生物炭和胶质芽孢杆菌配施对大豆氮钾流动性的影响

张 鹤 馨， 周 海 龙， 刘 玉 坤， 唐 文 竹， 李 宪 臻

( 1.大连工业大学 生物工程学院， 辽宁 大连 116034； 2.中国生物发酵产业协会， 北京 100833 )

0 引 言

生物炭是指农作物秸秆、木材、污泥、树叶在700 ℃下受热分解炭化，在完全或部分缺氧的条件下，形成的难熔性的高度芳香化产物[1]。由于生物炭的孔隙大，比表面积高，并且具有较强的吸附性，在自然状态下呈碱性[2]，因此常作为一种土壤改良剂应用到农业当中。大量研究表明，生物炭对于土壤微生物量、微生物群落结构以及土壤pH、有机质、氮、磷等均有较大影响[3-5]。Jeffery等[6]发现，生物炭不仅可以增加土壤当中的有效成分，同时也能加速农作物对养分的吸收效率。

胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginosus)是一种被有肥厚夹膜的长杆菌，常分布于土壤和岩石之中，因其具有分解土壤和硅酸盐矿物的能力，又被称为硅酸盐细菌[7]。胶质芽孢杆菌分泌的草酸、柠檬酸、苹果酸等有机酸[8]可以有效地降低矿物的pH，使土壤中难溶的磷、钾、硅等物质被植物利用[9]。

长期以来，科研人员针对胶质芽孢杆菌解磷、解钾的特性，对其在农业生产上作为微生物菌肥的应用进行了广泛的研究。毕银丽等[10]研究发现，胶质芽孢杆菌释钾效果受多种条件影响。李佳等[11]发现不同的菌株分解矿物的能力也有较大差异。因此充分发挥胶质芽孢杆菌解磷释钾能力，有效提高农作物产量已经成为近年来的研究热点。

目前关于土壤微生物与生物炭的互作对于作物生长的影响方面的研究缺乏系统分析。本试验通过考察胶质芽孢杆菌与生物炭互作对大豆生长、土壤及大豆中氮、钾含量流动性的影响，以期为其在大豆种植的推广中提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

胶质芽孢杆菌1.153，中国农业微生物菌种保藏中心。

优选大豆种，铁岭市于氏种子有限公司。

玉米秸秆生物炭由沈阳农业大学提供，粒径(40.3±0.3) nm，比表面积(23.4±0.2) m2/g，总孔体积(0.25±0.02) g/cm3，全碳质量分数749.3 mg/g，易挥发物质量分数219.4 mg/g，有效氮质量分数0.75 mg/kg，有效磷质量分数2.11 mg/kg，速效钾质量分数13.4 mg/kg，pH 9.2[12]。

供试土壤的理化性质：pH 7.12，有机质质量分数1.80%，碱解氮质量分数27.93 mg/kg，有效磷质量分数2.57 mg/kg，速效钾质量分数110.93 mg/kg，阳离子交换量为7.13 mmol/kg。

1.2 试验设计

采用盆栽实验，选择外径20 cm、内径18 cm、高13 cm的花盆，每盆2.5 kg土壤，每盆种植6颗大豆种子，深度约2 cm，间距约2 cm，施加氮72 mg/kg、P2O554 mg/kg和K2O 120 mg/kg作底肥，分别以(NH4)2SO4、KH2PO4和KCl为肥源。

对照组为原始土壤(CK)、实验组分别为添加20 mL胶质芽孢杆菌菌液(106cfu/mL)土壤(T1)、添加1%秸秆炭土壤(T2)、添加20 mL胶质芽孢杆菌菌液(106cfu/mL)和1%秸秆炭土壤(T3)、添加1%钾长石粉和20 mL胶质芽孢杆菌菌(106cfu/mL)的土壤(T4)，分别种植大豆，在大豆的不同生长时期，对大豆和土壤分别取样测定。

