生物炭与解磷菌剂配施对石灰性土壤生物化学性状及苜蓿产量的影响

赵毅珺，孟会生，洪坚平

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

生物炭是由生物残体在缺氧或者少氧条件下通过高温慢热解方法制备产生的一种稳定、含碳量高的固态物质[1]。由于生物炭具有弱碱性、疏松多孔结构特点，使其具有很强的吸附性，能够贮存水分和养分，增加土壤有机质含量，生物炭的孔隙和表面还会成为土壤微生物栖息的微环境，进而增加土壤微生物数量及活性，从而能够促进土壤多种元素的循环[2]。因此，近年来，生物炭以其固碳减排、改善土壤质量、提高作物产量等众多优点引起国内外学者的广泛关注[3-6]。

解磷菌剂是现代农业发展进程中一种新型的生物肥料，它是经过特殊工艺加工而成的，含有丰富的微生物活菌；它既是一种活菌制剂，又是一种生物制剂，能适用于各种经济作物的种植[7]。解磷菌剂含有较为活跃的微生物菌群和活性酶，同时含有大量的有机质和丰富的微量元素，所发挥的肥料效应主要源于微生物的生命活动，能够起到改良土壤的效果，进而促进植物生长，提高作物的品质，增加作物的产量。

近年来，化肥对生态环境的负面效应越来越受到人们的重视，发展绿色肥料势在必行。而用微生物肥料代替化肥能够降低化学成分对土地和水资源的污染，同时也能减轻土地盐碱化的面积和程度，在提高农产品质量和品质方面具有突出贡献。

本试验在无机肥的基础上选用生物炭与解磷菌剂配施进行盆栽试验，研究生物炭及解磷菌剂对苜蓿种植土壤养分、土壤酶活性及苜蓿品质、养分和产量的影响，旨在为苜蓿高产优质栽培[8]、生物炭与解磷菌剂配施的大面积推广与应用及提高生产力提供理论依据，对充分合理利用生物炭与解磷菌剂配施、促进农业的可持续发展具有重要意义[9]。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤 本试验盆栽用土取自山西农业大学西校门外的农田土壤，质地为轻壤土。取回土壤风干后，过3 mm 筛，混匀备用。土壤类型为石灰性褐土，其理化性状列于表1。

表1 供试土壤基本理化性状

1.1.2 供试作物 供试作物为紫花苜蓿（Medicago sativa）。

1.1.3 供试肥料

1.1.3.1 供试化肥 尿素含N 46.4%，过磷酸钙含P2O516%，硫酸钾含K2O 45%。

1.1.3.2 供试生物炭 生物炭由平遥县晟弘生物质能源开发有限公司提供，裂解温度为550～600 ℃。秸秆生物炭含有机质57.2%、N 0.26%、P2O51.33%、K2O 4.52%。

1.1.3.3 供试解磷菌剂 解磷菌剂由山西农业大学资源环境学院研制，所用菌剂为从石灰性土壤中分离出的3 株解磷细菌，包括1 株拉恩式菌（Rahnella）和2 株荧光假单胞菌（Fluorescent pseudominas），彼此之间不存在拮抗作用，高密度发酵后，制成解磷菌剂，有效活菌数≥2×108cfu/mL。

1.2 试验方法

本试验采用2 因素完全随机设计，盆栽试验共设2 组处理，其中，解磷菌剂（B）处理设2 个水平，即不施菌剂（B0，施用等量培养基）和施用菌剂（B1）；生物炭（M）处理设4 个施肥水平，即M0、M1、M2、M3，施肥量分别为0，66.7，133.4，200.1 kg/hm2。共8 个处理，每个处理重复4 次。

