添加有機物對玉米秸稈發酵中氮素轉化及微環境的影響

孫曉華,李曉靜,劉杰才,孫 婧,張之為

(內蒙古農業大學 園藝與植物保護學院,內蒙古 呼和浩特 010019)

截至2017年,中國設施園藝面積已達391.5萬 hm2,成為世界上設施園藝面積最大的國家,特別是具有中國特色的節能日光溫室實現了在北緯34°～42°、冬季不加溫的情況下進行茄果類蔬菜的生產[1-2]。由于日光溫室種植作物種類單一且復種指數高[3]、亞環境條件下過量投入氮肥[4-5]、肥料利用效率偏低[6],且溫室內土壤水分運移區別于露地,致使以硝酸鹽為主的鹽分大量積聚于土壤表層[7],隨著日光溫室使用年限的延長,溫室內土壤次生鹽漬化趨于嚴重,從而降低溫室可持續利用率[8-9]。目前,生物反應堆發酵生成的腐殖質等有機物是有效的日光溫室土壤生物改良劑[10-11]。有文獻報道,秸稈生物反應堆添加生物碳能有效改善土壤質量、提高作物產量[12]。此外,冬季日光溫室應用生物反應堆還能提高栽培床土壤溫度和溫室空間內CO2濃度[13-14],有效克服了日光溫室冬春季節土壤低溫和寡CO2環境對作物產量和品質的限制[15-16]。生物反應堆熱量產生及CO2生成量因反應物成分、菌種種類及發酵因子不同而異。以秸稈為主的各種生物反應材料在栽培床發酵過程中,產生的CO2和熱能顯著改善栽培床周圍的微環境。一般生物反應堆僅以玉米秸稈為單一反應物,改變反應堆組成會顯著影響CO2的生成量[17],如用小麥秸稈代替玉米秸稈,則發酵生成CO2的量高于玉米秸稈中的生成量[18]。如何提升玉米秸稈應用于溫室生物反應堆的微環境效應,加大其配效作用,研究結果各不相同。劉凱等[19]認為添加不同比例的牛糞有利于堆肥發酵并提高反應溫度,但未分析反應的微環境效應。段曉婷等[20]研究發現,在玉米秸稈中添加一定比例的羊糞有利于CO2的產生。然而,目前關于生物反應堆中不同有機物添加的微環境效應卻鮮見報道。

本研究以不同有機物與玉米秸稈混合物為研究對象,通過室內常溫密閉培養研究其氮素礦化速率、微環境效應,從而選取最佳組合應用于溫室生物反應堆,旨在改良溫室土壤的同時使冬春季日光溫室栽培作物從生物發酵過程中獲取熱量及補充光合作用所需CO2,為溫室綜合利用生物反應堆技術提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

供試材料為內蒙古農業大學農場成熟期玉米秸稈,充分粉碎,全氮含量為8.24 g/kg。供試土壤為壤土,取自內蒙古農業大學農場日光溫室,pH值6.76,全氮含量為10.24 g/kg。有機物為呼和浩特市牛羊養殖農場的常規牛糞、羊糞、雞糞和殘畜有機物,各物質全氮含量分別為10.04,14.17,16.82,22.53 g/kg。供試有機物樣品在4 ℃環境下干燥后備用。供試菌種為山東綠隴生物科技有限公司生產的有機物料腐熟劑,有效活性菌數≥0.5億個/g。

試驗設置對照CK(土壤+玉米秸稈)、4個處理分別為牛糞+玉米秸稈(D)、羊糞+玉米秸稈(S)、雞糞+玉米秸稈(C)、殘畜有機物+玉米秸稈(R)。將反應物按質量比2∶3充分混勻,用蒸餾水調節含水量至50%,取1 500 g于培養盒中,添加菌種2.5 g/kg,培養盒留有1/3的空間,密閉后置于室內常溫培養20 d,3次重復。分別于培養0,5,10,15,20 d時測定氮素礦化及微環境效應。

1.2 測定指標與方法

1.2.2 溫度和CO2環境因子檢測 培養過程中采用內置溫度儀(RC-4,江蘇精創電氣股份有限公司)感應探頭自動記錄溫度。每天8:30-9:30時用紅外線氣體分析儀(IR-101,北京均方理化科技研究所)測定CO2體積分數。