1.3 测定指标及方法

在大豆生长的幼苗期、开花期、结荚期、成熟期，对土壤和大豆分别取样，不同时期不同处理各取3盆作为平行样本。用刻度尺测量其株高、根长，用其烘干后的干重测量其根冠比。将植株烘干磨碎，过80目筛，取0.3 g用H2SO4-H2O2进行消煮，将消煮液定容到100 mL，摇匀待用。用H2SO4-H2O2-酚蓝比色法测大豆全氮含量，用火焰光度法进行大豆全钾含量测定，用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，用乙酸铵提取法进行土壤速效钾含量测定[13]。

1.4 数据处理

采用Spss Statistics对数据进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 大豆不同生长时期的生长发育特性

由表1可以看出，大豆的株高在结荚期和成熟期之间无明显变化。不同处理的土壤种植的大豆株高相较于对照都有一定的增加，特别是T4组的大豆在开花期株高比CK组增加了51.96% (P<0.05)。经过不同处理后，大豆的根在其生长的不同时期，与CK组相比都有不同程度的增加，尤其是在大豆生长成熟期，T4处理的大豆根长显著增加了41.33% (P<0.05)，这说明在土壤中添加胶质芽孢杆菌及钾长石粉(T4)能促进大豆根的生长，进一步影响作物的产量。

大豆的根冠比的大小反映了植物地下部分与地上部分的相关性。由表1可以看出，根冠比随着大豆的生长而逐渐减小。在大豆生长的结荚期，T1处理大豆的根冠比与CK组相比显著增加了11.76% (P<0.05)；T4处理大豆根冠比与CK组相比，增加了17.65% (P<0.05)；在大豆生长成熟期，4个处理的土壤大豆根冠比相较于CK组分别提高了18.18%、54.54%、63.63%和36.36%。结果表明，4种处理均能提高大豆的根冠比，从而促进大豆的生长。

表1 大豆不同生长时期的生长发育特性Tab.1 The growth and development characteristics of soybean at different growth stages

2.2 大豆不同生长时期的全氮质量分数

由图1可以看出，在大豆生长苗期，4种处理与CK组相比全氮含量均有增加，其中T3和T4处理后的土壤全氮质量分数由4.6 mg/kg分别增加到了6.0和6.1 mg/kg (P<0.05)；在大豆的开花期，T4处理的土壤大豆的全氮质量分数与CK组相比提高了0.11 mg/kg (P<0.05)，但在大豆生长后期，4种处理与CK组相比差异不大。

2.3 大豆不同生长时期的全钾质量分数

由图2可以看出，大豆的全钾质量分数在其生长发育前期积累较多，在大豆生长结荚期及成熟期全钾质量分数逐渐减少，推测是在大豆生长过程中钾元素被大豆茎叶等利用所导致的[14]。大豆生长过程中，T2、T3及T4处理后的土壤都有利于大豆中钾的积累。在大豆苗期，T3处理的土壤中大豆全钾质量分数与CK组相比显著增加了27.86 mg/kg (P<0.05)，而T4处理的土壤中的大豆全钾质量分数与CK组相比更是增加了31.72 mg/kg；在大豆生长成熟期，T3处理与T4处理的土壤与CK组相比，由33.68 mg/kg分别提高到了58.35和52.04 mg/kg (P<0.05)，因此，在土壤中添加生物炭及胶质芽孢杆菌(T3)与添加胶质芽孢杆菌及钾长石粉(T4)能提高大豆的全钾质量分数。

