壟溝填埋秸稈對(duì)SSC番茄生長(zhǎng)及其微環(huán)境的影響

楊佳佳，劉義飛，劉文科,

(1. 塔里木大學(xué) 植物科學(xué)學(xué)院，南疆特色果樹(shù)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)

壟溝填埋秸稈是一項(xiàng)利用農(nóng)作物秸稈資源，促進(jìn)溫室作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量的新型農(nóng)業(yè)提質(zhì)增產(chǎn)的創(chuàng)新技術(shù)[1]。在反季節(jié)蔬菜生產(chǎn)中，由于溫室通風(fēng)量減少，冬季溫度低，光合作用消耗等原因，導(dǎo)致溫室CO2虧缺，地溫低，已成為制約蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要因素[2-3]。因此，補(bǔ)充CO2，提高溫室溫度和地溫是日光溫室冬季生產(chǎn)必要的增產(chǎn)措施。秸稈可以在微生物的作用下進(jìn)行發(fā)酵，此過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱量、CO2、礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，可以提高溫室地溫和CO2濃度，增加土壤養(yǎng)分，顯著提高養(yǎng)分利用效率[4-5]。另外，秸稈發(fā)酵還可以增加土壤有機(jī)碳，提高設(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(wèn)題[6-7]。研究表明，在日光溫室內(nèi)應(yīng)用秸稈發(fā)酵技術(shù)均能提高地溫和CO2濃度，提高草莓光合速率[8]，促進(jìn)番茄生長(zhǎng)發(fā)育[9-10]。

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，根系生理功能受許多因素的影響，溫度是影響其生長(zhǎng)的重要因素[11]，適宜的根區(qū)溫度能夠保證植物的正常生長(zhǎng)。前人研究表明，增加植株根區(qū)溫度可以促進(jìn)番茄生長(zhǎng)[12]，提高黃瓜產(chǎn)量和氮肥利用率[13]等。CO2是作物光合作用制造有機(jī)物的主要原料之一，溫室中由于光合作用消耗而使CO2嚴(yán)重虧缺，CO2不足使作物的光合速率降低，成為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的重要限制因素[14-16]。前人研究表明，增施CO2可以促進(jìn)草莓生長(zhǎng)[17]，提高櫻桃番茄品質(zhì)[18]等。因此，在設(shè)施蔬菜栽培生產(chǎn)中，提高根區(qū)溫度，補(bǔ)充CO2是一項(xiàng)必要的增產(chǎn)措施。

該試驗(yàn)以番茄為材料，使用土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培(Soil ridged substrate-embedded cultivation，SSC)[19]方法，采用壟溝填埋秸稈雞糞復(fù)合發(fā)酵物技術(shù)，通過(guò)填埋番茄秸稈和玉米秸稈與發(fā)酵雞糞的不同配比研究填埋不同配比秸稈對(duì)番茄生長(zhǎng)及溫室微環(huán)境的影響，以期為南疆設(shè)施蔬菜生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年8月-2019年4月在新疆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)地土壤有機(jī)質(zhì)9.86 g·kg-1，全氮2.85 g·kg-1，速效磷43.72 mg·kg-1，速效鉀 198.83 mg·kg-1，pH 8.5，電導(dǎo)率 0.73 mS·cm-1。試驗(yàn)地地理位置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2 900 h，屬于暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區(qū)。供試材料為從南疆周邊團(tuán)場(chǎng)收集的番茄秸稈和玉米秸稈，晾干并粉碎為 3～5 cm后按照不同質(zhì)量比混合。雞糞為在阿拉爾市周邊養(yǎng)雞場(chǎng)收集后腐熟、曬干并碾碎，與秸稈按比例混合。番茄栽培品種為‘金鵬1號(hào)’。試驗(yàn)材料的理化性狀見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置9個(gè)處理，未填埋秸稈為對(duì)照(CK)，處理1(S1)為番茄秸稈∶雞糞=5∶1，處理2(S2)為番茄秸稈∶雞糞=6∶1，處理3(S3)為番茄秸 稈∶雞糞=7∶1，處理4(S4)為番茄秸稈∶雞糞=8∶1，處理5(T1)為玉米秸稈∶雞糞=5∶1，處理6(T2)為玉米秸稈∶雞糞=6∶1，處理7(T3)為玉米秸稈∶雞糞=7∶1，處理8(T4)為玉米秸稈∶雞糞=8∶1。試驗(yàn)采用土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培，2018年8月9日起壟，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。8月10日，將粉碎的秸稈與雞糞混合均勻后填埋在2個(gè)土壟之間，秸稈用量約為4 000 kg·(667 m2)-1，雞糞用量約為570 kg·(667 m2)-1，尿素用量為10 kg·(667 m2)-1，填埋深度為20 cm，其中填埋秸稈深度為15 cm，表面覆5 cm厚的土，每隔1周澆1次水，并用鋼筋“Z”形扎洞。番茄采用穴盤(pán)育苗，8月27日三葉一心時(shí)定植，株距35 cm，行距60 cm，每個(gè)處理種植17棵，重復(fù)3次，營(yíng)養(yǎng)液配方為日本園試配方，滴灌，整枝方式為單干整枝，2019年2月1日開(kāi)始采收第1 穗果。

