微生物菌劑與大豆秸稈生物炭配施對砂姜黑土養分及小白菜品質的影響

蔣志洋 周育智 陳道坤 黃美琴

收稿日期：2023-09-05；修回日期：2024-01-11

基金項目：國家自然科學基金（41572333）；安徽省重點研究與開發項目（S202104a06020064）；淮南關閉礦井地質生態環境評價及綜合治理（HNKY-PG-WT-2021-260）

作者簡介：蔣志洋，男，在讀碩士研究生，研究方向為礦區復墾土壤肥力提升。E-mail：1597247713@qq.com

通信作者：周育智，男，講師，主要從事礦山生態安全與土壤質量提升研究。E-mail：zhouyuzhi1218@126.com

DOI：10.16861/j.cnki.zggc.202423.0582

摘??? 要：為明確微生物菌劑與大豆秸稈生物炭協同配施對砂姜黑土的改良效果，以砂姜黑土作為研究對象，采用田間原位盆栽試驗，在常規施肥的基礎上設單施生物炭處理、菌劑與生物炭配施處理（BC1、BC2、BC3、MB1、MB2、MB3），探究不同處理對砂姜黑土化學性質（pH、有機質含量、全氮含量、有效磷含量、速效鉀含量）、小白菜長勢（株高、單株鮮質量、主根長和葉寬）和品質（小白菜可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C含量）的影響。與對照組CK（常規施肥）相比，單施生物炭（BC1、BC2、BC3）和微生物菌劑配施生物炭（MB1、MB2、MB3）均可提高土壤有機質、全氮、有效磷含量和小白菜可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C含量，其提升范圍依次為18.98%～64.49%、11.82%～40.00%、23.41%～98.07%和28.89%～66.37%、15.25%～46.33%、42.98%～152.76%；小白菜的長勢、抗根腫病能力和品質均隨生物炭添加量的增加呈現先提高后降低的趨勢，其中MB2處理效果最優。大豆秸稈生物炭配施微生物菌劑協同改良了土壤化學性質并提高了小白菜的品質。在本試驗范圍內微生物菌劑配施2.5%生物炭添加比例效果最佳。

關鍵詞：小白菜；微生物菌劑；大豆秸稈；生物炭

中圖分類號：S634 ??????????? 文獻標志碼：A??????????? 文章編號：1673-2871（2024）04-133-07

Effects of combined microbial fungicide and soybean straw biochar on nutrients and quality of Brassica napus in black soil of sand ginger

JIANG Zhiyang1， ZHOU Yuzhi1， CHEN Daokun1， 2， HUANG Meiqin1

（1. School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China; 2. Xian Center of Mineral Resources Survey， China Geological Survery， Xian 710100， Shaanxi， China）

Abstract： To clarify the effect of synergistic application of combined functional fungicides and soybean straw biochar on the black soil of ginger， the black soil of sand ginger was used as the research object， Using in situ pot experiments in the field， six treatments （BC1， BC2， BC3， MB1， MB2， MB3） based on the conventional fertilizer application were conducted， and investigated the effects of different treatments on the chemical properties of the black soil of sand ginger， the growth and the quality of Chinese cabbage. Compared with the control group， the application of biochar alone （BC1， BC2， BC3） and microbial fungi with biochar （MB1， MB2， MB3） significantly increased the soil organic matter， total nitrogen， effective phosphorus contents and the content of soluble sugar， soluble protein， and vitamin C of Brassica napus in the ranges of 18.98%-64.49%， 11.82%-40.00%， 23.41%-98.07% and 28.89%-66.37%， 15.25%-46.33%， 42.98%-152.76%， respectively. The growth， resistance to rhizoctonia， and quality of Chinese cabbage showed a tendency of first increasing and then decreasing with the increase of biochar addition，among which MB2 treatment had the best effect. Soybean straw biochar with microbial agents synergistically improved soil chemistry and enhanced the quality of Brassica napus， and microbial agents with a 2.5% biochar addition rate were the most effective within the scope of this experiment.

