膠凍樣芽孢桿菌與生物質(zhì)炭復(fù)配及對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響①

王瀟敏，李戀卿，潘根興，張旭輝，鄭金偉，鄭聚峰，劉曉雨，程 琨，王家芳，俞欣妍（南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京 210095）

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膠凍樣芽孢桿菌與生物質(zhì)炭復(fù)配及對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響①

王瀟敏，李戀卿*，潘根興，張旭輝，鄭金偉，鄭聚峰，劉曉雨，程 琨，王家芳，俞欣妍
（南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京 210095）

摘 要：以提高膠凍樣芽孢桿菌在土壤中的存活率、減緩其衰亡速率，延長存活時間，提高其對土壤難溶性鉀的解鉀效率為目的，利用不同種類的秸稈生物質(zhì)炭與膠凍樣芽孢桿菌進行復(fù)配篩選。通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，中性小麥秸稈炭可作為膠凍樣芽孢桿菌較理想的載體。當土壤培養(yǎng) 35天后，土壤速效鉀含量在施用炭基解鉀菌肥條件下較空白提高了28.53% ，較小麥秸稈炭和純菌液處理分別提高了20.75%、13.41%。純菌液處理土壤中膠凍樣芽孢桿菌的菌落數(shù)從1.1×109個/g土降為9.0×105個/g土，而炭基解鉀菌肥處理則為1.4×107個/g土。田間施用炭基解鉀菌肥能夠提高番茄植株和果實中的全鉀含量；提高番茄產(chǎn)量和品質(zhì)，顯著提高番茄Vc含量，降低硝酸鹽含量。因此，中性小麥秸稈炭與膠凍樣芽孢桿菌的復(fù)配能夠提高菌劑的存活率，有效促進土壤中礦物態(tài)鉀的釋放。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；膠凍樣芽孢桿菌；解鉀；土壤；番茄

據(jù)資料顯示，中國的鉀肥生產(chǎn)量只占世界的0.34%，而消耗量卻到14.7%，每年雖然進口200多萬t鉀肥，仍然不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對鉀肥的需要［1］。利用化學鉀肥補鉀是我國農(nóng)業(yè)中普遍使用并且見效較快的土壤速效鉀補充方法，但是，大量使用化學鉀肥也造成了土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤污染、有機質(zhì)含量降低［2］等問題。我國土壤耕層含鉀量平均為25 500 kg/hm2［3］，但其中95% 的鉀為礦物態(tài)鉀，主要存在于鉀長石和云母中，可供作物直接吸收利用的速效性鉀不超過全鉀量的2%［4-5］。因此，研究如何將土壤中的礦物態(tài)鉀釋放出來，轉(zhuǎn)化為速效性鉀，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和實踐意義。

膠凍樣芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）對土壤中云母和長石等含鉀的硅酸鹽礦石具有較強的分解能力［6］，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅可以起到解鉀溶磷的作用，還易形成根系優(yōu)勢種［7-8］，常被用作果蔬和農(nóng)作物種植的微生物菌肥［3］。而作為微生物肥料，其菌劑在根際土壤的定殖以及在作物生長期保持較高的成活率，是影響人工接種菌劑能否有效提高作物產(chǎn)量和提升作物品質(zhì)的重要因素。為了提高微生物在土壤中的存活率，通常采用泥炭［9］、蛭石［10］、菌糠［11］、草炭［10，12］以及草炭與褐煤的混合物［13］等來作為接種載體。

