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第一讲秸秆“生物反应堆”应用现状及原理山东省秸秆生物工程技术研究中心张世明一、 秸秆“生物反应堆”应用的基本结论最近，山东省农业厅对秸秆“生物反应堆”技术应用单位进行了多点实地考察，该技术自2001年9月在东阿、苍山等17个县（市、区）示范推广以来，取得了较好的经济、生态和社会效益。（一）提高农业综合效益，显著增加农民收入。“生物反应堆”技术进入大田生产示范已2年，累积在7000个大棚、1000亩果园上推广应用。实践表明：一个508米的标准大棚，使用该技术，平均增产50%以上，成倍增产的典型也很多。东阿县姚寨镇刘海洋村刘培明60米黄瓜大棚应用此项技术收入18400元，增产106%，增收9000元；该县同城镇大周村的周广新70米大棚黄瓜应用此技术收入21000元，增产145%，增收12000元；济阳县曲堤镇阎家村周强60米在棚油桃应用此技术收入16000元，比对照增收9000元；泰安市岱岳区良庄镇延北村左建宝12米45米弓棚土豆应用此技术比对照增产126%；枣庄市峄城区榴园镇北刘庄孙丛银一亩石榴园应用此技术收入9600元，增产215%,增收6000元；商河县杨庄铺乡前王村王家军甜椒大棚应用此技术，收入14000元，增产50%以上，增收6000元。多点应用效果显示，该项技术的投入产出比可达1：1416。（二）降低生产成本，提高农产品的质量。应用该技术后，CO2供应充足，气温、地温提高，有益微生物大量繁殖，生成的抗病孢子和秸秆腐熟后产生大量的有机、无机养分，使作物生长健壮，抗病能力增强。各地应用情况表明，一般情况下可节省化肥50%以上，节省农药70%左右，每个大棚可减少投入300元以上。化肥、农药使用量减少，可显著提高果菜品质，果菜外观和口味都有明显改善。（三）开辟了农作物秸秆利用的新途径，生态效益显著。我省年产秸秆9000万吨左右，全国年产产秆35亿吨.大量剩余秸秆被废弃、焚烧，得不到合理利用。若采用“生物反应堆”技术，每亩果菜可消化秸秆约5000公斤，提高秸秆的利用率，产生良好的经济效益，同时能够有效解决焚烧秸秆造成的环境污染、火灾、威胁高速公路行车和飞机起降等问题。（四）操作简单，投资小，秸秆转化量大，易于推广。应用此技术，只需挖条沟、铺秸秆、撒菌种、浇上水、盖上膜就可以了，每亩大棚投资450元，大田投资160元，由于技术简单，投入低，效果好，深受农民欢迎。秸秆“生物反应堆”技术是山东秸秆生物工程技术研究中心研发的一项能使果菜经济作物高产优质早熟，无公害的新技术。该技术采用生物技术将秸秆转化为农作物所需要的二氧化碳、热量、抗病孢子和有机、无机养料，以此替代化肥、农药，并能够显著改善作物生态环境，促进作物的生长发育。从各地应用效果看，推广“生物反应堆”技术前景广阔。目前，全省每年有3000多万吨剩余秸秆，可满足400万个大棚或700多万亩果园应用此项技术。广泛推广应用“生物反应堆”技术，不仅能消化闲置的秸秆资源，改善由于滥用化肥、农药造成的生态恶化、农产品有有害物质超标问题，而且能够促进农业增产、农民增收。该技术大面积应用后，已引起有关领导和新闻媒体的高度关注。人民日报、新华社通讯、经济日报、中央电视台等中央和地方媒体都进行了报道。该项目曾获第二届全国大学生“挑战杯”竞赛金奖。2002年3月12日由中国青年报、山东电视台和理财周刊等单位联合举办的全国400多项高新技术计划评选中,获“恒源祥10万元创业奖”；山东省委组织部电教中心，2002年拍摄的秸秆“生物反应堆”技术专题片又获全国优秀科技音像制品奖技术推广类一等奖。国家广电总局拨出专款将此项技术摄制成科教电影片在全国发行。中国工程院院士、山东农业大学教授余松烈认为：“生物反应堆”是一项很有推广、应用价值的创新技术，它的普及将会引发一场农业革命.二、 秸秆“生物反应堆”技术效能与作物生长表现技术效能在“生物反应堆”的作用下，一千克干秸秆经过彻底反应可产生1.1千克co23037千卡热量，0.03千克抗病孢子，0.13千克生防有机肥,将其运用到大田或保护地中,对作物生长产生四大效应:1、二氧化碳（CO2）效应可使浓度提高4-8倍，效率提高50%以上，水分利用率提高127%以上，肥料利用率提高60%以上；2、热量效应可使晚秋、冬季、早春20cm地温增加4-6度,气温增加2-3；3、生物防治效应可减少逐药用量75%-90%;4、有机改良土壤效应可减少化肥用量50%以上，在这四大效应的影响下，上市期提前15-20天，收获期延长30-45天，综合投资成本下降60%，增效65%以上。豆科植物中的某些大豆、花生品种，在高浓度CO2（1000ppm以上）下，光饱和点由21000LX提高到75000LX；光能利用率提高2.5倍，大豆苗期和鼓粒期根系氮浓度比对照显著提高，单株固氮活性，苗期比对照提高193%，鼓粒期比对照提高106.3%。说明CO2浓度的提高显著增强了根系生物固氮和对空气游离氮的吸收能力。以上结果证明：在全国保护地种植面积迅猛发展的今天。