南京农业大学学报  2018, Vol. 41 Issue (1): 181-189   PDF    
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201704020
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朱奇, 陈青春, 刘玉涛
ZHU Qi, CHEN Qingchun, LIU Yutao
冬季温室土壤中不同方式添加水稻秸秆的腐解及其土温效应研究
Study on the effects of different returning ways on rice straw decomposition and soil temperature in greenhouse in winter
南京农业大学学报, 2018, 41(1): 181-189
Journal of Nanjing Agricultural University, 2018, 41(1): 181-189.
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201704020

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收稿日期: 2017-04-13
冬季温室土壤中不同方式添加水稻秸秆的腐解及其土温效应研究
朱奇 , 陈青春 , 刘玉涛     
南京农业大学工学院/江苏省智能化农业装备重点实验室, 江苏 南京 210031
摘要[目的]分析冬季温室土壤不同方式添加水稻秸秆的土壤温度变化及秸秆腐解率的变化,为探讨水稻秸秆移位用于冬季温室土壤增温提供参考。[方法]考虑秸秆用量、秸秆粉碎、添加养分和添加腐熟菌剂等4个因素,设计了7个秸秆还田方式处理,以不添加秸秆为对照,采用多点温度测量装置测定土壤温度,通过测定秸秆失重率及残余秸秆灰分含量等表征秸秆腐解率。[结果]水稻秸秆辅以牛粪或腐熟菌剂在冬季温室沟埋腐解,可显著提升冬季温室土壤表层土温,有效缩小土壤温差:在冬季气温最低时,水稻秸秆辅以牛粪处理比对照提升土温0.8℃,辅以腐熟菌剂处理比对照提升土温1.1℃;在90 d的试验期间,所有秸秆处理土壤温差平均降低0.7℃,而水稻秸秆辅以牛粪处理土壤温差降低2.0℃,秸秆量为2%的处理土壤温差平均降低2.9℃,但秸秆量为1%且辅以腐熟菌剂处理土壤温差平均降低3.1℃。秸秆在温室内集沟还田并辅以适宜的辅助剂还可提高水稻秸秆的腐解率:试验期结束后,未添加辅助剂的秸秆处理组的秸秆失重率为55.96%,辅以腐熟菌剂处理组的秸秆失重率提高到58.33%;辅以牛粪的处理中,腐解产物的残余灰分含量比对照提高12.6%,辅以腐熟菌剂的处理比对照提高26.0%。[结论]水稻秸秆配施菌剂集沟添加于冬季温室能促进秸秆腐解,提升土温,降低温差,是为温室植物生长提供稳定温度环境的有效方式。
关键词移位还田   水稻秸秆   温室   土温效应   
Study on the effects of different returning ways on rice straw decomposition and soil temperature in greenhouse in winter
ZHU Qi, CHEN Qingchun, LIU Yutao    
College of Engineering/Jiangsu Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China
Abstract: [Objectives] The purpose of the study was to determine the effects of different rice straw returning ways on soil temperature of greenhouse and straw decomposition rate, to provide reference in increasing greenhouse soil temperature in winter and promoting straw decomposition process. [Methods] Seven treatments were designed based on four factors as amount of rice straw, chopped or whole straw, addition of cattle manure and decomposing agents. Temperature sensors were used for soil temperature measurements, and decomposition rate was expressed by weight loss rate and residual ash content after 90 days. [Results] The decomposition of rice straw, with cattle manure or decomposing agents mixed, had significant effect on raising soil temperature and reducing soil temperature differences. Compared to CK, soil temperature was raised by 0.8℃ in the coldest day with rice straw and cattle manure applied into soil, and by 1.1℃ with rice straw and decomposing agents. Soil temperature difference was reduced by 0.7℃, 2.0℃, 2.9℃ and 3.1℃ in average throughout the experiment, under treatments of only rice straw, rice straw and cattle manure, rice straw and cattle manure and decomposing agents, and rice straw and decomposing agents, respectively. Rice straw decomposition could be enhanced with rice straw and addictives applied into soil. Compared with 55.96% of weight loss rate at the end of the experiment period (90 days) with only straw applied, 58.33% of weight loss rate was reached with straw and decomposing agent applied. Compared with the control, the residual ash content was raised by 12.6% and 26.0%, with straw and cattle manure, and with straw and decomposing agent applied, respectively. [Conclusions] In conclusion, application of rice straw mixed with decomposing agents into greenhouse soil in winter was an effective way to promote straw decomposition, raise soil temperature and reducing soil temperature difference, thus providing greenhouse plants with stable soil temperature.
Key words: translocation to field    rice straw    greenhouse    soil temperature effect   

