APP下载

不同粉碎程度与还田方式对稻草焚烧特性的影响*

2021-05-08程凯凯廖育林郭立君唐海明汤文光钟伶桃姜海天肖小平

中国生态农业学报(中英文) 2021年5期
关键词:均匀度条带收割机

李 超, 程凯凯, 廖育林, 郭立君, 文 丽, 唐海明, 汤文光, 汪 柯, 禇 飞, 钟伶桃, 姜海天, 肖小平**

不同粉碎程度与还田方式对稻草焚烧特性的影响*

李 超1, 程凯凯1, 廖育林1, 郭立君1, 文 丽1, 唐海明1, 汤文光1, 汪 柯1, 禇 飞1, 钟伶桃2, 姜海天3, 肖小平1**

(1. 湖南省土壤肥料研究所 长沙 410125; 2. 宁乡市农业农村局 宁乡 410699; 3. 宁乡市农资服务中心 宁乡 410600)

为从根本上禁止稻草焚烧, 促进稻草还田, 本研究依托自主研发的稻草粉碎均匀抛撒装置, 通过大田试验与野外模拟试验,以目前水稻收获的常规模式稻草不粉碎条带还田(T1)及中度粉碎条带还田(T2)为对照, 设置稻草粉碎条带还田模式(T3)及稻草粉碎均匀抛撒还田模式(T4), 研究不同粉碎程度与还田方式对稻草焚烧特性的影响。结果表明: 稻草抛撒均匀度及还田密度随着粉碎程度的增加而显著增加, 稻草还田厚度则呈显著减少趋势。T4的稻草平均长度为5.3 cm, 分别仅为T1、T2的13.6%、36.8%; 稻草抛撒均匀度为87.4%, 较T1、T2分别增加49.7个和42.0个百分点; 稻草还田厚度为2.7 cm, 仅为T1、T2的22.1%、27.8%; 稻草还田密度为17.6 kg∙m−3, 较T1、T2分别增加88.3%、17.3%。在稻草条带还田(T1、T2、T3)模式下, 粉碎程度越高, 含水率下降越慢, 燃烧时间越长, 燃烧率越低, 燃烧速率越慢, 灰分越高, 燃烧越不充分。T4通过稻草均匀抛撒虽可加速稻草含水率的下降, 但燃烧时间、燃烧率及灰分仅分别为0.3 min、6.0%、1.7%, 均显著低于其他处理, 几乎未燃烧。表明稻草粉碎均匀抛撒还田条件下无法燃烧, 有利于从根本上实现秸秆禁烧。

稻草焚烧; 稻草还田; 稻草粉碎; 均匀抛撒; 燃烧特性; 灰分

我国农作物秸秆年均产量高达8.02×108t[1], 2010年全国秸秆露天焚烧比例达20.8%, 而湖南省秸秆露天焚烧比例高达43.1%[2], 且主要以水稻()秸秆(稻草)为主。稻草焚烧是中国秸秆露天焚烧排放的主要贡献源之一, 其对各类污染物排放的贡献率达27%~51%, 对PM2.5、BC(黑碳)、SO2和NH3排放的贡献均超过40%, 远高于玉米()和小麦()秸秆[2], 给周边城市环境及居民健康带来了巨大压力。因此, 我国政府自1999年起, 相继出台了一系列秸秆禁烧文件, 加大秸秆禁烧力度, 提高禁燃监管水平, 制止秸秆露天焚烧, 大力推进生态文明建设[3], 同时通过对秸秆实行燃料化、饲料化、肥料化、原料化及基料化“五化”处理[1]。近年来, 长江中下游地区的秸秆焚烧比例呈下降趋势, 2017年湖南省的秸秆田间焚烧比例下降至7%[4], 但并未从根本上解决秸秆焚烧这一问题。

