功能微生物與生物炭對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

趙 飛，劉 暢，朱昌玲，張煥仕

（中華全國供銷合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇 南京 211111）

我國分布有總面積約計9.9×107hm2的鹽堿地［1］，其有機質及有效磷含量極低，磷素主要以磷灰石的形態(tài)存在，難以被植物吸收利用［2-3］，如何改良濱海鹽堿土并提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質量，對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來生物措施和技術在土壤鹽堿障礙治理中的重要性不斷提高，在鹽堿化土壤中種植耐鹽植物，其生物產(chǎn)量與改良效果直接成正比，有助于恢復土壤的正常生產(chǎn)力［4-5］。海濱錦葵（Kosteletzkyavirginica）是錦葵科錦葵屬草本植物，具有很強的耐鹽性，在含鹽率5‰的條件下依然保持較高的出芽率和結實率。它不但具有較高的經(jīng)濟價值，還能夠提高鹽堿土壤的通氣性、透水性及有機質含量，這對改善濱海鹽土的生態(tài)條件，促進鹽堿地生態(tài)修復具有重大意義［6-8］。與此同時，土壤微生物被認為是最敏感的土壤質量生物學指標，且其中的功能微生物可直接參與或與植物協(xié)同促進鹽堿土壤地力的改良進程［9-11］。溶磷微生物能夠將植物難以吸收利用的磷轉化為易于被吸收利用的有效磷，從而提高土壤的供磷水平［12-14］。鹽堿化土壤特殊的理化性質可能會導致傳統(tǒng)非土著溶磷微生物的定殖能力、競爭力及溶磷能力降低和退化［15］。因此，土著耐鹽堿溶磷真菌對于提高鹽堿土壤磷素利用率具有重要意義［16］。AMF 分布廣泛，是土壤生物重要的功能組分，具有促進植物對磷等礦質元素的吸收［17］、提高植物抗逆（如鹽堿、干旱脅迫）能力［18-19］、增加作物產(chǎn)量及改善果實品質等作用［20-21］，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要應用前景［22-23］。除生物措施之外，化學措施通過向土壤中添加改良劑，改善土壤營養(yǎng)狀況及土壤結構，從而達到土壤改良目的［10］。生物炭因其結構和功能特性在鹽堿土壤改良培肥方面效果顯著［24］。生物炭是有機質在缺氧環(huán)境下經(jīng)熱化學轉化而成的多孔含碳固體，具有適于在環(huán)境中長時間穩(wěn)定貯存碳的物理化學性質［25］。在鹽堿土壤中加入生物炭，不僅可以調節(jié)鹽基離子濃度和pH值，而且能夠顯著提高土壤中微生物的活性及多樣性，進而可強化生物抗鹽和生物凈化的能力［24］。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術的發(fā)展，出現(xiàn)了諸如水利改良、生物改良、農(nóng)業(yè)改良、化學改良等多種改良方法，且各有優(yōu)缺點。如化學措施見效快，但容易引入新的離子造成二次污染，生物措施環(huán)保性能好，但見效較慢等［10］。

目前的鹽堿地治理上仍然存在措施單一，只洗鹽、不培肥，重工程、輕生態(tài)的現(xiàn)象，難以實現(xiàn)鹽堿地長效生態(tài)改良與可持續(xù)性發(fā)展，并未從根本上解決鹽漬化問題［1］。濱海鹽土由于鹽堿化嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱和土壤營養(yǎng)元素的嚴重匱乏決定了治理技術必然從單一向綜合治理體系發(fā)展。因此，將鹽堿地化學調理改土與生物生態(tài)修復相結合，創(chuàng)建一套環(huán)境友好、生態(tài)高效的綜合改良方法對濱海鹽土地力提升及其可持續(xù)性利用具有重要價值和意義。本文分析了應用化學改良劑（生物炭）、植物改良（海濱錦葵）及微生物改良（叢枝菌根真菌和解磷真菌）單一及復合措施等方法對江蘇沿海濱海鹽土改良效果的影響，以期為濱海鹽土的生態(tài)高效改良及新型微生物接種劑的研制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤

本試驗盆栽用土是2014 年10 月采自江蘇省大豐市金海農(nóng)場野外試驗基地（32°59′N，120°46′E）的濱海鹽土，其基本理化性質見表1。

表1 供試鹽土基本理化性質

1.1.2 供試種子

本試驗所用鹽生植物種子為2014 年10 月采自大豐市金海農(nóng)場野外試驗基地的成熟海濱錦葵種子。

1.1.3 供試菌種及生物炭

本試驗所采用AM 真菌為蘇格蘭球囊霉（Glomus caledonium）、光壁無梗囊霉（Acaulospora laevis）和摩西球囊霉（Glomus mosseae）混合菌種。接種AM 真菌是以高粱為宿主擴繁6 個月獲得的包括孢子、菌絲、侵染根段等侵染體的砂質土壤（含菌量約為952 個孢子·20 mL-1）。解磷真菌為鱗質霉菌（Apophysomycessp.）菌株SM-1，分離自鹽城國家級珍禽自然保護區(qū)互花米草灘涂土壤（保藏號:CGMCC No.7717）。SM-1 菌劑為液體菌劑，參照Zhang 等［26］的方法制備。將部分AM 真菌與SM-1菌劑分別采用121℃間歇滅菌30 min 2 次備用。生物炭為海濱錦葵秸稈晾干后，在450℃下高溫厭氧熱解6 h 后制備而成，其基本理化性質為:容重0.57 g·cm3，含水率38.80%，pH 值 7.51，總氮3.57 g·kg-1，有效磷160.07 mg·kg-1，總有機碳52.47 g·kg-1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

本研究設8 個處理（表2），每處理3 個重復，共24 盆，隨機區(qū)組排列。

表2 盆栽試驗設計

海濱錦葵種子用5%的次氯酸鈉溶液浸泡10 min 后用無菌蒸餾水沖洗。未滅菌的鹽土與蛭石按照3∶1 的質量比充分混合，每盆（18 cm×21.5 cm）添加鹽土與蛭石的混合物1 kg 作為基質。按表2中不同處理各添加AM 真菌菌劑10 g（含菌量約為952 個孢子·20 g-1），AM 滅菌菌劑10 g，SM-1 菌劑10 mL （含菌量約為6.7×108CFU·mL-1），SM-1滅菌菌劑10 mL，生物炭10 g，濱海鹽土10 g。添加變量后土壤需充分混勻。每盆播種3 ～4 粒海濱錦葵種子，待種子長出兩片真葉后每盆定苗3 株。光照培養(yǎng)箱每天光照16 h，溫度控制在白天28℃，夜晚18℃，相對濕度為65%～85%，每隔3 d 每盆澆自來水20 mL。60 d 之后，把整個植株從塑料盆中提取出來，輕輕晃動根部并用培養(yǎng)皿收集抖落土壤，室溫下風干待用。

1.2.2 土壤理化性質測定

參照文獻［27］對供試土壤進行理化性質測定。土壤pH 值測定:1∶2.5 土水比水浸提法測土壤pH 值。土壤含水量:烘干法。土壤養(yǎng)分含量測定:重鉻酸鉀容量法測有機碳；堿解擴散法測堿解氮；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測有效磷。

1.2.3 海濱錦葵生長情況的測定

將植株根部用流水清洗干凈后測量其株高、主根長和根粗。將植物的根和莖葉剪開，于80℃烘箱中烘干至恒重，分別測定地上部（莖葉）和地下部（根）的干重。

1.2.4 AM 菌根侵染率測定

AM 真菌侵染率測定:剪取約1 cm 長植株須根若干置入試管中，采用Phillip 等［28］的方法，用10% KOH 軟化須根，90℃水浴1 h，漂洗數(shù)次后用酸性品紅乳酸溶液染色，90℃水浴0.5 h。用乳酸甘油清洗后置于載玻片上，壓片鏡檢。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