设施农业是现代农业发展的主要方向, 近30年, 我国设施农业的发展日新月异, 为有效提高农业产业素质和保障国家蔬菜等产品的供给作出了巨大贡献[1]。低温胁迫一直是设施农业发展的重要限制因素[2]。为了解决温室冬季土壤温度过低的问题, 国内外学者尝试了化石燃料加热[3]、电能加热[4]、太阳能加热[5]及地热能加热[6]等不同的土壤加热方式; 但由于存在成本过高、或受制于天气或区域等问题, 使得上述技术的应用受到了极大的限制。而生物质作为一种生态环保且价格低廉的可再生资源, 研究其发酵产生的生物热在温室土壤温度调控中的作用具有重要的意义和价值。

秸秆还田是改善土壤质量、提高土壤温度并抑制土传病害的重要途径。Yadvinder等[7]研究表明农作物秸秆还田是土壤有机质积累的主要方式; Simmons等[8]研究发现麸皮、绿肥等不同稳定性的有机物料组合后还田能有效提升土壤温度并控制有害病原物; Carrieri等[9]、Fang等[10]和Qiu等[11]研究发现秸秆、绿肥等有机物料的腐解对土传病害具有抑制作用[11]。然而, 秸秆直接原位还田往往腐解缓慢、残体堆积, 在短时间内不仅不能对土壤产生积极的效应, 还严重影响下茬作物的耕种, 降低了农民秸秆还田的意愿。而秋末冬初直接原位还田的水稻秸秆由于温度过低等原因使得腐解更加困难, 方志超等[12]研究发现水稻秸秆配施腐熟菌剂后集沟还田也不能被快速腐解。因此, 通过移位还田改进原位还田的不足具有重要意义。目前, 移位还田多在温室中进行, 卞中华等[13]研究发现利用沟埋玉米秸秆腐解时释放的热量和气体能分别提升冬季土壤温度和补充气肥, 因此能够减少冻害并提高温室作物的产量; 于占东等[14]研究发现水稻秸秆配施生物菌剂具有缓解温室土壤连作病害的效果。本文以稻麦轮作区高产且难腐解的水稻秸秆作为研究对象, 以集沟还田的方式, 配施不同的有机物料, 研究水稻秸秆移位还田对冬季温室土壤温度及秸秆腐解的影响, 以期为解决冬季温室土温过低及水稻秸秆直接原位还田腐解困难等问题提供参考。

1 材料与方法 1.1 供试材料

土壤样本来自南京市浦口区农田临近的温室大棚(东经118°46′, 北纬32°18′), 0~25 cm深度土层范围内随机取样, 土壤有机质含量318 g·kg-1, 全氮含量1.6 g·kg-1。平摊土样并任其自然风干, 直到含水量不再变化; 去除石块、树枝等杂物, 研磨后过孔径2 mm筛备用。当季新鲜稻秸秆取自南京市六合区普通农田(取收割机作业后, 去除穗头和根部的剩下部分), 水稻品种为‘两优688’(秸秆有机质含量630 g·kg-1、全氮含量7.6 g·kg-1), 摊晒风干备用。奶牛粪取自蒙牛公司奶牛养殖基地, 摊晒风干备用(有机质含量318 g·kg-1、全氮含量13.3 g·kg-1)。腐熟菌剂由本实验室培养, 细菌、酵母菌和放线菌按一定比例复配而成。

