生物炭與解磷菌劑配施對石灰性土壤生物化學(xué)性狀及苜蓿產(chǎn)量的影響

趙毅珺，孟會生，洪堅平

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

生物炭是由生物殘體在缺氧或者少氧條件下通過高溫慢熱解方法制備產(chǎn)生的一種穩(wěn)定、含碳量高的固態(tài)物質(zhì)[1]。由于生物炭具有弱堿性、疏松多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具有很強(qiáng)的吸附性，能夠貯存水分和養(yǎng)分，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，生物炭的孔隙和表面還會成為土壤微生物棲息的微環(huán)境，進(jìn)而增加土壤微生物數(shù)量及活性，從而能夠促進(jìn)土壤多種元素的循環(huán)[2]。因此，近年來，生物炭以其固碳減排、改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量等眾多優(yōu)點(diǎn)引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-6]。

解磷菌劑是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中一種新型的生物肥料，它是經(jīng)過特殊工藝加工而成的，含有豐富的微生物活菌；它既是一種活菌制劑，又是一種生物制劑，能適用于各種經(jīng)濟(jì)作物的種植[7]。解磷菌劑含有較為活躍的微生物菌群和活性酶，同時含有大量的有機(jī)質(zhì)和豐富的微量元素，所發(fā)揮的肥料效應(yīng)主要源于微生物的生命活動，能夠起到改良土壤的效果，進(jìn)而促進(jìn)植物生長，提高作物的品質(zhì)，增加作物的產(chǎn)量。

近年來，化肥對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)越來越受到人們的重視，發(fā)展綠色肥料勢在必行。而用微生物肥料代替化肥能夠降低化學(xué)成分對土地和水資源的污染，同時也能減輕土地鹽堿化的面積和程度，在提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)方面具有突出貢獻(xiàn)。

本試驗(yàn)在無機(jī)肥的基礎(chǔ)上選用生物炭與解磷菌劑配施進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，研究生物炭及解磷菌劑對苜蓿種植土壤養(yǎng)分、土壤酶活性及苜蓿品質(zhì)、養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響，旨在為苜蓿高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培[8]、生物炭與解磷菌劑配施的大面積推廣與應(yīng)用及提高生產(chǎn)力提供理論依據(jù)，對充分合理利用生物炭與解磷菌劑配施、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9]。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試土壤 本試驗(yàn)盆栽用土取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)西校門外的農(nóng)田土壤，質(zhì)地為輕壤土。取回土壤風(fēng)干后，過3 mm 篩，混勻備用。土壤類型為石灰性褐土，其理化性狀列于表1。

表1 供試土壤基本理化性狀

1.1.2 供試作物 供試作物為紫花苜蓿（Medicago sativa）。

1.1.3 供試肥料

1.1.3.1 供試化肥 尿素含N 46.4%，過磷酸鈣含P2O516%，硫酸鉀含K2O 45%。

1.1.3.2 供試生物炭 生物炭由平遙縣晟弘生物質(zhì)能源開發(fā)有限公司提供，裂解溫度為550～600 ℃。秸稈生物炭含有機(jī)質(zhì)57.2%、N 0.26%、P2O51.33%、K2O 4.52%。

1.1.3.3 供試解磷菌劑 解磷菌劑由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院研制，所用菌劑為從石灰性土壤中分離出的3 株解磷細(xì)菌，包括1 株拉恩式菌（Rahnella）和2 株熒光假單胞菌（Fluorescent pseudominas），彼此之間不存在拮抗作用，高密度發(fā)酵后，制成解磷菌劑，有效活菌數(shù)≥2×108cfu/mL。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用2 因素完全隨機(jī)設(shè)計，盆栽試驗(yàn)共設(shè)2 組處理，其中，解磷菌劑（B）處理設(shè)2 個水平，即不施菌劑（B0，施用等量培養(yǎng)基）和施用菌劑（B1）；生物炭（M）處理設(shè)4 個施肥水平，即M0、M1、M2、M3，施肥量分別為0，66.7，133.4，200.1 kg/hm2。共8 個處理，每個處理重復(fù)4 次。

