利用富鉀板巖與膠質芽孢桿菌制備土壤修復劑的配施研究

梅小樂，白昕冉，鄭春麗 ，唐舒婷，楚鑫，楊澤茹

(1. 內蒙古農業(yè)大學 水利與土木工程建筑學院，內蒙古 呼和浩特 010000 2. 內蒙古科技大學 能源與環(huán)境學院，內蒙古 包頭 014010)

土壤是人類生存的重要載體，為作物提供養(yǎng)分，是根系伸展固定的重要媒介[1]。研究人員利用礦物質對土壤進行修復研究早已開展，其中涉及多種天然礦物。迄今為止，已有近60 種天然礦物質參與到土壤修復之中[1]。日本研究人員利用天然沸石修復土壤取得了不錯的效果。在沙質土壤和黑鈣土中使用沸石不僅可以改善土壤，還可以明顯提高植物的產(chǎn)量和質量。Alberto 等[2]研究了沸石作為慢速植物養(yǎng)分肥料和土壤修復劑的特性及其應用，結果表明氮、磷、鉀富集沸石是一種適宜的緩釋養(yǎng)分源，可使作物增產(chǎn)20%，提高產(chǎn)品質量。鄭春麗等[3]的研究表明，固體發(fā)酵的方式可以使富鉀板巖中的大量及微量元素得到釋放，并且通過西紅柿的種植，發(fā)現(xiàn)固體發(fā)酵的產(chǎn)物可縮短種子的休眠期，促進其生長。本研究將富鉀板巖的固體發(fā)酵產(chǎn)物與膠質芽孢桿菌相結合，制備出一種可以將富鉀板巖中的礦物質元素溶出的土壤修復劑[4-6]，并且通過對干旱鹽堿環(huán)境下的先鋒植物紫穗槐的種植，探索到一種富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物與微生物菌劑的較優(yōu)配比，此修復劑可以提高土壤養(yǎng)分，并且有降低土壤中稀土元素含量的作用，達到了對西北地區(qū)鹽堿土進行修復修復的作用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1）試驗土壤：取自內蒙古科技大學植物種植基地和包鋼尾礦庫周邊，過0.034 mm 備用。不同土壤的基本理化性質見表1。

>表1 不同土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of different soils

（2）富鉀板巖固體發(fā)酵：將富鉀板巖礦石磨至粉末狀過74 μm 篩子后，與牛糞等常見農產(chǎn)品按一定比例混合接入EM 菌劑置堆發(fā)酵35 d 至腐熟。按照NY 525-2012 生物有機肥標準對發(fā)酵產(chǎn)物進行指標檢測。富鉀板巖固體發(fā)酵產(chǎn)物基本理化性質見表2。

>表2 富鉀板巖固體發(fā)酵產(chǎn)物理化性質Table 2 Physicochemical properties of solid fermentation products of potassium-rich slate

（3）市面購入土壤修復劑：來自山東金耀生物技術有限公司?；疑勰?，pH 值7.2，有效活菌數(shù)≥2 *1011 個/g。

（4）膠質芽孢桿菌菌液：購自GIMCC，產(chǎn)品編號GIMCC GIM1.15。

（5）紫穗槐種子：購自內蒙古呼和浩特市種子站。

1.2 試驗設計與方法

盆栽試驗之前對紫穗槐種子進行預處理，處理采用浸泡法，用50 ℃的蒸餾水在恒溫培養(yǎng)箱中浸泡種子24 h[7]。將膠質芽孢桿菌種子液于超凈工作臺接種至LB 液體培養(yǎng)基中，將菌液擴培至5 L，28 ℃，200 r/min下培養(yǎng)48 h，OD600值約為1.3 ～ 1.4時停止培養(yǎng)。將擴培好的菌液于4 ℃、8000 r/min下離心8 min，去上清液，用超純水將沉淀稀釋至5 L，放于4 ℃冰箱備用。