近幾年來，生物質(zhì)炭已成為農(nóng)林、環(huán)境和能源等研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點［14-16］。生物質(zhì)炭是農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)在限氧條件下經(jīng)低溫（300 ～ 550℃）熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物［17］。其高度芳香化結(jié)構(gòu)具有較好的生物化學及熱穩(wěn)定性，能夠在土壤中長期存在而不易被礦化［18］。Hale等人［19］的研究表明，與傳統(tǒng)的如泥炭和蛭石等接種載體相比，生物質(zhì)炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和巨大的表面積［20］，可以作為土壤微生物的棲息地，同時，生物質(zhì)炭具有較強的保蓄養(yǎng)分和水分的能力［21-22］，可為微生物生長提供可利用的養(yǎng)料。然而，不同原料制備的生物質(zhì)炭特性存在差異［23］，而且生物質(zhì)炭本身較高的pH可能對微生物的存活產(chǎn)生不利的影響。因此，本研究通過調(diào)節(jié)生物質(zhì)炭特性，篩選適宜的生物質(zhì)炭載體與膠凍樣芽孢桿菌進行復(fù)配，以進一步提高膠凍樣芽孢桿菌在土壤中的解鉀效率。

1 材料與方法

供試菌種：膠凍樣芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus），來自南京師范大學楊啟銀老師實驗室篩選保存，由楊啟銀老師饋贈。其基本特性為：菌體為粗長桿狀，有厚莢膜，芽孢為粗大橢圓形，復(fù)紅著色深［24］，在無氮培養(yǎng)基上菌落呈無色透明圓形隆起狀，表面光滑，邊緣整齊，濕潤有光澤，膠質(zhì)黏稠有彈性。

發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L）：蔗糖 10.0，K2HPO40.2，CaSO4·2H2O 0.1，MgSO4·7H2O 0.2，NaCl 0.2，CaCO35.0，酵母膏 0.5，pH 6.7 ～ 7.2。

1.1 炭基解鉀菌肥的篩選及其土壤解鉀效果

1.1.1 試驗材料 供試的稻殼炭（RB）、花生殼炭（PB）、玉米秸稈炭（CB）和小麥秸稈炭（WB）均購自河南商丘三利新能源有限公司，基本理化性質(zhì)見表 1；72 h培養(yǎng)后的膠凍樣芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）菌液。供試土壤為水稻土，有機質(zhì)10.62 g/kg，全氮1.86 g/kg，速效磷15.85 mg/kg，速效鉀180.5 mg/kg，pH 7.56。

表1 生物質(zhì)炭基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of biochars

1.1.2 試驗設(shè)計 1）接種載體的篩選：將4種生物質(zhì)炭用0.1 mol/L的HCl浸泡過夜，再用去離子水反復(fù)沖洗至中性，抽濾，烘干，分別制成中性的稻殼炭（NRB）、花生殼炭（NPB）、玉米秸稈炭（NCB）和小麥秸稈炭（NWB）。將制備好的生物質(zhì)炭用去離子水濕潤，攪拌，使含水量達到“手握成團，觸之即散”的程度；稱取10 g生物質(zhì)炭裝入250 ml三角瓶，121℃ 高溫高壓濕熱滅菌30 min，冷卻后接入1 ml菌液，含菌量約為2.1×1010個/ml，每個處理3次重復(fù)；30℃ 恒溫恒濕培養(yǎng)，每7天采一次樣，記錄菌落數(shù)。

2）炭基解鉀菌肥的土壤解鉀效果：將菌液按1 ml︰10 g的液料比接入高壓濕熱滅菌的中性小麥秸稈炭中，設(shè)置4個處理，分別為：M，100 g土壤中接入膠凍樣芽孢桿菌菌液0.1 ml，含菌量約為1.1×1012個/ml；BC+M，100 g土壤中加入中性小麥秸稈炭1.0 g（含膠凍樣芽孢桿菌菌液0.1 ml，含菌量約為1.0×1012個/ml）；BC，100 g土壤中加入中性小麥秸稈炭1.0 g；CK，以原土壤作對照。每個處理3次重復(fù)；30℃ 恒溫恒濕培養(yǎng)，每7天采一次樣，記錄菌落數(shù)。

