高宁 李建明 孔政

摘要：以番茄秸秆为主要的发酵材料，分别选取菇渣、牛粪、猪粪、菇渣+牛粪和菇渣+猪粪为调理材料，研究不同调理剂对番茄秸秆发酵特性的影响，探讨番茄秸秆堆肥酿热对冬季大棚环境的调控作用。结果表明，在番茄秸秆堆肥过程中，以猪粪为调理剂时发酵产热维持时间最长，35 ℃以上维持天数可达44 d。发酵过程中，各处理堆肥都呈碱性，发酵结束时各处理EC值均高于3.6 mS/cm，其中以猪粪为调理剂的堆体EC值始终最高。发酵腐熟后，各处理容重差异不大，以猪粪为调理剂的堆体大小孔隙比最大，而以菇渣为调理剂的堆体大小孔隙比最小。环境试验结果表明，试验期间利用番茄秸秆和猪粪混合堆肥产生的热量可使冬季大棚的日平均气温提高4.2 ℃，日最低气温平均提高4.6 ℃。在晴天和阴雪天酿热棚较对照棚的夜间气温和CO2浓度均有提高，空气湿度变化不大。表明以猪粪为调理剂进行的番茄秸秆堆肥，在调整EC值后可作为理想的栽培基质，且利用其发酵产生的热量可改善大棚中的环境条件。

关键词：番茄;秸秆;调理剂;发酵;堆肥酿热;大棚环境

中图分类号： S141.4  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）14-0172-06

在我国北方地区，蔬菜作物的设施栽培主要是利用日光温室和塑料大棚，但在实际生产中日光温室和塑料大棚均存在一定的不足。日光温室保温性能较好，但由于后墙的遮挡，内部光照条件较差，影响作物的生长;塑料大棚内光照充足，但保温性差，在冬季无法进行蔬菜作物的栽培[1]。为此，王明喜等设计建造了无墙体结构的大跨度保温大棚，但在冬季需要增加供热设施[2]。堆肥发酵可以产生大量的热量，冬季利用其作为供热来源可以节省生产成本。孙亚文等通过建造秸秆发酵示范蔬菜大棚发现，利用秸秆发酵可以提高大棚温度，促进蔬菜生长[3]。但不同堆肥原料产热效果不同，酿热物对大棚内环境变化有很大的影响。因此，在冬季大棚中利用堆肥作为供热源时，选择适宜的堆肥原料至关重要。

番茄是我国设施栽培主要的蔬菜作物之一。据统计，2014年番茄设施栽培面积已达101.7万hm2，年秸秆产生量为3.4亿t[4-5]。这些秸秆大部分被直接焚烧，不仅对环境造成了污染，而且还造成了资源的浪费。番茄秸秆中含有大量的有机物，通过微生物高温好氧发酵可以将这些有机物分解为植物能够直接吸收利用的成分[6-7]。可见，发酵堆肥可以作为处理秸秆的有效手段之一，也可以为大棚生产提供量，实现秸秆的资源化利用[8-9]。研究发现，调理剂作为调控堆肥碳氮比的物质，对堆肥发酵进程有重要的影响[10]。农业废弃物中含有大量的碳氮等元素，可作为堆肥发酵的调理剂。张建华等研究认为，以猪粪为堆肥原料时，添加木屑的堆体升温最快，且高温持续时间最长，添加砻糠灰的堆体高温持续时间最短[11]。胡伟桐等以生物沥浸污泥为堆肥原料，发现以麦糠作为调理剂能够提高堆肥温度，延长高温阶段持续时间[12]。但未有研究报道以番茄秸秆为堆肥原料时的适宜调理剂。

本试验选取番茄秸秆为主要的发酵材料，以常见的农业废弃物为调理剂，进行堆肥发酵，研究不同调节剂对堆体发酵过程中温度及理化性质的影響，并筛选出产热效果最好的堆肥原料组合，利用其发酵的产热过程，研究堆肥酿热大棚与普通大棚的性能差异，皆在为堆肥酿热在大棚内的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

试验于2015年9月至2016年1月在西北农林科技大学试验基地内进行，试验地位于34°20′N，108°07′E，属暖温带季风半湿润气候区，年降水量635.1～663.9 mm，年均气温 12.9 ℃。所用堆肥原料菇渣、牛粪、猪粪和番茄秸秆均取自当地周边农户。各堆肥原料基本性质见表1。

