張 鶴 馨， 周 海 龍， 劉 玉 坤， 唐 文 竹， 李 憲 臻

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034； 2.中國生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會， 北京 100833 )

0 引 言

生物炭是指農(nóng)作物秸稈、木材、污泥、樹葉在700 ℃下受熱分解炭化，在完全或部分缺氧的條件下，形成的難熔性的高度芳香化產(chǎn)物[1]。由于生物炭的孔隙大，比表面積高，并且具有較強(qiáng)的吸附性，在自然狀態(tài)下呈堿性[2]，因此常作為一種土壤改良劑應(yīng)用到農(nóng)業(yè)當(dāng)中。大量研究表明，生物炭對于土壤微生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)以及土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氮、磷等均有較大影響[3-5]。Jeffery等[6]發(fā)現(xiàn)，生物炭不僅可以增加土壤當(dāng)中的有效成分，同時(shí)也能加速農(nóng)作物對養(yǎng)分的吸收效率。

膠質(zhì)芽孢桿菌(Bacillusmucilaginosus)是一種被有肥厚夾膜的長桿菌，常分布于土壤和巖石之中，因其具有分解土壤和硅酸鹽礦物的能力，又被稱為硅酸鹽細(xì)菌[7]。膠質(zhì)芽孢桿菌分泌的草酸、檸檬酸、蘋果酸等有機(jī)酸[8]可以有效地降低礦物的pH，使土壤中難溶的磷、鉀、硅等物質(zhì)被植物利用[9]。

長期以來，科研人員針對膠質(zhì)芽孢桿菌解磷、解鉀的特性，對其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上作為微生物菌肥的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。畢銀麗等[10]研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)芽孢桿菌釋鉀效果受多種條件影響。李佳等[11]發(fā)現(xiàn)不同的菌株分解礦物的能力也有較大差異。因此充分發(fā)揮膠質(zhì)芽孢桿菌解磷釋鉀能力，有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)。

目前關(guān)于土壤微生物與生物炭的互作對于作物生長的影響方面的研究缺乏系統(tǒng)分析。本試驗(yàn)通過考察膠質(zhì)芽孢桿菌與生物炭互作對大豆生長、土壤及大豆中氮、鉀含量流動性的影響，以期為其在大豆種植的推廣中提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

膠質(zhì)芽孢桿菌1.153，中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏中心。

優(yōu)選大豆種，鐵嶺市于氏種子有限公司。

玉米秸稈生物炭由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，粒徑(40.3±0.3) nm，比表面積(23.4±0.2) m2/g，總孔體積(0.25±0.02) g/cm3，全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)749.3 mg/g，易揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)219.4 mg/g，有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.75 mg/kg，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.11 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.4 mg/kg，pH 9.2[12]。

供試土壤的理化性質(zhì)：pH 7.12，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.80%，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.93 mg/kg，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.57 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)110.93 mg/kg，陽離子交換量為7.13 mmol/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽實(shí)驗(yàn)，選擇外徑20 cm、內(nèi)徑18 cm、高13 cm的花盆，每盆2.5 kg土壤，每盆種植6顆大豆種子，深度約2 cm，間距約2 cm，施加氮72 mg/kg、P2O554 mg/kg和K2O 120 mg/kg作底肥，分別以(NH4)2SO4、KH2PO4和KCl為肥源。

對照組為原始土壤(CK)、實(shí)驗(yàn)組分別為添加20 mL膠質(zhì)芽孢桿菌菌液(106cfu/mL)土壤(T1)、添加1%秸稈炭土壤(T2)、添加20 mL膠質(zhì)芽孢桿菌菌液(106cfu/mL)和1%秸稈炭土壤(T3)、添加1%鉀長石粉和20 mL膠質(zhì)芽孢桿菌菌(106cfu/mL)的土壤(T4)，分別種植大豆，在大豆的不同生長時(shí)期，對大豆和土壤分別取樣測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