秸秆反应堆技术为大量快速转化利用秸秆资源，解决环境污染，逐步实现有机栽培，大幅度提高农产品产量、质量的同时，带动了光能资源，空气中游离氮资源，水资源、微生物资源等自然资源的综合利用，是一项兼具经济效益，生态效益、社会效益的创新技术。传统秸秆利用技术，在不同历史阶段都起了一定积极作用。反应堆技术与其比较，在对秸秆消耗量，作物生长条件改善，投资成本、效益、生态、无公害等农业生产要素的综合影响都有较大提高。目前加快该成果推广应用是从根本上解决秸秆浪费的最佳措施。作物生长表现在反应堆产生的高浓度CO2下，农作物在生理生态、形态结构及化学组成等方面发生了一系列的显著变化：根茎比增大，日增长量加快，生育期提前，主茎变粗，节间缩短，叶片面积增大，叶片变厚，叶色加深，开花结果增加，千粒重显著增高，果实明显增大，个体差异缩小，整齐度提高，果皮着色加深，含糖量升高，口感变甜，抗病虫害能力增强。花卉的花朵增大，花期延长，花色更鲜艳，观赏价值更高。秸秆生物反应堆对不同作物品种增产作用的一般规律：C3植物大于C4植物；水果大于蔬菜；根、茎、叶类作物大于籽粒类作物；豆科类作物大于禾本科作物。三、 秸秆“生物反应堆”研究的依据和原理科学研究证明：一切农业增产措施其归根结底在于改善了作物的光合性能。植物光合作用是在光的作用，通过叶片吸收CO2气体,根系收水和矿质元素，汇集于叶片中合成有机物，放出氧气CO2反应式为：光二氧化碳CO2水H2O矿质元素热量有机物叶绿体CnH2nOn氧气O2有机物运输到各个器官，最终形成人们看到的根，茎，叶，花，果实（或籽粒）。果实、籽粒等直接食用部分，人们收获作为食物，剩余的多数是秸秆、壳、皮及下脚料，这些都是由CO2、H2O和少量矿质元素（肥料）合成的，通过反应堆，加入一定剂量的有益微生物菌种、催化剂、净化剂，在通氧的条件下定向重新产生CO2、H2O，热和矿质元素（肥料），同时在这个过程中培养大量抗病虫的菌孢子，再通过一定的工艺设施，提供给作物生长发育所需。反应式为：反应堆有机物（秸秆）O2CO2热矿质元素孢子菌种这样植物光合合成有机物；微生物氧化分解有机物，二者在物质转化，重复再利用的过程中构成了一个良性循环的生物圈。这就是秸秆“生物反应堆”的依据的原理。第二讲 秸秆生物反应堆研究的理论创新与应用实践四.秸秆生物反应堆基础研究与四大理论的提出1植物饥饿理论 研究证实植物的主食不是肥料，而是一种气体CO2。没有它植物就会饿死。目前，大气中可供植物吸收的CO2浓度为330 umol/L。通过对植物提供不同浓度的CO2，（从40020000umol/L）,测定植物的光合效率，在相同光照强度之下（2000通量密度）随着CO2浓度的提高，光合形成的有机物产量呈直线上升；光合效率比330umol/L浓度下提高20%、50%以至十几倍以上，常规条件下许多植物的落花、落果、早熟与晚熟、早熟与早衰、午休等现象消失；同时出现的另一种现象是：果实大小无差异、含糖量升高、着色加快、色泽鲜艳、香味浓郁，生长加快、主茎变粗、节间缩短、叶片变大、叶色浓绿，单果重提高、成熟期提前等，产量质量极大幅度提高。在满足CO2需求前提下，作物一天制造的有机物，相当于现在作物8天以上制造有机物的总和。从中发现大多数作物在严重的饥饿状态下生存。据此，要提高产量和品质，就应该为植物提供足量的CO2。秸秆生物反应堆技术把秸秆转化为植物需要的CO2，是一项解决植物饥饿的有效途径。2.叶片的主动吸收和被动吸收理论。根据对C14O2示踪测定，植物为其自身的生存，叶片具有把CO2从不同位置、不同距离吸入本身内的本性，这一过程称为叶片的主动吸收。叶片的主动吸收能力，通过消耗自身制造的有机物而获取能量。因此，主动吸收会降低有机物的积累。另外，研究还发现：通过一定的设施，把CO2送到叶片附近，它吸收、固定、合成的效率及速度也相应随之提高，且有机物积累增加。这一过程称为叶片的被动吸收。根据植物这两个特性，我们研制内置反应堆和外置反应堆两种。内置秸秆生物反应堆主要利用了叶片主动吸收特性；而外置生物反应堆则主要利用叶片的被动吸收特性。3.植物的生防疫苗理论。自然界广泛存在的一种普遍规律生物链关系（也称食物链关系）。关于植物是否存在免疫功能，科学界是有争议的。但是自然界中确有具有免疫功能植物种类存在，象银杏对一切病害具有免疫功能。我们所提出的植物生防疫苗理论包括两大内容，四个方面。（1）生防学。是指一种生物对另一种生物具有致死或抑制的作用。如：一种菊科植物对虫害有杀伤作用，香椿树对苍蝇有驱避作用；另一种是指以菌治虫，以菌治菌。而生物反应堆研究的生防效应是利用以菌治菌、以菌治虫的技术手段，其机理是指寄生、感染、抑制、拮抗四个方面。（2）疫苗是通过接种后进入机体内产生免疫功能的微生物。4.作物秸秆矿质元素可重复再利用理论。（1）证实秸秆矿质元素可重复利用的方法。可通过P32对植物根系吸收过程的示踪测定。土壤中P32的放射剂量为1150g，植物根系从土壤中吸收后，再测土壤中P32，其放射性消失，对该植物进行测定，结果该植物机体出现了近1150g（伦琴）的放射量。其秸秆测定约1040g（果实带走 110g）。将此秸秆放入内置反应堆，重新种植新的植物，结果：土壤中秸秆的放射性消失，新的植物机体又出现了约1000r的放射强度。如此周而复始，说明秸秆中的元素可重复利用。