壟溝填埋秸稈發(fā)酵物對(duì)SSC番茄根區(qū)溫度、CO2釋放及番茄生長(zhǎng)的影響

楊佳佳,劉義飛*,劉文科,2*

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院, 南疆特色果樹高效優(yōu)質(zhì)栽培與深加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 阿拉爾 843300; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有極其廣闊的農(nóng)作物種植面積，每年產(chǎn)生各類農(nóng)作物秸稈約7億t，位居世界前列[1]，農(nóng)作物秸稈含有豐富的大量元素和微量元素，是一項(xiàng)重要的生物質(zhì)資源[2]。據(jù)調(diào)查顯示，秸稈燃燒值約為標(biāo)準(zhǔn)煤的50%，并且1 t普通秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值平均與0.25 t糧食的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值相當(dāng)[3]。秸稈發(fā)酵過程會(huì)產(chǎn)生CO2、熱量、抗病孢子、酶、無(wú)機(jī)和有機(jī)養(yǎng)料，能有效的提高地溫和CO2濃度，改善土壤環(huán)境，從而加快植株的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物品質(zhì)[4-5]。另外，秸稈發(fā)酵還田后，可以提高土壤有機(jī)碳，增加設(shè)施土壤可持續(xù)生產(chǎn)力，減少秸稈導(dǎo)致的環(huán)境污染問題[6]。截止目前為止，我國(guó)秸稈的主要利用方式有秸稈直接還田、生活燃料、生產(chǎn)食用菌、生產(chǎn)肥料、動(dòng)物飼料等幾種方式[7]。因此，開發(fā)利用豐富多樣的秸稈資源，迫在眉睫。

目前北方冬季日光溫室蔬菜生產(chǎn)中存在著地溫低、CO2虧缺等問題。冬季日光溫室主要依靠?jī)?chǔ)蓄太陽(yáng)能來(lái)提高室內(nèi)氣溫和根區(qū)溫度，晴天室內(nèi)氣溫可以迅速提高，但根區(qū)溫度相對(duì)于氣溫而言，升高卻相對(duì)緩慢[8]。且有關(guān)研究表明，相對(duì)于氣溫，植物對(duì)根區(qū)溫度更為敏感，前人已將根區(qū)溫度對(duì)黃瓜[9]、辣椒[10]、甜瓜[11]、番茄[12]的生長(zhǎng)和生理特性的影響進(jìn)行了一些研究，表明在根區(qū)溫度和氣溫都不是限制因素的條件下，根區(qū)溫度對(duì)植物的影響更大。因此，提高根區(qū)溫度比提高室溫更為重要。CO2是蔬菜光合作用的主要原料，直接影響蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育，合理增施CO2氣肥，可以促進(jìn)蔬菜的光合作用、產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病性等，所以進(jìn)行CO2施肥已成為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的重要措施之一[13]。關(guān)于增施CO2氣肥，前人已對(duì)黃瓜[14]、大豆[15]、草莓[16]的生長(zhǎng)和生理過程做了研究，表明冬季日光溫室增施CO2氣肥的重要性。自2008年引進(jìn)秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)以來(lái)，目前人們將秸稈在溫室中利用最多的方式是秸稈生物反應(yīng)堆，用來(lái)解決日光溫室內(nèi)冬季地溫偏低和CO2濃度不足的問題，在辣椒和番茄上已有較為明顯的作用[17-18]。

南疆設(shè)施農(nóng)業(yè)多位于塔里木盆地邊緣，光熱資源豐富，適宜發(fā)展設(shè)施蔬菜生產(chǎn)，使得設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年遞增，已成為南疆兵團(tuán)支柱性產(chǎn)業(yè)。但是又因南疆砂土具有持水保肥能力差、溫?zé)峋彌_性能弱等缺點(diǎn)，為了提高水肥資源的利用效率，削減冬春季低溫危害等制約因素，使得南疆設(shè)施蔬菜生產(chǎn)必須采納高效、環(huán)保的栽培技術(shù)，否則很難實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。因此，本試驗(yàn)采用的栽培方法是土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培(soil ridged substrate-embedded cultivation，SSC)，該方法具有高產(chǎn)、節(jié)水節(jié)肥、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，并且可提高根區(qū)溫?zé)峋彌_能力[19]。