Key words： Cabbage; Microbial fungicide; Soybean straw; Biochar

砂姜黑土是安徽省淮南市河間平原地區最常見且覆蓋面積最大的耕作土壤類型，占全市土壤面積的36.91%，占耕地面積的38.6%[1]。砂姜黑土有著質地黏重、結構不良、耕性較差、缺氮少磷等特征[1-2]，近年來，不合理的耕作方式與施肥破壞了砂姜黑土的結構性能[3]，導致土壤肥力降低和作物生長受限，嚴重影響了作物產量和品質，使得該區域的農業可持續發展受到諸多限制[4]。目前，改良砂姜黑土的主要方法是通過長期秸稈還田與施用化肥來提升土壤肥力[5-6]。但長期秸稈還田會阻礙種子生長[7]、對地溫產生負效應[8]以及消耗土壤養分[9]；大量施用化肥會導致水體富營養化、溫室氣體排放[10]等農業生態環境污染，同時也造成土壤酸化和生物多樣性降低等危害[6，11]。因此，長期施用大量化肥或秸稈還田并不是作物可持續生產的有效途徑[12]。

生物炭是在厭氧或無氧條件下，經高溫熱解（350～600 ℃）產生的一種多孔富碳、高度芳香化的多功能穩定性材料[13-14]。生物炭憑借其固有的性能在調節土壤酸堿度、提高土壤保水能力與環境質量[15-16]以及土壤培肥方面均發揮重要作用[17]。微生物菌劑作為一種常見的微生物肥料[18]，其應用是目前提升土壤肥力和經濟效益的生物措施[19]。菌劑中的微生物在土壤里繁殖，進而提升土壤酶活性及微生物多樣性，從而給作物生長創造良好的生活環境[20]。王琳等[21]研究表明，微生物菌劑對金銀花生長和品質提升有顯著效果。邱詩春等[22]研究發現，增施微生物菌劑能明顯改善土壤理化性質和提升土壤肥力。還有研究表明，微生物菌劑對提高生菜、青梗菜、玉米、枸杞、大豆等[23-27]農作物的產量和品質有良好的效果。盡管單施生物炭或微生物菌劑在砂姜黑土養分提升中極具潛力，但微生物菌劑與生物炭配施對砂姜黑土養分的影響尚不清楚。此外，淮南是豆腐的發源地[28]，大豆作為豆腐的生產原料，是本地區廣泛種植的作物[29]，每年均有大量的大豆秸稈廢棄物產生。其中，大部分秸稈廢棄物并未加以利用，這不僅浪費秸稈資源，還易造成環境污染。因此，采取經濟、環保的方式對大豆秸稈農業廢棄物資源化利用是淮南農業發展面臨的重點問題。目前，有學者將大豆秸稈制備為生物炭，應用于東北黑土生產性能研究[30]；也有學者將功能菌劑與農業秸稈生物炭配施應用在西北沙化土壤，探究其對沙化土壤質量改良的最佳方法[31]。

因此，筆者以大豆秸稈為原材料制備生物炭，利用生物炭配施功能微生物菌劑（枯草芽孢桿菌+哈茨木霉菌）應用于沿淮地區砂姜黑土，并通過測定盆栽小白菜的生長與品質指標，探究生物炭配施微生物菌劑對砂姜黑土養分及小白菜生長、抗病能力、品質和經濟效益的影響，以期明確生物炭與生物菌劑聯合施用的最佳用量，為提高淮南沿淮河地區的砂姜黑土肥力提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試砂姜黑土于2022年6月采自淮南市沿淮河南岸舜耕鎮下陶村村北里灣的農田，為黃姜土，亞類為典型砂姜黑土，成土母質為河流沖積物，質地為粉砂質黏壤土。挖取表層0～20 cm土樣，采用雙對角線法采集5個樣品，均勻混合后運用四分法留取500 g樣品用于土壤指標測定，自然風干，并除去土壤中所含石粒和植物根系等異物，研磨過2 mm尼龍篩，裝袋備用。土壤基本理化性質：pH = 7.95，有機質含量（w，下同）為11.04 g·kg-1，全氮含量為0.57 g·kg-1，有效磷含量為34.36 mg·kg-1，速效鉀含量為85.02 mg·kg-1。

大豆秸稈生物炭的制備是取上述農田中廢棄的大豆秸稈并自然晾干粉碎后，在無氧400 ℃條件下通過馬弗爐炭化過2 mm尼龍篩得到，pH=9.25，有機質含量396.62 g·kg-1，全氮含量7.66 g·kg-1，全磷含量0.76 g·kg-1，全鉀含量0.68 g·kg-1。

微生物菌劑（哈茨木霉菌+枯草芽孢桿菌）購買于濰坊福皆農業科技有限公司，其中有效活菌哈茨木霉菌數≥10億·g-1，有效活菌枯草芽孢桿菌數≥200億·g-1。復合肥（ N-P2O5-K2O = 17-17-17）總養分含量≥51%，購買于山東加倍達生物科技有限公司。

供試植物為好潤青小白菜，生長周期為50 d左右，種子由南京理想農業科技有限公司提供。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2022年6月在安徽理工大學東側新華村試驗基地進行。