1.3 氮素礦化分析方法

氮素礦化速率(μg/(g·d))=(培養后銨態氮含量+培養后硝態氮含量)-(初始銨態氮含量+初始硝態氮含量)/培養天數[23]。

1.4 數據處理

運用Excel 2013軟件處理數據,采用Duncan′s多重比較法分析數據。

2 結果與分析

2.1 不同反應物構成對氮素無機礦化的影響

不同大寫字母表示1%顯著水平。圖2-8同。Different capital letters indicate significance at 1%. The same as Fig.2-8.

圖2 不同反應物培養過程中含量變化Fig.2 Change of content in different reactants during culture

由圖3可知，S和R中無機氮礦化速率呈現出相似的變化趨勢，即隨著發酵時間的延長，氮素礦化速率逐漸降低；D反應物中無機氮的礦化速率在發酵6～10 d時為1.73 μg/(g·d)，在1%水平顯著高于CK(0.33 μg/(g·d))，其他發酵時期與CK相比無顯著性變化；C中氮素礦化速率在發酵16～20 d(-0.70 μg/(g·d))時與CK相比在1%水平顯著降低，其他發酵時期與CK相比無顯著性變化。由圖4可知，整個發酵期內，R(3.21 μg/(g·d))、S(2.06 μg/(g·d))和D(1.21 μg/(g·d))中總氮素礦化速率在1%水平顯著高于CK(0.49 μg/(g·d))，而C中總氮素礦化速率為0.28 μg/(g·d)，故總氮素礦化速率依次為R>S>D>CK>C。因此，玉米秸稈與殘畜有機物、羊糞、牛糞混合可加速反應物中氮素礦化的進程。

圖3 不同反應物各培養階段氮素礦化速率Fig.3 Nitrogen mineralization rates of different reactants in each culture stage

圖4 不同反應物在整個培養階段的氮素礦化速率Fig.4 Nitrogen mineralization rate of different reactants during whole culture stage

2.2 不同反應物構成對溫度變化的影響

有機物與玉米秸稈發酵產生熱量效應的大小因有機物的種類而異,由圖5可知,CK和各處理反應堆中的溫度均隨著發酵時間的延長呈現先升高后降低的趨勢,且除C之外,D(63.6 ℃)、S(55.4 ℃)和R(63.3 ℃)的溫度峰值均出現在發酵11 d時,且均在1%水平顯著高于CK(47.3 ℃)；而C(58.4 ℃)的溫度峰值提前于其他反應堆,之后便逐漸降低至與CK接近,且前期溫度高、高溫持續時間短,高于45.0 ℃的持續時間為7 d,從14 d開始溫度降低到40.0 ℃以下。R中高溫持續時間長于CK和其他處理,其中高于50.0 ℃的持續時間可達12 d；而D、S中高于55.0 ℃的持續時間分別為7,3 d,其中D與R中溫度變化趨勢類似。反應堆內溫度高、高溫持續時間久,有益于提高環境的溫度。由圖6可知,在整個發酵期間,D、S、C和R處理反應堆中的累積溫度分別為563.0,518.2,421.6,612.1 ℃，均在1%水平顯著高于CK(294.5 ℃),故累積溫度依次為R>D>S>C。

圖5 不同反應物培養過程中生物反應堆的溫度Fig.5 Temperatures of biological reactor in different reactants during culture stage

圖6 不同反應物在整個培養期內的累積溫度Fig.6 Accumulated temperatures of different reactants during whole culture stage

