不同秸秆生物反应堆对冬季日光温室番茄生长发育的影响
2018-05-03张战胜迟海峰马文礼谢静波
王 昊，韦 峰，张战胜，迟海峰，马文礼,谢静波
(宁夏农垦农林牧技术推广服务中心,宁夏 银川 750001)
根据经济产量和作物秸秆系数推算，我国每年产生的作物秸秆量为7亿～8亿t，年均增长为2.38%[1]。目前，作物秸秆已有部分被用于发电和提炼秸秆燃料等用途，但仍有50%左右的秸秆无法利用[2]。大多数选择焚烧处理，既污染环境，又容易引起火灾。秸秆还田是当今世界上普遍重视的一项培肥地力的增产措施，既杜绝了大气污染，又有增肥增产作用,作物秸秆的残体能为土壤提供可速效利用的碳和氮，且提供其他养分，提高土壤肥力[3]。有研究者将作物秸秆利用到设施蔬菜的生产中，发明了秸秆生物反应堆技术。
中国是世界上番茄栽培面积最大、生产总量最多的国家。确保设施番茄稳产增产是当前主要的研究目的。番茄根系生长适宜的地温为18～20℃，最低为13℃。土壤温度低于一定值时，直接影响番茄的光合效率和生长发育，低于8.2℃的夜温处理会降低番茄的根系活力，会抑制植株对矿质元素的吸收和运输[4-5]。冬季低温是北方设施番茄主要面临的问题之一，根据调查发现，日光温室在冬季-20℃以下的外界温度下,宁夏境内的吴忠、贺兰、彭阳、中卫设施内温度都在0℃左右,最冷月份1月夜间平均温度都在3.7～13.3℃左右，红寺堡温室内则出现了短期的0℃以下低温[6]，很难保证日光温室的正常生产，甚至产生危害。而通过采用秸秆反应堆技术对设施番茄的生产有积极的影响，可以有效提高地温，并且随着根区温度的增加，番茄的株高、茎粗、叶片数、叶面积、叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、产量均增加[7]。针对设施番茄，有学者对秸秆反应堆的原料选择、秸秆腐熟剂、果实品质和设施内环境等方面进行了研究[8-12]，但结论不一。针对设施内的土壤状况、不同土层温度变化规律等方面的研究仍有不足，秸秆反应堆对冬春茬番茄增产的原理尚不清楚。本文通过探究设施冬春茬番茄在不同秸秆反应堆下的生长情况，及填埋秸秆后不同天气、不同土层温度昼夜变化规律，以期得到秸秆生物反应堆技术对番茄增产的理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
2016年11月30日选取‘粉宴1号’番茄苗(苗龄30 d)为试材，定植于宁夏农垦平吉堡奶牛场农7队日光温室(温室内可种植土地长82 m，宽7 m)，土壤质地为壤土。试验采用内置式秸秆反应堆，反应堆原料选取当年作物收获后粉碎的玉米秸秆和水稻秸秆，使用量为52 500 kg/hm2。腐熟剂选用秸秆腐熟剂，含有嗜热侧孢霉、芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌，且菌数≥5 000万/g。试验种植模式为起垄覆膜滴灌种植，在试验日光温室内每27.3 m为一段，分为前段、中段和后段。各段设计定植垄21垄，垄间距130 cm，垄面宽80 cm(垄面下填充秸秆反应堆)，垄上采用双行定植，株距40 cm、行距40 cm。
1.2 试验设计及方法
以“粉宴1号”番茄苗为研究对象，试验设计3个处理，分别为玉米秸秆反应堆C1，水稻秸秆反应堆C2和无填充物CK(对照)。
试验采用完全随机设计，每7垄为1个小区，重复3次(前段、中段和后段)。
1.3 测定指标及方法
不同深度土层温度变化规律的测定：作物定植后，在定植垄中间安装温度记录仪，记录土壤不同土层(地表下10、20、30 cm)和空气(果实生长点上方10 cm处)温度变化。
