1. 引言
作为一种生物资源，农作物秸秆以其数量巨大、种类繁多及分布广泛而受到关注。据估计，全球每年农作物秸秆产量高达29亿吨。中国是一个农业大国，年产各类作物秸秆7亿吨以上，约占世界秸秆总量的四分之一，其中80%以上为粮食作物秸秆。因此，如何科学利用农作物秸秆这一生物资源，而不是简单作为废弃物进行处理，对我国以及全世界来说都是一个重要课题 [1] [2] 。
据调查，我国在作物秸秆利用方面还很粗放，大约只有15%用于还田，约15%作为饲料，只有2%作为工业原料。而有20%左右作物生活燃料，高达40%左右的秸秆被直接废弃或露天燃烧。这种废弃或燃烧的处理方式，不仅浪费生物资源，而且会污染环境、影响人类健康并会引起社会问题，如秸秆露天集中燃烧会影响公路、铁路交通及飞机的起降安全。据报道，我国每年约有1000架次航班延误及约5000起交通事故与秸秆燃烧有关。在每年秸秆集中燃烧时段，人体呼吸系统发病率会显著增加 [3] [4] [5] [6] 。
作物秸秆是一种可再生、有广泛应用前景的生物资源，秸含有大量作物生长必需的有机质及矿质营养元素。因此，从物质循环利用及能量转化方面而言，秸秆还田是作物秸秆利用的一种合理方式，而将作物秸秆转化为有机肥是秸秆还田的主要途径，而目前这种转化技术还有待完善 [7] [8] 。
秸秆生物反应堆技术是一项针对秸秆还田而研发出来的新技术，目前在我国受到广泛关注。在这项技术中，将经过筛选纯化的微生物菌种、催化剂及净化剂拌入作物秸秆，然后将处理后的作物秸秆埋入已种植农作物农田土壤中或堆放在农田土表，在好氧条件下，作物秸秆被分解，释放出水分、二氧化碳、热量、有机质及各种矿质营养元素，被正在生长的农作物吸收利用。根据研究，该技术能促进农作物的生长、发育，并能提高农作物对病虫害的抵抗能力。通过加速作物秸秆的分解释放，推动了农作物秸秆的循环利用，减少了生物资源的浪费及对环境的污染。还可以减少化肥、农药的使用量 [8] [9] 。
据前人研究，秸秆生物反应堆技术在蔬菜地上的应用，能够改善土壤性质，提高地温，提高蔬菜的产量和品质 [10] [11] [12] [13] 。在我国，粮食作物秸秆占秸秆总量的80%以上，而在粮食作物秸秆中，玉米秸秆占比最高，达到36.7%，所以我国每年生产的玉米秸秆量非常巨大 [14] 。本课题以玉米秸秆和大棚西瓜为研究对象，研究玉米生物反应堆技术对大棚西瓜生长环境及产量和品质的影响。
2. 材料与方法
2.1. 试验地点及材料
试验地点为江苏省常州市金坛农业园区，种植植物为西瓜，作物秸秆选择玉米秸秆，微生物菌种、催化剂及净化剂购于山东省秸秆生物工程技术研究中心。
2.2. 试验设计
试验在6个条件完全相同的拱形大棚里进行，每个大棚面积为600 m2 (6 m × 100 m)，用透明塑料薄膜覆盖。设置3个玉米秸秆反应堆大棚，反应堆设置为内置式，秸秆埋深约15 cm，每个大棚埋入玉米秸秆2700 kg。反应堆具体设置见孙婧等研究报道 [12] 。3个未设置秸秆反应堆的大棚为对照。其它生产管理按当地常规。大棚气温控制在20℃~38℃，温度低时覆膜保温，温度高时揭膜通风降温。光照和空气湿度随自然条件，不进行人工调节。
2.3. 测定项目及方法
土壤容重采样环刀法测定 [15] ；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；土壤含盐量通过水浸提法测定 [16] ；土壤温度用温度计测定15 cm深度处温度；大棚空气CO2浓度用CO2红外分析仪(QGS-10，北京分析仪器厂)测定 [17] ；西瓜含糖量采用手持式数字折光糖度计(ATAGO PR-101，日本)测定 [18] 。
2.4. 统计分析
数据分析用SPSS 19.0进行，均值间差异显著水平采用0.05和0.01。
3. 结果与讨论
3.1. 玉米秸秆生物反应堆对土壤性质的影响
玉米秸秆生物反应堆对土壤容重、有机质含量及含盐量的影响见表1。可以看出，玉米秸秆生物反应堆可以降低土壤容重，但不同土层的降低幅度不同。0~10 cm土层降低幅度小，未达到显著水平(P > 0.05)；10~20 cm土层降低幅度较大，达到显著水平(P < 0.05)；20~30 cm土层降低幅度最大，达到极显著水平(P < 0.01)。另外，玉米秸秆生物反应堆显著提高土壤有机质含量(P < 0.05)，极显著降低土壤含盐量