试验在山西农业大学资源环境学院温室内进行。试验所用盆钵规格为盆口直径24.0 cm，高14.0 cm，每盆装供试土壤2.5 kg。每个处理所施底肥为尿素、过磷酸钙、硫酸钾，N、P2O5、K2O 分别为0.15，0.15，0.10 g/kg。每盆肥料具体用量如表2 所示。苜蓿于2017 年4 月5 日播种，等待苜蓿出苗后，定植15 株，6 日20 日收获。苜蓿收获后，立即称其质量，即为苜蓿鲜质量；然后随机称取样品，在100～105 ℃杀青，65 ℃下烘至恒质量，称其质量，并换算成每盆苜蓿干物质总量。干样粉碎后，测定其氮磷钾含量及养分吸收量。

表2 肥料具体用量

1.3 测定项目及方法

植物全氮含量采用H2SO4- H2O2消煮、奈氏比色法测定[10]；全磷含量采用H2SO4- H2O2消煮、钒钼黄比色法测定[10]；全钾含量采用H2SO4- H2O2消煮、火焰光度计法测定[10]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件进行试验结果的统计运算，采用SAS 软件对数据进行单因素方差分析和显著性检验（P＜0.05）。

养分积累量＝干物质量×养分含量 （1）

2 结果与分析

2.1 生物炭与解磷菌剂配施对土壤化学性状的影响

由表3 可知，与对照相比，生物炭与解磷菌剂配施后盆栽苜蓿土壤中有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量均有显著增加，且随着施肥水平的增加，土壤各种化学性状均呈递增趋势。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌剂处理（M3B1）碱解氮、有效磷和速效钾含量均最高，有效磷和速效钾M3B1 处理与其余处理相比均有显著提高，碱解氮M2B0、M2B1、M3B0、M3B1 处理之间差异不显著，但仍呈现增加趋势。每盆单独增施生物炭含量为50.1 g（M3B0）土壤有机质含量最高，其与每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌剂处理（M3B1）差异不显著，但这2 个处理显著高于其余处理。综合以上分析，每盆增施生物炭含量为50.1 g配施10 mL 解磷菌剂处理（M3B1）对盆栽苜蓿土壤化学性状的提升效果最好。其中，土壤有机质、碱解氮、有效磷与速效钾比对照处理分别增加63.45%，25.84%，34.95%和25.63%。

表3 生物炭与解磷菌剂配施对有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量的影响

在苜蓿生长过程中，需要土壤源源不断地提供养分。生物炭配施解磷菌剂首先可以直接增加土壤中各种养分的含量，同时可以有效促进土壤中有效养分的转化，如土壤稳定态有机氮的矿化和易分解有机氮对铵态氮的吸附固定[11-12]；与土壤中有机物和其他阳离子（如Ca2+）的相互作用可增强土壤磷的有效性；使土壤中非交换性钾转化为速效钾并释放到土壤中。解磷菌剂能在适宜的条件下，通过结合土壤中的有益微生物，改善土壤微生物菌群[13-14]，分解土壤中的有效养分，帮助土壤养分系统更好地运转，对土壤表现出活化效应[15]。生物炭配施解磷菌剂可有效提高土壤肥力，培肥土壤，维持地力，并且可以降低施用化肥对土壤的负面影响。试验结果与王光祖[16]、刘芳春等[17]一致。

2.2 生物炭与解磷菌剂对土壤酶活性的影响

由表4 可知，增施生物炭后土壤中脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性相比对照均有显著增加，且随着施肥水平的增加，土壤中各种酶活性均呈递增趋势。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌剂处理脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性最高，相比其他处理增加均显著，分别比对照增加189.33%，308.09%，117.81%和125%。综上所述，每盆增施生物炭含量为50.1 g 配施10 mL 解磷菌剂处理（M3B1）对盆栽苜蓿土壤酶活性的提升效果最好。

