孫曉華,李曉靜,劉杰才,孫 婧,張之為

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

截至2017年,中國(guó)設(shè)施園藝面積已達(dá)391.5萬(wàn) hm2,成為世界上設(shè)施園藝面積最大的國(guó)家,特別是具有中國(guó)特色的節(jié)能日光溫室實(shí)現(xiàn)了在北緯34°～42°、冬季不加溫的情況下進(jìn)行茄果類蔬菜的生產(chǎn)[1-2]。由于日光溫室種植作物種類單一且復(fù)種指數(shù)高[3]、亞環(huán)境條件下過(guò)量投入氮肥[4-5]、肥料利用效率偏低[6],且溫室內(nèi)土壤水分運(yùn)移區(qū)別于露地,致使以硝酸鹽為主的鹽分大量積聚于土壤表層[7],隨著日光溫室使用年限的延長(zhǎng),溫室內(nèi)土壤次生鹽漬化趨于嚴(yán)重,從而降低溫室可持續(xù)利用率[8-9]。目前,生物反應(yīng)堆發(fā)酵生成的腐殖質(zhì)等有機(jī)物是有效的日光溫室土壤生物改良劑[10-11]。有文獻(xiàn)報(bào)道,秸稈生物反應(yīng)堆添加生物碳能有效改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量[12]。此外,冬季日光溫室應(yīng)用生物反應(yīng)堆還能提高栽培床土壤溫度和溫室空間內(nèi)CO2濃度[13-14],有效克服了日光溫室冬春季節(jié)土壤低溫和寡CO2環(huán)境對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的限制[15-16]。生物反應(yīng)堆熱量產(chǎn)生及CO2生成量因反應(yīng)物成分、菌種種類及發(fā)酵因子不同而異。以秸稈為主的各種生物反應(yīng)材料在栽培床發(fā)酵過(guò)程中,產(chǎn)生的CO2和熱能顯著改善栽培床周圍的微環(huán)境。一般生物反應(yīng)堆僅以玉米秸稈為單一反應(yīng)物,改變反應(yīng)堆組成會(huì)顯著影響CO2的生成量[17],如用小麥秸稈代替玉米秸稈,則發(fā)酵生成CO2的量高于玉米秸稈中的生成量[18]。如何提升玉米秸稈應(yīng)用于溫室生物反應(yīng)堆的微環(huán)境效應(yīng),加大其配效作用,研究結(jié)果各不相同。劉凱等[19]認(rèn)為添加不同比例的牛糞有利于堆肥發(fā)酵并提高反應(yīng)溫度,但未分析反應(yīng)的微環(huán)境效應(yīng)。段曉婷等[20]研究發(fā)現(xiàn),在玉米秸稈中添加一定比例的羊糞有利于CO2的產(chǎn)生。然而,目前關(guān)于生物反應(yīng)堆中不同有機(jī)物添加的微環(huán)境效應(yīng)卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

本研究以不同有機(jī)物與玉米秸稈混合物為研究對(duì)象,通過(guò)室內(nèi)常溫密閉培養(yǎng)研究其氮素礦化速率、微環(huán)境效應(yīng),從而選取最佳組合應(yīng)用于溫室生物反應(yīng)堆,旨在改良溫室土壤的同時(shí)使冬春季日光溫室栽培作物從生物發(fā)酵過(guò)程中獲取熱量及補(bǔ)充光合作用所需CO2,為溫室綜合利用生物反應(yīng)堆技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)成熟期玉米秸稈,充分粉碎,全氮含量為8.24 g/kg。供試土壤為壤土,取自內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)日光溫室,pH值6.76,全氮含量為10.24 g/kg。有機(jī)物為呼和浩特市牛羊養(yǎng)殖農(nóng)場(chǎng)的常規(guī)牛糞、羊糞、雞糞和殘畜有機(jī)物,各物質(zhì)全氮含量分別為10.04,14.17,16.82,22.53 g/kg。供試有機(jī)物樣品在4 ℃環(huán)境下干燥后備用。供試菌種為山東綠隴生物科技有限公司生產(chǎn)的有機(jī)物料腐熟劑,有效活性菌數(shù)≥0.5億個(gè)/g。

