添加有机物对玉米秸秆发酵中氮素转化及微环境的影响

孙晓华,李晓静,刘杰才,孙 婧,张之为

(内蒙古农业大学 园艺与植物保护学院,内蒙古 呼和浩特 010019)

截至2017年,中国设施园艺面积已达391.5万 hm2,成为世界上设施园艺面积最大的国家,特别是具有中国特色的节能日光温室实现了在北纬34°～42°、冬季不加温的情况下进行茄果类蔬菜的生产[1-2]。由于日光温室种植作物种类单一且复种指数高[3]、亚环境条件下过量投入氮肥[4-5]、肥料利用效率偏低[6],且温室内土壤水分运移区别于露地,致使以硝酸盐为主的盐分大量积聚于土壤表层[7],随着日光温室使用年限的延长,温室内土壤次生盐渍化趋于严重,从而降低温室可持续利用率[8-9]。目前,生物反应堆发酵生成的腐殖质等有机物是有效的日光温室土壤生物改良剂[10-11]。有文献报道,秸秆生物反应堆添加生物碳能有效改善土壤质量、提高作物产量[12]。此外,冬季日光温室应用生物反应堆还能提高栽培床土壤温度和温室空间内CO2浓度[13-14],有效克服了日光温室冬春季节土壤低温和寡CO2环境对作物产量和品质的限制[15-16]。生物反应堆热量产生及CO2生成量因反应物成分、菌种种类及发酵因子不同而异。以秸秆为主的各种生物反应材料在栽培床发酵过程中,产生的CO2和热能显著改善栽培床周围的微环境。一般生物反应堆仅以玉米秸秆为单一反应物,改变反应堆组成会显著影响CO2的生成量[17],如用小麦秸秆代替玉米秸秆,则发酵生成CO2的量高于玉米秸秆中的生成量[18]。如何提升玉米秸秆应用于温室生物反应堆的微环境效应,加大其配效作用,研究结果各不相同。刘凯等[19]认为添加不同比例的牛粪有利于堆肥发酵并提高反应温度,但未分析反应的微环境效应。段晓婷等[20]研究发现,在玉米秸秆中添加一定比例的羊粪有利于CO2的产生。然而,目前关于生物反应堆中不同有机物添加的微环境效应却鲜见报道。

本研究以不同有机物与玉米秸秆混合物为研究对象,通过室内常温密闭培养研究其氮素矿化速率、微环境效应,从而选取最佳组合应用于温室生物反应堆,旨在改良温室土壤的同时使冬春季日光温室栽培作物从生物发酵过程中获取热量及补充光合作用所需CO2,为温室综合利用生物反应堆技术提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验设计

供试材料为内蒙古农业大学农场成熟期玉米秸秆,充分粉碎,全氮含量为8.24 g/kg。供试土壤为壤土,取自内蒙古农业大学农场日光温室,pH值6.76,全氮含量为10.24 g/kg。有机物为呼和浩特市牛羊养殖农场的常规牛粪、羊粪、鸡粪和残畜有机物,各物质全氮含量分别为10.04,14.17,16.82,22.53 g/kg。供试有机物样品在4 ℃环境下干燥后备用。供试菌种为山东绿陇生物科技有限公司生产的有机物料腐熟剂,有效活性菌数≥0.5亿个/g。

试验设置对照CK(土壤+玉米秸秆)、4个处理分别为牛粪+玉米秸秆(D)、羊粪+玉米秸秆(S)、鸡粪+玉米秸秆(C)、残畜有机物+玉米秸秆(R)。将反应物按质量比2∶3充分混匀,用蒸馏水调节含水量至50%,取1 500 g于培养盒中,添加菌种2.5 g/kg,培养盒留有1/3的空间,密闭后置于室内常温培养20 d,3次重复。分别于培养0,5,10,15,20 d时测定氮素矿化及微环境效应。

1.2 测定指标与方法

1.2.2 温度和CO2环境因子检测 培养过程中采用内置温度仪(RC-4,江苏精创电气股份有限公司)感应探头自动记录温度。每天8:30-9:30时用红外线气体分析仪(IR-101,北京均方理化科技研究所)测定CO2体积分数。

1.3 氮素矿化分析方法

氮素矿化速率(μg/(g·d))=(培养后铵态氮含量+培养后硝态氮含量)-(初始铵态氮含量+初始硝态氮含量)/培养天数[23]。

1.4 数据处理

运用Excel 2013软件处理数据,采用Duncan′s多重比较法分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同反应物构成对氮素无机矿化的影响

不同大写字母表示1%显著水平。图2-8同。Different capital letters indicate significance at 1%. The same as Fig.2-8.