在以上理论指导下，随着工艺技术和配套措施的逐步完善，生态农业会有日新月异的发展。实现秸秆替代化肥，生防疫苗替代化学农药指日可待。为人们提供生活所需的真正优质、无公害农产品将会变为现实。五解决当前保护地栽培存在的四大突出难题 1.保护地栽培由于封闭而气体不能交换，CO2严重亏缺加重，作物饥饿现象普遍存在，是制约光合生产力、产量和品质的突出问题。如果CO2浓度不增加，进一步提高产量和品质就是一句空话。秸秆生物反应堆技术将由CO2、水和矿质元素通过作物的光合作用合成的作物秸秆及下脚料重新转化成CO2，供给作物进行光合作用需要，有效缓解或从根本上解决了作物饥饿现象。进而实施早熟、高产、优质才会变为现实。2.地温与气温、光照与地温升降不同步是制约植物生长正常发展的第二大问题。一般气温与光照比较协调（同步），原因是气温是靠辐射，而地温是靠传导，土壤的导热率又低，所以，在这些季节里，地温的高低就成了关键要素。秸秆生物反应堆技术在把秸秆转换成CO2的同时释放出大量的热，可提高地温和气温，从而解决了地温与气温不协调的矛盾。3.通风不良，温差过大，叶面结露与病虫害严重的矛盾，成为加大农作物无效消耗，制约产量的第三大问题。秸秆生物反应堆技术在转换秸秆的同时培养了大量拮抗微生物孢子，可有效地防止病害的发生。4.长期以来，人们一直向土壤中倾施化肥导致的盐离子浓度急剧升高，渗透压增大，根系吸收能力减弱，土壤颗粒凝结度加强，产生土壤板结，空隙度变小，通透性不良，根系生长代谢受到抑制，土壤理化性状变劣，微生物系群减少，况且人工施肥的种类与作物需求很难达到一致，土壤有效可供性大大降低等，已成为制约产量进一步提高的第四大要素。秸秆生物反应堆技术将作物秸秆的矿质元素通过降解重新释放出来，再供给作物吸收利用，这样，不仅营养齐全，而且利用率高。此种措施是克服作物的缺素症的最佳方法。同时产生了大量的有机质和腐殖质，培养了大量的有益微生物，土壤生态逐步得到改善，为根系的生长提供了优越的条件。第三讲浅 谈 植 物 饥 饿 理 论山东省秸秆生物工程技术研究中心张世明山东省农业大学食品学院张晶晶研究植物在饥饿状态下，个体生长发育和形态表现规律的科学，简称之植物饥饿理论。了解植物饥饿问题涉及到许多方面的知识。植物究竟是靠什么长大的？每日需求量是多少？自然可供量是多少？可供量和需求量的差距是多少？需求量受哪些因素制约？植物饥饿会有那些症状？如何解决植物饥饿问题？笔者从事该领域研究多年，谈几点体会与大家共勉。植物昼夜生命活动规律人们从事农业生产和农时耕作，其目的是获得高产、优质和理想的收益。要实现这一目标首要的问题必须明确作物的产量是由什么组成的，这就是植物昼夜生命活动规律所研究的内容。植物是靠叶片吸收二氧化碳，根系吸收水分和微量元素，通过叶绿体内制造有机物，储存于各个器官，从而完成一个昼夜生命活动的周期。其过程是：当日出后阳光照射到植物叶片表面，叶片下表面气孔就张开，产生对二氧化碳吸力，在这种吸力的作用下，不同位置的二氧化碳进入叶片内，二氧化碳就是植物的“主食”，也称合成产量的主要原料；另一个途径是根系吸收的水分和微量元素通过主茎侧枝和叶柄进入叶片内，两路原料汇集叶片内通过光合作用合成有机物，白天在阳光的照射下连续合成有机物暂储于叶片中，待日落后，植物将一天制造的有机物运储到根、茎、花、果、幼叶和生长点里。这样一个过程，可使植株变高，茎杆变粗，花朵开放，果实膨大，根系变多，单株产量增加。这就是多数植物昼夜生命活动的规律，也是植物白天不长夜间长的本质所在。这一规律揭示了植物不是靠吃肥料长大的，而是靠吃气体（二氧化碳）、水和光长大的。肥料不是作物的“粮食”它仅提供作物生长部分矿质元素。相反，没有二氧化碳气体，水、光、矿质元素都不能利用，植物就会饥饿而死。植物对二氧化碳的日需求量与环境因素的关系目前大气中可供植物进行光合作用的二氧化碳浓度仅有330umol/L左右，要满足多数植物种类对二氧化碳的需求还有几十倍以至上百被的差距，植物对二氧化碳日需求量又受光照强弱，温度高低，作物品种，水分等诸多因素的影响。在一定范围内，同一品种植物对二氧化碳需求量，随光照强度、温度的增加而增大，反之，随光和温度的下降而减少。二氧化碳的日需求量是一个动态变化值。同一时间，相同光照强度下，不同植物种类对二氧化碳浓度的需求也存在着显著差异。光照强度为2500通量密度时，草本植物一般对二氧化碳浓度的需求为8000umol/L以上；木本植物多数在15000umol/L以上，归纳各类植物对二氧化碳的需求量的一般规律为：果树类作物大于块茎类；块茎类大于蔬菜类；豆科作物大于禾本科作物；三碳类大于四碳类；晚熟品种大于早熟品种。在研究解决植物饥饿进行二氧化碳饲喂的过程中也发现了另一个重要问题，增加二氧化碳浓度植物对光能、空气中的游离氮，和水分的利用率也相应提高。如，豆科植物的某些品种将二氧化碳浓度由330umol/L提高到1000umol/L，光饱和点由210增加到750通量密度，光能利用率提高2.57倍，单株固氮活性苗期比对照提高1.93倍，鼓粒期比对照提高1.06倍；草本植物水分利用率一般提高1.2倍以上，木本植物水分利用率一般提高3倍以上。此结果说明二氧化碳浓度的增加显著提高了植物对自然资源的综合利用。