試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照CK(土壤+玉米秸稈)、4個(gè)處理分別為牛糞+玉米秸稈(D)、羊糞+玉米秸稈(S)、雞糞+玉米秸稈(C)、殘畜有機(jī)物+玉米秸稈(R)。將反應(yīng)物按質(zhì)量比2∶3充分混勻,用蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至50%,取1 500 g于培養(yǎng)盒中,添加菌種2.5 g/kg,培養(yǎng)盒留有1/3的空間,密閉后置于室內(nèi)常溫培養(yǎng)20 d,3次重復(fù)。分別于培養(yǎng)0,5,10,15,20 d時(shí)測(cè)定氮素礦化及微環(huán)境效應(yīng)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.2 溫度和CO2環(huán)境因子檢測(cè) 培養(yǎng)過(guò)程中采用內(nèi)置溫度儀(RC-4,江蘇精創(chuàng)電氣股份有限公司)感應(yīng)探頭自動(dòng)記錄溫度。每天8:30-9:30時(shí)用紅外線氣體分析儀(IR-101,北京均方理化科技研究所)測(cè)定CO2體積分?jǐn)?shù)。

1.3 氮素礦化分析方法

氮素礦化速率(μg/(g·d))=(培養(yǎng)后銨態(tài)氮含量+培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量)-(初始銨態(tài)氮含量+初始硝態(tài)氮含量)/培養(yǎng)天數(shù)[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2013軟件處理數(shù)據(jù),采用Duncan′s多重比較法分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同反應(yīng)物構(gòu)成對(duì)氮素?zé)o機(jī)礦化的影響

不同大寫字母表示1%顯著水平。圖2-8同。Different capital letters indicate significance at 1%. The same as Fig.2-8.

圖2 不同反應(yīng)物培養(yǎng)過(guò)程中含量變化Fig.2 Change of content in different reactants during culture

由圖3可知，S和R中無(wú)機(jī)氮礦化速率呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，氮素礦化速率逐漸降低；D反應(yīng)物中無(wú)機(jī)氮的礦化速率在發(fā)酵6～10 d時(shí)為1.73 μg/(g·d)，在1%水平顯著高于CK(0.33 μg/(g·d))，其他發(fā)酵時(shí)期與CK相比無(wú)顯著性變化；C中氮素礦化速率在發(fā)酵16～20 d(-0.70 μg/(g·d))時(shí)與CK相比在1%水平顯著降低，其他發(fā)酵時(shí)期與CK相比無(wú)顯著性變化。由圖4可知，整個(gè)發(fā)酵期內(nèi)，R(3.21 μg/(g·d))、S(2.06 μg/(g·d))和D(1.21 μg/(g·d))中總氮素礦化速率在1%水平顯著高于CK(0.49 μg/(g·d))，而C中總氮素礦化速率為0.28 μg/(g·d)，故總氮素礦化速率依次為R>S>D>CK>C。因此，玉米秸稈與殘畜有機(jī)物、羊糞、牛糞混合可加速反應(yīng)物中氮素礦化的進(jìn)程。

圖3 不同反應(yīng)物各培養(yǎng)階段氮素礦化速率Fig.3 Nitrogen mineralization rates of different reactants in each culture stage

圖4 不同反應(yīng)物在整個(gè)培養(yǎng)階段的氮素礦化速率Fig.4 Nitrogen mineralization rate of different reactants during whole culture stage