1.2 堆肥试验

堆肥试验于2015年9月1日开始，在遮雨棚中进行。分别以菇渣、牛粪、猪粪、菇渣+牛粪和菇渣+猪粪为调理剂，每个处理10 kg番茄秸秆，按调节堆料碳氮比至20 ∶ 1的量将调理剂加入到番茄秸秆中进行混合堆肥，添加量如表2所示，每个处理3次重复。添加调理剂后，加入发酵物总质量3%的EM菌剂，将相对含水量调至60%左右，混合均匀，采用静态高温堆腐。为保证堆体充分进行好氧发酵，每15 d进行1次翻堆，堆肥周期为75 d。

1.3 冬季大棚环境试验

供试大棚为2个结构相同的非对称塑料大棚。主要结构参数为跨度17 m（南屋面跨度10 m，北屋面跨度7 m），长度30 m，脊高5.1 m，镀锌钢桁架结构;覆盖材料为聚乙烯（PE）膜和保温被。其中，以酿热大棚（T-G）作为试验棚，在棚内北侧建有长30 m、宽1 m、深1 m的酿热槽，以无酿热槽的普通非对称塑料大棚为对照棚（CK-G）。酿热大棚中酿热槽内所加堆肥原料为堆肥试验选出的产热效果最好的组合，填充高度为0.8 m，酿热槽表面覆薄膜。

1.4 测定项目和方法

堆肥试验中在堆制0、15、30、45、60、75 d时取样测定电导率（EC）值和pH值。EC值和pH值分别用电导率仪和pH计测定[13]。堆肥结束后参照郭世荣的方法[14]测定容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度。堆体温度和大棚环境数据的测定采用哈尔滨物格环境记录仪，其中，堆体温度取堆体中心温度，大棚环境数据取自大棚中心距地面1.5 m处。

1.5 数据处理

利用Excel 2013和SPSS 19.0进行数据处理分析，采用Excel 2013绘制图形。

2 结果与分析

2.1 不同调理剂对番茄秸秆堆肥过程中堆体温度的影响

堆肥发酵过程主要是微生物通过新陈代谢对有机物进行降解的过程，因此，堆体温度的变化可反映微生物新陈代谢的强度和有机物的分解进程[12]。由图1可知，番茄秸秆添加不同调理剂后，各堆体温度均呈先上升后下降的变化趋势，即均经历了升温期、高温期和降温腐熟期，说明添加的5种不同调理剂均可使番茄秸秆进行有效的发酵分解。在初期，好氧微生物迅速分解有机物，并释放大量热量，堆体温度快速升高。有研究表明，发酵温度在40～65 ℃之间为最佳发酵温度，当温度高于55 ℃时，可以使一些病原微生物死亡[15]。本研究中各堆体温度在堆制第2天时均达到50 ℃以上，T1、T2、T3、T4、T5处理高于50 ℃的堆体温度分别持续4、6、12、8、6 d，其中，T3处理可达到的最高温度为63.9 ℃。根据中国粪便无害化卫生要求[16]，在发酵过程中温度能够在50 ℃以上维持 5～7 d，即可达到无害化标准，说明添加不同调理剂后的番茄秸秆堆肥均达到了这一标准。此外，冬季大棚内温度较低且持续时间较长，为保证作物生长要求，堆肥要维持较长时间的热量供应。T1、T2、T3、T4、T5处理高于35 ℃的天数分别可维持28、21、44、22、41 d。表明番茄秸秆添加猪粪发酵酿热效果最好，其次为菇渣+猪粪。