針對(duì)南疆冬春季設(shè)施內(nèi)低溫脅迫頻發(fā)和CO2氣肥虧缺的問題，基于SSC可提高根區(qū)溫?zé)峋彌_能力的優(yōu)勢(shì)，本研究在SSC壟溝填埋不同種類秸稈，探究秸稈發(fā)酵對(duì)棚室內(nèi)CO2釋放量、根區(qū)溫度及番茄生長(zhǎng)的影響，通過測(cè)定根區(qū)溫度、棚室內(nèi)CO2釋放量及番茄的生長(zhǎng)指標(biāo)，來(lái)確定最適宜SSC壟溝填埋的秸稈種類，進(jìn)而對(duì)SSC秸稈填埋技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試秸稈為從南疆周邊團(tuán)場(chǎng)收集的水稻秸稈、玉米秸稈、番茄秸稈和豇豆秸稈，晾干并粉碎為3～5 cm大小顆粒。雞糞為在阿拉爾市周邊養(yǎng)雞場(chǎng)收集,腐熟、曬干并碾碎后，與秸稈按比例混合。供試番茄品種為‘金鵬1號(hào)’。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)地點(diǎn) 該試驗(yàn)于2018年9月—2019年1月，在新疆自治區(qū)阿拉爾市塔里木大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)站的日光溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)日光溫室長(zhǎng)21 m，跨度8 m，脊高3.6 m。試驗(yàn)地的經(jīng)緯度為80°30′—81°58′ E，40°22′—40°57 ′N，平均海拔1 100 m，全年無(wú)霜期為220 d，年平均氣溫為10.7 ℃，有效積溫為4 113 ℃，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量為1 876.6～2 558.9 mm，年日照時(shí)數(shù)為2 900 h，屬于暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區(qū)。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 該試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，分別為水稻秸稈∶雞糞=7∶1(T1)、玉米秸稈∶雞糞=7∶1(T2)、番茄秸稈∶雞糞=7∶1(T3)、豇豆秸稈∶雞糞=7∶1(T4)和未填埋秸稈(CK)。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)排列，栽培過程中水肥管理一致。試驗(yàn)采用土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培，土壟上底寬22 cm、下底寬42 cm、高15 cm、長(zhǎng)600 cm，壟與壟之間的距離為60 cm；栽培袋的規(guī)格為長(zhǎng)300 cm，寬12 cm，高16 cm。秸稈用量約為59 970 kg·hm-2，雞糞用量約為8 545 kg·hm-2，尿素用量為150 kg·hm-2，將混合均勻的秸稈發(fā)酵物填埋在兩個(gè)土壟之間，填埋長(zhǎng)度為600 cm、寬度為60 cm、深度為20 cm，其中填埋秸稈深度為15 cm，表面覆土厚度為5 cm。番茄采用穴盤育苗，三葉一心時(shí)定植，番茄株距35 cm，行距60 cm，每個(gè)處理種植17棵。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

采用卷尺測(cè)量地面到植株生長(zhǎng)點(diǎn)的株高；游標(biāo)卡尺測(cè)量植株主莖離根部5 cm處的莖粗；葉片數(shù)為從子葉以上第1片葉算起至頂部縱徑大于5 cm的葉片為止；TYS-A葉綠素測(cè)量?jī)x(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)測(cè)定葉片葉綠素SPAD值；根區(qū)溫度的測(cè)定點(diǎn)為栽培壟中心軸線位置和中心軸線到壟下底邊直線距離的中心處，埋深為7.5 cm[20]，采用AT4808手持多路溫度測(cè)試儀(常州安柏精密儀器有限公司)采集；測(cè)定CO2含量是先在壟溝填埋秸稈處用鋼筋扎洞，用密封的紙箱罩住秸稈填埋處，再將設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)(新疆大漠華維農(nóng)業(yè)科技有限公司)的CO2傳感器放入，在紙箱的周圍再用土壤封一圈，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始連續(xù)記錄CO2含量變化[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 填埋不同種類秸稈對(duì)根區(qū)溫度的影響

10月2日08：00—10月7日08：00，從不同處理的根區(qū)溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖1A)可以看出，所有處理根區(qū)溫度變化趨勢(shì)基本相似，均呈現(xiàn)明顯的多峰曲線變化，最低溫度出現(xiàn)在早上08：00左右，最高溫度出現(xiàn)在下午16：00左右，所有處理的根區(qū)溫度均高于CK，其中以處理T3的根區(qū)溫度最高，最低溫度為19.69 ℃，最高溫度為26.96 ℃，比CK的最低溫度和最高溫度分別高了2.42和2.03 ℃。