在大豆生長的幼苗期、開花期、結(jié)莢期、成熟期，對土壤和大豆分別取樣，不同時(shí)期不同處理各取3盆作為平行樣本。用刻度尺測量其株高、根長，用其烘干后的干重測量其根冠比。將植株烘干磨碎，過80目篩，取0.3 g用H2SO4-H2O2進(jìn)行消煮，將消煮液定容到100 mL，搖勻待用。用H2SO4-H2O2-酚藍(lán)比色法測大豆全氮含量，用火焰光度法進(jìn)行大豆全鉀含量測定，用堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮含量，用乙酸銨提取法進(jìn)行土壤速效鉀含量測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Spss Statistics對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 大豆不同生長時(shí)期的生長發(fā)育特性

由表1可以看出，大豆的株高在結(jié)莢期和成熟期之間無明顯變化。不同處理的土壤種植的大豆株高相較于對照都有一定的增加，特別是T4組的大豆在開花期株高比CK組增加了51.96% (P<0.05)。經(jīng)過不同處理后，大豆的根在其生長的不同時(shí)期，與CK組相比都有不同程度的增加，尤其是在大豆生長成熟期，T4處理的大豆根長顯著增加了41.33% (P<0.05)，這說明在土壤中添加膠質(zhì)芽孢桿菌及鉀長石粉(T4)能促進(jìn)大豆根的生長，進(jìn)一步影響作物的產(chǎn)量。

大豆的根冠比的大小反映了植物地下部分與地上部分的相關(guān)性。由表1可以看出，根冠比隨著大豆的生長而逐漸減小。在大豆生長的結(jié)莢期，T1處理大豆的根冠比與CK組相比顯著增加了11.76% (P<0.05)；T4處理大豆根冠比與CK組相比，增加了17.65% (P<0.05)；在大豆生長成熟期，4個(gè)處理的土壤大豆根冠比相較于CK組分別提高了18.18%、54.54%、63.63%和36.36%。結(jié)果表明，4種處理均能提高大豆的根冠比，從而促進(jìn)大豆的生長。

表1 大豆不同生長時(shí)期的生長發(fā)育特性Tab.1 The growth and development characteristics of soybean at different growth stages

2.2 大豆不同生長時(shí)期的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖1可以看出，在大豆生長苗期，4種處理與CK組相比全氮含量均有增加，其中T3和T4處理后的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由4.6 mg/kg分別增加到了6.0和6.1 mg/kg (P<0.05)；在大豆的開花期，T4處理的土壤大豆的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CK組相比提高了0.11 mg/kg (P<0.05)，但在大豆生長后期，4種處理與CK組相比差異不大。

2.3 大豆不同生長時(shí)期的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖2可以看出，大豆的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在其生長發(fā)育前期積累較多，在大豆生長結(jié)莢期及成熟期全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，推測是在大豆生長過程中鉀元素被大豆莖葉等利用所導(dǎo)致的[14]。大豆生長過程中，T2、T3及T4處理后的土壤都有利于大豆中鉀的積累。在大豆苗期，T3處理的土壤中大豆全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CK組相比顯著增加了27.86 mg/kg (P<0.05)，而T4處理的土壤中的大豆全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CK組相比更是增加了31.72 mg/kg；在大豆生長成熟期，T3處理與T4處理的土壤與CK組相比，由33.68 mg/kg分別提高到了58.35和52.04 mg/kg (P<0.05)，因此，在土壤中添加生物炭及膠質(zhì)芽孢桿菌(T3)與添加膠質(zhì)芽孢桿菌及鉀長石粉(T4)能提高大豆的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

無相同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同處理的大豆在不同生長時(shí)期中的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Fig.1 The total nitrogen content of different treated soybeans at different growth stage

無相同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同處理的大豆在不同生長時(shí)期中的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Fig.2 The total potassium content of different treated soybeans at different growth stages

2.4 大豆不同生長時(shí)期的土壤中堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖3所示，土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著大豆生長而逐漸減少，在苗期到開花期減少較多，這可能是在植物生長過程中吸收利用了部分堿解氮。在大豆生長的苗期，T3處理的土壤與CK組相比，堿解氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯提高，由32.16 mg/kg提高到39.70 mg/kg (P<0.05)；在大豆生長開花期，T1、T3和T4處理后的土壤與CK組相比，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所提高，分別由26.83 mg/kg提高到27.93、29.16和29.89 mg/kg。堿解氮含量的高低取決于有機(jī)質(zhì)含量的高低和質(zhì)量的好壞。結(jié)果表明，處理過的土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，熟化程度高，氮素供應(yīng)能力較強(qiáng)。