2.2 不同调理剂对番茄秸秆堆肥过程中pH值的影响

pH值在发酵过程中是影响微生物活动的重要因素，也是评价发酵物是否腐熟的重要指标之一[11]。在发酵过程中，中性或者弱碱性的环境适宜微生物的生活，pH值一般在6.7～8.5之间。从图2可知，在整个发酵过程中，堆肥都呈碱性，这与前人研究结果[5，17]一致。堆肥过程中pH值的变化主要由有机氮矿化形成的铵态氮含量、乙酸和丁酸等有机酸的分解以及氨气的挥发决定[18-19]。在番茄秸秆堆制过程中，T1、T2、T3处理的pH值均呈现出先上升后下降的趋势。堆肥前期，加入微生物分解有机氮形成铵态氮，导致pH值升高，而在中后期微生物的矿化作用减弱，硝化细菌开始活跃，将铵态氮通过硝化作用转变为硝态氮，pH值降低。T4、T5处理的pH值在前期变化不明显，中后期升高后又有所下降，同时T4、T5处理在堆肥的中后期也可维持较高的温度，表明番茄秸秆堆肥过程中添加菇渣+猪粪和菇渣+牛粪有助于有机物后期的分解。

2.3 不同调理剂对番茄秸秆堆肥过程中EC值的影响

EC值的高低可表征可溶性盐含量的多少，适宜植株生长的EC值应低于2.0 mS/cm，若高于3.5 mS/cm，则会抑制植株的正常生长[20-21]。不同调理剂对番茄秸秆堆制过程中EC值的影响相似，均在发酵0～60 d内，EC值总体呈现出上升趋势，之后相对稳定（图3）。T3处理的EC值一直最高，T1处理的EC值最小。发酵完成后各处理EC值均大于 3.6 mS/cm，T3处理的EC值最大，为6.5 mS/cm，T1处理最小，为4.0 mS/cm，其他处理在5.5～5.7 mS/cm 之间。这可能是由于猪粪自身含有较多的可溶性盐[22-23]，导致以其作为调理剂的堆体EC值过高，而菇渣作为食用菌栽培基质，主要成分为粗蛋白、粗脂肪和纖维素等不溶性有机物[11]，随着微生物的分解利用其EC值变高。

2.4 不同调理剂对番茄秸秆堆肥物理性质的影响

堆肥发酵腐熟后可用作作物生长栽培基质，其物理性质对作物生长有很大的影响。研究认为，适宜作物生长的基质容重为0.1～0.8 g/cm3，总孔隙度为54%～96%[24]。由表3可知，添加不同调理剂的番茄秸秆腐熟后容重和总孔隙度差异不显著，容重在0.35～0.45 g/cm3之间，总空隙度在85%左右，与耿风展等的结果[5]相一致。这表明腐熟后的基质均适宜作为作物栽培基质。基质总孔隙度由大孔隙和小孔隙构成，大孔隙反映了基质的通气性，而小孔隙反映了基质的持水性。腐熟后的堆肥大小孔隙比由大到小为T3处理>T2处理>T5处理>T4处理>T1处理，可见添加菇渣可增加番茄秸秆腐熟后的持水性。

2.5 堆肥酿热对冬季塑料大棚气温的影响

选取杨凌地区最冷时节（12月份和1月份）为代表时期，对普通大棚和添加堆肥酿热设施的大棚环境进行比较，结果见图4。堆肥制作于2015年11月25日，原料为番茄秸秆，添加酿热效果最好的猪粪为调理剂。在2015年12月至2016年1月期间，堆体温度均维持在35 ℃以上，较秋季堆肥维持时间长，而最高温度较秋季堆肥低，说明低温影响了微生物活性，延长了堆肥发酵时间。2试验大棚室内日平均气温变化趋势基本一致，但酿热棚日平均气温始终高于对照棚。酿热棚、对照棚和室外2015年12月1日至2016年1月25日平均气温均值分别为13.1、8.9、1.6 ℃，酿热棚内日平均气温比对照棚平均高4.2 ℃。该时间段内酿热棚共有6 d室内平均气温低于10 ℃;有9 d室内平均气温高于 15 ℃;其他时间室内平均气温均在10～15 ℃范围内。对照棚共有17 d室内平均气温高于10 ℃;其他时间室内平均气温均在0～10 ℃范围内。这表明堆肥酿热可提高冬季大棚内的环境温度。