常規施肥（CK，按農民常規施肥量40 kg·667 m-2，將其按比例折算為盆栽施肥量），其中肥料為三元復合肥（N 17%、P2O5 17%、K2O 17%），盆栽截面規格為25 cm×25 cm，按上述比例折算后每盆施肥量為3.75 g；然后在常規施肥的基礎上分別配施不同濃度的生物炭與菌劑組合，即添加按土壤質量分數0.5%的大豆秸稈生物炭（BC1），每盆折合5 g；土壤質量分數2.5%的大豆秸稈生物炭（BC2），每盆折合25 g；土壤質量分數5%的大豆秸稈生物炭（BC3）每盆折合50 g；土壤質量分數0.5%的大豆秸稈生物炭5 g+菌劑（MB1）；土壤質量分數2.5%的大豆秸稈生物炭25 g+菌劑（MB2）；土壤質量分數5%的大豆秸稈生物炭50 g+菌劑（MB3）。其中，菌劑配施量均為1.5 g·kg-1（商品推薦施加量），每個處理4次重復，共計28盆。將土壤與大豆秸稈生物炭充分混合，每盆裝1 kg，采用稱質量法使得土壤含水量為田間持水量的60%左右，并在室溫下保持2周。小白菜種子經殺菌、清洗處理后，每盆播入20粒種子，12 d后進行間苗，每盆保留10株長勢一致的幼苗，定期澆水并確保其含水量為田間持水量的60%，在45 d后收獲小白菜。

種植過程中對小白菜根腫病進行統計，計算其發病率、病情指數、防治效果[32]。

發病率/%=（發病株數/總株數）×100；

病情指數=Σ（病級代表值×各級病株數）/（最高級代表值×調查總株數）×100；

防治效果/%=（對照區病情指數－處理區病情指數）/對照區病情指數×100。

1.3 樣品采集與測定

收獲時，將小白菜的地下根部連同地上部分一起挖出，并沖洗掉根部附著的土壤。擦干水分后稱質量，測量其株高、葉寬和主根長。每個處理取10 g新鮮樣品用于測量小白菜維生素C含量，剩余小白菜放置于105 ℃的鼓風干燥箱中殺青30 min，并放入烘箱中80 ℃干燥至恒質量，將土壤風干后粉碎，依次過2 mm和0.15 mm篩，密封于測試袋中備用。

土壤和大豆秸稈生物炭的性質指標測定參照鮑士旦[33]的方法，指標包括pH和有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量等。其中，使用pH計測定（水、土體積比為2.5∶1）pH值，采用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質含量，采用半微量凱氏法測定全氮含量，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定有效磷含量，采用原子吸收分光光度法測定土壤速效鉀含量。小白菜品質指標測定參考李合生[34]的方法，其中，采用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白含量，采用高效液相色譜法測定維生素C含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2016處理，數據差異顯著性統計分析和方差分析用SPSS Statistics 22.0進行，采用Excel 2016制圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對砂姜黑土養分含量的影響

由表1可知，在常規施肥基礎上單施生物炭處理（BC1、BC2、BC3）和生物炭配施微生物菌劑處理（MB1、MB2、MB3）對砂姜黑土產生了不同的影響。與CK相比，處理BC1、BC2、BC3的土壤pH值分別提高了0.06、0.16、0.34，這表明單施大豆秸稈生物炭能提高土壤pH值；而處理MB1、MB2、MB3的土壤pH值對應處理BC1、BC2、BC3分別降低0.04、0.29、0.28，這表明微生物菌劑的添加會降低土壤pH值。與CK相比，單施生物炭處理組（BC1、BC2、BC3）和生物炭配施微生物菌劑處理組（MB1、MB2、MB3）土壤有機質、全氮和有效磷含量均有不同程度的增加，且單施生物炭處理各養分指標含量隨著生物炭配施量的增加而呈上升的趨勢。方差分析結果顯示，有機質含量在部分處理組之間、處理組與對照組之間存在顯著差異。BC1、BC2、BC3、MB1、MB2、MB3有機質含量分別比CK提高了18.99%、44.56%、64.49%、20.17%、51.40%和54.94%，不同處理土壤有機質含量大小順序為BC3 > MB3 > MB2 > BC2 > MB1> BC1> CK。