選用18 cm×18 cm 的花盆裝入1.5 kg 表3 中設計的配比混合物，為了保證基質的透氣性，其中20 % 土壤用蛭石替代。加菌組每盆加入100 mL 準備好的膠質芽孢桿菌菌液，加入量約為2.5 L/ m2。每盆播種紫穗槐種子30 粒，播種完成后每三天進行一次輕度松土。每天保證光照10 h，光照強度約1000 Lux。每隔一天澆水一次，每次每盆約為100 mL。每組配比進行三個平行處理，種植周期為120 d。

盆栽試驗中土壤基質的不同配比方法見表3。

>表3 盆栽土壤不同配比處理方法Table 3 Treatment methods of different proportions of potted soil

1.3 測定項目與方法

分別測定各處理組土壤的pH 值、含水率、有機質、有效磷、速效鉀及稀土元素含量；測量120 d 內紫穗槐的發(fā)芽率、根莖葉長變化及植株干鮮重等指標。

pH 值的測定采用電位法，含水率的測定采用電熱鼓風干燥箱烘干法，有機質采用干燒法測定，有效磷采用碳酸氫鈉法測定，速效鉀的測定采用乙酸銨提取法，土壤中稀土元素含量測定采用四酸消解法處理后用ICP-AES 測定[9-10]。在播種后的第30 d 記錄其發(fā)芽率，并對幼苗適當定株。播種120 d 后，測定不同處理下紫穗槐的根、莖、葉長及植株干鮮重。

測定結果用JMP 9 進行分析，繪圖軟件為Origin9。

2 結果與討論

2.1 不同配比處理對紫穗槐種子發(fā)芽率的影響

不同配比下紫穗槐種子的發(fā)芽率見圖1。

圖1 不同配比處理下紫穗槐種子的發(fā)芽率Fig .1 Germination rate of seeds under different treatment ratios

由圖1 可以看出尾礦土、大棚土分別和富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物30:1 配施的處理組無論是否施加膠質芽孢桿菌都使紫穗槐種子發(fā)芽率的提高達到了顯著水平，是空白處理（B0J0）的3 倍。富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物的添加可以顯著提高紫穗槐種子的發(fā)芽率（p ＜0.05），發(fā)芽率隨著發(fā)酵產(chǎn)物添加量的下降呈先升高后下降的趨勢，原因可能是發(fā)酵產(chǎn)物的過量添加可能引起肥力過高，抑制了紫穗槐種子的發(fā)芽，此后紫穗槐發(fā)芽率隨著發(fā)酵產(chǎn)物添加量減少呈下降趨勢。各不同配比處理組添加菌液均可使種子發(fā)芽率顯著提升（p ＜0.05），與前人[8-9]的研究結果相似，其中市面土壤修復劑處理組配施膠質芽孢桿菌菌液后發(fā)芽率提高了30%。不同配比處理下紫穗槐種子發(fā)芽情況較優(yōu)的處理組依次為W3J0 ＞B3J1 ＞B3J0 ＞W(wǎng)3J1 ＞S3J1 ＞B4J1。

2.2 不同配比處理對紫穗槐的生物學性狀的影響

2.2.1 不同配比處理對紫穗槐生長根、莖、葉長的影響

紫穗槐生長至120 d 時，植物根部長勢較好的為B2J0、B3J1 和S3J1，分別達到12 cm、9 cm、8.5 cm，是B0J0 空白處理的3 倍，是S3J0 市面土壤修復改良劑單獨處理的2 倍。由此可見添加富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物以及膠質芽孢桿菌可以增加植物根長，壯大根系。

紫穗槐生長至120 d 時，莖長長勢最好的為S3J1、B3J0 和B3J1，分別達到27.5 cm、23.5 cm、20 cm，是B0J0 空白處理和S3J0 市面土壤修復改良劑單獨處理的2 倍。葉長長勢最好的為W3J1、B3J0 和S3J1，分別達到2.6 cm 和1.8 cm，是B0J0空白處理和S3J0 市面土壤修復改良劑單獨處理的2 倍。