植物饥饿状态下的生长表现大量研究和实践验证，下列植物症状表现是饥饿引起的：在没有病虫害的条件下，正常的落花、落蕾、落果、果实畸形、表面粗糙、果实大小不均、着色不佳、含糖量低、晚熟、早衰、倒伏、午休、果树挂果的大小年现象；主茎细，节间长，座果节位高，叶片小而薄，叶色淡，生长势弱，抗逆性差；豆科植物空荚、缺室不孕粒，棉花的落铃、不孕籽，花卉植物的花朵小，花期短，鲜艳欠佳，绿化树木生长速度慢等。传统的农作物栽培导致作物饥饿的原因：由于科学研究的局限性，人们没有能从本质上了解到植物的产量和品质竟然是由看不见摸不着的气体（二氧化碳）和水通过叶片合成的，而把能够直观可见的肥料当作植物的“粮食”，而且在生产上将它极端化，并总结不少的种植谚语：庄稼一枝化，全靠肥当家：种地不用问，只要勤上粪；肥是庄稼宝，没它长不好等作为增产的经验，更有甚者的是有不少地方的农民以化肥烧不死庄稼为施肥的标准。在这种习惯意识支配下，长期以来向土壤中大量倾施化肥和农药，导致土壤板结、生态恶化、微生物数量减少、二氧化碳的产生和供给显著下降。重施化肥，忽视有机肥，造成土壤有机质、腐殖质含量较低，土壤团粒结构破坏，土壤气容量下降，有益微生物赖以生存的食物来源短缺，生长活动空间受限制，无法循环代谢释放更多的二氧化碳供给植物。对植物、动物、微生物三者相互依存、良性循环的生物链关系重要性认识不足，采取的一些措施往往打破生物之间的生存规律。对植物产量是由什么组成以及形成的过程缺乏基本知识。管理和施加的措施与植物生长的需要不相符，以上诸多因素使本以严重饥饿的植物，生存条件更加恶化。所以，从二十世纪80年代至今，二十年过去了，施肥量一年比一年多，用药量一年比一年重，高产、优质、早熟的作物栽培技术问题始终没有得到解决。其关键是没有克服植物饥饿和抓住产量究竟是由什么组成的这个主题。因此，为了加快解决农作物的饥饿问题，降低成本，改善生态，大幅度提高单位面积的农作物产量，推广秸秆生物反应堆技术，势在必行。第四讲 植物吃饱后的生长发育规律山东省秸秆生物工程技术研究中心 张世明我们现在所看到的果树、蔬菜等植物的长相，均是在饥饿状态个体表现和群体特征。很少有人看到植物在吃饱情况下又是如何生长发育和性状表现的呢？它的生命活动、物质组成和对环境条件的要求发生了哪些变化？是研究解决植物饥饿，获得优质高产的目的所在。所谓植物吃饱就是指植物进行光合作用，合成有机物产量的主要原料二氧化碳气体，尽可能地缩小二氧化碳达到饱和点时的浓度差距。植物吃饱情况下的表现，也就是高浓度CO2下产量和品质的水平，该项内容是关系到单位面积产量、收益、投资成本的大问题。 一、 升高二氧化碳浓度对植物的直接影响 十余年研究结果表明，秸秆通过生物反应堆技术可使一定面积CO2浓度增加数倍，生长在高CO2浓度（1500-2500umol/l）下的不同品种，其生理生态、形态结构及化学成分等方面发生了显著的变化。生长规律表现为：光合效率出现不同程度的提高；呼吸作用受抑制；气孔密度减少，水分利用率增加，生育进程加快，生物学产量及经济产量提高；一些关键蛋白质、酶及非结构性碳水化合物含量增加；组织器官中的氮、硫等元素含量降低；根系、花、果发育提前，表现座果率增加，个体变大而均匀，果实甜度上升，果皮着色加深而鲜艳，光泽嫩度提高；植株形态表现叶片增厚、主茎变粗、节间缩短等。不同光合途径（C3、C4及CAM）的植物对CO2浓度升高的反应也有很大差异；而具体差异水平如下所述。 1 作物光合生理方面：供试作物品种的光合效率都随CO2浓度增加而增加，其增幅为40%-235%。CO2浓度大于300umol/l对植物光合效率提高趋势为C3植物大于C4植物。作物叶片气孔导度，气孔密度和蒸腾速度下降）60%-80%，水分利用率提高127%-310%，这一结果与国外研究相吻合。浓度升高不仅表现光合效率提高，而且对作物的光饱和点也影响甚大。随CO2浓度升高光能利用率增加，其增加幅度为45%-257%。试验结果证实：在田间条件下，维持2500umol/l CO2浓度，果树可增产3倍以上，豆科植物可增产4倍以上，蔬菜可增产2倍以上，CO2浓度的升高，同时也增加了豆科植物对空气游漓氮的吸收和利用。 2 植株形态和个体发育：以葡萄为例，CO2浓度从330升至1500umol/l，叶面积比对照增加22%-1063%，叶片厚度增加1095%，植株高度比对照增加289%-363%，茎粗比对照增加120%，节间长度比对照缩短57%-110%，座果率比对照增加221%-745%，单穗重比对照增加675%-1213%，单果重比对照增加368%-407%，单株产量比对照增加1027%-1301%；根系长度和鲜重提高150%以上，根茎比一般增加15倍以上（大豆3倍以上）。花卉植物对CO2反应也很敏感，花的生物量增加，表现为花朵变大、数量增多、花期延长。 3 化学成分的变化：高CO2浓度，对植物化学成分的影响主要表现在非结构性碳水化合物的提高，淀粉、糖类增加15%-40%，果实甜度（葡萄、西瓜）增加1%-6%，氮、硫元素在物质组成方面表现为随CO2浓度升高而降低；碳、氮比提高21%-30%。 4 产量、效益的增加：以水果蔬菜为例，十年平均增产50%以上，增效60%以上，投入产出比为1：10-145。