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)所用盆缽規(guī)格為盆口直徑24.0 cm，高14.0 cm，每盆裝供試土壤2.5 kg。每個處理所施底肥為尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀，N、P2O5、K2O 分別為0.15，0.15，0.10 g/kg。每盆肥料具體用量如表2 所示。苜蓿于2017 年4 月5 日播種，等待苜蓿出苗后，定植15 株，6 日20 日收獲。苜蓿收獲后，立即稱其質(zhì)量，即為苜蓿鮮質(zhì)量；然后隨機(jī)稱取樣品，在100～105 ℃殺青，65 ℃下烘至恒質(zhì)量，稱其質(zhì)量，并換算成每盆苜蓿干物質(zhì)總量。干樣粉碎后，測定其氮磷鉀含量及養(yǎng)分吸收量。

表2 肥料具體用量

1.3 測定項(xiàng)目及方法

植物全氮含量采用H2SO4- H2O2消煮、奈氏比色法測定[10]；全磷含量采用H2SO4- H2O2消煮、釩鉬黃比色法測定[10]；全鉀含量采用H2SO4- H2O2消煮、火焰光度計法測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計運(yùn)算，采用SAS 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

養(yǎng)分積累量＝干物質(zhì)量×養(yǎng)分含量 （1）

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與解磷菌劑配施對土壤化學(xué)性狀的影響

由表3 可知，與對照相比，生物炭與解磷菌劑配施后盆栽苜蓿土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量均有顯著增加，且隨著施肥水平的增加，土壤各種化學(xué)性狀均呈遞增趨勢。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌劑處理（M3B1）堿解氮、有效磷和速效鉀含量均最高，有效磷和速效鉀M3B1 處理與其余處理相比均有顯著提高，堿解氮M2B0、M2B1、M3B0、M3B1 處理之間差異不顯著，但仍呈現(xiàn)增加趨勢。每盆單獨(dú)增施生物炭含量為50.1 g（M3B0）土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，其與每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌劑處理（M3B1）差異不顯著，但這2 個處理顯著高于其余處理。綜合以上分析，每盆增施生物炭含量為50.1 g配施10 mL 解磷菌劑處理（M3B1）對盆栽苜蓿土壤化學(xué)性狀的提升效果最好。其中，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷與速效鉀比對照處理分別增加63.45%，25.84%，34.95%和25.63%。

表3 生物炭與解磷菌劑配施對有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的影響

在苜蓿生長過程中，需要土壤源源不斷地提供養(yǎng)分。生物炭配施解磷菌劑首先可以直接增加土壤中各種養(yǎng)分的含量，同時可以有效促進(jìn)土壤中有效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，如土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)氮的礦化和易分解有機(jī)氮對銨態(tài)氮的吸附固定[11-12]；與土壤中有機(jī)物和其他陽離子（如Ca2+）的相互作用可增強(qiáng)土壤磷的有效性；使土壤中非交換性鉀轉(zhuǎn)化為速效鉀并釋放到土壤中。解磷菌劑能在適宜的條件下，通過結(jié)合土壤中的有益微生物，改善土壤微生物菌群[13-14]，分解土壤中的有效養(yǎng)分，幫助土壤養(yǎng)分系統(tǒng)更好地運(yùn)轉(zhuǎn)，對土壤表現(xiàn)出活化效應(yīng)[15]。生物炭配施解磷菌劑可有效提高土壤肥力，培肥土壤，維持地力，并且可以降低施用化肥對土壤的負(fù)面影響。試驗(yàn)結(jié)果與王光祖[16]、劉芳春等[17]一致。

2.2 生物炭與解磷菌劑對土壤酶活性的影響

由表4 可知，增施生物炭后土壤中脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性相比對照均有顯著增加，且隨著施肥水平的增加，土壤中各種酶活性均呈遞增趨勢。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌劑處理脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性最高，相比其他處理增加均顯著，分別比對照增加189.33%，308.09%，117.81%和125%。綜上所述，每盆增施生物炭含量為50.1 g 配施10 mL 解磷菌劑處理（M3B1）對盆栽苜蓿土壤酶活性的提升效果最好。