2.3 不同反應物構成對CO2生成的影響

由圖7可知,各處理中CO2逸散量均呈現先升高后降低的趨勢,但是玉米秸稈中添加不同有機物發酵產生CO2的動態和逸散量不同。發酵5 d時，D、C、R中CO2逸散量分別為3 528，3 574，3 460 μL/L，均在1%水平顯著高于CK(1 420 μL/L)；發酵8 d時D(4 106 μL/L)、C(4 416 μL/L)和R(5 386 μL/L)中CO2逸散量均在1%水平顯著性高于CK(2 826 μL/L)；發酵11～20 d時,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%水平顯著高于CK(1 571～3 285 μL/L)。R中CO2逸散量前期增長速率最快、后期降低速率也較快,且CO2逸散量為4 000 μL/L以上的持續時間是10 d；C中CO2逸散集中在2～8 d,從8 d開始,逸散量開始下降,但在14 d之前CO2逸散量仍高于CK；S中CO2逸散量持續上升至17 d,從11 d至發酵結束,CO2逸散量均維持在4 000 μL/L以上；D中CO2逸散持續上升到第14天,之后開始下降,CO2逸散量為4 000 μL/L以上的持續時間為9 d。由圖8可知,在整個發酵期內,反應堆CO2逸散總量依次為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總逸散量均在1%水平顯著高于CK(15 460 μL/L)。

圖7 不同反應物培養過程中CO2逸散量Fig.7 Emission of CO2 in different reactants during culture stage

3 結論與討論

前人研究發現,在日光溫室中應用生物反應堆可以改善土壤理化性質、提高土壤微生物活性、減少氮素流失、加速腐殖化進程[24]、增加土壤中有機質含量[25]、熱量及CO2生成量,進而提高作物產量及品質。日光溫室生物反應堆中的反應物在微生物作用下進行發酵,其生命活動由反應物中的碳提供能量[26],所需ATP則由氮素提供。當發酵反應物中氮含量提高時能夠為微生物提供足夠的ATP合成物質,而反應物中碳含量高時,盡管微生物生命活動有充足的營養物質,但因缺少合成ATP的氮素,而使其生命活性降低、減緩反應進程[27]。因此,要使反應堆發酵的環境效應滿足日光溫室冬季栽培作物的需要,必須同時提供微生物活動所需的碳素及氮源[28]。冬季在日光溫室中利用生物反應堆,一方面發酵形成的有機物能被植物利用,另一方面發酵過程中釋放出的熱量和CO2也可以改善溫室內作物的生長環境。就反應堆發酵產生的熱量而言,溫度較高且持續時間較長,才具有改善日光溫室冬季土壤低溫的效果。日光溫室屬于半封閉環境,作物對CO2的需求應滿足濃度適宜且持續時間較長的條件。前人關于發酵的研究以營養物質的形成、發酵進程的影響因素、對環境產生的影響等為主,而對于發酵組成物對有機物礦化及其微環境效應的影響研究較少。

有機物發酵產生熱量的多少及熱量持續時間的長短受發酵物料種類及比例的影響,熱量產生能力及持續時間直接反映有機物發酵腐熟程度和消除致病菌和寄生蟲卵的程度。前人研究表明，發酵溫度達50 ℃以上持續5～7 d或者高于55 ℃持續4 d,發酵產物將完全達到腐熟程度且無害化[34]。本研究中不同類型有機肥的添加使玉米秸稈發酵后累積溫度均顯著提高,前期溫度升高且持續時間增長,說明試驗中玉米秸稈與有機肥能夠充分腐熟,被用于作物栽培時可以提供熱量,并改變微生物的構成,有利于土壤性狀的改良。

針對日光溫室生物反應堆的應用,其效應主要是土壤培肥、土壤增溫、CO2施肥。生物反應堆中僅用玉米秸稈,發酵速率低,反應物中碳的轉化能力減弱、影響發酵過程中CO2氣體的生成量[35]。本研究結果表明,所有處理中CO2逸散總量均顯著高于CK,故通過改變生物反應堆中發酵物的組成可以提高日光溫室環境內CO2的濃度,有利于緩解冬季日光溫室封閉條件下作物光合受限于寡CO2制約的影響。綜合考慮本研究中反應物的氮素礦化速率、CO2逸散量、熱量產生量及持續時間,殘畜有機物+玉米秸稈被視為最佳有機物組合。因此,通過改變反應堆中有機物的配比,添加含氮量高的有機物來提高發酵體系的氮源濃度,可加速反應物中氮素礦化的進程、提高累積溫度和CO2逸散總量,這對于日光溫室冬季生產有重要意義。