番茄秸稈堆肥發酵特性及對冬季大棚環境的影響

高寧 李建明 孔政

摘要：以番茄秸稈為主要的發酵材料，分別選取菇渣、牛糞、豬糞、菇渣+牛糞和菇渣+豬糞為調理材料，研究不同調理劑對番茄秸稈發酵特性的影響，探討番茄秸稈堆肥釀熱對冬季大棚環境的調控作用。結果表明，在番茄秸稈堆肥過程中，以豬糞為調理劑時發酵產熱維持時間最長，35 ℃以上維持天數可達44 d。發酵過程中，各處理堆肥都呈堿性，發酵結束時各處理EC值均高于3.6 mS/cm，其中以豬糞為調理劑的堆體EC值始終最高。發酵腐熟后，各處理容重差異不大，以豬糞為調理劑的堆體大小孔隙比最大，而以菇渣為調理劑的堆體大小孔隙比最小。環境試驗結果表明，試驗期間利用番茄秸稈和豬糞混合堆肥產生的熱量可使冬季大棚的日平均氣溫提高4.2 ℃，日最低氣溫平均提高4.6 ℃。在晴天和陰雪天釀熱棚較對照棚的夜間氣溫和CO2濃度均有提高，空氣濕度變化不大。表明以豬糞為調理劑進行的番茄秸稈堆肥，在調整EC值后可作為理想的栽培基質，且利用其發酵產生的熱量可改善大棚中的環境條件。

關鍵詞：番茄;秸稈;調理劑;發酵;堆肥釀熱;大棚環境

中圖分類號： S141.4 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0172-06

在我國北方地區，蔬菜作物的設施栽培主要是利用日光溫室和塑料大棚，但在實際生產中日光溫室和塑料大棚均存在一定的不足。日光溫室保溫性能較好，但由于后墻的遮擋，內部光照條件較差，影響作物的生長;塑料大棚內光照充足，但保溫性差，在冬季無法進行蔬菜作物的栽培[1]。為此，王明喜等設計建造了無墻體結構的大跨度保溫大棚，但在冬季需要增加供熱設施[2]。堆肥發酵可以產生大量的熱量，冬季利用其作為供熱來源可以節省生產成本。孫亞文等通過建造秸稈發酵示范蔬菜大棚發現，利用秸稈發酵可以提高大棚溫度，促進蔬菜生長[3]。但不同堆肥原料產熱效果不同，釀熱物對大棚內環境變化有很大的影響。因此，在冬季大棚中利用堆肥作為供熱源時，選擇適宜的堆肥原料至關重要。

番茄是我國設施栽培主要的蔬菜作物之一。據統計，2014年番茄設施栽培面積已達101.7萬hm2，年秸稈產生量為3.4億t[4-5]。這些秸稈大部分被直接焚燒，不僅對環境造成了污染，而且還造成了資源的浪費。番茄秸稈中含有大量的有機物，通過微生物高溫好氧發酵可以將這些有機物分解為植物能夠直接吸收利用的成分[6-7]。可見，發酵堆肥可以作為處理秸稈的有效手段之一，也可以為大棚生產提供量，實現秸稈的資源化利用[8-9]。研究發現，調理劑作為調控堆肥碳氮比的物質，對堆肥發酵進程有重要的影響[10]。農業廢棄物中含有大量的碳氮等元素，可作為堆肥發酵的調理劑。張建華等研究認為，以豬糞為堆肥原料時，添加木屑的堆體升溫最快，且高溫持續時間最長，添加礱糠灰的堆體高溫持續時間最短[11]。胡偉桐等以生物瀝浸污泥為堆肥原料，發現以麥糠作為調理劑能夠提高堆肥溫度，延長高溫階段持續時間[12]。但未有研究報道以番茄秸稈為堆肥原料時的適宜調理劑。

本試驗選取番茄秸稈為主要的發酵材料，以常見的農業廢棄物為調理劑，進行堆肥發酵，研究不同調節劑對堆體發酵過程中溫度及理化性質的影響，并篩選出產熱效果最好的堆肥原料組合，利用其發酵的產熱過程，研究堆肥釀熱大棚與普通大棚的性能差異，皆在為堆肥釀熱在大棚內的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

試驗于2015年9月至2016年1月在西北農林科技大學試驗基地內進行，試驗地位于34°20′N，108°07′E，屬暖溫帶季風半濕潤氣候區，年降水量635.1～663.9 mm，年均氣溫 12.9 ℃。所用堆肥原料菇渣、牛糞、豬糞和番茄秸稈均取自當地周邊農戶。各堆肥原料基本性質見表1。