冬季对作物生长影响最大的是最低温度以及最低温度持续的时间。通过对比酿热棚和对照棚内最低气温发现，酿热棚内日最低气温较对照棚平均高4.6 ℃（图5）。在2015年12月1日至2016年1月25日期间，酿热棚中日最低气温低于10 ℃的有46 d，其中仅有4 d低于5 ℃;而对照棚除12月1日外均低于10 ℃，其中有41 d低于5 ℃。植物生长要求气温不能低于最低温度，半耐寒性植物如甘蓝类通常要求冬季温度在0 ℃以上，喜温性植物如番茄在低于10 ℃时生长不良，长时间低于5 ℃能引起冻害[25]，说明在本试验条件下，通过堆肥酿热完全可满足冬季大棚中半耐寒性植物的生长温度需求，也可满足喜温性植物的生长最低温度需求，但为防止发生冻害在低温天需采取临时加温措施。

2.6 晴天堆肥酿热对大棚环境的影响

典型晴天（2015年12月16日）酿热棚和普通棚内气温、湿度及CO2浓度变化如图6所示。当天揭保温被时间为 09：00，盖保温被时间为17：30。酿热棚全天平均气温为 17.7 ℃，较普通大棚高3.0 ℃。在09：00—17：30时间段内，酿热棚和对照棚平均气温分别为24.6 ℃和24.1 ℃，而在非采光时间段内酿热棚和对照棚气温分别为13.6 ℃和9.2 ℃，这说明堆肥酿热有效地提高了冬季大棚夜间温度。在酿热棚内采用热流计测得的夜间酿热槽表面薄膜与空气的平均热流密度为46.2 J/（m2·s），通过计算可得堆肥酿热向空气释放的总热量为7.5×107 J，平均释放热量为5.0×106 J/h。此外，酿热棚最大温差为 19.6 ℃，对照棚最大温差为26.3 ℃，表明酿热棚较对照棚气温变化波动小。

酿热棚和对照棚中空气湿度差异不大且变化趋势大体一致，夜间较为平稳，白天随着气温升高而降低，中午达到最低，下午随着气温降低而升高。酿热棚的CO2浓度远远高于对照棚和室外CO2浓度。大棚内的CO2浓度在白天会逐渐降低，对照棚的CO2浓度在13：00—17：00时间段内低于室外。酿热棚和对照棚09：00—17：00平均CO2浓度分别为 1 883.6、483.7 mg/mL，酿热棚的CO2浓度比对照棚高 289.4%。植物光合作用的CO2饱和点一般为1 000 mg/mL左右[26]，说明对照棚CO2浓度远远不能满足植物光合作用的需求，在酿热棚中微生物通过新陈代谢分解有机物产生的CO2可以为植物光合作用提供充足的原料。

2.7 阴雪天堆肥酿热对大棚环境的影响

典型阴雪天（2015年12月12日）酿热棚和对照棚环境变化如图7所示。该日是降雪后第2天，当天未揭保温被。酿热棚、对照棚、室外空气平均温度分别为8.8、5.5、-1.2 ℃，酿热棚内平均气温比对照棚高3.3 ℃。酿热棚、对照棚、室外最高气温均出现在12：00左右，分别为11.7、8.0、1.5 ℃;酿热棚和对照棚最低气温均出现在24：00左右，分别为4.9 ℃和2.9 ℃，室外最低气温出现在07：00左右，为 -2.6 ℃。可见，阴雪天酿热棚和对照棚内最大温差分别为6.8 ℃和5.1 ℃。

在酿热棚和对照棚中，由于未揭保温被空气湿度和CO2浓度变化幅度不大。酿热棚和对照棚中全天平均空气湿度分别为94%和96%，且最低空气湿度均保持在80%以上，说明添加酿热物对阴雪天大棚内空气湿度影响不大。酿热棚中CO2浓度远远高于对照棚，09：00—17：00平均CO2浓度达到了 2 298.3 mg/L，是对照棚的4.1倍。

3 结论

番茄秸秆堆肥采用猪粪为调理剂时有较高的发酵温度且持续时间长，发酵腐熟后除EC值偏高外，pH值、总孔隙度及大小孔隙度比例均适宜，所以调整EC值后可作为理想的栽培基质。

利用番茄秸秆堆肥产生的热量，可改善冬季大棚内的环境条件。通过堆肥酿热可使冬季大棚内平日均气温提高 4.2 ℃，日最低气温平均提高4.6 ℃。酿热棚中低于10 ℃的天数明显减少，这主要是由于堆肥酿热有效地提高了冬季大棚夜间温度。此外，通过堆肥还可提高大棚内CO2浓度，而对大棚内空气湿度变化影响不大。

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