垄沟填埋秸秆发酵物对SSC番茄根区温度、CO2释放及番茄生长的影响

杨佳佳,刘义飞*,刘文科,2*

(1.塔里木大学植物科学学院, 南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室,新疆 阿拉尔 843300; 2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室, 北京 100081)

我国作为一个农业大国，拥有极其广阔的农作物种植面积，每年产生各类农作物秸秆约7亿t，位居世界前列[1]，农作物秸秆含有丰富的大量元素和微量元素，是一项重要的生物质资源[2]。据调查显示，秸秆燃烧值约为标准煤的50%，并且1 t普通秸秆的营养价值平均与0.25 t粮食的营养价值相当[3]。秸秆发酵过程会产生CO2、热量、抗病孢子、酶、无机和有机养料，能有效的提高地温和CO2浓度，改善土壤环境，从而加快植株的生长发育，提高作物品质[4-5]。另外，秸秆发酵还田后，可以提高土壤有机碳，增加设施土壤可持续生产力，减少秸秆导致的环境污染问题[6]。截止目前为止，我国秸秆的主要利用方式有秸秆直接还田、生活燃料、生产食用菌、生产肥料、动物饲料等几种方式[7]。因此，开发利用丰富多样的秸秆资源，迫在眉睫。

目前北方冬季日光温室蔬菜生产中存在着地温低、CO2亏缺等问题。冬季日光温室主要依靠储蓄太阳能来提高室内气温和根区温度，晴天室内气温可以迅速提高，但根区温度相对于气温而言，升高却相对缓慢[8]。且有关研究表明，相对于气温，植物对根区温度更为敏感，前人已将根区温度对黄瓜[9]、辣椒[10]、甜瓜[11]、番茄[12]的生长和生理特性的影响进行了一些研究，表明在根区温度和气温都不是限制因素的条件下，根区温度对植物的影响更大。因此，提高根区温度比提高室温更为重要。CO2是蔬菜光合作用的主要原料，直接影响蔬菜的生长发育，合理增施CO2气肥，可以促进蔬菜的光合作用、产量、品质和抗病性等，所以进行CO2施肥已成为设施蔬菜生产中的重要措施之一[13]。关于增施CO2气肥，前人已对黄瓜[14]、大豆[15]、草莓[16]的生长和生理过程做了研究，表明冬季日光温室增施CO2气肥的重要性。自2008年引进秸秆生物反应堆技术以来，目前人们将秸秆在温室中利用最多的方式是秸秆生物反应堆，用来解决日光温室内冬季地温偏低和CO2浓度不足的问题，在辣椒和番茄上已有较为明显的作用[17-18]。

南疆设施农业多位于塔里木盆地边缘，光热资源丰富，适宜发展设施蔬菜生产，使得设施蔬菜产业规模逐年递增，已成为南疆兵团支柱性产业。但是又因南疆砂土具有持水保肥能力差、温热缓冲性能弱等缺点，为了提高水肥资源的利用效率，削减冬春季低温危害等制约因素，使得南疆设施蔬菜生产必须采纳高效、环保的栽培技术，否则很难实现高效生产和可持续发展。因此，本试验采用的栽培方法是土垄内嵌式基质栽培(soil ridged substrate-embedded cultivation，SSC)，该方法具有高产、节水节肥、环保等优势，并且可提高根区温热缓冲能力[19]。

针对南疆冬春季设施内低温胁迫频发和CO2气肥亏缺的问题，基于SSC可提高根区温热缓冲能力的优势，本研究在SSC垄沟填埋不同种类秸秆，探究秸秆发酵对棚室内CO2释放量、根区温度及番茄生长的影响，通过测定根区温度、棚室内CO2释放量及番茄的生长指标，来确定最适宜SSC垄沟填埋的秸秆种类，进而对SSC秸秆填埋技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试秸秆为从南疆周边团场收集的水稻秸秆、玉米秸秆、番茄秸秆和豇豆秸秆，晾干并粉碎为3～5 cm大小颗粒。鸡粪为在阿拉尔市周边养鸡场收集,腐熟、晒干并碾碎后，与秸秆按比例混合。供试番茄品种为‘金鹏1号’。

1.2 试验方法

1.2.1试验地点 该试验于2018年9月—2019年1月，在新疆自治区阿拉尔市塔里木大学园艺实验站的日光温室内进行，试验日光温室长21 m，跨度8 m，脊高3.6 m。试验地的经纬度为80°30′—81°58′ E，40°22′—40°57 ′N，平均海拔1 100 m，全年无霜期为220 d，年平均气温为10.7 ℃，有效积温为4 113 ℃，年均降水量为40.1～82.5 mm，年均蒸发量为1 876.6～2 558.9 mm，年日照时数为2 900 h，属于暖温带大陆干旱荒漠气候区。