試驗后單施生物炭各處理土壤全氮含量隨著生物炭施用量的增加而上升，配施微生物菌劑的處理（MB1、MB2、MB3）全氮含量均高于對應的不施菌劑處理（BC1、BC2、BC3）。方差分析顯示，除施5%生物炭以外，菌劑配施0.5%和2.5%生物炭（MB1、MB2）與單施0.5%和2.5%生物炭（BC1、BC2）土壤全氮含量之間呈顯著差異。不同處理土壤有效磷和速效鉀含量的變化趨勢相似，單施生物炭的處理組有效磷和速效鉀含量隨著生物炭施用量的增加而遞增，各處理之間呈顯著差異；生物炭配施微生物菌劑的處理組，有效磷和速效鉀含量隨著生物炭施用量的增加而呈現先增后減的趨勢。方差分析表明，相比對照組CK，不同處理組均使有效磷和速效鉀含量有顯著改變，其中有效磷含量BC1、BC2、BC3、MB1、MB2、MB3分別較CK顯著提高了23.41%、58.83%、80.28%、63.29%、98.07%、78.84%。

2.2 不同處理對小白菜生長的影響

種植45 d收獲后，測定小白菜生長指標如表2所示，對照組CK小白菜株高、平均單株鮮質量、主根長和葉寬分別為7.38 cm、28.17 g、4.04 cm、2.26 cm。添加不同量大豆秸稈生物炭（BC1、BC2、BC3）后株高分別增加至10.17、13.29、12.49 cm，平均單株鮮質量分別增加至41.84、50.31、46.81 g，主根長分別增加至5.53、6.61、6.38 cm，葉寬分別增加至2.95、3.50、3.09 cm，添加不同量大豆秸稈生物炭各生長指標顯著高于對照組，株高、單株鮮質量、主根長和葉寬的提升范圍分別為37.80%～69.24%、48.53%～78.59%、36.88%～63.61%和30.53%～54.87%，不同施用量之間也存在差異。添加不同量大豆秸稈生物炭配施微生物菌劑（MB1、MB2、MB3）后小白菜株高、單株鮮質量、主根長和葉寬分別增加至12.40～14.25 cm、52.38～55.23 g、6.02～6.78 cm和3.07～3.89 cm，顯著高于對照組，提升范圍分別為68.02%～93.09%、85.94%～96.06%、49.01%～67.82%和35.84%～72.12%，MB2株高顯著高于MB1和MB3，MB1、MB2、MB3處理組之間單株鮮質量沒有體現出明顯差異，MB1、MB2、MB3處理組之間主根長、葉寬均呈顯著差異，其大小順序為MB2> MB3> MB1。

2.3 不同處理對小白菜根腫病的防治效果

由表3可知，與CK相比，單施生物炭、生物炭與微生物菌劑配施各處理均可顯著降低小白菜根腫病發病率，其中MB2處理組發病率最低，為20.00%；各處理組病情指數均顯著低于CK，其中病情指數表現為MB2< MB3< MB1< BC2< BC1< BC3，MB2處理組的根腫病防治效果最佳，為68.57%，顯著高于BC1與BC3處理。

2.4 不同處理對小白菜品質指標的影響

表4為不同處理下小白菜部分品質指標變化情況。與CK相比，BC1、BC2、BC3、MB1、MB2、MB3的小白菜葉片可溶性糖含量分別顯著提高了38.72%、62.39%、28.89%、32.62%、66.37%、37.48%。小白菜可溶性蛋白含量由高至低的順序為MB2> BC2> MB3> MB1> BC3> BC1> CK，與CK相比，在常規施肥基礎上添加大豆秸稈生物炭（BC1、BC2、BC3）使小白菜可溶性蛋白含量顯著上升15.25%、32.55%、19.94%，在常規施肥基礎上添加大豆秸稈生物炭并配施微生物菌劑（MB1、MB2、MB3）使小白菜可溶性蛋白含量顯著上升20.52%、46.33%、29.32%。此外，在常規施肥基礎上添加大豆秸稈生物炭（BC1、BC2、BC3）和添加大豆秸稈生物炭配施微生物菌劑（MB1、MB2、MB3）使小白菜維生素C含量較CK分別顯著增加了42.98%～111.93%和80.72%～152.76%，其中BC1、BC2、MB1、MB2之間均呈顯著差異，含量由高至低的順序為MB2> BC2>MB1> BC1。