1.2 堆肥試驗

堆肥試驗于2015年9月1日開始，在遮雨棚中進行。分別以菇渣、牛糞、豬糞、菇渣+牛糞和菇渣+豬糞為調理劑，每個處理10 kg番茄秸稈，按調節堆料碳氮比至20 ∶ 1的量將調理劑加入到番茄秸稈中進行混合堆肥，添加量如表2所示，每個處理3次重復。添加調理劑后，加入發酵物總質量3%的EM菌劑，將相對含水量調至60%左右，混合均勻，采用靜態高溫堆腐。為保證堆體充分進行好氧發酵，每15 d進行1次翻堆，堆肥周期為75 d。

1.3 冬季大棚環境試驗

供試大棚為2個結構相同的非對稱塑料大棚。主要結構參數為跨度17 m（南屋面跨度10 m，北屋面跨度7 m），長度30 m，脊高5.1 m，鍍鋅鋼桁架結構;覆蓋材料為聚乙烯（PE）膜和保溫被。其中，以釀熱大棚（T-G）作為試驗棚，在棚內北側建有長30 m、寬1 m、深1 m的釀熱槽，以無釀熱槽的普通非對稱塑料大棚為對照棚（CK-G）。釀熱大棚中釀熱槽內所加堆肥原料為堆肥試驗選出的產熱效果最好的組合，填充高度為0.8 m，釀熱槽表面覆薄膜。

1.4 測定項目和方法

堆肥試驗中在堆制0、15、30、45、60、75 d時取樣測定電導率（EC）值和pH值。EC值和pH值分別用電導率儀和pH計測定[13]。堆肥結束后參照郭世榮的方法[14]測定容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度。堆體溫度和大棚環境數據的測定采用哈爾濱物格環境記錄儀，其中，堆體溫度取堆體中心溫度，大棚環境數據取自大棚中心距地面1.5 m處。

1.5 數據處理

利用Excel 2013和SPSS 19.0進行數據處理分析，采用Excel 2013繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 不同調理劑對番茄秸稈堆肥過程中堆體溫度的影響

堆肥發酵過程主要是微生物通過新陳代謝對有機物進行降解的過程，因此，堆體溫度的變化可反映微生物新陳代謝的強度和有機物的分解進程[12]。由圖1可知，番茄秸稈添加不同調理劑后，各堆體溫度均呈先上升后下降的變化趨勢，即均經歷了升溫期、高溫期和降溫腐熟期，說明添加的5種不同調理劑均可使番茄秸稈進行有效的發酵分解。在初期，好氧微生物迅速分解有機物，并釋放大量熱量，堆體溫度快速升高。有研究表明，發酵溫度在40～65 ℃之間為最佳發酵溫度，當溫度高于55 ℃時，可以使一些病原微生物死亡[15]。本研究中各堆體溫度在堆制第2天時均達到50 ℃以上，T1、T2、T3、T4、T5處理高于50 ℃的堆體溫度分別持續4、6、12、8、6 d，其中，T3處理可達到的最高溫度為63.9 ℃。根據中國糞便無害化衛生要求[16]，在發酵過程中溫度能夠在50 ℃以上維持 5～7 d，即可達到無害化標準，說明添加不同調理劑后的番茄秸稈堆肥均達到了這一標準。此外，冬季大棚內溫度較低且持續時間較長，為保證作物生長要求，堆肥要維持較長時間的熱量供應。T1、T2、T3、T4、T5處理高于35 ℃的天數分別可維持28、21、44、22、41 d。表明番茄秸稈添加豬糞發酵釀熱效果最好，其次為菇渣+豬糞。

2.2 不同調理劑對番茄秸稈堆肥過程中pH值的影響

pH值在發酵過程中是影響微生物活動的重要因素，也是評價發酵物是否腐熟的重要指標之一[11]。在發酵過程中，中性或者弱堿性的環境適宜微生物的生活，pH值一般在6.7～8.5之間。從圖2可知，在整個發酵過程中，堆肥都呈堿性，這與前人研究結果[5，17]一致。堆肥過程中pH值的變化主要由有機氮礦化形成的銨態氮含量、乙酸和丁酸等有機酸的分解以及氨氣的揮發決定[18-19]。在番茄秸稈堆制過程中，T1、T2、T3處理的pH值均呈現出先上升后下降的趨勢。堆肥前期，加入微生物分解有機氮形成銨態氮，導致pH值升高，而在中后期微生物的礦化作用減弱，硝化細菌開始活躍，將銨態氮通過硝化作用轉變為硝態氮，pH值降低。T4、T5處理的pH值在前期變化不明顯，中后期升高后又有所下降，同時T4、T5處理在堆肥的中后期也可維持較高的溫度，表明番茄秸稈堆肥過程中添加菇渣+豬糞和菇渣+牛糞有助于有機物后期的分解。