Table 1. Effects of maize straw biological reactor on soil properties
表1. 玉米秸秆生物反应堆对土壤性质的影响
注：*表示差异显著(P < 0.05)，**表示差异极显著(P < 0.01)。
(P < 0.01)。因此，玉米秸秆生物反应堆技术的应用可以明显改善土壤性质，这对农作物的生长发育是有利的。
3.2. 玉米秸秆生物反应堆对大棚土壤温度及空气CO2浓度的影响
玉米秸秆生物反应堆对土壤温度的影响见图1。
总体来说，与对照相比，玉米秸秆反应堆显著提高土壤温度，土壤平均温度比对照(23.2℃)提高3.7℃，达到26.9℃。但土温提高幅度随秸秆反应堆处理时间的不同而有很大差异，提高幅度最大为处理后35 d，土温比对照提高6.0℃，最低为处理后105 d，仅比对照提高1.4℃。在秸秆反应堆处理的前35 d，土壤温度提高幅度随处理时间的增加而上升；而35 d后，土壤温度提高幅度随处理时间的增加而下降。
玉米秸秆生物反应堆对大棚空气CO2浓度的影响见图2。可以看出，玉米秸秆生物反应堆处理大幅度提高大棚空气中CO2浓度，各处理时期空气CO2浓度增加幅度为52.19%~233.96%；CO2平均浓度从对照的370 μmol/mol增加到878 μmol/mol，增加137.30%。CO2浓度增加幅度最大的时期是处理后50 d，增加幅度最小的时期是处理后5 d。在秸秆反应堆处理的前50 d，CO2浓度增加幅度随处理时间的增加而提高；但50 d后，增加幅度随处理时间的增加下降。
3.3. 玉米秸秆生物反应堆对西瓜产量及含糖量的影响
玉米秸秆生物反应堆对西瓜产量及含糖量的影响见图3。
可以看出，与对照比较，秸秆反应堆处理大幅度提高西瓜的产量和含糖量。含糖量由对照的103.2 g/kg 提高到129.1 g/kg，提高幅度为25.10%；产量由29.36 t/hm2提高到47.46 t/hm2，提高幅度高达61.65%。根据玉米秸秆生物反应堆对西瓜生长环境的影响，西瓜产量及含糖量的大幅度提高与土壤性质的显著改善、土壤温度及大棚空气CO2浓度的大幅度增加有关。
4. 结论
1) 玉米秸秆生物反应堆可显著改善土壤性质。0~30 cm土层土壤容重降低了3.88%~23.65%，降低幅度随土层深度的增加而提高。土壤有机质含量增加了11.07%，含盐量降低了17.65%。这些土壤性质的改善对农作物的生长发育有利。
2) 玉米秸秆生物反应堆较大幅度提高了土壤温度。不同处理时期土壤温度提高1.4℃~6.0℃，平均提高3.7℃。在秸秆反应堆处理的前35 d，土壤温度提高幅度随处理时间的增加而上升；35 d后，提高幅度随处理时间的增加而下降。
3) 玉米秸秆生物反应堆大幅度提高了大棚空气CO2浓度。不同处理时期空气CO2浓度增加幅度为52.19%~233.96%，平均增加137.30%。在秸秆反应堆处理的前50 d，CO2浓度增加幅度随处理时间的增加而提高；50 d后，增加幅度随处理时间的增加而下降。
注：*表示差异显著(P < 0.05)，**表示差异极显著(P < 0.01)，ns表示差异不显著(P > 0.05)。
Figure 1. Effects of maize straw biological reactor on soil temperature
图1. 玉米秸秆生物反应堆对土壤温度的影响
注：**表示差异极显著(P < 0.01)。
Figure 2. Effects of maize straw biological reactor on CO2 concentrations of shed atmosphere
图2. 玉米秸秆生物反应堆对大棚空气CO2的影响
注：**表示差异极显著(P < 0.01)。
Figure 3. Effects of maize straw biological reactor on the yield and sugar content of watermelon
图3. 玉米秸秆生物反应堆对西瓜产量及含糖量的影响
4) 玉米秸秆生物反应堆处理使西瓜的含糖量提高25.10%，产量提高61.65%。产量和含糖量的提高与西瓜生长环境的显著改善有关。
基金项目
国家自然科学基金项目(31071350)。