番茄秸稈堆肥發(fā)酵特性及對冬季大棚環(huán)境的影響

高寧 李建明 孔政

摘要：以番茄秸稈為主要的發(fā)酵材料，分別選取菇渣、牛糞、豬糞、菇渣+牛糞和菇渣+豬糞為調(diào)理材料，研究不同調(diào)理劑對番茄秸稈發(fā)酵特性的影響，探討番茄秸稈堆肥釀熱對冬季大棚環(huán)境的調(diào)控作用。結(jié)果表明，在番茄秸稈堆肥過程中，以豬糞為調(diào)理劑時發(fā)酵產(chǎn)熱維持時間最長，35 ℃以上維持天數(shù)可達44 d。發(fā)酵過程中，各處理堆肥都呈堿性，發(fā)酵結(jié)束時各處理EC值均高于3.6 mS/cm，其中以豬糞為調(diào)理劑的堆體EC值始終最高。發(fā)酵腐熟后，各處理容重差異不大，以豬糞為調(diào)理劑的堆體大小孔隙比最大，而以菇渣為調(diào)理劑的堆體大小孔隙比最小。環(huán)境試驗結(jié)果表明，試驗期間利用番茄秸稈和豬糞混合堆肥產(chǎn)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(diào)理劑進行的番茄秸稈堆肥，在調(diào)整EC值后可作為理想的栽培基質(zhì)，且利用其發(fā)酵產(chǎn)生的熱量可改善大棚中的環(huán)境條件。

關鍵詞：番茄;秸稈;調(diào)理劑;發(fā)酵;堆肥釀熱;大棚環(huán)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(qū)，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(chǎn)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(nèi)部光照條件較差，影響作物的生長;塑料大棚內(nèi)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(jié)構(gòu)的大跨度保溫大棚，但在冬季需要增加供熱設施[2]。堆肥發(fā)酵可以產(chǎn)生大量的熱量，冬季利用其作為供熱來源可以節(jié)省生產(chǎn)成本。孫亞文等通過建造秸稈發(fā)酵示范蔬菜大棚發(fā)現(xiàn)，利用秸稈發(fā)酵可以提高大棚溫度，促進蔬菜生長[3]。但不同堆肥原料產(chǎn)熱效果不同，釀熱物對大棚內(nèi)環(huán)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(jù)統(tǒng)計，2014年番茄設施栽培面積已達101.7萬hm2，年秸稈產(chǎn)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(huán)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(fā)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]?？梢姡l(fā)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(chǎn)提供量，實現(xiàn)秸稈的資源化利用[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)理劑作為調(diào)控堆肥碳氮比的物質(zhì)，對堆肥發(fā)酵進程有重要的影響[10]。農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的碳氮等元素，可作為堆肥發(fā)酵的調(diào)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(xù)時間最長，添加礱糠灰的堆體高溫持續(xù)時間最短[11]。胡偉桐等以生物瀝浸污泥為堆肥原料，發(fā)現(xiàn)以麥糠作為調(diào)理劑能夠提高堆肥溫度，延長高溫階段持續(xù)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(diào)理劑。

本試驗選取番茄秸稈為主要的發(fā)酵材料，以常見的農(nóng)業(yè)廢棄物為調(diào)理劑，進行堆肥發(fā)酵，研究不同調(diào)節(jié)劑對堆體發(fā)酵過程中溫度及理化性質(zhì)的影響，并篩選出產(chǎn)熱效果最好的堆肥原料組合，利用其發(fā)酵的產(chǎn)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(nèi)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(nóng)林科技大學試驗基地內(nèi)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(qū)，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?shù)刂苓呣r(nóng)戶。各堆肥原料基本性質(zhì)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(diào)理劑，每個處理10 kg番茄秸稈，按調(diào)節(jié)堆料碳氮比至20 ∶ 1的量將調(diào)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(diào)理劑后，加入發(fā)酵物總質(zhì)量3%的EM菌劑，將相對含水量調(diào)至60%左右，混合均勻，采用靜態(tài)高溫堆腐。為保證堆體充分進行好氧發(fā)酵，每15 d進行1次翻堆，堆肥周期為75 d。

1.3 冬季大棚環(huán)境試驗

供試大棚為2個結(jié)構(gòu)相同的非對稱塑料大棚。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu);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(nèi)北側(cè)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(nèi)所加堆肥原料為堆肥試驗選出的產(chǎn)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(jié)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(huán)境數(shù)據(jù)的測定采用哈爾濱物格環(huán)境記錄儀，其中，堆體溫度取堆體中心溫度，大棚環(huán)境數(shù)據(jù)取自大棚中心距地面1.5 m處。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理分析，采用Excel 2013繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)理劑對番茄秸稈堆肥過程中堆體溫度的影響