1.1.3 測定項目 土壤速效鉀測定采用乙酸銨提取-火焰光度計法［25］；土壤中膠凍樣芽孢桿菌數(shù)量測定采用梯度稀釋、平板涂布法［26］。

1.2 炭基解鉀菌肥在番茄大田試驗中的應(yīng)用

1.2.1 試驗設(shè)計 田間試驗于2014年4月—8月在江蘇省南京市江寧區(qū)上坊鎮(zhèn)高橋村進行。試驗共設(shè)5個處理，分別為：BC+M，炭基解鉀菌肥（解鉀菌發(fā)酵培養(yǎng)72 h后（6.6×1011個/ml）按1 ml︰10 g接入已121℃高壓濕熱滅菌的中性小麥秸稈炭，30℃培養(yǎng) 7天，小區(qū)含菌量約3.96×1013個/6m2） 1 t/hm2，磷酸二銨210 kg/hm2，尿素68 kg/hm2；BC，中性小麥秸稈炭1 t/hm2，磷酸二銨210 kg/hm2，尿素68 kg/hm2；M，將發(fā)酵培養(yǎng)72 h的膠凍樣芽孢桿菌菌液（5.9×1011個/ml）稀釋100倍，移苗時蘸根與灌根共10 ml （小區(qū)含菌量約2.36×1013個/6m2），磷酸二銨210 kg/hm2，尿素68 kg/hm2；CF，常規(guī)施肥，復(fù)合肥（15-15-15） 750 kg/hm2；CK，空白對照，番茄全生育期不施任何肥料。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理設(shè)3次重復(fù)，共15個小區(qū)，小區(qū)面積6 m2（3 m × 2 m），每小區(qū)定植番茄20株。復(fù)合肥為安徽拜爾福生物科技有限公司生產(chǎn)的 BB肥，總養(yǎng)分為45%，N︰P2O5︰K2O=15︰15︰15。供試番茄品種為滬合作903F1，番茄于2014年4月20日移栽定植，8月6日收獲，測定番茄產(chǎn)量，采集各處理的土壤和植物樣品，進行室內(nèi)分析。供試土壤質(zhì)地為黏質(zhì)壤土，pH 6.78，有機質(zhì)15.66 g/kg，全氮1.36 g/kg，速效磷99.83 mg/kg，速效鉀41.35 mg/kg，全鉀18.27 g/kg。

生物質(zhì)炭于移栽前穴施，其他肥料均在定植 15天后一次性穴施，整個試驗期內(nèi)都不再進行追肥。各小區(qū)防病治蟲除草澆灌等田間管理措施均一致，按照當?shù)剞r(nóng)民番茄栽培習慣進行。

1.2.2 測定方法 土壤全氮采用德國 Elementor vireo max CNS analyzer 儀測定［25］；pH 采用電位法測定，水 ︰土 = 2.5︰1［25］；有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定［25］；速效磷采用鹽酸-氟化銨法測定［25］；速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度計法測定［25］。

Vc采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定［27］；可溶性糖采用蒽酮比色法測定［27］；可溶性蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍G-250染色法測定［27］；有機酸采用水浴提取-堿液滴定法測定［27］，硝酸鹽采用水楊酸硝化比色法測定［27］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2007軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，采用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析和多重比較（LSD檢驗），處理之間的顯著性分析均為P＜0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物質(zhì)炭載體的接種效果

表 2顯示了膠凍樣芽孢桿菌在不同生物質(zhì)炭載體中的存活數(shù)量。從表 2中可以看出，在培養(yǎng)的前21天內(nèi)，所有處理的膠凍樣芽孢桿菌存活數(shù)量都出現(xiàn)了數(shù)量級減小的現(xiàn)象；未經(jīng)中性處理的生物質(zhì)炭中膠凍樣芽孢桿菌數(shù)量比中性生物質(zhì)炭的菌落數(shù)量降低得更快。未經(jīng)中性處理的生物質(zhì)炭的菌落數(shù)在第21天基本達到穩(wěn)定，數(shù)量平均維持在（3.0 ～ 5.6）×102個/g炭的水平；中性生物質(zhì)炭的菌落數(shù)則是在第 28天基本達到穩(wěn)定，數(shù)量約維持在（6.9 ～ 79）×105個/g炭的水平。在35天的培養(yǎng)周期中，中性小麥秸稈炭中的膠凍樣芽孢桿菌數(shù)量級下降最緩慢，存活數(shù)量顯著高于其他3種中性生物質(zhì)炭。