3 討論與結論

土壤pH值是養分含量的重要影響指標，決定了養分的有效性[35-36]。在常規施肥基礎上添加不同劑量的大豆秸稈生物炭后，砂姜黑土的pH值較對照組分別提高了0.06、0.16、0.34。這與羅洋等[37]的研究結果一致，主要是因為生物炭富含的堿性物質釋放到土壤中，導致土壤pH值升高。土壤有機質含量是土壤養分含量的主要指標。與對照組CK相比，BC1、BC2、BC3處理組和MB1、MB2、MB3處理組的土壤有機質含量顯著提高，這與張曼等[18]的研究結果一致。主要原因可能是生物炭不僅能有效吸附土壤中活性有機物質，還可以抑制土壤微生物的呼吸，從而減緩有機質的礦化速率[38]，微生物菌劑中富含大量益生菌，可增強土壤中微生物的固碳作用，提升土壤有機質含量的效果明顯。氮、磷、鉀是作物生長發育所需的營養元素，與CK相比，BC1、BC2、BC3處理組土壤全氮、有效磷、速效鉀含量均隨生物炭施用量增加而呈增大趨勢，均與對照呈顯著差異，但BC1速效鉀含量低于對照；MB1、MB2、MB3處理組土壤全氮、有效磷和速效鉀含量顯著提高并隨生物炭施用量增加呈先增后降趨勢，其中添加2.5%大豆秸稈生物炭配施微生物菌劑的影響最大。這與王紅萍等[31]的研究結果相似，主要原因如下：第一，可能是微生物菌劑中所使用的芽孢桿菌將土壤中的磷素與鉀素快速分解為植物可利用的有效態[39]。第二，可能是筆者試驗添加的哈茨木霉菌在土壤中繁殖并與作物根系建立良好的共生關系[40]，它還可分解有機物質，從而使土壤中的氮、磷、鉀得以釋放和穩固[41]。第三，可能是生物炭的多孔結構吸附土壤中的大量礦物質氮、磷、鉀等營養元素[42]，使其養分固持能力得到增強[43]，其本身所含有的活性官能團也可調節土壤養分平衡[44]。

施用大豆秸稈生物炭和微生物菌劑后，通過探究小白菜生長狀況可以體現改良效果。前人研究發現，添加適量的生物炭或菌劑可以有效提高作物長勢[37，45]。在本研究中，與CK相比，BC1、BC2、BC3處理組和MB1、MB2、MB3處理組均不同程度地提高了小白菜的株高、葉寬、單株鮮質量和主根長度，這與前人的研究結果一致。原因可能是添加大豆秸稈生物炭通過增加土壤中植物所需的養分來促進植物幼苗株高和主根的伸長[45]，而菌劑中的各種有益菌能有效調節根系的呼吸作用與新陳代謝等活動，幫助植物有效利用土壤中的礦質營養元素，進而促使根系的伸長、葉面的延展及生物量的增加[46]。本研究結果表明，微生物菌劑配施2.5%大豆秸稈生物炭（MB2）處理小白菜株高、單株鮮質量、主根長和葉寬均高于其他處理。

此外，利用微生物菌劑配施生物炭能夠更有效地降低根腫病發病率，其主要原因是生物炭為堿性材料，營養元素含量豐富，對配施的微生物菌劑調節作用十分有效，并為哈茨木霉菌和枯草芽孢桿菌提供一個優越的生存環境，促進它們的生長和繁殖，從而抑制病原菌的侵染，降低小白菜根腫病的發病率[32]。再者，與對照相比，施用大豆秸稈生物炭和大豆秸稈生物炭配施微生物菌劑各處理組均顯著提高了小白菜可溶性蛋白、可溶性糖和維生素C含量，這主要是由于在土壤中配施生物炭作為微生物菌劑的載體，可以有效增加土壤中的礦物質養分含量，改善植株根系周邊生態環境，延長土壤酶活性時間[47-48]，養分的轉化和吸收能夠得到促進，進而提高作物品質。有研究表明[37]，添加生物炭量為2.5%時，小白菜的可溶性糖含量達到最高；添加生物炭量為5%時，小白菜的維生素C含量達到最高。這與本研究結果部分相符，在本試驗中，微生物菌劑配施2.5%生物炭時小白菜的可溶性糖和維生素C含量均達到最高，綜合品質提升最顯著。結果表明，生物炭使用量并不能直接決定小白菜品質，而是在合理配比的條件下，能夠更充分地發揮生物炭與微生物菌劑之間的相互促進作用，達到小白菜產量與品質提升的最佳效果。

綜上所述，微生物菌劑配施2.5%生物炭（MB2）在提高土壤養分含量、增強小白菜長勢、提高小白菜抗根腫病能力和小白菜品質方面處理效果最優，說明生物炭添加量與土壤改良效果并不呈線性關系，而是土壤改良效果隨著生物炭用量的增多而呈現先上升后下降的趨勢，可能是當用量超過一定范圍后對土壤理化性質、酶活性及微生物群落產生負面的影響。由于本研究只是在盆栽試驗下展示了微生物菌劑和大豆秸稈生物炭在改良砂姜黑土方面的效果，大田中施用效果還有待進一步開展田間試驗探討。

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