我国稻草资源总量达1.77×108t[5], 稻草富含作物生长所需的各种养分元素。在农村劳动力紧缺日益突出及化肥减施背景下, 稻草将是今后水稻生产中最主要的有机肥来源。其养分释放及产生的后效性要优于焚烧还田[6-7], 养分残效的连续叠加, 使得土壤在氮磷钾等养分供应上更具渐进性和持久性[8], 从而可直接替代约20%化学氮肥、5.0%化学磷肥和50.0%化学钾肥[6,9]; 且显著增加土壤稳定性大团聚体、有机碳含量及其库容量[10-11], 还可增加土壤腐殖质含量, 改善腐殖质品质及土壤通气孔隙, 改善土壤结构[12], 最终可增产2.9%~12.3%[6,13-14]。但稻草以上培肥功能的发挥需建立在稻草还田的基础上,而水稻生产中由于水稻收割机的不配套, 稻草粉碎程度及抛撒均匀度低, 尤其是双季稻区, 易导致耕作质量差、晚稻少免耕操作难及晚稻生长缓慢等问题; 同时, 稻草焚烧便于晚稻农事操作的开展, 还可降低病虫草害[15], 相比稻草还田, 农户更青睐稻草直接焚烧。因此, 如何从根本上破解稻草焚烧, 已成为水稻生产向资源节约型与环境友好型方向转型的关键问题之一。近年来, 水稻收割机均配套了稻草粉碎装置, 但存在粉碎程度不够及抛撒不匀等问题, 收割后的稻草晒干后依然可以直接焚烧。本研究基于课题组研发的与水稻收割机进行组装配套的稻草粉碎均匀抛撒装置[16-17], 以目前水稻生产中的常用收割机收获后的稻草粉碎及还田方式为对照, 开展不同粉碎程度及还田方式对早稻草焚烧的影响研究, 以期为稻草禁烧及促进稻草还田提供一定理论及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试水稻品种为早稻‘湘早籼45号’, 2020年7月14日收获。为更好地还原生产实际, 采用大田试验与野外模拟试验相结合。试验以目前水稻生产中的常规收获模式稻草不粉碎条带还田(T1)、中度粉碎条带还田(T2)为对照; 依托自主研发的稻草粉碎均匀抛撒装置, 设置稻草粉碎条带还田(T3)及稻草粉碎均匀还田(T4), 共4个处理, 每个处理3次重复。收获前, 将目标田块平分为12个200 m2的小区(20 m×10 m), 小区之间间隔0.5 m作隔离带, 并按随机区组法进行编号。然后对T1采用未配套稻草粉碎装置的全喂入联合收割机(星光4LZ-4.2Z)进行收获; T2采用配套稻草粉碎装置的全喂入联合收割机(雷沃4LZ-5G)进行收获; T4采用配套自主研发的稻草粉碎均匀抛撒装置的全喂入联合收割机(沃得4LZ-4.0E)进行收获, 该装置的碎草原理及应用效果见廖育林等[16-17]的研究成果; T3为模拟试验时增加的处理, 水稻田间收获时无此模式, 故此处未列出, 其稻草粉碎程度同T4。水稻收获时留桩高度为30 cm左右。收获后调查各小区的稻草抛撒均匀度及稻草还田厚度, 同时按五点取样法取鲜草2000 g左右, 塑料袋密封带回实验室用于稻草长度、含水率及失水速率等相关测量及检测。

由于田间禁止焚烧稻草, 同时为便于对各处理稻草的燃烧特性进行统计观察, 以及便于后续采样, 于2020年7月16日开展不同稻草粉碎程度及还田方式下的野外模拟燃烧试验。选择一土面紧实湿润且表面平整的泥土地, 将其表层的泥沙等杂物清理干净, 然后各处理取等量烘干后的稻草220 g (基于田间调查所得收割后稻草干重3060 kg∙hm−2, 不包括稻茬), 其中, T1、T2、T3处理的烘干稻草样置于90 cm×40 cm的样方内, 代表稻草条带还田, T4处理置于90 cm×80 cm样方内, 代表稻草均匀还田。燃烧开始后记录燃烧开始时间及结束时间, 有无明火, 燃烧结束后称量剩余稻草干重及灰渣量。

1.2 检测项目与方法

稻草粉碎程度: 即水稻收获后不同长度稻草的占比情况, 长度较短的稻草占比越大代表粉碎程度越高。早稻采用不同机型收割机收获后, 按五点取样法取鲜稻草100 g, 带回室内用直尺测量稻草长度,统计0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm及>30 cm的稻草占比, 并计算稻草平均长度。

