秸稈生物反應堆對設施土壤環境特性的影響

楊文雅 黃群 張燕 ??

摘要[目的]研究秸稈生物反應堆、秸稈生物反應堆與牛糞配套措施對土壤理化性質、微生物量、酶活性及作物產量的影響。[方法]試驗以常規栽培為對照（CK），研究秸稈生物反應堆（BSBR）、秸稈生物反應堆+牛糞（BSBR+CM）對土壤理化性質和微生物的影響。[結果]與 CK 相比，秸稈生物反應堆能顯著提高土壤含水率，有效降低土壤堿性和EC值，顯著增加土壤有效氮、有效磷、有效鉀含量，為微生物活動提供充足的氮源，促進微生物碳氮增加以及蔗糖酶與脲酶的活性，顯著增加番茄產量，配施牛糞效果更明顯;BSBR+CM處理顯著提升了土壤有機質含量。[結論]綜合考慮認為，內置式秸稈生物反應堆配施牛糞，可以調整合理的碳氮比，對溫室土壤連作以及鹽漬化具有一定的修復作用，起到增產的效果，是一種較為合理的農藝措施，建議推廣應用。

關鍵詞秸稈生物反應堆;牛糞;番茄;養分;酶活性;微生物

中圖分類號S157文獻標識碼

A文章編號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

隨著設施蔬菜生產的區域化、規模化、專業化和大生產方向的發展[1]，設施栽培成為現代農業建設的一大亮點。然而設施蔬菜栽培中為了追求高效益，盲目施用過量化肥和農藥、栽培品種單一且存在多年連作等現象，直接導致土壤質量下降，蔬菜品質、產量及抗性也隨之下降，并嚴重威脅生態環境、制約設施蔬菜產業可持續發展。因此，如何有效改善溫室土壤環境，提高土壤質量，對于設施蔬菜可持續生產具有重要意義。前人一直注重栽培制度研究，而近年來開展了利用農藝措施改良土壤微生物的研究[2]。張雪艷等[3]研究表明，利用秸稈反應堆有利于促進土壤有機碳和酶活性的增加，從而改善土壤微生物。孫婧等[4]連續4年研究番茄越冬茬種植，結果表明應用秸稈生物反應堆 60 t/hm2配套微生物菌肥60 t/hm2，可提高土壤的蓄水能力，緩沖土壤酸堿變化和次生鹽漬化，增加無機養分，提升有機質及微生物碳氮含量，促進微生物對氨基酸、羧酸類、酚酸類和胺類物質的利用。因此，施用秸稈生物反應堆成為設施溫室增產的主要農藝措施。

應用秸稈生物反應堆技術可以有效提高設施溫室的低溫以及增加CO2濃度，有效克服土傳病害、連作障礙等因素，從而達到增產的目的。卞中華等[5]研究指出，利用外置式秸稈反應堆可有效改善越冬茬番茄栽培過程中CO2的虧缺，增加番茄的凈光合速率和水分利用率，最終提高產量和經濟效益。該研究在前人的基礎上，分析內置式秸稈生物反應堆配套有機物料（牛糞）對土壤質量評價指標的影響。為此，以設施番茄（Lycopersicon esculentum）為材料，探索秸稈生物反應堆、秸稈生物反應堆+牛糞措施對土壤理化性質和微生物及作物產量的影響，旨在為設施番茄生產應用秸稈生物反應堆+牛糞技術提供支持和理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地設在銀川市西夏區鎮北堡鎮蔬菜生產基地、種植年限4年的日光溫室中，鎮北堡鎮地處38°37′N、106°03′E，氣候干燥，日照充足，光熱資源豐富，日照時數為3 039.6 h，無霜期為129 d，年降雨量為99.7～233.1 mm，而年蒸發量高達1 583.2 mm，屬典型中溫帶干旱氣候[6]。