2.3 不同調理劑對番茄秸稈堆肥過程中EC值的影響

EC值的高低可表征可溶性鹽含量的多少，適宜植株生長的EC值應低于2.0 mS/cm，若高于3.5 mS/cm，則會抑制植株的正常生長[20-21]。不同調理劑對番茄秸稈堆制過程中EC值的影響相似，均在發酵0～60 d內，EC值總體呈現出上升趨勢，之后相對穩定（圖3）。T3處理的EC值一直最高，T1處理的EC值最小。發酵完成后各處理EC值均大于 3.6 mS/cm，T3處理的EC值最大，為6.5 mS/cm，T1處理最小，為4.0 mS/cm，其他處理在5.5～5.7 mS/cm 之間。這可能是由于豬糞自身含有較多的可溶性鹽[22-23]，導致以其作為調理劑的堆體EC值過高，而菇渣作為食用菌栽培基質，主要成分為粗蛋白、粗脂肪和纖維素等不溶性有機物[11]，隨著微生物的分解利用其EC值變高。

2.4 不同調理劑對番茄秸稈堆肥物理性質的影響

堆肥發酵腐熟后可用作作物生長栽培基質，其物理性質對作物生長有很大的影響。研究認為，適宜作物生長的基質容重為0.1～0.8 g/cm3，總孔隙度為54%～96%[24]。由表3可知，添加不同調理劑的番茄秸稈腐熟后容重和總孔隙度差異不顯著，容重在0.35～0.45 g/cm3之間，總空隙度在85%左右，與耿風展等的結果[5]相一致。這表明腐熟后的基質均適宜作為作物栽培基質。基質總孔隙度由大孔隙和小孔隙構成，大孔隙反映了基質的通氣性，而小孔隙反映了基質的持水性。腐熟后的堆肥大小孔隙比由大到小為T3處理>T2處理>T5處理>T4處理>T1處理，可見添加菇渣可增加番茄秸稈腐熟后的持水性。

2.5 堆肥釀熱對冬季塑料大棚氣溫的影響

選取楊凌地區最冷時節（12月份和1月份）為代表時期，對普通大棚和添加堆肥釀熱設施的大棚環境進行比較，結果見圖4。堆肥制作于2015年11月25日，原料為番茄秸稈，添加釀熱效果最好的豬糞為調理劑。在2015年12月至2016年1月期間，堆體溫度均維持在35 ℃以上，較秋季堆肥維持時間長，而最高溫度較秋季堆肥低，說明低溫影響了微生物活性，延長了堆肥發酵時間。2試驗大棚室內日平均氣溫變化趨勢基本一致，但釀熱棚日平均氣溫始終高于對照棚。釀熱棚、對照棚和室外2015年12月1日至2016年1月25日平均氣溫均值分別為13.1、8.9、1.6 ℃，釀熱棚內日平均氣溫比對照棚平均高4.2 ℃。該時間段內釀熱棚共有6 d室內平均氣溫低于10 ℃;有9 d室內平均氣溫高于 15 ℃;其他時間室內平均氣溫均在10～15 ℃范圍內。對照棚共有17 d室內平均氣溫高于10 ℃;其他時間室內平均氣溫均在0～10 ℃范圍內。這表明堆肥釀熱可提高冬季大棚內的環境溫度。

冬季對作物生長影響最大的是最低溫度以及最低溫度持續的時間。通過對比釀熱棚和對照棚內最低氣溫發現，釀熱棚內日最低氣溫較對照棚平均高4.6 ℃（圖5）。在2015年12月1日至2016年1月25日期間，釀熱棚中日最低氣溫低于10 ℃的有46 d，其中僅有4 d低于5 ℃;而對照棚除12月1日外均低于10 ℃，其中有41 d低于5 ℃。植物生長要求氣溫不能低于最低溫度，半耐寒性植物如甘藍類通常要求冬季溫度在0 ℃以上，喜溫性植物如番茄在低于10 ℃時生長不良，長時間低于5 ℃能引起凍害[25]，說明在本試驗條件下，通過堆肥釀熱完全可滿足冬季大棚中半耐寒性植物的生長溫度需求，也可滿足喜溫性植物的生長最低溫度需求，但為防止發生凍害在低溫天需采取臨時加溫措施。