稻草还田厚度(cm): 收割机收获后沿着收割方向, 在田块中间收割宽幅内的稻草覆盖区域随机选择10个横截面, 每个横截面等距离选择5个点测量稻草覆盖厚度并取平均值。

稻草还田密度(kg∙m−3): 将各收割模式下的稻草按五点取样法取稻草1000 g左右, 3个重复, 带回实验室80 ℃烘干至恒重, 充分混匀后选取部分稻草, 以自然松散状态填满泡沫盒(长35 cm×宽18 cm×高15 cm)称重, 稻草还田密度=稻草干重/稻草体积。

稻草抛撒均匀度(%): 指在联合收割机作业幅宽内, 作业后的稻草沿幅宽横向分布的均匀性, 即100%−抛撒不均匀度[18]。

稻草含水率(%)及失水速率(%∙h−1): 收割机收获后, 各处理按五点取样法取1000 g鲜稻草, 3个重复, 置于恒温电热鼓风干燥箱中, 温度设置50 ℃, 每2 h测量一次稻草重量直至恒重。稻草含水率(%)=(稻草鲜重−稻草干重)×100/稻草鲜重; 失水速率(%∙h−1)=∆含水率/(2−1), ∆含水率表示相邻时间点1至2的稻草含水量降幅。

燃烧率(%): 燃烧结束后, 将剩余稻草带回实验室80 ℃烘干至恒重并称重, 燃烧率=100%−燃烧后剩余稻草干重×100%/燃烧前稻草干重, 即已燃烧稻草干重占总稻草干重的百分比。

燃烧时间(min): 稻草开始燃烧至结束燃烧的时间, 采用秒表进行记录。

燃烧速率(%∙min−1): 燃烧速率=燃烧率/燃烧时间, 即单位时间内稻草干重的燃烧百分比。

灰分(%): 燃烧结束后, 收集灰渣, 带回实验室80 ℃烘干至恒重并称重, 灰分=燃烧后灰渣量×100/燃烧前稻草干重, 即燃烧后灰渣量占燃烧前稻草干重的比值。

1.3 数据处理

运用SPSS Statistics 21、Excel 2007实用数据分析软件对试验数据进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 还田稻草的田间特征

表1表明: T1模式下的稻草长度主要以20~ 30 cm及>30 cm为主, T2模式主要以5~10 cm及10~20 cm为主, T4主要以0~5 cm和5~10 cm为主, 其中0~5 cm占比高达70.5%。稻草粉碎(T4)处理的稻草平均长度仅分别为稻草不粉碎(T1)及一般粉碎(T2)处理的13.6%和36.8%。稻草还田厚度随粉碎程度的增加而显著降低, T4的稻草还田厚度仅分别为T1、T2的22.1%、27.8%。稻草还田密度随粉碎程度的增加而显著增加, T4的稻草还田密度分别为T1、T2的1.8倍、1.2倍。稻草抛撒均匀度随粉碎程度的增加而显著增加, T4的稻草抛撒均匀度较T1、T2分别增加49.7个、42.0个百分点。这表明稻草粉碎程度越高, 还田厚度越低, 抛撒均匀度越高, 还田密度越大。

表1 不同粉碎与还田方式下稻草的田间特征

T1: 稻草不粉碎条带还田; T2: 稻草中度粉碎条带还田; T4: 稻草粉碎均匀还田。同列不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。T1: rice straw was not crushed and returned to field in a belt; T2: rice straw was moderately crushed and returned to field in a belt; T4: rice straw was crushed and evenly returned to field. Different lowercase letters in the same column mean significant differences at<0.05 level.

2.2 还田稻草的水分蒸发动态

各烘干时间点的稻草含水率均表现为T4T1>T2>T3(图1B), 其中T4的平均失水速率为8.4%∙h−1, 分别是T1、T2、T3的1.8倍、1.9倍、2.4倍, 10 h后下降为零。而T1、T2、T3的稻草失水速率表现出先增加后降低的趋势, 其平均失水速率较T4分别降低28.9%、37.4%、34.6%。表明在稻草条带还田下, 粉碎程度越高, 含水率下降越慢, 但通过稻草均匀抛撒可明显加速稻草水分的下降。

T1: 稻草不粉碎条带还田; T2: 稻草中度粉碎条带还田; T3: 稻草粉碎条带还田; T4 : 稻草粉碎均匀还田。T1: rice straw was not crushed and returned to field in a strip shape; T2: rice straw was moderately crushed and returned to field in a belt; T3: rice straw was crushed and returned to field in a belt; T4: rice straw was crushed and evenly returned to field.