供試土壤為粉砂壤土，土壤pH為8.21， EC為0.25 mS/cm，有機質5.02 g/kg，全氮0.34 g/kg，全磷0.46 g/kg，全鉀0.58 g/kg，有效氮12.58 mg/kg，有效磷19.82 mg/kg，有效鉀156.2 mg/kg。

1.2試驗材料

供試番茄為抗TY病毒品種“粉宴1號”。內置式秸稈生物反應堆有機物料發酵EM菌種（好氧性的多個菌種復合培養而成，對有機廢物中的纖維素、半纖維素、木質素等有機成分有很強的分解能力，是秸稈生物發酵溝技術所必需的高效優質菌種，有效活菌數為2.0×108 個/g），由北京京圃園生物工程有限公司提供。

1.3試驗設計

供試溫室長88.0 m、寬7.6 m，沒有加溫和補光設備。該溫室主栽作物為番茄。試驗于2016年10月至2017年5月進行，共設3 個處理：①常規栽培（CK）;②BSBR[內置式秸稈生物反應堆（Built-in Straw Biological-Reactor， 縮寫為BSBR）+發酵菌劑（Fermentation Strains）];③BSBR+CM，內置式秸稈生物反應堆（BSBR）+牛糞（Cattle Manure，縮寫為CM）+發酵菌劑。試驗為完全隨機區組設計，每個處理3個小區，小區長 7.2 m、寬7.0 m，每小區種植4畦，采用寬窄行方式栽培，大行距為68 cm，小行距60 cm，株距40 cm，每畦共種植36棵番茄苗。采用覆膜滴灌，各處理管理一致。于定植前20 d在20～40 cm土層進行內置式秸稈生物反應堆的制作。

內置式秸稈生物反應堆的制作如圖 1 所示：在種植畦下挖寬度為80 cm、深度為20 cm南北走向的溝，向溝中填充秸稈生物反應堆原料，BSBR+CM處理由2層秸稈和2層腐熟

的牛糞構成，每層秸稈的施用量為30 t/hm2，2層牛糞的施用量分別為7 500 kg/hm2，發酵菌劑為150 kg/hm2，在溝兩端露出 10 cm 的秸稈，覆土做畦，并在栽培畦上打深度為40 cm的孔通氣。秸稈和牛糞基礎性狀見表1。

1.4土樣采集與分析

1.4.1土壤樣品采集。

土壤樣品分別在營養生長期、結果初期、結果盛期和結果末期由土鉆采集自植物根圍（距離植株莖2 cm左右），于每個小區中間行（最外的2行植株不采樣）選取不同部位5個采樣點，采集后將樣品混合為1個重復的總樣。將土壤樣品過2 mm篩并混勻，然后將樣品分成3份：一份風干后測定有機質、pH、EC、速效磷、速效鉀;一份保存在-20 °C冰箱測定土壤微生物數量（N）、生物量碳（C）以及土壤酶活性。

1.4.2土壤指標的測定。

參考鮑士旦[7]的方法測定土壤理化性質，參考關松萌[8]的方法測定土壤酶，參考吳金水等[9]的方法測定土壤微生物量碳和氮。

1.4.3番茄產量的測定。分小區統計番茄產量，并記錄番茄果實的商品率。

1.5數據處理采用Excel制圖，SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析，選用 LSD 法在 P<0.05 水平上進行顯著性分析。

2結果與分析

2.1不同處理對土壤含水率的影響

從圖2可知，與對照（CK）相比，秸稈生物反應堆處理（BSBR）土壤含水率在營養生長期、結果末期無顯著差異，在結果初期、盛期顯著高于CK，較CK增加14.95%～17.07%;與CK 相比，秸稈生物反應堆和牛糞配套處理（BSBR+CM）土壤含水率在營養生長期差異不顯著，在結果初期、盛期和末期顯著高于CK，較CK增加17.62%～24.07%。且在全生育期BSBR處理與BSBR+CM處理土壤含水率無顯著差異，結果表明，BSBR+CM處理能有效保持土壤水分。