图2 不同反应物培养过程中含量变化Fig.2 Change of content in different reactants during culture

由图3可知，S和R中无机氮矿化速率呈现出相似的变化趋势，即随着发酵时间的延长，氮素矿化速率逐渐降低；D反应物中无机氮的矿化速率在发酵6～10 d时为1.73 μg/(g·d)，在1%水平显著高于CK(0.33 μg/(g·d))，其他发酵时期与CK相比无显著性变化；C中氮素矿化速率在发酵16～20 d(-0.70 μg/(g·d))时与CK相比在1%水平显著降低，其他发酵时期与CK相比无显著性变化。由图4可知，整个发酵期内，R(3.21 μg/(g·d))、S(2.06 μg/(g·d))和D(1.21 μg/(g·d))中总氮素矿化速率在1%水平显著高于CK(0.49 μg/(g·d))，而C中总氮素矿化速率为0.28 μg/(g·d)，故总氮素矿化速率依次为R>S>D>CK>C。因此，玉米秸秆与残畜有机物、羊粪、牛粪混合可加速反应物中氮素矿化的进程。

图3 不同反应物各培养阶段氮素矿化速率Fig.3 Nitrogen mineralization rates of different reactants in each culture stage

图4 不同反应物在整个培养阶段的氮素矿化速率Fig.4 Nitrogen mineralization rate of different reactants during whole culture stage

2.2 不同反应物构成对温度变化的影响

有机物与玉米秸秆发酵产生热量效应的大小因有机物的种类而异,由图5可知,CK和各处理反应堆中的温度均随着发酵时间的延长呈现先升高后降低的趋势,且除C之外,D(63.6 ℃)、S(55.4 ℃)和R(63.3 ℃)的温度峰值均出现在发酵11 d时,且均在1%水平显著高于CK(47.3 ℃)；而C(58.4 ℃)的温度峰值提前于其他反应堆,之后便逐渐降低至与CK接近,且前期温度高、高温持续时间短,高于45.0 ℃的持续时间为7 d,从14 d开始温度降低到40.0 ℃以下。R中高温持续时间长于CK和其他处理,其中高于50.0 ℃的持续时间可达12 d；而D、S中高于55.0 ℃的持续时间分别为7,3 d,其中D与R中温度变化趋势类似。反应堆内温度高、高温持续时间久,有益于提高环境的温度。由图6可知,在整个发酵期间,D、S、C和R处理反应堆中的累积温度分别为563.0,518.2,421.6,612.1 ℃，均在1%水平显著高于CK(294.5 ℃),故累积温度依次为R>D>S>C。

图5 不同反应物培养过程中生物反应堆的温度Fig.5 Temperatures of biological reactor in different reactants during culture stage

图6 不同反应物在整个培养期内的累积温度Fig.6 Accumulated temperatures of different reactants during whole culture stage