堆肥發(fā)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(diào)理劑后，各堆體溫度均呈先上升后下降的變化趨勢，即均經(jīng)歷了升溫期、高溫期和降溫腐熟期，說明添加的5種不同調(diào)理劑均可使番茄秸稈進行有效的發(fā)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(fā)酵溫度在40～65 ℃之間為最佳發(fā)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(xù)4、6、12、8、6 d，其中，T3處理可達到的最高溫度為63.9 ℃。根據(jù)中國糞便無害化衛(wèi)生要求[16]，在發(fā)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(diào)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(nèi)溫度較低且持續(xù)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(shù)分別可維持28、21、44、22、41 d。表明番茄秸稈添加豬糞發(fā)酵釀熱效果最好，其次為菇渣+豬糞。

2.2 不同調(diào)理劑對番茄秸稈堆肥過程中pH值的影響

pH值在發(fā)酵過程中是影響微生物活動的重要因素，也是評價發(fā)酵物是否腐熟的重要指標之一[11]。在發(fā)酵過程中，中性或者弱堿性的環(huán)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(fā)酵過程中，堆肥都呈堿性，這與前人研究結(jié)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(tài)氮含量、乙酸和丁酸等有機酸的分解以及氨氣的揮發(fā)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(xiàn)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(tài)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(tài)氮通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)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(diào)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(diào)理劑對番茄秸稈堆制過程中EC值的影響相似，均在發(fā)酵0～60 d內(nèi)，EC值總體呈現(xiàn)出上升趨勢，之后相對穩(wěn)定（圖3）。T3處理的EC值一直最高，T1處理的EC值最小。發(fā)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(diào)理劑的堆體EC值過高，而菇渣作為食用菌栽培基質(zhì)，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(diào)理劑對番茄秸稈堆肥物理性質(zhì)的影響

堆肥發(fā)酵腐熟后可用作作物生長栽培基質(zhì)，其物理性質(zhì)對作物生長有很大的影響。研究認為，適宜作物生長的基質(zhì)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(diào)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(jié)果[5]相一致。這表明腐熟后的基質(zhì)均適宜作為作物栽培基質(zhì)?；|(zhì)總孔隙度由大孔隙和小孔隙構(gòu)成，大孔隙反映了基質(zhì)的通氣性，而小孔隙反映了基質(zhì)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(qū)最冷時節(jié)（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(huán)境進行比較，結(jié)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(diào)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(fā)酵時間。2試驗大棚室內(nèi)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(nèi)日平均氣溫比對照棚平均高4.2 ℃。該時間段內(nèi)釀熱棚共有6 d室內(nèi)平均氣溫低于10 ℃;有9 d室內(nèi)平均氣溫高于 15 ℃;其他時間室內(nèi)平均氣溫均在10～15 ℃范圍內(nèi)。對照棚共有17 d室內(nèi)平均氣溫高于10 ℃;其他時間室內(nèi)平均氣溫均在0～10 ℃范圍內(nèi)。這表明堆肥釀熱可提高冬季大棚內(nèi)的環(huán)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(xù)的時間。通過對比釀熱棚和對照棚內(nèi)最低氣溫發(fā)現(xiàn)，釀熱棚內(nèi)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(fā)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(huán)境的影響

典型晴天（2015年12月16日）釀熱棚和普通棚內(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)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(wěn)，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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(huán)境的影響

典型陰雪天（2015年12月12日）釀熱棚和對照棚環(huán)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)在24：00左右，分別為4.9 ℃和2.9 ℃，室外最低氣溫出現(xiàn)在07：00左右，為 -2.6 ℃?？梢姡幯┨灬劅崤锖蛯φ张飪?nèi)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(nèi)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(jié)論

番茄秸稈堆肥采用豬糞為調(diào)理劑時有較高的發(fā)酵溫度且持續(xù)時間長，發(fā)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(diào)整EC值后可作為理想的栽培基質(zhì)。

利用番茄秸稈堆肥產(chǎn)生的熱量，可改善冬季大棚內(nèi)的環(huán)境條件。通過堆肥釀熱可使冬季大棚內(nèi)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(shù)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(nèi)CO2濃度，而對大棚內(nèi)空氣濕度變化影響不大。

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