1.2 试验设计

试验在南京农业大学玻璃温室内进行, 主要装置为内尺寸40 cm×30 cm×30 cm的塑料箱、自行研制的土壤温度传感器和存储系统(图 1)。先在塑料箱内覆土约20 cm, 然后在距底部5 cm处开一条宽15 cm的沟, 在其中埋入5 cm厚的水稻秸秆, 最后覆土使土层总深度为25 cm。根据秸秆施入方式及辅助剂类型, 试验设置如下处理:T0:未经埋土处理的水稻秸秆; T1:空白对照, 不施入秸秆, 即纯土壤; T2:施入秸秆1%(质量分数, 下同。以土壤质量为基础, 未经粉碎处理的整秸秆); T3:施入秸秆1%, 牛粪3%;T4:施入秸秆1%, 腐熟菌剂1 L; T5:施入秸秆1%, 牛粪3%, 腐熟菌剂1 L; T6:先将秸秆粉碎成5 cm小段, 施入碎秸秆1%, 牛粪3%, 腐熟菌剂1 L; T7:施入秸秆1%, 牛粪3%, 腐熟菌剂1 L, 并于土壤表面均匀地覆盖一层秸秆; T8:施入秸秆2%, 牛粪3%, 腐熟菌剂1 L, 并于土壤表面均匀地覆盖一层秸秆。各处理均重复3次。试验设计与试验处理分别如图 1表 1所示。

图 1 试验示意图 Figure 1 Experiment schema 图中数字单位为cm, 主视图中区域为处理设置区域, 俯视图中“15”表示埋秆沟宽为15 cm, 黑色圆点为温度传感器设置点。 The unit of the digit is cm. The area in the front view is the processing area. In the vertical view, "15"means the width of the ditch is 15 cm, and the black solid dots are the setting points of the temperature sensors.
表 1 试验处理 Table 1 Treatments in the study
处理编号
Treatment code
水稻秸秆添加比例/%
Proportion of rice straw
稻秆处理方式
Rice straw patterns
牛粪添加比例/%
Proportion of diary manure
腐熟菌剂添加量/L
Agents
表层覆盖
Coverage
T10无None00
T21整秆埋入Whole00
T31整秆埋入Whole30
T41整秆埋入Whole01
T51整秆埋入Whole31
T61粉碎埋入Chopped31
T71整秆埋入Whole31+
T82整秆埋入Whole31+
注:“+”表示存在; 添加比例为添加量占风干土质量的百分比; 表层覆盖材料为同种稻秸秆。
Note:“+”means existence. The proportion is the percentage of material amount to the dried soil weight. Surface covering material is rice straw.

试验开始日期为2015年12月31日。秸秆埋入土壤前, 首先对秸秆浸泡使其吸水, 再根据各处理要求加入有机物料、补充尿素将C/N调节为30:1。秸秆施入土壤的同时, 分别在5、10、15 cm土层以及温室内布置温度传感器, 每30 min检测和存储温度1次, 直至试验结束。另外, 在每个处理的秸秆层, 预先用尼龙袋(20目)装10 g水稻秸秆(干质量8.92 g), 扎实袋口后平铺放置, 重复3次, 以便测定秸秆的剩余质量。

90 d后, 取出温度传感器、供试土壤和腐解后的秸秆, 按照测温装置采集的温度数据, 分析各处理土温情况。对于秸秆的腐熟情况, 主要分析埋入土壤中的水稻秸秆, 取出尼龙网袋, 在清除泥土、石块等杂物后, 取出剩余的水稻秸秆腐解产物, 放在玻璃培养皿中, 置于烘箱, 105 ℃下烘干12 h后, 冷却称量, 与原始质量相减并算出失重率; 另测出秸秆的残余灰分, 以准确计算秸秆的腐解率。