本研究所取得的數(shù)據(jù)采用軟件SPSS 19.0 中的單因素方差分析（ANOVA）進行數(shù)據(jù)比較，利用Duncan 新復極差法檢驗處理間差異的顯著性水平（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 功能微生物及生物炭的投入對海濱錦葵根際土壤肥力的影響

2.1.1 土壤pH 值

由圖1 中數(shù)據(jù)可知，種植海濱錦葵能夠顯著降低供試鹽土的pH 值。60 d 后，CK 處理根際土壤pH 值為7.68 ～8.03，添加變量的試驗組根際土壤pH 值均顯著低于CK 組（P＜0.05），其中AM+BC處理中根際土壤pH 值最低，為7.6 ～7.68，較CK處理的pH 值降了0.35 ～0.43 單位。相比較而言，除BC 處理的土壤pH 值較高之外，各試驗組之間pH 值的差異并不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同處理的土壤pH 值

2.1.2 土壤含水量

由圖2 中數(shù)據(jù)可以看出，種植海濱錦葵60 d后，CK 處理根際土壤含水量為7.53%，除All 處理（6.88%）外，其余添加變量的試驗組中根際土壤的含水量比CK 組均有不同幅度地提升。其中SM、BC、SM+BC 和AM+SM 處理土壤含水量提升幅度顯著（P＜0.05），較CK 處理分別提高了31.47%、90.70%、71.98%和91.23%。

圖2 不同處理的土壤含水量

2.1.3 土壤有機碳

由圖3 中數(shù)據(jù)可知，種植海濱錦葵能夠加速供試鹽土有機碳的積累，且添加變量的試驗組土壤的有機碳含量均高于CK 組。BC、AM+SM 及All處理中土壤有機碳含量較CK 處理依次顯著增加25.00%、27.78%和58.33%（P＜0.05）。 其 中，BC處理土壤有機碳含量高于AM+BC 和SM+BC 處理，AM+SM 處理土壤有機碳含量高于AM 及SM 處理，可見，聯(lián)合接種AMF 與解磷真菌對鹽土有機碳的累積效果優(yōu)于單獨接種AMF 和解磷真菌。All 處理有機碳含量最高，達26.14 g·kg-1。

圖3 不同處理的土壤有機碳含量

2.1.4 土壤堿解氮

由圖4 中數(shù)據(jù)可以看出，種植海濱錦葵能夠提升供試土壤堿解氮含量，且添加生物炭的試驗組土壤堿解氮含量均高于CK 組，BC、AM+BC、SM+BC 處理土壤中堿解氮含量分別為64.75、64.63和65.22 mg·kg-1，分別比CK 處理提高了3.15%、2.49%和3.90%（P＞0.05）。外 源 功 能 微 生 物 的接種亦能提高鹽土中堿解氮的含量，但差異不顯著（P＞0.05），同 時AM+BC 及SM+BC 處 理 中 土壤堿解氮含量又高于AM 及SM 處理，說明生物炭添加對鹽土堿解氮含量的提升效果優(yōu)于功能微生物的接種。All 處理土壤堿解氮含量最高，達65.8 mg·kg-1。

2.1.5 土壤有效磷

由圖5 可知，種植海濱錦葵能夠顯著提高供試鹽土中有效磷含量，且所有添加變量的試驗組中土壤有效磷含量均顯著高于對照組（P＜0.05），提高幅度達8.43%～23.09%。AM 及SM 處理對鹽土有效磷含量的提升效果相當，其土壤有效磷含量分別達到15.74 和15.88 mg·kg-1，而聯(lián)合接種AM+SM處理的土壤有效磷含量達到16.66 mg·kg-1，高于單獨接種，但差異不顯著（P＞0.05）。這說明混合接種并沒有比單獨接種更能提升土壤有效磷含量。相較于接種功能微生物而言，添加生物炭的各試驗組對鹽土中有效磷含量的提升幅度略低，但差異不顯著。AM+BC 處理土壤有效磷含量高于AM 和BC處理，說明生物炭的添加能夠促進AM 真菌提升鹽土有效磷含量。All 處理中土壤有效磷含量最高，達17.38 mg·kg-1。