不同土层深度土壤状况数据测定：在作物采收结束后，测定C1、C2和CK处理下土壤不同深度的土壤容重、有机质含量(用重铬酸钾容量法)、全盐量，各重复3次。
番茄植株生长状况数据测定：随机选取小区内30株番茄进行标记，每隔3 d，测定标记植株株高、茎粗、叶片数和SPAD值；番茄开始收获后测定番茄根系生长情况、单果重和产量。
植株畸形果率和植株发病率的数据调查：果实成熟后，随机选取小区内30株番茄，统计畸形果率和植株发病率(主要测定植株晚疫病、霜霉病、灰霉病和白粉病)。畸形果率=(畸形果数量/调查总果实数量)×100%；植株发病率=(感病株数/调查总株数)×100%。以上各重复3次。
内置式秸秆反应堆的制作方法：在定植垄下开挖深30 cm、宽80 cm的秸秆填埋槽，槽内铺置秸秆52 500 kg/hm2；铺置后，将秸秆腐熟剂(15 kg/hm2)和水以1∶100的比例混匀，用喷雾器均匀喷洒至填埋槽内的秸秆上；喷洒后，将开挖出的原土回填至填埋槽，秸秆上覆盖土壤高度为25～30 cm，形成宽80 cm的垄面；用直径为1 cm的钢管垂直垄面间隔20 cm均匀打孔(使秸秆堆有空气进入)，深度30 cm左右，到秸秆层为宜；最后用滴灌将定植垄滴透。
温度采用温湿度记录仪(型号：L95-2)测定。
试验数据采用Excel 2013软件处理,SPSS 14.0软件ANOVA模块进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 不同秸秆生物反应堆对番茄根系土壤温度的影响
秸秆生物反应堆对日光温室微气候，尤其是土壤温度有非常积极的影响。图1为2017年1月晴天与阴天的24 h平均温度下不同秸秆生物反应堆在不同土层的温度变化。经过秸秆生物反应堆处理的土壤温度整体表现为C1>C2>CK，温室升温前(0～8 h)，C1比C2高2～3℃，比CK高5～6℃，说明通过秸秆生物反应堆技术可以有效提高作物根系温度。通过研究发现，地表下10 cm随着室内空气温度变化会发生相应的变化，而地表下20和30 cm的土壤温度变化幅度依次减小，说明秸秆生物反应堆对外界气体交换有一定的缓冲作用。通过晴天和阴天不同天气状况下调查发现，在未揭苫增温的情况下，土壤温度要高于空气温度。而阴天条件下，揭苫前，土壤温度变化规律为30 cm>20 cm>10 cm，尤其是10 cm处，C1、C2比CK高出5～6℃，并且CK在不同土层的温度均表现出持续下降，而C1、C2则相对稳定。说明秸秆生物反应堆会产生热量，并且热量会逐层向上传导，在夜间为根系土壤提供部分热源。
2.2 不同秸秆生物反应堆对番茄根系土壤理化性质的影响
秸秆生物反应堆对土壤理化性状的改善有显著作用。由表1可知，土壤容重在不同土层均表现为C1 图1 不同的秸秆生物反应堆在不同土层晴、阴天24 h的温度变化 处理容重(g/cm3)0～10cm10～20cm20～30cm有机质(g/kg)全盐量(g/kg)C11.38a1.33a1.29a12.32b0.86aC21.39a1.34a1.32a10.26b0.92aCK1.41a1.39a1.48b5.46a1.25b 注：不同字母表示在P<0.05水平下差异显著，下同。 由图2可以看出，番茄植株在生长前期，株高和茎粗并无差异，但进入生长中期(定植后40 d左右)，茎粗和株高整体表现为C1>C2>CK，C1、C2显著高于CK，但是进入后期(定植后90 d左右)，株高则表现为无显著差异。说明使用秸秆生物反应堆可以有效增加植株的茎粗，在一段时期内可以提高番茄的株高。根据测量、统计分析发现，在叶片数和花朵数上没有明显的变化规律，说明秸秆生物反应堆对番茄的叶片生长和花形成并无有益效果。 使用秸秆生物反应堆对番茄根系具有显著的促进作用。