1.2.2试验设计 该试验设置5个处理，分别为水稻秸秆∶鸡粪=7∶1(T1)、玉米秸秆∶鸡粪=7∶1(T2)、番茄秸秆∶鸡粪=7∶1(T3)、豇豆秸秆∶鸡粪=7∶1(T4)和未填埋秸秆(CK)。每个处理设置3次重复，随机排列，栽培过程中水肥管理一致。试验采用土垄内嵌式基质栽培，土垄上底宽22 cm、下底宽42 cm、高15 cm、长600 cm，垄与垄之间的距离为60 cm；栽培袋的规格为长300 cm，宽12 cm，高16 cm。秸秆用量约为59 970 kg·hm-2，鸡粪用量约为8 545 kg·hm-2，尿素用量为150 kg·hm-2，将混合均匀的秸秆发酵物填埋在两个土垄之间，填埋长度为600 cm、宽度为60 cm、深度为20 cm，其中填埋秸秆深度为15 cm，表面覆土厚度为5 cm。番茄采用穴盘育苗，三叶一心时定植，番茄株距35 cm，行距60 cm，每个处理种植17棵。

1.3 测定指标

采用卷尺测量地面到植株生长点的株高；游标卡尺测量植株主茎离根部5 cm处的茎粗；叶片数为从子叶以上第1片叶算起至顶部纵径大于5 cm的叶片为止；TYS-A叶绿素测量仪(浙江托普云农科技股份有限公司)测定叶片叶绿素SPAD值；根区温度的测定点为栽培垄中心轴线位置和中心轴线到垄下底边直线距离的中心处，埋深为7.5 cm[20]，采用AT4808手持多路温度测试仪(常州安柏精密仪器有限公司)采集；测定CO2含量是先在垄沟填埋秸秆处用钢筋扎洞，用密封的纸箱罩住秸秆填埋处，再将设施农业环境数据远程采集系统(新疆大漠华维农业科技有限公司)的CO2传感器放入，在纸箱的周围再用土壤封一圈，等数据稳定后开始连续记录CO2含量变化[21]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05对数据进行统计分析并作图。

2 结果与分析

2.1 填埋不同种类秸秆对根区温度的影响

10月2日08：00—10月7日08：00，从不同处理的根区温度连续监测结果(图1A)可以看出，所有处理根区温度变化趋势基本相似，均呈现明显的多峰曲线变化，最低温度出现在早上08：00左右，最高温度出现在下午16：00左右，所有处理的根区温度均高于CK，其中以处理T3的根区温度最高，最低温度为19.69 ℃，最高温度为26.96 ℃，比CK的最低温度和最高温度分别高了2.42和2.03 ℃。

对不同处理10月2日08：00—10月7日08：00的每天的最低根区温度和最高根区温度进行均值计算，结果(图1B)显示，处理CK、T1、T2、T3、T4的最低根区温度依次为17.26、18.78、18.67、19.68和19.05 ℃，最高根区温度依次为24.93、26.55、25.92、26.96和25.28 ℃，处理T3的最低根区温度和最高根区温度均显著高于其他处理，最低根区温度和最高根区温度具体表现为T3>T4>T1>T2>CK和T3>T1>T2>T4>CK。综合比较发现，处理T3的最低根区温度和最高根区温度最高，分别比CK增加了14.02%和8.14%。

对10月2日08：00—10月7日08：00的5个昼(08：00—20：00)夜(21：00—07：00)温度进行平均值计算，结果(图1C)显示，处理CK、T1、T2、T3、T4的白天温度的平均值依次为21.56、22.85、22.57、23.67和22.49 ℃，夜间温度的平均值依次为20.5、21.72、22.49、22.83和22.06 ℃，所有处理的白天根区温度和夜间根区温度均显著高于CK，且处理T3的白天根区温度和夜间根区温度显著高于其他处理，白天根区温度和夜间根区温度具体表现为T3>T1>T2>T4>CK和T3>T2>T4>T1>CK。综合比较发现，处理T3白天根区温度和夜间根区温度最高，比CK增加了9.79%和11.37%。

2.2 填埋不同种类秸秆对CO2释放量的影响

10月2日03：00—10月7日03：00，从不同处理的CO2释放量结果(图2A)可以看出，所有处理CO2释放量的趋势基本相似，均呈明显的多峰曲线变化，最低CO2释放量出现在下午16：00左右，最高CO2释放量出现在早上08：00左右，所有处理的CO2释放量均高于CK，其中以处理T3的CO2释放量最高，最低释放量为668 mg·m-3，最高释放量为945 mg·m-3，比CK的最低释放量和最高释放量分别高276 mg·m-3和387 mg·m-3。

对不同处理10月2日08：00—10月7日08：00的每天的CO2释放量进行均值计算，结果(图2B)显示，处理CK、T1、T2、T3、T4的CO2释放量平均分别为804、988、1 041、1 158、930 mg·m-3，由图2B可看出，所有处理的CO2释放量的平均值均显著高于CK，且处理T3的CO2释放量的平均值显著高于其他处理，具体表现为T3>T2>T1>T4>CK。综合比较发现，处理T3释放的CO2量最高，比CK增加了44.03%。