對(duì)不同處理10月2日08：00—10月7日08：00的每天的最低根區(qū)溫度和最高根區(qū)溫度進(jìn)行均值計(jì)算，結(jié)果(圖1B)顯示，處理CK、T1、T2、T3、T4的最低根區(qū)溫度依次為17.26、18.78、18.67、19.68和19.05 ℃，最高根區(qū)溫度依次為24.93、26.55、25.92、26.96和25.28 ℃，處理T3的最低根區(qū)溫度和最高根區(qū)溫度均顯著高于其他處理，最低根區(qū)溫度和最高根區(qū)溫度具體表現(xiàn)為T3>T4>T1>T2>CK和T3>T1>T2>T4>CK。綜合比較發(fā)現(xiàn)，處理T3的最低根區(qū)溫度和最高根區(qū)溫度最高，分別比CK增加了14.02%和8.14%。

對(duì)10月2日08：00—10月7日08：00的5個(gè)晝(08：00—20：00)夜(21：00—07：00)溫度進(jìn)行平均值計(jì)算，結(jié)果(圖1C)顯示，處理CK、T1、T2、T3、T4的白天溫度的平均值依次為21.56、22.85、22.57、23.67和22.49 ℃，夜間溫度的平均值依次為20.5、21.72、22.49、22.83和22.06 ℃，所有處理的白天根區(qū)溫度和夜間根區(qū)溫度均顯著高于CK，且處理T3的白天根區(qū)溫度和夜間根區(qū)溫度顯著高于其他處理，白天根區(qū)溫度和夜間根區(qū)溫度具體表現(xiàn)為T3>T1>T2>T4>CK和T3>T2>T4>T1>CK。綜合比較發(fā)現(xiàn)，處理T3白天根區(qū)溫度和夜間根區(qū)溫度最高，比CK增加了9.79%和11.37%。

2.2 填埋不同種類秸稈對(duì)CO2釋放量的影響

10月2日03：00—10月7日03：00，從不同處理的CO2釋放量結(jié)果(圖2A)可以看出，所有處理CO2釋放量的趨勢(shì)基本相似，均呈明顯的多峰曲線變化，最低CO2釋放量出現(xiàn)在下午16：00左右，最高CO2釋放量出現(xiàn)在早上08：00左右，所有處理的CO2釋放量均高于CK，其中以處理T3的CO2釋放量最高，最低釋放量為668 mg·m-3，最高釋放量為945 mg·m-3，比CK的最低釋放量和最高釋放量分別高276 mg·m-3和387 mg·m-3。

對(duì)不同處理10月2日08：00—10月7日08：00的每天的CO2釋放量進(jìn)行均值計(jì)算，結(jié)果(圖2B)顯示，處理CK、T1、T2、T3、T4的CO2釋放量平均分別為804、988、1 041、1 158、930 mg·m-3，由圖2B可看出，所有處理的CO2釋放量的平均值均顯著高于CK，且處理T3的CO2釋放量的平均值顯著高于其他處理，具體表現(xiàn)為T3>T2>T1>T4>CK。綜合比較發(fā)現(xiàn)，處理T3釋放的CO2量最高，比CK增加了44.03%。

A：連續(xù)監(jiān)測(cè)的CO2釋放量；B：CO2釋放量的平均值。同一處理不同小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。A: Consecutive CO2 release amount; B: Average of CO2 release amount. Different small letters indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖2 填埋不同種類秸稈5 d的CO2釋放量變化Fig.2 Variations of CO2 release amount in root zone in different straw type treatments for 5 d

2.3 填埋不同種類秸稈對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響

不同種類秸稈處理的番茄生長(zhǎng)指標(biāo)結(jié)果(圖3)顯示，9月18日，處理T1、T3的株高顯著高于CK，處理T2、T4的株高高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異；9月28日—10月18日，處理T3的株高顯著高于CK，處理T1、T2、T4高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異；10月28日，處理T2、T3的株高顯著高于CK，處理T1、T4高于CK，但無(wú)顯著性差異。綜合比較發(fā)現(xiàn)，處理T3的番茄株高表現(xiàn)最好，5個(gè)檢測(cè)日期分別比CK增加了15.24%、15.12%、19.12%、14.77%、15.12%。

注：同一時(shí)期不同小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different small letters of the same date or stage indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖3 填埋不同種類秸稈對(duì)番茄生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Fig.3 Effects of different straw type treatments on the growth indexes of tomato