表2 不同來源的生物質(zhì)炭中膠凍樣芽孢桿菌的存活數(shù)量（個/g炭）Table 2 Survival quantities of Bacillus mucilaginosus in different sources of biochars

2.2 炭基解鉀菌肥的土壤解鉀作用

表 3表示不同處理土壤中膠凍樣芽孢桿菌數(shù)量的變化。從表3中可以看出， M和BC+M處理土壤后，隨著培養(yǎng)時間的延長，菌落數(shù)量急劇下降，M處理在培養(yǎng)的前 7天，菌落數(shù)從 1.1×109個/g土降為8.3×106個/g土，在培養(yǎng)35天后降為9.0×105個/g土；而BC+M處理在培養(yǎng)的前7天，菌落數(shù)從1.0×109個/g土降為1.6×108個/g土的水平，當培養(yǎng)到35天時，菌落數(shù)仍保持在1.4×107個/g土；而CK和BC處理的土壤中菌落數(shù)在整個培養(yǎng)期間無顯著變化。

表3 不同處理土壤中膠凍樣芽孢桿菌的存活數(shù)量（個/g土）Table 3 Quantities of Bacillus mucilaginosus in soils under different treatments

表4為不同處理土壤速效鉀含量的變化。由表4可知，隨著培養(yǎng)時間的延長，M和BC+M處理土壤速效鉀的含量逐漸提高，并在培養(yǎng)的第21和28天達到最大，分別為207.89 mg/kg和280.64 mg/kg，雖然生物質(zhì)炭本身含有一定量的速效鉀，但與各自培養(yǎng)的初始值相比，BC+M處理的速效鉀含量提高23.08%，而M處理僅提高13.52%，除去生物質(zhì)炭本身所含的速效鉀，BC+M處理的土壤速效鉀含量比M處理提高 13.41%。從時間變化來看，土壤速效鉀含量的增幅在7 ～ 14天時達到最大，M和BC+M處理土壤速效鉀含量增幅分別為5.65% 和12.32%。在整個培養(yǎng)期內(nèi)，CK和BC處理的土壤速效鉀含量隨培養(yǎng)時間的增長無顯著變化。

2.3 炭基解鉀菌肥對番茄鉀素吸收的影響

從表5可知，除CF處理外，其他各處理在番茄收獲后土壤速效鉀含量無顯著差異，CF處理的土壤速效鉀含量較BC+M處理高出了31.14%，這是由于CF處理有大量外源鉀（化肥鉀）的緣故，但BC+M處理番茄植株全鉀和果實全鉀含量均與CF處理無顯著差異。與BC處理相比，BC+M處理的番茄植株和果實全鉀量分別顯著提高了9.29% 和12.90%；在同等加菌量的情況下，BC+M處理的茄植株和果實的全鉀量較M處理分別提高20.70% 和23.91%。

表4 不同處理土壤速效鉀的含量變化（mg/kg）Table 4 Contents of soil available K under different treatments

表5 不同處理的土壤速效鉀、番茄植株和果實全鉀含量的差異Table 5 Differences in soil available K after harvest and in contents of total K in plants and fruits under different treatments