2.6 晴天堆肥釀熱對大棚環境的影響

典型晴天（2015年12月16日）釀熱棚和普通棚內氣溫、濕度及CO2濃度變化如圖6所示。當天揭保溫被時間為 09：00，蓋保溫被時間為17：30。釀熱棚全天平均氣溫為 17.7 ℃，較普通大棚高3.0 ℃。在09：00—17：30時間段內，釀熱棚和對照棚平均氣溫分別為24.6 ℃和24.1 ℃，而在非采光時間段內釀熱棚和對照棚氣溫分別為13.6 ℃和9.2 ℃，這說明堆肥釀熱有效地提高了冬季大棚夜間溫度。在釀熱棚內采用熱流計測得的夜間釀熱槽表面薄膜與空氣的平均熱流密度為46.2 J/（m2·s），通過計算可得堆肥釀熱向空氣釋放的總熱量為7.5×107 J，平均釋放熱量為5.0×106 J/h。此外，釀熱棚最大溫差為 19.6 ℃，對照棚最大溫差為26.3 ℃，表明釀熱棚較對照棚氣溫變化波動小。

釀熱棚和對照棚中空氣濕度差異不大且變化趨勢大體一致，夜間較為平穩，白天隨著氣溫升高而降低，中午達到最低，下午隨著氣溫降低而升高。釀熱棚的CO2濃度遠遠高于對照棚和室外CO2濃度。大棚內的CO2濃度在白天會逐漸降低，對照棚的CO2濃度在13：00—17：00時間段內低于室外。釀熱棚和對照棚09：00—17：00平均CO2濃度分別為 1 883.6、483.7 mg/mL，釀熱棚的CO2濃度比對照棚高 289.4%。植物光合作用的CO2飽和點一般為1 000 mg/mL左右[26]，說明對照棚CO2濃度遠遠不能滿足植物光合作用的需求，在釀熱棚中微生物通過新陳代謝分解有機物產生的CO2可以為植物光合作用提供充足的原料。

2.7 陰雪天堆肥釀熱對大棚環境的影響

典型陰雪天（2015年12月12日）釀熱棚和對照棚環境變化如圖7所示。該日是降雪后第2天，當天未揭保溫被。釀熱棚、對照棚、室外空氣平均溫度分別為8.8、5.5、-1.2 ℃，釀熱棚內平均氣溫比對照棚高3.3 ℃。釀熱棚、對照棚、室外最高氣溫均出現在12：00左右，分別為11.7、8.0、1.5 ℃;釀熱棚和對照棚最低氣溫均出現在24：00左右，分別為4.9 ℃和2.9 ℃，室外最低氣溫出現在07：00左右，為 -2.6 ℃。可見，陰雪天釀熱棚和對照棚內最大溫差分別為6.8 ℃和5.1 ℃。

在釀熱棚和對照棚中，由于未揭保溫被空氣濕度和CO2濃度變化幅度不大。釀熱棚和對照棚中全天平均空氣濕度分別為94%和96%，且最低空氣濕度均保持在80%以上，說明添加釀熱物對陰雪天大棚內空氣濕度影響不大。釀熱棚中CO2濃度遠遠高于對照棚，09：00—17：00平均CO2濃度達到了 2 298.3 mg/L，是對照棚的4.1倍。

3 結論

番茄秸稈堆肥采用豬糞為調理劑時有較高的發酵溫度且持續時間長，發酵腐熟后除EC值偏高外，pH值、總孔隙度及大小孔隙度比例均適宜，所以調整EC值后可作為理想的栽培基質。

利用番茄秸稈堆肥產生的熱量，可改善冬季大棚內的環境條件。通過堆肥釀熱可使冬季大棚內平日均氣溫提高 4.2 ℃，日最低氣溫平均提高4.6 ℃。釀熱棚中低于10 ℃的天數明顯減少，這主要是由于堆肥釀熱有效地提高了冬季大棚夜間溫度。此外，通過堆肥還可提高大棚內CO2濃度，而對大棚內空氣濕度變化影響不大。

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