1.3 分析方法

在不同时间尺度上, 比较各处理近秸秆层(15 cm土层)的土壤温度情况; 在空间尺度上, 比较各处理不同土层的温度情况。土壤温度数据具体处理方法如下:1)处理方式对15 cm土层的周平均温度的影响。取各处理15 cm土层1周内的全部温度数据剔除异常数据后加和求平均值, 进行前后4周的均温比较。2)处理方式对15 cm土层日最低温度的影响。将各处理与纯土壤对照组(T1) 15 cm土层日最低温度值之差定义为“日最低土温提升值”; 由于秸秆腐解呈现先快后慢的规律, 因此, 考察秸秆不同腐解阶段日最低土温提升值, 前期以5 d为间隔、中期以15 d为间隔、后期以30 d为间隔直到第80天。3)处理方式对15 cm土层日温差的影响。对不同处理15 cm土层不同腐解阶段的日最高温与最低温之差进行比较; 环境温差为试验当天温度的最大值与最小值之差。4)处理方式对土层-温度关系的影响。由于秸秆腐解时期同一处理的同一土层温度随时间的变化呈相似趋势, 而不同处理的土层-温度关系不同, 因此任选腐解时期1 d, 比较处理方式对土层-温度关系的影响。

秸秆的腐解率根据失重率和灰分含量来计算, 方法参照文献[15-16]; 另外分析整个试验期间平均土温与秸秆残余灰分的关系。

利用Excel 2010和SPSS 17.0对试验数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析 2.1 不同处理对15 cm土层周平均温度的影响

图 2可见:各处理方式下15 cm土层温度-时间关系与外部环境一致, 说明外界环境对土温影响较大, 但不同处理之间的均温差异则源于内部活动。试验开始至第4周, 温室内气温低于10 ℃, 不同方式添加水稻秸秆均不能有效提高15 cm土层的周平均温度。从第8周开始, 随着温室内气温的升高、微生物活动的加强以及秸秆腐解过程的进行, 秸秆不同添加方式处理的土壤平均温度逐渐提升; 至第10周(除T2和T6)、第11周(除T7), 其他秸秆添加方式处理的土壤均温明显高于纯土壤对照组(T1)。

图 2 不同处理对15 cm土层周平均温度的影响 Figure 2 Effects of different treatments on the averages of weekly soil temperature at 15 cm layer T1~T8见表 1; AIR表示温室内的气温。同一组柱子上不同小写字母表示在0.05水平上差异显著(Duncan′s检验)。下同。 The meaning of T1-T8 is the same as them in Table 1; AIR represents air temperature in the greenhouse. Columns marked by different small letters in the same group are significantly different at 0.05 level (Duncan′s test). The same as follows.

与未添加任何辅助剂的处理T2相比, T3~T8处理(除T6外)的土壤温度普遍较高。而处理T6(秸秆以粉碎方式施入)的均温低于其他处理, 其主要原因可能在于碎秸秆吸水性高于整秸秆, 从而不利于腐解前期土温提升。笔者在秸秆吸水量试验中发现, 170 g碎秸秆和同量整秸秆均浸泡24 h, 碎秸秆较整秸秆多吸水45 g, 绝对湿度高出30.79%。随着时间推移, 秸秆水分逐渐散失, 10周以后, T6的土壤均温提升至正常水平。这说明添加辅助剂在一定程度上能够提高土温, 而土温的提升也易受秸秆含水率的影响。

施入2%秸秆(T8)处理的15 cm土层的周均温在前期比施入1%秸秆的T7处理低, 而且前4周差异不断增大, 但后期差异逐渐缩小, 到第9周开始超过T7。这说明2%的秸秆量在反应前期没有1%的秸秆量对土温的影响大, 但其作用时间更长, 尤其在反应后期。

以上结果表明:单施入水稻秸秆并不能明显提升土壤周均温, 而辅以菌剂或牛粪皆能在一定程度上有助于土壤均温的提升, 但实际应用时应控制秸秆湿度, 以防水分过多影响秸秆腐解和热量向土壤的传递。

