)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(diào)和氣調(diào)來控制物料發(fā)酵。

孫亞文等在發(fā)酵池內(nèi)裝配秸稈淋洗與通風(fēng)換氣裝置，調(diào)控發(fā)酵池內(nèi)積溫與CO2釋放量。經(jīng)測定，生物質(zhì)發(fā)酵棚較常規(guī)棚冬季可提高大棚氣溫3～5 ℃，達(dá)到12～18℃，植株光合作用加強(qiáng)、番茄產(chǎn)量增加29.6%。孔政等通過調(diào)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[5]。李建明設(shè)計(jì)的一種“溫室水控式內(nèi)循環(huán)釀熱補(bǔ)氣設(shè)施”通過發(fā)酵物補(bǔ)水與通氣調(diào)節(jié)發(fā)酵積溫效果。配置的補(bǔ)水管可對物料補(bǔ)水同時實(shí)現(xiàn)菌劑添，調(diào)控物料發(fā)酵的啟動并實(shí)現(xiàn)發(fā)酵菌含量對發(fā)酵效果的控制；導(dǎo)氣管調(diào)控?fù)Q氣量同時將發(fā)酵池CO2直接釋放到植株根部[6]。可控發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)酵增溫的按需運(yùn)行，是該項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代化溫室大棚中的應(yīng)用發(fā)展方向。

2.3 增溫與CO2 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(nèi)保溫大棚平均地溫分別高1.4～2.0 ℃和0.5～2.2 ℃；在室外最低氣溫為-14.3 ℃的極端天氣下，夜間最低氣溫為5.3 ℃，比對照分別高出3.8 ℃和0.8 ℃[7]。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4.2 ℃，日最低氣溫平均提高4.6 ℃，明顯縮短溫室氣溫10 ℃以下低溫天數(shù)；同時室內(nèi)CO2水平提高289.4%[8]。

現(xiàn)有研究表明生物質(zhì)發(fā)酵增溫池的建設(shè)方式對CO2氣肥增施效果產(chǎn)生顯著影響。比較分析外置式和內(nèi)置式秸稈發(fā)酵增溫技術(shù)對陽光溫室內(nèi)CO2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CO2濃度，但外置式高于內(nèi)置式數(shù)倍，而在地上堆制發(fā)酵上可提高溫室CO2濃度2 倍以上。從不同的應(yīng)用方式上分析，可能是由于不同發(fā)酵池建設(shè)方式導(dǎo)致發(fā)酵池與外部氣體交換效果差異所致。因此，從CO2氣肥增施效果需求上分析，也需依據(jù)作物對CO2氣肥需求及溫室條件選擇不同的應(yīng)用方式。

3 對農(nóng)作物及生產(chǎn)的影響

生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)在增溫同時最顯著的是產(chǎn)生CO2氣肥增施效應(yīng)，CO2濃度提升將對作物生長、生理、產(chǎn)品品質(zhì)及產(chǎn)量產(chǎn)生積極影響。對溫室草莓種植的研究顯示，外置式增溫技術(shù)顯著提高了草莓的光合速率，較對照組最高增加了90.4%；而溫室黃瓜種植觀測發(fā)現(xiàn)，較同等普通溫棚，建設(shè)地上發(fā)酵池使溫棚內(nèi)氣溫提高1 ℃，同時提高了2.6 倍CO2濃度，使黃瓜單棚總產(chǎn)提高25.23%，上市時間提早8 天，細(xì)菌性角斑病染病植株率、葉部病指數(shù)較對照組低12%和23%。由此可見，生物質(zhì)增溫技術(shù)所產(chǎn)生的CO2氣肥增施效應(yīng)能有效增強(qiáng)作物的生長生理特性。

有研究顯示并不能單從CO2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(nèi)置式、外置式提高溫室CO2濃度分別為10%和80%，而秋延后番茄生長速度與產(chǎn)量并無顯著差異，但外置式發(fā)酵單果質(zhì)量上顯著高于內(nèi)置式，這里可能存在內(nèi)置式應(yīng)用方式下，發(fā)酵物可與種植土層接觸，可能導(dǎo)致生物質(zhì)發(fā)酵中產(chǎn)生的無機(jī)鹽、氨等小分子物質(zhì)向周邊土層傳遞，這些物質(zhì)可作為作物生長的營養(yǎng)，因此發(fā)酵增溫也可能產(chǎn)生肥料效應(yīng)。而有關(guān)生物質(zhì)發(fā)酵增溫大棚土壤、土壤微生物態(tài)的研究顯示，內(nèi)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(chǎn)生影響，從而改變土微生物群落結(jié)構(gòu)與呼吸作用等特性，對土壤環(huán)境具有改善與調(diào)節(jié)作用[3,8-9]。這些尚未明確的研究與觀測結(jié)果還有待于進(jìn)一步研究揭示。

4 結(jié)論

溫室大棚作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，是延長農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期，豐富、穩(wěn)定果蔬等農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)的基礎(chǔ)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(yùn)行成本高的主要因素。農(nóng)村秸稈資源豐富，是傳統(tǒng)能源物質(zhì)，隨著煤、電、燃?xì)獾壬唐纺茉垂?yīng)豐富與普及，秸稈能源逐步退出農(nóng)村能源領(lǐng)域。生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)為秸稈等有機(jī)物能源化利用提供了新的途徑與技術(shù)。

生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)的應(yīng)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(yùn)行情況下無需人員時刻堅(jiān)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(chǎn)生的CO2氣肥等營養(yǎng)因子增施效應(yīng)，可增產(chǎn)提質(zhì)，提高生產(chǎn)收益。

新疆大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)，使冬季生產(chǎn)成為農(nóng)民增收的重要途徑。小拱棚與小型溫室是當(dāng)前農(nóng)戶家庭建設(shè)量最多的農(nóng)業(yè)設(shè)施。生物質(zhì)發(fā)酵增溫技術(shù)在一定程度上可彌補(bǔ)小型設(shè)施保溫能力不足，提高溫棚的使用效率，降低運(yùn)行成本。因此該項(xiàng)目技術(shù)適合于新疆地區(qū)應(yīng)用推廣。但不同地區(qū)、不同作物應(yīng)采用何種應(yīng)用方式仍需研究測試。