2.2 不同反應(yīng)物構(gòu)成對(duì)溫度變化的影響

有機(jī)物與玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)生熱量效應(yīng)的大小因有機(jī)物的種類而異,由圖5可知,CK和各處理反應(yīng)堆中的溫度均隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),且除C之外,D(63.6 ℃)、S(55.4 ℃)和R(63.3 ℃)的溫度峰值均出現(xiàn)在發(fā)酵11 d時(shí),且均在1%水平顯著高于CK(47.3 ℃)；而C(58.4 ℃)的溫度峰值提前于其他反應(yīng)堆,之后便逐漸降低至與CK接近,且前期溫度高、高溫持續(xù)時(shí)間短,高于45.0 ℃的持續(xù)時(shí)間為7 d,從14 d開始溫度降低到40.0 ℃以下。R中高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于CK和其他處理,其中高于50.0 ℃的持續(xù)時(shí)間可達(dá)12 d；而D、S中高于55.0 ℃的持續(xù)時(shí)間分別為7,3 d,其中D與R中溫度變化趨勢(shì)類似。反應(yīng)堆內(nèi)溫度高、高溫持續(xù)時(shí)間久,有益于提高環(huán)境的溫度。由圖6可知,在整個(gè)發(fā)酵期間,D、S、C和R處理反應(yīng)堆中的累積溫度分別為563.0,518.2,421.6,612.1 ℃，均在1%水平顯著高于CK(294.5 ℃),故累積溫度依次為R>D>S>C。

圖5 不同反應(yīng)物培養(yǎng)過(guò)程中生物反應(yīng)堆的溫度Fig.5 Temperatures of biological reactor in different reactants during culture stage

圖6 不同反應(yīng)物在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)的累積溫度Fig.6 Accumulated temperatures of different reactants during whole culture stage

2.3 不同反應(yīng)物構(gòu)成對(duì)CO2生成的影響

由圖7可知,各處理中CO2逸散量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),但是玉米秸稈中添加不同有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)生CO2的動(dòng)態(tài)和逸散量不同。發(fā)酵5 d時(shí)，D、C、R中CO2逸散量分別為3 528，3 574，3 460 μL/L，均在1%水平顯著高于CK(1 420 μL/L)；發(fā)酵8 d時(shí)D(4 106 μL/L)、C(4 416 μL/L)和R(5 386 μL/L)中CO2逸散量均在1%水平顯著性高于CK(2 826 μL/L)；發(fā)酵11～20 d時(shí),D(3 638～4 907 μL/L)、S(4 544～4 842 μL/L)和R(6 964～3 497 μL/L)中CO2逸散量均在1%水平顯著高于CK(1 571～3 285 μL/L)。R中CO2逸散量前期增長(zhǎng)速率最快、后期降低速率也較快,且CO2逸散量為4 000 μL/L以上的持續(xù)時(shí)間是10 d；C中CO2逸散集中在2～8 d,從8 d開始,逸散量開始下降,但在14 d之前CO2逸散量仍高于CK；S中CO2逸散量持續(xù)上升至17 d,從11 d至發(fā)酵結(jié)束,CO2逸散量均維持在4 000 μL/L以上；D中CO2逸散持續(xù)上升到第14天,之后開始下降,CO2逸散量為4 000 μL/L以上的持續(xù)時(shí)間為9 d。由圖8可知,在整個(gè)發(fā)酵期內(nèi),反應(yīng)堆CO2逸散總量依次為R>S>D>C>CK,且R(30 506 μL/L)、S(28 544 μL/L)、D(27 763 μL/L)和C(20 859 μL/L)中CO2總逸散量均在1%水平顯著高于CK(15 460 μL/L)。

圖7 不同反應(yīng)物培養(yǎng)過(guò)程中CO2逸散量Fig.7 Emission of CO2 in different reactants during culture stage