无相同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

图1 不同处理的大豆在不同生长时期中的全氮质量分数

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

无相同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

图2 不同处理的大豆在不同生长时期中的全钾质量分数

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

2.4 大豆不同生长时期的土壤中碱解氮质量分数

如图3所示，土壤碱解氮质量分数随着大豆生长而逐渐减少，在苗期到开花期减少较多，这可能是在植物生长过程中吸收利用了部分碱解氮。在大豆生长的苗期，T3处理的土壤与CK组相比，碱解氮的质量分数有明显提高，由32.16 mg/kg提高到39.70 mg/kg (P<0.05)；在大豆生长开花期，T1、T3和T4处理后的土壤与CK组相比，碱解氮质量分数有所提高，分别由26.83 mg/kg提高到27.93、29.16和29.89 mg/kg。碱解氮含量的高低取决于有机质含量的高低和质量的好坏。结果表明，处理过的土壤有机质含量丰富，熟化程度高，氮素供应能力较强。

无相同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

图3 不同处理的大豆在不同生长时期的碱解氮质量分数

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

2.5 大豆不同生长时期的土壤速效钾含量

由图4可以看出，对土壤进行不同处理，其速效钾质量分数的变化较大，在大豆生长的各时期，T3处理后的土壤速效钾质量分数一直较高，在大豆生长苗期，T3处理的土壤速效钾质量分数比CK组增加了43.72 mg/kg；在大豆开花期，比CK组增加了74.54 mg/kg；在大豆结荚期，比CK组增加了70.37 mg/kg (P<0.05)；在大豆生长的成熟期，仍比CK组有所提高，但并没有显著性差异。

无相同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

图4 不同处理的大豆在不同生长时期的速效钾质量分数

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

3 讨 论

胶质芽孢杆菌和生物炭在提高农作物产量上都具有非常重要的意义。胶质芽孢杆菌具有分解土壤和硅酸盐矿物的能力，而生物炭可以通过改善土壤性质和土壤环境，进而提高土壤的肥沃程度[15]。此外，由于生物炭孔隙大，可以为土壤微生物提供合适的栖息场所，促进土壤微生物的生长。结合本课题组前期有关生物炭对于土壤微生物的研究，发现生物炭对于胶质芽孢杆菌生长的促进作用最为明显[16]，推测菌与生物炭配施可能会促进作物生长，因此揭示胶质芽孢杆菌、生物炭及二者的配施对大豆产量的影响及其作用机制具有重要意义。

本研究中，分别在土壤中添加了生物炭、胶质芽孢杆菌、生物炭和胶质芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和钾长石粉，通过对大豆的株高、根长以及根冠比测定发现：在大豆生长各时期，与对照相比，处理后的土壤，能够促进大豆的生长，添加胶质芽孢杆菌及钾长石粉处理后的土壤对株高、根长、根冠比均有显著性地促进作用，这可能因为胶质芽孢杆菌本身的解钾功能使钾长石粉变成了游离态的钾，被大豆吸收利用，促进大豆的生长。Li等[17]发现胶质芽孢杆菌D4B1可以水解植酸盐释放无机磷来促进烟草生长。因此，不同处理的土壤对大豆生长影响效果不同，可能是由于胶质芽孢杆菌的代谢影响了大豆本身的氮和钾含量，进而促进其生长。

对大豆的氮钾含量进行检测，与对照相比，添加生物炭和胶质芽孢杆菌的土壤，在大豆苗期氮、钾质量分数均有明显提高，添加胶质芽孢杆菌和钾长石粉的土壤对于大豆的全氮、全钾质量分数也有显著影响。这很有可能是由于土壤微生物的存在，改变了土壤中的营养物质组成。进一步检测土壤中的碱解氮和速效钾发现，经过生物炭和胶质芽孢杆菌处理后二者含量也有较大变化，在大豆生长苗期、开花期以及结荚期均显著增加。Sun等[12]研究发现生物炭可以作为载体吸附土壤微生物，改变土壤微生物的群落结构。Liu等[18]也证实了生物炭对于胶质芽孢杆菌活性的影响。这些研究结果可以证明，生物炭和胶质芽孢杆菌共同施加有利于土壤微生物的生长以及代谢活性的提高，改善了土壤中的营养物质含量，提高了大豆生长各时期全氮和全钾含量，从而起到促进大豆生长的作用。