2.2 不同处理对15 cm土层日最低温度的影响

冬季温室土温较低容易导致作物生长受到抑制, 甚至引起冻害, 因此需要研究各处理方式对日最低土温的提升效果。由表 2可见:各处理对土壤日最低温的提升效果呈先升后降趋势。其中在腐解前期(前30 d), 与T1相比, T4、T5、T7、T8处理的低温提升效果基本一致; 腐解中期(30~60 d)T3、T4、T5、T7、T8的低温提升效果较好; 而腐解后期(60 d以后)T4、T5、T7、T8的提温效果较好, 其中T8的提温优势逐渐凸显, 但与其他3个处理没有明显差异。这说明施入土壤的秸秆量越多, 对于土壤低温的提升周期越长。各处理(除T2外)的低温提升效果均在第60天达到最好, 其中T7处理的提升效果最好, 提温2.1 ℃。10 d以后, 除T2与T6外, 其他处理的提升效果均高于0.6 ℃, 而试验期间10~30 d, 是2015年气温最低的一段时期, 其中试验第15天温室环境温度为0.2 ℃, T1处理的日最低温度为1.2 ℃, 而T3和T4处理的日最低温度分别为2 ℃和2.3 ℃, 分别比纯土壤对照高0.8 ℃和1.1 ℃。

表 2 不同处理对15 cm土壤日最低温度的影响 Table 2 Effects of different treatments on daily minimum soil temperatures at 15 cm layer
处理
Treatment
日最低温度提升幅度/℃ Amount of increase in daily minimum soil temperature
第5天Day 5第10天Day 10第15天Day 15第30天Day 30第60天Day 60第80天Day 80
T10.0a0.0ab0.0ab0.0a0.0a0.0a
T2-0.4a-0.5a-0.3a0.0a-0.1a-0.2a
T3-0.4a0.7bc0.8bc0.8abc1.3b1.1bc
T4-0.4a1.2c1.1c1.0bc1.6b1.4c
T51.0b1.0c0.8bc1.4c1.9b1.3c
T6-0.1a-0.1ab-0.2a0.2ab0.4a0.3ab
T7-0.5a1.0c0.8bc1.4c2.1b1.4c
T8-0.7a1.0c0.6bc0.8abc1.8b1.6c
注:同一列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著(Duncan′s检验)。
Note:Values marked by different small letters in the same column are significantly different at 0.05 level (Duncan′s test).

以上结果表明:在辅助剂作用下, 秸秆腐解反应加强, 冬季温室的土壤最低温得到一定程度的提高, 而菌剂较牛粪的效果更好。

2.3 不同处理对15 cm土层日温差的影响

有研究表明, 作物根系要求适宜的土壤温度范围[17], 因此有必要分析不同处理方式对土层日温差的影响, 以期考察不同处理稳定土壤温度的作用。由图 3可见:各处理的日温差随时间的变化趋势与环境温差基本一致, 但土壤温差小于环境温差, 即土壤比空气的温度环境更稳定, 这与其他研究结果一致[18]。另外, 所有处理(T2~T8)的土壤温差均小于空白对照(T1), 这可能与物料特性的改变有关[19]。相对于无添加辅助剂处理(T2), 辅助剂处理(T3~T8)下的日温差较小, 这可能是辅助剂对微生物活动和物料腐解反应的影响所致。自第10天开始, 粉碎秸秆(T6)处理的温差大于整秸秆处理(T5);T4、T7、T8处理的土壤日温差均小于其他处理的土壤日温差。第30天T4处理下的土壤日温差最小, 为5 ℃, 而对照组T1的土壤日温差为8.9 ℃, 无辅助剂处理T2的土壤日温差为8.1 ℃, T4处理使土壤日温差比T1对照减少43.82%, 比不添加任何辅助剂的T2减少38.27%;而T2比T1对照只减少8.99%。

图 3 不同处理对15 cm土层日温差的影响 Figure 3 Effects of different treatments on daily temperature differences at 15 cm layer

对90 d试验期间不同处理的土壤温差情况进行统计分析, 发现所有秸秆处理土壤温差平均降低0.7 ℃, 而水稻秸秆辅以牛粪处理土壤温差降低2.0 ℃, 秸秆量为2%的处理土壤温差平均降低2.9 ℃, 但秸秆量为1%且辅以腐熟菌剂的处理土壤温差平均降低3.1 ℃。