2.3 不同反应物构成对CO2生成的影响

由图7可知,各处理中CO2逸散量均呈现先升高后降低的趋势,但是玉米秸秆中添加不同有机物发酵产生CO2的动态和逸散量不同。发酵5 d时，D、C、R中CO2逸散量分别为3 528，3 574，3 460 μL/L，均在1%水平显著高于CK(1 420 μL/L)；发酵8 d时D(4 106 μL/L)、C(4 416 μL/L)和R(5 386 μL/L)中CO2逸散量均在1%水平显著性高于CK(2 826 μL/L)；发酵11～20 d时,D(3 638～4 907 μL/L)、S(4 544～4 842 μL/L)和R(6 964～3 497 μL/L)中CO2逸散量均在1%水平显著高于CK(1 571～3 285 μL/L)。R中CO2逸散量前期增长速率最快、后期降低速率也较快,且CO2逸散量为4 000 μL/L以上的持续时间是10 d；C中CO2逸散集中在2～8 d,从8 d开始,逸散量开始下降,但在14 d之前CO2逸散量仍高于CK；S中CO2逸散量持续上升至17 d,从11 d至发酵结束,CO2逸散量均维持在4 000 μL/L以上；D中CO2逸散持续上升到第14天,之后开始下降,CO2逸散量为4 000 μL/L以上的持续时间为9 d。由图8可知,在整个发酵期内,反应堆CO2逸散总量依次为R>S>D>C>CK,且R(30 506 μL/L)、S(28 544 μL/L)、D(27 763 μL/L)和C(20 859 μL/L)中CO2总逸散量均在1%水平显著高于CK(15 460 μL/L)。

图7 不同反应物培养过程中CO2逸散量Fig.7 Emission of CO2 in different reactants during culture stage

3 结论与讨论

前人研究发现,在日光温室中应用生物反应堆可以改善土壤理化性质、提高土壤微生物活性、减少氮素流失、加速腐殖化进程[24]、增加土壤中有机质含量[25]、热量及CO2生成量,进而提高作物产量及品质。日光温室生物反应堆中的反应物在微生物作用下进行发酵,其生命活动由反应物中的碳提供能量[26],所需ATP则由氮素提供。当发酵反应物中氮含量提高时能够为微生物提供足够的ATP合成物质,而反应物中碳含量高时,尽管微生物生命活动有充足的营养物质,但因缺少合成ATP的氮素,而使其生命活性降低、减缓反应进程[27]。因此,要使反应堆发酵的环境效应满足日光温室冬季栽培作物的需要,必须同时提供微生物活动所需的碳素及氮源[28]。冬季在日光温室中利用生物反应堆,一方面发酵形成的有机物能被植物利用,另一方面发酵过程中释放出的热量和CO2也可以改善温室内作物的生长环境。就反应堆发酵产生的热量而言,温度较高且持续时间较长,才具有改善日光温室冬季土壤低温的效果。日光温室属于半封闭环境,作物对CO2的需求应满足浓度适宜且持续时间较长的条件。前人关于发酵的研究以营养物质的形成、发酵进程的影响因素、对环境产生的影响等为主,而对于发酵组成物对有机物矿化及其微环境效应的影响研究较少。

有机物发酵产生热量的多少及热量持续时间的长短受发酵物料种类及比例的影响,热量产生能力及持续时间直接反映有机物发酵腐熟程度和消除致病菌和寄生虫卵的程度。前人研究表明，发酵温度达50 ℃以上持续5～7 d或者高于55 ℃持续4 d,发酵产物将完全达到腐熟程度且无害化[34]。本研究中不同类型有机肥的添加使玉米秸秆发酵后累积温度均显著提高,前期温度升高且持续时间增长,说明试验中玉米秸秆与有机肥能够充分腐熟,被用于作物栽培时可以提供热量,并改变微生物的构成,有利于土壤性状的改良。

针对日光温室生物反应堆的应用,其效应主要是土壤培肥、土壤增温、CO2施肥。生物反应堆中仅用玉米秸秆,发酵速率低,反应物中碳的转化能力减弱、影响发酵过程中CO2气体的生成量[35]。本研究结果表明,所有处理中CO2逸散总量均显著高于CK,故通过改变生物反应堆中发酵物的组成可以提高日光温室环境内CO2的浓度,有利于缓解冬季日光温室封闭条件下作物光合受限于寡CO2制约的影响。综合考虑本研究中反应物的氮素矿化速率、CO2逸散量、热量产生量及持续时间,残畜有机物+玉米秸秆被视为最佳有机物组合。因此,通过改变反应堆中有机物的配比,添加含氮量高的有机物来提高发酵体系的氮源浓度,可加速反应物中氮素矿化的进程、提高累积温度和CO2逸散总量,这对于日光温室冬季生产有重要意义。