圖2 不同配比處理下種植120 天后紫穗槐的根（a）、莖（b）、葉長（c） Fig .2 Roots (a), stems (b) and leaf length (c) of amorpha fruticose after 120 days of planting at different ratios

由圖2 可以看出長勢較好的處理組為B3J0、B3J1 和S3J1，隨后是B2J0 組，對于市面土壤修復改良劑來講，加入膠質芽孢桿菌可以使植物長勢更加優(yōu)秀。紫穗槐在尾礦土壤中的發(fā)芽率和長勢都較為良好，說明尾礦土中的金屬元素對紫穗槐的發(fā)芽和生長都有著一定的促進作用。

2.2.2 不同配比處理對紫穗槐植株干鮮重的影響

圖 3 不同配比處理下紫穗槐的地上部（a）、地下部（b）干鮮重Fig.3 Dry fresh weight of aboveground part (a) and underground part (b) of amorpha fruticose under different ratios

由圖3 可知，與空白處理相比，施加富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物（B）及膠質芽孢桿菌（J）同樣可以提高紫穗槐的地上部與地下部的鮮重。但單獨施用富鉀板巖發(fā)酵物時，地上部的鮮重在B3J0 達到最高為0.49 g，而后逐漸降低。除B4 處理外，富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物配施膠質芽孢桿菌后，均顯著提高了植物的鮮重。此外，富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物僅在B3及B4 處理下配施膠質芽孢桿菌顯著提高了地下部鮮重。尾礦土加30:1 的富鉀板巖發(fā)酵物（W3J0）與施用市面土壤調理劑加30:1 的富鉀板巖發(fā)酵物（S3J0）的地上部與地下部的鮮重均顯著低于單獨施用30:1 的富鉀板巖發(fā)酵物（B3J0）處理。但配施膠質芽孢桿菌的W3J1地上部鮮重達到1.1128 g，顯著高于S3J1 與B3J1 處理。

2.3 不同配比處理對紫穗槐盆栽土壤理化性質的影響

2.3.1 不同配比處理對紫穗槐盆栽土壤基本理化性質的影響

不同配比處理下盆栽土壤的基本理化性質見圖4。

圖4 紫穗槐盆栽土壤的基本理化性質Fig .4 Basic physical and chemical properties of potted soil of fruiting locust

由圖4 可知，種植紫穗槐的盆栽處理中，大棚土與富鉀板巖發(fā)酵物不同配比，或添加膠質芽孢桿菌均可顯著提高土壤的含水率及有機質，膠質芽孢桿菌單獨添加也同樣提高了土壤含水率，但對有機質作用不顯著。但隨著富鉀板巖發(fā)酵物的用量降低，土壤含水率及有機質在單施富鉀板巖發(fā)酵物處理間沒有顯著差異。土壤pH 值在B0J0的8.06 降 低 至B3J0 處 理7.97， 而 后又 在B4J0，B5J0 逐漸上升，配施膠質芽孢桿菌后土壤pH 值降低，B3J1 處理土壤pH 值為7.83。由JMP 交互分析可知富鉀板巖發(fā)酵物與膠質芽孢桿菌對土壤pH值表現(xiàn)出極顯著的交互作用（p ＜0.001）。

未施用膠質芽孢桿菌的情況下，施用市面土壤調理劑（S3J0）的土壤含水率與大棚土施用相同比例的富鉀板巖發(fā)酵物土壤（B3J0）間沒有顯著差異，但均顯著高于尾礦土與富鉀板巖發(fā)酵物30:1（W3J0）處理有機質則是在B3J0 中最高，而后是S3J0，W3J0 最低。土壤pH 值的降低程度也是大棚土與富鉀板巖發(fā)酵物30：1 配施的B3 處理最低。