上述分析表明, 秸秆辅以菌剂或辅以菌剂和牛粪能有效降低土壤温差; 整秸秆施入比碎秸秆施入更有利于土壤温差的缩小。

2.4 不同处理对土层-温度关系的影响

对试验数据的分析表明, 同一种处理方式下的土层-温度关系与腐解阶段无关, 因此, 可随机选取试验期内某一天的数据。图 4为2016年1月16日各处理的土层-温度关系, 可以看出:多数处理组5 cm土层日温差较大, 而10 cm与15 cm土层温差较小, 且两者之间没有明显区别, 这与大田情况基本一致。处理组T4、T5、T8的土层-温度关系呈现与大田环境完全一致的趋势, 且不同土层间差异明显, 这可能是物料、秸秆施入方式、辅助剂的共同作用所致。另外, 通过比较发现:秸秆施入降低各土层的温差; 牛粪配合稻秸秆施入土壤改变了各个土层的温度分布, 菌剂作辅助剂处理的各个土层温度分布与大田土温情况一致; 与碎秸秆施入方式相比, 施入整秸秆处理的土温分布与大田土温分布一致; 与1%秸秆施入量相比, 2%秸秆施入量的处理土温分布更接近大田土温分布情况。

图 4 不同处理对土层-温度关系的影响 Figure 4 Effects of different treatments on the relationship between soil temperatures and layers

综上所述, 处理方式对土层-温度关系具有明显影响, 其中适量秸秆、整秆施入、辅以菌剂等方式使土壤相邻土层间的温度差异变得更加均匀, 最高温、温差及均温皆随土层深度由浅入深呈阶梯状分布, 而当施入秸秆量加倍时, 这种阶梯状分布更加平缓, 土层间温度差异更小, 有利于作物根系的生长发育。

2.5 不同处理对秸秆腐解率的影响

稻秸秆腐解过程中的质量损失大部分来源于二氧化碳的散失, 因而秸秆失重率可以直接表征秸秆腐解程度[20]。另外, 灰分含量的变化也可以反映秸秆腐解情况[21]。本研究测定了各处理试验前后稻秸秆的干质量及灰分含量, 以期分析处理方式对秸秆腐解率的影响。结果如表 3所示:90 d后, T4处理的稻秸秆失重率最大(58.33%), 即腐解程度最高; T5处理的稻秸秆失重率最小(47.15%), 即腐解程度最低。单因素分析结果表明, 不同处理之间的稻秸秆失重率存在差异, 但未达到显著水平(P>0.05)。这可能是经过90 d的腐解后, 各处理的稻秸秆都到达了腐解进程的最后缓慢腐解阶段[22]。而在所有处理中, 只有T4(以菌剂作为辅助剂)的失重率略高于T2(单加秸秆的处理, 失重率为55.96%)的失重率, 其他处理的稻秸秆失重率皆比T2低。这说明菌剂对水稻秸秆的腐解可能具有促进作用。

表 3 稻秸秆腐解前后的质量损失和灰分含量变化(x±SD) Table 3 The weight lost and change of ash content of rice straw before and after its decomposition
处理
Treatment
失重率/%
Weight lost rate
灰分含量/%
Ash content
T00.00±0.00a1.49±0.00a
T255.96±7.66b3.34±0.04b
T350.55±2.72b3.76±0.03bc
T458.33±8.90b4.21±0.15c
T547.15±3.94b4.23±0.47c
T647.57±9.79b4.23±0.72c
T749.40±2.19b4.34±0.07cd
T853.59±2.46b5.13±0.48d
注:同列不同字母表示在0.05水平上差异显著。T0为试验前水稻秸秆样品。
Note:Values marked by different small letters in the same column are significantly different at 0.05 level. T0 means the original rice straw with no treatment experienced.