经济效益、生态效益和社会效益极显著。二、 缓解植物饥饿的几个应用实例 利用秸秆生物反应堆技术完全满足植物吃饱，在小面积范围内较容易做到，而大面积解决植物饥饿问题难度较大，我们所谈的高CO2浓度（1500umol/l以上）是对比大气中CO2含量330umol/l有显著提高，这个CO2浓度离满足吃饱还有很大的差距，对大多数作物来说只能是缓解植物饥饿程度，就此一点产量和品质都有极其显著提高，在高效益的诱导下，会聚焦更多的人们解决植物饥饿，使植物奔向温饱的目标。 莘县大张家镇保西村科技带头户姜兴斌，采用秸秆生物反应堆生产高浓度的CO2 (1000umol/l)，解决大棚黄瓜饥饿问题，一个长80米，宽6米大棚，2003年总产39000斤，收入21000元，比对照增产96%，增收8600元。黄瓜综合表现，生长健壮，叶片大而厚，座瓜多，瓜条直，生长快，上市早，色泽嫩绿，商品率高，病害轻，少施肥，农药化肥投资成本减少50%。蒙阴县桃墟镇庙子岭村张贵东，2003年应用此技术生产高浓度CO2解决露地桃树饥饿问题，获得了比相邻对照增产210%，又抗病、抗虫、晚落叶的效果。 三、 展望克服植物饥饿后带来的希望解决植物饥饿技术带来的并不是单一的资源利用，作物产量和品质的提高，生态环境的改良等项农业内容的飞跃，而是一系列产业化的大革命。仅从组成该技术体系各项设施分析，生产上的大需求，势必带动生物催化剂产业、净化剂产业、拮抗微生物种产业、植物疫苗产业、优质农产品出口产业、秸秆储藏加工处理产业的配套发展，直接效益也十分客观。依据现状推测，虽然距离实现这一目标还需一定的时间，还要做大量的工作，但研究结果已展示出，曙光就在前头，第二次农业的飞速发展指日可待。第五讲秸秆生物反应堆的相关知识山东省秸秆生物工程技术研究中心张世明科学研究的结论：二氧化碳是植物的主要“粮食”，生产上利用取之不尽，用之不竭的丰富农作物秸秆资源，应用生物反应堆技术，定向生产更多的气体二氧化碳，解决作物饥饿问题，实现作物的高产、优质和早熟，已在许多地区变为现实。如何将这一科技成果尽快成为广大农民的财富，了解和掌握秸秆生物反应堆相关知识对用好该技术很有必要。一、二氧化碳的理化性质二氧化碳既然是植物生命活动的基本物质，没有它就没有植物的存在。所以，应用秸秆1、生物反应堆技术，首先了解一些有关二氧化碳的知识很有益处。二氧化碳比空气重1.5倍。空气中含量0.033%左右，坑、洼、山谷和盆地浓度较高，高岗、山顶浓度较低，地表面浓度比高空浓度高，随风速的大小而变化；2、与水，水溶液呈弱酸性。3、不易燃，可以用于灭火。4、无色、无味，不易被察觉。5、遇碱会生成盐和水，水溶液有时会出现沉淀。6、遇水形成不稳定的弱酸，很快又产生二氧化碳和水。二、几种生产二氧化碳的方法及应用成本常见的生产二氧化碳的方法大体有三种，一是工业法生产二氧化碳的成品，多以干冰的形式进行商品销售，每公斤售价平均在80元左右；二是农村种植大棚多以化学法生产二氧化碳，常见的是用硫酸和碳酸氢铵，通过化学反应制取二氧化碳，每公斤成本为10元左右，这种方法不仅有废液废渣污染，而且易产生硫酸对人体的危害；三是秸秆生物反应堆法生产二氧化碳，制取成本不足0.5元，同时伴随二氧化碳的生成，还产生热量，抗病的微生物孢子和有机无机营养，是一种投资小，综合效果突出，一举多得的好办法，适合广大农村应用。大田应用比较以上三种方法的生产成本及效果，每亩大棚黄瓜每天维持3000umol/L的二氧化碳浓度以上，需耗二氧化碳的重量为100kg，干冰要投资8000元，化学法要投资1000元。秸秆法要投资50元，三种方法成本比为160：20：1。黄瓜一个生育周期按7个月计算，一茬总计投资成本，干冰为168万元，化学法要21万元，秸秆生物反应堆1.05万元。美国水土保持研究中心对一个直径为23m的森林人工场实施FACE二氧化碳干冰施肥，每年需要耗资45万美元。在现实生产中，应用高成本的工业产品来提高农业产量，是行不通的。必须立足当地资源实施生物转换，才能获得理想的经济效益。三、秸杆生物反应堆启动的外界因素菌种量：在相同秸杆数量条件下，随菌种量的增加反应速度加快CO2多，产生热量大，反应持续时间内短，单位时间内消耗秸杆多。各地应用结果菌种与秸杆量的比率1：5001：700，菌种与中间料（麦麸、稻糠）比率以1：3040较为适宜；2、温度：反应堆所需要启动温度一般是10，适宜的温度是1833，从1038随温度的升高反应加快，生物活动积累提升堆温，这种生物热替代弥补外界温度的不足要消耗一定量秸杆资源，所以在低温条件下应用生物反应堆随时注意增加20%30%的秸杆和菌种；3、水份：反应堆湿度过大过小都会影响反应速度，只有在适宜水分下反应才能加快，随反应进行失水速度急剧下降，应做到及时补水，在大棚载培中每隔78天反应堆就要加一次水。一般禾本科植物秸杆加水的比率为1：1.351.45，豆科植物秸杆为1：1.451.5，木本植物下脚料（木榍、刨花、锯末）为1：1.61.8并要始终保持这样的比例；4、气体：含氧量在10%30%，反应堆内随含氧的升高反应加快，反应所需时间短，缺氧就会出现相反的结果，在绝对无氧条件下是不产生CO2和热量的。