無相同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同處理的大豆在不同生長時(shí)期的堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Fig.3 The alkaline-nitrogen content of soybeans treated with different treatments at different growth stages

2.5 大豆不同生長時(shí)期的土壤速效鉀含量

由圖4可以看出，對土壤進(jìn)行不同處理，其速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化較大，在大豆生長的各時(shí)期，T3處理后的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直較高，在大豆生長苗期，T3處理的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)比CK組增加了43.72 mg/kg；在大豆開花期，比CK組增加了74.54 mg/kg；在大豆結(jié)莢期，比CK組增加了70.37 mg/kg (P<0.05)；在大豆生長的成熟期，仍比CK組有所提高，但并沒有顯著性差異。

無相同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。

圖4 不同處理的大豆在不同生長時(shí)期的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Fig.4 The available potassium content of different treated soybeans at different growth stages

3 討 論

膠質(zhì)芽孢桿菌和生物炭在提高農(nóng)作物產(chǎn)量上都具有非常重要的意義。膠質(zhì)芽孢桿菌具有分解土壤和硅酸鹽礦物的能力，而生物炭可以通過改善土壤性質(zhì)和土壤環(huán)境，進(jìn)而提高土壤的肥沃程度[15]。此外，由于生物炭孔隙大，可以為土壤微生物提供合適的棲息場所，促進(jìn)土壤微生物的生長。結(jié)合本課題組前期有關(guān)生物炭對于土壤微生物的研究，發(fā)現(xiàn)生物炭對于膠質(zhì)芽孢桿菌生長的促進(jìn)作用最為明顯[16]，推測菌與生物炭配施可能會促進(jìn)作物生長，因此揭示膠質(zhì)芽孢桿菌、生物炭及二者的配施對大豆產(chǎn)量的影響及其作用機(jī)制具有重要意義。

本研究中，分別在土壤中添加了生物炭、膠質(zhì)芽孢桿菌、生物炭和膠質(zhì)芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌和鉀長石粉，通過對大豆的株高、根長以及根冠比測定發(fā)現(xiàn)：在大豆生長各時(shí)期，與對照相比，處理后的土壤，能夠促進(jìn)大豆的生長，添加膠質(zhì)芽孢桿菌及鉀長石粉處理后的土壤對株高、根長、根冠比均有顯著性地促進(jìn)作用，這可能因?yàn)槟z質(zhì)芽孢桿菌本身的解鉀功能使鉀長石粉變成了游離態(tài)的鉀，被大豆吸收利用，促進(jìn)大豆的生長。Li等[17]發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)芽孢桿菌D4B1可以水解植酸鹽釋放無機(jī)磷來促進(jìn)煙草生長。因此，不同處理的土壤對大豆生長影響效果不同，可能是由于膠質(zhì)芽孢桿菌的代謝影響了大豆本身的氮和鉀含量，進(jìn)而促進(jìn)其生長。

對大豆的氮鉀含量進(jìn)行檢測，與對照相比，添加生物炭和膠質(zhì)芽孢桿菌的土壤，在大豆苗期氮、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有明顯提高，添加膠質(zhì)芽孢桿菌和鉀長石粉的土壤對于大豆的全氮、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有顯著影響。這很有可能是由于土壤微生物的存在，改變了土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)組成。進(jìn)一步檢測土壤中的堿解氮和速效鉀發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過生物炭和膠質(zhì)芽孢桿菌處理后二者含量也有較大變化，在大豆生長苗期、開花期以及結(jié)莢期均顯著增加。Sun等[12]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以作為載體吸附土壤微生物，改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。Liu等[18]也證實(shí)了生物炭對于膠質(zhì)芽孢桿菌活性的影響。這些研究結(jié)果可以證明，生物炭和膠質(zhì)芽孢桿菌共同施加有利于土壤微生物的生長以及代謝活性的提高，改善了土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)含量，提高了大豆生長各時(shí)期全氮和全鉀含量，從而起到促進(jìn)大豆生長的作用。