A：连续监测的CO2释放量；B：CO2释放量的平均值。同一处理不同小写字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。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.图2 填埋不同种类秸秆5 d的CO2释放量变化Fig.2 Variations of CO2 release amount in root zone in different straw type treatments for 5 d

2.3 填埋不同种类秸秆对番茄生长的影响

不同种类秸秆处理的番茄生长指标结果(图3)显示，9月18日，处理T1、T3的株高显著高于CK，处理T2、T4的株高高于CK，但与CK无显著性差异；9月28日—10月18日，处理T3的株高显著高于CK，处理T1、T2、T4高于CK，但与CK无显著性差异；10月28日，处理T2、T3的株高显著高于CK，处理T1、T4高于CK，但无显著性差异。综合比较发现，处理T3的番茄株高表现最好，5个检测日期分别比CK增加了15.24%、15.12%、19.12%、14.77%、15.12%。

注：同一时期不同小写字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different small letters of the same date or stage indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图3 填埋不同种类秸秆对番茄生长指标的影响Fig.3 Effects of different straw type treatments on the growth indexes of tomato

9月28日—10月18日，处理T1、T3的番茄茎粗显著高于CK，处理T2、T4高于CK，但与CK无显著性差异。10月28日，处理T1、T2、T3的番茄茎粗显著高于CK，处理T4高于CK，但与CK无显著性差异。综合比较发现，处理T3的番茄茎粗表现最好，5个检测日期分别比CK增加22.40%、23.59%、25.0%、23.12%、24.01%。

9月18日，处理T1、T3的番茄植株叶片数显著高于CK，处理T2、T4高于CK，但与CK无显著性差异；9月28日—10月28日，处理T3的番茄植株叶片数显著高于CK，处理T1、T2、T4高于CK，但与CK无显著性差异。各处理组的番茄植株叶片数变化存在差异，与CK相比，处理T3最为明显，5个检测日期分别比CK增加了18.84%、15.29%、8.41%、10.74%、5.84%。

定植后，各处理间的叶片SPAD值无显著性差异；开花期，处理T1、T3的叶片SPAD值显著高于CK，处理T2高于CK，但与CK无显著性差异；幼果期，各处理的叶片SPAD值均显著高于CK。综合比较发现，处理T3的叶片叶绿素SPAD值最高，分别比CK增加了13.12%、11.80%。

3 讨论

在日光温室蔬菜生产中，根区温度低、CO2亏缺是限制蔬菜生产的主要因素。秸秆可以在土壤微生物的作用下发酵，产生大量热量和释放CO2，提高温室温度和增加CO2含量[22]。本研究对不同处理的根区温度进行分析发现，番茄秸秆处理的根区温度显著高于对照，且优于其他处理，说明番茄秸秆填埋可以有效提高地温，解决日光温室冬季低温的问题，这与王昊等[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释放量对植物的生长与发育有着重要的影响。本研究发现,番茄秸秆处理的CO2释放量显著高于对照，且优于其他处理，说明番茄秸秆处理可以有效改善日光温室冬季CO2亏缺的问题，这与冯连杰[25]和解影等[26]等取得的效果一致。植物的株高、茎粗和叶片数是反映植株长势的重要指标，尤其是茎粗在一定程度上反映植株的健壮程度[27]。植物的叶片叶绿素SPAD值不仅与光合作用有关，也影响着蔬菜的外观品质[28]。本研究对不同处理的番茄生长指标进行分析，发现番茄秸秆处理的株高、茎粗、叶片数和叶片叶绿素SPAD值显著高于对照，且优于其他处理，说明处理T3可以促进植株生长与发育，这与武春成等[29]和杨冬艳等[30]的研究一致。

综上所述，在日光温室内垄沟填埋秸秆后，可以增加棚室内CO2释放量，提高根区温度，促进植株生长，并且填埋秸秆与动物粪便发酵还可以作为有机肥，可以改善土壤的理化特性，增加土壤速效养分的含量[31]，从而促进蔬菜生长发育。水稻秸秆、玉米秸秆、番茄秸秆和豇豆秸秆处理中，番茄秸秆填埋效果最好。胡晓婷[32]也认为番茄废弃物中含有较高的养分和水分，其中有机质含量为70%～95%，推测相较水稻秸秆、玉米秸秆和豇豆秸秆，番茄秸秆发酵时温度较其他秸秆发酵温度更高，并且含有较高的养分和水分[33]。因此综合考虑，在日光温室蔬菜生产中，使用以番茄秸秆为主的垄沟填埋物料方式具有更好的应用前景。秸秆的循环利用不仅可以有效降低生产和肥料成本，还有效解决了农业废弃物处理问题，既环保又经济[34]，但目前垄沟填埋秸秆发酵的研究还较少。本研究表明,在垄沟内填埋秸秆废弃物经过发酵后种植番茄具有可行性，且对番茄生长发育具有促进作用，为秸秆的循环利用提供了理论和实践依据。