由表2可知，在根系数量、根系鲜重、根系干重中，都表现出C1>C2>CK，且根系鲜重和干重C1、C2显著高于CK，在根系长度中，C2>C1>CK，且C1、C2显著高于CK，C1、C2之间并无显著差异。说明，使用秸秆生物反应堆可以有效增加番茄植株的根系质量，为植株健康生长提供有利基础。 图2 不同秸秆生物反应堆下番茄生长性状的变化 表2 不同秸秆生物反应堆对番茄根系的影响 由表3可以看出，使用秸秆生物反应堆可以显著提高番茄的产量。在单果重和产量上，表现出C1>C2>CK，且C1显著高于CK；畸形果率表现出C1 表3 不同秸秆生物反应堆对番茄产量相关因素的影响 使用秸秆生物反应堆可以有效地提高地温，解决冬季温室低温的问题，袁冬贞等[10]也有类似的研究结果。本试验发现使用秸秆生物反应堆后，较对照，能使温室内土壤温度不同程度地提高，尤其是夜间，增温效果显著。温室夜间的热源主要来源于白天太阳辐射，土壤吸热后进行放热，但是遭遇连阴天，则需要其他热源供应。秸秆生物反应堆会形成热源，其热量主要来自作物秸秆腐烂分解过程，其好氧发酵过程，会产生大量的热量[8]。根据本试验发现，这部分热量会向上传导，从而使作物根系土壤温度在24 h内保持一定的缓冲，利于作物生长，尤其是遭遇连阴天，没有太阳辐射的情况下，对产量的提高有积极的作用。研究表明，当番茄植株营养面积达到一定量时，地温越高越有利于番茄秧苗的生长，并且有利于产量的增加[13]。 使用秸秆生物反应堆可有效改善土壤理化性状，改善温室微气候，减少植株发病率和畸形果率。通过试验发现，使用玉米和水稻秸秆生物反应堆，有机质较对照分别增加6.86和4.80 g/kg，全盐含量较对照减少0.39和0.33 g/kg。秸秆生物反应堆对番茄根系土壤有积极的改善作用，这是由于作物秸秆等有机物料不仅含有植物所需的各种营养元素，而且还含有大量的有机物质，是一种完全肥料。相关试验发现，施用秸秆的处理在作物生育期内土壤中的速效氮、磷、钾含量均高于不施用秸秆的土壤[14-15]。 通过研究发现，使用秸秆生物反应堆对番茄有显著的增产效果。使用玉米和水稻秸秆生物反应堆，产量较对照分别增加22.7%和10.4%，效果明显，与其他相关报道一致[16-17]。原因可能在于使用秸秆生物反应堆后，提高了番茄植株根系的温度，改善了根系土壤理化性质，调节了温室微气候，使植株健壮，提高了番茄根系质量，增强了植株抗病性，从而保障了番茄植株生长所需各种条件，促使番茄丰产、高产。 试验发现，玉米秸秆生物反应堆在增温效果和增产效果上要优于水稻秸秆反应堆。这可能是由于使用玉米秸秆在改善土壤理化性状方面要优于使用水稻秸秆。有学者研究发现，玉米秸秆在腐解率、产生有机质与其他养分和对于土壤活性的提高等方面都要优于水稻秸秆[18]。这主要是因为玉米秸秆的碳水化合物(438.29 g/kg)较水稻秸秆(328.63 g/kg)高30.3%，纤维素则低29.5%。木质素/碳水化合物或木质素/氮值低，有利于秸秆降解；反之，抑制作物秸秆降解，碳水化合物容易降解，木质素较难降解[19-20]。这就促使玉米秸秆腐解过程速度快且较为完全，增温速度较快，腐解产生的养分较多。 综上所述，在日光温室内，应用内置式秸秆生物反应堆技术后，改善了温室小气候环境，提高地温，健壮了植株，降低温室番茄病情指数，显著增加番茄产量。而其中尤以玉米秸秆生物反应堆的效果明显，值得进一步推广使用。 参考文献： [1] 郭冬生，黄春红.近10年来中国农作物秸秆资源量的时空分布与利用模式[J].西南农业学报，2016，29(4)：948-954. [2] 朱开伟，刘贞，贺良萍，等.中国主要农作物秸秆可新型能源化生态经济总量分析[J].