地埋式秸秆生物反应堆对草莓生产及土壤肥力的影响

叶静，翁丽青，邹平，田雁榕，林辉，符长焕，符建荣，马军伟*

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.余姚市农业科学研究所，浙江 余姚 315400；3.杭州学军中学，浙江 杭州 310012)

浙江省地处经济发达地区，农业生产水平较高，土地利用和复种指数高。设施栽培加之长期连作，由于采取了人工措施，改变了局部生态环境，改变了土壤自然条件下的水热平衡，其温度、光照、通气条件和水肥管理等均不同于一般大田，土壤及生态环境出现几个突出问题，如CO2严重亏缺、设施土壤团粒结构被破坏、土壤有机质及养分容量降低、土壤次生盐渍化趋势加快等问题。针对上述问题，地埋式秸秆生物反应堆技术将秸秆、畜禽粪便等有机废弃物混合埋施在大棚或露地土壤种行之间，通过添加高效产气菌进行生物发酵，利用发酵产生的CO2对大棚进行二氧化碳施肥，解决大棚中二氧化碳严重亏缺的问题，利用发酵热能对土壤起增温和保温作用[1-5]。该项技术在我国北方应用较为广泛，但在南方地区尤其在浙江省鲜有报道。为此，本研究针对长期连作设施栽培土壤，通过地埋式秸秆生物反应堆技术提高草莓产量和品质，旨在提高南方地区越冬作物的产量和品质，同时解决农村废弃物的无害化处理和资源化利用问题。

1 材料与方法

1.1 供试材料

田间试验于2014年9月20日至2015年3月30日在浙江省余姚市梁弄镇亚思味特生态农场(121°5′33″ E， 29°54′34″ N)进行。农场地处浙东四明山麓，海拔68 m，属亚热带南缘，季风型气候。四季分明，冬夏稍长，春秋略短，平均年日照总时数2 061 h。年均气温16.2 ℃。供试土壤为黄斑泥潴育水稻土，试验前测得耕层(0～20 cm)基础肥力见表1。供试材料为草莓品种红颊。

表1 试验地土壤基础肥力特征

1.2 处理设计

试验设常规措施(CK)和地埋式秸秆生物反应堆(BR)2个处理。CK为常规栽培方法，不用秸秆反应堆，在草莓移栽前施新鲜羊粪9 000 kg·hm-2和复合肥(硫基，N 15%、P2O515%、K2O 15%)750 kg·hm-2，坐果后结合滴灌追施速溶性配方肥；BR为翻耕前施新鲜羊粪1 500 kg·hm-2，全层混施；移栽前开沟宽40 cm，深40 cm，沟中埋入稻草15 000 kg·hm-2，新鲜羊粪7 500 kg·hm-2，发酵菌剂30 kg·hm-2拌麸皮混施，分层填埋，每层中均匀含有秸秆、羊粪及菌剂。填埋完毕后覆土，整畦覆盖地膜后用土钻在反应堆上部每隔1.5 m打1个小孔作CO2释放用；坐果后结合滴灌追施速溶性配方肥。每处理1个大棚，大棚面积280 m2，内各有5畦，重复3次。

1.3 取样与测定

供试样品采集。试验开始前随机取2个处理大棚内0～20 cm耕层土样1 000 g用于测定土壤基础肥力。草莓盛果期，每处理随机采摘5.0 kg果实，用于测定草莓品质。

土壤和果实样品测定。土壤pH依据NY/T 1121.2—2006《土壤pH的测定》；土壤有机质依据NY/T 1121.6—2006《土壤有机质的测定》；土壤全氮依据HJ 717—2014《凯氏法》；土壤有效磷依据NY/T 1121.2—2014《土壤有效磷的测定》；土壤速效钾依据NY/T 889—2004《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》；草莓中Vc含量依据GB 6195—1986《水果、蔬菜维生素C含量测定法(2，6-二氯靛酚滴定法)》；草莓中可溶总糖依据GB 6194—1986《水果、蔬菜可溶性糖测定法》测定。

土壤CO2通量测定。通过Li-8100A土壤二氧化碳通量监测系统对大棚内土壤进行测定。

土壤温度动态监测。采用LOGGER 1.8.2温度自动监测仪，将温度传感器分别插入大棚内土表以下5、10、15 cm处，每隔1 d分别在上午和下午定时自动记录。

1.4 数据分析

数据处理和相关性分析采用Statistica 统计分析软件包进行。

2 结果与分析

2.1 对草莓产量及品质的影响

表2结果显示，采用地埋式秸秆生物反应堆技术，草莓产量比常规措施提高9 048 kg·hm-2，增幅达33.2%，效果明显。相比常规措施，采用地埋式秸秆生物反应堆处理的大棚于2015年1月6日开始采摘，而常规措施的大棚则于2015年1月13日开采，较之晚7 d成熟。地埋式秸秆生物反应堆技术可促进果实成熟，提早上市，还能改善草莓果实品质。可溶性总糖、VC含量和糖酸比分别较常规措施提高33.4%、24.6%和20.2%；从外观上看，草莓果实表面光泽鲜艳，着色均匀，商品性状明显改善。