3 結(jié)論與討論

前人研究發(fā)現(xiàn),在日光溫室中應(yīng)用生物反應(yīng)堆可以改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤微生物活性、減少氮素流失、加速腐殖化進(jìn)程[24]、增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量[25]、熱量及CO2生成量,進(jìn)而提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)。日光溫室生物反應(yīng)堆中的反應(yīng)物在微生物作用下進(jìn)行發(fā)酵,其生命活動(dòng)由反應(yīng)物中的碳提供能量[26],所需ATP則由氮素提供。當(dāng)發(fā)酵反應(yīng)物中氮含量提高時(shí)能夠?yàn)槲⑸锾峁┳銐虻腁TP合成物質(zhì),而反應(yīng)物中碳含量高時(shí),盡管微生物生命活動(dòng)有充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),但因缺少合成ATP的氮素,而使其生命活性降低、減緩反應(yīng)進(jìn)程[27]。因此,要使反應(yīng)堆發(fā)酵的環(huán)境效應(yīng)滿足日光溫室冬季栽培作物的需要,必須同時(shí)提供微生物活動(dòng)所需的碳素及氮源[28]。冬季在日光溫室中利用生物反應(yīng)堆,一方面發(fā)酵形成的有機(jī)物能被植物利用,另一方面發(fā)酵過(guò)程中釋放出的熱量和CO2也可以改善溫室內(nèi)作物的生長(zhǎng)環(huán)境。就反應(yīng)堆發(fā)酵產(chǎn)生的熱量而言,溫度較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),才具有改善日光溫室冬季土壤低溫的效果。日光溫室屬于半封閉環(huán)境,作物對(duì)CO2的需求應(yīng)滿足濃度適宜且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的條件。前人關(guān)于發(fā)酵的研究以營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的形成、發(fā)酵進(jìn)程的影響因素、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響等為主,而對(duì)于發(fā)酵組成物對(duì)有機(jī)物礦化及其微環(huán)境效應(yīng)的影響研究較少。

有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)生熱量的多少及熱量持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短受發(fā)酵物料種類及比例的影響,熱量產(chǎn)生能力及持續(xù)時(shí)間直接反映有機(jī)物發(fā)酵腐熟程度和消除致病菌和寄生蟲卵的程度。前人研究表明，發(fā)酵溫度達(dá)50 ℃以上持續(xù)5～7 d或者高于55 ℃持續(xù)4 d,發(fā)酵產(chǎn)物將完全達(dá)到腐熟程度且無(wú)害化[34]。本研究中不同類型有機(jī)肥的添加使玉米秸稈發(fā)酵后累積溫度均顯著提高,前期溫度升高且持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng),說(shuō)明試驗(yàn)中玉米秸稈與有機(jī)肥能夠充分腐熟,被用于作物栽培時(shí)可以提供熱量,并改變微生物的構(gòu)成,有利于土壤性狀的改良。

針對(duì)日光溫室生物反應(yīng)堆的應(yīng)用,其效應(yīng)主要是土壤培肥、土壤增溫、CO2施肥。生物反應(yīng)堆中僅用玉米秸稈,發(fā)酵速率低,反應(yīng)物中碳的轉(zhuǎn)化能力減弱、影響發(fā)酵過(guò)程中CO2氣體的生成量[35]。本研究結(jié)果表明,所有處理中CO2逸散總量均顯著高于CK,故通過(guò)改變生物反應(yīng)堆中發(fā)酵物的組成可以提高日光溫室環(huán)境內(nèi)CO2的濃度,有利于緩解冬季日光溫室封閉條件下作物光合受限于寡CO2制約的影響。綜合考慮本研究中反應(yīng)物的氮素礦化速率、CO2逸散量、熱量產(chǎn)生量及持續(xù)時(shí)間,殘畜有機(jī)物+玉米秸稈被視為最佳有機(jī)物組合。因此,通過(guò)改變反應(yīng)堆中有機(jī)物的配比,添加含氮量高的有機(jī)物來(lái)提高發(fā)酵體系的氮源濃度,可加速反應(yīng)物中氮素礦化的進(jìn)程、提高累積溫度和CO2逸散總量,這對(duì)于日光溫室冬季生產(chǎn)有重要意義。