9月28日—10月18日，處理T1、T3的番茄莖粗顯著高于CK，處理T2、T4高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異。10月28日，處理T1、T2、T3的番茄莖粗顯著高于CK，處理T4高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異。綜合比較發(fā)現(xiàn)，處理T3的番茄莖粗表現(xiàn)最好，5個(gè)檢測(cè)日期分別比CK增加22.40%、23.59%、25.0%、23.12%、24.01%。

9月18日，處理T1、T3的番茄植株葉片數(shù)顯著高于CK，處理T2、T4高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異；9月28日—10月28日，處理T3的番茄植株葉片數(shù)顯著高于CK，處理T1、T2、T4高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異。各處理組的番茄植株葉片數(shù)變化存在差異，與CK相比，處理T3最為明顯，5個(gè)檢測(cè)日期分別比CK增加了18.84%、15.29%、8.41%、10.74%、5.84%。

定植后，各處理間的葉片SPAD值無(wú)顯著性差異；開花期，處理T1、T3的葉片SPAD值顯著高于CK，處理T2高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異；幼果期，各處理的葉片SPAD值均顯著高于CK。綜合比較發(fā)現(xiàn)，處理T3的葉片葉綠素SPAD值最高，分別比CK增加了13.12%、11.80%。

3 討論

在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，根區(qū)溫度低、CO2虧缺是限制蔬菜生產(chǎn)的主要因素。秸稈可以在土壤微生物的作用下發(fā)酵，產(chǎn)生大量熱量和釋放CO2，提高溫室溫度和增加CO2含量[22]。本研究對(duì)不同處理的根區(qū)溫度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，番茄秸稈處理的根區(qū)溫度顯著高于對(duì)照，且優(yōu)于其他處理，說(shuō)明番茄秸稈填埋可以有效提高地溫，解決日光溫室冬季低溫的問題，這與王昊等[23]和呼生春等[24]取得的效果一致。CO2是植物光合作用的原料，CO2釋放量對(duì)植物的生長(zhǎng)與發(fā)育有著重要的影響。本研究發(fā)現(xiàn),番茄秸稈處理的CO2釋放量顯著高于對(duì)照，且優(yōu)于其他處理，說(shuō)明番茄秸稈處理可以有效改善日光溫室冬季CO2虧缺的問題，這與馮連杰[25]和解影等[26]等取得的效果一致。植物的株高、莖粗和葉片數(shù)是反映植株長(zhǎng)勢(shì)的重要指標(biāo)，尤其是莖粗在一定程度上反映植株的健壯程度[27]。植物的葉片葉綠素SPAD值不僅與光合作用有關(guān)，也影響著蔬菜的外觀品質(zhì)[28]。本研究對(duì)不同處理的番茄生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)番茄秸稈處理的株高、莖粗、葉片數(shù)和葉片葉綠素SPAD值顯著高于對(duì)照，且優(yōu)于其他處理，說(shuō)明處理T3可以促進(jìn)植株生長(zhǎng)與發(fā)育，這與武春成等[29]和楊冬艷等[30]的研究一致。

綜上所述，在日光溫室內(nèi)壟溝填埋秸稈后，可以增加棚室內(nèi)CO2釋放量，提高根區(qū)溫度，促進(jìn)植株生長(zhǎng)，并且填埋秸稈與動(dòng)物糞便發(fā)酵還可以作為有機(jī)肥，可以改善土壤的理化特性，增加土壤速效養(yǎng)分的含量[31]，從而促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育。水稻秸稈、玉米秸稈、番茄秸稈和豇豆秸稈處理中，番茄秸稈填埋效果最好。胡曉婷[32]也認(rèn)為番茄廢棄物中含有較高的養(yǎng)分和水分，其中有機(jī)質(zhì)含量為70%～95%，推測(cè)相較水稻秸稈、玉米秸稈和豇豆秸稈，番茄秸稈發(fā)酵時(shí)溫度較其他秸稈發(fā)酵溫度更高，并且含有較高的養(yǎng)分和水分[33]。因此綜合考慮，在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，使用以番茄秸稈為主的壟溝填埋物料方式具有更好的應(yīng)用前景。秸稈的循環(huán)利用不僅可以有效降低生產(chǎn)和肥料成本，還有效解決了農(nóng)業(yè)廢棄物處理問題，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)[34]，但目前壟溝填埋秸稈發(fā)酵的研究還較少。本研究表明,在壟溝內(nèi)填埋秸稈廢棄物經(jīng)過發(fā)酵后種植番茄具有可行性，且對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育具有促進(jìn)作用，為秸稈的循環(huán)利用提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。