2.3 还田稻草的燃烧特征

2.3.1 燃烧率

图2A表明, 各处理间的稻草燃烧率表现为T4

2.3.2 燃烧时间

图2B表明, 各处理间的稻草燃烧时间达显著差异(0.05), 稻草均匀还田T4处理的燃烧时间仅为0.3 min, 显著低于条带还田处理(T1、T2、T3)。条带还田处理的燃烧时间在2.1~16.2 min, 表现为T1

2.3.3 燃烧速率

图2C表明, 条带还田条件下, T1、T2、T3之间的燃烧速率达显著差异, 表现出T1>T2>T3, T1的燃烧速率分别为T2、T3的2.5倍、8.6倍, 这表明条带还田条件下稻草的燃烧速率随粉碎程度的增加而显著降低。T4处理的燃烧速率虽然与T2接近, 但由于燃烧率最低及燃烧时间最短, 几乎未燃烧, 故不参与比较。

T1: 稻草不粉碎条带还田; T2: 稻草中度粉碎条带还田; T3: 稻草粉碎条带还田; T4: 稻草粉碎均匀还田。不同小写字母表示各处理间在<0.05水平差异显著。T1: rice straw was not crushed and returned to field in a strip shape; T2: rice straw was moderately crushed and returned to field in a belt; T3: rice straw was crushed and returned to field in a belt; T4: rice straw was crushed and evenly returned to field. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at<0.05 level.

2.3.4 灰分

表2表明: 各处理间的出灰率表现为T4

表2 不同粉碎与还田方式下稻草燃烧的出灰率

T1: 稻草不粉碎条带还田; T2: 稻草中度粉碎条带还田; T3: 稻草粉碎条带还田; T4: 稻草粉碎均匀还田。同列不同小写字母表示各处理间在<0.05水平差异显著。T1: rice straw was not crushed and returned to field in a strip shape; T2: rice straw was moderately crushed and returned to field in a belt; T3: rice straw was crushed and returned to field in a belt; T4: rice straw was crushed and evenly returned to field. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at<0.05 level.

3 讨论与结论

秸秆燃烧特征与秸秆含水率、受热温度、颗粒大小及外界氧气浓度等密切相关[19-20]。马增益等[21]和Simmons等[22]发现, 木屑或小木块在不同含水率条件下, 燃烧速率随着含水率的增加而减少。秸秆升温速率越快, 最大燃烧速率越大, 平均燃烧失重速率增加, 且升温速率越快, 挥发分更易析出, 燃烧性能越好, 燃烧更稳定[20]。外界氧浓度的增加有利于挥发分的析出, 秸秆燃尽所需要的时间缩短, 燃尽温度降低, 最大燃烧速率增加, 平均燃烧失重速率也会相应增加, 秸秆燃烧的稳定性提高[20]。本研究表明: 条带还田模式下, 秸秆粉碎程度越高, 鲜稻草的水分散发越慢, 变为干稻草后的燃烧时间越长, 燃烧率越低, 燃烧速率越慢, 这主要是由于粉碎程度越高, 密度越大, 相互填充能力越强, 秸秆间的空隙度及空隙量越小[19], 从而不利于稻草水分的散失, 这在一定程度上可抑制稻草的焚烧。同时粉碎程度越高, 秸秆间的氧浓度也相应降低, 不利于传热传质的进行, 挥发分的析出峰值时间滞后, 挥发分不易析出, 析出过程较为平稳, 导致燃烧时间越长, 燃烧速率越慢[23]。而本研究在稻草粉碎均匀抛撒还田模式下, 稻草的水分散失最快, 但稻草几乎未燃烧, 这主要是由于稻草的覆盖厚度低, 分布散, 导致稻草间的热能传递效率差而无法燃烧。

