秸秆生物反应堆对设施土壤环境特性的影响

2017-05-30杨文雅黄群张燕��

安徽农业科学 2017年32期

杨文雅黄群张燕 ��

摘要[目的]研究秸稈生物反应堆、秸秆生物反应堆与牛粪配套措施对土壤理化性质、微生物量、酶活性及作物產量的影响。[方法]试验以常规栽培为对照（CK），研究秸秆生物反应堆（BSBR）、秸秆生物反应堆+牛粪（BSBR+CM）对土壤理化性质和微生物的影响。[结果]与 CK 相比，秸秆生物反应堆能显著提高土壤含水率，有效降低土壤碱性和EC值，显著增加土壤有效氮、有效磷、有效钾含量，为微生物活动提供充足的氮源，促进微生物碳氮增加以及蔗糖酶与脲酶的活性，显著增加番茄产量，配施牛粪效果更明显;BSBR+CM处理显著提升了土壤有机质含量。[结论]综合考虑认为，内置式秸秆生物反应堆配施牛粪，可以调整合理的碳氮比，对温室土壤连作以及盐渍化具有一定的修复作用，起到增产的效果，是一种较为合理的农艺措施，建议推广应用。

关键词秸秆生物反应堆;牛粪;番茄;养分;酶活性;微生物

中图分类号S157文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）32-0111-04

Effects of Straw Biological Reactor on Facilities Soil Environmental Characteristics

YANG Wenya1，HUANG Qun1，ZHANG Yan2*（1.Yinchuan Energy Institute，Yinchuan，Ningxia 750100;2 Ningxia Wanhui Bioenvironmental Protection Technology Co.，Ltd.，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract[Objective]The aim was to study the effect of straw bioreactor and the supporting facilities of straw bioreactor and cow manure to the soil chemical properties，microbial biomass，enzyme activity and crop yield.[Method] Using conventional cultivation as control （CK），the influence of straw bioreactor （BSBR） and straw bioreactor+cow manure （BSBR+CM） on soil physicochemical properties and soil microorganism was analyzed .[Result]Compared with CK，straw bioreactor can significantly increase soil water content，effectively reduce the value of EC and soil alkaline，significantly increase soil available nitrogen，available phosphorus and available potassium content，it can supply adequate nitrogen source for microbial activity，promote microbial carbon and nitrogen to increase and raise invertase and urease activity，increase tomato yield significantly.Effect of straw bioreactor added cow manure was more obvious; BSBR+CM treatment significantly increased the content of soil organic matter.[Conclusion] Considering that，the builtin straw bioreactor combined with cow manure can adjust reasonably carbon and nitrogen，it also has the function of repairing to continuous cropping on greenhouse soil salinization，increase production，it is a reasonable agronomic measure ，and suggest to be popularized and applied.

Key wordsStraw bioreactor;Cow manure;Tomato;Nutrient;Enzyme activity;Microorganism

随着设施蔬菜生产的区域化、规模化、专业化和大生产方向的发展[1]，设施栽培成为现代农业建设的一大亮点。然而设施蔬菜栽培中为了追求高效益，盲目施用过量化肥和农药、栽培品种单一且存在多年连作等现象，直接导致土壤质量下降，蔬菜品质、产量及抗性也随之下降，并严重威胁生态环境、制约设施蔬菜产业可持续发展。因此，如何有效改善温室土壤环境，提高土壤质量，对于设施蔬菜可持续生产具有重要意义。前人一直注重栽培制度研究，而近年来开展了利用农艺措施改良土壤微生物的研究[2]。张雪艳等[3]研究表明，利用秸秆反应堆有利于促进土壤有机碳和酶活性的增加，从而改善土壤微生物。孙婧等[4]连续4年研究番茄越冬茬种植，结果表明应用秸秆生物反应堆 60 t/hm2配套微生物菌肥60 t/hm2，可提高土壤的蓄水能力，缓冲土壤酸碱变化和次生盐渍化，增加无机养分，提升有机质及微生物碳氮含量，促进微生物对氨基酸、羧酸类、酚酸类和胺类物质的利用。因此，施用秸秆生物反应堆成为设施温室增产的主要农艺措施。