因此，对反应堆提供充足的氧气是发挥反应堆效能的关键，采用交换机、进气孔与储气池连成一个气体循环系统，每天要保持开机3个小时以上；5、PH值：在PH412范围内反应均可进行，调节适宜的PH值范围，对提高反应堆速度非常重要，生产上应用经验是秸杆反应堆起初的PH值用石灰粉调节在810.5之内，45天50天以后再调节在6.58，80天100天调节在5.56.5即可。第六讲 植物叶片主、被动吸收与反应堆应用形成山东省秸秆生物工程技术研究中心 张世明植物的生存是通过叶片吸收二氧化碳气体，根系吸收水分和矿质元素，最终汇集到叶片中合成有机物来实现的。叶片具有将不同位置的二氧化碳吸进自身内的本能，称之谓叶片主动吸收。附加外力将二氧化碳送到叶片附近，吸收速度加快，称之谓叶片被动吸收，根据叶片两个吸收的特性，解决植物饥饿问题的工艺措施就出现两种形式，一是根据主动吸收研制成功了内置式秸秆生物反应堆；二是根据被动吸收研制成功了外置式秸秆生物反应堆。为了便于广大从事农林工作者掌握运用此技术，笔者将以上两种形式及涉及到的有关知识分述如下。内置式秸秆生物反应堆利用植物叶片主动吸收的特性，研制配套了内置式秸秆生物反应堆工艺措施，其做法有两种：一是定植播种前在种植行下，顺每行开挖一条与行长相等的沟，沟宽根据种植作物品种不同而有差异，象西瓜、甜瓜、黄瓜、西葫芦等瓜类，一般宽为50cm -80cm，深20-30cm；土豆、大姜、萝卜、地瓜等块茎类作物一般宽为40-50cm ；深为20-25cm；花生、桔梗、韭菜、芹菜等畦栽作物一般宽为80-100cm ，深为20cm 。以上开沟造畦完毕，接着铺设添加秸秆，各种作物的整碎秸秆（包括杂草、树叶）均可使用，铺加厚度为30-40cm ，蹋实找平后，进行均匀撒接一层菌种，每亩菌种用量为5公斤，为了接种均匀，每公斤菌种要掺中间料（麦麸、玉米芯粉等）25公斤-35公斤，加水30公斤-40公斤， 充分拌和后即可接种使用。接完种随即进行覆土，厚度不超20cm，然后大水漫溉浇足底墒，并将浇水后的塌陷处用土找平，便可播种定植，盖膜保墒了，待出苗或返苗后进行打孔，孔深以穿透秸秆为准，每棵一般离开苗8cm10cm，十字交叉打四个孔，打孔工具用14#钢筋即可。这样很快就会从地下内量反应堆中顺孔释放大量的CO2，供植株叶片吸收利用，同时产生大量热，提高地温促进根系生长。二是已定植作物或生长多年果树及绿化树种的做法，大田和大棚作物使用内置反应堆是在行内起土15cm20cm，铺放秸秆接种、回土、浇水和盖膜。同上，不同之处是打孔在行内进行，一般打孔的距离为25cm，一个孔行距为30cm。果树及绿化树是从杆基部向四周起土（深15cm 20cm露出多数毛细根，宽以地上树冠主体外延宽为准），形成一个圆形或方形坑池，然后接种疫苗，铺设秸秆（厚度40cm 50cm），接种、回土（厚度15cm）、浇水、盖膜和打孔（孔距以30cm30cm见方），方法同上。 因为秸秆生物反应堆开始反应后需消耗大量的水，采用内量秸秆生物反应堆与常规管理的主要区别，在于定植后三水运用间隔时间不超20天，50天之内要完成三次大水的灌溉，才能发挥该技术的效果。外置秸秆生物反应堆根据植物叶片被动吸收二氧化碳，能够增大产量积累的特性，研制配套了外置秸秆生物反应堆。外量式的主要特点是在作物整个生长发育，任何阶段都能建造供应植物所需CO2，只是早用增产大，晚用增产少的差别，其灵活性较高。建造位置，春、夏、秋，在田内地头，棚外任意选择地点，冬季可以建在棚内靠近山墙的一头。而建造标准，有标准式外置和简易式外置两种。标准式外置秸秆生物反应堆由地下贮气池，进气孔，输气道，CO2交换机底盘，取液池口，棚杆隔离层和地上反应堆组成。其建造方法为：选择建造位置后，根据供应作物面积大小，确定建造体积，2亩以内贮气池开挖长12米，深0.6-0.8米，宽1米，池中间开挖一个略低于地面长1米，高0.55米，宽0.6米输气道。水泥打底，单砖砌墙抹面。第七讲 夏季应用生物反应堆优势及要点山东省秸秆生物工程技术研究中心 张世明夏季温度高，湿度大，秸秆资源丰富，植物生长旺盛，各种作物为了生存，相互竞争二氧化碳，是一年中二氧化碳亏缺最严重的季节，也是生物反应堆转化效率最高的阶段。如何利用气候优势和资源优势，应用该技术生产更多的二氧化碳、反应堆营养液、生防有机肥，提供夏季作物急需，又为秋冬季作物栽培做好基础，是非常重要的技术环节。为此，有关夏季应用技术要点分述如下，供应用者参照实施。一、夏季生物反应堆建造使用的几种形式与技术要点1标准化外置生物反应堆建造与使用：在应用作物的田间，选择一个运输、加料、供水等操作方便的位置，根据作物面积大小，开挖宽1米、深0。6米，长度不等的沟。沟的底、四周及与沟相连的二氧化碳交换机底盘（或取液池）用砖、水泥砌垒抹面，或用厚农膜替代，沟顶用1。5米的细水泥杆或木棍，每隔3050厘米放一根，然后纵向每隔20厘米，拉一道铁丝固定，这样反应堆的基础就建好了。接着在上面用整秸秆（树枝、玉米秸、棉柴等）铺放30厘米，加10厘米左右的麦秸、杂草等软质秸秆，接着淋水浇湿，撒接第一层菌种。