表1 試驗(yàn)材料的理化性狀Table 1 Physicochemical properties of experimental materials

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

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；葉綠素測(cè)量?jī)xTYS-A(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司生產(chǎn))測(cè)定葉片葉綠素SPAD值；采用烘干法測(cè)量番茄植株地上部和地下部生物量；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[22]，采用手持多路溫度測(cè)試儀AT4808(常州安柏精密儀器有限公司生產(chǎn))采集；測(cè)定CO2釋放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)科技有限公司生產(chǎn))的CO2傳感器放入，在紙箱的周?chē)儆猛撩芊猓龜?shù)據(jù)穩(wěn)定后開(kāi)始連續(xù)記錄CO2釋放量變化[23]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)番茄根區(qū)溫度的影響

壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)番茄根區(qū)溫度影響較大，由圖1和圖2可看出，10月8日3：00-10月13日3：00，不同配比的番茄秸稈和玉米秸稈的最低根區(qū)溫度均出現(xiàn)在8:30左右，最高根區(qū)溫度均出現(xiàn)在16:00左右，所有處理的根區(qū)溫度均高于CK，其中以S2、T4處理的根區(qū)溫度最高。綜合分析，壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物均能不同程度地提高番茄的根區(qū)溫度，填埋比例為番茄秸稈∶雞糞= 6∶1時(shí)表現(xiàn)最好，填埋比例為玉米秸稈∶雞糞= 8∶1次之，分別比CK最低根區(qū)溫度提高 1.93 ℃、1.63 ℃，最高根區(qū)溫度提高2.78 ℃、 1.53 ℃，說(shuō)明壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物用來(lái)提高番茄根區(qū)溫度具有可行性。

圖1 不同配比的雞糞與番茄秸稈發(fā)酵物填埋處理5 d番茄根區(qū)溫度變化Fig.1 Changes of root-zone temperature affected by tomato straw and chicken manure mixture fermentation with different ratios during 5 continuous days

圖2 不同配比的雞糞與玉米秸稈發(fā)酵物填埋處理5 d番茄根區(qū)溫度變化Fig.2 Changes of root-zone temperature affected by corn straw and chicken manure mixture fermentation with different ratios during 5 continuous days