表4 生物炭與解磷菌劑配施對土壤酶活性的影響

土壤酶活性通常可以體現(xiàn)土壤肥力的大小，并且反映土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和強(qiáng)弱[18]。土壤脲酶參與了土壤氮循環(huán)；堿性磷酸酶是土壤磷循環(huán)中的關(guān)鍵酶，能夠?qū)⒘姿峄鶊F(tuán)從有機(jī)磷復(fù)合物中水解出來[19]；蔗糖酶的活性與養(yǎng)分有效性密切相關(guān)；過氧化氫酶可以保護(hù)植物免受過氧化物的損害。由于生物炭與解磷菌劑的加入增加了土壤中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分的增加促進(jìn)了苜蓿根系分泌物的代謝，使微生物生命活動更加旺盛，從而提高了各種土壤酶的活性[20-22]，改善了土壤理化性質(zhì)，進(jìn)一步提高了土壤肥力水平。本試驗(yàn)結(jié)果與趙棟等[23]的研究結(jié)果相近。

2.3 生物炭與解磷菌劑配施對苜蓿產(chǎn)量的影響

從表5 可以看出，增施生物炭配施解磷菌劑后盆栽苜蓿鮮質(zhì)量和干質(zhì)量相比對照均有顯著增加，且隨著施肥水平的增加，盆栽苜蓿產(chǎn)量呈增加趨勢。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL 解磷菌劑處理（M3B1）盆栽苜蓿產(chǎn)量增加最多，其產(chǎn)量顯著高于其他處理，鮮質(zhì)量較對照增加了77.12%，干質(zhì)量較對照增加了152.27%。由于土壤有效養(yǎng)分含量的增加與微生物環(huán)境改善導(dǎo)致酶活性增強(qiáng)，提高了盆栽苜蓿對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與積累，故而增加了盆栽苜蓿的產(chǎn)量，這與靳莉君等[24]的研究結(jié)果一致。

表5 生物炭與解磷菌劑配施對盆栽苜蓿產(chǎn)量的影響 g/ 盆

2.4 生物炭與解磷菌劑配施對苜蓿養(yǎng)分吸收的影響

從表6 可以看出，增施生物炭配施解磷菌劑盆栽苜蓿對N 素、P 素和K 素的吸收相比對照均有顯著提高。其中，每盆增施生物炭50.1 g 配施10 mL解磷菌劑處理（M3B1）盆栽苜蓿對土壤養(yǎng)分的吸收量最高，盆栽苜蓿對N 素、P 素和K 素的吸收量較對照分別增加319.02%，308.06%和257.13%，與其他處理相比增加顯著。說明每盆增施生物炭50.1 g配施10 mL 解磷菌劑，可加強(qiáng)土壤中養(yǎng)分的有效性，改善根系土壤環(huán)境，使苜?？梢愿玫匚绽猛寥乐械臓I養(yǎng)物質(zhì)，從而提高苜蓿的養(yǎng)分含量。

表6 生物炭與解磷菌劑配施對盆栽苜蓿養(yǎng)分吸收的影響 kg/hm2

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過大棚盆栽試驗(yàn)，研究了生物炭配施解磷菌劑對土壤養(yǎng)分和苜蓿生長的影響，結(jié)果表明，單施生物炭各處理與對照相比，土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量增加，最高分別增加64.59%，20.89%，24.97%，19.39%。生物炭與解磷菌劑配施土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量增加，最高分別增加63.45%，25.84%，34.95%，25.63%。

單施生物炭各處理與對照相比，土壤中脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性增加，最高分別增加158.67%，259.56%，100.4%，105.08%；生物炭與解磷菌劑配施土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性顯著增加，最高分別增加189.33%，308.09%，117.81%，125%。

單獨(dú)增施生物炭各處理與對照相比，盆栽苜蓿鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均顯著增加，鮮質(zhì)量最高增加57.58%，干質(zhì)量最高增加122.33%；生物炭配施解磷菌劑盆栽苜蓿鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均顯著增加，最高分別增加77.12%，152.27%。

單獨(dú)增施生物炭各處理與對照相比，盆栽苜蓿對N 素、P 素、K 素的吸收量顯著增加，最高分別增加236.82%，234.41%，208.73%；生物炭與解磷菌劑配施后盆栽苜蓿對N 素、P 素、K 素的吸收量呈顯著增加趨勢，最高分別增加319.02%，308.06%，257.13%。

每盆增施50.1 g 的生物炭并配施10 mL 解磷菌劑對盆栽苜蓿土壤養(yǎng)分、酶活性、產(chǎn)量及營養(yǎng)元素吸收量效果最好，不僅可以增產(chǎn)，而且可以在一定程度上降低施用化肥帶來的負(fù)面效應(yīng)。