菌种与秸秆的比例为1：500，按其程序操作三层，用58厘米粗的木棍，在顶部从上到下，按40厘米见方打孔，盖膜和草帘遮阳保湿发酵，45天后，用沟内的水循环淋浇反应堆，连续进行2次，沟内的浸出液即可结合浇水用于灌根，也可用于喷施叶面，喷施浓度要根据浸出液的浓度大小对水13倍。喷施时间应在上午811时进行；反应堆二氧化碳气体的使用：在交换机底盘上安装交换机，在田间作物群体内挂上微孔输送袋，每天上午8时至下午4时开机供气；反应堆余渣（生防有机肥）的使用：将反应堆每个反应周期余渣清理出来，堆积一个地方，厚度在1米左右，加水、打孔、盖膜，使其继续分解和转化，等待下茬作物定植时使用。反应堆标准化操作：每1/15公顷秸秆用量30004000千克，菌种量56千克，在秸秆充足的地方，秸秆、菌种用量可加倍或更多，为秋冬季作物的栽培，生产更多的生防有机肥和浸出液，以替代化肥和农药。这种方式既可为当季作物提供营养，也为下茬作物解决了肥料和农药。2。简易外置生物反应堆的建造与使用：在众多地区，为了利用夏季的高温高湿等自然优势，更为适宜的是简易生物反应堆的使用，该种反应堆的建造形式，一般只需挖一条相应面积的沟，铺农膜，棚杆拉丝固定，加秸秆撒菌种，淋水浇湿，通气盖膜，反应转化降解。操作程序同上，这种方式所产生的两种主要物质-生防浸出液和生防有机肥，浸出液既可当季使用，也可为下茬作物储备，有机肥主要用于下茬作物。应用和处理方法同上。 3。标准与简易两种生物反应堆的应用要点：一是反应堆水分的调控，夏季温度高，转化快，单位时间内耗水多，每隔35天，应向反应堆内加1次透水。二是反应堆供气的调控，反应堆通气状况的好坏决定转化的快慢，因此，反应堆的四周盖膜每隔50厘米要留一个直径1520厘米的透气孔，每次浇水都要用木棍自上而下打一定数量的孔，以防菌种因高温缺氧而失去活性。三是遮阳调控反应堆温度，反应堆在30以上，60以下是产生二氧化碳和其他物质最佳的温度范围，对此，在盖膜的同时，膜上要注意加盖草帘等遮阳物，防止光辐射所产生过高的热量，也避免表层秸秆菌种的失活，在35以上特殊高温的天气，晚间要将膜揭开散热、透气、降温。四是及时清除余渣和储存浸出液，夏季外置反应堆秸秆转化周期一般为4050天，为提高反应堆的利用效率，制造植物所需的各种营养物质，应及时清除余渣和浸出液，重新添加新的秸秆和菌种，以生产更多的当季或下茬所需的固、液、气体等营养物质，充分发挥反应堆设施的作用。4。标准内置生物反应堆的建造与使用：内置反应堆标准化操作应从夏季开始，麦收后，充分利用麦秸、杂草等秸秆资源，重点在棚区换茬的季节，按种植行的分布，分别在每行地表，结合耕翻土地，将秸秆铺放与小行距相等的宽度，每放25厘米撒一层菌种，一般2层即可，此后，浇水使秸秆湿透，再将大行的土壤翻盖到秸秆上，土厚一般10厘米左右为宜，用12号钢筋打孔，孔距见方25厘米，打孔要穿透秸秆层。每隔15天浇大水1次，连续进行3次，根据天气降雨情况，酌情增减浇水次数。此种方式制造的浸出液、二氧化碳、抗病孢子和生防有机肥，备储在土壤中，秋冬茬作物定植前1520天，将其内置反应堆的剩余物开沟分放两边，沟宽与小行距相等，沟深2030厘米，长度与行长相等，将秋收的玉米、大豆、水稻、棉柴等作物秸秆填加入沟内，秸秆厚度40厘米，撒一层菌种，菌种用量1/15公顷45千克，然后，将两边的土壤回填到秸秆上，接着浇水、找平、定植、打孔即可。这种方式，称之为标准化内置反应堆，它既可为作物的前期提供生长所需的充足养料和生防因子，也为中后期提供温度、二氧化碳、生防等效应，奠定基础。二、夏季生物反应堆主要应用对象及方法该期是利用反应堆技术的好季节，要发挥该技术的经济效益，选好应用对象及实施方法，是不可忽视的重要环节，根据多年的应用实践，应着重考虑以下几个方面。 1。果树类作物应作为首选对象，理由是果树比其他作物饥饿严重，应用反应堆，增产增值潜力大，它不仅能提高当年的果实产量和品质，降低化肥农药用量，减少成本，增加树势，改善地下生长环境，提高肥水利用率，也为来年结果积累更多的有机营养，使花芽饱满，枝条粗壮，抗性增强，为提前发芽、开花、坐果打下基础。其主要工艺措施是在树冠下建造内置反应堆，在田间建造标准化或简易外置反应堆，具体方法祥见果树应用反应堆技术要点。2。经济作物类，如花生、大豆、烟草、瓜类、棉花、大姜、芦笋、莲藕等作物，在田间应用反应堆技术产生的气体、液体和固体，具有显著的增产增效作用，方法同上。3。中药材类作物，如三七、人参、西洋参、丹参、龙脑樟、桔梗、柴胡、半夏等药材作物，应用反应堆技术，不仅能显著提高产量，增加药效，而且能无公害效应也十分可观，方法同上。4。绿化苗木和花卉类作物，应用反应堆技术，能增加苗木、花卉的生长量，促进提前出圃，提高移栽的成活率，尤其是花卉应用反应堆技术，不仅使花朵的数目增多，花朵变大，而且能使花期延长，花色鲜艳，观赏价值提高。其方法祥见苗木花卉应用反应堆技术要点。第十一讲冬季大棚蔬菜应用秸秆生物反应堆注意事项山东省秸秆生物工程技术研究中心张世明冬季大棚应用秸秆生物反应堆技术，使秸秆定向转化成蔬菜所需求的二氧化碳、热量、抗病孢子、有机和无机肥料；用以解决冬季大棚蔬菜二氧化碳亏缺影响产量的形成；地温过低造成的根系生理障碍；通风不良湿度过大导致的病害严重；大量施入化肥产生的土壤板结根系生长受阻，吸收功能减弱的弊端。