秸秆主要由纤维素、半纤维素及木质素组成[24]。秸秆的燃烧失重过程分3个温度阶段: 第1个温度阶段(室温~200 ℃), 失重由秸秆中的吸附水蒸发及挥发性气体析出引起; 第2个温度阶段(200~350 ℃), 失重由半纤维素、纤维素以及部分木质素的热解和挥发分的燃烧引起; 第3个温度阶段(350~600 ℃), 失重由剩余的木质素热解及焦炭燃烧引起[25]。稻草的纤维素、半纤维素及木质素含量分别为28.4%、27.9%和14.2%[24], 半纤维素最易热解, 纤维素次之, 木质素最难热解且持续时间最长, 半纤维素、纤维素热裂解后的主要析出成分为挥发分, 而木质素热分解后主要生成碳[26], 这与本研究中稻草条带还田下燃烧后14.7%~15.3%的灰分结果吻合。秸秆半纤维素及纤维素热解析出挥发分的同时, 在温度及氧气浓度达到一定程度时挥发分才能着火燃烧, 挥发分燃烧释放的热量为后续挥发分的析出及着火提供了条件[27]。本研究中, 条带还田模式下, 粉碎程度越高, 灰分越大, 这可能主要是由于在稻草初始燃烧的低温段, 粉碎程度越高, 稻草间的孔隙及氧气浓度越低, 导致稻草的升温速率越慢, 平均燃烧失重速率降低, 挥发分更难析出, 且不利于后续挥发分的析出, 导致焚烧的损失量低, 灰渣量大, 从而使灰分增大[20,28]。随着温度继续升高, 反应的速度主要决定于氧气浓度, 前期纤维素热分解后燃烧生成的灰包裹着剩余木质素, 阻碍了氧气与焦碳的接触, 虽然温度达到了焦炭的着火点, 但是其燃烧速度依然较慢[27,29], 这进一步增加灰渣量, 导致灰分增加。

本研究中, 在条带还田模式下, 稻草均能燃烧, 燃烧率为86.3%~96.8%, 但燃烧率及燃烧速率均伴随粉碎程度的增加而降低, 不粉碎处理的燃烧速率分别为中度粉碎及粉碎处理的2.5倍、8.6倍。稻草粉碎均匀抛撒还田模式下, 其稻草抛撒均匀度较不粉碎条带还田模式及中度粉碎条带还田模式分别显著增加49.7个和42.0个百分点, 显著降低了稻草还田厚度及燃烧率, 导致稻草无法燃烧, 从而从根本上破解了稻草焚烧这一难题。因此, 当地政府职能部门只需对联合收割机强制安装稻草粉碎均匀抛撒装置, 则可从源头上彻底禁止稻草焚烧, 这极大地降低了农业执法部门执行秸秆禁烧政策的执法难度及成本, 提高了执法效率, 对于打赢蓝天保卫战及缓解气候变暖具有重要意义。但本文仅研究了不同粉碎程度及还田方式下的稻草焚烧特性, 而稻草焚烧后的养分损失特征, 稻草还田后的腐解特性、养分释放规律及对土壤养分等的影响, 均有待进一步深入研究。

[1] 车莉. 农作物秸秆资源量估算、分布与利用潜力研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2014 CHE L. Research on resource estimation, distribution and utilization potential of crop residue[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014

[2] 彭立群, 张强, 贺克斌. 基于调查的中国秸秆露天焚烧污染物排放清单[J]. 环境科学研究, 2016, 29(8): 1109–1118 PENG L Q, ZHANG Q, HE K B. Emissions inventory of atmospheric pollutants from open burning of crop residues in China based on a national questionnaire[J]. Research of Environmental Sciences, 2016, 29(8): 1109–1118

[3] 张景源, 杨绪红, 涂心萌, 等. 2014—2018年中国田间秸秆焚烧火点的时空变化[J]. 农业工程学报, 2019, 35(19): 191–199 ZHANG J Y, YANG X H, TU X M, et al. Spatio-temporal change of straw burning fire points in field of China from 2014 to 2018[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(19): 191–199