圖4 不同處理的土壤堿解氮含量

圖5 不同處理的土壤有效磷含量

2.2 海濱錦葵根際AM 菌根侵染率

供試AM 真菌對海濱錦葵根系的成功侵染是其發(fā)揮促生和改善其磷素營養(yǎng)的前提條件。供試AM真菌能夠成功侵染海濱錦葵根系，AM、AM+BC、AM+SM 和All 處理的海濱錦葵根系中均能夠觀察到叢枝菌根的存在，但AM 真菌的分布則有顯著差異。AM+BC 處理海濱錦葵根系中AM 菌根侵染率為52.60%，AM+SM 處理海濱錦葵根系中AM 菌根侵染率為47.20%，均高于AM 處理的38.70%，其中All 處理海濱錦葵根系中菌根侵染率最高，達56.00%。

2.3 海濱錦葵的生物量

如表3 所示，所有添加變量的試驗組海濱錦葵的株高、主根長、主根粗、地下部干重以及地上部干重數(shù)據(jù)均高于對照。除主根粗之外，接種功能微生物的處理中海濱錦葵株高、根長、地上部干重及地下部干重均高于添加BC 處理，其中AM+SM 處理的各項數(shù)據(jù)均高于AM 和SM 處理。生物炭與功能微生物聯(lián)合接種試驗結果表明，AM+BC 處理中海濱錦葵株高、主根長、主根粗、地上部干重及地下部干重均高于SM+BC 處理。All 處理海濱錦葵植株的株高、主根長、主根粗、地上部干重以及地下部干重均顯著高于其他處理（P＜0.05）。

表3 不同處理的海濱錦葵生物量

3 討論

耐鹽植物種植能夠顯著降低鹽堿地pH 值和全鹽含量，改善鹽堿地土壤微環(huán)境［29］。本研究選用江蘇沿海地區(qū)典型濱海鹽土，種植耐鹽先鋒植物海濱錦葵并施加叢枝菌根真菌、解磷真菌及生物炭，探討功能微生物及生物炭對濱海鹽土養(yǎng)分含量及耐鹽植物生長的影響。

3.1 生物炭對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

近年來，生物炭在農(nóng)業(yè)固碳、土壤培肥及土壤改良等領域被廣泛關注［30-31］。在不同土壤條件下，不同類型生物炭對土壤的改良效果及作物產(chǎn)量影響差異較大［32-33］。施用生物炭能夠顯著提高大豆和水稻產(chǎn)量，但對玉米的生長及養(yǎng)分吸收并沒有明顯的促進作用［34］。因此，生物炭對土壤的改良效果及對作物生長、養(yǎng)分吸收的影響仍存在爭議。

本試驗研究結果證明，種植海濱錦葵能夠降低濱海鹽土的pH 值，而施加生物炭的處理土壤pH值下降幅度較小，這歸因于生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子在水土的交融作用下會有一定的釋放，這些離子可以交換土壤中的H+和Al3+，從而提高土壤pH 值［35］。生物炭亦能提高土壤含水量，這是由于生物炭較高的孔隙度和表面面積會使土壤水分的滲透模式、停留時間和流動路徑發(fā)生改變，進而提高土壤的田間持水量［36］。本試驗中，All 處理土壤含水量最低，這可能是由于該處理中植株長勢最好，生物量最大，因此植株葉片的蒸騰作用也最強，從而間接導致了該處理中土壤含水量的降低。添加生物炭還顯著提高了供試鹽土中有機碳、堿解氮及有效磷的含量。這是因為生物炭具有較大的比表面積，可以吸附多種離子，有效促進土壤中養(yǎng)分的滯留，進而起到固碳、貯存養(yǎng)分、提高土壤肥力的作用［25］。因此，在本試驗中生物炭的添加明顯促進了海濱錦葵的生長，除去地上部干重外，施加生物炭處理中的海濱錦葵株高、主根長、主根粗及地下部干重較對照組均有不同程度的增加。