2.2不同處理對土壤養分的影響

對結果盛期土壤養分進行測定。從表2可知，與CK相比，處理間pH無顯著差異，pH在8.00以上，偏堿性，而番茄適宜pH在6.00～7.00[10] ，微酸性或中性土壤，這主要與土壤類型和環境有關;EC值反映土壤中鹽分濃度，與CK相比，BSBR、BSBR+CM處理EC值顯著降低，較CK降低了15.15%～24.24%，即秸稈生物反應堆處理有效減少鹽分的積累與運移，維持合理的鹽分濃度。

有機質含量雖只占1%～3%，但反映了土壤肥力的高低以及作為微生物重要的氮源與碳源。由表 2可知，與CK相比，BSBR+CM處理土壤有機質含量差異顯著，較CK增加了22.59%;BSBR處理差異不顯著，單施秸稈對土壤有機質含量沒有明顯的影響，秸稈配施牛糞處理能夠顯著增加土壤有機質含量。

氮、磷、鉀為養分供給主要元素，也是土壤中最為活躍的營養元素，直接限制著作物產量的高低。其中有效磷含量反映了土壤中磷素的供應能力，作為磷素養分供應水平的指標，同時能促進果實發育[11]。由表 2 可知，秸稈生物反應堆能顯著增加土壤有效磷含量，較CK增加了16.37%～27.49%，并處于中等水平[12]，適宜作物生長，其中BSBR+CM處理有效磷與BSBR處理差異顯著，說明秸稈生物反應堆能提高土壤中有效磷含量，并維持在相對適宜的水平;速效鉀作為土壤供鉀的豐缺指標，同時促進果實形成及糖的合成[11]，與CK相比，秸稈生物反應堆處理有效鉀含量差異顯著，較CK增加了32.19%～39.34%，因秸稈中鉀素含量高，所以土壤中有效鉀含量增加較多;有效氮作為土壤供氮能力的評估指標，同時促進果實中蛋白質的合成，與CK相比，BSBR+CM處理與BSBR處理有效氮含量均差異顯著，較CK分別增加了64.71%、24.51%，表明增加牛糞對于氮素的提高效果顯著。

2.3不同處理對土壤微生物碳氮的影響

土壤微生物量既是土壤有機質及土壤養分轉化和循環的動力，也是土壤“活性養分庫”[13]，以無機養分的形式釋放并供植物吸收利用。土壤微生物量碳變化反映了微生物利用土壤碳源進行自身細胞建成而大量繁殖和微生物細胞解體使有機碳礦化的過程[14]。由圖3可知，各處理土壤微生物碳隨生育期進程先增加后減少，在結果盛期達到最大值，土壤微生物量氮與土壤微生物碳稍有差異，在營養生長期和結果初期含量較高，在結果盛期至結果末期含量下降，在結果初期達到最大值。與CK相比，全生育期，各處理土壤微生物量碳和氮含量差異均顯著， BSBR+CM處理與BSBR處理土壤微生物量碳和氮含量差異也達到顯著性;在結果盛期，較CK秸稈生物反應堆處理增產土壤微生物量碳35.38%～46.67%，在結果初期，較CK秸稈生物反應堆處理增產土壤微生物量氮33.71%～54.79%，說明秸稈生物反應堆處理能有效提高番茄土壤微生物量，主要由于秸稈在腐解過程中有大量微生物參與，并具有較高的活性[15]，同時也為微生物的生長繁殖提供了大量營養物質，促進微生物的生長繁殖[4]，因此秸稈生物反應堆對土壤微生物量的提高效果顯著。