[4] 张晓荟. 中国秸秆焚烧大气污染物高分辨率排放特征研究[D]. 南京: 南京大学, 2019 ZHANG X H. High-resolution characteristics of air pollutant emissions from crop residue burning in China[D]. Nanjing: Nanjing University, 2019

[5] 包雪梅, 张福锁, 马文奇, 等. 陕西省有机肥料施用状况分析评价[J]. 应用生态学报, 2003, 14(10): 1669–1672 BAO X M, ZHANG F S, MA W Q, et al. Change of farmyard manure application in Shaanxi Province[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(10): 1669–1672

[6] SOMMERFELDT T G, CHANG C, ENTZ T. Long-term annual manure applications increase soil organic matter and nitrogen, and decrease carbon to nitrogen ratio[J]. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52(6): 1668–1672

[7] 高洪军, 朱平, 彭畅, 等. 等氮条件下长期有机无机配施对春玉米的氮素吸收利用和土壤无机氮的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(2): 318–325 GAO H J, ZHU P, PENG C, et al. Effects of partially replacement of inorganic N with organic materials on nitrogen efficiency of spring maize and soil inorganic nitrogen content under the same N input[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(2): 318–325

[8] 肖小平, 李超, 唐海明, 等. 秸秆还田下减氮增密对双季稻田土壤氮素库容及氮素利用率的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(3): 422–430 XIAO X P, LI C, TANG H M, et al. Soil nitrogen storage and recovery efficiency in double paddy fields under reduced nitrogen dose and increased crop density[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(3): 422–430

[9] 曾研华, 范呈根, 吴建富, 等. 等养分条件下稻草还田替代双季早稻氮钾肥比例的研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(3): 658–668 ZENG Y H, FAN C G, WU J F, et al. Replacement ratio of nitrogen and potassium fertilizer by straw incorporation in early rice under the same nitrogen, phosphorus and potassium input[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(3): 658–668

[10] 孙汉印, 姬强, 王勇, 等. 不同秸秆还田模式下水稳性团聚体有机碳的分布及其氧化稳定性研究[J]. 农业环境科学学报, 2012, 31(2): 369–376 SUN H Y, JI Q, WANG Y, et al. The distribution of water-stable aggregate-associated organic carbon and its oxidation stability under different straw returning modes[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2012, 31(2): 369–376

[11] WANG X, QI J Y, ZHANG X Z, et al. Effects of tillage and residue management on soil aggregates and associated carbon storage in a double paddy cropping system[J]. Soil and Tillage Research, 2019, 194: 104339

[12] 崔婷婷, 窦森, 杨轶囡, 等. 秸秆深还对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响[J]. 土壤学报, 2014, 51(4): 718–725 CUI T T, DOU S, YANG Y N, et al. Effect of deep applied corn stalks on composition of soil humus and structure of humic acid[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(4): 718–725

[13] LIU P, HE J, LI H W, et al. Effect of straw retention on crop yield, soil properties, water use efficiency and greenhouse gas emission in China: A Meta-analysis[J]. International Journal of Plant Production, 2019, 13(4): 347–367

[14] LI T, GAO J S, BAI L Y, et al. Influence of green manure and rice straw management on soil organic carbon, enzyme activities, and rice yield in red paddy soil[J]. Soil and Tillage Research, 2019, 195: 104428

[15] 王爱玲, 高旺盛, 洪春梅. 华北灌溉区秸秆焚烧与直接还田生态效应研究[J]. 中国生态农业学报, 2003, 11(1): 142–144 WANG A L, GAO W S, HONG C M. Study on the ecological effect of crop residues burned or incorporated in field in north central irrigated area of China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2003, 11(1): 142–144

[16] 吴卫东, 李军政, 廖育林, 等. 联合收割机配套稻秸秆粉碎还田装置设计[J]. 农业装备与车辆工程, 2020, 58(5): 11–14 WU W D, LI J Z, LIAO Y L, et al. Design of rice straw crushing and returning device for combine harvester[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2020, 58(5): 11–14

[17] 廖育林, 鲁艳红, 高雅洁, 等. 适宜双季稻稻草还田的多功能联合作业装置[J]. 湖南农业科学, 2020, (4): 69–71 LIAO Y L, LU Y H, GAO Y J, et al. A new type of multi- functional combined operation device suitable for rice straw returning into double cropping paddy field[J]. Hunan Agricultural Sciences, 2020, (4): 69–71