表4 生物炭与解磷菌剂配施对土壤酶活性的影响

土壤酶活性通常可以体现土壤肥力的大小，并且反映土壤中各种生物化学反应进行的方向和强弱[18]。土壤脲酶参与了土壤氮循环；碱性磷酸酶是土壤磷循环中的关键酶，能够将磷酸基团从有机磷复合物中水解出来[19]；蔗糖酶的活性与养分有效性密切相关；过氧化氢酶可以保护植物免受过氧化物的损害。由于生物炭与解磷菌剂的加入增加了土壤中有机质和养分含量，土壤有机质及速效养分的增加促进了苜蓿根系分泌物的代谢，使微生物生命活动更加旺盛，从而提高了各种土壤酶的活性[20-22]，改善了土壤理化性质，进一步提高了土壤肥力水平。本试验结果与赵栋等[23]的研究结果相近。

2.3 生物炭与解磷菌剂配施对苜蓿产量的影响

从表5 可以看出，增施生物炭配施解磷菌剂后盆栽苜蓿鲜质量和干质量相比对照均有显著增加，且随着施肥水平的增加，盆栽苜蓿产量呈增加趋势。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌剂处理（M3B1）盆栽苜蓿产量增加最多，其产量显著高于其他处理，鲜质量较对照增加了77.12%，干质量较对照增加了152.27%。由于土壤有效养分含量的增加与微生物环境改善导致酶活性增强，提高了盆栽苜蓿对营养物质的吸收与积累，故而增加了盆栽苜蓿的产量，这与靳莉君等[24]的研究结果一致。

表5 生物炭与解磷菌剂配施对盆栽苜蓿产量的影响 g/ 盆

2.4 生物炭与解磷菌剂配施对苜蓿养分吸收的影响

从表6 可以看出，增施生物炭配施解磷菌剂盆栽苜蓿对N 素、P 素和K 素的吸收相比对照均有显著提高。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL解磷菌剂处理（M3B1）盆栽苜蓿对土壤养分的吸收量最高，盆栽苜蓿对N 素、P 素和K 素的吸收量较对照分别增加319.02%，308.06%和257.13%，与其他处理相比增加显著。说明每盆增施生物炭50.1 g配施10 mL 解磷菌剂，可加强土壤中养分的有效性，改善根系土壤环境，使苜蓿可以更好地吸收利用土壤中的营养物质，从而提高苜蓿的养分含量。

表6 生物炭与解磷菌剂配施对盆栽苜蓿养分吸收的影响 kg/hm2

3 结论

本试验通过大棚盆栽试验，研究了生物炭配施解磷菌剂对土壤养分和苜蓿生长的影响，结果表明，单施生物炭各处理与对照相比，土壤中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量增加，最高分别增加64.59%，20.89%，24.97%，19.39%。生物炭与解磷菌剂配施土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量增加，最高分别增加63.45%，25.84%，34.95%，25.63%。

单施生物炭各处理与对照相比，土壤中脲酶活性、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性增加，最高分别增加158.67%，259.56%，100.4%，105.08%；生物炭与解磷菌剂配施土壤脲酶活性、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性显著增加，最高分别增加189.33%，308.09%，117.81%，125%。

单独增施生物炭各处理与对照相比，盆栽苜蓿鲜质量、干质量均显著增加，鲜质量最高增加57.58%，干质量最高增加122.33%；生物炭配施解磷菌剂盆栽苜蓿鲜质量、干质量均显著增加，最高分别增加77.12%，152.27%。

单独增施生物炭各处理与对照相比，盆栽苜蓿对N 素、P 素、K 素的吸收量显著增加，最高分别增加236.82%，234.41%，208.73%；生物炭与解磷菌剂配施后盆栽苜蓿对N 素、P 素、K 素的吸收量呈显著增加趋势，最高分别增加319.02%，308.06%，257.13%。

每盆增施50.1 g 的生物炭并配施10 mL 解磷菌剂对盆栽苜蓿土壤养分、酶活性、产量及营养元素吸收量效果最好，不仅可以增产，而且可以在一定程度上降低施用化肥带来的负面效应。