2.4不同處理對土壤脲酶和蔗糖酶的影響

土壤酶是土壤生物化學過程的主要參與者。其中，脲酶促進尿素轉化為氨供植物吸收利用，蔗糖酶促進蔗糖轉化與分解，反映了土壤有機碳積累與分解轉化的規律。由圖4可知，蔗糖酶的變化規律與微生物量碳相似，脲酶變化趨勢與微生物量氮相似。與CK相比，營養生長期，各處理蔗糖酶活性差異不顯著，BSBR+CM處理、BSBR處理在結果初期、盛期和末期蔗糖酶活性與CK差異顯著，并在結果盛期達到最大值，較CK蔗糖酶活性分別增加36.33%、18.87%;與CK相比，在營養生長期、結果末期，各處理間脲酶活性差異不顯著，在結果初期、盛期，秸稈生物反應堆處理脲酶活性與CK差異顯著，并在結果初期達到最大值，較CK增加33.01%～33.20%，其中BSBR+CM處理脲酶活性在結果盛期與BSBR處理差異也達到顯著性。說明秸稈生物反應堆處理措施能有效提高土壤酶活性，利于土壤中氮素和碳素的轉化利用。

2.5不同處理對番茄產量的影響

由表3可知，與CK相比， BSBR+CM處理與BSBR處理產量差異不顯著，顯著高于CK，較CK分別增加了16.40%、11.50%，結果表明秸稈生物反應堆處理能顯著提高番茄果實產量，配施牛糞增產效果更顯著。

3結論與討論

3.1不同處理對土壤含水率的影響

土壤含水率主要與土壤特征有關，包括孔隙度、容重、滲透性能等。試驗結果表明，內置式秸稈生物反應堆（BSBR處理、BSBR+CM處理）在番茄全生育期內能顯著提高土壤含水率，主要原因是秸稈在腐解后，參與土壤結構的形成和改良，使得土壤疏松，有良好的團粒結構，并且土壤孔隙度增大，容重降低，防止土壤板結，減少土壤表層水分蒸發，提高土壤保水及蓄水能力。

3.2不同處理對土壤養分的影響

應用秸稈生物反應堆能夠顯著提高土壤pH，有效降低土壤電導率（EC值），表明向土壤中添加作物殘體降低土壤的堿性，配施動物糞便效果更顯著，由于動物糞便中含有一些鹽分粒子，但與秸稈混施，碳氮比合理，EC值較CK還是顯著降低。秸稈生物反應堆能顯著增加土壤有機質含量，通過向土壤中提供外源有機殘體，激發纖維素物質，促進微生物的代謝以及對碳水化合物及氨基酸的利用[16]，釋放土壤固持的有效養分，加速秸稈及牛糞中養分礦化過程，使得土壤有效氮、磷、鉀增加，鉀素養分的循環利用，同時微生物的活動加速土壤腐殖質的分解，土壤有機質顯著提升。

3.3不同處理對微生物量及酶活性的影響

土壤微生物量是土壤養分轉化和循環的主要動力[17]。該研究結果表明，應用秸稈生物反應堆能夠顯著提高土壤微生物碳氮含量，加速有機質形成。由于向土壤中添加外源有機殘體同時也引入了大量微生物，當環境條件適宜，激發大量微生物活性，促進秸稈及牛糞腐解，同時有機物料腐解過程也為微生物的活動提供了大量的碳源和氮源作為代謝底物，進一步刺激了微生物的生長繁殖[4]，促使其將有機底物同化為自身物質，提高微生物碳氮含量。

土壤脲酶、蔗糖酶主要參與有機化合物的積累與轉化[3]，豐富土壤中可溶性營養物質，促進植物的吸收利用。脲酶是轉化土壤中氮的關鍵酶，而蔗糖酶促進碳源的循環利用。該研究結果表明，應用秸稈生物反應堆能夠顯著提高土壤脲酶及蔗糖酶的活性，促進土壤中碳、氮的轉化，脲酶與生物量氮呈極顯著正相關（r=0.89**，P<0.01），蔗糖酶與生物量碳也呈極顯著正相關（r=0.90**，P<0.01），說明土壤酶活性與微生物量相輔相成，相互影響。

參考文獻

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