中国农业科学，2016，49(19)：3769-3785. [3] Singh B，Shan Y H，Johnson-Beebout S E，et al.Crop residue management for lowland rice-based cropping systems in Asia[J].Advance in Agronomy，2008,98:117-199. [4] 张振贤，程智慧.高级蔬菜生理学[M].北京:中国农业大学出版社，2008.56-57. [5] 李天来.日光温室蔬菜栽培理论与实践[M].北京:中国农业出版社，2013.163-170. [6] 赵丽莉，胡瑞民，张亚红.山东寿光日光温室在宁夏五个地区冬季的温度变化[J].安徽农业科学，2012，40(32):15973-15976. [7] 任志雨.根区温度对番茄生长和产量的影响[J].天津农业科学，2006,12(3):15-16. [8] 彭杏敏，陈之群，陈青云，等.内置秸秆反应堆和菌剂对日光温室土壤温度及越冬番茄生长的影响[J].中国蔬菜，2011，(Z1)：63-67. [9] 马世林，李波，王铁良.秸秆生物反应堆对秋冬茬温室番茄生长特性的影响研究[J].干旱地区农业研究，2014,(9)：132-136,238. [10] 袁东贞，廖允成，赵建兴，等.不同菌种秸秆生物反应堆对温室黄瓜生长及产量的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2014,(5)：171-176. [11] 何志刚，王秀娟，董环，等.秸秆反应堆在北方日光温室长季节栽培中的应用研究[J].北方园艺，2013,(19)：60-62. [12] 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)：153-165. [13] 刘秀茄，葛晓光.地温及营养面积对番茄秧苗生育及素质的影响[J].沈阳农业大学学报，1988，19(3)：29-36. [14] 厉婉华.苏南丘陵区不同林分下根际根外土壤微生物区系及酶活性[J].生态学杂志，1994，13(6)：11-14. [15] 张雪艳，王冠，石彦龙，等.生物菌剂作用下的秸秆反应堆对越冬番茄土壤养分的影响[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版)，2015，36(2)：20-25. [16] 叶林，李建设，张光弟，等.不同作物秸秆生物反应堆对日光温室樱桃番茄生长、生育环境及其产量的影响[J].西北农业学报，2015，24(7)：67-68. [17] 张国芹，刘凤军，顾俊荣,等.生物反应堆技术对番茄产量及品质的影响[J].江苏农业科学，2013，41(3)：116-117. [18] 农传江，王宇蕴，徐智，等.有机物料腐熟剂对玉米和水稻秸秆还田效应的影响[J].西北农业学报，2016，25(1)：34-41. [19] 王景，陈曦，魏俊岭.水稻秸秆和玉米秸秆在好气和厌氧条件下的腐解规律[J].农业资源与环境学报，2017，34(1)：59-65. [20] Johnson J M F，Barbour N W，Weyers S L.Chemical composition of crop biomass impacts its decomposition[J].Soil Science Society of America Journal，2007，71：155-162.
2.3 不同秸秆反应堆对番茄植株生长的影响
2.4 不同秸秆生物反应堆对番茄根系相关性状的影响
2.5 不同秸秆生物反应堆对番茄产量相关因素的影响
3 讨论与结论