应用秸秆生物反应堆技术可以有效提高设施温室的低温以及增加CO2浓度，有效克服土传病害、连作障碍等因素，从而达到增产的目的。卞中华等[5]研究指出，利用外置式秸秆反应堆可有效改善越冬茬番茄栽培过程中CO2的亏缺，增加番茄的净光合速率和水分利用率，最终提高产量和经济效益。该研究在前人的基础上，分析内置式秸秆生物反应堆配套有机物料（牛粪）对土壤质量评价指标的影响。为此，以设施番茄（Lycopersicon esculentum）为材料，探索秸秆生物反应堆、秸秆生物反应堆+牛粪措施对土壤理化性质和微生物及作物产量的影响，旨在为设施番茄生产应用秸秆生物反应堆+牛粪技术提供支持和理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地设在银川市西夏区镇北堡镇蔬菜生产基地、种植年限4年的日光温室中，镇北堡镇地处38°37′N、106°03′E，气候干燥，日照充足，光热资源丰富，日照时数为3 039.6 h，无霜期为129 d，年降雨量为99.7～233.1 mm，而年蒸发量高达1 583.2 mm，属典型中温带干旱气候[6]。

供试土壤为粉砂壤土，土壤pH为8.21， EC为0.25 mS/cm，有机质5.02 g/kg，全氮0.34 g/kg，全磷0.46 g/kg，全钾0.58 g/kg，有效氮12.58 mg/kg，有效磷19.82 mg/kg，有效钾156.2 mg/kg。

1.2试验材料

供试番茄为抗TY病毒品种“粉宴1号”。内置式秸秆生物反应堆有机物料发酵EM菌种（好氧性的多个菌种复合培养而成，对有机废物中的纤维素、半纤维素、木质素等有机成分有很强的分解能力，是秸秆生物发酵沟技术所必需的高效优质菌种，有效活菌数为2.0×108 个/g），由北京京圃园生物工程有限公司提供。

1.3试验设计

供试温室长88.0 m、宽7.6 m，没有加温和补光设備。该温室主栽作物为番茄。试验于2016年10月至2017年5月进行，共设3 个处理：①常规栽培（CK）;②BSBR[内置式秸秆生物反应堆（Built-in Straw Biological-Reactor，缩写为BSBR）+发酵菌剂（Fermentation Strains）];③BSBR+CM，内置式秸秆生物反应堆（BSBR）+牛粪（Cattle Manure，缩写为CM）+发酵菌剂。试验为完全随机区组设计，每个处理3个小区，小区长 7.2 m、宽7.0 m，每小区种植4畦，采用宽窄行方式栽培，大行距为68 cm，小行距60 cm，株距40 cm，每畦共种植36棵番茄苗。采用覆膜滴灌，各处理管理一致。于定植前20 d在20～40 cm土层进行内置式秸秆生物反应堆的制作。

内置式秸秆生物反应堆的制作如图 1 所示：在种植畦下挖宽度为80 cm、深度为20 cm南北走向的沟，向沟中填充秸秆生物反应堆原料，BSBR+CM处理由2层秸秆和2层腐熟

的牛粪构成，每层秸秆的施用量为30 t/hm2，2层牛粪的施用量分别为7 500 kg/hm2，发酵菌剂为150 kg/hm2，在沟两端露出 10 cm 的秸秆，覆土做畦，并在栽培畦上打深度为40 cm的孔通气。秸秆和牛粪基础性状见表1。

1.4土样采集与分析

1.4.1土壤样品采集。

土壤样品分别在营养生长期、结果初期、结果盛期和结果末期由土钻采集自植物根围（距离植株茎2 cm左右），于每个小区中间行（最外的2行植株不采样）选取不同部位5个采样点，采集后将样品混合为1个重复的总样。将土壤样品过2 mm筛并混匀，然后将样品分成3份：一份风干后测定有机质、pH、EC、速效磷、速效钾;一份保存在-20 °C冰箱测定土壤微生物数量（N）、生物量碳（C）以及土壤酶活性。

1.4.2土壤指标的测定。

参考鲍士旦[7]的方法测定土壤理化性质，参考关松萌[8]的方法测定土壤酶，参考吴金水等[9]的方法测定土壤微生物量碳和氮。

1.4.3番茄产量的测定。分小区统计番茄产量，并记录番茄果实的商品率。

1.5数据处理采用Excel制图，SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，选用 LSD 法在 P<0.05 水平上進行显著性分析。

2结果与分析

2.1不同处理对土壤含水率的影响

从图2可知，与对照（CK）相比，秸秆生物反应堆处理（BSBR）土壤含水率在营养生长期、结果末期无显著差异，在结果初期、盛期显著高于CK，较CK增加14.95%～17.07%;与CK 相比，秸秆生物反应堆和牛粪配套处理（BSBR+CM）土壤含水率在营养生长期差异不显著，在结果初期、盛期和末期显著高于CK，较CK增加17.62%～24.07%。且在全生育期BSBR处理与BSBR+CM处理土壤含水率无显著差异，结果表明，BSBR+CM处理能有效保持土壤水分。

