摘要
草炭、椰糠等传统育苗基质因其良好的理化特性和广泛适用性而被大量投入生产，但草炭是保护性资源，草炭地的大量开采会加剧碳排放。而椰糠产量依赖有限的椰树资源，因此草炭和椰糠的长期大量投产不符合农业可持续发展的战略目标。秸秆等木质纤维素基农林废弃物具有丰富的有机质和养分含量，来源广泛、成本低，是可再生资源，具备替代草炭作为栽培基质原料的潜能。然而未经处理的生物质原料性质通常并不满足幼苗生长所需理想条件，不宜直接用于育苗。对生物质进行预处理是改善秸秆基质综合性能的有效手段，但目前的研究主要关注预处理对基质理化性质和育苗效果的影响，鲜有探究这些处理是如何通过影响木质纤维素等有机组分进而影响基质特性，无法形成关于秸秆基质化利用的预处理普适理论依据。 针对上述问题，本研究以木质纤维素等组分为切入点，以各类预处理方法为手段,结合化学计量学分析方法，分别从生物质原料及其木质纤维素提取物性质分析、木质纤维素对异组分有机基质在植物生长过程中综合性能的调控机制、各类预处理对麦秸基质综合性能的影响展开研究，以探究不同预处理对秸秆基质综合性能影响的不同特征及其机制。最后利用基于数据挖掘的化学计量学分析方法对所收集的数据进行综合分析。主要研究内容与相关结论如下: (1)为探究各类农林废弃物基质化利用原料的特点，以及木质纤维素对基质理化特性的潜在影响机制，研究选取4种禾本科作物秸秆和2种木本类林业废弃物，以草炭和椰糠作为对照，分别从理化性质以及纤维素、半纤维素和木质素等有机组分特性进行比较分析。结果表明:颗粒粒径对基质物理性质的影响显著高于基质类型，尤其是对持水孔隙和通气孔隙的影响，效应量分别高达73.8％和68.2％;相比于草炭和椰糠，秸秆基质具有较高的EC值，而木本类废弃物基质具有低EC值(0.28mS/cm-0.33mS/cm);相比于废弃物，草炭和椰糠具有较低的纤维素(17.84％-20.95％)和半纤维素含量(5.14％-7.19％),稳定性较好;椰糠结晶度(23.06％)显著低于废弃物基质(30.36％-43.03％),这很可能是椰糠具有优越的可压缩性的主要原因。聚类分析表明同类基质性能较为接近，典型基质原料预处理研究具有代表性。 (2)为探究组成成分对有机基质在储存和植物生长过程中理化性质的影响，利用化学脱除法对麦秸进行组分分离，选取10组组分差异较大的秸秆样品和4种天然基质原料，研究其储存、育苗和定植栽培过程理化特性的变化。结果表明，化学脱除法中对秸秆组成成分影响最大的因素为洗涤剂类型和浓度，对结晶度（CrI）影响最大的是洗涤剂类型和温度。初始pH值较低的基质在后续试验过程中普遍呈现上升趋势。处理组EC值及养分含量前期变化整体较为稳定，进入定植期后陡增，且EC值与各养分含量、NDS和木质素含量均为显著正相关关系。基质纤维素含量越高，育苗期间体积降解率越大，草炭降解率最低，仅为10.67％。碱性H2O2处理组基质的纤维素降解率极高，达38.76％-58.49％,而草炭和椰糠的组分相对稳定。 （3）传统好氧堆肥对基质理化特性的调节效果有限，为探究秸秆基质化利用的发酵新方式，以小麦秸秆为原料，以发酵顺序和发酵时间为变量，分别采用木醋液和NaOH对麦秸基质的综合性能进行优化。结果表明，厌氧发酵作为前处理可使麦秸基质在整个发酵过程中的pH值稳定在5.19-6.13,对基质养分含量的提高整体高于以好氧发酵为前处理的组别。好氧-厌氧处理对秸秆半纤维素的降解率比厌氧-好氧处理组高，而后者对有机质含量的保留比前者提升1.14％-12.42％,这主要由灰分中SiO2和KCl占比所决定。就育苗效果而言，厌氧1个月-好氧处理平均发芽率最高（84％）,而壮苗指数则以好氧-厌氧3个月最高（0.0164g-0.0269g）;NaOH处理后基质育苗效果最差，发芽率仅为0-68％,壮苗指数仅为0.0069g-0.0164g。总体而言，5％木醋液协同好氧-厌氧处理对秸秆基质具有整体较好的提升效果。 （4）针对传统堆肥处理周期长且无法定向调控基质性质等不足，本研究以3种发酵方式辅助4种单酶及木质纤维素组合酶对小麦秸秆进行处理。结果表明，混合厌氧处理对秸秆基质pH和EC值调控效果均优于好氧处理;而好氧处理则可使得稳定性较强的纤维素和木质素含量较对照分别提升5.07％-8.04％和1.52％-3.32％;纤维素酶/半纤维素酶混合组和纤维素酶/漆酶混合组处理下结晶度比对照增加0.45％-7.23％。热重结果显示，混合厌氧处理下秸秆玻璃化转变起始温度降幅最高。综上,建议以混合厌氧为主要发酵方式，酶类选择需根据原料特性以含有纤维素酶的混合酶处理为主。聚类分析表明发酵方式比酶处理对秸秆基质综合性能影响程度更大。 （5）为探讨木醋液对牛粪好氧堆肥物料理化特性及育苗效果的影响，本研究以牛粪、小麦秸秆为原料，木醋液添加浓度为0、1％、3％、5％,在自主设计的小试堆肥反应器中进行好氧堆肥试验。结果表明，在小试堆肥反应器恒温加热条件下，木醋液处理牛粪-小麦秸秆好氧堆肥会增强堆体的保水能力，添加木醋液可使堆体养分含量和有机质降解率增加，促进堆肥腐熟，降低堆体pH值、EC值，且木醋液浓度越高，效果越好。低浓度（1％）木醋液可促进纤维素、半纤维素的降解，发芽指数最高，为79.17％,且1％木醋液处理组壮苗指数最高(0.0449g),显著高于其它三组。相关性分析表明，纤维素含量与半纤维素、有机质含量呈显著正相关，与TP含量和壮苗指数呈显著负相关;pH值与半纤维素负相关、与木质素正相关。 (6)为提高生物质基质化利用预处理效率，探究高效和绿色环保的预处理方法,以小麦秸秆为原料，采用混合、浸泡、水热、超声波、微波和蒸汽爆破6种预处理方法和水、乙酸、木醋液3种液体处理介质对小麦秸秆进行预处理。结果表明:在化学性质方面，微波处理会导致更多的养分流失，但可有效降低基质的EC值(0.26mS/cm-0.67mS/cm)和灰分含量(7.38％-7.51％);作为液体介质，木醋液可有效降低基质的pH值和灰分含量。在物理特性方面，微波辅助酸热法对于基质孔隙度的改善优于其他处理，特别是通气孔隙。基质压缩后的膨胀性能显示，木醋液处理组的基质吸水膨胀率最高(151％-224％)。微波、超声波辅助木醋液处理使得秸秆结晶度降低1.45％-6.66％,表面zeta电位绝对值降低4.22mV-4.67mV。相比于水和乙酸，木醋液处理可提升秸秆中羟基等亲水基团含量和吸水速率。综合比较，微波辅助木醋液预处理将是改善小麦秸秆基质材料特性的有效方法。相关性分析表明，NDS含量的升高可提升容重和通气孔隙。 (7)为建立基质组成成分与各项性质的量化关系，利用8种数据挖掘方法对分段式发酵、酶辅助发酵、物理化学协同处理、生物化学协同处理和基质配方5部分试验所采集的260条基质样品数据进行了化学计量学分析。结果表明，化学性质和育苗指标与NDS含量呈中低度正相关，而与纤维素含量均为负相关;EC值与TK和TNC含量呈高度正相关关系;处理后的秸秆pH值越高越有利于降低糖酚比。生物化学处理对于秸秆基质的NDS、木质素、灰分、总孔隙、通气孔隙及结晶度有正向影响效应。多元线性回归、主成分回归和偏最小二乘回归均对壮苗指数和孔隙特性拟合效果较好，其中偏最小二乘回归分析表明，木质素含量的升高可降低容重、持水孔隙和水气比，并提升总孔隙度和通气孔隙;NDS含量的提升有助于育苗，而纤维素、半纤维素的大量存在则不利于幼苗的生长发育。基于主成分分析的支持向量机分析对于TP、TK、TNC、持水孔隙、通气孔隙、CrI和壮苗指数的预测精度高达93％-100％,而对pH值、EC值、TN、容重、总孔隙度的分类精度仅为37％-69％。人工神经网络回归更加适合于EC值、TK、TNC、各项物理性质和壮苗指数的预测，而对CrI、pH值、TN和TP含量预测的MAPE值则处于较高水平(2.67-14.89)。
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