[18] 孙丽娟, 冯健. 秸秆粉碎还田机秸秆抛撒不均匀度测试方法探讨[J]. 中国农机化学报, 2016, 37(6): 35–38SUN L J, FENG J. Research on test method of straw scattering inhomogeneity for smashed straw machine[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2016, 37(6): 35–38

[19] 刘正光. 谷秆固体燃料物理性能及燃烧特性研究[D]. 太谷: 山西农业大学, 2018 LIU Z G. Study on physical properties and combustion cha­racteristics of straw stalk solid fuel[D]. Taigu: Shanxi Agricultural University, 2018

[20] 白兆兴, 曹建峰, 林鹏云, 等. 秸秆类生物质燃烧动力学特性实验研究[J]. 能源研究与信息, 2009, 25(3): 130–137 BAI Z X, CAO J F, LIN P Y, et al. Experimental study on the biomass combustion kinetics[J]. Energy Research and Information, 2009, 25(3): 130–137

[21] 马增益, 李月宁, 黄群星, 等. 水平强迫气流下木屑逆向阴燃过程的实验研究[J]. 燃烧科学与技术, 2004, 10(6): 497–500 MA Z Y, LI Y N, HUANG Q X, et al. Experimental study of opposed smolder of the horizontal oriented sawdust in a forced air flow[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2004, 10(6): 497–500

[22] SIMMONS W W, RAGLAND K W. Burning rate of millimeter sized wood particles in a furnace[J]. Combustion Science and Technology, 1986, 46(1/2): 1–15

[23] 王炯, 刘圣勇, 张品, 等. 玉米秸秆打捆燃烧特性研究[J]. 太阳能学报, 2018, 39(12): 3499–3504 WANG J, LIU S Y, ZHANG P, et al. Study on combustion characteristics of baled corn stalk[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(12): 3499–3504

[24] 赵文霞, 杨朝旭, 刘帅, 等. 典型农作物秸秆组成及燃烧动力学分析[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(4): 921–927 ZHAO W X, YANG Z X, LIU S, et al. Composition and combustion dynamics analysis of typical crop straws[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2019, 38(4): 921–927

[25] CAO R, NAYA S, ARTIAGA R, et al. Logistic approach to polymer degradation in dynamic TGA[J]. Polymer Degradation and Stability, 2004, 85(1): 667–674

[26] 朱恂, 李刚, 冯云鹏, 等. 重庆地区7种生物质的成分分析及热重实验[J]. 重庆大学学报: 自然科学版, 2006, 29(8): 44–48 ZHU X, LI G, FENG Y P, et al. Thermogravimetric experiments and component analysis of biomass in Chongqing[J]. Journal of Chongqing University: Natural Science Edition, 2006, 29(8): 44–48

[27] 田红, 廖正祝. 农业生物质燃烧特性及燃烧动力学[J]. 农业工程学报, 2013, 29(10): 203–212 TIAN H, LIAO Z Z. Combustion characteristics and combustion kinetics of agriculture biomass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(10): 203–212

[28] 朱红, 常志州, 黄红英, 等. 高温焚烧对秸秆灰渣磷、钾养分变化的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(6): 1197–1201 ZHU H, CHANG Z Z, HUANG H Y, et al. Effect of incineration temperature on the content and availability of P and K in straw ash[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(6): 1197–1201

[29] 岑可法, 姚强, 骆仲泱, 等. 高等燃烧学[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 2002: 299–304 CEN K F, YAO Q, LUO Z Y, et al. Advanced Combustion Theory[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2002: 299–304

Effect of crushing degree and returning method on straw combustion*

LI Chao1, CHENG Kaikai1, LIAO Yulin1, GUO Lijun1, WEN Li1, TANG Haiming1, TANG Wenguang1, WANG Ke1, CHU Fei1, ZHONG Lingtao2, JIANG Haitian3, XIAO Xiaoping1**

(1. Institute of Soil Fertility Research in Hunan Province, Changsha 410125, China; 2. Ningxiang Agriculture and Rural Bureau, Ningxiang 410699, China; 3. Ningxiang Agricultural Materials Service Center, Ningxiang 410600, China)

