地埋式秸秆反应堆技术对土壤呼吸及番茄植株生长的影响

摘要 以番茄为试验材料，研究不同秸秆反应堆处理对温室大棚土壤温度、二氧化碳通量以及番茄植株生长、产量和品质的影响。结果表明，行内秸秆反应堆较行间秸秆反应堆处理能够增加番茄大棚土壤温度3.1～4.5 ℃。秸秆反应堆处理技术可以有效解决晴天上午和下午日光温室内CO₂亏缺问题，提高不同生育阶段番茄株高、茎粗和叶绿素含量、叶片光合特性，提高果实维生素Ｃ含量、游离氨基酸含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、番茄红素含量，降低硝酸盐含量；与CK相比，行内反应堆处理番茄产量增加5.18%。秸秆反应堆提高了土壤温度，促进了植株生长，能够促进番茄提早15～20 d转色，促使番茄提早上市，其中BR处理效果最好，BR-S和BR-D处理次之。

关键词 番茄；秸秆反应堆；土壤温度；土壤呼吸；品质

中图分类号 S 626 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）16-0166-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.16.037

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Buried Straw Reactor Technology on Soil Respiration and the Growth of Tomato Plants

MA Feng-jie，LIU Qiang，WANG Zhen-long et al

（Gansu Academy of Agri-engineering Technology，Lanzhou，Gansu 730030）

Abstract Using tomato as experimental materials，the effects of different straw reactor treatments on soil temperature，carbon dioxide flux and tomato plant growth，yield and quality were studied.The results showed that compared with the inter-row straw reactor treatment，the in-row straw reactor treatment could increase the soil temperature of tomato greenhouse by 3.1-4.5 ℃.The treatment technology of the in-row straw reactor could effectively solve the CO₂ deficit in the solar greenhouse in the morning and afternoon on sunny days，significantly improve the plant height，stem diameter，chlorophyll content，leaf photosynthetic characteristics，and vitamin C content，free amino acids，soluble protein，soluble sugar and lycopene content of tomato at different growth stages，and reduce nitrate content.The yield of tomato in row reactor increased by 5.18%.Straw reactor increased soil temperature and promoted plant growth，which could promote the color transformation of tomatoes 15-20 days earlier and promote the early market of tomatoes.BR treatment had the best effect，followed by BR-S and BR-D.

Key words Tomato;Straw reactor;Soil temperature;Soil respiration;Quality

基金项目 甘肃省民生科技专项-社会发展专题（21CX6FA028）；甘肃省2023年度重点人才项目“河西灌区新建高标准农田地力提升技术模式集成与创新人才培养”；甘肃省软科学项目（23JRZH346）。

作者简介 马凤捷（1993—），女，甘肃定西人，研究实习员，硕士，从事土壤资源评价及可持续利用研究。*通信作者，研究员，从事土壤学相关研究。

收稿日期 2023-07-24；修回日期 2023-08-21

番茄营养丰富、经济效益好，在设施生产中棚体密闭、CO₂ 浓度低等是制约番茄优质高产的主要因素^［1］。研究表明，在温室内应用秸秆反应堆技术能够有效解决温室内温度低、CO₂亏缺、作物生长较慢、病虫害严重等限制设施瓜菜生产的突出问题^［2］。

秸秆生物反应堆技术是农业增产、增质、增效的有机栽培技术，可将农作物秸秆转化为蔬菜生长所需要的二氧化碳、热量、抗病孢子、有机和无机养分等，进而获得高产、优质、无公害的农产品^［3］。秸秆还田可以显著改善土壤的物理性状，植株累积的养分可释放到土壤中，改善土壤的肥力^［4］。研究表明，秸秆在土壤中腐熟会产生大量二氧化碳供植物生长，通过此光合作用固定的化合物20%～50%通过植物茎秆和根系组织运送到地下，为土壤微生物及土壤动物提供足够的养料，增加根际有益微生物的多样性，改善土壤生态环境，促进植物生长^［5-6］。微生物在进行秸秆分解时会释放大量的热量，进而提升土壤温度。由于大部分植物的根系都在深度10～30 cm的土壤中活动，所以对于这一区域土壤，秸秆反应堆提升地温的作用极为显著，既可以解决温室越冬地温低的难题，又可以解决早晨因温室内气温骤降而引起的室温与地温不协调的问题，缓解幼苗期植株生长缓慢问题^［7］。秸秆还田是我国现行的重要土壤培肥措施之一，其腐解产物可转化形成土壤腐殖质，而还田秸秆的腐解及腐殖化过程又受到土壤有机碳、氮含量等因素的影响，但自然状态下秸秆碳氮比较高，难以被微生物分解利用。综合利用不同的外源氮对水稻秸秆的腐熟效果最佳^［8-9］，秸秆腐熟剂、尿素、激发剂等物质是秸秆反应堆在腐熟过程中必须添加的物质。适宜条件下，微生物菌剂的添加可以产生大量的有益微生物，加速农作物秸秆的腐解；添加尿素可以调节土壤碳氮比，使其达到适当的比例；添加激发剂有助于秸秆的腐解^［10-12］。