从不同处理秸秆的灰分含量来看:在7个处理中, T8处理下的稻秸秆灰分含量最高, 为5.13%, 比T0(1.49%)高3.64%;T2处理的稻秸秆灰分含量为3.34%, 比T0高1.84%;添加不同辅助剂的处理比T2灰分含量高0.43%~1.97%, 除T3外, 其他处理与T2差异显著。辅以牛粪的处理中, 腐解产物的残余灰分含量比T2提高12.6%, 辅以腐熟菌剂的处理比T2提高26.0%, 这说明牛粪和菌剂对稻秸秆的腐解都具有促进作用, 而菌剂的作用更为明显。另外, T6与T5、T7与T5、T8与T7之间差异不显著, 这说明秸秆粉碎与否、覆盖与否、施入量的多少对稻秸秆灰分含量影响不明显, 但T8与T5差异显著, 这说明同时在土壤表层覆盖与施入量加倍能够明显提升秸秆腐解产物的灰分含量。

3 讨论

温室中的土壤温度与空气温度呈现一致的变化规律, 这是因为气温是土温的主要影响因素。由于温差的存在, 空气和土壤时刻在进行着热交换, 所以越接近空气的土层受外部环境的影响越大, 这与陈继康等[23]的研究结果一致。而内部环境, 包括物料特性、土壤湿度和微生物活动, 也会对土温产生较大的影响[24]。在土壤湿度一定的条件下, 影响土温的主要内部因子是施入的物料。水稻秸秆施入土壤后, 提升了土壤日最低温的水平并减小了土壤温差, 这一方面是因为秸秆增强了土壤总体的容热量[8]; 另一方面是因为施入的水稻秸秆为微生物提供了大量的碳源, 刺激了微生物的活动, 引起了土温的提升, 而微生物活动的加强又促进了酶的分解, 因此促进了秸秆腐解反应和热量的释放, 从而进一步提升土壤最低温。由于微生物活动的加强, 土壤最低温的平均提升幅度为1.2 ℃(T4和T2处理的差值), 最大提升幅度为1.7 ℃, 且皆达到显著水平, 这种提升幅度对于减少作物的低温冻害问题具有重要意义。对整个试验期间的土温均值与秸秆残余灰分进行回归分析, 发现整个试验期间温室土壤日最低温和温差的平均值分别与水稻秸秆腐解产物的残余灰分呈显著正相关(R2=0.984)和显著负相关(R2=0.982), 这说明秸秆腐解是土温变化的主要内因。前人研究发现玉米秸秆对土温的提升时长只有1个月[25]。而本研究结果表明水稻秸秆对土壤日最低温的提升时长可达3个月, 因为水稻秸秆比玉米秸秆更耐腐解; 配施腐熟菌剂、牛粪和提高秸秆量等措施能显著增强水稻秸秆对土壤低温的提升效果, 这对于辅助作物度过寒冷季节具有重要意义。

本研究中水稻秸秆在温室内集沟还田具有较高的腐解率和较高的秸秆消耗量, 在均温低于10 ℃的一月、二月和气温逐渐回升的三月共处理90 d, 秸秆配施菌剂的处理达到了最高的失重率, 为58.33%;而相同品种水稻秸秆配施同种同量的复合菌剂, 同样经过90 d时间, 在大田试验中的失重率最高没有超过30%[12]; 刘世平等[26]的研究也发现还田的水稻秸秆90 d时最大的失重率只有30%, 说明温室内的集沟还田模式比大田环境更有利于稻秸秆腐解。这可能是温室提供了一个更加稳定的温度环境, 在微生物的作用下, 秸秆可以达到更好的腐解效果。另外, 本试验处理中施入的秸秆量为耕层土质量的1%, 按照大田产量推算, 实际埋入土中的稻秸秆量大致为耕作面积的2~3倍, 这高于大田环境下的全量还田技术所能消耗的秸秆量, 因而温室内水稻秸秆的集沟还田对于过剩秸秆的利用, 也不失为一种新方式。

本文重点观测了稻秸秆的加入对冬季温室土温的影响和对其自身腐解的影响, 其中涉及辅助剂的效果比较, 但尚未涉及土壤营养物质的变化、微生物群落结构和活性的变化[27], 这有待今后研究。

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