2.2 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)CO2釋放量的影響

2.2.1 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物連續(xù)5 d的CO2釋放量變化 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)CO2釋放量影響較大，由圖3可看出，10月8日3：00-10月13日3：00，最低CO2釋放量出現(xiàn)在16：00左右，最高CO2釋放量出現(xiàn)在8：00左右，所有處理的CO2釋放量均高于CK，其中以S2處理的CO2釋放量最高。綜合分析，所有配比復(fù)合發(fā)酵物均能不同程度地提高CO2釋放量，填埋比例為番茄秸稈∶雞糞=6∶1時(shí)，CO2釋放量最高，比CK的最低釋放量和最高釋放量分別高205 mg·m-3和222 mg·m-3，說(shuō)明壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物可以明顯提高CO2釋放量。

2.2.2 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物的CO2釋放量平均值變化 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)CO2釋放量平均值的影響較大，由圖4可看出，10月8日3：00-10月13日3：00，所有處理CO2釋放量的平均值均顯著高于CK，具體表現(xiàn)為S2>T2>T4>T3>S4>S3>T1>S1>CK。綜合比較發(fā)現(xiàn)，其中填埋比例為番茄秸稈∶雞糞=6∶1時(shí)，CO2釋放量的平均值最大，比CK增加了 37.37%，說(shuō)明壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物可以顯著提高CO2釋放量的平均值。

2.3 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響

2.3.1 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)番茄株高、莖粗和葉片數(shù)的影響 壟溝填埋不同配比番茄秸稈和玉米秸稈對(duì)番茄植株的生長(zhǎng)影響差異較大(表2)，所有處理中，S2處理的番茄株高表現(xiàn)最好且顯著

圖3 不同配比的復(fù)合發(fā)酵物填埋處理5 d的CO2釋放量變化Fig.3 Changes of CO2 release affected by compound fermentation material with different ratios during 5 continuous days

圖上不同小寫(xiě)字母表示各處理差異顯著(P<0.05) Different lowercase letters were significantly different(P<0.05)

表2 不同配比的復(fù)合發(fā)酵物填埋處理番茄株高、莖粗和葉片數(shù)變化
Table 2 Changes of plant height, steam diameter and leaf number of tomatoes affected bycompound fermentation material with different ratios

處 理Treatment定植后40 d 40 days after transplantation株高/cm Plant height莖粗/mm Steam diameter葉片數(shù)LeavesCK79.11±3.48 b10.74±0.28 c11.44±0.29 bS180.56±2.01 ab11.26±0.35 abc12.44±0.34 abS290.00±1.95 a12.59±0.66 a12.33±0.32 aS379.89±2.14 ab12.07±0.53 abc12.33±0.33 abS488.56±4.3 ab12.01±0.43 abc12.22±0.28 abT182.22±3.93 ab11.63±0.29 abc12.00±0.33 abT286.89±3.39 ab12.16±0.49 ab12.00±0.24 abT384.44±4.09 ab11.96±0.33 abc12.00±0.41 abT483.11±2.14 ab11.08±0.25 bc12.67±0.29 a

注：數(shù)值表示“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”；同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：The data in the table represents “average ± standard error”; values marked with different letters in the column were significantly different (P<0.05). The same below.

高于CK，比CK增加13.77%；S2、T2處理的莖粗顯著高于CK，分別比CK增加17.23%和 13.22%；S2、T4處理的葉片數(shù)顯著高于CK，分別比CK增加7.78%和10.75%。綜合比較發(fā)現(xiàn)，S2處理的株高、莖粗、葉片數(shù)表現(xiàn)較好，說(shuō)明填埋比例為番茄秸稈∶雞糞=6∶1時(shí)，可以促進(jìn)番茄植株的生長(zhǎng)。

2.3.2 填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)番茄葉片葉綠素SPAD值的影響 填埋不同配比番茄秸稈和玉米秸稈對(duì)番茄的葉片葉綠素SPAD值影響差異較大(表3)。由表3可知，S2、T3處理葉片葉綠素SPAD值顯著高于CK，分別比CK增加 13.46%、16.32%和8.80%、14.48%，說(shuō)明填埋比例為番茄秸稈∶雞糞=6∶1和玉米秸稈∶雞糞=7∶1時(shí)，可以顯著促進(jìn)番茄葉綠素SPAD值的增加。