为了充分发挥该技术的潜力，在反应堆的建造和使用中应注意以下事项：应用内置秸秆生物反应堆应注意事项蔬菜定植前在定植行下采用的内置反应堆，进入冬季管理须注意以下几点：第一，定植时反应堆秸秆上的土层不宜过厚，一般15厘米左右深为最佳，最深不超20厘米，掌握挖穴栽苗，根系离秸秆层56厘米为宜。第二，浇足头两次水后，整个冬季浇水要比常规浇水次数减少12倍，掌握晴浇不阴浇，午浇（9点至下午2点）不晚浇，大浇不小浇，一般20天25天浇一次，有时还可更长。因为秸秆储水供水能力大于土壤34倍，与常规一样浇水就会在反应堆中积水过多，影响蔬菜生长。第三，化肥作追肥，每次用量减少60%以上，结果前以尿素为主，以后可配合N.P.K混合使用。第四，配套内置反应堆接种植物疫苗，在定植时，每穴先放一把疫苗与土掺匀，再放苗覆土、浇水，对防治线虫和其它病害效果显著，是农药不能相比的。蔬菜定植后在种植大行间应用内置秸秆生物反应堆，是冬季大棚一项十分显著的增产措施。它可在冬季任何时间里随时应用，灵活性较高，但一般采用的时间是十月下旬至12月底为最好，12月也可进行。用法是大行间起土1520厘米，放秸秆厚度3040厘米，踏实后撒接一层菌种，用锨拍振一遍，然后将所起土壤回填秸秆上浇透水，盖地膜，在反应堆上用12#钢筋按20厘米长打一孔，孔深以穿透秸秆层为准。采用这种方式管理上应注意，第一，在大行浇水只在反应堆做完后浇足一次水，以后均为小行浇水，水量和次数比常法规法减少一半。第二，加菌种秸秆量充足，每亩秸秆用量3000千克4000千克，有条件的最好在秸秆上撒施一层牛、马、羊的粪便和饼肥再覆土，每亩菌种用量68千克，麦麸90120千克拌菌种使用。这种用法一般蔬菜可增产50%以上，少用农药70%以上，劳动用工减少30%。第三，追肥、浸出液的使用与行下内置式相同。无论采用哪种方式，使用植物疫苗后一个月内切忌使用化肥、农药。外置秸秆生物反应堆的使用与管理：外置反应堆的建造所用秸秆和菌种的比例一般在400：1。以50米长的大棚计算，一般需要秸秆800千克，菌种2千克，水约3立方米，以充分湿透秸秆，贮气（液）池中有1/3的积水为宜。菌种使用前的处理：使用前先按1千克菌种兑掺20千克麦麸，加水18千克，三者混合拌匀后堆积45小时即可使用。如果当天使用不完，应摊放于室内或阴暗处，厚度58厘米，降温散热，以备继续使用，注意放置时间不宜超过5天。外置反应堆建好后，如何操作管理，是发挥其效能的关键，根据多年的经验，外置反应堆的使用和管理可以概括为“三补”和“三用”：（一）三补：即及时向反应堆补气、补水、补料。补气：秸秆生物反应堆中的功能菌种需要大量的氧气。因此，向反应堆中补充氧气是十分必要的。补充氧气的具体措施是：反应堆盖膜不可过严，四周要留出510厘米高的空间，以利于通气。反应堆建好当天就应当开机抽气。即使阴雨天，也应每天通气5小时以上。补水：水是微生物分解转化秸秆的重要介质。缺水会降低反应堆的效能，反应堆建好后，10天内可用贮气（液）池中的水循环补充12次。以后可用井水补充。秋末冬初和早春78天向反应堆补一次水；严冬季节1012天补一次水。补水是应以充分湿透秸秆为宜。结合补水，用直径10厘米尖头木棍自上向下按40厘米见方，在反应堆上打孔通气，孔深以穿透秸秆层为宜。补料：外置反应堆一般使用5060天，秸秆消耗在60%以上。此时应及时补充秸秆和菌种。一次补充秸秆800千克，菌种2千克，浇水湿透后，用直径10厘米尖头木棍打孔通气，然后盖膜。（二）三用：即指要用好反应堆的“气”、“液”和“渣”1用气：充分使用反应堆中的CO2气体，是增产、增效的关键。所谓用好气是指，要坚持开机抽气，苗期每天56小时，开花期78小时，结果期每天10小时以上。不论阴天、晴天都要开机。每日开机时间上午9时至盖草帘为止。2用液：反应堆浸出液中含有大量的二氧化碳、矿质元素、抗病生物孢子，既能增加植物的营养，又可起到防治病虫害的效果。用法：按1份浸出液兑23份的水，喷施叶片和植株，或每月34次结合每次浇水冲施，每沟1525千克即可。3用渣：秸秆在反应堆中转化成大量CO2的同时，也释放出大量的矿质元素积留在陈渣中，它是蔬菜所需有机和无机养料的混合体，每次外置反应堆清理出的陈渣，收集起来，可作追肥使用，也可以供下茬作物定植时在穴内使用，效果极佳。第十二讲秸秆生物反应堆标准化使用与管理山东省秸秆生物工程技术研究中心（250014）张世明秸秆生物反应堆的应用方式分为：内置式、外置式和内外结合式三种。目前众多地区采用内置式为主，有条件多用内外置结合式。生产实践证明应用内置式生物反应堆平均增产30%以上，应用内外结合式生物反应堆平均增产60%以上。内置式反应堆根据应用品种和季节，又分为行下内置与行间内置。外置式反应堆又分简易外置和标准外置，不论采用哪种形式，标准化使用是增产的关键。内置式秸秆生物反应堆1菌种与秸秆用量：每亩大棚810公斤菌种，40005000公斤秸秆。2行下内置式秸秆生物反应堆的使用：种植前在小行下开沟，沟宽与小行相等，沟深1520厘米，沟长与行长相等，所挖土壤分放两边，开完沟后填加秸秆，填平踏实的秸秆厚度30厘米，沟两头秸秆露出10厘米，以便进氧气，