2.2不同处理对土壤养分的影响

对结果盛期土壤养分进行测定。从表2可知，与CK相比，处理间pH无显著差异，pH在8.00以上，偏碱性，而番茄适宜pH在6.00～7.00[10] ，微酸性或中性土壤，这主要与土壤类型和环境有关;EC值反映土壤中盐分浓度，与CK相比，BSBR、BSBR+CM处理EC值显著降低，较CK降低了15.15%～24.24%，即秸秆生物反应堆处理有效减少盐分的积累与运移，维持合理的盐分浓度。

有机质含量虽只占1%～3%，但反映了土壤肥力的高低以及作为微生物重要的氮源与碳源。由表 2可知，与CK相比，BSBR+CM处理土壤有机质含量差异显著，较CK增加了22.59%;BSBR处理差异不显著，单施秸秆对土壤有机质含量没有明显的影响，秸秆配施牛粪处理能够显著增加土壤有机质含量。

氮、磷、钾为养分供给主要元素，也是土壤中最为活跃的营养元素，直接限制着作物产量的高低。其中有效磷含量反映了土壤中磷素的供应能力，作为磷素养分供应水平的指标，同时能促进果实发育[11]。由表 2 可知，秸秆生物反应堆能显著增加土壤有效磷含量，较CK增加了16.37%～27.49%，并处于中等水平[12]，适宜作物生长，其中BSBR+CM处理有效磷与BSBR处理差异显著，说明秸秆生物反应堆能提高土壤中有效磷含量，并维持在相对适宜的水平;速效钾作为土壤供钾的丰缺指标，同时促进果实形成及糖的合成[11]，与CK相比，秸秆生物反应堆处理有效钾含量差异显著，较CK增加了32.19%～39.34%，因秸秆中钾素含量高，所以土壤中有效钾含量增加较多;有效氮作为土壤供氮能力的评估指标，同时促进果实中蛋白质的合成，与CK相比，BSBR+CM处理与BSBR处理有效氮含量均差异显著，较CK分别增加了64.71%、24.51%，表明增加牛粪对于氮素的提高效果显著。

2.3不同处理对土壤微生物碳氮的影响

土壤微生物量既是土壤有机质及土壤养分转化和循环的动力，也是土壤“活性养分库”[13]，以无机养分的形式释放并供植物吸收利用。土壤微生物量碳变化反映了微生物利用土壤碳源进行自身细胞建成而大量繁殖和微生物细胞解体使有机碳矿化的过程[14]。由图3可知，各处理土壤微生物碳随生育期进程先增加后减少，在结果盛期达到最大值，土壤微生物量氮与土壤微生物碳稍有差异，在营养生长期和结果初期含量较高，在结果盛期至结果末期含量下降，在结果初期达到最大值。与CK相比，全生育期，各处理土壤微生物量碳和氮含量差异均显著， BSBR+CM处理与BSBR处理土壤微生物量碳和氮含量差异也达到显著性;在结果盛期，较CK秸秆生物反应堆处理增产土壤微生物量碳35.38%～46.67%，在结果初期，较CK秸秆生物反应堆处理增产土壤微生物量氮33.71%～54.79%，说明秸秆生物反应堆处理能有效提高番茄土壤微生物量，主要由于秸秆在腐解过程中有大量微生物参与，并具有较高的活性[15]，同时也为微生物的生长繁殖提供了大量营养物质，促进微生物的生长繁殖[4]，因此秸秆生物反应堆对土壤微生物量的提高效果显著。

2.4不同处理对土壤脲酶和蔗糖酶的影响

土壤酶是土壤生物化学过程的主要参与者。其中，脲酶促进尿素转化为氨供植物吸收利用，蔗糖酶促进蔗糖转化与分解，反映了土壤有机碳积累与分解转化的规律。由图4可知，蔗糖酶的变化规律与微生物量碳相似，脲酶变化趋势与微生物量氮相似。与CK相比，营养生长期，各处理蔗糖酶活性差异不显著，BSBR+CM处理、BSBR处理在结果初期、盛期和末期蔗糖酶活性与CK差异显著，并在结果盛期达到最大值，较CK蔗糖酶活性分别增加36.33%、18.87%;与CK相比，在营养生长期、结果末期，各处理间脲酶活性差異不显著，在结果初期、盛期，秸秆生物反应堆处理脲酶活性与CK差异显著，并在结果初期达到最大值，较CK增加33.01%～33.20%，其中BSBR+CM处理脲酶活性在结果盛期与BSBR处理差异也达到显著性。说明秸秆生物反应堆处理措施能有效提高土壤酶活性，利于土壤中氮素和碳素的转化利用。