表3 不同配比的復(fù)合發(fā)酵物填埋處理番茄葉片葉綠素SPAD值的變化Table 3 Changes of chlorophyll SPAD value of tomatoes leaves affected by compound fermentation material with different ratios

2.3.3 壟溝填埋復(fù)合發(fā)酵物對(duì)番茄生物量的影響 壟溝填埋秸稈復(fù)合發(fā)酵物對(duì)番茄生物量具有顯著的促進(jìn)作用。由表4可知，S2、T4處理的地上部鮮質(zhì)量和地下部干質(zhì)量顯著高于CK，S2處理的地上部干質(zhì)量顯著高于CK，S2、T3處理的地下部鮮質(zhì)量顯著高于CK，其余處理高于CK，但與CK無(wú)顯著性差異。綜合分析，S2、T4處理對(duì)番茄生物量影響較大，說(shuō)明填埋比例為番茄秸稈∶雞糞=6∶1和玉米秸稈∶雞糞=8∶1時(shí)，對(duì)番茄生物量有顯著的促進(jìn)作用。

表4 不同配比的復(fù)合發(fā)酵物填埋處理番茄生物量變化Table 4 Changes of tomato biomass affected by compound fermentation material with different ratios

3 結(jié)論與討論

在南疆冬季日光溫室蔬菜生產(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[20-21]。因此，本研究對(duì)壟溝填埋不同配比番茄秸稈和玉米秸稈對(duì)根區(qū)溫度、CO2釋放量及番茄生長(zhǎng)的影響作了研究討論，試驗(yàn)結(jié)果顯示，S2、T4處理的根區(qū)溫度表現(xiàn)最好，分別較CK的最低溫度和最高溫度提高了1.93 ℃、1.63 ℃和 2.78 ℃、1.53 ℃；S2處理的平均CO2釋放量高于其他處理，比CK提高了37.37%；S2處理并能促進(jìn)番茄的生長(zhǎng)，主要表現(xiàn)在提高了番茄的株高、莖粗、葉片數(shù)、葉片葉綠素SPAD值和番茄生 物量。

目前，尚未有人對(duì)番茄秸稈和玉米秸稈與雞糞的不同配比進(jìn)行比較分析，王昊等[22]將玉米秸稈與水稻秸稈進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)使用玉米秸稈效果更佳。胡曉婷[23]將番茄秸稈進(jìn)行堆肥處理，發(fā)現(xiàn)番茄廢棄物中含有較高的養(yǎng)分和水分，其中有機(jī)質(zhì)占70%～95%，取得了較好的效果。筆者推測(cè)，番茄秸稈效果較好的原因可能是番茄秸稈發(fā)酵時(shí)溫度較其他秸稈發(fā)酵溫度高，并且含有較高的養(yǎng)分和水分，因?yàn)樵诮斩挵l(fā)酵過(guò)程中溫度和水分是重要的影響因素[24]。因此，在冬季日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，根據(jù)需求目標(biāo)，可以有針對(duì)性地選擇壟溝填埋配比，以提高根區(qū)溫度為目的時(shí)，番茄秸稈∶雞糞=6∶1和玉米秸稈∶雞糞=8∶1時(shí)效果最好；以產(chǎn)生CO2和促進(jìn)植株生長(zhǎng)為目的時(shí)，番茄秸稈∶雞糞=6∶1時(shí)效果最好。如前所述，壟溝填埋秸稈，可以有效解決日光溫室內(nèi)CO2虧缺及地溫低等問(wèn)題，并且秸稈與動(dòng)物糞便發(fā)酵還可以提高土壤肥力[25]，改善土壤理化性質(zhì)[26]，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。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(wèn)題，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)[27]。