2.4 炭基解鉀菌肥對番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

表 6顯示了不同處理對番茄果實品質(zhì)指標和產(chǎn)量的影響。BC+M與BC和M處理相比，Vc含量顯著提高了26.72% 和23.10%。CF 處理番茄的可溶性蛋白含量顯著高于其他處理，BC+M處理較M處理提高了21.40%，而BC+M與BC處理間無顯著差異。番茄的硝酸鹽含量以BC+M處理最低，為72.49 mg/kg，較CK、CF、M和BC等4個處理分別降低了28.84%、5.48%、25.14% 和19.63%。各處理間有機酸含量無顯著差異。番茄的可溶性糖含量以及產(chǎn)量，均以 CF和BC+M處理最高，M與BC處理間沒有顯著的差異。

表6 不同處理對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Table 6 Effects of different treatments on qualities and yields of tomatoes

3 討論

本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭需經(jīng)中性處理才能有利于膠凍樣芽孢桿菌的生長。生物質(zhì)炭一般具有較高的pH［28］，而適宜微生物生存的環(huán)境一般為中性或弱堿性，本研究所用的膠凍樣芽孢桿菌培養(yǎng)基的pH范圍為6.7 ～ 7.2［29］。因此，對堿性生物質(zhì)炭進行中性處理后，接種的菌劑能夠長時間地存活。在4種原料燒制的生物質(zhì)炭中，以中性小麥秸稈炭為載體的膠凍樣芽孢桿菌的存活數(shù)量最多，這可能是由于不同原料的生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)等方面的差異對微生物存活數(shù)量產(chǎn)生影響。劉瑩瑩［23］研究表明，生物質(zhì)炭的比表面積為小麥秸稈炭＞花生殼炭＞玉米秸稈炭，張偉明［30］研究證明花生殼炭比表面積＞稻稈炭＞玉米秸稈炭。此外，養(yǎng)分也是影響微生物繁殖的重要因素。許燕萍等［31］發(fā)現(xiàn)，在400℃制炭溫度下，小麥秸稈炭的鈣、鈉、硫等微量元素含量均高于玉米秸稈炭。本研究所使用的4種生物質(zhì)炭中小麥秸稈炭的有機碳和全氮含量均高于其他3種，速效鉀含量也相對較高，這可能也是小麥秸稈炭能有效提高膠凍樣芽孢桿菌數(shù)量和存活時間的重要因素。

許多研究表明，施用生物質(zhì)炭可顯著提高土壤微生物的數(shù)量和活性［32-34］。O'Neill等［35］在對亞馬遜富碳土壤的微生物種群研究中發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭可以顯著提高土壤微生物數(shù)量和細菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性，這可能與生物質(zhì)炭的組成和表面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。生物質(zhì)炭含有一定量易分解的有機物質(zhì)，可為微生物的生長提供碳源和氮源［36］。此外，生物質(zhì)炭具有從納米到數(shù)十微米的豐富的孔隙［37］，這種孔隙結(jié)構(gòu)能夠為微生物提供附著位點和較大的生存空間［38］。同時，生物質(zhì)炭表面的官能團能夠吸附土壤中的養(yǎng)分，而大量的孔隙還可保蓄水分［39］，這為微生物的棲息生活提供了良好的微環(huán)境。此外，生物質(zhì)炭的高芳香烴結(jié)構(gòu)［40］決定了其較高的化學和生物學穩(wěn)定性，能夠抵抗微生物的分解作用，可在土壤中長時間穩(wěn)定存在［41］。本研究表明，以中性生物質(zhì)炭為載體的膠凍樣芽孢桿菌加入土壤，芽孢桿菌在土壤中的存活數(shù)量下降緩慢，土壤中速效鉀的含量顯著提高，顯示以中性生物質(zhì)炭為載體的解鉀菌肥的解鉀效率較高。