大棚土與富鉀板巖發(fā)酵物不同配比的處理速效磷速效鉀含量均高于空白處理（B0J0）。加入膠質芽孢桿菌可以提高土壤中速效磷含量，但差異不顯著，其中增幅最明顯的為B3 處理組，B3J0 中速效磷為164.43 mg/kg，B3J1 處理中增高到206.16 mg/kg。與尾礦土與市面調理劑配施富鉀板巖發(fā)酵物的處理（W3J0，S3J0）相比，B3J0 處理中含有更高的速效磷及速效鉀。但W3J0 與S3J0 配施膠質芽孢桿菌后可顯著提高速效鉀含量（p ＜0.001），由S3J0中的76.16 mg/kg 增長到92.20 mg/kg，由W3J0 中的125.9 mg/kg 增長到140.08 mg/kg。

2.3.2 配施土壤修復劑種植紫穗槐對尾礦土壤中重金屬和稀土元素含量的影響

種植紫穗槐的尾礦土中重金屬元素及稀土元素含量見表4、表5。

>表4 種植紫穗槐的尾礦土中重金屬元素含量Table 4 Contents of heavy metal elements in the tailing soil planted with amorpha fruticose

>表5 種植紫穗槐的尾礦土中稀土元素含量Table 5 The contents of rare earth elements in tailings soil planted with amorpha fruticose

由上表可知，單施富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物會增加種植紫穗槐的尾礦土中的Mn、Cr、Cd、Cu、Zn和Pb 元素的含量，原因可能是富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物中含有一定量的重金屬元素，但加入膠質芽孢桿菌菌液后，上述金屬元素含量得到降低，基本恢復到原土水平。降低幅度最大的為Cr 元素，加入菌液之后比單施富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物時下降了31%，Mn 元素在加入菌液之后比單施富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物下降了14%，其余測定的四種元素下降幅度均不明顯。加入富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物和膠質芽孢桿菌菌液后尾礦土中的Mn、Cr、Cd、Cu、Zn 和Pb 元素與原尾礦土含量沒有顯著性差異。

由表5 可知，單施富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物會增加種植紫穗槐的尾礦土中稀土元素含量，W3J0 處理較原尾礦土稀土元素含量增加了34 mg/kg，原因可能是富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物中含有一定量的稀土元素，但加入膠質芽孢桿菌菌液后，稀土元素含量降低，比單施富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物處理降低了51.56 mg/kg，比原尾礦土降低了17.56 mg/kg。

3 結 論

（1）加入富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物、膠質芽孢桿菌菌液以及兩者同時施用的交互作用對土壤中的含水率、有機質和速效鉀含量的提高作用顯著（p＜0.05），單施富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物對土壤有效磷含量提高作用效果顯著（p ＜0.05），土壤pH 值有降低但變化幅度不大。

（2）加入膠質芽孢桿菌可以使土壤中的稀土元素總量降低，加入膠質芽孢桿菌菌液后，稀土元素含量降低，比單施富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物處理降低了51.56 mg/kg，比原尾礦土降低了17.56 mg/kg。利用富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物與膠質芽孢桿菌制備成的土壤修復劑可以在增加土壤養(yǎng)分的同時，修復稀土污染。

（3）通過對紫穗槐的種植，富鉀板巖發(fā)酵產(chǎn)物與膠質芽孢桿菌菌液的最優(yōu)施用配比為土壤與固體發(fā)酵產(chǎn)物添加比30:1，菌液添加量2.5 L/m2。在此處理下，土壤的含水率、有機質、有效磷和速效鉀含量較空白處理提高了6.1、1.2、3.42 和1.3倍，pH 值下降了0.12，土壤中稀土元素總量降低17.56 mg/kg，下降比例為5.9%。紫穗槐的發(fā)芽率、莖長和干鮮重指標達到空白處理的3、2、14 倍。該施用配比的修復效果在本試驗中略優(yōu)于購買到的土壤修復劑，為新產(chǎn)品的形成提供了重要參考。