温室大棚垄上设置秸秆反应堆技术，能够显著增加空气二氧化碳浓度。二氧化碳是农作物生长必需的营养物质，二氧化碳浓度会显著影响植物的生长趋势。高浓度的二氧化碳能够促进作物的光合作用，进而达到增产增质的目的^［13］。李军见^［14］研究表明越冬番茄设置秸秆反应堆能够提高表层土壤温度1～2 ℃，二氧化碳浓度增加2倍左右，番茄提早上市9 d以上，产量增加28.6%，经济收益增加39.3%；春茬辣椒成熟期提早10 d，增产26%；甜瓜表层土壤地温增加2～3 ℃，二氧化碳浓度增加1倍，产量增加55.6%。王继涛^［15］研究表明内置式秸秆反应堆能够使番茄开花期提前，增加番茄株高、茎粗、维生素C含量、游离氨基酸含量，降低硝酸盐含量。该试验在日光温室番茄生产过程中，研究内置式和外置式秸秆反应堆对日光温室内CO₂通量和番茄植株生长、产量以及果实品质的影响，旨在为秸秆反应堆技术在早春河西温室大棚的应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022年4月1日在甘肃省农业工程技术研究院试验基地日光温室（37.67°N，102.85°E）进行。供试作物为番茄，供试土壤为前茬种植豆角的土壤，播前土壤理化性状如下：有机质含量13.2 g/kg，pH 8.2，全氮含量0.62 g/kg，碱解氮含量72.2 mg/kg，有效磷含量89.5 mg/kg，速效钾含量106.5 mg/kg。

1.2 试验设计

行内反应堆：试验在定植垄下开挖3行深30 cm、宽80 cm的秸秆填埋槽，每行长×宽8.5 m×0.8 m，槽内铺置秸秆52 500 kg/hm²，铺置后将秸秆腐熟剂（45 kg/hm²）和水以质量比1∶100的比例混匀，用喷雾器均匀喷洒至填埋槽内的秸秆上；然后，再添加尿素225 kg/hm²、激发剂1 500 kg/hm²；添加后，将挖出的原土回填至填埋槽，秸秆上覆盖土壤，形成高30 cm、宽80 cm的垄面，每垄均施尿素2 kg、过磷酸钙2 kg、硫酸钾3 kg，混合均匀。

行间反应堆：试验在定植垄间开挖3行深30 cm、宽40 cm 的秸秆填埋槽，每行长×宽8.5 m×0.4 m，槽内铺置秸秆、秸秆腐熟剂、尿素、激发剂（按比例添加）；添加后，将挖出的原土回填至填埋槽，秸秆上覆盖土壤，形成高度30 cm、宽40 cm的沟面。

整体将行内反应堆和行间反应堆用直径1 cm的钢管垂直垄面间隔40 cm均匀打孔（使秸秆堆有空气进入），深度30 cm左右；最后，用滴灌将定植垄滴透，放置20～30 d后种植作物。

试验设计见表1，小区试验设计示意图如图1所示。

1.3 试验测定指标

1.3.1 土壤。

土壤温度：用温度自动监测仪测定；传感器分别插入大棚内土表以下10、20、40 cm处，每隔15～20 d分别在早、中、晚定时自动记录。

二氧化碳通量：在田间布设土壤呼吸圈，采用原位监测土壤呼吸，使用土壤碳通量测量系统 LI-8100 测定土壤呼吸速率。在每个小区设置1个内径20 cm、高10 cm的 PVC 管底座，将底座嵌入土壤，顶端距离地面高2 cm。

为防止嵌入呼吸圈短期内对土壤呼吸的影响，在固定好呼吸圈并清除呼吸圈内植物后，间隔24 h再测定土壤呼吸速率（R_s）。移栽番茄苗20 d后，监测土壤呼吸速率时选择2个连续晴朗无风日测定09：00—18：00土壤呼吸日变化，每次间隔2 h，数据采集频率为每2 s记录1次数据，测量时长120 s；监测土壤呼吸速率的同时，使用便携式土壤温度传感器和湿度传感器测定土壤10 cm处的温度和湿度。第1次监测时间点为初始点，此后每隔20 d进行1次监测，选择天气晴朗时进行监测，具体监测时间为09：00—11：00，直至番茄成熟。

1.3.2 番茄植株。

1.3.2.1 番茄长势。测定番茄植株的高度、茎粗。

1.3.2.2 番茄叶片。分别在开花期、果实膨大期、果实成熟期利用便携式光合仪Li-6400XT测定净光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、蒸腾速率，使用叶绿素仪测定叶绿素含量。

1.3.2.3 根系形态。各个生育时期使用根系扫描仪测定根长、根系表面积、根体积。

1.3.2.4 番茄产量。从第1次采摘开始，每隔5～7 d进行1次采摘并记录番茄重量，采摘结束后统计单株重量和每个处理重量。最后，将所有的番茄重量进行统计相加，计算每个处理番茄产量。

1.3.2.5 品质指标。测定指标包括维生素C、可溶性蛋白、游离氨基酸、番茄红素、硝酸盐、可溶性糖等含量。

1.4 水肥管理

反应堆布置完成后，秸秆上施用微生物有机肥（果蔬专用）2 250 kg/hm²。在做畦覆土中间层撒化肥，每垄施2 kg过磷酸钙、2 kg尿素、3 kg硫酸钾。反应堆上设置滴灌带，每20 d浇水1次，果实生长期追施2次复合肥。

1.5 数据处理

采用Excel汇总数据并制表，使用SPSS 26.0统计软件进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆反应堆处理对土壤温度的影响

2.1.1 不同秸秆反应堆处理土壤温度的日变化规律。

由表2可知，一天之内，随着时间的变化，土壤温度呈现先升高后降低的趋势，13：00—17：00土壤温度较高；随着土层深度的增加，对照处理早上呈现先升高后降低的趋势，中午呈现逐渐降低的趋势；随着土层深度的增加，行间反应堆早上呈现先升高后降低的趋势，中午呈现逐渐降低的趋势；随着土层深度的增加，行内反应堆早上呈现逐渐升高的趋势，中午呈现逐渐降低的趋势。在秸秆生物反应堆发酵过程中，秸秆生物反应堆均能提高土壤温度，其中行内秸秆反应堆处理对日光温室内土壤温度的提升效果最好，行间反应堆次之。