3.2 功能微生物對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

耐鹽真菌能夠顯著降低鹽堿土壤pH 值［37］，且在鹽堿生境中鹽生植物對AM 真菌群落的依賴性也較大［22］。因此，將功能微生物菌劑與耐鹽植物配合使用對鹽土改良具有重要的意義。

本試驗研究結果表明，添加SM-1 及AMF 能夠顯著降低供試土壤的pH 值以保護植物根系免受高pH 值的影響，緩解鹽堿脅迫對植物生長的毒害作用，同時提高供試土壤含水量及養(yǎng)分含量，進而促進植物生長，與前人研究結果一致［26，37-38］。因此，在鹽堿脅迫條件下，本試驗中SM-1 及AMF處理中海濱錦葵的植株株高、主根長、主根粗、地上部干重及地下部干重較對照均有顯著地增加。

3.3 生物炭與功能微生物聯(lián)合施用對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

目前關于單一添加菌劑對作物生長及鹽堿土改良的影響研究較多，如添加微生物菌劑能增加燕麥、紫花苜蓿等的生物量［39-40］，但關于生物炭與菌劑聯(lián)用對鹽土養(yǎng)分含量及耐鹽植物生長的影響研究較少。本試驗結果表明，施用生物炭和功能微生物均能在一定程度上提高濱海鹽土的有機碳、堿解氮、有效磷含量。其中生物炭對濱海鹽土中養(yǎng)分含量的增加效果較好，功能微生物對海濱錦葵的促生效果更佳，而兩者聯(lián)合施用對濱海鹽土養(yǎng)分含量提升和海濱錦葵促生效果最佳。這可能是由于鹽土中添加的功能微生物菌劑能夠與生物炭相互作用，改善土壤結構，增加土壤有機質，同時也促進了土壤有效態(tài)氮、磷的釋放，起到培土增肥的作用，從而改變了耐鹽堿植物的根系環(huán)境，提高其耐鹽堿能力，最終促進了植株的生長發(fā)育［11］。

4 結論

室內盆栽條件下，蘇格蘭球囊霉（G. caledonium）、光壁無梗囊霉（A. laevis）和摩西球囊霉（G. mosseae）的混合菌劑能夠在鹽堿脅迫下成功地定殖并侵染海濱錦葵根系，解磷真菌Apophysomycessp. SM-1 及生物炭的添加更能夠提高其侵染率，進而促進菌根的形成。

AMF 與SM-1 單獨及聯(lián)合接種均能夠顯著促進濱海鹽土土壤pH 值的降低及土壤含水量與有效磷含量的提高，但對土壤有機碳及堿解氮含量的提升效果不顯著。生物炭對濱海鹽土pH 值的降低效果低于功能微生物，但對濱海鹽土有機碳及堿解氮含量的提升效果較好。

功能微生物及生物炭均能夠促進鹽堿脅迫下海濱錦葵的生長，其中功能微生物對海濱錦葵的促生效果優(yōu)于生物炭，且AM 真菌和解磷真菌的混合接種比單獨接種更有利于海濱錦葵的生長。生物炭與功能微生物聯(lián)合施用對鹽土地力提升的效果最為明顯，對海濱錦葵的促生作用亦是最佳，因此可為鹽土生物調理劑的研制提供優(yōu)良的基質及微生物種源。