大田試驗結(jié)果表明，雖然番茄收獲后土壤速效鉀含量沒有顯著變化，但與單施菌肥相比，炭基解鉀菌肥顯著提高了番茄植株和果實的全鉀含量，而單施菌肥處理與對照相比，僅僅提高了番茄果實的全鉀含量。金會翠等［42］和吳國喜［43］研究顯示番茄葉片和果實中的鉀素隨著基質(zhì)中鉀的增加而增加，這進一步顯示了炭基解鉀菌肥的施用提高了土壤中速效鉀的含量，從而提高了番茄植株和果實鉀的吸收量。已有的研究表明，鉀素能顯著地提高果實品質(zhì)，是公認的“品質(zhì)元素”［44］。張炎等［45］試驗結(jié)果表明，在一定的范圍內(nèi)，番茄果實中 Vc含量隨施鉀量的增加而增加［43，46］，適當增施鉀肥能使果實中的硝酸鹽含量顯著降低［43，45］。本研究中炭基解鉀菌肥處理的番茄產(chǎn)量、Vc含量和硝酸鹽含量均與化肥的相當，且與其他處理差異顯著，可能是由于生物質(zhì)炭提高了膠凍樣芽孢桿菌的存活數(shù)量，促進了其對土壤礦物的解鉀效果。當然，生物質(zhì)炭本身對蔬菜的品質(zhì)也具有一定的改善效應(yīng)［47-48］。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，中性小麥秸稈炭較稻殼炭、花生殼炭和玉米秸稈炭更有利于膠凍樣芽孢桿菌的存活，適合作為接種載體；土壤中加入生物質(zhì)炭能使膠凍樣芽孢桿菌的存活數(shù)量得到提高，并且能夠持續(xù)分解土壤礦物態(tài)鉀；施用炭基解鉀菌肥可顯著提高番茄產(chǎn)量和番茄植株與果實全鉀含量，明顯改善番茄果實品質(zhì)。

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中圖分類號：S144.1

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.010

基金項目：①科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目（2013GB23600666）資助。

* 通訊作者（lqli@njau.edu.cn）

作者簡介：王瀟敏（1989—），女，山東威海人，碩士研究生，主要從事土壤肥力與保育方面的研究。E-mail: xiaomin829@126.com

Compound of Bacillus mucilaginosus and Biochar and Its Effects on Tomato Yield and Quality

WANG Xiaomin， LI Lianqing*， PAN Genxing， ZHANG Xuhui， ZHENG Jinwei，ZHENG Jufeng， LIU Xiaoyu， CHENG Kun， WANG Jiafang， YU Xinyan
（Institute of Resources， Ecosystem and Environment for Agriculture， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract:Experiments were conducted by compounded various straw biochars and Bacillus mucilaginosus in order to select the optimal carrier to improve the survival rate of Bacillus mucilaginosus， slow its senescence rate， prolong its survival time in soil， and promote the releasing efficiency of soil insoluble potassium.Incubation experiments showed that neutral wheat straw biochar could be used as the ideal carrier for Bacillus mucilaginosus.After 35-d incubation， the content of soil available potassium of biochar-based potassium-releasing fertilizer was 28.53%， 20.75% and 13.41% higher than CK， wheat straw biochar and microbial liquid treaments， respectively.Although the quantities of the Bacillus mucilaginosus both in microbial liquid treatment and biochar-based potassium-released fertilizer treatment were significantly decreased， the decreased rate in biocharbased potassium-released fertilizer treatment （1.0×109cfu/g to 1.4×107cfu/g） was lower than microbial liquid treatment （1.1× 109cfu/g to 9.0×105cfu/g）.Field experiments showed that biochar-based potassium-released fertilizer could significantly increase total potassium contents in tomato plants and fruits， increase the yield and quality of tomato， promote the content of vitamin C， and decrease nitrate content.These results indicate that compound neutral wheat straw biochar and Bacillus mucilaginosus can improve the survival rate of inoculant and promote effectively the release of mineral potassium from soil.

Key words:Biochar； Bacillus mucilaginosus； Potassium release； Soil； Tomato