Rice straw burning is a major source of pollutants emissions in China. Its contribution to the emission of various pollutants is much higher than that of corn and wheat straws, which has resulted in tremendous pressure on the surrounding urban environment and residents’ health. Simultaneously, rice straw will become the most important source of organic fertilizer for rice production in the future. To fundamentally forbid rice straw burning and promote rice straw return to the field, in this study, we set the current conventional mode of rice harvest, including rice straw stripped to the field without crush (T1) and with moderate crush (T2) as controls, and crushed rice straw stripped to the field (T3) and evenly returned to the field (T4) as the treatments. The treatments relied on a self-invented device that crushed and homogeneously scattered the rice straw in field tests. The field simulation tests aimed to study the influence of different crushing degrees and returning methods on the rice straw combustion characteristics. The results showed that the scattering homogeneity and returning density of rice straw increased significantly with increased crushing degree, but the returning thickness of rice straw significantly decreased. The rice straw average length of T4 was 5.3 cm, which was only 13.6% and 36.8% of T1 and T2, respectively. The scattering homogeneity of T4 was 87.4%, which was 49.7% and 42.0% higher than that of T1 and T2, respectively. The thickness of rice straw returned to the field of T4 was 2.7 cm, which was only 22.1% and 27.8% of T1 and T2, respectively. The density of rice straw returned to the field of T4 was 17.6 kg∙m−3, which was 88.3% and 17.3% higher than that of T1 and T2, respectively. Under the rice straw strip-returning modes (T1, T2, T3), the higher the degree of rice straw crushing, the slower the decline in moisture content, the longer the combustion time, the lower the combustion rate, the slower the combustion speed, the higher the ash content, and the less sufficient the combustion. Although T4 can accelerate the decrease in rice straw moisture content by homogeneous scattering, the combustion time, combustion speed, and ash content were only 0.3%, 6.0%, and 1.7%, respectively. This was significantly lower than those in the other treatments, indicating that the rice straw was almost unburned. These results indicate that the rice straw could not be burned when crushed and evenly thrown to the field, which was beneficial for achieving a ban on rice straw combustion. Therefore, local government functional departments need only to compulsorily install the devices for crushing and homogeneously scattering rice straw with the combine harvester, which will completely prohibit the burning of rice straw. This will promote the fertilization of paddy soil and greatly reduce the difficulty and costs of agricultural law agencies enforcing rice straw burning bans.

Rice straw combustion; Rice straw returning; Rice straw crush; Homogeneously scattering; Combustion characteristics; Ash content

10.13930/j.cnki.cjea.200668

李超, 程凯凯, 廖育林, 郭立君, 文丽, 唐海明, 汤文光, 汪柯, 禇飞, 钟伶桃, 姜海天, 肖小平. 不同粉碎程度与还田方式对稻草焚烧特性的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(5): 922-928

LI C, CHENG K K, LIAO Y L, GUO L J, WEN L, TANG H M, TANG W G, WANG K, CHU F, ZHONG L T, JIANG H T, XIAO X P. Effect of crushing degree and returning method on straw combustion[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(5): 922-928

S225.4; X513

* 国家重点研发计划项目(2016YFD0300906)和湖南省农业科技创新资金项目(2019LS03-1)资助

肖小平, 主要从事稻田培肥及农作制研究。E-mail: hntfsxxping@163.com

李超, 主要从事稻田培肥与耕作生态研究。E-mail: hnchaoli0419@163.com

2020-08-12

2020-09-23

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300906) and Hunan Agricultural Science and Technology Innovation Fund Program (2019LS03-1).

, E-mail: hntfsxxping@163.com

Aug. 12, 2020;

Sep. 23, 2020

猜你喜欢

均匀度条带收割机
文本图像条带污染去除的0稀疏模型与算法
水驱油藏高含水期耗水条带表征指标及分级方法
受灾区域卫星遥感监测的条带分解方法研究
巧用废旧条幅辅助“蹲踞式起跑”教学
收割机
收割机维修与保养的方法研究
联合收割机常见故障排除
洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析
蛋鸡育成期的饲养管理要点
未来的收割机