表2 秸秆生物反应堆对草莓产量及品质的影响

注：同列数据后不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。

2.2 对提高土壤CO2通量的影响

试验分别于2014年11月17日、12月12日及2015年1月21日对各处理大棚内土壤CO2通量进行测定。结果表明，地埋式秸秆生物反应堆对提高大棚内土壤CO2通量有较大影响，是提高大棚中CO2浓度的根本原因。表3显示，采用地埋式秸秆生物反应堆技术，土壤CO2通量分别较常规措施提高2.44、2.12、2.05 μmol·m-2·s-1，分别是常规措施的1.8、2.5和2.6倍；测定时棚室中CO2的平均浓度也较常规措施分别提高10.5、25.5和22.7 μL·L-1，增幅2.0%～5.5%。

表3 秸秆反应堆技术对土壤CO2通量的影响

2.3 对设施土温的影响

图1显示，于2014年12月14日至2015年3月20日，隔天对各处理大棚内土表以下5、10、15 cm深处土壤温度进行定时测定，结果表明，地埋式秸秆生物反应堆处理的大棚土壤增温效果明显。采用秸秆生物反应堆技术处理距土表5 cm处的土壤温度较常规处理提高0～3.5 ℃，平均增温1.05 ℃；10 cm处增温幅度为0～4.8 ℃，平均增温1.35 ℃；15 cm处增温幅度为0～2.9 ℃，平均增温0.95 ℃。从测定结果看，秸秆生物反应堆处理对土壤的增温作用可持续3个月，其中距土表10 cm处的土壤增温效果最为显著，最大温差达4.8 ℃，各土壤层次最大增温幅度均出现在1月初至2月初，对冬季大棚作物抵御低温、促进生长发育具有重要意义。

图1 地埋式秸秆生物反应堆对不同深度土壤温度的影响

2.4 对土壤肥力的影响

表4显示，与常规措施比较，地埋式秸秆生物反应堆技术土壤肥力得到较为明显的改善，相比试验前的土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾均有不同程度提高；而常规措施的土壤与试验前比较，土壤有机质、全氮和有效磷则有所下降。其中，最大的区别是土壤有机质的变化。经过一个草莓生长季节后，采用常规措施的土壤有机质从试验前的46.6 g·kg-1降至40.1 g·kg-1，而采用秸秆生物反应堆处理的土壤有机质则从44.5 g·kg-1升至49.9 g·kg-1。由此认为，埋入土壤深层的秸秆、畜禽粪便等有机物，在经过一个作物季的生物发酵分解后，除了供给作物生长需要，其残留物对于土壤快速培肥具有重要作用。

表4 秸秆反应堆技术培肥效果

3 小结与讨论

地埋式秸秆生物反应堆技术可有效利用秸秆，本试验结果每公顷可消耗秸秆15 t，可防止因燃烧秸秆所造成的环境污染问题[6]，更重要的是解决了冬季设施栽培条件下的气温和地温偏低、CO2匮缺以及长期连作造成的土壤板结、养分不均等问题。秸秆和畜禽粪便的投入，随着分解，可为作物持续提供生长所需的养分，满足作物生长需要，同时外源有机物料矿化和分解可改善土壤通透性，有利于作物根系生长，从而达到增产效果。

地埋式秸秆生物反应堆是将秸秆、畜禽粪便等有机废弃物混合埋施在设施大棚种植行之间，在生物发酵过程中所产生的CO2可对大棚进行二氧化碳施肥，解决了大棚中二氧化碳严重亏缺问题，对提高产量和改善品质起到了至关重要的作用。同时在发酵过程中所产生热量，可提高大棚内土壤温度，有利于在冬季低温气候条件下的作物生长。

秸秆反应堆处理下，外源有机物进入土壤可以为微生物提供碳源，增强微生物活性，从而增加土壤微生物量[7]，进而促进作物秸秆等废弃物在土壤中的矿化和腐殖化，最终提高土壤有机质含量和营养元素含量，改善设施土壤局部生态环境。地埋式秸秆生物反应堆技术对土壤其他理化性状的系统影响有待进一步研究。