2.5不同处理对番茄产量的影响

由表3可知，与CK相比， BSBR+CM处理与BSBR处理产量差异不显著，显著高于CK，较CK分别增加了16.40%、11.50%，结果表明秸秆生物反应堆处理能显著提高番茄果实产量，配施牛粪增产效果更显著。

3结论与讨论

3.1不同处理对土壤含水率的影响

土壤含水率主要与土壤特征有关，包括孔隙度、容重、渗透性能等。试验结果表明，内置式秸秆生物反应堆（BSBR处理、BSBR+CM处理）在番茄全生育期内能显著提高土壤含水率，主要原因是秸秆在腐解后，参与土壤结构的形成和改良，使得土壤疏松，有良好的团粒结构，并且土壤孔隙度增大，容重降低，防止土壤板结，减少土壤表层水分蒸发，提高土壤保水及蓄水能力。

3.2不同处理对土壤养分的影响

应用秸秆生物反应堆能够显著提高土壤pH，有效降低土壤电导率（EC值），表明向土壤中添加作物残体降低土壤的碱性，配施动物粪便效果更显著，由于动物粪便中含有一些盐分粒子，但与秸秆混施，碳氮比合理，EC值较CK还是显著降低。秸秆生物反应堆能显著增加土壤有机质含量，通过向土壤中提供外源有机残体，激发纤维素物质，促进微生物的代谢以及对碳水化合物及氨基酸的利用[16]，释放土壤固持的有效养分，加速秸秆及牛粪中养分矿化过程，使得土壤有效氮、磷、钾增加，钾素养分的循环利用，同时微生物的活动加速土壤腐殖质的分解，土壤有機质显著提升。

3.3不同处理对微生物量及酶活性的影响

土壤微生物量是土壤养分转化和循环的主要动力[17]。该研究结果表明，应用秸秆生物反应堆能够显著提高土壤微生物碳氮含量，加速有机质形成。由于向土壤中添加外源有机残体同时也引入了大量微生物，当环境条件适宜，激发大量微生物活性，促进秸秆及牛粪腐解，同时有机物料腐解过程也为微生物的活动提供了大量的碳源和氮源作为代谢底物，进一步刺激了微生物的生长繁殖[4]，促使其将有机底物同化为自身物质，提高微生物碳氮含量。

土壤脲酶、蔗糖酶主要参与有机化合物的积累与转化[3]，丰富土壤中可溶性营养物质，促进植物的吸收利用。脲酶是转化土壤中氮的关键酶，而蔗糖酶促进碳源的循环利用。该研究结果表明，应用秸秆生物反应堆能够显著提高土壤脲酶及蔗糖酶的活性，促进土壤中碳、氮的转化，脲酶与生物量氮呈极显著正相关（r=0.89**，P<0.01），蔗糖酶与生物量碳也呈极显著正相关（r=0.90**，P<0.01），说明土壤酶活性与微生物量相辅相成，相互影响。

参考文献

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张宁.蚯蚓堆肥对西瓜和番茄生长、品质及产量的影响[D].泰安：山东农业大学，2012.

[2] 刘娟，田永强，高丽红.夏季填闲作物及秸秆还田对日光温室黄瓜连作土壤养分和微生物的影响[J].中国蔬菜，2011（8）：12-16.

[3] 张雪艳，田蕾，王冠，等.秸秆反应堆与生物菌剂对番茄土壤碳氮比与酶活性的影响[J].北方园艺，2015（4）：165-169.

[4] 孙婧，田永强，高丽红，等.秸秆生物反应堆与菌肥对温室番茄土壤微环境的影响[J].农业工程学报，2014，30（6）：153-164.

[5] 卞中华，王玉，胡晓辉，等.外置式秸秆反应堆对日光温室内部环境及番茄光合特性的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2012，40（2）：136-142.

[6] 《银川市西夏区志》编纂委员会.银川市西夏区志[M].宁夏：宁夏人民出版社，2010.

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[8] 关松萌.土壤酶及其研究法[M].北京：农业出版社，1986.

[9] 吴金水，林启美，黄巧云，等.土壤微生物生物量测定方法及其应用[M].北京：气象出版社，2006.

[10] 程智慧.蔬菜栽培学各论[M].北京：科学出版社，2010.